CN111828440A - 一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器 - Google Patents

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CN111828440A CN202010636517.5A CN202010636517A CN111828440A CN 111828440 A CN111828440 A CN 111828440A CN 202010636517 A CN202010636517 A CN 202010636517A CN 111828440 A CN111828440 A CN 111828440A
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弥胜利
杜志昌
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Abstract

一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器，包括底板层、盖板层、振动膜、磁吸片、电磁铁以及电磁铁支架，底板层上形成有流体腔室，振动膜夹装在底板层和盖板层之间并对流体腔室形成密封，振动膜上附接磁吸片，盖板层上开设有电磁铁安装孔，电磁铁安装在电磁铁安装孔中，电磁铁支架安装在盖板层上，电磁铁由电磁铁支架固定，其中，通过给电磁铁加载周期性脉冲电压信号，电磁铁吸引与振动膜附接在一起的磁吸片振动，进而引起流体腔室中液体体积变化，产生周期性变化的液压。本发明的流体脉冲压力发生器可以简单、可靠地产生中低压流体压力脉冲，压力控制精确、稳定，装置可以实现微型化、低成本。

Description

一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器
技术领域
本发明涉及微流体驱动，特别是涉及一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器。
背景技术
微流控芯片技术因为具有高通量、高度集成、微型化、低成本等特点，广泛用于生物、化学、材料等领域，通过对流体的驱动控制实现样品的制备、反应、分离、检测以及复杂过程模拟和分析等。芯片集成微泵作为驱动流体的动力源，其驱动能力的稳定性与可靠性，结构简单与微型化，易于集成等方面，成为当前该领域研究的热点。
芯片集成微泵根据有无运动部件，分为机械式微泵和非机械式微泵。其中，机械式微泵因为对流体的驱动能力强，驱动过程稳定，不会对流体带来电、热、磁等不良影响，成为当前微泵研究的主流。
机械式微泵主要是通过在泵膜施加周期性压力，引起泵腔内压力变化，从而产生流体单向流动。而使泵膜振动的压力源主要包括压电片驱动、电磁驱动、气体驱动、电致驱动等，但由于驱动过程易受干扰、高驱动能力伴随高电压、气体驱动需要庞杂的外设等，一种稳定、可靠、安全、微型化、易于集成、满足高通量驱动需求的周期性压力源仍是当前微泵集成的需要。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器，以简单、可靠、稳定、准确地实现中低压流体脉冲压力控制。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器，包括底板层(1)、盖板层(2)、振动膜(9)、磁吸片(10)、电磁铁(3)以及电磁铁支架(4)，所述底板层(1)上形成有流体腔室(14)，所述振动膜(9)夹装在所述底板层(1)和所述盖板层(2)之间并对所述流体腔室(14)形成密封，所述振动膜(9)上附接所述磁吸片(10)，所述盖板层(2)上开设有电磁铁安装孔，所述电磁铁安装孔和所述流体腔室(14)由所述振动膜(9)隔离，所述电磁铁(3)安装在所述电磁铁安装孔中，所述电磁铁支架(4)安装在所述盖板层(2)上，所述电磁铁(3)由所述电磁铁支架(4)固定，其中，通过给所述电磁铁(3)加载周期性脉冲电压信号，所述电磁铁(3)吸引与所述振动膜(9)附接在一起的所述磁吸片(10)振动，进而引起所述流体腔室(14)中液体体积变化，产生周期性变化的液压。
