CN108175883B - 一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵，包括基座、压电悬臂梁、振动管、仿生阀。其中压电悬臂梁由压电纤维复合材料和金属基板粘贴而成，一端固定在基座上，另一端连接振动管，带动振动管往复上下振动。仿生阀由止回阀片与阀座组成；阀座上表面为倾斜平面，止回阀片为椭圆形，其下端粘结在阀座表面上并覆盖在阀孔上。本发明振动管带动仿生阀往复上下振动，利用振动管运动所提供的惯性力、容器中流体动压和振动管内水柱上升产生静压的作用，控制阀片开启。本发明仿生阀采用仿心脏瓣膜阀结构，由柔性材料加工制作，刚度小、密封性好，止回阀片与振动管轴线呈一定夹角，具有流阻小，流量大等特点。

Description

一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵
技术领域
本发明涉及一种心脏泵，具体涉及一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵，属于流体机械技术领域。
背景技术
近年来人们生活压力增大，心脏病发病数量也在随之增长，心脏泵是一种利用外部机械装置来驱动血液的微泵，全部代替或者部分代替心脏的一种机械装置。其中压电驱动心脏泵作为新型智能材料驱动微泵的一种，相比于传统机械泵，压电驱动微泵具有结构简单，成本低，加工难度小，不受磁场干扰，便于可控制等优点。传统形式压电微泵泵多为容积泵，即通过压电振子的往复振动，因此泵腔容积发生变化，通过内外压差的作用，在单向阀的配合下实现流动的流动。由于压电振子变形量小，无法充分发挥压电陶瓷能量密度大的优点，使压电驱动容积泵的输出性能受限。并且阀片作为压电微泵中的核心部件，现有结构形式主要有悬臂梁阀、伞形阀以及轮式阀等结构，其多为以垂直于流体流动方向布置在流道内，这种布置方式流通面积小，流体阻力大，导致压电微泵的输出流量较小，不利于流体的输送。此外传统压电陶瓷，易发热，变形量小，容易破碎，噪声大等问题，影响了压电驱动心脏泵的发展。
发明内容
针对上述问题存在的不足，本发明采用柔性压电纤维复合材料，与微泵相结合，提供一种基于压电纤维复合材料驱动的压电泵以及一种基于仿生学原理的仿生阀结构。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案
一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵，有基座、压电悬臂梁、振动管和仿生阀组成。所述的压电悬臂梁由柔性压电纤维复合材料和金属基板粘合而成，一端固定在基座上，一端连接振动管，带动振动管往复振动，其中柔性压电纤维复合材料具有柔韧性好、变形量大、噪声小等优点。
所述的仿生阀基于仿生学原理设计而成，其由阀片和阀座组成，其中阀座为上端为倾斜平面的圆筒形结构，阀片为椭圆形结构。阀片与阀座的布置方式为：阀片完全覆盖在阀座上端的倾斜平面上，阀片下端固定，上端呈自由状，为一种倾斜布置的悬臂梁结构。该结构仿生阀由医用硅胶或其他柔性材料加工而成，变形量大，由于止回阀片与振动管轴线呈一定夹角，具有开度大、流阻小等优点，提高了心脏泵的输出性能。
所述的仿生阀阀片与振动管轴线的夹角可以通过加工不同倾斜角度的阀座进行调节。
所述的振动管中可以布置单个仿生阀，也可以上下布置多个仿生阀，提高心脏泵的输出压力
工作时压电泵振动管的下端浸入到容器的液体中，并使仿生阀完全浸入到容器内的液体中，在振动管上下运动的过程中，止回阀片受到振动管运动所提供的惯性力的作用，同时受到容器中流体动压和振动管内水柱上升产生静压的作用，阀片开启，开度更大。当止回阀受到的压力大于临界开启压力时，止回阀片开启，流体流入到振动管中，随着振动管的连续往复振动，流体将持续从容器内泵出，如此周而复始形成泵送原理。
附图说明
图1是本发明一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀惯性式压电泵的结构示意图。
图2是本发明所采用的仿生阀的正视图。
图3是本发明所采用的仿生阀的侧视图。
图4是本发明的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明结构和原理做进一步的描述
一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵，包括基座(1)、压电悬臂梁(2)、振动管(3)、仿生阀(4)。所述的压电悬臂梁由压电纤维复合材料(21)和金属基板(22)粘贴而成，一端固定在基座(1)上，一端与振动管(3)连接，带动振动管(3)往复上下振动。所述的仿生阀(4)由止回阀片(41)和阀座(42)组成，，采用仿心脏瓣膜阀结构，采用柔性材料加工而成，阀座(42)为上表面倾斜的圆筒形结构，止回阀片(41)为椭圆形结构。在振动管上下运动的过程中，止回阀片(41)受到振动管运动所提供的惯性力的作用，同时受到容器中流体动压和振动管内水柱上升产生静压的作用，阀片开启。参照图4(a)，初始状态时，振动管的下端浸入到容器内的液体中，根据连通器原理，在内外压差的作用下，阀门开启，流体通过止回阀流入到振动管中，直到振动管内外液面高度相同，此时振动管内充有一定高度的水柱。
参照图4(a)-(b)，第一阶段从中间平衡位置运动到最高点。在该阶段的初始时刻，由于此时系统的加速度小于重力加速度，因此振动管与振动管中的水柱将以相同的速率向上做减速运动。当振动管与水柱向上运动到某一点，即振动系统的加速度a大于重力加速度g时，振动管与水柱分离，由于阀片采用悬臂梁阀结构，因此随着水柱在振动管中的相对向上运动，其下端则会由于水柱与阀片的分离产生真空，容器内的液体通过止回阀流入到振动管中。
参照图4(b)-(c)，第二阶段从最高点运动到平衡位置。到平衡位置由于加速度与速度方向相同，因此管在第二阶段将一直做向下的加速运动。同时，只要管内水柱与阀相对距离增加，止回阀将一直保持开启状态，同时流体将有容器流入到振动管中，直到两者相对距离保持恒定。当两者距离保持不变时，由于阀片弹簧力的作用，止回阀关闭，防止管内液体回流。
参照图4(c)-(d)，第三阶段从中间平衡位置运动到最低点。在这一阶段，系统将减速从中间位置运动到最低点，当运动到最低点，为了使水柱与止回阀之间相对距离达到最大，以使泵的输出流量最大化，最理想的状态为在此阶段结束时，止回阀关闭，同时，水柱的高度在平衡位置以上达到最大值。
参照图4(d)-(e)，第四阶段从最低点运动到平衡位置。系统将加速运动到最高点，直到运动到平衡位置，这此阶段，止回阀关闭。

