CN101042130A - 基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵 - Google Patents

Abstract

本发明是一种由电磁驱动的无脉动式输出的微泵，它包括驱动器和微泵，驱动器由驱动线圈和驱动磁铁组成，微泵分为上泵体、中泵体、下泵体三部分，在上泵体开有上泵腔、左侧锥形阀、右侧锥形阀、进水孔、出水孔，上泵腔通过左、右两个锥形阀与进、出水孔相连，中泵体中间开有驱动腔，驱动磁铁置于驱动腔内，驱动腔腔体上下固定有薄膜，驱动腔腔体两侧分别有进出水孔，下泵体开有下泵腔、左侧锥形阀、右侧锥形阀、进水孔、出水孔，下泵腔通过两个锥形阀与进、出水孔相连。本发明可以在较低的电压下工作，具有响应速度快，使用安全等特点。另外，该微泵的输出方式是无脉动式输出非常适用于医学治疗领域。

Description

基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵

(一)、技术领域

本发明涉及微流体控制、微机械技术领域，具体地说是一种微流量液体的输送装置。

(二)、背景技术

微流量系统能够精确检测和控制每分钟微升量级的流量，在药物微量输送、释放、微量液体采样、油料微量喷射、细胞分离、集成电子元件冷却以及微量化学分析、航天等领域有着重要的应用前景。作为该系统核心部分的微型泵，已成为近年来国内外学者的研究热点。微泵因能输注定量液体，控制输注速度，用来输注要求用量准确、输入速度稳定的特殊药物，如强心剂、血管活性药物等，因而在生物医学中广泛使用。例如，糖尿病人以往都是一次注射较大剂量的胰岛素，这不仅造成浪费。而且药效作用时间也较短，因此极需要一种流量能微量控制的持续的滴液装置。在这类流量精细控制和检测系统中，微小型泵是一个基本元件。

微泵的研究始于20世纪80年代初，自从美国学者Jan Smits率先研发出用于胰岛素注射用蠕动式微泵以来，数以百计的关于新型微泵研发的论文在国际学术刊物上发表。通常按照微泵腔内有无运动部件分，泵可以分为机械泵和非机械泵(泵内无运动部件)两种，机械式微泵靠活动部件来传输控制流体，而非机械式微泵则没有任何活动部件。机械泵内的运动部件主要是指振动膜。振动膜微泵是依靠驱动器使膜片变形，引起泵腔内压力变化，从而将流体定向输送的。振动膜微泵，按其驱动原理可分为压电驱动式、形状记忆合金驱动式、热驱动式、静电驱动式、电磁驱动式。非机械式微泵可分为电液力驱动式、超声波驱动式、电渗驱动式、连续电浸润式、磁液力驱动式、气泡驱动式。目前国内外大多数微泵都是脉动式的，并且利用传感器信号控制微泵输出的研究成果并不多，这种新型的无脉动式自适应微泵有着广泛的应用的前景。

(三)、发明内容

本发明的目的在于提供一种由电磁控制，双模双腔结构，通过改变控制信号使两个腔体的交替工作，达到流体的无脉动式输出，结构简单，流量控制精确的基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵。

本发明的目的是这样实现的：它包括驱动器和微泵，驱动器由驱动线圈和驱动磁铁组成，微泵分为上泵体、中泵体、下泵体三部分，在上泵体开有上泵腔、左侧锥形阀、右侧锥形阀、进水孔、出水孔，上泵腔通过左、右两个锥形阀与进、出水孔相连，中泵体中间开有驱动腔，驱动磁铁置于驱动腔内，驱动腔腔体上下固定有薄膜，驱动腔腔体两侧分别有进出水孔，下泵体开有下泵腔、左侧锥形阀、右侧锥形阀、进水孔、出水孔，下泵腔通过两个锥形阀与进、出水孔相连。

本发明还有这样一些技术特征：

1、所述的驱动线圈位于上泵体的上方，并且与中泵体中间的驱动腔垂直；

2、所述的锥形阀的角度为20°-30°，每个锥形阀的锥形角度均相等；

3、所述的上中下三个泵体由塑料螺丝、螺母固定，泵体四周通过密封胶密封。

本发明由驱动线圈和驱动磁铁组成驱动器，通过改变外加磁场的方向进而改变内部磁铁的振动方向，带动薄膜改变泵腔的体积，来实现液体输送的。由于是两个泵腔交替工作，所以它能够完成流体的无脉动式输出，并且通过改变外加磁场的频率可以调节微泵的输出流量。微泵的整体尺寸为45mm×16mm×23mm，总重量为32g。该泵可以在较低的电压下工作，具有响应速度快，使用安全等特点。另外，该微泵的输出方式是无脉动式输出非常适用于医学治疗领域。通过实验可以得出，在驱动频率在40Hz的时候可以得到最大的输出流量，约为0.6ml/min，并且该流量可以随着电压的增大而继续增加。

本发明的有益效果有：

1.本发明由驱动线圈和驱动磁铁构成驱动器，利用驱动线圈通电所产生的磁场驱动驱动磁铁运动。驱动器为外置，且可以不接触泵体进行控制。制作工艺简单，可控性强。

2.本发明采用了双模双腔体结构，通过改变控制信号使驱动磁铁振动，从而带动两个薄膜振动，使两个腔体的体积交替发生变化，以达到液体的无脉动式输出。具有结构简单、低电压驱动，能耗低等特点。

