CN110639075B

CN110639075B - 一种血液输送用压电蠕动泵

Info

Publication number: CN110639075B
Application number: CN201910921058.2A
Authority: CN
Inventors: 罗罕频; 刘海东; 钱超平; 俞迈; 黄子健; 陈松
Original assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Current assignee: Zhejiang Normal University CJNU
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: CN110639075A

Abstract

本发明属于血液输送泵领域，具体涉及一种血液输送用压电蠕动泵。从上到下依次由上盖板、介质腔板、下盖板连接而成；第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子安装在上盖板和介质腔板之间；介质腔板从左至右设有第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔；第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔内均填充有一定压力的流体介质；下盖板上表面设有凹槽，柔性薄膜变形均作用于凹槽内；凹槽两端设有第一缓冲腔和第二缓冲腔，第一缓冲腔和第二缓冲腔连通凹槽和进口和出口。特色与优势：仿照生物组织的软体驱动，压电蠕动泵通过流体介质带动软体薄膜进行蠕动输送，驱动过程柔软温和，避免了血液的破坏；功耗低、结构简单、易集成且无电磁干扰。

Description

一种血液输送用压电蠕动泵

技术领域

本发明属于血液输送泵领域，具体涉及一种血液输送用压电蠕动泵。

背景技术

血液健康是人类健康指标中极为重要的一项，血液输送在医学上有着十分重要的意义。血液的构成复杂、粘度大、血细胞易受损等各类限制因素，所以对血液输送泵结构及性能有很高的要求。蠕动泵具有结构简单、不易堵塞、对血液损伤小、能够双向泵送等优点被广泛的用于血液输送。中国实用新型专利号为CN205339728U的《一种用于血液管路自动传输的蠕动泵装置》，采用双出轴步进电机实现血液的泵送。但是通过电机驱动的蠕动泵，体积大、结构复杂、功耗高且存在电磁干扰，不便/无法用于集成化系统。压电泵具有结构简单、成本低、无电磁干扰等优点，在血液输送应用中有着良好的应用前景。其中无阀压电泵的输出性能低，难以满足血液输送的性能要求；有阀压电泵无法避免刚性驱动(压电振子高速振动进行驱动)对血细胞造成的损坏，同时血液在流经刚性阀片过程中，血液和血细胞之间的相对速度过大，速度梯度产生的剪切力易对血细胞产生破坏。

发明内容：

针对现有压电泵应用于血液输送的问题，本发明提出一种血液输送用压电蠕动泵，以下简称蠕动泵。

本发明采取的技术方案是：上盖板、介质腔板和下盖板从上至下依次连接；所述上盖板和介质腔板之间安装有第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由压电陶瓷晶片和金属基板同心粘接而成，且压电陶瓷晶片的直径小于金属基板的直径；所述介质腔板上表面安装有第一密封圈、第二密封圈和第三密封圈；所述第一密封圈与第一压电振子配套安装；所述第二密封圈与第二压电振子配套安装；所述第三密封圈与第三压电振子配套安装；所述介质腔板从左至右设有第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔；所述介质腔板下表面连接有第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜；所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜均为弹性硅胶膜；所述第一介质腔连通第一压电振子和第一柔性薄膜；所述第一介质腔是由第一压电振子、介质腔板和第一柔性薄膜相连形成的密闭腔体；所述第二介质腔连通第二压电振子和第二柔性薄膜；所述第二介质腔是由第二压电振子、介质腔板和第二柔性薄膜相连形成的密闭腔体；所述第三介质腔连通第三压电振子和第三柔性薄膜；所述第三介质腔是由第三压电振子、介质腔板和第三柔性薄膜相连形成的密闭腔体；所述第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔内均填充有一定压力的流体介质，第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜在流体介质压力作用下保持轻微凸起；需要说明的是，第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜保持轻微凸起，这样既能保证在工作过程中的有效收缩，同时也能弥补流体介质由于温度产生的体积变化；所述下盖板上表面设有凹槽；所述凹槽位于第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔的正下方；所述凹槽的横向截面形状为矩形，如图3所示；所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜的变形均作用于凹槽内；所述凹槽宽度a小于第一柔性薄膜、第二柔性薄膜和第三柔性薄膜的工作直径d；需要说明的是，凹槽宽度a小于柔性薄膜的工作直径d，这样可以让柔性薄膜获得位移放大的效果，即柔性薄膜的位移变形量会大于压电振子的位移变形量；所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜在最大工作变形量时，其顶端能接触到凹槽底部，如图6所示；所述凹槽左端设有第一缓冲腔；所述第一缓冲腔与凹槽连通；所述第一缓冲腔与入口连通；所述凹槽右端设有第二缓冲腔；所述第二缓冲腔与凹槽连通；所述第二缓冲腔下方与出口连通。

