CN102338068A - 一种电致动人工肌肉作动器驱动的小流量泵 - Google Patents

Abstract

一种电致动人工肌肉作动器驱动的小流量泵，由柔性泵腔、人工肌肉作动器、入口单向阀、出口单向阀、滑动组件、盖板组件、驱动控制器等组成，其特征是泵腔左端固定、右端连接滑动组件，人工肌肉作动器连接泵腔，入口单向阀连接左盖板，出流单向阀连接右端盖，柔性泵腔封装在由盖板组件制成的硬质外壳内。泵运行时，它利用IPMC人工肌肉的电致动弯曲效应操纵柔性泵腔做周期性收缩和扩张运动，以改变泵腔容积并实现流体泵送。本发明的技术效果是：（1）实现了泵驱动的去原动机化；（2）它抛弃传统泵所需的复杂执行机构，简化了泵的结构；（3）泵的执行件不与流体接触，避免了执行件对流体的污染；（4）该泵可低电压驱动且可用于精密流量控制。

Description

一种电致动人工肌肉作动器驱动的小流量泵

技术领域

 本发明涉及一种医学用途流体输送装置，尤其涉及一种利用电致动人工肌肉的电致弯曲效应，实现流体泵送功能的小流量泵。

背景技术

医用流体输送装置是一类重要医疗器具，在医学操作和手术中发挥极为重要的作用，例如，在腹腔镜检查和内窥镜检查中，就需采用流体泵向患处输送药物，在血液透析或心脏手术中，也需利用泵向血透机或人工心肺机输送血液。目前，绝大多数医用泵都采用正排量泵和离心泵。

通常，正排量泵是利用齿轮、螺旋、滚柱等部件将流体从吸入端吸入泵腔，再将流体输致排出端，具有流量稳定，抽吸力强，压头稳定和结构简单等特点。而离心泵则通过泵轴带动叶轮旋转，驱使使流体在离心力作用下叶片流道甩向叶轮出口，再经蜗壳收集后送入排出管，它具有空间占用小、噪声小、成本低且无脉动现象，但是离心泵的抽吸力较低、水头小且摩擦损失较大。正排量泵和离子泵具有齿轮泵、蠕动泵、活塞泵、径向叶轮泵、轴流泵等多种型式。

现有的正排量泵和离心泵技术正日臻成熟，它们在生产、生活等各领域中发挥着极为重要的作用。但是，尽管如此，这些泵也存在一些不足，比如，在它们的泵腔内通常需设置了一个较大转子***，从而使泵的结构变得非常复杂。特别是，转子***通常还与流体直接接触（如叶轮泵、齿轮泵），这就大大增加了流体受污染的可能性，并制约了其在医学领域的应用。在这种条件下，不断推出全新的泵送技术与装置来解决此问题并丰富流体泵的型式，就变得非常有必要。

众所周知，电致动聚合物（EAP）又称电致动人工肌肉，是一类在外电场诱导下，能通过改变其内部结构而产生弯曲、伸缩、束紧或扭变等多种机械行为的高分子聚合物，其电致量大、响应快、机电耦合效率高。在各种EAP中，最具代表性的是金属与离子型聚合物的合成物（IPMC），这种EAP的电致动应变效应是建立在其内部带电水合阳离子扩散运动的基础上，它在较低电压（小于10V）作用时，可产生明显弯曲。利用IPMC的这种电致弯曲效应，可实现许多机电功能，本发明所推出的泵送装置正是基于IPMC人工肌肉。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电致动人工肌肉作动器驱动的小流量泵，它利用人工肌肉作动器的电致弯曲应变效应，实现流体泵送，该装置具有结构简单、性能稳定、泵送效率高、可实现流体精密控制等优点。

本发明是这样实现的，它包括泵腔、人工肌肉作动器、入口单向阀、出口单向阀、滑移组件、上盖板，底板、前盖板、后盖板、左盖板、右盖板、驱动控制器和集流器。其特征在于：泵腔的左端连接左盖板，泵腔的右端连接滑动组件，人工肌肉作动器连接泵腔，入口单向阀连接左盖板，出口单向阀连接右盖板，上盖板连接左盖板、左盖板连接底板，前盖板连接底板、后盖板连接底板，右盖板连接底板，驱动控制器通过导线连接人工肌肉作动器，集流器连接在泵的出口处，它通过在人工肌肉上通入低频交变电压信号，激励IPMC电致动人工肌肉产生弯曲振动并带动泵腔膜产生机械变形，从而改变泵腔的容积并实现流体的抽吸和泵送。

