CN107975463B - 一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵 - Google Patents

Abstract

一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵属于微流控系统领域。具体为利用给电磁线圈通入电流产生电磁场，进而由电磁线圈产生的电磁场对永磁铁柱塞产生电磁力，由该电磁力驱动永磁铁柱塞往复运动，永磁铁柱塞的往复运动带动微泵内液体运动，液体通过单向阀的定向整流作用实现液体的单向泵送。本发明可以实现对微量液体泵送的功能。微泵是微流体系统的重要组成部分，在疾病诊断、药物输送、燃料供给和环境检测等多种领域有广泛的应用前景。

Description

一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵

技术领域：

本发明是一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵，具体为一种利用电磁力驱动使管状泵腔内的永磁铁柱塞往复运动的单向阀微泵，可以实现对微量液体泵送的功能。微泵是微流体系统的重要组成部分，在疾病诊断、药物输送、燃料供给和环境检测等多种领域有广泛的应用前景，属于微流控系统领域。

背景技术：

目前电磁驱动微泵大多采用平面薄膜式结构，这种微泵在泵送液体时，依靠电磁力使薄膜发生形变并周期性地改变泵腔的容积，从而将泵腔内的液体从进液口向出液口进行单方向泵送。在泵送液体的过程中，除泵送液体消耗的能量外，薄膜的形变也会消耗较多的能量，并且其结构存在一定的死体积，微泵工作效率较低。此外，平面薄膜式结构需要较复杂的工艺，制作耗时较长，且具有较大的体积，电磁线圈与永磁铁的磁间隙总是较大，因此，需要较大的驱动电流和较多的电磁线圈，而且，微泵工作时易产生较高的热量，影响微泵泵送的可靠性。

发明内容：

本发明的目的在于克服平面薄膜式电磁微泵的泵送效率低、工艺复杂、制作成本高、体积大等缺点。本发明提出一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵，利用给电磁线圈通入电流产生电磁场，进而由电磁线圈产生的电磁场对永磁铁柱塞产生电磁力，由该电磁力驱动永磁铁柱塞往复运动，永磁铁柱塞的往复运动带动微泵内液体运动，液体通过单向阀的定向整流作用实现液体的单向泵送。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用绝缘非磁性圆管作为微泵的主要泵体，圆管的内径为1mm～2mm，外径为1.4mm～2.4mm。用漆包导线在泵体外侧的轴向中间位置绕制两个螺线管形电磁线圈，两个电磁线圈的间距为2mm～4mm，两个线圈的匝数为40匝～100匝，漆包导线的线径为40μm～100μm。采用钕铁硼圆柱形永磁铁作为泵体内的工作永磁铁柱塞。采用两套锥形管、磁性不锈钢球和环形永磁铁作为两个永磁单向阀，一个为进液永磁单向阀，另一个为出液永磁单向阀。两个永磁单向阀安装于绝缘非磁性圆管内部，且位于圆管的两端，并且使两个锥形管的轴线与绝缘非磁性圆管的轴线重合，两锥形管的小口朝向一致。进液永磁单向阀锥形管大端口与其相邻电磁线圈端面的距离为4mm～8mm，出液永磁单向阀锥形管小端口与其相邻电磁线圈端面的距离为4mm～8mm。锥形管由玻璃管加热拉伸裁剪制成或由其他塑性材料注塑制成，小端口直径为0.5～1.5mm，大端口直径1mm～2mm，长度为3mm～4mm。环形永磁铁内径为1.4mm～2.4mm，环形永磁铁外径为3mm～5mm，厚度为1mm～2mm。

所述微泵采用直流电源，该电源提供直流电通过继电器接入微泵的电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ，由控制器控制继电器的工作，进而控制电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ通断状态，并控制直流电源供给电磁线圈Ⅰ的导通时间T1和间断时间T2，电磁线圈Ⅱ的导通时间t1和间断时间t2，从而控制电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ的工作时间和间歇时间。T1与t2时间大小相同，T2与t1时间大小相同。T1比T2小0.01s～0.1s

所述的电磁线圈Ⅰ导通的时间是T1，间断的时间是T2，T1设为0.1s～1s，T2设为0.1s～1s，电流I为0.2A～0.6A。

所述的电磁线圈Ⅱ导通的时间是t1，间断的时间是t2，t1设为0.1s～1s，t2设为0.1s～1s，电流I′设计为0.2A～0.6A。

本发明的主要特点是：1)微泵泵送效率更高，无死体积。2)磁路利用效率高，体积更小，管状结构节省体积。3)工作更可靠，磁力驱动柱塞推动液体，没有机械变形。4)易于制作且成本低，结构简单。5)柱状永磁体沿泵体运动时，永磁体悬浮于泵体中，摩擦力小。

