CN106401941B - 一种采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵 - Google Patents

Abstract

一种采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵，包括：温控形状记忆合金弹簧Ⅱ、温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、冷却陶瓷管、上端盖、泵体外壳、活塞Ⅰ端盖、滑动轴承、卡簧、连接法兰、外驱动接头、活塞Ⅱ、单向阀、泵腔体、活塞Ⅰ、通电端子A、B、C、D，冷却陶瓷管固定在上端盖，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、Ⅱ贯穿在冷却陶瓷管上并位于活塞Ⅰ端盖两侧，活塞Ⅰ可在滑动轴承内滑动，滑动轴承装在泵体外壳上，泵腔体通过连接法兰和泵体外壳连接。本发明与现有微泵相比，它不但结构散热性好，密封性良好，单向截止性能佳，并且利用了冷却陶瓷管的冷却效果使得该泵能在高频条件下正常工作。

Description

一种采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵

技术领域

本发明涉及一种采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵，属于微泵技术领域。

背景技术

高精度微泵广泛应用于化学分析与检测、生物工程、临床医学、集成电路芯片、微型零部件以及微型化生产系统等领域。该领域对微泵的性能要求是响应速度快、单向截止性能好、密封性好、输出压力大。因此如何提高微泵的响应速度、输出压力、控制精度等已成为微泵的一个重要的发展方向。

目前国内外的高精度微泵的种类多，主要的微泵有磁控形状记忆合金驱动的高精度微泵和压电陶瓷驱动的高精度微泵、多级悬臂式高效微泵等。磁控形状记忆合金驱动的高精度微泵的原理是通过调节超磁致伸缩转换器的驱动电流大小来改变超磁致伸缩棒驱动磁场的强弱，从而控制超磁致伸缩转换器的输出位移，引起泵腔体积周期性变化，实现泵送功能。但该泵存在励磁机构形成的磁场不稳定、励磁机构体积大，不适用于微型领域等缺点。压电陶瓷驱动的高精度微泵的原理是基于压电陶瓷的逆压电效应，其逆压电效应是将电能转化为机械能。但是压电陶瓷的输出应力小、输出位移不能满足现实需要，需借助位移放大机构放大输出位移，导致微泵结构复杂。多级悬臂式高效微泵存在功重比低、密封性差等缺点。

经对现有技术文献的检索发现，在来自沈阳工业大学的葛超可所撰写的《磁控形状记忆合金执行器驱动的无阀泵的研究》论文中提到了采用磁控形状记忆合金作为驱动源的无阀泵。该无阀泵在结构上存在密封性差、流量控制精度差、单向截止性能差等缺点；磁控形状记忆合金本身存在较强的磁滞非线性和磁场不稳定等不足点，并且这种材料的应用需要很大的励磁机构，使其在一些微小型驱动系统很难得到广泛的应用。苏州大学专利《闭环压电薄膜泵》采用压电陶瓷作为驱动源的薄膜泵。该泵利用压电陶瓷逆压电效应实现泵送功能。但是，薄膜泵在结构上存在设计困难、频率低、输出流量低等缺点。压电陶瓷存在输出位移小，需借助位移放大机构放大输出位移，这样就导致这个薄膜泵体积变大，不便于用在微型场合。压电陶瓷自身存在迟滞、蠕变和非线性,严重影响了流量输出精度。在名为《多级悬臂式高效小微泵的设计》的文献中提及的小微泵存在结构复杂、功重比低等缺点。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术不足,提供一种采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵，使采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵在冷却装置的辅助下实现高频率驱动、高精度输出、单向截止性能好等性能。以解决现有微泵存在驱动装置体积大、单向截止性能差、驱动频率低、密封性差等问题。

本发明所述微泵包括温控形状记忆合金弹簧Ⅱ、温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、冷却陶瓷管、上端盖、泵体外壳、活塞Ⅰ端盖、滑动轴承、卡簧、连接法兰、外驱动接头、活塞Ⅱ、单向阀、泵腔体、活塞Ⅰ、通电端子A、B、C、D；

所述温控形状记忆合金弹簧Ⅰ贯穿在冷却陶瓷管上，左端与上端盖接触，右端与活塞Ⅰ端盖接触，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ贯穿在冷却陶瓷管上，左端与活塞Ⅰ端盖接触接触，右端与卡簧接触；

