CN1908431A - 超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵。泵体(4)和泵盖(13)之间设有弹性膜片(16)，弹性膜片(16)与泵盖(13)之间形成封闭的泵工作腔。在弹性膜片(16)与泵体(4)之间的空腔内，从上至下依次设有左位移放大机构(8)和右位移放大机构(19)、顶盘(7)、上永磁铁(6)、绕有驱动线圈(5)的线圈骨架(2)、下永磁铁(1)。在线圈骨架(2)中间的通孔内部装有超磁致伸缩棒(3)。泵盖(13)和弹性膜片(16)之间设有弹簧(15)，弹簧(15)和泵盖(13)组成预压机构。泵盖(13)上设有进水管(18)和出水管(12)，并分别经进口阀(17)和出口阀(11)连通泵工作腔和外部。本发明适合于功率要求较大且低电压驱动的场合。

Description

超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵

所属技术领域

本发明涉及一种采用超磁致伸缩材料为驱动源的膜式微泵。

背景技术

在微流体***中，作为执行器的微泵是最重要的装置之一。从结构上分类，现有的微泵包括机械式微泵和非机械式微泵。机械式微泵通过活动部件来传输控制流体。非机械式微泵没有任何活动部件，一般采用电液力、超声波、电渗、连续电浸润、磁液力、气泡等驱动方式。

目前广泛研究和使用的机械式微泵主要是膜式微泵。膜式微泵是一种容积泵，依靠振动膜的弯曲变形造成泵腔容积的变化，进而引起泵腔压力的变化，从而完成液体的定向流动和输送。膜式微泵具有结构简单、流量精确等特点，已在医疗(如体液检测、药物输送)、生物工程(如基因筛选)、化学分析、IC技术(如芯片散热)、交通(如燃料喷射)和环境监测等方面显示出广阔的应用前景。

图1是当前各种膜式微泵的结构简图。泵盖103和泵体100之间安装有薄膜102，薄膜102把泵腔分割为上下两部份。薄膜102下表面附有驱动元件101。在泵盖103上垂直地开有两通孔，分别连通泵上腔和泵的外部。在其中一通孔上装有进口阀104，在另一通孔上装有出口阀105。在驱动元件的作用下，薄膜102可发生向下和向下地弯曲变形。当薄膜102向下弯曲时，泵上腔容积变大，其内部压力小于泵外部压力。在内外部压力差作用下，出口阀105关闭，进口阀104开启，液体从进口阀104进入泵腔。当薄膜102向上弯曲时，泵上腔容积变小，其内部压力大于泵外部压力。在内外部压力差作用下，进口阀104关闭，出口阀105开启，液体从出口阀105流出泵腔。如果薄膜102反复连续地进行向下和向上弯曲变形，就可实现液体的定向且流量精确地输送。

根据驱动原理的不同，现有的膜式微泵又可分为压电驱动式、热驱动式、静电驱动式、电磁驱动式、形状记忆合金驱动式和薄膜型超磁致伸缩材料驱动式。

现有的膜式微泵多数采用薄片状驱动材料，通过手工粘贴或半导工艺等方式使得驱动材料附着在振动膜片上。这样的设计结构简单，易装配，成本低，但由于薄片状驱动材料本身输出功率较小，同时也受到驱动材料与振动膜片之间联接工艺的限制，使得现有的各种膜式微泵普遍功率较小，特别是输出压力较小。通过多腔体串联或并联的方式可以在一定程度上提高现有膜式微泵功率，但限于体积的原因，其输出功率很难得到根本提高。通过文献检索，现有的膜式微泵在零流量时输出压力一般不超过50Kpa，文献报道中发现输出压力最大的也只有78Kpa。表1列出了近年来报道的一些典型的膜式微泵的性能参数。

