CZ36828U1 - Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo - Google Patents

Description

Úřad průmyslového vlastnictví v zápisném řízení nezjišťuje, zda předmět užitného vzoru splňuje podmínky způsobilosti k ochraně podle § 1 zák. ě. 478/1992 Sb.

Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo

Oblast techniky

Předkládané technické řešení se týká magneticky řízeného mikrofluidního peristaltického čerpadla, které je svým určením vhodné pro použití jako peristaltická pumpa nebo proporční ventil pro regulaci průtoku kapalného či plynného média. Zařízení je vhodné především pro oblasti medicíny, biologie a chemie, konkrétně pak v systémech, kde jsou zvýšené požadavky na miniaturizaci rozměrů čerpadla, přizpůsobení tvaru kanálu, řízení mechanického tlaku na čerpané médium a minimalizaci kontaminace média.

Dosavadní stav techniky

Peristaltická čerpadla jsou objemová čerpadla určená pro čerpání tekutin. V současnosti používaná peristaltická čerpadla pracují ve většině případů na principu rotujících válců, které postupně mechanicky deformují flexibilní kanál s čerpaným médiem a vytváří tak potřebný peristaltický efekt. Pracují na principu tvarové paměti materiálu, ze kterého je vyroben flexibilní kanál čerpadla (obvykle kruhového průřezu), který je postupně stlačován a uvolňován. Při stlačení kanálu dojde k jeho deformaci a tím se uzavře určitý objem čerpaného média v kanálu. Tento objem média je následně vytlačen rotujícím válcem, poháněným elektromotorem, z kanálu ven po směru rotace válce. Za stlačeným úsekem kanálu vzniká podtlak, který má za následek nasátí dalšího objemu čerpaného média do kanálu. Součástí běžně využívaných peristaltických čerpadel jsou tedy rotující válce, případně koule či lopatky a elektrický motor.

Peristaltické čerpadlo může být případně provedeno jako lineární. V takovém případě je postupného stlačení a uvolnění materiálu dosaženo obvykle pomoci řady lineárních aktuátorů nebo vačky či vačkové hřídele poháněné elektrickým motorem, které přímo vytvářejí tlak na elastický kanál čerpadla. Potřeba využití elektromotorů nebo lineárních aktuátorů u běžného peristaltického čerpadla však komplikuje vyšší míru jeho miniaturizace. Využití rotujících válců navíc definuje potřebný kruhový tvar flexibilního kanálu, což v některých případech limituje aplikovatelnost čerpadla. Vlivem potřebné síly působící na elastický kanál pak může v případě biologických aplikací vést k negativnímu až destruktivnímu vlivu na samotné čerpané médium.

Mikrofluidní čerpadla jsou určena k manipulaci s velmi malým objemem média (v řádech mikrolitrů). Mikrofluidní čerpadlo je popsáno například v US 7832429 B2 a je založeno na membráně o tloušťce mezi 10 a 150 pm, která se pohybuje mezi uzavřenou polohou, ve které je membrána přitisknutá k planárnímu substrátu, a otevřenou polohou, kdy je membrána pneumatickým tlakem deformována (uvolněna od substrátu) a umožňuje tak otevření kanálu pro médium. Materiálem membrány je například polymethyl metakrylát, polystyren, polykarbonát nebo akrylát. Nevýhodou uvedeného mikrofluidního čerpadla je způsob ovládání membrány tlakem ovládacího média, která vyžaduje použití pneumatického systému (čerpadlo, regulační ventily atd.). Čerpadlo tak nelze řídit přímo elektrickými signály.

Dalším příkladným provedením může být patentová přihláška US 2006051218 A1, která popisuje mikrofluidní magnetické čerpadlo pro čerpání kapaliny v rozmezí od 1 do 1000 nl/min. Popsané čerpadlo obsahuje alespoň jeden kanál z elastomeru (silikonu) o šířce nepřesahující 1 mm. Vně kanálu jsou podélně umístěny alespoň tři aktuátory, které střídavě mechanicky stlačují uvedený kanál a tím postupně vytlačují kapalinu z kanálu. Aktuátorem může být například dvojkovový (bimetal) aktuátor, který se vlivem velikosti aplikovaného elektrického proudu zahřívá, deformuje a tlačí na uvedený kanál. Dalším typem aktuátoru je termoelastický aktuátor, který se deformuje přímo vlivem zvýšené teploty a tím tlačí na kanál pro vedení čerpané kapaliny. Tento typ aktuátoru obsahuje tepelný zdroj. Třetím typem popsaných aktuátorů jsou magnetické aktuátory, které postupně tlačí na kanál vlivem vzájemného magnetického odpuzování, a to buď permanentních

- 1 CZ 36828 U1 magnetů, nebo elektromagnetů. Nevýhodou všech výše uvedených řešení je nutnost přítomnosti elektromechanických součástek (aktuátorů, popř. tepelného zdroje), což zvyšuje poruchovost a komplikuje nebo dokonce znemožňuje miniaturizaci zařízení a tím omezuje potenciální aplikace.

