CN103629090A - 一种磁致伸缩型双腔膜式微泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，属于微量流体控制领域。本发明主要由磁致伸缩棒组、套筒、永磁体、绕有线圈的线圈架、位移放大机构、弹性膜片和泵壳部分组成。本发明上级棒和下级棒分别布置在套筒中对应位置，套筒布置在绕有线圈的线圈架中心通孔内，线圈通入控制电流后引起外加磁场改变使磁致伸缩棒发生形变，位移放大机构发生弹性变形且其左、右类半椭圆弹性变形量不同，位移放大机构通过柱头分别挤压泵体左、右两个腔体上的弹性膜片，弹性膜片的不同形变量引起两个密闭腔体容积的改变不同，从而实现两个腔体内微量流体按照固定比例输送。本发明具有体积小、流量小、低电压驱动、能够按照固定比例混合输送两种液体的特点。

Description

一种磁致伸缩型双腔膜式微泵

技术领域

 微流量本发明属于微量流体控制领域，涉及一种可按固定比例混合输送两种微量液体的流体输送装置。

背景技术

   在医学领域，疾病的治疗往往会用到两到三种液体药剂的混合输送；此外，对于糖尿之类的疾病，一次注入较大剂量的胰岛素，不仅造成浪费，而且药物作用的时间也较短；同时，有些药物（如强心剂、血管活性药物）的输送又有要求准确、输入流速稳定的要求。也就是说，特殊的场合下，药物输送方式以及用量的合理性一定程度会影响到疾病治疗的效果，合理的控制药物的配比、流量对疾病的治疗起着重要的作用。

   微泵是能够控制输入速度，以保证液体输送的定量也液体用量的精确。近些年来，微电子系统、高性能材料（超磁致伸缩、形状记忆合金）的研究促进了微泵也不断的发展。超磁致伸缩材料具有响应迅速、应变大等优点，被广泛应用于各类微型泵，现有相关微泵的专利CN 1908431A提供的一种超磁致伸缩驱动的膜式微泵，该泵将单个磁致伸缩棒的微小变形通过位移放大机构作用在弹性膜片上，使弹性膜片引起腔体容积发生改变，实现微量液体的输送，该装置不足之处在于，只采用了一级伸缩棒，只能完成单一液体的输出。此外，该装置中使用了柔性铰链机构，柔性铰链的加工精度要求高，制造困难。

   椭圆放大机构是一种不含柔性铰链的位移放大机构，利用了压力作用下椭圆环不同位置的弹性变形量不同的特点，使最大变形位置产生输出位移，从而使得输出位移是输入位移的数倍，该结构不存在柔性铰链且精度要求不高，加工制造容易，同时弹性变形容易恢复保证了响应的可靠性。

   在生物、化学、医疗领域，往往需要将两到少量液体的混合配制，这就需要确定相关液体在微量输送的时候还要保证一定的比例，以利于达到实验或治疗的目的。目前，尚无微型泵利用磁致伸缩执行器完成两种微量液体固定比例、混合输送的报道。

 

发明内容

   本发明为了满足按固定比例混合输送两种微量液体要求，提供一种棒状磁致伸缩材料驱动的微型泵，将分为上级棒、下级棒的磁致伸缩棒组置于带有线圈的线圈架中心通孔内，线圈通入控制电流引起空间磁场的变化，进而引起磁致伸缩材料长度伸缩变化，上级棒与下级棒伸缩效果叠加并作用在位移放大机构上，位移放大机构发生相应的弹性变形，并作用在双腔泵壳左、右腔体上部的弹簧膜片上，弹簧膜片变形带动两个腔体容积变化且呈固定比例的，使得左右两个腔体内的液体流量可按照固定比例输出。

   本发明采用的技术方案是：一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，包括磁致伸缩驱动器，位移放大机构和泵体。所述的磁致伸缩驱动器部分包括螺钉、端盖、筒状外壳、上永磁铁、线圈架、线圈、套筒、左磁致伸缩棒、中磁致伸缩棒、右磁致伸缩棒、下永磁铁和插孔；螺钉连接端盖和筒状外壳，沿筒状壳体的内壁由下到上依次布置圆筒状的下永磁铁、带有线圈的线圈架、上永磁铁；上永磁铁和下永磁铁提供静态偏置磁场，线圈架内部中间通孔内装有磁致伸缩棒组的套筒，套筒内部沿筒状外壳的轴向平行设有三个圆柱状非通腔体，三个圆柱状非通腔体由左到右分别是上端开口下端封闭、下端开口上端封闭、上端开口下端封闭，三个圆柱状非通腔体内布置有磁致伸缩棒组，由左到右分别是左磁致伸缩棒、中磁致伸缩棒、右磁致伸缩棒，左磁致伸缩棒和 右磁致伸缩棒为上级棒，中磁致伸缩棒为下级棒；位移放大机构放置在连接体腔体内，与中磁致伸缩棒下端接触，左、右两端嵌在连接体的凹槽中；在泵体部分，连接体和泵壳之间有密封垫、弹性膜片，并通过螺钉连接，泵壳两个腔体分别设有进口阀和出口阀，泵壳体中凸起部分放置弹簧；此外，筒状外壳上设有插孔，向线圈通入控制电流。