3.本发明具有体积小、成本低、所使用材料对人体无害等特点，适用于医学上药物配给、药物输送等方面

本发明可以在较低的电压下工作，具有响应速度快，使用安全等特点。另外，该微泵的输出方式是无脉动式输出非常适用于医学治疗领域。通过实验可以得出，在驱动频率在40Hz的时候可以得到最大的输出流量，约为0.6ml/min，并且该流量可以随着电压的增大而继续增加。

(四)、附图说明

图1是本发明的结构简图；

图2为图1中A-A剖面图；

图3为图1中B-B剖面图；

图4为本发明的工作原理示意图(1)；

图5为本发明的工作原理示意图(2)；

(五)、具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

如图1、图2、图3所示，泵体分为上中下三个部分。在上泵体1开有上泵腔6，其通过左右两个锥形阀4，9与进出水孔2，10相连。在中泵体5中间开有驱动腔17，两侧分别有进出水孔3，11，且都与上泵腔垂直对应，驱动磁铁8置于其中，将两个薄膜7，16分别固定于驱动腔体17上下方。在下泵体开有下泵腔15，与上泵体对应，下泵腔也是通过两个锥形阀14，18与进出水孔13，19相连，每个锥形阀的锥形角度均相等。

工作原理如图4、图5所示，在工作状态下，通过对外置驱动线圈20施加交变的控制信号可以驱动磁铁8上下振动，从而带动两个薄膜7，16发生变形，使上下两个腔体6，15的容积发生周期性的增加和减少。液体从上泵体的进水孔2进入泵腔内，当上层薄膜7在磁铁的驱动下发生形变，上泵腔6的容积减少时，设上泵腔左侧锥形阀4的输出流量为Q₁，上泵腔右侧的锥形阀9的输出流量为Q₂，根据锥形阀内流体的流动特性，此时的流量Q₁＜Q₂，产生了净流量ΔQ，即上泵腔6此时处于泵出状态。与此同时，下层薄膜16没有受到磁铁作用而保持原状，下泵腔15的容积增加，设下泵腔左侧锥形阀14的输入流量为Q₃，下泵腔右侧的锥形阀18的输入流量为Q₄，根据锥形阀内流体的流动特性，此时的流量Q₃＞Q₄，产生了净流量ΔQ，即下泵腔15此时处于吸入状态。由于上泵腔右侧锥形阀9的输出流量Q₂要大于下泵腔右侧锥形阀18的输入流量Q₄，因此在整个泵的出水孔处于泵出状态；由于上泵腔左侧锥形阀4的输出流量Q₁要小于下泵腔左侧锥形阀14的输入流量Q₃，因此整个泵的进水孔处于吸入状态。我们改变控制信号的方向，因为上下泵腔6，15对应布置，根据以上分析过程同理可知，整个泵的进水孔仍处于吸入状态，出水孔仍处于泵出状态。因此，在一个工作周期内，通过改变控制信号方向，可以使微泵实现流体的连续输入和输出。通过改变控制信号的振幅可以改变上下泵腔容积的变化量，来控制微泵的输出流量，通过改变控制信号的频率可以改变薄膜的振动速度，从而也可以改变微泵的输出流量。

本发明的技术指标为：微泵外形的整体尺寸为45mm×16mm×23mm(长×宽×高)，总重量为32g，微泵采用Acryl有机玻璃作为泵体材料，采用硅橡胶作为驱动薄膜。上下泵腔的尺寸为12mm×6mm×2mm(长×宽×高)，驱动腔的尺寸为6mm×8mm×5mm(长×宽×高)，磁铁的外形尺寸为5mm×5mm×5mm(长×宽×高)，重量为1g，输出流量在50μl/min.-900μl/min范围内可调，且为无脉动式连续输出。输出泵压在0.6Pa-18Pa之间。

本发明的上中下三个泵体由塑料螺丝、螺母固定，泵体四周用密封胶做密封处理。

Claims (5)

1、一种基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵，它包括驱动器和微泵，其特征在于：驱动器由驱动线圈和驱动磁铁组成，微泵分为上泵体、中泵体、下泵体三部分，在上泵体开有上泵腔、左侧锥形阀、右侧锥形阀、进水孔、出水孔，上泵腔通过左、右两个锥形阀与进、出水孔相连，中泵体中间开有驱动腔，驱动磁铁置于驱动腔内，驱动腔腔体上下固定有薄膜，驱动腔腔体两侧分别有进出水孔，下泵体开有下泵腔、左侧锥形阀、右侧锥形阀、进水孔、出水孔，下泵腔通过两个锥形阀与进、出水孔相连。

2、根据权利要求1所述的基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵，其特征是：所述的驱动线圈位于上泵体的上方，并且与中泵体中间的驱动腔垂直。

3、根据权利要求1或2所述的基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵，其特征是：所述的锥形阀的角度为20°-30°，每个锥形阀的锥形角度均相等。

4、根据权利要求1或2所述的基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵，其特征在于：所述的上中下三个泵体由塑料螺丝、螺母固定，泵体四周通过密封胶密封。

5、根据权利要求3所述的基于电磁驱动的无脉动式输出的微泵，其特征在于：所述的上中下三个泵体由塑料螺丝、螺母固定，泵体四周通过密封胶密封。

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