CN114060255A - 一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，所述微形泵包括电磁铁和弹性的泵腔；所述泵腔的输入口处设有防止泵腔内液体流出的进口瓣膜，输出口处设有防止泵腔内液体流入的出口瓣膜；所述弹性泵腔设有弹性的磁流变液容器；当电磁铁的励磁线圈通电时，磁流变液容器内的磁流变液受磁场作用而流动并驱动磁流变液容器形变或位移，带动泵腔形变并挤压泵腔内的液体从输出口输出；当励磁线圈断电时，磁流变液容器、泵腔在弹力作用下复位，使泵腔内形成负压并经输入口把外部液体吸入泵腔；本发明结构简单、体积小、响应速度快，不会对泵送液体产生二次污染和破坏，能应用于生物药品、化学试剂等高品质液体的输送以及作为微型机械***的动力源。

Description

一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵
技术领域
本发明涉及液体泵技术领域，尤其是一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵。
背景技术
液压泵在工业生产当中扮演着十分重要的角色，是众多液压驱动设备例如工程机械、管道输送设备中最重要的机械部件。现有的传统液压泵主要有齿轮泵、柱塞泵、叶片泵、隔膜泵与蠕动泵五种，都是采用电机或发动机驱动。现有的液压泵主要存在如下问题：
1.齿轮泵、叶片泵和柱塞泵在工作过程中机械运动部件会直接接触到泵送的流体本身，因此会对流体造成污染，并且工作时噪声较大，机械部件磨损比较严重；
2.隔膜泵和蠕动泵对于泵送液体的破坏和污染较小，但由于同样采用了电机作为机械动力源，结构复杂，体积无法大幅缩小，限制了其应用范围；
3.使用磁流变弹性体制成的管状蠕动泵，有效泵腔容积较小，并且弹性体管在变形后恢复原状所需的时间较长，造成压缩泵腔的频率无法提高而影响输出流量。
磁流变液（MRF）作为一种智能材料，由微米级或者纳米级的导磁性颗粒、煤油或硅油等非导磁性载液以及一些改性添加剂混合制成。其在外部磁场的作用下能够以毫秒级的响应速度由流体状态转变为半固体状态，磁流变液也因这个独特的流变特性而受到广泛关注。近年来，利用磁流变效应的装置例如磁流变阻尼器、制动器、减震器、抛光装置等被不断研究出来，其在车辆工程、土木工程、航天航空、医学等领域都有不错的应用前景。
而将磁流变液作为驱动部件应用在泵上却无前例，但同时这又是一个具备相当发展潜力的应用方向。磁流变液在梯度磁场的作用下将受到一个沿磁场梯度最大方向的拉力，该拉力随磁场梯度的上升而增大。因此可以将磁场作为动力源、将磁流变液作为驱动部件，再配合一定弹性结构便可以制成磁流变液泵。磁流变液泵将具有结构简单、驱动灵活、可靠性强等优势。
发明内容
本发明提出一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其结构简单、体积小、响应速度快，不会对泵送液体产生二次污染和破坏，能应用于生物药品、化学试剂等高品质液体的输送以及作为微型机械***的动力源。
本发明采用以下技术方案。
一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，所述微形泵包括电磁铁（7）和弹性的泵腔；所述泵腔的输入口处设有防止泵腔内液体流出的进口瓣膜（5），输出口处设有防止泵腔内液体流入的出口瓣膜（2）；所述弹性泵腔设有弹性的磁流变液容器（1）；当电磁铁的励磁线圈（3）通电时，磁流变液容器内的磁流变液受磁场作用而流动并驱动磁流变液容器形变或位移，带动泵腔形变并挤压泵腔内的液体从输出口输出；当励磁线圈断电时，磁流变液容器、泵腔在弹力作用下复位，使泵腔内形成负压并经输入口把外部液体吸入泵腔。
