CN101260878B - 基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵 - Google Patents
基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供的是一种基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，它由挤压杆、弹性泵管和SMA弹簧驱动器组成，在泵腔的两端安装两个单向阀，SMA弹簧驱动器安装在挤压杆的头部，弹性泵管穿过挤压杆的空隙，每对挤压杆牵引四根SMA弹簧驱动器，对称的两根弹簧为同一组，由同一个控制信号驱动。通过对驱动器的顺序控制来挤压泵管，实现一种蠕动式动作，达到持续提供微流量的目的，并可以通过调整控制信号对输出流量进行控制。本发明还具有以下优点：通过加热差动机构中的一根SMA弹簧来拉伸另一根SMA来提供回复力；一个动作同时驱动对称的两条泵管，泵送效果加倍；本发明具有体积小、成本低等特点，适用于医学上药物配给、药物输送等方面。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种微流量液体的输送装置，属于微流体控制、微机械技术领域，属于一种基于形状记忆合金(SMA)驱动的蠕动式输出的微泵。
(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。而且药效作用时问也较短，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 Simits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。目前国内外大多数微泵都是单腔或双腔的往复运动式机械泵，对于蠕动动作的研究成果并不多，而且记忆合金的驱动的蠕动泵几乎空白，这种新型的蠕动式微泵是对驱动方式的一次创新。
形状记忆合金(shape memory alloy，简称SMA)是一种新型功能材料，形状记忆合金驱动电压低，无噪声，高弹性、金属橡胶性能、高强度，其主要特征是有形状记忆效应，受到控制后具有感知、执行、判断和自适应的能力。SMA弹簧具有较大的动作行程，是制作驱动元件和执行机构等部件较为理想的元件，因此被广泛应用于各个领域。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种体积小、成本低，适用于医学上药物配给、药物输送等方面的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵。
本发明的目的是这样实现的：
它由挤压杆、弹性泵管和形状记忆合金弹簧驱动器组成，一个微泵包含12根分为6组的形状记忆合金弹簧驱动器、四根弹性泵管、三对挤压杆，形状记忆合金弹簧驱动器安装在挤压杆的头部，四根弹性泵管穿过三对挤压杆的空隙，弹性泵管两端的接头处由三通接头相连并装有圆球形单向阀，每对挤压杆牵引四根形状记忆合金弹簧驱动器，对称的两根形状记忆合金弹簧驱动器为同一组，由同一个控制信号驱动。SMA弹簧的通断电收缩与拉伸带动挤压杆对泵管进行三段式顺次挤压。通过控制信号的协调，SMA驱动器依次收缩和拉伸，泵内液体顺次由入口挤压到出口，形成类似于肠道的蠕动式效果。
本发明还可以包括：
1、挤压杆上设置有用以增加形状记忆合金弹簧驱动器收缩时产生的牵引力对弹性泵管的挤压的斜三角锥，每对挤压杆的挤压杆的中段为圆形而且被切掉一半，两个挤压杆相互嵌入，挤压杆中部有圆孔，三对挤压杆由中间的一根圆杆串联。
2、相邻两根条形状记忆合金弹簧驱动器互为差动结构，对称的两根弹性泵管动作相同。
TiNi记忆合金由于电阻率比较高，可以采用通电加热方法。本发明中SMA弹簧的驱动方式为差动方式，SMA弹簧(或丝)在安装之前已经发生预变形，当SMA弹簧加热时发生收缩，产生的恢复力便会拉长偏动弹簧，同时将部分能量以弹性势能的形式存储在偏动弹簧中。当SMA驱动器冷却时，偏动弹簧中的弹性势能将释放出来，使得SMA弹簧恢复到初始状态。差动式驱动即偏动原件也是SMA弹簧，与偏动式驱动器不同，差动式驱动器的两根SMA互为偏动元件，可以主动为对方提供偏动力以及输出位移。
本发明提供了一种由SMA的通断电控制的蠕动式微泵，该泵是一种复合型管腔结构，通过改变控制信号，使SMA弹簧顺次通电收缩带动挤压杆来挤压泵管，实现蠕动式输出动作。
在本发明还特别设计了一种新型的挤压机制。挤压杆的结构细节与尺寸是根据所要实现的最优挤压效果而确定的。挤压杆斜面上的斜三角锥结构用以增加弹簧收缩时产生的牵引力对泵管的挤压，杆的中段为圆形而且从纵向切掉一半，这样两个挤压杆可以相互嵌入，圆面光滑减小两杆转动时的摩擦阻力。杆中部有圆孔，故三对挤压杆可以由中间的一根圆杆串联起来。
本发明还具有以下优点：
1.通过加热差动机构中的一根SMA弹簧来拉伸另一根SMA来提供回复力。
2.一个动作同时驱动对称的两条泵管，泵送效果加倍。
3.两组泵管受压与舒张在时间上形成互补，可实现液体的持续泵送。