本发明的技术效果是：1泵的运转所需的电-机能量转换通过人工肌肉来完成，因此，无需为泵配置电动机或内燃机等原动机；2泵通过人工肌肉作动器对弹性泵腔膜进行操作来改变泵腔体积，这样可省却传统的机械泵所需的复杂机械传动和执行机构，大大地简化泵的结构；3由于泵的运动执行件（人工肌肉）不与流体进行接触，因此这种泵能避免执行件对流体的污染问题；4由于IPMC人工肌肉的驱动电压比较低，因此该泵可实现低电压驱动；5由于调节施加在IPMC上的激励电压的幅值，就能改变泵腔的变化幅度，并且改变人工肌肉的驱动频率便可改变泵送速度，这就使该泵具有精密流量控制特性。

 

附图说明：

图1 为本发明的结构示意图。

图2 为本发明结构的A-A剖面示意图。

图3 为本发明结构的B-B剖面示意图。

图4 为本发明的泵吸原理。

图5 为本发明的泵排原理。

在图中：1、泵腔  2、人工肌肉作动器  3、入口单向阀   4、出口单向阀   5、滑移组件   6、上盖板   7、底板    8、前盖板   9、后盖板   10、左盖板   11、右盖板        12、驱动控制器    13、集流器   14、弹性膜   21、人工肌肉作动器组件   22、人工肌肉作动器组件   23、人工肌肉作动器组件   24、人工肌肉作动器组件  25、人工肌肉作动器组件   26、人工肌肉作动器组件。

具体实施方式

下面结合附图，详细说明本发明利用IPMC人工肌肉的电致动弯曲效应，实现流体泵送的方法及该相应的流体泵的实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5所示，本发明主要由泵腔1、人工肌肉作动器2、入口单向阀3、出口单向阀4、滑移组件5、上盖板6，底板7、前盖板8、后盖板9、左盖板10、右盖板11、驱动控制器12、集流器13和弹性膜组成。泵腔1由两片厚度较薄的弹性膜14拼合而成。在泵开始工作之前，泵腔1的大致呈椭圆柱结构，当泵运转时，泵腔1的形状与容积发生周期性变化。本发明提供了泵腔结构一种参考形状。可以根据应用的需要，完全可以将泵腔设计成其它形状如圆柱状、矩框状。若泵腔形状改变，泵腔上人工肌肉作动器的配置方式也应随之发生相应的改变。

当该泵工作时，需在粘贴于泵腔上的IPMC人工肌肉作动器上施加等幅、同频的交流电压激励信号，以激发人工肌肉作动器产生弯曲应变振动。本发明正是通过是该振动来操控泵腔的收缩或扩张，从而改变泵腔的容积以达到泵送流体的目的。

在本发明所推出的泵的结构中，将泵腔封装在由上盖板6，底板7、前盖板8、后盖板9、左盖板10、右盖板11组成的封闭结构中，这主要是考虑到泵腔1是由柔性膜拼合而成，膜的厚度较小，因此需一个硬外壳对其进行保护。

为使泵腔产生收缩和扩张运动所需的足够动力，在泵腔上配置有一定数量的IPMC人工肌肉作动器2。理论上，所配置作动器数量越多，泵的动力越大。并且，为了增大泵的抽吸能力，应尽可能配置大厚度人工肌肉作动器或IPMC人工肌肉作动器叠层。

为使泵腔产生其工作所需收缩和扩张运动，必须按附图4所示方式配置人工肌肉作动器的夹持位置，即对于人工肌肉组件21和人工肌肉组件24，应分别夹持其左端，对于人工肌肉组件23和人工肌肉组件26，应分别夹持其右端。针对人工肌肉组件22和人工肌肉组件24，则需夹持或固化其中间部位。