所述温控形状记忆合金弹簧Ⅰ和温控形状记忆合金弹簧Ⅱ原始长度一致；

所述冷却陶瓷管固定在上端盖的中孔中，在高精度微泵工作时，在冷却陶瓷管中通入冷却水用于冷却受热的温控形状记忆合金弹簧；

所述冷却陶瓷管的两端装上导水管便于冷却水在冷却陶瓷管内循环；

所述上端盖固定在泵体外壳的一端；

所述活塞Ⅰ装在滑动轴承上,滑动轴承固定在泵体外壳上；

所述上端盖中心和冷却陶瓷管中心线、活塞Ⅰ中心线、外驱动接头中心线都处在同一条直线上。

所述上端盖有三个通孔，四个螺纹孔，中心的通孔用于固定冷却陶瓷管，其他两个通孔便于导线的接入并连接到通电端子A、B、C、D，四个螺纹孔用于上端盖和泵体外壳的固定；

所述泵体外壳是整个泵体支架,分别与上端盖和连接法兰通过螺钉配合,泵体外壳与滑动轴承的配合为过渡配合，并在泵体外壳钻有螺纹孔用螺钉加以定位；

所述连接法兰通过螺钉与泵体外壳连接，同时与泵腔体通过螺钉进行配合以实现驱动和泵送功能；

所述活塞Ⅰ与滑动轴承为间隙配合,可在滑动轴承内滑动,活塞Ⅰ和活塞Ⅰ端盖通过螺钉配合；

所述外驱动接头通过螺钉与活塞Ⅱ固定,用于动力输出，外驱动接头外螺纹与活塞Ⅰ内螺纹进行固定；

所述泵腔体与连接法兰通过螺钉进行固定，同时泵腔体和活塞Ⅱ形成密封的泵腔，当活塞Ⅰ在温控形状记忆合金弹簧Ⅱ和温控形状记忆合金弹簧Ⅰ综合作用驱动下，活塞Ⅰ做往复运动，通过外驱动接头的连接，活塞Ⅱ也做往复运动，使得泵腔体容积发生周期性变化，在单向阀配合下，实现泵送流体或气体的功能。

本发明的工作原理为：温控形状记忆合金具有双程记忆效应，加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状。当没有给通电端子A、B，C、D加载电压时，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ和温控形状记忆合金弹簧Ⅱ原始长度保持一致，活塞Ⅰ处于中间位置。当给温控形状记忆合金弹簧Ⅱ的通电端子C、D加上一定的电压从而形成电流，在电流的热效应作用下，达到温控形状记忆合金弹簧Ⅱ的相变温度时，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ就开始沿着冷却陶瓷管的轴线方向伸长，经过极短的时间，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ伸长到记忆长度，与此同时温控形状记忆合金弹簧Ⅰ被压缩，从而导致活塞Ⅰ向左移动并通过外驱动接头带动活塞Ⅱ左移，泵腔体积增大，进口单向阀打开，流体在泵腔内外压力差的作用下流入泵腔；撤去加载在温控形状记忆合金弹簧Ⅱ通电端子C、D上的电压，由于冷却陶瓷管中的冷却水作用，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ立即冷却到常温并恢复到原长度，活塞Ⅰ再次处于中间位置。给温控形状记忆合金弹簧Ⅰ通电端子A、B加上一定的电压从而形成电流，在电流的热效应作用下，达到温控形状记忆合金弹簧Ⅰ的相变温度时，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ就开始沿着冷却陶瓷管的轴线方向伸长，经过极短的时间，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ伸长到记忆长度，与此同时温控形状记忆合金弹簧Ⅱ被压缩，从而导致活塞Ⅰ向右移动并通过外驱动接头带动活塞Ⅱ右移，泵腔体积减小，进口单向阀关闭，出口单向阀打开，向外定向输出流体。如此重复上述往复运动，泵腔内的体积发生周期性变化，微泵能达到高频率、高精度泵送液体或者气体的功能。

本发明的有益效果:

本发明结构散热性好，采用冷却陶瓷管中的冷却水对温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、Ⅱ进行冷却，并且温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、Ⅱ与冷却陶瓷管的接触面积大，最大化的发挥冷却效果。与现有微泵相比，该泵能在高频条件下正常工作；该泵采用单向截止阀结构，流体的单向截止性能好；该泵采用兼感知和驱动为一体的温控形状记忆合金材料，该材料具有位移的高分辨率、变形大、驱动力大，这些特性足以保证该泵具有高精度流量控制、功重比高等优点；该泵结构简单、制作容易、体积小，驱动装置和泵腔体采用法兰连接，确保该泵的密封性良好。