所述微形泵的泵体（4）以弹性材料制作；所述磁流变液容器与泵体一体成型，为泵体上部中间的磁流变液容腔；泵体的泵腔经输入口与输入管道相通；所述磁流变液容器位于泵腔上部；所述电磁铁设于泵腔下方。
当电磁铁的励磁线圈断电且磁流变液容器复位完成时，进口瓣膜和出口瓣膜保持常闭状态，磁流变液容腔呈椭球状，其面积较大的底面朝向电磁铁；当电磁铁的励磁线圈通电时，磁流变液容腔内的椭球状磁流变液团受电磁铁磁力作用而中部下凹并使泵腔顶部下凹，进口瓣膜关闭，出口瓣膜打开，泵腔内的液体从输出口挤出。
所述输入管道与泵腔输入口相接部位处的管腔为椭球形容腔（6）。
所述椭球状磁流变液团的体积和半径均大于输入管道椭球形容腔的体积和半径。
所述电磁铁设于泵体下方，或是与泵体底面紧邻，其磁吸方向朝向磁流变液容腔内的磁流变液团；当磁流变液微型泵工作时，电磁铁的励磁线圈通以脉冲电流，在泵体中周期性地产生梯度磁场，以把磁流变液容腔内的磁流变液团周期性地拉向电磁铁方向。
所述进口瓣膜和出口瓣膜呈圆锥形。
所述磁流变液微型泵的工作过程包括以下步骤；
步骤S1、励磁线圈（3）中无电流，泵体（4）为自然放松状态，进口瓣膜（5）和出口瓣膜（2）处于紧闭状态，输入管道（61）、输出管道（62）、泵腔（63）之间不相互连通；
步骤S2、向励磁线圈（3）中通入激励电流，电磁铁将在泵体（4）中产生一个梯度磁场B并以速度v拉动磁流变液团向电磁铁的铁芯（72）靠近，同时引起泵体（4）发生弹性变形；磁流变液团（1）在靠近铁芯的过程中对泵腔内的液体产生挤压作用，此时出口瓣膜（2）在液压力作用下打开而进口瓣膜（5）保持闭紧状态，液体从输出管道（62）导出泵体；
步骤S3、励磁线圈（3）中持续通入激励电流，泵体（4）保持变形状态，出口瓣膜（2）关闭，进口瓣膜（5）保持紧闭状态，输入管道（61）、输出管道（62）、泵腔（63）之间不相互连通；
步骤S4、关闭励磁线圈中（3）的电流，磁流变液团（1）在泵体（4）的弹性力作用下被牵拉回到初始位置，此时泵腔（63）产生一个负压，促使进口瓣膜（5）打开而出口瓣膜（2）保持关闭，泵送液体经由输入管道（61）从进口瓣膜（5）流入并充满整个泵腔（63）；
磁流变液微型泵的工作时，向励磁线圈中中通入脉冲电流，可重复执行上述四个步骤以持续输送流体。
所述泵体以硅胶材质成型。
所述电磁铁包括铁芯、励磁线圈和外圈导磁结构，所述铁芯设于励磁线圈内侧，励磁线圈外侧还设有外圈导磁结构，外圈导磁结构形成俯视向面积大于磁流变液团的环形结构，当电磁铁励磁线圈通电时，外圈导磁结构的磁力对磁流变液团的边缘吸引以防止磁流变液团的边缘过度下陷。
本发明结构简单、体积小、响应速度快，不会对泵送液体产生二次污染和破坏，能应用于生物药品、化学试剂等高品质液体的输送以及作为微型机械***的动力源。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步详细的说明：
附图1是本发明的剖视示意图；
附图2是本发明所述微形泵的工作步骤示意图；
图中：1-磁流变液容器；2-出口瓣膜；3-励磁线圈；4-泵体；5-进口瓣膜；6-椭球形容腔；7-电磁铁；
61-输入管道；62-输出管道；63-泵腔；71-外圈导磁结构；72-铁芯。
具体实施方式
如图所示，一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，所述微形泵包括电磁铁7和弹性的泵腔；所述泵腔的输入口处设有防止泵腔内液体流出的进口瓣膜5，输出口处设有防止泵腔内液体流入的出口瓣膜2；所述弹性泵腔设有弹性的磁流变液容器1；当电磁铁的励磁线圈3通电时，磁流变液容器内的磁流变液受磁场作用而流动并驱动磁流变液容器形变或位移，带动泵腔形变并挤压泵腔内的液体从输出口输出；当励磁线圈断电时，磁流变液容器、泵腔在弹力作用下复位，使泵腔内形成负压并经输入口把外部液体吸入泵腔。