进一步地：
所述磁吸片为硅钢片。
所述振动膜为高分子刚性膜。
所述底板层(1)通过双面胶(12)与所述振动膜(9)粘合，所述磁吸片(10)通过双面胶(13)与所述振动膜(9)粘合。
在所述电磁铁(3)的底部与所述振动膜(9)之间设置有多个压缩弹簧(11)，用于促进所述振动膜(9)在向上变形之后复位。
在所述底板层(1)的所述流体腔室(14)内设置有多个的顶台，用于限制所述振动膜(9)向下变形，以保证所述振动膜(9)的振动有一个确定的初始状态。
用螺杆(7)和螺母(8)通过按圆周阵列均布在所述盖板层(2)与所述底板层(1)上的多个通孔(15)将所述盖板层(2)与所述底板层(1)压合在一起。
所述盖板层(2)开设有两个流通孔(21)，所述通孔(21)上安装快速接头(6)，所述快速接头(6)下嵌有橡胶垫圈(20)；所述振动膜(9)上开设有与所述流通孔(21)相对应的孔(18、19)，所述底板层(1)开设有与所述流体腔室(14)连通的两个流道，所述振动膜(9)的孔与所述流道对应连通。
所述电磁铁支架(4)底面中心位置开有圆孔，顶面中心位置开有沉孔(27)，所述沉孔(27)中间为通孔，带螺杆微型轴承(5)固接在所述电磁铁支架(4)的所述沉孔(27)中；所述电磁铁(3)嵌入所述电磁铁支架(4)底部，并具有与所述带螺杆微型轴承(5)上的螺柱(28)配合连接的螺纹孔(25)，其中通过旋转所述带螺杆微型轴承(5)调节所述电磁铁(3)与所述磁吸片(10)的距离。
所述电磁铁支架(4)具有两侧方形沉台，所述电磁铁(3)嵌入两侧方形沉台之间，所述方形沉台开有通孔(26)，所述盖板层(2)具有螺纹孔(22)，用螺杆(7)所述方形沉台的通孔(26)与所述盖板层(2)层的螺纹孔(22)配合，将所述电磁铁支架(4)安装到所述盖板层(2)上。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生装置，可产生周期性变化的流体压力。该流体脉冲压力发生装置通过给电磁铁加载脉冲电压，产生周期性变化的磁场，磁场驱使振动膜上的硅钢片周期性振动，从而在流体腔室中产生周期性变化的流体压力。本发明可以简单、可靠地产生中低压流体压力脉冲，压力控制精确、稳定，装置可以实现微型化、低成本。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
流体脉冲压力发生器产生的压力稳定性高，不易受其他外界因素干扰；
输出的流体脉冲压力波形在中低频范围内不易失真；
输出流体脉冲压力的范围可以根据需要快速调节；
该装置制造成本低，可以微型化；
装置可以低电压工作，使用安全。
附图说明
图1为本发明实施例基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生装置的剖面结构示意图；
图2为图1中底板层、高分子刚性膜和硅钢片的结构示意及组装方式；
图3为图1中盖板层、橡胶垫圈和快速接头的结构及相互配合的示意图；
图4为图1中电磁铁、弹簧、电磁铁支架和带螺杆微型轴承的各自结构及相互配合的示意图；
图5为图2、图3、图4各自初步组装的结构最终组装成一个整体的示意图；
图6为本发明实施例的流体脉冲压力发生器作为动力源驱使流体流动的示意图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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实施例和简化描述，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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参阅图1至图5，本发明的实施例提供一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器，包括底板层1、盖板层2、振动膜9、磁吸片10、电磁铁3以及电磁铁支架4，所述底板层1上形成有流体腔室14，所述振动膜9夹装在所述底板层1和所述盖板层2之间并对所述流体腔室14形成密封，所述振动膜9上附接所述磁吸片10，所述盖板层2上开设有电磁铁安装孔，所述电磁铁安装孔和所述流体腔室14由所述振动膜9隔离，所述电磁铁3安装在所述电磁铁安装孔中，所述电磁铁支架4安装在所述盖板层2上，所述电磁铁3由所述电磁铁支架4固定，其中，通过给所述电磁铁3加载周期性脉冲电压信号，所述电磁铁3吸引与所述振动膜9附接在一起的所述磁吸片10振动，进而引起所述流体腔室14中液体体积变化，产生周期性变化的液压。