为了避免泵腔柔性膜和人工肌肉作动器因粘胶固化而失去柔性问题，为了防止人工肌肉电致动效应衰退，需用软性胶将人工肌肉作动器2粘贴在泵腔膜的表面上。

附图4给出了本发明基于IPMC人工肌肉的泵的“泵吸”原理。从图中可见，当泵要从蓄流槽中吸入流体时，入口单向阀3的阀芯需向右移而将泵的进流口打开，同时，出口低压单向阀4的阀芯也应右移而将泵的出流口封堵；然后，驱动控制器12向人工肌肉组件21，人工肌肉组件23和人工肌肉组件25通入正向电压，同时向人工肌肉组件22，人工肌肉组件24和人工肌肉组件26通入反向电压。两向极性电压激励各人工肌肉作动器产生附图4所示弯曲变形，驱使两泵腔膜向外扩张，造成泵腔容积增大而在泵腔内形成一定的真空。该泵就是利用该真空度将流体吸入泵腔。

附图5给出了本发明的泵的“泵排”原理。图中可见，当要将泵腔内的流体向出流口排出时，泵的入口单向阀3的阀芯左移而将其进流口关闭，出口单向阀4的阀芯也左移而将泵的出流口打开；与此同时，驱动控制器12向人工肌肉组件21，人工肌肉组件23和人工肌肉组件25通入反向电压，并向人工肌肉组件22，人工肌肉组件24和人工肌肉组件26通入正向电压。两向极性电压激励各人工肌肉作动器产生附图2所示弯曲变形，驱使两泵腔弹性膜向内回缩，造成泵腔的容积变小，从而在泵腔内形成一定的流体压力。该泵就是利用该压力迫使流体从泵的出流口向外排放。

 泵腔每完成一个“泵吸”和“泵排”的动作，便实现了流体的一个泵送循环。本发明就是通过不断地重复上述泵送循环，来实现流体的连续泵送。

 如附图4所示，为了减小泵腔收缩和扩张时的机械阻阻滞，本发明将泵腔的左端固定，而将其右端配置为自由移动端。当泵腔收缩和扩张时，泵腔移动端相应地做往复直线运动。

 入口单向阀3和出口单向阀4阀芯既可采用弹簧操控方式，也可采用电磁操控式。如为弹簧操控式，则宜采用微力弹簧，以利于阀的启、闭。如采用电磁操控式，则阀的操控频率必须与人工肌肉激励电压同频，并且作用在入口单向阀3上的操控信号必须与人工肌肉组件21上的激励信号同相，作用在出口单向阀4上的操控信号必须与人工肌肉组件21上激励信号反相。最好采用电磁操控式。

 为了保证泵的泵送能力并延长泵的寿命，泵腔膜11??必须具备较高弹性和足够的强度，为此，应采用橡胶膜材料制成泵腔，并且膜的厚度宜控制在0.2~0.3 mm。 

 驱动控制器12的作用在于向IPMC人工肌肉作动器2提供激励电压和控制信号。为了提高人工肌肉作动器2的机电耦合效率，驱动控制器12最好能向人工肌肉作动器2提供双极性方波激励信号，该信号的幅值宜在1~10V范围内连续可调，频率应在0.1~10Hz内连续可调。

本发明通过泵腔的大幅机械收缩和扩张实现流体泵送，将导致泵的出口处流量出现一定程度的脉动。为解决此问题，在泵的出流口处设置了集流器13。当在某个泵送循环中，若泵出的流量偏大，则多余的流体自动将流入集流器3；而若泵腔输出流量偏小，则集流器13将流出一定的流体以补偿流量的不足，这样可达到稳定流量的目的。

Claims (1)

1. 一种电致动人工肌肉作动器驱动的小流量泵，由柔性泵腔、人工肌肉作动器、入口单向阀、出口单向阀、滑移组件、上盖板，底板、前盖板、后盖板、左盖板、右盖板、驱动控制器部件组成，其特征在于：柔性泵腔的左端连接左盖板，柔性泵腔的右端连接滑动组件，人工肌肉作动器连接柔性泵腔，入流单向阀连接左盖板，出口单向阀连接右盖板，上盖板连接左盖板、左盖板连接底板，前盖板连接底板、后盖板连接底板，右盖板连接底板，驱动控制器通过导线连接人工肌肉作动器，集流器连接泵的出口处。

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