CN111779672B - 一种基于电浸润现象的磁流体微泵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于电浸润现象的磁流体微泵，包括基体、设置在所述基体上的环形通道、对称设置在所述环形通道两侧的进液通道以及出液通道；所述进液通道在所述环形通道其中一侧的切线方向延伸且与所述环形通道连通；所述出液通道在所述环形通道的另一侧切线方向延伸且与所述环形通道连通；其中，所述基体上设有电浸润动力机构；所述电浸润动力机构包括设置在所述环形通道内的磁流体、设置在所述环形通道中心的磁体以及设置在所述磁体与所述环形通道之间的环形阵列电极；所述磁流体与泵送的液体互不相溶。该微泵没有机械结构，设计简单，体积小，质量轻，可以避免了微泵在使用过程中产生机械磨损，从而提高了微泵的使用寿命。

Description

一种基于电浸润现象的磁流体微泵
技术领域
本发明涉及微泵装置领域，具体涉及一种基于电浸润现象的磁流体微泵。
背景技术
微系统技术的发展与进步，对社会和生活的许多领域都产生了深刻的影响；随着纳米技术、微加工技术、材料技术的速猛发展，微系统技术在MEMS、血管机器人、化学分析、医疗和芯片实验室等领域的应用潜力也越来越明显，而微泵的结构创新和技术的发展也成为了近年来一个重要的研究方向。微泵是微电子机械系统(MEMS)的一个重要执行器件，微泵的结构与性能对整个系统的运行有决定性作用，是微流体输送的动力源，可以精确控制和驱动为管道内流体的流动和流量。
目前，市场上的微泵类型多样，其驱动控制技术包括光、电、磁、热等，其中压电驱动的微泵最为广泛。压电微泵是基于晶体的压电特性来驱动薄膜振动，在交变电流的作用下，由压电材料做成的振子会反复的振动，从而使压电泵泵腔体容积发生周期变化，从而实现流体的输送。由于压电泵还是存在压电振子、悬臂梁等结构，所以压电泵的使用寿命并不高。而且由于压电泵的结构比较复杂，想进一步将压电泵体积缩小在微米尺度甚至微米尺度以下还是很困难。而在类似于MEMS、航天航空、医疗、化学分析、血管机器人和芯片实验室等领域都对压电泵的使用寿命、可靠性以及压电泵的体积都有很高的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述存在的问题，提供一种基于电浸润现象的磁流体微泵，该微泵没有机械结构，设计简单，体积小，质量轻，可以避免了微泵在使用过程中产生机械磨损，从而提高了微泵的使用寿命。
本发明的目的通过以下技术方案实现：
一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，包括基体、设置在所述基体上的环形通道、对称设置在所述环形通道两侧的进液通道以及出液通道；所述进液通道在所述环形通道其中一侧的切线方向延伸且与所述环形通道连通；所述出液通道在所述环形通道的另一侧切线方向延伸且与所述环形通道连通；其中，
所述基体上设有将所述进液通道中的液体沿着所述环形通道泵送至所述出液通道的电浸润动力机构；其中，所述电浸润动力机构包括设置在所述环形通道内的磁流体、设置在所述环形通道中心的磁体以及设置在所述磁体与所述环形通道之间的用于驱动所述磁流体在所述环形通道内运动的环形阵列电极；所述磁流体与泵送的液体互不相溶。
上述一种基于电浸润现象的磁流体微泵的工作原理是：
工作时，首先将磁流体注入环形通道中，然后在外部静水压力作用下使环形通道中充满泵送的液体；此时，在环形阵列电极上与磁流体对应的位置的两端接通外置直流电源，其中，在磁流体沿着环形通道进行圆周运动的方向上，位于前方一端的环形阵列电极接通外置直流电源的正极，位于后方一端的环形阵列电极接通外置直流电源的负极，使得磁流体发生电浸润现象(即通过改变环形阵列电极与磁流体之间的电势，进而改变环形通道与磁流体接触面的表面能，最终改变两者之间接触角的现象)，使得磁流体从环形阵列电极的负极向正极沿着环形通道做圆周运动，通过不断切换环形阵列电极在与磁流体对应位置上的外置电源正、负极；实现磁流体在流体通道上的循环圆周运动；在磁流体的循环运动下，推动环形通道内的泵送液体运动，实现了泵送的液体从进液通道进入环形通道，在磁流体的推动下，使得液体沿着环形通道运动，最后向出液通道流出，最终实现液体的泵送功能。在环形通道中心的磁体产生的磁场对磁流体有着吸引作用，防止磁流体在运动的过程中从进液通道或者出液通道流出，保证了磁流体可以一直保持在环形通道中运动。