在工作过程中，蠕动泵的工作状态可分为初始状态、第一工作状态、第二工作状态。

初始状态：第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子处于不变形状态，第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜在具有一定压力的流体介质作用下均轻微凸起。

第一工作状态：第一压电振子、第三压电振子施加与压电陶瓷晶片极化方向相反的电压，第二压电振子施加与压电陶瓷晶片极化方向相同的电压，第一压电振子、第三压电振子向上弯曲变形，第二压电振子向下弯曲变形，第一介质腔和第三介质腔体积增大、压力减小，第一柔性薄膜、第三柔性薄膜在自身张力以及流体介质运动作用下收缩并向上运动，第二介质腔体积减小、压力增大，第二柔性薄膜在流体介质压力作用下膨胀并向下运动，如图5所示。

第二工作状态：第一压电振子、第三压电振子施加与压电陶瓷晶片极化方向相同的电压，第二压电振子施加与压电陶瓷晶片极化方向相反的电压，第一压电振子、第三压电振子向下弯曲变形，第二压电振子向上弯曲变形，第一介质腔和第三介质腔体积减小、压力增大，第一柔性薄膜、第三柔性薄膜在流体介质压力作用下膨胀并向下运动，第二介质腔体积增大、压力减小，第二柔性薄膜在自身张力以及流体介质运动作用下收缩并向上运动，如图7所示。

所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子分别由三个正弦电压信号驱动，相邻两个正弦电压信号的相位差为π，如图8所示。在交变电压信号的驱动下，第一工作状态、第二工作状态依次重复，进而实现凹槽内的持续蠕动血液输送。

由于在工作过程中是通过流体介质带动柔性薄膜进行收缩和膨胀，一定程度上仿照了生物体器官组织的弹性，在驱动过程柔软温和，可以有效的避免血液破坏。

本项目的特色及优势在于：①通过液体介质带动柔性薄膜，实现软体蠕动血液输送，可以有效的避免血液的破坏；②压电驱动、功耗低、结构简单、易集成且无电磁干扰。

附图说明：

图1是本发明一种较佳实施例中蠕动泵的结构及剖面示意图；

图2是图1中A-A的剖面示意图；

图3是图1中B-B的剖面示意图；

图4是本发明一种较佳实施例中下盖板的俯视图；

图5是本发明一种较佳实施例中的第一工作状态示意图；

图6是图5中C-C的剖面示意图；

图7是本发明一种较佳实施例中的第二工作状态示意图；

图8是本发明一种较佳实施例中的驱动信号示意图；

图标：1-上盖板；21-第一密封圈；22-第二密封圈；23-第三密封圈；300-金属基板；301-压电陶瓷晶片；31-第一压电振子；32-第二压电振子；33-第三压电振子；41-第一柔性薄膜；42-第二柔性薄膜；43-第三柔性薄膜；51-第一介质腔；52-第二介质腔；53-第三介质腔；6-介质腔板；7-第二缓冲腔；8-出口；9-凹槽；10-下盖板；11-第一缓冲腔；12-入口。

具体实施方式：

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚，完整的描述，需要说明的是，术语“中间”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

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。

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

下面将结合图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7和图8对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，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。如图1所示，上盖板1、介质腔板6和下盖板10从上至下依次连接；所述上盖板1和介质腔板6之间安装有第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33；所述第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33均由压电陶瓷晶片301和金属基板300同心粘接而成，且压电陶瓷晶片301的直径小于金属基板300的直径；所述介质腔板6上表面安装有第一密封圈21、第二密封圈22和第三密封圈23；所述第一密封圈21与第一压电振子31配套安装；所述第二密封圈22与第二压电振子32配套安装；所述第三密封圈23与第三压电振子33配套安装；所述介质腔板6从左至右设有第一介质腔51、第二介质腔52、第三介质腔53；所述介质腔板6下表面连接有第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43；所述第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43均为弹性硅胶膜；所述第一介质腔51连通第一压电振子31和第一柔性薄膜41；所述第一介质腔51是由第一压电振子31、介质腔板6和第一柔性薄膜41相连形成的密闭腔体；所述第二介质腔52连通第二压电振子32和第二柔性薄膜42；所述第二介质腔52是由第二压电振子32、介质腔板6和第二柔性薄膜42相连形成的密闭腔体；所述第三介质腔53连通第三压电振子33和第三柔性薄膜43；所述第三介质腔53是由第三压电振子33、介质腔板6和第三柔性薄膜43相连形成的密闭腔体；所述第一介质腔51、第二介质腔52、第三介质腔53内均填充有一定压力的流体介质，第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43在流体介质压力作用下保持轻微凸起；需要说明的是，第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43保持轻微凸起，这样既能保证在工作过程中的有效收缩，同时也能弥补流体介质由于温度产生的体积变化；所述下盖板10上表面设有凹槽9；所述凹槽9位于第一介质腔51、第二介质腔52、第三介质腔53的正下方；所述凹槽9的截面形状为矩形，如图3所示；所述第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43的变形均作用于凹槽9内；所述凹槽9宽度a小于第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42和第三柔性薄膜43的工作直径d；需要说明的是，凹槽9宽度a小于柔性薄膜的工作直径d，这样可以让柔性薄膜获得位移放大的效果，即柔性薄膜的位移变形量会大于压电振子的位移变形量；所述第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43在最大工作变形量时，其顶端能接触到凹槽9底部，如图6所示；所述凹槽9左端设有第一缓冲腔11；所述第一缓冲腔11与凹槽9连通；所述第一缓冲腔11与入口12连通；所述凹槽9右端设有第二缓冲腔7；所述第二缓冲腔7与凹槽9连通；所述第二缓冲腔7下方与出口8连通。

