CN113007076B - 一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，通过调节外加电流控制工作磁场，使以磁流变弹性体为主要材料的隔膜在变向磁场吸引下发生反复弯曲变形运动，从而改变工作腔容积，形成内外压差，实现液体的吸入和排出。与大部分现有电磁隔膜泵技术相比，本公开将传动杆‑隔膜组合机构在脉冲磁场与复位弹簧作用下的往复运动直接简化为磁控隔膜在变向磁场下的反复弯曲变形运动，结构简单紧凑、空间占用小。且往复行程可根据隔膜限制板定量调整，磁场变换频率可远程编程调控，计量精度高。

Description

一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵
技术领域
本公开涉及往复泵领域，尤其涉及一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵。
背景技术
相较于离心泵而言，往复泵的专业性更强，适应介质更为广泛。在实验室内定量提取药液这样流量较小、精度要求高的场合，以计量泵为代表的往复泵逐渐代替手工进行物料配比，能实现远距离自动控制下连续操作，提高实验质量，降低加工成本，改善实验条件。常见的计量泵根据与输送介质接触的工件分为柱塞式计量泵与隔膜式计量泵，根据驱动方式又能分成电机驱动、电磁驱动等。
CN111089045A公开了一种利用电磁线圈驱动吸铁-连杆-隔膜结构在泵头内往复运动的技术方案，其往复运动引起泵头内腔体和压力变化从而实现定量的液体吸入与排出。现有技术为满足所设计的连接杆的运动需求，在运动方向上必须占据更多空间；计量泵的常用调节方式为调节行程长度与调节往复运动速度。调节往复运动速度能直观改变流量大小，调节行程长度在改变流量大小的同时也将改变计量泵计量精度。现有技术针对行程长度的调节是通过限制吸铁的移动位置来实现的，为保证装置运行更为稳定，现有技术通过手动调节压紧螺母和行程限位套等结构限制吸铁的移动位置，但相应的，该技术在泵的计量精度上将有所下降。
发明内容
本发明采用了磁流变弹性体(Magnetorheological elastomer:MRE)代替传统耐油橡胶作为隔膜主体，磁流变弹性体同时具备其橡胶基体的基础弹性性能与内部均布的铁粉颗粒的软磁性，自身就能够被周围产生的磁场吸引，产生可逆的较大变形。与大部分现有电磁隔膜泵技术相比，本发明将传动杆-隔膜组合机构在脉冲磁场与复位弹簧作用下的往复运动直接简化为磁控隔膜在变向磁场下的反复弯曲变形运动，结构简单紧凑、空间占用小。且往复行程可根据隔膜限制板定量调整，磁场变换频率可远程编程调控，计量精度高。
为了解决上述技术问题中的至少一个，本公开提供了一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜泵。
根据本公开的一个方面，一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，包括第一缸体、第二缸体、限制板和隔膜；
所述第一缸体内腔被第一隔板分为第一电磁腔和第一腔体；
所述第二缸体内腔被第二隔板分为第二电磁腔和第二腔体，；所述第一缸体与所述第二缸体固定连接，所述第一缸体与所述第二缸体相抵接的端面，至少一个端面内侧设置阶梯槽；
所述隔膜至少一侧设置限制板，该限制板周向边缘上下两侧为平面且其中一侧与所述隔膜邻接，所述隔膜和所述限制板的周向边缘嵌设在阶梯槽中，并且所述隔膜和所述限制板通过所述第一缸体和所述第二缸体的连接被夹紧，所述隔膜与第一腔体配合形成工作腔；
所述隔膜为磁致变形膜；以及
所述第一电磁腔和所述第二电磁腔均容置有电磁铁。
根据本公开的至少一个实施方式，所述限制板靠近所述隔膜的一侧设置曲面凹槽，用于限制所述隔膜的行程；
所述限制板上设置至少一个通孔。
根据本公开的至少一个实施方式，所述限制板为两个，两个所述限制板分别配置在所述隔膜的两侧，用于限制所述隔膜的往复行程。
根据本公开的至少一个实施方式，所述曲面凹槽为球面凹槽。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括进液管和排液管；
所述进液管和所述排液管分别与工作腔连通；以及
所述进液管和所述排液管上还设置有单向阀，用于控制液体进出工作腔。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第二隔板上设置至少一个通孔。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括端盖；
所述第一电磁腔和所述第二电磁腔的开口端面上分别可拆卸地设置所述端盖，所述端盖上设置至少一个通孔。