本发明一个优选方案，其中，所述基体由位于下方基板与位于上方顶板构成；所述环形通道、所述进液通道以及所述出液通道均设置在所述基板上。所述基板与所述顶板通过螺栓连接。采用上述结构，有利于对环形通道、进液通道以及出液通道的加工，同时也有利于对其内部进行检修与保养，提高微泵的使用寿命。
优选地，所述基板与所述顶板之间还设有用于密封的密封板。其作用在于，通过设置密封板，保证基板与顶板之间的密封性，从而保证了环形通道、进液通道以及出液通道的密封性。
本发明的一个优选方案，其中，所述基板上设有环形槽，所述环形阵列电极镶嵌在所述环形槽中。通过设置环形槽，便于环形阵列电极的安装，也保证了环形阵列电极与磁流体之间的绝缘性。
优选地，所述基板上在所述环形槽中心位置上设有用于安装所述磁体的圆形槽，所述磁体与所述圆形槽同心且所述磁体的直径小于所述圆形槽。通过设置圆形槽，有利于磁体的安装；另外，所述磁体的直径小于所述圆形槽可以保证磁体周围磁场更加稳定。
本发明的一个优选方案，其中，所述进液通道与所述出液通道上分别设有锥形流道，所述锥形流道宽度沿着泵送液体流动的方向逐渐增大。由于锥形流道的宽度沿着泵送液体流动的方向逐渐增大；在锥形流道上，液体从锥形流道宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；液体从锥形流道宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；因此，在宏观上驱动了泵送的液体从进液通道向出液通道的方向流动。另外，通过设置锥形流道，使得结构简单，不会产生机械磨损，有利于提高微泵的使用寿命。
进一步地，所述锥形流道的角度为53°，其好处在于，通过将锥形流道的角度设置成53°，可以更好将泵送的液体形成单向流动效果，进而提高液体的泵送效率。
优选地，所述基板上设有用于添加或者更换所述磁流体的换液孔以及与所述换液孔配合的换液盖；所述换液孔与所述环形通道连通。当需要对环形通道注入磁流体时，可以通过打开换液盖从换液孔中注入磁流体；需要更换磁流体时，可以从换液孔中将磁流体排出；因此，通过设计上述结构，更加方便对磁流体补充和更换。
进一步地，所述换液孔设置在所述进液通道以及所述出液通道的相对方向的中线位置上。采用上述设计，一方面有利于对磁流体的添加或者更换，另一方面也使得结构设计更加紧凑。
优选地，所述环形阵列电极由四个电极圆周阵列组成；每个电极之间互不接触。通过对环形通道内的磁流体对应位置的两个电极接通直流电源分别接通直流电源的正极与负极，磁流体发生电浸润现象，在环形流道中沿着接通直流电源正极的电极做圆周运动，随着磁流体不断运动，不断切换磁流体对应位置的两个电极的直流电源正负极，实现磁流体的循环圆周运动，进而推动环形通道内泵送液体的运动，实现了泵送功能。
优选地，所述进液通道、所述出液通道、所述环形通道以及所述锥形流道的横截面为矩形。通过上述设计，有利于对基板的加工，从而减少制造成本。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明中，通过环形阵列电极驱动磁流体在环形通道内做圆周运动，从而推动的环形通道内泵送液体的运动，进而实现了泵送的液体从进液通道经过环形通道的内磁流体的推动，向出液通道流出，最终实现了液体的泵送功能，该微泵没有机械结构、设计简单，工作过程中不会造成各个部件的磨损，有效防止了部件的损坏，从而提高了微泵的使用寿命，可靠性强。
2、在本发明中，由于没有复杂的机械结构，制造过程简单，可以进一步缩小微泵体积，使得质量更轻，适用范围更广，可在微米量级的特征尺寸下工作，可以应用在一些对微泵体积要求较高的领域，例如MEMS、航天航空、医疗、化学分析、血管机器人和芯片实验室等领域。
3、本发明中，通过在环形通道中心设置磁体，磁体产生的磁场对磁流体有着吸引作用，防止磁流体在运动的过程中从进液通道或者出液通道流出，保证了磁流体可以一直保持在环形通道中运动。
附图说明
图1-图3为本发明中的一种基于电浸润现象的磁流体微泵的一种具体实施方式的结构示意图，其中，图1为立体图，图2为爆炸图，图3为右视图。
图4为图3中沿着A-A方向的剖视图。
图5为本发明中的基板的立体结构示意图。
图6为图4中B处的局部放大图。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员很好地理解本发明的技术方案，下面结合实施例和附图对本发明作进一步描述，但本发明的实施方式不仅限于此。