4.本发明具有体积小、成本低等特点，适用于医学上药物配给、药物输送等方面。
(四)附图说明
图1是本发明的差动结构示意图；
图2是本发明的差动结构的控制信号；
图3为本发明挤压杆的结构示意图；
图4是图3的左视图；
图5是本发明微泵的剖面图；
图6是本发明中6个控制信号的时序图；
图7是本发明中受挤压的弹性泵管与SMA弹簧驱动器形变关系；
图8是本发明的实验分析示意图；
图9是本发明的工作原理示意图。
(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：
结合图5，基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵由弹性泵管4、5，挤压杆3，SMA弹簧驱动器1、2组成。同时结合图9，整个微泵包含12条SMA弹簧、四条乳胶管、三对挤压杆、两个单向阀安装在泵腔的两端。SMA弹簧驱动器安装在挤压杆的头部，四根泵管穿过三对挤压杆的空隙，每对挤压杆牵引四根SMA弹簧。对称的两根弹簧为同一组，由同一个控制信号驱动。在这种特殊的结构中，设计了一种新的挤压机制。挤压杆上的斜三角锥用以增加弹簧收缩时产生牵引力对泵管的挤压，杆的中段为圆形而且被切掉一半，故两个挤压杆可以相互嵌入，圆面光滑减小两杆转动时的摩擦阻力。杆中部有圆孔，三对挤压杆由中间的一根圆杆串联起来。泵内液体顺次由入口挤压到出口，形成类似于肠道的蠕动式效果。相邻两根弹簧互为差动结构，对称的两根泵管动作相同。
结合图8，是本发明的实验分析示意图，其中7为电路板、8为泵管、9为激光测位仪、10为形状记忆合金弹簧、11为挤压杆、12为电源。
结合图3，其工作原理为：挤压同一根泵管的弹簧再顺次通电加热时采用的是有时间重叠的信号，弹簧1加热结束之前弹簧2已经开始通电，同时在弹簧冷却需要一定时间的条件下，弹簧1不会立即舒展。也就是说对于某一段泵管在被挤压时入水方向是封闭的，出水方向是敞开的，每一步动作都保证液体向出口流动，有效的减少了逆流。挤压一根泵管的同时相邻的两根SMA弹簧被拉伸，挤压杆角度变大，泵管相应部位由受压变为舒展，同时该泵管的出口位置尚处于受挤压状态而封闭，液体由入口逐渐进入泵管，在下一组动作时又从出水方向被挤出。这样，两组泵管交替互补进行动作，实现了液体的持续泵送。
微泵工作过程：自由状态时，每对挤压杆对相应部位的泵管已经存在一定的挤压，当对称的两根SMA弹簧通电加热时收缩后，挤压杆对称角度变小，对其相应部位的泵管产生更大的压力，泵管被压扁，管内通道几乎封闭，液体向受挤压部位的两端流去同时相应的另两根SMA弹簧不仅没有通电而且被受热的两根弹簧收缩带动压杆产生的牵引力拉伸，挤压杆对称角度变大，通过空间位置计算，挤压杆的尺寸大小刚好使泵管完全舒展。通过12条SMA弹簧的顺次加热，使泵管所有的受挤压部位交替的处于最大的压缩力与完全舒展的状态，从而完成液体的泵送。
不同的控制电压及控制信号频率可以使SMA形成不同的加热速度及加热程度，从而使挤压甭管的输出力有所不同，同时，泵管的受挤压程度也不同，所以可以利用对电压和频率的控制来实现对输出不同流量的控制。当电压为6伏时，已经可以基本上形成对泵管内通道进行完全封闭挤压。
本发明的一种实施方式的技术指标为：微泵外形的整体尺寸为45mm×30mm×30mm(长×宽×高)，总重量为28.5g，使用的镍钛SMA弹簧长度为1.5cm，丝径0.4mm，弹簧内径2.5mm，相变温度为80度。泵管为医用橡胶管，采用雪弗板(PVC)材料制作挤压杆。输出流量在200μl/min-1000μl/min范围内可调。
本发明的SMA弹簧由螺丝固定在挤压杆上、两端的泵管接头处由三通接头相连并装有圆球形单向阀，泵管接头处用聚氯乙烯密封条做密封处理。
Claims (3)
1.一种基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，它由挤压杆、弹性泵管和形状记忆合金弹簧驱动器组成，其特征是：一个微泵包含12根分为6组的形状记忆合金弹簧驱动器、四根弹性泵管、三对挤压杆，形状记忆合金弹簧驱动器安装在挤压杆的头部，四根弹性泵管穿过三对挤压杆的空隙，弹性泵管两端的接头处由三通接头相连并装有圆球形单向阀，每对挤压杆牵引四根形状记忆合金弹簧驱动器，对称的两根形状记忆合金弹簧驱动器为同一组，由同一个控制信号驱动。
2.根据权利要求1所述的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，其特征是：挤压杆上设置有用以增加形状记忆合金弹簧驱动器收缩时产生的牵引力对弹性泵管的挤压的斜三角锥，挤压杆的中段为圆形而且被切掉一半，每对挤压杆的两个挤压杆相互嵌入，挤压杆中部有圆孔，三对挤压杆由中间的一根圆杆串联。
3.根据权利要求1或2所述的基于形状记忆合金驱动的蠕动式微泵，其特征是：相邻两条形状记忆合金弹簧驱动器互为差动结构，对称的两根弹性泵管动作相同。
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