所述微形泵的泵体4以弹性材料制作；所述磁流变液容器与泵体一体成型，为泵体上部中间的磁流变液容腔；泵体的泵腔经输入口与输入管道相通；所述磁流变液容器位于泵腔上部；所述电磁铁设于泵腔下方。
当电磁铁的励磁线圈断电且磁流变液容器复位完成时，进口瓣膜和出口瓣膜保持常闭状态，磁流变液容腔呈椭球状，其面积较大的底面朝向电磁铁；当电磁铁的励磁线圈通电时，磁流变液容腔内的椭球状磁流变液团受电磁铁磁力作用而中部下凹并使泵腔顶部下凹，进口瓣膜关闭，出口瓣膜打开，泵腔内的液体从输出口挤出。
所述输入管道与泵腔输入口相接部位处的管腔为椭球形容腔6。
所述椭球状磁流变液团的体积和半径均大于输入管道椭球形容腔的体积和半径。
所述电磁铁设于泵体下方，或是与泵体底面紧邻，其磁吸方向朝向磁流变液容腔内的磁流变液团；当磁流变液微型泵工作时，电磁铁的励磁线圈通以脉冲电流，在泵体中周期性地产生梯度磁场，以把磁流变液容腔内的磁流变液团周期性地拉向电磁铁方向。
所述进口瓣膜和出口瓣膜呈圆锥形。
所述磁流变液微型泵的工作过程包括以下步骤；
步骤S1、励磁线圈3中无电流，泵体4为自然放松状态，进口瓣膜5和出口瓣膜2处于紧闭状态，输入管道61、输出管道62、泵腔63之间不相互连通；
步骤S2、向励磁线圈3中通入激励电流，电磁铁将在泵体4中产生一个梯度磁场B并以速度v拉动磁流变液团向电磁铁的铁芯72靠近，同时引起泵体4发生弹性变形；磁流变液团1在靠近铁芯的过程中对泵腔内的液体产生挤压作用，此时出口瓣膜2在液压力作用下打开而进口瓣膜5保持闭紧状态，液体从输出管道62导出泵体；
步骤S3、励磁线圈3中持续通入激励电流，泵体4保持变形状态，出口瓣膜2关闭，进口瓣膜5保持紧闭状态，输入管道61、输出管道62、泵腔63之间不相互连通；
步骤S4、关闭励磁线圈中3的电流，磁流变液团1在泵体4的弹性力作用下被牵拉回到初始位置，此时泵腔63产生一个负压，促使进口瓣膜5打开而出口瓣膜2保持关闭，泵送液体经由输入管道61从进口瓣膜5流入并充满整个泵腔63；
磁流变液微型泵的工作时，向励磁线圈中中通入脉冲电流，可重复执行上述四个步骤以持续输送流体。
所述泵体以硅胶材质成型。
所述电磁铁包括铁芯、励磁线圈和外圈导磁结构，所述铁芯设于励磁线圈内侧，励磁线圈外侧还设有外圈导磁结构71，外圈导磁结构形成俯视向面积大于磁流变液团的环形结构，当电磁铁励磁线圈通电时，外圈导磁结构的磁力对磁流变液团的边缘吸引以防止磁流变液团的边缘过度下陷。
本例中，磁流变液由微米级或者纳米级的导磁性颗粒、煤油或硅油等非导磁性载液以及一些改性添加剂混合制成。在外部梯度磁场的作用下，磁流变液里的每一个导磁性颗粒将受到一个沿最大磁场梯度方向的吸引力，从宏观上表现为整个磁流变液被拉向磁通密度最大的位置。
本例中的电磁铁可以在泵体中产生一个梯度磁场，从而将椭球型的磁流变液团拉向电磁铁，并对管道容腔产生挤压，再通过单向开闭的瓣膜结构将容腔内的液体泵送出去。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述微形泵包括电磁铁（7）和弹性的泵腔（63）；所述泵腔的输入口处设有防止泵腔内液体流出的进口瓣膜（5），输出口处设有防止泵腔内液体流入的出口瓣膜（2）；所述弹性泵腔设有弹性的磁流变液容器（1）；当电磁铁的励磁线圈（3）通电时，磁流变液容器内的磁流变液受磁场作用而流动并驱动磁流变液容器形变或位移，带动泵腔形变并挤压泵腔内的液体从输出口输出；当励磁线圈断电时，磁流变液容器、泵腔在弹力作用下复位，使泵腔内形成负压并经输入口把外部液体吸入泵腔。
2.根据权利要求1所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述微形泵的泵体（4）以弹性材料制作；所述磁流变液容器与泵体一体成型，为泵体上部中间的磁流变液容腔；泵体的泵腔经输入口与输入管道相通；所述磁流变液容器位于泵腔上部；所述电磁铁设于泵腔下方。