初始状态：第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33处于不变形状态，第一柔性薄膜41、第二柔性薄膜42、第三柔性薄膜43在具有一定压力的流体介质作用下均轻微凸起。

第一工作状态：第一压电振子31、第三压电振子33施加与压电陶瓷晶片301极化方向相反的电压，第二压电振子32施加与压电陶瓷晶片301极化方向相同的电压，第一压电振子31、第三压电振子33向上弯曲变形，第二压电振子32向下弯曲变形，第一介质腔51和第三介质腔53体积增大、压力减小，第一柔性薄膜41、第三柔性薄膜43在自身张力以及流体介质运动作用下收缩并向上运动，第二介质腔52体积减小、压力增大，第二柔性薄膜42在流体介质压力作用下膨胀并向下运动，如图5所示。

第二工作状态：第一压电振子31、第三压电振子33施加与压电陶瓷晶片301极化方向相同的电压，第二压电振子32施加与压电陶瓷晶片301极化方向相反的电压，第一压电振子31、第三压电振子33向下弯曲变形，第二压电振子32向上弯曲变形，第一介质腔51和第三介质腔53体积减小、压力增大，第一柔性薄膜41、第三柔性薄膜43在流体介质压力作用下膨胀并向下运动，第二介质腔52体积增大、压力减小，第二柔性薄膜42在自身张力以及流体介质运动作用下收缩并向上运动，如图7所示。

所述第一压电振子31、第二压电振子32、第三压电振子33分别由三个正弦电压信号驱动，相邻两个正弦电压信号的相位差为π，如图8所示。在三个交变电压信号的驱动下，第一工作状态、第二工作状态依次重复，进而实现凹槽9内的持续蠕动血液输送。

Claims

1.一种血液输送用压电蠕动泵，其特征在于：从上到下依次由上盖板、介质腔板、下盖板连接而成；所述上盖板和介质腔板之间安装有第一压电振子、第二压电振子和第三压电振子；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子均由金属基板和压电陶瓷晶片同心粘接而成；所述介质腔板上表面设有第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈；所述第一密封圈与第一压电振子配套安装；所述第二密封圈与第二压电振子配套安装；所述第三密封圈与第三压电振子配套安装；所述介质腔板从左至右设有第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔；所述介质腔板下表面粘接有第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、和第三柔性薄膜；所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜和第三柔性薄膜均为高弹性薄膜；所述第一介质腔连通第一压电振子和第一柔性薄膜；所述第一介质腔由第一压电振子、介质腔板和第一柔性薄膜相连形成密闭腔体；所述第二介质腔连通第二压电振子和第二柔性薄膜；所述第二介质腔由第二压电振子、介质腔板和第二柔性薄膜相连形成密闭腔体；所述第三介质腔连通第三压电振子和第三柔性薄膜；所述第三介质腔由第三压电振子、介质腔板和第三柔性薄膜相连形成密闭腔体；所述第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔内均填充有流体介质；所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜在流体介质作用下保持膨胀状态；所述下盖板上表面设有凹槽；所述凹槽位于第一介质腔、第二介质腔、第三介质腔的正下方；所述第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜的变形均作用于凹槽内；所述凹槽宽度a小于第一柔性薄膜、第二柔性薄膜、第三柔性薄膜的工作直径d；所述凹槽左端设有第一缓冲腔；所述第一缓冲腔与凹槽连通；所述第一缓冲腔与入口连通；所述凹槽右端设有第二缓冲腔；所述第二缓冲腔与凹槽连通；所述第二缓冲腔与出口连通；所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子分别由三个正弦电压信号驱动，相邻两个正弦电压信号的相位差为π。

2.根据权利要求1所述的血液输送用压电蠕动泵，其特征在于：所述第一压电振子、第二压电振子、第三压电振子的压电陶瓷晶片的直径小于金属基板的直径。