   位移放大机构由中间椭圆和两侧两个半椭圆状构成，中间椭圆长径与短径之比为2:1，左右两侧半椭圆长径与短径之比为2:1，泵壳中间底部的内壁上设有突起，椭圆部分下端与突起的上表面紧贴；半椭圆中间光滑的球形柱头与弹性膜片贴合，半椭圆部分的底部设有柱头，柱头正对弹性膜片下部的弹簧，并存在接触压力；位移放大机构左右两端卡紧在连接体的内凹槽中，当位移放大机构顶部受压力时，中间椭圆向两侧扩张挤压另一侧卡紧在连接体凹槽中的半椭圆，使两侧受压的两个半椭圆中间光滑的球形柱头部分向下变形压迫弹性膜片且同时紧贴弹性膜片沿着半椭圆大径方向做微量的移动，受力变形的弹性膜片使得密闭腔体容积改变排出微量的液体。泵体两腔体输送液体流量相同时，泵壳两腔体大小相同，位移放大机构设计为对称结构，两个类半椭圆部分变形引起柱头部分位移量相同；泵体两腔体输送液体流量不同且呈固定比例输出时，泵壳两腔体大小不同，位移放大机构设计为非对称结构，左右两侧半椭圆部分变形引起柱头部分位移量不同。位移放大机构左右两侧半椭圆部分厚度、大小根据输出流量的比例要求单独设计。磁致伸缩棒采用两级组合的形式，推动椭圆放大机构的位移量为上级棒与下级棒两者伸缩量之和。磁致伸缩棒采用Tb-Dy-Fe合金材料，即铽镝铁合金棒；线圈架采用隔热性能好的聚四氟乙烯，位移放大机构材料为超硬铝合金或其他任意可替代材料。泵壳与弹性膜片、进口阀、出口阀连接部分用密封胶进行密封。

  本发明的有益效果是：1、多级磁致伸缩棒共同作用产生的叠加伸缩效果会更好；2、驱动电压低，冲击小，噪声小。3、磁致伸缩棒组、位移放大机构配合使用，施加在弹性膜片上的变形量为磁致伸缩棒棒变形量的数倍，自吸能力强；位移放大机构弹性变形恢复能力强，保证了低电压较高频率下小变形输出的稳定性。5、合理设计位移放大机构尺寸厚度与泵壳左、右腔体的大小，可实现两腔体液体固定比例的混合输送。

附图说明

    图1为本发明的内部结构示意图。

    图2为本发明A-A截面图。

  图3为本发明B-B截面图。

图1中：1 螺钉, 2端盖, 3筒状外壳, 4上永磁铁, 5线圈架, 6线圈, 7套筒, 8a 左磁致伸缩棒, 8b 中磁致伸缩棒, 8c 右磁致伸缩棒, 9下永磁铁, 10螺栓, 11连接体,12位移放大机构, 13弹性膜片, 14密封垫, 15螺钉，16a 左进口阀, 17a左出口阀,16b 右进口阀, 17b右出口阀, 18泵壳,19 弹簧，20插孔 。

 具体实施方式

   参见附图1，本发明的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵的实施例，可实现两种液体的等量混合输送，该微泵外形整体尺寸为Φ50×55 mm，所述微泵包括泵体、位移放大机构12和磁致伸缩驱动器三部分。

   泵体部分包括连接体11, 弹性膜片13, 密封垫14, 螺钉15，左进口阀16a, 左出口阀17a,右进口阀16b , 右出口阀17b, 泵壳18，弹簧19。如图1所示，泵壳18含有两个等容积的腔体，所述两个腔体中心部分凸起处放置两个弹簧19；进口阀16和出口阀17分别与泵壳18左、右两个腔体连通，并在连接位置涂抹密封胶保证其密封性；弹性膜片13使用性能好的非导磁材料，并经过热加工处理提高机械性能，在弹性膜片13上放置密封垫14，用螺钉15连接中间夹有弹性膜片13和密封垫14的连接体11和泵壳18，并在弹性膜片13和密封垫14涂抹密封胶保证密封性能。连接体11和泵壳18连接后，须保证弹簧19和弹性膜片13的上表面紧贴。