                            表1  典型的膜式微泵的性能参数

序号	名称	几何尺寸(mm)	驱动电压(v)	最大输出流量(ml/min)	最高输出压力(Kpa)	研制者
							1	压电片驱动式	φ12.5	125	0.01	19.6	荷兰Twente大学
2	压电块驱动式	20×20×10	100	0.04	9.8	日本东北大学
							3	压电叠堆驱动式	φ30×60	110	50	60	日本计器所
4	无阀压电片驱动式	φ16×15	80	16	19	瑞典Chalmers工业大学
							5	两腔串联压电片驱动式	φ50×11.5	60	9	16.7	吉林大学
6	静电驱动式	7×7×2	170	0.25	31	Zengerle
							7	热驱动式	4×4×3	15	0.014		Jeong
8	电磁力驱动式	10×10×8	100mA(电流)	40		Bohm
							9	形状记忆合金驱动式	6×6×1.5	120mA(电流)	0.34		上海交通大学
10	薄膜型超磁致伸缩材料驱动式			0.01	0.1	E.Quandt

现有的膜式微泵普遍功率较小，不仅影响了其在一些功率要求较高场合的使用，也使得现有的膜式微泵自吸能力普遍较低，工作前需要人工灌泵，造成使用不便。

除了输出功率较小外，现有的膜式微泵根据驱动原理不同，还存在以下问题：

(1)压电驱动膜式微型泵：驱动电压偏高，一般在60V以上，与IC电路难以兼容，限制了其应用范围，另外，压电泵噪音较大。

(2)静电驱动：电极间距一般较小，驱动电压较高，一般在50V以上，不利于应用。同时，其体积冲程也较小，还需要增加防止电路短路的绝缘膜。

(3)热驱动微泵驱动：由于热冷却慢，驱动频率低，一般为几赫兹，限制了输出流量和压力，泵自吸力差。同时，能耗也大。

稀土超磁致伸缩材料是一种新型高效的磁(电)-机械能转换材料，能有效地实现电磁能与机械能的转换。超磁致伸缩材料现有棒状和薄膜状，薄膜状材料输出功率较小，而棒状材料具有应变大、能量密度高、机电耦合系数大、响应速度快、输出力大等优点。

发明内容

为了克服现有膜式微泵功率较小的问题，本发明提供一种采用棒状超磁致伸缩材料为驱动源的膜式微泵，有效地提高微泵的输出功率。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：包括下永磁铁、线圈骨架、超磁致伸缩棒、泵体、驱动线圈、上永磁铁、顶盘、左位移放大机构、密封圈、左螺钉、出口阀、出水管、泵盖、圆柱块、弹簧、弹性膜片、进口阀、进水管、右位移放大机构、右螺钉。圆桶形的泵体和泵盖之间设有圆形的弹性膜片，弹性膜片与泵盖之间形成封闭的泵工作腔。在弹性膜片与泵体之间的空腔内部，从上至下依次设有采用柔性铰链的位移放大机构、T字形的顶盘、圆环形的上永磁铁、绕有驱动线圈的线圈骨架、圆环形的下永磁铁。在线圈骨架中间的通孔内部装有超磁致伸缩棒，超磁致伸缩棒上端面和顶盘下端面接触，超磁致伸缩棒下端面由泵体中心的凸台支撑。在泵盖上设有进水管，并经进口阀连通泵工作腔和外部；在泵盖上设有出水管，并经出口阀连通泵工作腔和外部。泵盖和弹性膜片之间设有弹簧，弹簧和泵盖组成预压机构。在弹簧内部设有圆柱块。

泵体、顶盘采用导磁材料，和超磁致伸缩棒形成闭合磁路；泵盖和线圈骨架采用非导磁材料；弹性膜片、进口阀、出口阀和位移放大机构采用弹性性能好的非导磁材料，并经热处理工艺提高机械性能。