附图说明

图1为本发明的整体结构中心轴截面图；

图2为本发明所述活塞Ⅰ的沿轴线剖视图；

图3为本发明所述活塞Ⅰ的左视图；

图中：1.温控形状记忆合金弹簧Ⅱ、2.温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、3.冷却陶瓷管、4.上端盖、5.泵体外壳、6.活塞Ⅰ端盖、7.滑动轴承、8.卡簧、9.连接法兰、10.活塞Ⅱ、11.单向阀、12.外驱动接头、13.泵腔体、14.通电端子A、B、C、D。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案及优点更加的清晰明白，下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1为本发明的整体结构中心轴截面图、图2为本发明所述活塞Ⅰ的沿轴线剖视图，图3为本发明所述活塞Ⅰ的左视图，下面参阅图1、2、3进行实例说明。

所述微泵包括温控形状记忆合金弹簧Ⅱ(1)，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ(2)，冷却陶瓷管(3)，上端盖(4)，泵体外壳(5)，活塞Ⅰ端盖(6)，滑动轴承(7)，卡簧(8)，连接法兰(9)，活塞Ⅱ(10)，单向阀(11)，外驱动接头(12)，泵腔体(13)，通电端子A、B、C、D。

所述上端盖(4)中心、冷却陶瓷管(3)中心线、活塞Ⅰ中心线、外驱动接头(12)中心线都应该处在同一条直线上，这样才能保证本发明正常、高效的运行。

上端盖(4)的一端加工成凸台，这样便于其和泵体外壳(5)进行定位。上端盖(4)的中心孔的直径应和冷却陶瓷管的外直径相同，这便于冷却陶瓷管固定在上端盖(4)中。

活塞Ⅰ端盖(6)的中心孔直径应该比冷却陶瓷管(3)外直径稍大一些，减小活塞Ⅰ沿着冷却陶瓷管(3)轴线方向做高频往复运动时所受的其阻力。

温控形状记忆合金弹簧Ⅱ(1)和温控形状记忆合金弹簧Ⅰ(2)原始长度应该保持一致，在没有给通电端子A、B、C、D加电压时，活塞Ⅰ处于中间位置，当给通电端子A、B，C、D交替的加电压时，就能保证活塞Ⅰ的往复运动对称。温控形状记忆合金弹簧Ⅱ(1)和温控形状记忆合金弹簧Ⅰ(2)的外直径一定要大于活塞Ⅰ端盖(6)的中心孔直径，只有这样温控形状记忆合金弹簧Ⅱ1和温控形状记忆合金弹簧Ⅰ(2)的应力才能有效的作用在活塞Ⅰ端盖(6)上。卡簧的外直径应该大于温控形状记忆合金弹簧Ⅱ(1)的外直径，这样才能把温控形状记忆合金弹簧Ⅱ(1)夹持在冷却陶瓷管上。

滑动轴承(7)安装在泵体外壳(5)的内孔内，并在泵体外壳(5)钻有螺纹孔用螺钉进行定位。滑动轴承(7)的长度一定要大于活塞Ⅰ移动的距离，这样才能保证活塞Ⅰ一直沿着滑动轴承(7)的轴线方向做高频往复运动。

连接法兰(9)通过四个螺纹孔用螺钉与泵体外壳(5)进行固定，同时连接法兰(9)通过四个螺纹孔可以和泵腔体(13)进行装配，并在连接法兰(9)和泵腔体(13)之间增加密封垫圈，增加该泵的密封性。

活塞Ⅰ端盖(6)通过螺钉与活塞Ⅰ进行固定，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ(1)和温控形状记忆合金弹簧Ⅰ(2)所产生的应力都是作用在活塞Ⅰ端盖(6)上，从而驱动活塞Ⅰ做高频往复运动；卡簧(8)与冷却陶瓷管(3)通过冷却陶瓷管(3)上的卡槽进行固定。冷却陶瓷管(3)的两端与导水管进行配合，使得冷却水能够在冷却陶瓷管内循环，让冷却效果达到最佳状态。

活塞Ⅱ(10)和外驱动接头(12)进行连接，并且可以通过在配合过程中添加垫圈来改变活塞Ⅱ(10)和外驱动接头(12)的连接方式，使活塞Ⅱ(10)在做高频往复运动时泵腔容积变化大小不同，获得不同的输出流量。活塞Ⅱ(10)和泵腔体(13)进行配合从而形成密封的泵腔，为泵送功能打下结构基础。

该发明可以通过实验的方式定义出不同的电压对应不同的流量，使得流量控制精度更高，并且对流量的控制还是连续性的。

Claims (1)

1.一种采用温控形状记忆合金驱动的高精度有阀微泵,其特征在于:所述微泵包括温控形状记忆合金弹簧Ⅱ、温控形状记忆合金弹簧Ⅰ、冷却陶瓷管、上端盖、泵体外壳、活塞Ⅰ端盖、滑动轴承、卡簧、连接法兰、外驱动接头、活塞Ⅱ、单向阀、泵腔体、活塞Ⅰ、通电端子A、B、C、D;