   为实现泵体左、右两腔体等量的输送效果，位移放大机构12设计为对称结构，宽度为42mm，厚度为5mm；为保证合适的弹性变形的能力，采用超硬铝合金7075-T6材料；位移放大机构12左右两端嵌在连接体11的内槽中，位移放大机构12中间椭圆结构与连接体11内腔突起部分上表面紧贴，同时保证位移放大机构12左右两侧半椭圆结构与弹性膜片13上表面紧贴。

   磁致伸缩驱动器部分包括螺钉1, 端盖2, 筒状外壳3, 上永磁铁4, 线圈架5, 线圈6, 套筒7, 左磁致伸缩棒8a , 中磁致伸缩棒8b , 右磁致伸缩棒8c ，下永磁铁9, 插孔20。螺钉1连接端盖2和筒状外壳3，沿筒状壳体3的内壁由下到上依次布置圆筒状的下永磁铁9、带有线圈6的线圈架5、上永磁铁4；线圈架5中间通孔内设有套筒7，套筒7内部沿筒状外壳3的轴向平行设有三个圆柱状非通腔体，三个圆柱状非通腔体由左到右分别是上端开口下端封闭、下端开口上端封闭、上端开口下端封闭，三个圆柱状非通腔体内布置有磁致伸缩棒组(8)，由左到右分别是左磁致伸缩棒(8a)、中磁致伸缩棒(8b)、右磁致伸缩棒(8c)，左磁致伸缩棒(8a) 和 右磁致伸缩棒(8c)为上级棒，中磁致伸缩棒(8b)为下级棒，3个磁致伸缩棒尺寸均为Φ5×20 mm，均采用Tb-Dy-Fe合金材料。由于磁性材料存在的倍频效应会降低能量转换的效率，在实际应用中,必须克服倍频效应,提高能量的转换效率，本发明中提供上永磁铁4、下永磁铁9，形成对磁致伸缩棒组8的偏执磁场，消弱倍频效应提高能量的转化率。套筒7采用隔热性能好的聚乙烯材料，减小线圈6发热对磁致伸缩棒8性能的影响。端盖2和筒状外壳3通过螺钉1连接，连接后左磁致伸缩棒8a和右磁致伸缩棒8c上表面与端盖2贴合压紧产生预紧力。

  磁致伸缩驱动器与泵体的连接通过螺钉10连接的筒状壳体3和连接体11实现，连接后中磁致伸缩棒8b下端与位移放大机构12中间类椭圆部分上表面接触压紧产生一定的压力，通过调整螺钉10的压紧程度调整。

  本发明的工作原理是：接通接口20，线圈6入控制电流产生外加磁场，磁致伸缩棒组8（上级棒：左磁致伸缩棒8a 、右磁致伸缩棒8c ；下级棒：中磁致伸缩棒8b）在外加磁场作用下长度方向发生机械变形：当外加磁场减弱时磁致伸缩棒缩短，上级棒和下级棒长度方向均微量缩短，与下级棒紧贴的位移放大机构12受力减小，弹性变形程度减小，中间椭圆向两侧收缩，对另一侧卡紧在连接体11凹槽中的半椭圆挤压里减小，使两侧受压的两个半椭圆中间的光滑的球形柱头部分向上变形但始终紧贴弹性膜片13，同时左右两个半椭圆光滑的球形柱头部分沿着半椭圆大径方向做微量的移动，受力减小的弹性膜片回复形变，使得密闭腔体容积增大，进口阀16打开，出口阀17关闭，等量的液体进入两个腔体；当外加磁场增强时，上级棒和下级棒长度方向均微量伸长，叠加后的伸长效果使作用在位移放大机构12中间椭圆部分的压力增大，中间椭圆向两侧扩张挤压另一侧卡紧在连接体11凹槽中的半椭圆，使两侧受压的两个半椭圆光滑的球形柱头部分向下变形压迫紧贴弹性膜片13且同时紧贴弹性膜片13沿着腔体管径方向半椭圆大径方向微量的移动，受力变形的弹性膜片使得密闭腔体容积容积减小，泵体左、右腔体内压强增大，进口阀16关闭，出口阀17打开，两个腔体同时向外排出等量的液体。电流交替变化引起磁场交替变化，完成微型泵的吸排液功能。