根据本公开的至少一个实施方式，所述隔膜由磁流变弹性体和聚四氟乙烯膜复合而成，其中，
所述聚四氟乙烯膜设置于靠近所述第一隔板一侧。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一缸体、所述第二缸体、及其二者的内腔垂直于轴向的截面均为圆形，所述第一缸体和所述第二缸体通过各自的法兰盘固定连接在一起。
根据本公开的至少一个实施方式，还包括弹性密封圈，
所述第一缸体的阶梯槽的底面上还设置密封槽，所述弹性密封圈设置在所述密封槽中，用于密封工作腔。
根据本公开的至少一个实施方式，所述第一缸体、所述第二缸体以及端盖的材料为合成树脂。
附图说明
附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。
图1是根据本公开的实施方式的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵结构的示意图。
图2是图1的A-A剖面结构示意图。
附图标记：1-第一铁芯；2-第一端盖；3-第一线圈；4-第一缸体，5-排液管；6-第一限制板；7-隔膜；8-第二限制板；9-第二缸体；10-第二端盖；11-第二线圈；12-第二铁芯；13-螺钉；14-进液管；15-第一隔板；16-第二隔板；17-O型密封圈。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定，本公开除隔膜外的零件材质可以根据输送介质选用适宜材料。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本公开。
磁流变弹性体是一种在粘弹性基体中混合微米级软磁性颗粒的智能材料，内部颗粒在制备过程中可被预结构化，在某一方向上呈链。同时兼具基体的超弹性与铁磁颗粒带来的磁控特性，具有很高的工程应用价值。
本公开采用了磁流变弹性体代替传统耐油橡胶作为隔膜主体。磁流变弹性体同时具备其橡胶基体的基础弹性性能与内部均布的铁粉颗粒的软磁性，自身就能够被周围产生的磁场吸引，产生可逆的较大变形。
本公开使电磁隔膜泵结构变得更为简单。MRE的引入，可将大部分现有电磁隔膜泵技术中传动杆-隔膜组合机构在脉冲磁场与复位弹簧作用下的往复运动直接简化为磁控隔膜在变向磁场下的反复弯曲变形运动。
本公开电磁隔膜计量泵的计量精度更高。计量泵的常用调节方式为调节行程长度与调节往复运动速度。调节往复运动速度能直观改变流量大小，调节行程长度在改变流量大小的同时也将改变计量泵计量精度。现有技术针对行程长度的调节是通过限制吸铁的移动位置来实现的，也就是依靠压紧螺母和行程限位套的手动装配。这使得计量泵的计量精度有所下降。而本发明中行程长度是通过成型限制板来定量控制的，计量精度更高。
本公开电磁隔膜泵计量的核心工作元件结构更为简单，便于更换与修理。
根据本公开的第一实施方式，如图1-2所示，提供了一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，包括第一缸体4、第二缸体9、限制板和隔膜7，第一缸体4的内腔中设置第一隔板15，第一隔板15将第一缸体4的内腔分成两部分，包括第一电磁腔(用于放置第一线圈3和第一铁芯1的腔体)和第一腔体(与第二缸体9的第二腔体形成工作腔)。第二缸体9的内腔中设置第二隔板16，第一隔板16将第二缸体9的内腔分成两部分，包括第二电磁腔(用于放置第二线圈11和第二铁芯12的腔体)和第二腔体(为工作腔预留工作空间)。第一缸体4与第二缸体9固定连接在一起；第一缸体4与第二缸体9相抵接的端面，至少一个端面的内侧(内腔一侧)设置阶梯槽，用于放置并固定限制板和隔膜7，阶梯槽可设置在第一缸体4的端面上，也可设置在第二缸体9的端面上，可选地，第一缸体4与第二缸体9相抵接的端面上均设置阶梯槽，两者相互配合用于放置并通过第一缸体4与第二缸体9之间的连接压紧并固定限制板和隔膜7；还可选地，在第一缸体4上的阶梯槽的底面上还开设有密封槽，密封槽用于设置弹性密封圈17，通过第二缸体9和第一缸体4固定连接后，挤压限制板从而挤压O型密封圈17变形使得工作腔密闭。优选地，第一隔板15与第一缸体4为一体成型的结构，使得工作腔良好密封，并且便于生产加工；第二隔板16与第二缸体9也为一体成型的结构，便于生产加工。