弹簧和泵盖组成预压机构，可消除间隙，并对超磁致伸缩棒施加预紧力，同时也可为弹性膜片复位时提供驱动力。

本发明与现有的膜式微泵相比具有的优点是：

(1)相同体积下，功率比现有膜式微泵大数倍；

(2)驱动电压低，通常低于10V；

(3)磁场驱动，无冲击，噪音低；

(4)自吸能力强，无需灌泵。

附图说明

图1为现有的膜式微泵结构示意图。

图2为本发明的结构图。

图3为本发明中泵体的结构图。

图4为本发明中位移放大机构的结构图。

图5为本发明中单向阀的结构图

图2中：1.下永磁铁，2.线圈骨架，3.超磁致伸缩棒，4.泵体，5.驱动线圈，6.上永磁铁，7.顶盘，8.左位移放大机构，9.密封圈，10.左螺钉，11.出口阀，12.出水管，13.泵盖，14.圆柱块，15.弹簧，16.弹性膜片，17.进口阀，18.进水管，19.右位移放大机构，20.右螺钉。

具体实施方式

如图2所示，本发明包括下永磁铁1、线圈骨架2、超磁致伸缩棒3、泵体4、驱动线圈5、上永磁铁6、顶盘7、左位移放大机构8、密封圈9、左螺钉10、出口阀11、出水管12、泵盖13、圆柱块14、弹簧15、弹性膜片16、进口阀17、进水管18、右位移放大机构19、右螺钉20。

圆桶形的泵体4和泵盖13之间安装有圆形的弹性膜片16和和圆环形的密封圈9，弹性膜片16将泵体4内部空腔分成上、下两部分，弹性膜片16与泵盖13之间的空腔是泵工作腔。在弹性膜片16与泵体4之间的空腔内部，从上至下依次安装有左位移放大机构8和右位移放大机构19、T字型的顶盘7、圆环型的上永磁铁6、绕有驱动线圈5的线圈骨架2、圆环型的下永磁铁1，在线圈骨架2中间的通孔内部装有超磁致伸缩棒3，超磁致伸缩棒3的上端面和顶盘7的下端面接触，超磁致伸缩棒3的下端面由泵体4中心的凸台支撑。左位移放大机构8的左端开有通孔，并通过左螺钉10与泵盖13、密封圈9、弹性膜片16、泵体4固定在一起。右位移放大机构19的右端开有通孔，并通过右螺钉20与泵盖13、密封圈9、弹性膜片16、泵体4固定在一起。

在泵盖13上垂直泵工作腔方向开有两通孔，分别安装有进口阀17和出口阀11。在泵盖13上沿进口阀17方向安装有进水管18，通过进水管18并经进口阀17可连通泵工作腔和外部；在泵盖13上沿出口阀11方向安装有出水管12，通过出水管12并经出口阀11可连通泵工作腔和外部。

泵盖13和弹性膜片16之间装有弹簧15，弹簧15和泵盖13组成预压机构，可消除弹性膜片16与左位移放大机构8和右位移放大机构19、左位移放大机构8和右位移放大机构19与顶盘7之间、顶盘7与超磁致伸缩棒3之间的间隙，并对超磁致伸缩棒3施加预紧力，同时也可为弹性膜片16复位时提供驱动力。

弹簧15中间安装有圆柱块14，以减小泵工作腔有效体积，可提高泵的输出压力。

泵体4结构如图3所示。泵体4、顶盘7采用导磁材料，和超磁致伸缩棒3形成闭合磁路；泵盖13和线圈骨架2采用非导磁材料，以减少磁漏。

位移放大机构由左位移放大机构8和右位移放大机构19组成，左位移放大机构8和右位移放大机构19为对称结构。位移放大机构的结构如图4所示，图中双圆弧处为柔性铰链。左位移放大机构8的左端通过螺钉固定于泵体4，右端在力的作用下可绕柔性铰链转动，当超磁致伸缩棒3伸长变形并通过顶盘7推动左位移放大机构8柔性铰链右边的凸状块时，就会使得左位移放大机构8的右端向上推动弹性膜片16，并得到一个放大的位移。右位移放大机构19的右端通过螺钉固定于泵体4，左端在力的作用下可绕柔性铰链转动，当超磁致伸缩棒3伸长变形并通过顶盘7推动右位移放大机构19柔性铰链左边的凸状块时，就会使得右位移放大机构19的左端向上推动弹性膜片16，并得到一个放大的位移。位移放大机构采用弹性性能好的非导磁板型材料经线切割加工而成，并经热处理工艺提高机械性能。

