CN108953123B - 一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PVC‑gel柔性驱动的微泵结构，包括泵体和PVC‑gel柔性驱动单元，泵体上设置有凹槽、进水口和出水口，PVC‑gel柔性驱动单元设置在腔体内构成微泵结构，PVC‑gel柔性驱动单元用于在电场的作用下向阳极发生蠕变变形从而引起腔体内部容积和压力变化实现流体的泵送。本发明采用树脂材料作为微泵泵体，可以泵送各种性质的液体，采用PVC‑gel薄膜作为柔性驱动振子，只需要施加交变电压，不需要复杂的附加装备就能实现微泵的泵送，扩大了微泵领域的应用。
Description
技术领域
本发明属于智能材料与智能结构技术领域，具体涉及一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构。
背景技术
近几年来，针对微型泵进行的研究工作可谓种类繁多。对微型泵的结构、工艺材料和驱动等方面进行了大量研究工作，微型泵主要由泵体、出入口(包括阀门式和无阀式)和驱动器等部分组成。而驱动方式已成为微型泵能否实用化的关键技术。
压电驱动微泵是基于压电晶体的压电特性驱动薄膜振动从而实现泵送流体的。常见的压电材料有压电片、PZT压电堆、压电薄膜。其缺点是驱动电压高、振幅小，自吸困难，限制了其应用范围。静电驱动是基于库伦力的原理，在其中一个固定电极上加单一极性电压，在另一个与泵膜相连的可动电极上加交变电压，交替产生双向形变，从而实现泵送功能。静电微泵具有低功耗、响应快、驱动频率高等优点；但不足的是驱动电压高，体积冲程小，而且还需在微泵加入防止电路短路的绝缘膜，加工工艺要求高。热气驱动基本原理是利用加热产生的气体膨胀力为驱动力。通过加热冷却压力室的气体产生膨胀和收缩动作，推动泵膜运动。热气驱动微泵提供的驱动力较大，微泵整体体积较小；但是由于冷却较慢，微泵响应慢，驱动频率低，一般为几赫兹，而且功耗较大。电磁驱动微泵的原理是将永磁铁贴在泵膜上，利用线圈产生的交变磁场，使得永磁体带动泵膜往复运动，达到泵送流体的目的。其缺点是能耗高、电磁材料微加工困难、由于线圈存在难以微型化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，采用新型驱动材料电活性聚合物PVC-gel，驱动方式简单，并设计新型电极结构，简化了微泵结构，可控性强、驱动方式简单、结构和制作方法简单，成本低，体积小。
本发明采用以下技术方案：
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，在泵体的腔体内设置PVC-gel柔性驱动单元用于在电场的作用下向阳极发生蠕变变形从而引起腔体内部容积和压力变化实现流体的泵送，PVC-gel柔性驱动单元采用电活性聚合物PVC-gel作为驱动，驱动方式简单，同时PVC-gel本身具有一定的粘弹性，能和泵体接触面较好的贴合密封。
进一步的，单腔微泵结构原理简单，制造工艺成熟，易于控制，反向截止性能较好。
进一步的，双腔微泵结构相比于单腔微泵，双腔微泵工作时能够更大改变泵送腔体内部容积和压力的变化，可减轻流体脉动性，提高输送能力，并且压力和流量稳定，提高微泵效率。
进一步的，PVC-gel薄膜本身具有一定的粘性，能够和泵体很好地粘合，减少机械装配结构，同时PVC-gel是一种电活性聚合物，能够在电压下作出快速的响应。
进一步的，利用PVC-gel的变形原理，设计的环状电极，大大简化了微泵结构。
进一步的，用树脂材料通过3D打印技术制成泵体，有效节约成本。
进一步的，将正负电极和PVC-gel薄膜设置成三明治结构，PVC-gel薄膜在正负电极之间，正负电极片在中间开孔，使PVC-gel薄膜能够在电场作用下，在电极开孔处产生上下震动变形，从而引起腔体内部容积和压力的变化，实现液体的泵送，可以大幅提高泵送能力。
综上所述，本发明采用树脂材料作为微泵泵体，可以泵送各种性质的液体，采用PVC-gel薄膜作为柔性驱动振子，只需要施加交变电压，不需要复杂的附加装备就能实现微泵的泵送，扩大了微泵领域的应用。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为PVC-gel在环状电极下变形原理图，其中，(a)为通电前，(b)为通电后；
图2为本发明一种单腔微泵结构图；
图3为本发明一种双腔微泵结构图；
图4为本发明另一种单腔微泵结构图；
图5为本发明另一种双腔微泵结构俯视图；
图6为本发明第三种单腔微泵结构图。
其中：1.负极环；2.正极环；3.出水口；4.泵体；5.腔体；6.进水口；7.PVC-gel薄膜；8.绝缘环。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
PVC-gel材料是一种电活性聚合物，变形机理是，当PVC-gel在电场中时，PVC-gel会向阳极产生快速蠕变变形，当撤去电场后，PVC-gel依靠自身弹性快速回复到原始位置，由此可见，PVC-gel在电场中能够产生上下震动式的变形，在电场的作用下可产生大幅变形，远大于现有的压电材料，可以大幅提高泵送能力，可灵活地应用于微泵结构的驱动材料。