Patent CZ 307764 B6 popisuje peristaltické čerpadlo s magnetoelastickým pohonem. Toto čerpadlo je tvořeno kanálem, jímž prochází čerpané médium, opatřeným na protilehlých koncích vstupním a výstupním otvorem. Kanál je podélně přepažen magnetoelastickou membránou, uchycenou ke kanálu u vstupního otvoru, uspořádanou mezi dvojicí vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů, umístěných vně kanálu. Magnetoelastická membrána je ohebná ve směru proudění čerpané kapaliny a po stranách se dotýká kanálu. Dvojice vzájemně protilehlých skupin elektromagnetů umožňuje efektivní pohyb membrány a tím synchronizované působení membrány na čerpanou kapalinu, kdy na jedné straně kanálu je vytlačována kapalina obsažená v kanálu a na druhé straně kanálu dochází k nasávání kapaliny do prostoru kanálu. Nevýhodou uvedeného řešení je nutnost přítomnosti membrány uvnitř kanálu, jímž prochází čerpané médium, a soustavy vně umístěných protilehlých skupin elektromagnetů, což komplikuje miniaturizaci čerpadla. Magnetoelastická membrána uvnitř kanálu je navíc v přímém kontaktu s kapalinou a může tak docházet k její kontaminaci. Rozměry a umístění membrány uvnitř kanálu znemožňují zmenšení rozměrů kanálu na mikroobjemy.

Patent CZ 306668 B6 popisuje peristaltické čerpadlo obsahující kanál z pružně plastické hmoty pro čerpanou kapalinu a dále zdroj pulzního magnetického pole směřující proti bloku, který obsahuje magnetoelastický materiál a který přiléhá k pružně plastickému kanálu. Působením magnetického pole dojde k vzedmutí magnetoelastického materiálu v bloku a tím k lokální deformaci pružně elastického kanálu. Postupující vlna magnetoelastického materiálu postupně vytlačuje čerpané médium a současně nasává další na vstupu kanálu. Nevýhodou tohoto řešení je opět nesnadná miniaturizace, komplikovaná přítomností magnetoelastického bloku vně kanálu, který reaguje na změny magnetického pole.

V dosavadním stavu techniky chybí peristaltické čerpadlo, které by bylo vhodné pro čerpání velmi malého objemu kapaliny či plynu, s minimem mechanických součástí, aby bylo možné čerpadlo miniaturizovat a zároveň se předcházelo jeho poruchovosti, a bez negativních vlivů a kontaminace čerpaného média vlivem opotřebení materiálu kanálu, a to obzvláště v případě využití magnetoelastické membrány.

Podstata technického řešení

Výše uvedené nedostatky stavu techniky řeší předkládané technické řešení, které využívá silového působení externího magnetického pole na magnetoreologické elastomery pro dosažení peristaltického efektu přímo v prostoru mikrofluidního kanálu. Principem předkládaného technického řešení je použití magnetoreologického elastomeru (MRE) jako dílčího materiálu mikrofluidního kanálu. MRE je kompozitní materiál tvořený magnetickými částicemi rozmístěnými v matrici nemagnetického elastomeru. Vlivem silového působení externího magnetického pole na MRE dojde buď k jeho kolapsu, nebo roztažení a tím tedy k deformaci kanálu (přehrazení či rozepnutí). Prostorovou změnou rozložení magnetického pole lze pak docílit peristaltického efektu uvnitř kanálu vyvolaného silovým působením na MRE. Magnetické pole může být přitom generováno soustavou elektromagnetů nebo jiným externím zdrojem prostorově proměnného magnetického pole. Akčním prvkem působícím na médium je celý objem MRE tvořící součást kanálu. Řízením intenzity magnetického pole v MRE lze pak řídit také mechanický tlak působící na čerpané médium. MRE materiál může být s výhodou od čerpaného média oddělen tenkou nemagnetickou stěnou, zajišťující například požadované vlastnosti materiálu, přicházejícího do styku s čerpaným médiem (v lékařství například sterilní podmínky, materiál kompatibilní s lékařským použitím apod.). Princip řešení není omezen na mikrofluidní peristaltické čerpadlo - zjednodušením lze zároveň vytvořit proporční ventil umožňující regulaci průtoku média.