弹性膜片16为圆形薄片结构，采用弹性性能好的非导磁薄片材料制作，并经热处理工艺提高机械性能。

进口阀17和出口阀11都是单向阀，外形如图5所示，矩形部份为固定端，通过粘接或其它工艺固定于泵盖13，圆形部份为自由端。进口阀17和出口阀11均采用弹性性能好的非导磁薄片材料经线切割加工而成，并经热处理工艺提高机械性能。

本发明的工作原理是：驱动线圈5中通入电流，产生磁场，当磁场强度变化时，引起超磁致伸缩棒3伸缩形变。超磁致伸缩棒3伸长时，推动顶盘7向上运动，该位移经位移放大机构放大后作用于弹片膜片16，推动弹性膜片16向上弯曲，泵工作腔容积变小，压力增大，进口阀17关闭，出口阀11开启，液体从泵工作腔经出口阀11从出水管12流出；超磁致伸缩棒3缩短时，弹簧15的压力推动弹性膜片16向下弯曲，泵工作腔容积变大，压力减小，出口阀11关闭，进口阀17开启，液体从外部经进水管18从进口阀17流入泵工作腔。在磁场的作用下，超磁致伸缩棒3反复伸长和缩短，使得弹性膜片16反复连续地进行向上和向下弯曲变形，可实现液体定向且流量精确地输送。因此，控制通入驱动线圈5中电流的大小和频率，就能控制微泵的输出流量和压力。

本发明可根据功率需求，采用相应规格的超磁致伸缩棒制作微泵。表2列出了以规格为φ5×10的超磁致伸缩棒制作的一台膜式微泵的性能参数。

                   表2  超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵性能参数

超磁致伸缩棒尺寸(mm)	泵体几何尺寸(mm)	驱动电压(v)	最大输出流量(ml/min)	最高输出压力(Kpa)
					φ5×10	φ35×30	5	300	150

本发明所公开的超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵适合于功率要求较大且低电压驱动的场合。

Claims (4)

1、一种超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵，包括下永磁铁(1)、线圈骨架(2)、超磁致伸缩棒(3)、泵体(4)、驱动线圈(5)、上永磁铁(6)、顶盘(7)、左位移放大机构(8)、密封圈(9)、左螺钉(10)、出口阀(11)、出水管(12)、泵盖(13)、圆柱块(14)、弹簧(15)、弹性膜片(16)、进口阀(17)、进水管(18)、右位移放大机构(19)、右螺钉(20)，其特征在于：圆桶形的泵体(4)和泵盖(13)之间设有圆形的弹性膜片(16)，弹性膜片(16)与泵盖(13)之间形成封闭的泵工作腔；在弹性膜片(16)与泵体(4)之间的空腔内部，从上至下依次设有具有柔性铰链结构的左位移放大机构(8)和右位移放大机构(19)、T字形的顶盘(7)、圆环形的上永磁铁(6)、绕有驱动线圈(5)的线圈骨架(2)、圆环形的下永磁铁(1)；在线圈骨架(2)中间的通孔内部装有超磁致伸缩棒(3)，超磁致伸缩棒(3)的上端面和顶盘(7)的下端面接触，超磁致伸缩棒(3)下端面由泵体(4)中心的凸台支撑。

2、根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵，其特征在于：泵盖(13)和弹性膜片(16)之间设有弹簧(15)，弹簧(15)和泵盖(13)组成预压机构。

3、根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵，其特征在于：在弹簧(15)内部设有圆柱块(14)。

4、根据权利要求1所述的一种超磁致伸缩棒驱动的膜式微泵，其特征在于：在泵盖(13)上设有进水管(18)，并经进口阀(17)连通泵工作腔和外部；在泵盖(13)上设有出水管(12)，并经出口阀(11)连通泵工作腔和外部。

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