本发明提供了一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，采用PVC-gel柔性驱动振子、正负电极环、绝缘环和树脂泵体组成，PVC-gel柔性驱动振子在交变电压的作用下产生上下震动引起腔体容积和压力的变化，在单向阀的作用下实现流体的泵送；基于PVC-gel驱动的微泵结构可以是单腔以及多腔等多种形式。采用的树脂材料作为微泵泵体，可以泵送各种性质的液体，采用PVC-gel薄膜作为柔性驱动振子，只需要施加交变电压，不需要复杂的附加装备就能实现微泵的泵送，扩大了微泵领域的应用。
请参阅图1，通电前与通电后PVC-gel驱动薄膜的变化，通电后，PVC-gel薄膜会向靠近阳极的空隙内法还是能蠕变变形，撤去电压后又能恢复原状，在正弦电压或者方波电压下PVC-gel薄膜能够产生上下震动。
本发明一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，包括泵体4和PVC-gel柔性驱动单元，泵体4为树脂材质制成，泵体4上设置有凹槽、进水口6和出水口3，PVC-gel柔性驱动单元设置在凹槽内构成密闭微泵结构，PVC-gel柔性驱动单元用于在电场的作用下向阳极发生蠕变变形从而引起泵体4内部容积和压力变化，在单向阀的作用下实现流体的泵送。
请参阅图2，凹槽设置在泵体4的一侧，凹槽的中心开有腔体5，凹槽内设置PVC-gel柔性驱动单元构成单腔微泵结构。
请参阅图3，凹槽对称设置在泵体4的上下两侧，凹槽的中心开有腔体5用于相互连通，每个凹槽内均设置有一个PVC-gel柔性驱动单元构成双腔微泵结构。
PVC-gel柔性驱动单元包括负极环1、正极环2和PVC-gel薄膜7，负极环1和正极环2之间设置有绝缘环8，PVC-gel薄膜7设置在凹槽内，一侧分别与正极环2、绝缘环8和负极环1接触，正极环2中心对应腔体5开有通孔，绝缘环8套装在正极环2的外部，负极环1套装在绝缘环8的外部，通过对负极环1和正极环2施加矩形波或者正弦波电压能够引起PVC-gel薄膜7向阳极的往复蠕变变形，从而引起泵体内部容积和压力的变化，实现泵送液体的功能。
请参阅图4和图5，凹槽设置在泵体4的一侧，凹槽为环形结构，凹槽内设置PVC-gel柔性驱动单元构成单腔微泵结构。
环形凹槽对称设置在泵体4的上下两侧且相互连通，每个环形凹槽内均设置有一个PVC-gel柔性驱动单元构成双腔微泵结构。
PVC-gel柔性驱动单元包括负极环1、正极环2和PVC-gel薄膜7，PVC-gel薄膜7设置在环形凹槽内，负极环1和正极环2设置在PVC-gel薄膜7上，负极环1设置在环形凹槽的环形槽内，正极环2设置在环形凹槽的中心，负极环1和正极环2通过环形凹槽隔开，PVC-gel薄膜7的一侧与环形凹槽接触，另一侧分别与正极环2和负极环1接触，通过对负极环1和正极环2施加矩形波或者正弦波电压能够引起PVC-gel薄膜7在圆环腔体口处往复蠕变变形，从而引起泵体内部容积和压力的变化，实现泵送液体的功能。
请参阅图6，凹槽设置在泵体4的一侧，凹槽的中心开有腔体5，凹槽内设置PVC-gel柔性驱动单元构成单腔微泵结构。
凹槽对称设置在泵体4的上下两侧，凹槽的中心开有腔体5用于相互连通，每个凹槽内均设置有一个PVC-gel柔性驱动单元构成双腔微泵结构。
PVC-gel柔性驱动单元包括负极环1、正极环2和PVC-gel薄膜7，正极环2设置在凹槽内，负极环1设置在正极环2上，PVC-gel薄膜7设置在负极环1和正极环2之间，负极环1和正极环2上均对应腔体5开有通孔，使PVC-gel薄膜能够在电场作用下，在电极开孔处产生上下震动变形，从而引起腔体内部容积和压力的变化，实现液体的泵送。
正极环2和负极环1采用铝、铜、铁等导电材料制成，绝缘环8采用3D打印、浇铸或机加工方式制成；优选地，在正极环2和负极环1的表面涂覆一层导电碳膏或导电银胶作为导电层。
工作原理是：
对正极环2和负极环1施加矩形波或者正弦波电压后，PVC-gel薄膜7能够跟随电压的变化产生上下弯曲变形，从而使微泵泵体4内部的容积和压力的变化，从而实现液体的泵送传输，该微泵结构可以设计成单腔，双腔等各种形式。
单腔微泵结构由泵体4、正极环2、负极环1、绝缘环8以及PVC-gel薄膜7组成，对正极环2、负极环1施加矩形波或者正弦波电压，能够引起PVC-gel薄膜7的周期性上下震动，引起泵体4内部的容积和压力的周期性变化，实现吸水和排水功能。
双腔微泵结构包括上下两个腔体5，泵体结构是上下对称，并且上下两个腔体5是相互联通的，上下两个腔体内均设置有一片PVC-gel薄膜7，且驱动电压信号和相位相同，这样施加电压信号后能够更大的增加腔体容积，减小腔体内压力，更快更多的泵送液体。
圆环状结构单腔微泵结构和双腔微泵结构的腔体5处的PVC-gel薄膜7始终处于正极环2和负极环1圆环之间的电场之间，PVC-gel在圆环腔体口处蠕变变形的程度加大，由于圆环腔体的面积比较大，相比于上述孔状结构腔体的微泵结构，PVC-gel驱动薄膜变形时会引起腔体内容积和压力的更大，因此输送液体的能力更大。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