附图说明：

图1：本发明的系统组成示意图

图2：本发明的控制系统组成示意图

图3：本发明的结构示意图

图4：本发明电磁线圈Ⅰ的电流波形示意图

图5：本发明电磁线圈Ⅱ的电流波形示意图

图6：本发明的工作过程示意图一；

图7：本发明的工作过程示意图二；

图中：1、微泵 2、连接管Ⅰ 3、连接管Ⅱ 4、储液池 5、电磁线圈Ⅰ接线端Ⅰ 6、电磁线圈Ⅰ接线端Ⅱ 7、电磁线圈Ⅱ接线端Ⅰ 8、电磁线圈Ⅱ接线端Ⅱ 9、直流电源 10、直流电源连接柱Ⅰ 11、直流电源连接柱Ⅱ 12、直流电源与继电器连接线Ⅰ 13、直流电源与继电器连接线Ⅱ 14、控制器 15、控制器连接柱Ⅰ 16、控制器连接柱Ⅱ 17、控制器与继电器连接线Ⅰ18、控制器与继电器连接线Ⅱ 19、继电器连接柱Ⅱ 20、继电器连接柱Ⅰ 21、继电器 22、继电器与电磁线圈Ⅰ连接柱Ⅰ 23、继电器与电磁线圈Ⅰ连接柱Ⅱ 24、继电器与电磁线圈Ⅱ连接柱Ⅰ 25、继电器与电磁线圈Ⅱ连接柱Ⅱ 26、继电器与直流电源连接柱Ⅰ 27、继电器与直流电源连接柱Ⅱ 28、绝缘非磁性圆管 29、环形永磁铁Ⅰ 30、电磁线圈Ⅰ 31、电磁线圈Ⅱ 32、环形永磁铁Ⅱ 33、磁性不锈钢球Ⅰ 34、锥形管Ⅰ 35、柱塞永磁铁 36、磁性不锈钢球Ⅱ 37、锥形管Ⅱ 38、液体

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1～3所示，一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵。该微泵主要包括绝缘非磁性圆管28、环形永磁铁Ⅰ29、电磁线圈Ⅰ30、电磁线圈Ⅱ31、环形永磁铁Ⅱ32、磁性不锈钢球Ⅰ33、锥形管Ⅰ34、柱塞永磁铁35、磁性不锈钢球Ⅱ36、锥形管Ⅱ37。所述的电磁线圈Ⅰ30和电磁线圈Ⅱ31同向绕制在绝缘非磁性圆管28中部位置，间距为2mm～4mm。所述锥形管Ⅰ34和锥形管Ⅱ37由加热器加热并拉伸、裁剪制成或由其他塑性材料注塑制成，然后将磁性不锈钢球Ⅰ33和磁性不锈钢球Ⅱ36从锥形管大端口放入锥形管内部，并与锥形管紧密贴合。然后利用微操作台将锥形管Ⅰ34、磁性不锈钢球Ⅱ36、锥形管Ⅱ37和磁性不锈钢球Ⅰ33送至绝缘非磁性圆管28内部，并位于绝缘非磁性圆管28的两端。锥形管Ⅰ34和锥形管Ⅱ37的小端口都向左，大端口都向右，其轴线与缘非磁性圆管28轴线重合。进液永磁单向阀锥形管37大端口与其相邻电磁线圈Ⅰ端面的距离为4mm～8mm，出液永磁单向阀锥形管34小端口与其相邻电磁线圈Ⅱ端面的距离为4mm～8mm，并采用热处理工艺或胶水粘贴进行固定。环形永磁铁Ⅰ29由绝缘非磁性圆管28左侧套入并与锥形管Ⅱ37同轴，环形永磁铁Ⅰ29两端面的对称面与锥形管Ⅱ37两端面的对称面重合，并采用热处理工艺或胶水粘贴将环形永磁铁Ⅰ29和绝缘非磁性圆管28进行固定。环形永磁铁Ⅱ32由绝缘非磁性圆管28右侧套入并与锥形管Ⅰ34同轴，环形永磁铁Ⅱ32两端面中心线与锥形管Ⅰ34两端面中心线重合，并采用热处理工艺或胶水粘贴进行固定。连接管Ⅰ2的一端和微泵1的出液端口相接，连接管Ⅰ2的另一端与外部实验芯片等连接。连接管Ⅱ3的一端与储液池4相连，连接管Ⅱ3的另一端和微泵1的进液端口相接。直流电源9输出端直流电源连接柱Ⅰ10通过直流电源与继电器连接线Ⅰ12和继电器与直流电源连接柱Ⅰ26连接，直流电源9输入端直流电源连接柱Ⅱ11通过直流电源与继电器连接线Ⅱ13和继电器与直流电源连接柱Ⅱ27连接。控制器14的控制器连接柱Ⅰ15通过控制器与继电器连接线Ⅰ17与继电器的继电器连接柱Ⅰ20连接。控制器14的控制器连接柱Ⅱ16通过控制器与继电器连接线Ⅱ18与继电器的继电器连接柱Ⅱ19连接。继电器21上的继电器与电磁线圈Ⅰ连接柱Ⅰ22与电磁线圈Ⅰ接线端Ⅰ5连接。继电器21上的继电器与电磁线圈Ⅰ连接柱Ⅱ23与电磁线圈Ⅰ接线端Ⅱ6连接。继电器21上的继电器与电磁线圈Ⅱ连接柱Ⅰ24与电磁线圈Ⅱ接线端Ⅰ7连接。继电器21上的继电器与电磁线圈Ⅱ连接柱Ⅱ25与电磁线圈Ⅱ接线端Ⅱ8连接。