本发明的实施例中，流体脉冲压力产生原理为：通过给所述电磁铁3加载周期性脉冲电压信号，电磁铁3吸引与振动膜9附接在一起的磁吸片10振动，进而引起所述底板层1的流体腔室14中液体体积变化，产生周期性变化的液压。流体脉冲压力的稳定性和精确性可以通过保证所述底板层1上流体腔室14的流体密封性和控制所述振动膜9的振动来实现。本发明实施例的流体脉冲压力发生器可以简单、可靠地产生中低压流体压力脉冲，压力控制精确、稳定，装置可以实现微型化、低成本。
在典型的实施例中，所述磁吸片10可以为硅钢片或具有适当磁导率的其他材料。所述振动膜9可以为高分子刚性膜。
参阅图1至图5，在一些具体实施例中，一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器主要包括底板层1、盖板层2、振动膜9、磁吸片10、压缩弹簧11、电磁铁3、带螺杆微型轴承5以及电磁铁支架4，各零部件之间通过双面胶、螺纹结构、螺杆7、螺母8、过盈配合等方式连接。
在一些具体实施例中，将底板层1与振动膜9通过0.15mm双面胶12粘合，将磁吸片10通过0.1mm双面胶13与所述振动膜9上表面粘合；用规格为M5的螺杆7和螺母8，将盖板层2层与底板层1通过其上按圆周阵列均布的8个6mm直径的通孔15结构紧紧压合在一起，保证底板层1与振动膜9之间的密封性。然后，所述盖板层2上有两个孔位21，其上半部分是M4螺纹孔，下半部分是直径为5mm的圆形沉孔，在该孔位21上面安装带螺纹的快速接头6，下面嵌入规格为5mm×2.5mm×3mm(外径×内径×高)圆管型橡胶垫圈20；通过快速接头6、橡胶垫圈20以及振动膜9上的2mm圆孔18和19，连通所述流体腔室14；通过快速接头6压紧橡胶垫圈20，保证流体腔室14出、入口的密封性。
在一些具体实施例中，对所述振动膜9振动的控制，一方面，通过底板层1上3个圆周均布的直径为3mm的圆台16限制振动膜9向下变形，保证振动膜9的振动有一个确定的初始状态；另一方面，在电磁铁3上的三个圆形沉孔24处用胶水粘上直径为2mm的压缩弹簧11，确保向上变形的振动膜9快速复位，进而防止较高频率下脉冲压力波形失真。
在一些具体实施例中，将所述带螺杆微型轴承5通过过盈配合或者胶粘的方式，固接在电磁铁支架4的沉孔27处；将电磁铁3嵌入电磁铁支架4，并通过其上规格为M4的螺纹孔25与带螺杆微型轴承5上的螺柱28配合连接；用规格为M5的螺杆7通过电磁铁支架4上直径为5mm的四个通孔26，与盖板层2层的四个螺纹孔22配合，将电磁铁支架4安装到将盖板层2上；最终通过旋转带螺杆微型轴承5，调节电磁铁3与磁吸片10的距离，配合电压控制，实现输出脉冲压力范围的调节。此外，还有其他可以改变输出脉冲压力范围的方法，比如用不同磁导率的材料代替磁吸片10、调节磁吸片10厚度、选用不同型号的电磁铁3等。
在一些具体实施例中，所述底板层1厚度为6mm，其内部的流体腔室14的深度为2-3mm；所述盖板层2厚度为6mm；所述振动膜9厚度为0.05-0.15mm；所述磁吸片的厚度为0.6mm，直径大于或等于电磁铁3的直径。
在不同实施例中，所述底板层1、盖板层2和电磁铁支架4不限于使用各种金属、塑料等具有一定强度和刚度的材料加工，加工方式不限于机床加工、注塑成型等多种方式。所述振动膜9不限于使用具有一定刚度的PET、PVC、PP、PC等高分子塑料膜。所述电磁铁3、快速接头6、螺杆7、螺母8、弹簧11等均可选用标准零部件。