所述温控形状记忆合金弹簧Ⅰ贯穿在冷却陶瓷管上，左端与上端盖接触，右端与活塞Ⅰ端盖接触,温控形状记忆合金弹簧Ⅱ贯穿在冷却陶瓷管上，左端与活塞Ⅰ端盖接触，右端与卡簧接触;

所述温控形状记忆合金弹簧Ⅰ和温控形状记忆合金弹簧Ⅱ原始长度一致；

所述冷却陶瓷管固定在上端盖的中孔中,在高精度微泵工作时，在冷却陶瓷管中通入冷却水用于冷却受热的温控形状记忆合金弹簧;

所述上端盖中心和冷却陶瓷管中心线、活塞Ⅰ中心线、外驱动接头中心线都处在同一条直线上;

所述冷却陶瓷管的两端装上导水管便于冷却水在冷却陶瓷管内循环；

所述上端盖固定在泵体外壳的一端;

所述活塞Ⅰ装在滑动轴承上,滑动轴承固定在泵体外壳上;

所述上端盖有三个通孔，四个螺纹孔,中心的通孔用于固定冷却陶瓷管，其他两个通孔便于导线的接入并连接到通电端子A、B、C、D,四个螺纹孔用于上端盖和泵体外壳的固定;

所述泵体外壳是整个泵体支架,分别与上端盖和连接法兰通过螺钉配合,泵体外壳与滑动轴承的配合为过渡配合，并在泵体外壳钻有螺纹孔用螺钉加以定位;

所述连接法兰通过螺钉与泵体外壳连接，同时与泵腔体通过螺钉进行配合以实现驱动和泵送功能;

所述活塞Ⅰ与滑动轴承为间隙配合,可在滑动轴承内滑动,活塞Ⅰ和活塞Ⅰ端盖通过螺钉配合;

所述外驱动接头通过螺钉与活塞Ⅱ固定,用于动力输出，外驱动接头外螺纹与活塞Ⅰ内螺纹进行固定;

所述泵腔体与连接法兰通过螺钉进行固定，同时泵腔体和活塞Ⅱ形成密封的泵腔，当活塞Ⅰ在温控形状记忆合金弹簧Ⅱ和温控形状记忆合金弹簧Ⅰ综合作用驱动下，活塞Ⅰ做往复运动，通过外驱动接头的连接，活塞Ⅱ也做往复运动，使得泵腔体容积发生周期性变化，在单向阀配合下，实现泵送流体或气体的功能;

工作原理为：温控形状记忆合金具有双程记忆效应，加热时恢复高温相形状，冷却时又能恢复低温相形状；

当没有给通电端子A、B，C、D加载电压时，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ和温控形状记忆合金弹簧Ⅱ原始长度保持一致，活塞Ⅰ处于中间位置；

当给温控形状记忆合金弹簧Ⅱ的通电端子C、D加上一定的电压从而形成电流，在电流的热效应作用下，达到温控形状记忆合金弹簧Ⅱ的相变温度时，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ就开始沿着冷却陶瓷管的轴线方向伸长，经过极短的时间，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ伸长到记忆长度，与此同时温控形状记忆合金弹簧Ⅰ被压缩，从而导致活塞Ⅰ向左移动并通过外驱动接头带动活塞Ⅱ左移，泵腔体积增大，进口单向阀打开，流体在泵腔内外压力差的作用下流入泵腔；撤去加载在温控形状记忆合金弹簧Ⅱ通电端子C、D上的电压，由于冷却陶瓷管中的冷却水作用，温控形状记忆合金弹簧Ⅱ立即冷却到常温并恢复到原长度，活塞Ⅰ再次处于中间位置；

给温控形状记忆合金弹簧Ⅰ通电端子A、B加上一定的电压从而形成电流，在电流的热效应作用下，达到温控形状记忆合金弹簧Ⅰ的相变温度时，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ就开始沿着冷却陶瓷管的轴线方向伸长，经过极短的时间，温控形状记忆合金弹簧Ⅰ伸长到记忆长度，与此同时温控形状记忆合金弹簧Ⅱ被压缩，从而导致活塞Ⅰ向右移动并通过外驱动接头带动活塞Ⅱ右移，泵腔体积减小，进口单向阀关闭，出口单向阀打开，向外定向输出流体，

如此重复上述往复运动，泵腔内的体积发生周期性变化，微泵能达到高频率、高精度泵送液体或者气体的功能。