附图4：本发明电磁线圈Ⅰ电流波形示意图，直流电源9输出连续电流，控制器14控制继电器21的通断，电路导通时间是T1，电路断开时间是T2。

附图5：本发明电磁线圈Ⅱ电流波形示意图，直流电源9输出连续电流，控制器14控制继电器21的通断，电路导通时间是t1，电路切断停止的时间是t2。

本发明一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵的工作过程如下所示：

微泵泵送液体时，电磁线圈Ⅰ30和电磁线圈Ⅱ31轮流通电，当电磁线圈Ⅱ31导通电流时，工作过程如图6所示，电磁线圈Ⅱ31产生左端为N右端为S的磁场，永磁铁柱塞35磁极为左端为N右端为S，永磁铁柱塞23在磁力的作用下被吸引并向电磁线圈Ⅱ31方向运动，随着永磁铁柱塞23的运动，绝缘非磁性圆管28中的液体38被永磁铁柱塞35推向出液永磁单向阀，永磁铁柱塞35与出液永磁单向阀中间泵体内的压强不断升高，永磁铁柱塞35与进液永磁单向阀中间泵体内的压强不断降低，当永磁单向阀所受压力大于环形永磁铁Ⅰ29和环形永磁铁Ⅱ32对永磁单向阀的吸力时，出液永磁单向阀和进液永磁单向阀打开，液体38从出液永磁单向阀流出，从进液永磁单向阀流入。永磁铁柱塞35受磁力作用运动到电磁线圈Ⅱ31中部并停止，随着出液永磁单向阀侧的液体38流出和进液永磁单向阀侧的液体38流入，泵体内的压强逐渐下降并恢复初始状态，通过环形永磁铁Ⅰ29对磁性不锈钢球Ⅱ36和环形永磁铁Ⅱ32对磁性不锈钢球Ⅰ33的吸力使两个永磁单向阀进行复位，永磁单向阀恢复并保持关闭状态。

当电磁线圈Ⅰ30导通电流时，工作过程如图7所示,电磁线圈Ⅰ30产生左端为N右端为S的磁场，永磁铁柱塞35磁极为左端为N右端为S，永磁铁柱塞35在磁力的作用下被吸引并向电磁线圈Ⅰ30方向运动，随着永磁铁柱塞35的运动，永磁铁柱塞35与出液永磁单向阀中间泵体内的压强不断降低，出液永磁单向阀保持关闭，液体38不会从出液永磁单向阀回流，永磁铁柱塞35与进液永磁单向阀中间泵体内的压强不断升高，进液永磁单向阀保持关闭，液体38不会从进液永磁单向阀流出，绝缘非磁性圆管28中的液体38被永磁铁柱塞35挤向出液永磁单向阀侧，永磁铁柱塞35受磁力作用运动到电磁线圈Ⅰ30中部并停止，最终与电磁线圈Ⅰ30保持重合，随着进液永磁单向阀侧的液体38流向出液永磁单向阀侧，泵体内的压强恢复初始状态，微泵恢复初始工作状态，微泵完成一个泵送工作过程。

Claims (6)

1.一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵，其特征在于：

采用绝缘非磁性圆管作为微泵的泵体，用漆包导线在泵体外侧的轴向中间位置绕制两个螺线管形电磁线圈，称为电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ，采用钕铁硼圆柱形永磁铁作为泵体内的工作永磁铁柱塞；采用一套锥形管、磁性不锈钢球和环形永磁铁作为一个永磁单向阀，另外一套锥形管、磁性不锈钢球和环形永磁铁作为另一个永磁单向阀；一个为进液永磁单向阀，另一个为出液永磁单向阀；两个永磁单向阀安装于绝缘非磁性圆管内部，且位于圆管的两端，并且使两个锥形管的轴线与绝缘非磁性圆管的轴线重合，两锥形管的小口朝向一致；