隔膜7与第一腔体配合形成工作腔(也即隔膜7与第一隔板15之间的空间)，隔膜7配置在第一腔体与第二腔体中部，所述的中部并非绝对的第一隔板15和第二隔板16之间的间距的中心位置，根据实际需要可以稍微偏离中心，隔膜7与限制板周向边缘嵌设在阶梯槽中，并且隔膜7通过第一缸体4和第二缸体9的连接施加压力从而被夹紧并固定在阶梯槽中。隔膜7为磁致变形膜，也即通过施加磁场，使得隔膜7可以发生可逆的形变，从而改变工作腔(隔膜7与第一隔板15之间的腔体)的容积增大或减小，在压力差的作用下，液体吸入或排出工作腔。在第一电磁腔和第二电磁腔内均设置有电磁铁，电磁铁由线圈和铁芯组成，第一线圈3和第二线圈11的材料均为纯铜漆包线，第一铁芯1和第二铁芯12的材料为电工纯铁DT4，能保证通电后磁场生成迅速且断电后磁场残留小。第一线圈3和第二线圈11与外部控制电路电连接，可选地，在第一缸体4和第二缸体9内壁上均设置有与外部控制电路相连通的电连接点。可选地，第一铁芯1和第二铁芯12通过缸体内腔隔板(第一隔板15、第二隔板16)凸起卡紧，第一线圈3和第二线圈11以缸体内腔隔板(第一隔板15、第二隔板16)凸起为骨架，在第一缸体4和第二缸体9内壁上均设置有与外部控制电路相连通的电连接点，电磁铁通过该连接点与外部控制电路联通。
进一步地，隔膜7的至少一侧设置限制板，限制板周向边缘上下两侧为平面且其中一侧与隔膜邻接，其作用是限制隔膜7的行程，可选地，隔膜7的两侧均设置限制板，包括第一限制板6和第二限制板8，两个限制板的周向边缘(平面部分)部分夹持住隔膜7的周向边缘，两个限制板及隔膜7的周向边缘嵌设在阶梯槽中并一同被夹紧形成密封(工作腔的密封)，两个限制板朝向隔膜7的一侧均设置有曲面凹槽，可选地为球面凹槽，用于限制隔膜7两侧的往复行程，两个限制板远离隔膜7的一侧可以为平面，第一限制板6和第二限制板8均设置有至少一个通孔，可选地为多个均匀分布地通孔，还可选地为10-40个通孔，还可选地为25个通孔。两个限制板可以为铝合金冲压件，针对不同输送介质可选用不同的材料，可选地可以有多个不同规格(不同曲面凹槽尺寸)的限制板可进行更换，不同规格的限制板对应泵不同的单次往复行程长度，直接影响计量泵的计量精度。
进一步地，还包括进液管14和排液管5，隔膜7与第一隔板15之间的工作腔仅通过进液管14及其单向阀、排液管5及其单向阀与外界管路沟通或闭合，单向阀用于控制液体进出工作腔。
根据本公开的至少一个实施方式，在第一电磁腔和第二电磁腔的开口端面上分别设置端盖，包括第一端盖2和第二端盖10，两个端盖上均设置一个或多个通孔，使得第一电磁腔和第二电磁腔中的空气为常压空气。第二隔板上设置至少一个通孔，可选地为多个通孔，第二腔体通过通孔与第二电磁腔连通，而第二电磁腔与大气连通，也就是第二电磁腔以及第二腔体中的介质始终为常压空气，第一电磁腔介质也始终为常压空气。第一端盖2和第二端盖10通过外螺纹旋入第一电磁腔和第二电磁腔的开口处，端盖可拆卸便于电磁铁的安装与维修更换。
可选地，隔膜7为复合膜，由磁流变弹性体和聚四氟乙烯膜复合而成，可选地，磁流变弹性体和聚四氟乙烯膜可以粘接复合，其中磁流变弹性体一侧朝向第二隔板16；聚四氟乙烯膜设置为朝向第一隔板15一侧，与所运输的介质接触，使用寿命更长。隔膜7还可采用其他满足工作要求的磁致变形材料制作而成。进液管14及其单向阀与排液管5及其单向阀材料为聚氯乙烯。
进一步地，第一缸体4、第二缸体9、及其二者的内腔垂直于轴向的截面均为圆形，第一缸体4的第二缸体9相抵接的端面上设置法兰盘，二者通过法兰盘固定连接，其中一个法兰盘设置沉头螺孔，另一个法兰盘设置盲孔的螺孔，使用螺钉13将法兰盘固定连接，其中螺钉13为304薄头螺钉。还可选地，根据实际需要，第一缸体4、第二缸体9、及其二者的内腔垂直于轴向的截面可以为矩形、正方形及其它正多边形等。
可选地，第一缸体4、第二缸体9以及端盖(第一端盖2、第二端盖10)的材料为合成树脂，既能满足小流量计量泵工作强度要求，又不影响第一电磁腔与第二电磁腔内的磁场生成，满足隔膜7的形变需求，确保计量的精确性。
本公开提供的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵的工作过程为：
外部控制电路进行控制，基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵第一线圈3先通电，第二线圈11断电，此时MRE/聚四氟乙烯粘结复合膜被第一线圈3所产生的电磁吸力吸引，此电磁吸力大于隔膜所受阻力，隔膜向下变形，工作腔容积减小，压强增大，在压力差的作用下，进液管14及其单向阀闭合，排液管5及其单向阀打开，将工作腔内气体排出。
随后，第一线圈3断电，第二线圈11通电，此时MRE/聚四氟乙烯粘结复合膜受自身弹性作用与第二线圈11所产生的电磁力吸引，此弹力与电磁力之和大于隔膜7所受阻力，隔膜8向上变形，工作腔容积增大，压强减小，在压力差的作用下，进液管14及其单向阀打开，排液管5及其单向阀闭合，液体吸入工作腔。
第一线圈3通电，第二线圈11断电，液体排出工作腔；第一线圈3断电，第二线圈11通电，液体吸入工作腔；在外部电路的控制下上下加磁线圈交替工作，使隔膜7上下往复变形，改变工作腔的内容积，这就是液体吸入排出的工作原理。