3.根据权利要求2所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：当电磁铁的励磁线圈断电且磁流变液容器复位完成时，进口瓣膜和出口瓣膜保持常闭状态，磁流变液容腔呈椭球状，其面积较大的底面朝向电磁铁；当电磁铁的励磁线圈通电时，磁流变液容腔内的椭球状磁流变液团受电磁铁磁力作用而中部下凹并使泵腔顶部下凹，进口瓣膜关闭，出口瓣膜打开，泵腔内的液体从输出口挤出。
4.根据权利要求3所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述输入管道与泵腔输入口相接部位处的管腔为椭球形容腔（6）。
5.根据权利要求4所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述椭球状磁流变液团的体积和半径均大于输入管道椭球形容腔的体积和半径。
6.根据权利要求5所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述电磁铁设于泵体下方，或是与泵体底面紧邻，其磁吸方向朝向磁流变液容腔内的磁流变液团；当磁流变液微型泵工作时，电磁铁的励磁线圈通以脉冲电流，在泵体中周期性地产生梯度磁场，以把磁流变液容腔内的磁流变液团周期性地拉向电磁铁方向。
7.根据权利要求5所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述进口瓣膜和出口瓣膜呈圆锥形。
8.根据权利要求5所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述磁流变液微型泵的工作过程包括以下步骤；
步骤S1、励磁线圈（3）中无电流，泵体（4）为自然放松状态，进口瓣膜（5）和出口瓣膜（2）处于紧闭状态，输入管道（61）、输出管道（62）、泵腔（63）之间不相互连通；
步骤S2、向励磁线圈（3）中通入激励电流，电磁铁将在泵体（4）中产生一个梯度磁场B并以速度v拉动磁流变液团向电磁铁的铁芯（72）靠近，同时引起泵体（4）发生弹性变形；磁流变液团（1）在靠近铁芯的过程中对泵腔内的液体产生挤压作用，此时出口瓣膜（2）在液压力作用下打开而进口瓣膜（5）保持闭紧状态，液体从输出管道（62）导出泵体；
步骤S3、励磁线圈（3）中持续通入激励电流，泵体（4）保持变形状态，出口瓣膜（2）关闭，进口瓣膜（5）保持紧闭状态，输入管道（61）、输出管道（62）、泵腔（63）之间不相互连通；
步骤S4、关闭励磁线圈中（3）的电流，磁流变液团（1）在泵体（4）的弹性力作用下被牵拉回到初始位置，此时泵腔（63）产生一个负压，促使进口瓣膜（5）打开而出口瓣膜（2）保持关闭，泵送液体经由输入管道（61）从进口瓣膜（5）流入并充满整个泵腔（63）；
磁流变液微型泵的工作时，向励磁线圈中中通入脉冲电流，可重复执行上述四个步骤以持续输送流体。
9.根据权利要求5所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述泵体以硅胶材质成型。
10.根据权利要求5所述的一种梯度磁场驱动的磁流变液微型泵，其特征在于：所述电磁铁包括铁芯、励磁线圈和外圈导磁结构，所述铁芯设于励磁线圈内侧，励磁线圈外侧还设有外圈导磁结构，外圈导磁结构形成俯视向面积大于磁流变液团的环形结构，当电磁铁励磁线圈通电时，外圈导磁结构的磁力对磁流变液团的边缘吸引以防止磁流变液团的边缘过度下陷。
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