参见图1-图5，本实施例中的一种基于电浸润现象的磁流体微泵，包括基体1、设置在所述基体1上的环形通道2、对称设置在所述环形通道2两侧的进液通道3以及出液通道4；所述进液通道3在所述环形通道2其中一侧的切线方向延伸且与所述环形通道2连通；所述出液通道4在所述环形通道2的另一侧切线方向延伸且与所述环形通道2连通；其中，所述基体1由位于下方基板1-1与位于上方顶板1-2构成；所述环形通道2、所述进液通道3以及所述出液通道4均设置在所述基板1-1上。所述基板1-1与所述顶板1-2通过螺栓连接。采用上述结构，有利于对环形通道2、进液通道3以及出液通道4的加工，同时也有利于对其内部进行检修与保养，提高微泵的使用寿命。
参见图1-图5，所述基板1-1与所述顶板1-2之间还设有用于密封的密封板1-3。其作用在于，通过设置密封板1-3，保证基板1-1与顶板1-2之间的密封性，从而保证了环形通道2、进液通道3以及出液通道4的密封性。
参见图1-图5，所述基体1上设有将所述进液通道3中的液体沿着所述环形通道2泵送至所述出液通道4的电浸润动力机构5；其中，所述电浸润动力机构5包括设置在所述环形通道2内的磁流体5-1、设置在所述环形通道2中心的磁体5-2以及设置在所述磁体5-2与所述环形通道2之间的用于驱动所述磁流体5-1在所述环形通道2内运动的环形阵列电极5-3；所述磁流体5-1与泵送的液体互不相溶。
参见图1-图5，所述基板1-1上设有环形槽1-11，所述环形阵列电极5-3镶嵌在所述环形槽1-11中。通过设置环形槽1-11，便于环形阵列电极5-3的安装，也保证了环形阵列电极5-3与磁流体5-1之间的绝缘性。
参见图4-图6，所述环形阵列电极5-3由四个电极5-31圆周阵列组成；每个电极5-31之间互不接触。通过对环形通道2内的磁流体5-1对应位置的两个电极5-31接通直流电源分别接通直流电源的正极与负极，磁流体5-1发生电浸润现象，在环形流道中沿着接通直流电源正极的电极5-31做圆周运动，随着磁流体5-1不断运动，不断切换磁流体5-1对应位置的两个电极5-31的且流电源正负极，实现磁流体5-1的循环圆周运动，进而推动环形通道2内泵送液体的运动，实现了泵送功能。
参见图1-图5，所述基板1-1上在所述环形槽1-11中心位置上设有用于安装所述磁体5-2的圆形槽1-12，所述磁体5-2与所述圆形槽1-12同心且所述磁体5-2的直径小于所述圆形槽1-12。通过设置圆形槽1-12，有利于磁体5-2的安装；另外，所述磁体5-2的直径小于所述圆形槽1-12可以保证磁体5-2周围磁场更加稳定。
参见图1-图5，所述进液通道3与所述出液通道4上分别设有锥形流道6，所述锥形流道6宽度沿着泵送液体流动的方向逐渐增大。由于锥形流道6的宽度沿着泵送液体流动的方向逐渐增大；在锥形流道6上，液体从锥形流道6宽度小向宽度大的方向流动时，流阻较小；液体从锥形流道6宽度大向宽度小的方向流动时，流阻较大；因此，在宏观上驱动了泵送的液体从进液通道3向出液通道4的方向流动。另外，通过设置锥形流道6，使得结构简单，不会产生机械磨损，有利于提高微泵的使用寿命。
参见图1-图5，所述锥形流道6的角度为53°，该角度为锥形流道的锥形面的夹角；其好处在于，通过将锥形流道6的角度设置成53°，可以更好将泵送的液体形成单向流动效果，进而提高液体的泵送效率。
参见图1-图5，所述基板1-1上设有用于添加或者更换所述磁流体5-1的换液孔7以及与所述换液孔7配合的换液盖8；所述换液孔7与所述环形通道2连通。当需要对环形通道2注入磁流体5-1时，可以通过打开换液盖8从换液孔7中注入磁流体5-1；需要更换磁流体5-1时，可以从换液孔7中将磁流体5-1排出；因此，通过设计上述结构，更加方便对磁流体5-1补充和更换。
参见图1-图5，所述换液孔7设置在所述进液通道3以及所述出液通道4的相对方向的中线位置上。采用上述设计，一方面有利于对磁流体5-1的添加或者更换，另一方面也使得结构设计更加紧凑。
参见图1-图5，所述进液通道3、所述出液通道4、所述环形通道2以及所述锥形流道6的横截面为矩形。通过上述设计，有利于对基板1-1的加工，从而减少制造成本。
参见图1-图5，上述一种基于电浸润现象的磁流体微泵的工作原理是：