所述微泵采用直流电源，该电源提供直流电通过继电器接入微泵的电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ，由控制器控制继电器的工作，进而控制电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ通断状态，并控制直流电源供给电磁线圈Ⅰ的导通时间T1和间断时间T2，电磁线圈Ⅱ的导通时间t1和间断时间t2，从而控制电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ的工作时间和间歇时间；T1与t2时间大小相同，T2与t1时间大小相同；T1比T2小0.01s～0.1s。

2.根据权利要求1所述的电磁微泵，其特征在于：所述的电磁线圈Ⅰ导通的时间是T1，间断的时间是T2，T1设为0.1s～1s，T2设为0.1s～1s，电流I为0.2A～0.6A；

所述的电磁线圈Ⅱ导通的时间是t1，间断的时间是t2，t1设为0.1s～1s，t2设为0.1s～1s，电流I′设计为0.2A～0.6A。

3.根据权利要求1所述的电磁微泵，其特征在于：两个电磁线圈的间距为2mm～4mm，两个线圈的匝数为40匝～100匝，漆包导线的线径为40μm～100μm。

4.根据权利要求1所述的电磁微泵，其特征在于：进液永磁单向阀锥形管大端口与其相邻电磁线圈端面的距离为4mm～8mm，出液永磁单向阀锥形管小端口与其相邻电磁线圈端面的距离为4mm～8mm。

5.根据权利要求1所述的电磁微泵，其特征在于：锥形管小端口直径为0.5～1.5mm，大端口直径1mm～2mm，长度为3mm～4mm；环形永磁铁内径为1.4mm～2.4mm，环形永磁铁外径为3mm～5mm，厚度为1mm～2mm。

6.应用如权利1-5任意一项所述的一种采用永磁单向阀的管状结构柱塞式电磁微泵的方法，其特征在于：

微泵泵送液体时，电磁线圈Ⅰ和电磁线圈Ⅱ轮流通电，当电磁线圈Ⅱ导通电流时，电磁线圈Ⅱ产生左端为N右端为S的磁场，永磁铁柱塞磁极为左端为N右端为S，永磁铁柱塞在磁力的作用下被吸引并向电磁线圈Ⅱ方向运动，随着永磁铁柱塞的运动，绝缘非磁性圆管中的液体被永磁铁柱塞推向出液永磁单向阀，永磁铁柱塞与出液永磁单向阀中间泵体内的压强不断升高，永磁铁柱塞与进液永磁单向阀中间泵体内的压强不断降低，当永磁单向阀所受压力大于环形永磁铁Ⅰ和环形永磁铁Ⅱ对永磁单向阀的吸力时，出液永磁单向阀和进液永磁单向阀打开，液体从出液永磁单向阀流出，从进液永磁单向阀流入；永磁铁柱塞受磁力作用运动到电磁线圈Ⅱ中部并停止，随着出液永磁单向阀侧的液体流出和进液永磁单向阀侧的液体流入，泵体内的压强逐渐下降并恢复初始状态，通过环形永磁铁Ⅰ对磁性不锈钢球Ⅱ和环形永磁铁Ⅱ对磁性不锈钢球Ⅰ的吸力使两个永磁单向阀进行复位，永磁单向阀恢复并保持关闭状态；

当电磁线圈Ⅰ导通电流时，电磁线圈Ⅰ产生左端为N右端为S的磁场，永磁铁柱塞磁极为左端为N右端为S，永磁铁柱塞在磁力的作用下被吸引并向电磁线圈Ⅰ方向运动，随着永磁铁柱塞的运动，永磁铁柱塞与出液永磁单向阀中间泵体内的压强不断降低，出液永磁单向阀保持关闭，液体不会从出液永磁单向阀回流，永磁铁柱塞与进液永磁单向阀中间泵体内的压强不断升高，进液永磁单向阀保持关闭，液体不会从进液永磁单向阀流出，绝缘非磁性圆管中的液体被永磁铁柱塞挤向出液永磁单向阀侧，永磁铁柱塞受磁力作用运动到电磁线圈Ⅰ中部并停止，最终与电磁线圈Ⅰ保持重合，随着进液永磁单向阀侧的液体流向出液永磁单向阀侧，泵体内的压强恢复初始状态，微泵恢复初始工作状态，微泵完成一个泵送工作过程。