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研究生: 林建宏
Chien-Hung Lin
論文名稱: 無閥式微幫浦於水下載具應用之研發
Development of valveless micropump for meso-scale underwater vehicle
指導教授: 鄭逸琳
Yih-Lin Cheng
口試委員: 陳炤彰
Chao-Chang Chen
孫珍理
Chen-Li Sun
汪家昌
Jia-Chang Wang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2005
畢業學年度: 93
語文別: 中文
論文頁數: 104
中文關鍵詞: 微幫浦微流道壓電SDM(Shape Deposition Manufacturing)
外文關鍵詞: micropump, microchannel, piezoelectric, SDM(Shape Deposition Manufacturing)
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目前國外的研究中,主要的微幫浦研究皆是採用微機電(MEMS)的製程技術來做為主要的製作方式,設計上以單純的驅動流體為主,未與特殊用途系統整合來做設計。本研究中針對做為水下微小載具的推進器或是方向輔助元件的目的設計一款製程簡易、成本低廉壓電無閥式微幫浦。配合成本低廉的要求,致動器方面選用了容易取得的壓電蜂鳴片,利用直流電源供應器與頻率控制電路作為驅動源。為了製作所設計的微幫浦垂直擴散口流道的幾何特徵,無法使用現有常見的微機電製程,因此選用了最適合的SDM(Shape Deposition Manufacturing)製程。
為了微小水下載具的設計目的,微幫浦的幾何結構設計了三個進口流道與一個出口流道,外型尺寸為15mm×15mm×3mm,流道擴散角為10度,配合CAD/CAM軟體的輔助,對3D模型做適合的切層與加工規劃,以高分子聚合物材料、蠟材與三軸CNC加工機利用SDM製程製作出微幫浦腔體部分。克服了垂直擴散口流道製作以及支撐材料的溫度造成主要材料變形上的問題。最後進行微幫浦的組裝測試,測試其背壓與流量,並依據本研究中的結果來討論未來的改進方向。


Up to the present, the fabrication of the micropump generally used the MEMS processes were designed micropump for driving flow simply. This study focused on simple manufacture and inexpensive cost for the meso-scale underwater vehicle’s propulsion and direction auxiliary element. For the demands of the cheap cost, the piezo buzzer which was easily-obtained was the first choices for actuator and DC power supply and frequency controlled circuit were used as the driver. Most of the micro-scale manufacturing processes nowadays was unable to achieve the 3D geometry of vertical channel in our designed; therefore, this study chosed SDM (Shape Deposition Manufacturing) as the most suitable process.
This study designed micropump with three inlet channel and one outlet channel for the application of meso-scale underwater vehicle. The dimensions of micropump are 15mm×15mm×3mm and the channel opening angle is 10 degree. CAD/CAM software was applied to slice 3D model and map out the manufacturing plan appropriately. SDM process utilized casting polymer, wax, and 3-axis CNC processing machinery to make the principle part of the micropump. This study conquered the problem of the manufacture of 3D geometry of vertical channel and part material deformation of the high temperature with support material casting. Finally, this study fabricated the micropump and tested the back pressure and flow rate, and furthermore discussed the improvement of future work according to the results of this study.