利用浇铸技术或3D打印技术将PVC-gel打印成圆形PVC-gel薄膜7，利用3D打印技术打印树脂单腔泵体4，树脂正负电极圆环和绝缘环8，其中正极环2和负极环1的表面涂覆碳膏，使其具有良好的导电性；依次将PVC-gel薄膜7、正极环2、负极环1、绝缘环8装配在泵体4上，组成微泵；对环状正负电极施加矩形波或者正弦波电压，能够引起PVC-gel薄膜7的周期性上下震动，引起泵体4内部的容积和压力的周期性变化，实现吸水和排水功能。经实验证明，其可控性良好，能够很好地控制液体的吸入和排出。
基于聚合物材料的微泵、可供选择余地大、制作工艺简单、易于集成、生物兼容性好、性能优良、成本低等优点，非常适合大批量生产，使微泵的广泛使用成为可能。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，包括泵体(4)和PVC-gel柔性驱动单元，泵体(4)上设置凹槽、进水口(6)和出水口(3)，PVC-gel柔性驱动单元设置在凹槽内构成密闭微泵结构，PVC-gel柔性驱动单元用于在电场的作用下发生蠕变变形从而引起泵体(4)内部容积和压力变化，通过外接单向阀实现流体泵送。
2.根据权利要求1所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，凹槽设置在泵体(4)的一侧，PVC-gel柔性驱动单元设置在凹槽内构成单腔微泵结构，通过对PVC-gel柔性驱动单元施加矩形波或者正弦波电压引起PVC-gel柔性驱动单元的周期性上下震动，驱动泵体(4)内部的容积和压力的周期性变化实现吸水和排水功能。
3.根据权利要求1所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，凹槽对称设置在泵体(4)的上下两侧，两个凹槽通过腔体(5)相互连通，每个凹槽内均对应设置一个PVC-gel柔性驱动单元构成双腔微泵结构，通过对两个PVC-gel柔性驱动单元施加相同驱动电压信号和相位的矩形波或者正弦波电压引起PVC-gel柔性驱动单元的周期性上下震动，驱动泵体(4)内部的容积和压力的周期性变化实现吸水和排水功能。
4.根据权利要求3所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，凹槽内设置有腔体(5)，PVC-gel柔性驱动单元包括负极环(1)、正极环(2)和PVC-gel薄膜(7)，PVC-gel薄膜(7)设置在凹槽内，形成密闭腔体结构，正极环(2)和负极环(1)分别设置在PVC-gel薄膜(7)上，正极环(2)与负极环(1)之间设置有绝缘环(8)，绝缘环(8)套装在正极环(2)的外部，负极环(1)套装在绝缘环(8)的外部，正极环(2)中心对应腔体(5)开有通孔。
5.根据权利要求4所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，正极环(2)和负极环(1)采用导电材料制成，或在正极环(2)和负极环(1)的表面涂覆一层导电层，绝缘环(8)采用3D打印、浇铸或机加工方式制成。
6.根据权利要求2或3所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，凹槽为环形凹槽，PVC-gel柔性驱动单元包括负极环(1)、正极环(2)和PVC-gel薄膜(7)，PVC-gel薄膜(7)设置在环形凹槽内，正极环(2)和负极环(1)分别设置在PVC-gel薄膜(7)上，负极环(1)设置在环形凹槽内，正极环(2)设置在环形凹槽的中心，负极环(1)和正极环(2)之间通过环形凹槽隔开。
7.根据权利要求6所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，正极环(2)和负极环(1)采用导电材料制成，或在正极环(2)和负极环(1)的表面涂覆一层导电层。
8.根据权利要求3所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，凹槽内设置有腔体(5)，PVC-gel柔性驱动单元包括负极环(1)、正极环(2)和PVC-gel薄膜(7)，正极环(2)设置在凹槽内，PVC-gel薄膜(7)设置在正极环(2)上，负极环(1)设置在PVC-gel薄膜(7)上，负极环(1)和正极环(2)上均对应腔体(5)开有通孔。
9.根据权利要求8所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，正极环(2)和负极环(1)采用导电材料制成，或在正极环(2)和负极环(1)的表面涂覆一层导电层。
10.根据权利要求1所述的一种基于PVC-gel柔性驱动的微泵结构，其特征在于，泵体(4)通过3D打印制成。
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