- 2 CZ 36828 U1

Výhodou magneticky řízeného mikrofluidního čerpadla je přesné a rychlé čerpání velmi malých objemů, eliminace kontaktu mezi médiem a ostatními částmi čerpadla (medium je uzavřeno uvnitř kanálu), řízení mechanického tlaku na čerpané médium, možnost přizpůsobení tvaru kanálu a miniaturizace rozměrů. Celé tělo mikrofluidního čerpadla je zároveň vyrobené výhradně z elastických materiálů. Předkládané technické řešení eliminuje nevýhody dosud známých a konvenčních řešení v následujících bodech:

• Způsob řízení - peristaltické čerpadlo je možné řídit pomocí externího magnetického pole, přičemž peristaltický efekt vzniká přímo ve stěně kanálu. Peristaltického efektu lze přitom dosáhnout změnou prostorového rozložení magnetického pole v oblasti MRE.

• Bezkontaktní ovládání - při čerpání nedochází k fyzickému kontaktu mezi řídící (zdroj magnetického pole) a řízenou (stěna kanálu) částí čerpadla. Změnou magnetického pole je možné přímo řídit míru deformace stěn kanálu a tím také mechanický tlak na čerpané médium.

• Miniaturizace - absencí rotačních či lineárních posuvných mechanických částí je možné zařízení miniaturizovat. Čerpadlo neobsahuje žádné pohyblivé mechanické prvky a může tak být přímo integrované do mikrofluidního kanálu.

• Tvar kanálu - jelikož peristaltický efekt nevzniká vlivem přímo spojených rotačních či lineárních pohyblivých částí s kanálem, není tvar kanálu limitován mechanickou konstrukcí čerpadla a tvar kanálu může být přizpůsoben dané aplikaci. Síla potřebná k deformaci kanálu je přenášena bezkontaktně působením zdroje magnetického pole na MRE části kanálu.

Předmětem předkládaného technického řešení je tedy mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo, které obsahuje kanál pro čerpané médium, jehož součástí je vrstva magnetoreologického elastomeru spojená se stěnou kanálu nebo přímo tvořící stěnu kanálu. Alespoň jedna stěna kanálu tedy obsahuje uvedenou vrstvu magnetoreologického elastomeru (MRE). Tloušťka MRE vrstvy je s výhodou v rozmezí od 0,1 do 5 mm, výhodněji v rozmezí od 0,2 do 3 mm, ještě výhodněji od 0,3 do 1 mm. Kanál pro čerpané médium může mít libovolný tvar příčného průřezu (například kruhový, čtvercový, obdélníkový apod.).

Kanál pro čerpané médium je na jednom konci připojený k přívodu pro čerpané médium a na opačném konci k odvodu čerpaného média. Na alespoň jednom místě podél kanálu (vně kanálu), s výhodou na alespoň dvou místech podél kanálu, výhodněji na třech a více místech podél kanálu, je umístěn zdroj proměnného magnetického pole. Vlivem silového působení magnetického pole na MRE ve stěně kanálu dochází k jeho deformaci (přitažení nebo odpuzení) a tím také deformaci stěn kanálu. Velikost síly a tím také míru deformace MRE vrstvy spojené se stěnou kanálu a stejně tak rychlost změny tvaru kanálu lze ve všech uvedených provedeních přímo ovlivnit velikostí a rozložením externího magnetického pole.

V jednom provedení je příčný průřez kanálu tvaru čtverce nebo obdélníku. MRE vrstva může být přítomna ve všech čtyřech stěnách kanálu, s výhodou je ale přítomna pouze v jedné stěně kanálu. MRE vrstva může být ve stěně kanálu přítomná kontinuálně po celé jeho délce nebo může být ve stěně kanálu umístěna pouze v místech v blízkosti zdroje proměnného magnetického pole (v místě nejkratší vzdálenosti mezi stěnou kanálu a zdrojem proměnného magnetického pole).

Zdrojem proměnného magnetického pole je elektromagnet, připojený ke zdroji elektrického proudu. S ohledem na klesající velikost síly generované vnějším magnetickým polem v omezeném objemu MRE částí kanálu (velikost generované síly závisí na objemu dané části) je k funkci čerpadla nezbytné využít elektromagnetů kombinujících řídicí válcové, planární či sedlové cívky s permanentními magnety (elektropermanentní magnety), které umožní dosáhnout dostatečného magnetického indukčního toku v MRE částech kanálu. Elektromagnet může být přitom umístěn

- 3 CZ 36828 U1 v magnetickém obvodu zajišťujícím dosažení potřebného magnetického indukčního toku v MRE části kanálu.