Claims (1)

1.一种基于压电纤维复合材料驱动的新型仿生阀心脏泵，包括基座（1）、压电悬臂梁（2）、振动管（3）、仿生阀（4）；所述的压电悬臂梁由压电纤维复合材料（21）和金属基板（22）粘贴而成，一端固定在基座（1）上，一端与振动管（3）连接，带动振动管（3）往复上下振动；所述的仿生阀（4）由止回阀片（41）和阀座（42）组成，采用仿心脏瓣膜阀结构，由柔性材料加工而成，阀座（42）为上表面倾斜的圆筒形结构，止回阀片（41）为椭圆形结构；在振动管上下运动的过程中，止回阀片（41）受到振动管运动所提供的惯性力的作用，同时受到容器中流体动压和振动管内水柱上升产生静压的作用，当止回阀受到的压力大于临界开启压力时，止回阀片开启，流体流入到振动管中，随着振动管的连续往复振动，流体将持续从容器内泵出，如此周而复始达到连续泵送的目的；所述的止回阀片（41）采用倾斜于振动管（3）轴线方向布置，可以减小流阻，提高压电泵的输出流量，并且仿生阀（4）倾斜角度可以通过调节仿生阀阀座（42）上平面的倾斜角度进行调节；所述的振动管（3）中可以布置单个仿生阀（4），也可以上下布置多个仿生阀（4）。
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