由此可知，基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵流量调节是通过控制电路改变第一线圈3和第二线圈11之间的断通电频率，从而调节液体流量的。而第一限制板6和第二限制板8上的曲面凹槽则限制隔膜7的变形程度，即一组固定的限制板对应着一定量的单次往复行程，单次往复运动所能运输的液体量即可看作是隔膜泵吸入排出的最小量，即隔膜泵的计量分度值。本装置可以通过第一缸体4和第二缸体9的拆分更换不同规格的一组限制板，从而更改分度值。因此相比于现有技术，限制板限制隔膜7的行程，计量精度更高。基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵核心工作元件结构简单，无复杂的传动机构，因此便于更换和修理。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。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/方式或示例。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/方式或示例中以合适的方式结合。此外，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/方式或示例以及不同实施例/方式或示例的特征进行结合和组合。
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至少一个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，包括第一缸体、第二缸体、限制板和隔膜；
所述第一缸体内腔被第一隔板分为第一电磁腔和第一腔体；
所述第二缸体内腔被第二隔板分为第二电磁腔和第二腔体；所述第一缸体与所述第二缸体固定连接，所述第一缸体与所述第二缸体相抵接的端面，至少一个端面内侧设置阶梯槽；
所述隔膜至少一侧设置限制板，该限制板周向边缘上下两侧为平面且其中一侧与所述隔膜邻接，所述隔膜和所述限制板的周向边缘嵌设在阶梯槽中，并且所述隔膜和所述限制板通过所述第一缸体和所述第二缸体的连接被夹紧，所述隔膜与第一腔体配合形成工作腔；
所述隔膜为磁致变形膜,所述隔膜由磁流变弹性体和聚四氟乙烯膜复合而成；以及
所述第一电磁腔和所述第二电磁腔均容置有电磁铁。
2.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，所述聚四氟乙烯膜设置于靠近所述第一隔板一侧。
3.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，所述限制板靠近所述隔膜的一侧设置曲面凹槽，用于限制所述隔膜的行程；
所述限制板上设置至少一个通孔。
4.如权利要求3所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，所述限制板为两个，两个所述限制板分别配置在所述隔膜的两侧，用于限制所述隔膜的往复行程。
5.如权利要求4所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，所述曲面凹槽为球面凹槽。
6.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，还包括进液管和排液管；
所述进液管和所述排液管分别与工作腔连通；以及
所述进液管和所述排液管上还设置有单向阀，用于控制液体进出工作腔。
7.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，所述第二隔板上设置至少一个通孔。
8.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，还包括端盖；
所述第一电磁腔和所述第二电磁腔的开口端面上分别可拆卸地设置所述端盖，所述端盖上设置至少一个通孔。
9.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，所述第一缸体、所述第二缸体、及其二者的内腔垂直于轴向的截面均为圆形，所述第一缸体和所述第二缸体通过各自的法兰盘固定连接在一起。
10.如权利要求1所述的基于磁流变弹性体的电磁隔膜计量泵，其特征在于，还包括弹性密封圈，
所述第一缸体的阶梯槽的底面上还设置密封槽，所述弹性密封圈设置在所述密封槽中，用于密封所述工作腔。
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