CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VI BƠM VÀ CFD
3.1 Mơ hình tốn học
3.3.3 Ảnh hưởng của các cấu hình NACA
78 Từ kết quả trong phần 3.3.2, chỉ mới dừng lại việc tối ưu hóa cấu hình vi bơm thơng qua các thơng số hình học, trong các nghiên cứu trước đây chỉ ra việc tập
trung điện tích ở đầu điện cực dương gây ra sự thay đổi đặc tính làm việc [87] nên
việc xem xét thêm cấu hình NACA được sử dụng làm điện cực dương là cần thiết.
Hơn nữa, ở vi bơm, đường đặc tính Kp–KQ và KN–KQ thường xuyên được người
dùng quan tâm trong q trình sử dụng và vận hành. Do đó, trong phần này, đường
đặc tính của vi bơm ECF với nhiều cấu hình điện cực NACA và dải điện áp từ 16 đến 48 được xây dựng và khảo sát.
Hình 3.18 Sự phân bố vận tốc và điện tích vi bơm ECF với: (a) NACA0006, (b) NACA0018 làm điện cực dương (Wn*=0.3, Lc*=0.3, Ws*=0.4, Ve*=32 và Ref=0.97)
Hình 3.18 cho thấy các kết quả định tính của vi bơm ECF với cực dương
NACA0006 Hình 3.18(a) và NACA0018 Hình 3.18(b). Sự phân bố vận tốc thể hiện ở hình phía trên và điện tích được thể hiện ở hình phía dưới, kết quả thu được
đối với điện áp (Ve* = 32) và số Re (Ref = 0.97). Từ hình 3.18(a) và (b) (phía trên),
khi thay đổi điện cực NACA từ NACA0006 sang NACA0018, vùng có vận tốc cao hơn sẽ nhỏ hơn, vận tốc lớn nhất thay đổi từ 32.91 đến 27.96, sự thay đổi này
vẫn tiếp tục khi thay đổi từ NACA0018 sang NACA0024, Hình 3.19. Điều này là do việc thay đổi NACA bản chất là thay đổi độ dày lớn nhất của điện cực đó. Độ
dày NACA tăng, dẫn đến lực cản dòng chảy lớn hơn và vận tốc nhỏ hơn. Cũng
như hướng phân bố vận tốc, sự phân bố mật độ điện tích cũng có xu hướng giảm
mạnh khi độ dày tăng dần (hình 3.18 và hình 3.19 phía dưới). Khi thay đổi điện cực NACA, ngồi việc thay đổi độ dày tối đa, nó cũng thay đổi góc nhọn của đầu
NACA. Đầu nhọn hơn dẫn đến cường độ điện trường cao hơn có thể tạo ra tia ECF
79
Hình 3.19 Sự phân bố vận tốc và điện tích vi bơm ECF với: (a) NACA0018, (b) NACA0024 làm điện cực dương (Wn*=0.3, Lc*=0.3, Ws*=0.4, Ve*=32 và Ref=0.97)
Hình 3.20 cho thấy PDC của vi bơm ECF biến thiên theo Ref, Hình 3.20(a) và Ree, Hình 3.21(b) với các loại NACA khác nhau (NACA0006, NACA0018 và NACA0024). Ref nằm trong khoảng từ 10–4 đến 5×100 trong khi Ree nằm trong khoảng từ 0.005 đến 1. Hình 3.22 cho thấy PDC của vi bơm ECF cũng thay đổi theo Pe, Hình 3.22(a) và Mc, Hình 3.22(b). Mc nằm trong khoảng từ 102 đến 104
trong khi Pe dao động từ 0,05 đến giá trị rất lớn 104. Xu hướng của Hình 3.21 và
Hình 3.22 giống như Hình 3.14 và Hình 3.15. Tuy nhiên, thay vì sử dụng ba điện áp đặt vào, ba loại NACA khác nhau được sử dụng để xem xét ảnh hưởng của các loại NACA đối với PDC. Các kết quả này nhìn chung chỉ ra một điểm rõ ràng ảnh
hưởng của loại NACA đối với PDC của vi bơm ECF.
80
Hình 3.21 PDC như một hàm của: (a) Pe; (b) Mc cho nhiều điện cực NACA (Ve*=48)
Hình 3.22 thể hiện các đường đặc tính của PDC – hệ số lưu lượng (Kp–KQ) và hệ số công suất – hệ số lưu lượng (KN–KQ) của vi bơm ECF cho các loại NACA khác nhau và các giá trị của điện áp khác nhau. Với các điện cực dương lần lượt
NACA0006, NACA00012, NACA0018, NACA0024 và điện áp nằm trong khoảng
16 và 48. Khi góc nhọn của điện cực NACA tăng lên, cả hệ số PDC và hệ số lưu
lượng đều giảm. Do đó, cơng suất của vi bơm giảm. Trong hình 3.32, đối với mỗi điện áp đặt vào vi bơm có một đường đặc tính KN–KQ cụ thể. Mỗi đường đặc tính
KN–KQ có một điểm KNmax ứng với một giá trị KQ nhất định. Các giá trị này có quy
luật tăng dần khi tăng điện áp đặt vào. Căn cứ vào đặc tính làm việc của vi bơm mà chúng ta có thể lựa chọn loại cấu hình phù hợp trong các điều kiện làm việc khác nhau.