目錄 摘要 I Abstract II 致謝 III 目錄圖目錄 IV 圖目錄 VII 表目錄 XI 符號表 XIII 第一章 概論 1 1.1 前言 1 1.2 研究動機 2 1.3 論文架構 3 第二章 文獻回顧與探討 4 2.1 微幫浦之類型介紹與比較 4 2.1.1 閥門類型比較 4 2.1.2 致動器類型比較 5 2.2 文獻回顧 10 2.3 相關製程 11 第三章 微幫浦相關理論與設計 16 3.1基本壓電材料理論 16 3.2無閥式微幫浦基本原理 18 3.2.1 擴散口 18 3.2.2 無閥式微幫浦 18 3.3噴嘴/擴散口理論與設計 19 3.3.1 噴嘴/擴散口理論 19 3.3.2噴嘴/擴散口設計 22 3.4 壓電致動器選用 23 3.5 腔體結構設計 25 第四章 無閥式微幫浦腔體製程 30 4.1 製程選擇 30 4.2 SDM製程 31 4.2.1 SDM使用材料. 32 4.2.2 SDM實驗設備 36 4.2.3 切削加工路徑規劃軟體 38 4.3 微幫浦腔體外型製作 40 4.3.1 底部 42 4.3.2 中段 50 4.3.3 頂部 53 4.3.4 加工流程 54 4.3.4 移除支撐材料 56 4.3.5 實體檢驗 57 4.4 討論 59 第五章 微幫浦驅動與實驗 60 5.1 微幫浦驅動源 60 5.2 壓電蜂鳴片黏合 63 5.3 背壓與流量量測 65 5.3.1 背壓與流量量測方法 65 5.3.2 背壓與流量量測結果 67 第六章 結論與未來研究方向 74 6.1 結論 74 6.2 未來改進方向 75 參考文獻 77 附錄1 背壓值 81 附錄2 PowerMill路徑規劃圖 82 作者簡介 88 圖目錄 圖1.1 水下載具與微幫浦爆炸圖 2 圖2.1 止回閥式微幫浦示意圖 5 圖2.2 無閥式微幫浦示意圖 5 圖2.3 電磁式微幫浦示意圖 6 圖2.4 靜電式微幫浦示意圖 7 圖2.5 形狀記憶合金式微幫浦 7 圖2.6 熱驅動式微幫浦 8 圖2.7 壓電式微幫浦 9 圖3.3 圓錐形與矩形擴散口 18 圖3.4 無閥式微幫浦工作圖 19 圖3.5 擴散口尺寸示意圖 20 圖3.6 擴散口模型穩定圖 21 圖3.7 壓力恢復數分布圖 21 圖3.8 擴散口角度與流量損失係數關係圖 22 圖3.15 微幫浦未來應用於水下載具的架構 26 圖3.15 實際微幫浦外型泵圖 27 圖3.17 微幫浦流道形狀示意圖(a)正面(b)背面 28 圖 4.1 階梯狀現象 31 圖4.2 SDM加工流程 32 圖4.3 FC 52 Isocyanate/ 52 Polyol 34 圖4.4 支撐材料 35 圖4.5 BIOACT280 35 圖4.6 CNC四軸半高速雕刻機 36 圖4.7 真空脫泡設備 37 圖4.8 氣體吸附式平板(左)與底座(右) 38 圖4.9 PowerMill操作流程圖 39 圖4.10 腔體模型爆炸圖 41 圖4.11 基材與氣體吸附式平板示意圖 41 圖4.12 簡略加工流程圖 42 圖4.13 底部模型 43 圖4.14 重點流道特徵 43 圖4.15 製作方法一之流道分割方式-底部1 44 圖4.16製作方法一底部1(a)切削完成示意圖、(b)主要材料填入圖 44 圖4.17 製作方法一之流道分割方式-底部2 45 圖4.18 製作方法一底部2切削完成示意圖 45 圖4.19 製作方法二之流道分割方式-底部1 46 圖4.20製作方法二底部1(a)切削完成示意圖、(b)主要材料填入圖 47 圖4.21 製作方法二之流道分割方式-底部2 47 圖4.22製作方法二底部2凹槽切削完成示意圖 48 圖4.23 底部加工完成圖 48 圖4.24 中段流道加工模型圖 51 圖 4.25 頂部模型 53 圖4.26 加工流程圖 55 圖4.27 超音波清洗機 56 圖4.28 微幫浦腔體實體外型(a)正面、(b)背面 56 圖4.29 進口流道頭髮貫穿圖 57 圖4.30 出口流道OM觀測圖(a)示意圖、(b)進口、(c)出口 58 圖5.1 頻率訊號示意圖 60 圖5.2 頻率控制電路 61 圖5.3 量測訊號圖 61 圖5.4 可調頻率控制電路示意圖 62 圖5.5 微幫浦驅動架構 62 圖5.6 蜂鳴片固定方式 63 圖5.7 微幫浦正面 64 圖5.8 微幫浦背面 64 圖5.9 背壓量測示意圖 66 圖5.10 流量量測示意圖 66 圖5.11 背壓量測折線圖 68 圖5.12 流率量測折線圖 68 圖5.13雷諾數折線圖 69 表目錄 表1.1不同類型致動器的特色 9 表1.2 相關研究文獻 10 表3.1 微幫浦各部分零件說明表 27 表3.1 進口流道尺寸 29 表3.2 出口流道尺寸 29 表4.1 先前SDM所用主要材料 33 表4.2 FC 52Isocyanate/ 52Polyol材料特性 33 表4.3 支撐材料特性 34 表4.4 底部加工參數 48 表4.5 底部加工時間表 49 表4.6 不同比例支撐材料影響主要材料變形比較表 51 表4.7 中段加工參數 51 表4.8 中段加工時間表 52 表4.9 頂部加工參數 53 表4.10 頂部加工時間表 53 表5.1 實驗結果 67 表5.2 雷諾數 69 表5.3 實驗結果與相關文獻比較表 70

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