所述流体脉冲压力发生器中给电磁铁3外加的电信号不限于通过波形发生器、模拟电路等多种方式提供；输入的峰值电压范围为0-24V，频率范围为0.1-20Hz，保证所述装置低电压工作。
所述流体脉冲压力发生器不限于应用在机械式微泵驱动、复杂流体压力场模拟等领域。
以下结合附图进一步描述具体实施例。
一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器，如图1所示，包括底板层1、盖板层2、振动膜9、磁吸片10、压缩弹簧11、电磁铁3、带螺杆微型轴承5、电磁铁支架4等。
底板层1和盖板层2通过选择用6mm厚的亚克力板材PMMA加工，振动膜9选择用0.05mm的PET膜，直径均为72mm。如图2所示，底板层1上开有直径为39mm，深度为2mm的圆形凹槽，两端各延伸出一条3mm宽的流道，整个凹槽作为流体腔室14；流体腔室14中间保留了3个在直径为24mm的圆周上均布的圆台16，直径为3mm。如图2所示，振动膜9上开有直径为2mm的圆孔18和19，对应底板层1上流体腔室14流道端点的位置；如图3所示，盖板层2上开有两个孔位21，孔位21中心对应振动膜9上圆孔18和19的圆心；孔位21上半部分是深为3mm的M4螺纹孔，下半部分是直径为5mm、高为3mm的圆形沉孔，在该孔位21上面安装带螺纹的快速接头6，下面嵌入规格为5mm×2.5mm×3mm(外径×内径×高)，圆管型橡胶垫圈20。盖板层2上开有四个规格为M5的螺纹孔22，用于安装电磁铁支架4；如图1、图3所示的盖板层2中间先加工出直径为39mm、深度为2mm的沉孔，然后在沉孔中间开出直径为32mm的通孔。底板层1上开有八个在直径为54mm的圆周上均布的圆形通孔15，通孔直径为6mm；在盖板层2和振动膜9上对应的位置上开有同样规格的通孔。
如图4所示，选择直径为30mm，高为22mm的电磁铁3；电磁铁工作端面有1.5mm深的环形槽，在环形槽上加工出3个均匀分布的、深为0.5mm、直径为2mm的圆形沉孔24；电磁铁非工作端面有规格为M4、深为10mm的螺纹孔；选择3个直径2mm、高3mm、线径0.2mm的压缩弹簧11，并将其安装到电磁铁3上的沉孔24位置，并用胶水固定。选择外径为11mm的带螺杆微型轴承5，其上有长为6mm的M4螺杆28。电磁铁支架4整体尺寸为45mm×25mm×26mm(长×宽×高)，底面中心位置开有直径为30mm，高为18mm的圆孔，顶面中心位置开有直径为11mm、深为6.5mm的沉孔27，沉孔27中间为8mm的通孔；电磁铁支架4四个角处有4个边长为9mm、深为16mm的方形沉台，方形沉台的中心开有直径为5mm的通孔26。
流体脉冲压力发生器分四步来完成组装：首先，如图2所示，将底板层1与振动膜9通过0.15mm双面胶12粘合，将磁吸片10通过0.1mm双面胶13与所述振动膜9上表面粘合，形成半组装品17；其次，如图3所示，将快速接头6和橡胶垫圈20安装到盖板层2对应位置，形成半组装品23；然后，如图4所示，将带螺杆微型轴承5通过过盈配合或者胶粘的方式，固接在电磁铁支架4的沉孔27处，将已经嵌有弹簧的电磁铁3装到电磁铁支架4上，并与带螺杆微型轴承5上的螺柱28配合连接，形成半组装品29；最后，如图5所示，半组装品17、23、29通过规格为M5、长为14mm的螺杆7和规格为M5螺母8组装成为一个整体30。
流体脉冲压力发生器在组装完成后，其周期性压力发生过程概括为：首先，通过两个快速接头6，向流体腔室14中注满液体，比如水；然后堵住两个快速接头6；通过波形发生器产生脉冲电压波形，经过信号放大器放大后，连接到流体脉冲压力发生器的电磁铁3上，最终会在流体腔室14中产生流体脉冲压力。