   本发明不限于以上实施例，可根据设计要求合理调整位移放大机构12左、右类半椭圆部分厚度和大小、以及泵壳18左、右两个腔室的大小，实现微量液体的固定比例同步混合输送。

Claims (7)

1.一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于，由磁致伸缩驱动器、位移放大机构（12）和泵体部分组成；磁致伸缩驱动器包括螺钉(1)、端盖(2)、筒状外壳(3)、上永磁铁(4)、线圈架(5)、线圈(6)、套筒(7)、左磁致伸缩棒(8a)、中磁致伸缩棒(8b)、右磁致伸缩棒(8c)、下永磁铁(9)和插孔(20)；所述筒状壳体(3)为圆筒状，沿筒状壳体(3)的内壁由下到上依次布置圆筒状的下永磁铁(9)、带有线圈(6)的线圈架(5)、上永磁铁(4)；所述圆筒状的线圈架(5)的内壁设有套筒(7)，所述套筒(7)沿筒状外壳(3)的轴向平行设有三个圆柱状非通腔体，三个圆柱状非通腔体由左到右分别是上端开口下端封闭、下端开口上端封闭、上端开口下端封闭；三个圆柱状非通腔体内布置有磁致伸缩棒组(8)，由左到右分别是左磁致伸缩棒(8a)、中磁致伸缩棒(8b)、右磁致伸缩棒(8c)，所述左磁致伸缩棒(8a) 和 右磁致伸缩棒(8c)为上级棒，所述中磁致伸缩棒(8b)为下级棒；端盖(2)和筒状外壳(3)通过螺钉(1)连接，连接后左磁致伸缩棒(8a)和右磁致伸缩棒(8c)上表面与端盖(2)贴合压紧产生预紧力；

泵体部分包括连接体(11)、弹性膜片(13)、密封垫(14)、螺钉(15)、左进口阀(16a)、左出口阀(17a)、右进口阀(16b)、右出口阀(17b)、泵壳(18)和弹簧(19)；所述泵壳(18包)括左右两个容积呈固定比例的腔体，所述两个腔体中心部分凸起处放置两个弹簧(19)；所述弹性膜片(13)为非导磁材料，在弹性膜片(13)上放置密封垫(14)，用螺钉(15)连接中间夹有弹性膜片(13)和密封垫(14)的连接体(11)与泵壳(18)；连接体(11)和泵壳(18)连接后，使弹簧(19)和弹性膜片(13)的上表面接触；左右两个腔体的底部分别设有左进口阀(16a)和左出口阀(17a)、右进口阀(16b)和右出口阀(17b)，所述的左进口阀(16a)连接左出口阀(17a)，右进口阀(16b)连接右出口阀(17b)；

所述位移放大机构(12)由中间椭圆和两侧两个半椭圆状构成，中间椭圆长径与短径之比为2:1，左右两侧半椭圆长径与短径之比为2:1，泵壳(18)中间底部的内壁上设有突起，椭圆部分下端与突起的上表面紧贴；半椭圆部分中间为带有表面光滑的圆形柱头并与弹性膜片(13)紧贴，光滑的球形柱头正对弹性膜片下部的弹簧(19)，弹簧(19)固定在端盖凸起位置；位移放大机构(12)左、右两端分别卡紧在连接体（11）的内凹槽中。

2.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于，位移放大机构(12)受压力变形时，中间椭圆向两侧扩张挤压另一侧卡紧在连接体（11）凹槽中的半椭圆，两侧受压的两个半椭圆中间光滑的圆形柱头向下压迫弹性膜片(13）且紧贴弹性膜片(13)沿着半椭圆大径方向微量的移动，受力变形的弹性膜片使得密闭腔体容积改变排出微量的液体；通过调整左、右半椭圆部分的大小、厚度使左、右半椭圆部分最大变形量不同。

3.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于：泵壳两腔体大小相同时，所述位移放大机构(12)为对称结构，两个半椭圆部分变形引起柱头部分位移量相同。

4.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于：泵壳两腔体大小不同时，位移放大机构（12）为非对称结构。

5.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于：位移放大机构（12）为超硬铝合金。

6.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于：左磁致伸缩棒(8a)、中磁致伸缩棒(8b)和右磁致伸缩棒(8c)尺寸为Φ5×20 mm，采用Tb-Dy-Fe合金材料。

7.根据权利要求1所述的一种磁致伸缩型双腔膜式微泵，其特征在于：套筒(7)采用聚乙烯材料，减小线圈(6)发热对磁致伸缩棒(8)性能的影响。

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