工作时，首先将磁流体5-1注入环形通道2中，然后在外部静水压力作用下使环形通道2中充满泵送的液体；此时，在环形阵列电极5-3上与磁流体5-1对应的位置的两端接通外置直流电源，其中，在磁流体5-1沿着环形通道2进行圆周运动的方向上，位于前方一端的环形阵列电极5-3接通外置直流电源的正极，位于后方一端的环形阵列电极5-3接通外置直流电源的负极，使得磁流体5-1发生电浸润现象(即通过改变环形阵列电极5-3与磁流体5-1之间的电势，进而改变环形通道2与磁流体5-1接触面的表面能，最终改变两者之间接触角的现象)，使得磁流体5-1从环形阵列电极5-3的负极向正极沿着环形通道2做圆周运动，通过不断切换环形阵列电极5-3在与磁流体5-1对应位置上的外置电源正、负极；实现磁流体5-1在流体通道上的循环圆周运动；在磁流体5-1的循环运动下，推动环形通道2内的泵送液体运动，实现了泵送的液体从进液通道3进入环形通道2，在磁流体5-1的推动下，使得液体沿着环形通道2运动，最后向出液通道4流出，最终实现液体的泵送功能。在环形通道2中心的磁体5-2产生的磁场对磁流体5-1有着吸引作用，防止磁流体5-1在运动的过程中从进液通道3或者出液通道4流出，保证了磁流体5-1可以一直保持在环形通道2中运动。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，包括基体、设置在所述基体上的环形通道、对称设置在所述环形通道两侧的进液通道以及出液通道；所述进液通道在所述环形通道其中一侧的切线方向延伸且与所述环形通道连通；所述出液通道在所述环形通道的另一侧切线方向延伸且与所述环形通道连通；其中，
所述基体上设有将所述进液通道中的液体沿着所述环形通道泵送至所述出液通道的电浸润动力机构；其中，所述电浸润动力机构包括设置在所述环形通道内的磁流体、设置在所述环形通道中心的磁体以及设置在所述磁体与所述环形通道之间的用于驱动所述磁流体在所述环形通道内运动的环形阵列电极；所述磁流体与泵送的液体互不相溶；
所述基体由位于下方基板与位于上方顶板构成；所述环形通道、所述进液通道以及所述出液通道均设置在所述基板上；所述基板与所述顶板通过螺栓连接；
所述基板上设有环形槽，所述环形阵列电极镶嵌在所述环形槽中；所述基板上在所述环形槽中心位置上设有用于安装所述磁体的圆形槽，所述磁体与所述圆形槽同心且所述磁体的直径小于所述圆形槽；
在环形阵列电极上与磁流体对应的位置的两端接通外置直流电源，在磁流体沿着环形通道进行圆周运动的方向上，位于前方一端的环形阵列电极接通外置直流电源的正极，位于后方一端的环形阵列电极接通外置直流电源的负极，使得磁流体发生电浸润现象，使得磁流体从环形阵列电极的负极向正极沿着环形通道做圆周运动，通过不断切换环形阵列电极在与磁流体对应的位置的两端的外置直流电源正、负极；实现磁流体在流体通道上的循环圆周运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，所述基板与所述顶板之间还设有用于密封的密封板。
3.根据权利要求1所述的一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，所述进液通道与所述出液通道上分别设有锥形流道，所述锥形流道宽度沿着泵送液体流动的方向逐渐增大。
4.根据权利要求3所述的一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，所述锥形流道的角度为53°。
5.根据权利要求3所述的一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，所述基板上设有用于添加或者更换所述磁流体的换液孔以及与所述换液孔配合的换液盖；所述换液孔与所述环形通道连通。
6.根据权利要求1所述的一种基于电浸润现象的磁流体微泵，其特征在于，所述环形阵列电极由四个电极圆周阵列组成；每个电极之间互不接触。
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微量磁流体的动态驱动研究;第08期;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 基础科学辑》;20190815(第08期);第A006-221页 *
有限长环形管道中的磁流体流动;荣陞;《力学学报》;19791231(第04期);第385-389页 *

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