Các đặc tính mơ phỏng của vi bơm ECF với điện cực NACA được xây dựng dưới dạng đường cong Kp = f1(KQ), KN = f2 (KQ). Trong đó đường cong Kp =
f1(KQ) có ý nghĩa quan trọng nhất, cịn được gọi là đường đặc tính làm việc cơ bản của vi bơm. Đường cong KN cũng thay đổi tùy theo mức Ve*. Nhận thấy rằng KN
tăng khi Ve* tăng và phạm vi làm việc của máy bơm được mở rộng. Những kết quả
này chỉ ra rằng vi bơm ECF mới với các điện cực NACA được đề xuất có đặc tính vận hành tốt, làm động lực cho nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 3.22 Đường đặc tính (a) Kp–KQ và (b) KN–KQ cho nhiều giá trị NACA và nhiều giá trị điện áp (Wn*= 0.5, Lc*=0.25, và Ws*=0.8)
81 Nhằm chuẩn bị cho giai đoạn chế tạo và vận hành vi bơm ở trên, tác giả đã tập trung vào việc thiết kế mơ hình 3D chi tiết như thể hiện trên Hình 3.23. Một thiết kế hồn chỉnh gồm một vi bơm ECF với điện cực NACA được đặt ở trong lớp vỏ được làm bằng polyetherimide (một loại nhựa vơ định hình có đặc tính kết dính, chịu nhiệt và độ ổn định hóa học cao). Vi bơm được làm kín bằng hai tấm đệm silicone (là polyme tổng hợp có tính chịu nhiệt và đàn hồi như cao su). Đầu
vào và ra của vi bơm được kết nối với hai ống cho phép lắp các thiết bị ngoại vi
như đồng hồ đo áp suất, lưu lượng, nguồn thủy lực một cách dễ dàng. Trong vi bơm này, 10 môđun NACA và cặp điện cực hình chữ nhật được tích hợp nối tiếp
vào kênh vi lỏng thẳng. Cấu hình Wn*, Lc*, và Ws* được lấy từ việc tối ưu ở phần 3.3.2, khoảng cách giữa các môđun được đề xuất bởi Han và cộng sự [80] với giả
định rằng nó sẽ hoạt động như một vùng đệm để ngăn dòng phản lực ngược được
tạo ra bởi các cặp điện cực giữa các điện cực NACA nằm ở phía dưới và các điện cực khe liền kề nằm ở phía trên. Việc nối tiếp các môđun điện cực NACA và cặp
điện cực hình chữ nhật với nhau thì áp suất đầu ra hàm của tổng của môđun riêng
lẻ với lưu lượng khơng đổi.
Hình 3.23 Mơ hình 3D của một bộ vi bơm ECF với điện cực NACA
Việc chế tạo vi bơm đã được đề cập sơ bộ ở phần 3.3.1, tuy nhiên phần này sẽ được miêu tả một cách cụ thể và chi tiết hơn. Hình 3.24 thể hiện quy trình chế tạo MEMS của vi bơm ECF mới có chứa điện cực NACA, dựa trên quy trình Kim và cộng sự đã thực hiện thành cơng [91, 92]. Quy trình chế tạo 1 là tạo các chân
điện cực (mạch), kim loại làm điện cực (thường là vàng, Au hoặc titan, Ti) được
lắng đọng bằng cách bốc hơi nhiệt (là một phương pháp của lắng đọng màng mỏng, các vật liệu được bốc hơi trong chân không. Chân không cho phép các hạt hơi bay trực tiếp đến vật thể mục tiêu, nơi chúng ngưng tụ trở lại trạng thái rắn) trên một tấm thủy tinh ướt. Sau đó quy trình chế tạo 2 sử dụng các chất điện quang mỏng, là một vật liệu nhạy cảm với ánh sáng để tạo lớp phủ có hình dạng các chân điện, quy trình chế tạo 3 sẽ khắc theo các hình dạng đã được tạo ở quy trình chế tạo 2. Tiếp đến quy trình chế tạo 4 và 5 lần lượt là dùng một chất điện quang dày để tạo một khn và sau đó (thường là chất KMPR 1035) dùng trong quá trình quay kéo sợi (là một quy trình được sử dụng để lắng các màng mỏng đồng nhất lên bề
82 mặt phẳng . Thông thường, một lượng nhỏ vật liệu phủ được phủ lên bề chân điện cực và sau đó được quay ở tốc độ thấp. Sau đó, được quay với tốc độ lên đến 10.000 vòng/phút để trải vật liệu phủ bằng lực ly tâm.) dùng ánh sáng UV để tạo
thành các khn đúc điện cực. Quy trình chế tạo 6 sẽ điện hóa các hạt niken (Ni)
được đưa vào trong các khuôn điện cực bằng các lỗ được làm trước đó. Sau khi có
các hình dạng điện cực hồn chỉnh thì khn đúc trước đó được loại bỏ trong quy trình chế tạo 7, các điện cực được mạ vàng tồn bộ trong quy trình chế tạo 8 vì
vàng có độ bề cao nên giữ được hiệu suất trong quá trình hoạt động cao của vi bơm
ECF. Cuối cùng, quy trình chế tạo 9 dùng Polyetherimide (PEI, có đặc tính kết dính và tính ổn định hóa học) để tạo nên thành của vi bơm.
Hình 3.24 Quy trình chế tạo MEMS của vi bơm ECF mới chứa điện cực NACA