如图6所示，流体脉冲压力发生器可以作为微泵的动力源，驱使流体流动，具体操作方式为：将流体脉冲压力发生器(图6中未示出)的某一个快速接头6通过流体管31连接到压力加载腔室32；当流体脉冲压力发生器工作时，压力加载腔室32中压力呈周期性变化的流体会引起弹性膜结构33产生周期性振动，引起腔室34中的液体压力呈现周期性变化，进而选择性的开启和关闭单向阀35，产生单向流动36。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种基于电磁铁驱动的流体脉冲压力发生器，其特征在于，包括底板层(1)、盖板层(2)、振动膜(9)、磁吸片(10)、电磁铁(3)以及电磁铁支架(4)，所述底板层(1)上形成有流体腔室(14)，所述振动膜(9)夹装在所述底板层(1)和所述盖板层(2)之间并对所述流体腔室(14)形成密封，所述振动膜(9)上附接所述磁吸片(10)，所述盖板层(2)上开设有电磁铁安装孔，所述电磁铁安装孔和所述流体腔室(14)由所述振动膜(9)隔离，所述电磁铁(3)安装在所述电磁铁安装孔中，所述电磁铁支架(4)安装在所述盖板层(2)上，所述电磁铁(3)由所述电磁铁支架(4)固定，其中，通过给所述电磁铁(3)加载周期性脉冲电压信号，所述电磁铁(3)吸引与所述振动膜(9)附接在一起的所述磁吸片(10)振动，进而引起所述流体腔室(14)中液体体积变化，产生周期性变化的液压。
2.如权利要求1所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，所述磁吸片为硅钢片。
3.如权利要求1或2所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，所述振动膜为高分子刚性膜。
4.如权利要求1至3任一项所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，所述底板层(1)通过双面胶(12)与所述振动膜(9)粘合，所述磁吸片(10)通过双面胶(13)与所述振动膜(9)粘合。
5.如权利要求1至4任一项所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，在所述电磁铁(3)的底部与所述振动膜(9)之间设置有多个压缩弹簧(11)，用于促进所述振动膜(9)在向上变形之后复位。
6.如权利要求1至5任一项所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，在所述底板层(1)的所述流体腔室(14)内设置有多个的顶台，用于限制所述振动膜(9)向下变形，以保证所述振动膜(9)的振动有一个确定的初始状态。
7.如权利要求1至6任一项所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，用螺杆(7)和螺母(8)通过按圆周阵列均布在所述盖板层(2)与所述底板层(1)上的多个通孔(15)将所述盖板层(2)与所述底板层(1)压合在一起。
8.如权利要求1至7任一项所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，所述盖板层(2)开设有两个流通孔(21)，所述通孔(21)上安装快速接头(6)，所述快速接头(6)下嵌有橡胶垫圈(20)；所述振动膜(9)上开设有与所述流通孔(21)相对应的孔(18、19)，所述底板层(1)开设有与所述流体腔室(14)连通的两个流道，所述振动膜(9)的孔与所述流道对应连通。
9.如权利要求1至8任一项所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，所述电磁铁支架(4)底面中心位置开有圆孔，顶面中心位置开有沉孔(27)，所述沉孔(27)中间为通孔，带螺杆微型轴承(5)固接在所述电磁铁支架(4)的所述沉孔(27)中；所述电磁铁(3)嵌入所述电磁铁支架(4)底部，并具有与所述带螺杆微型轴承(5)上的螺柱(28)配合连接的螺纹孔(25)，其中通过旋转所述带螺杆微型轴承(5)调节所述电磁铁(3)与所述磁吸片(10)的距离。
10.如权利要求9所述的流体脉冲压力发生器，其特征在于，所述电磁铁支架(4)具有两侧方形沉台，所述电磁铁(3)嵌入两侧方形沉台之间，所述方形沉台开有通孔(26)，所述盖板层(2)具有螺纹孔(22)，用螺杆(7)所述方形沉台的通孔(26)与所述盖板层(2)层的螺纹孔(22)配合，将所述电磁铁支架(4)安装到所述盖板层(2)上。
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