Zdrojem proměnného magnetického pole je alespoň jeden elektromagnet, s výhodou jsou zdrojem proměnného magnetického pole alespoň dva elektromagnety, výhodněji alespoň 3 elektromagnety, nejvýhodněji 4 až 6 elektromagnetů. Umístěním a rozdělením zdrojů proměnného magnetického pole lze modulovat rychlost a směr změny tvaru kanálu a tím také směr a rychlost čerpání média.

V jednom provedení může být vrstva MRE mechanicky propojena s pouze jednou stěnou kanálu pro čerpané médium, zatímco protilehlá stěna je tvořena nemagnetickým materiálem. Po aplikaci vnějšího magnetického pole dojde k deformaci MRE a tím také uvedené jedné stěny kanálu ve směru působení magnetického pole a tím k otevření/uzavření příslušné části kanálu. V tomto provedení tedy kanál zůstává bez aplikace vnějšího magnetického pole uzavřený, resp. otevřený a teprve po aplikaci vnějšího magnetického pole otevře, resp. zavře.

V jiném provedení je MRE obsažen ve stěně celého kanálu (ve všech stěnách kanálu). Po aplikaci vnějšího magnetického pole dojde k deformaci celého obvodu stěn kanálu v oblasti aplikovaného magnetického pole. Směr deformace lze variovat umístěním zdrojů proměnného magnetického pole do různých směrů od povrchu kanálu.

Ve všech provedeních závisí intenzita deformace MRE a tím také kanálu na velikosti generovaného magnetického pole externím zdrojem a na jeho vzdálenosti od MRE části kanálu. Zatímco vzdálenost zdroje proměnného magnetického pole od kanálu je dána provedením (zdroj magnetického pole je neměnný), velikost generovaného magnetického pole je možné plně řídit, a to v případě elektromagnetu velikostí budícího proudu. Velikost deformace MRE lze tak v průběhu funkce čerpadla plně řídit.

MRE je tvořeno elastomerem dopovaným feromagnetickými částicemi. Jako elastomer může být použitý například adiční nebo kondenzační silikon, obecně lze využít nízkoviskózní elastomery s dobou zpracovatelnosti umožňující dopování feromagnetickými částicemi. Nízkoviskózním elastomerem se rozumí elastomer s viskozitou nejvýše 20 000 mPas, s výhodou v rozmezí od 10.000 do 18.000 mPas. Příkladem vhodných nízkoviskózních elastomerů jsou vedle adičních a kondenzačních silikonů dále polyuretany či syntetické kaučuky. Klíčovou vlastností elastomerů je pro zařízení jeho elasticita, která by měla být nejvyšší možná, dále vysoká mechanická odolnost a minimální adheze. Jako feromagnetické částice lze využít jak magneticky měkké, tak magneticky tvrdé materiály. Příkladem magneticky měkkého materiálu mohou být ferosilikonové částice (FeSi), příkladem materiálu magneticky tvrdého pak materiály na bázi vzácných zemin, jako například neodymové částice (NdFeB, SmCo, CrO2 a další). Klíčovou vlastností feromagnetických částic je jejich relativní permeabilita, která by měla být nejvyšší možná (alespoň 4) a velikost částic, která by měla být naopak nejmenší možná (nanejvýš 100 μm, minimální velikost částic závisí na volbě daného materiálu). S výhodou je tedy velikost feromagnetických částic v MRE v rozmezí od 10 do 100 pm, výhodněji v rozmezí od 20 do 80 μm. Velikost částic je zásadní pro dosažení dostatečné elasticity výsledného kompozitu. Poměr hmotnosti feromagnetických částic a výsledného kompozitu by měl být nejvyšší možný pro docílení dostatečného silového působení, nejméně pak 50 % hmotn. Maximální možné množství částic závisí na zvoleném typu elastomeru. S výhodou je množství feromagnetických částic v MRE v rozmezí od 55 do 85 % hmotn., výhodněji od 60 do 80 % hmotn.

V jednom provedení je magnetoreologickým elastomerem adiční silikon s obsahem alespoň 50 % hmotn. ferosilikonových mikročástic (Fe85Si15) s průměrnou velikostí 30 pm.

S výhodou lze pro přípravu MRE využít částice magneticky tvrdého materiálu (například NdFeB), který vykazuje značnou remanentní magnetickou indukci, a tím je možné dosáhnout vnitřní magnetizace MRE. Vnitřní magnetizace MRE pak určuje velikost a směr vzájemného silového působení MRE a externího magnetického pole. Tím lze dosáhnout rozdílné reakce MRE vůči

- 4 CZ 36828 U1 aplikovanému magnetickému poli. Typicky lze pak v MRE částech čerpadla využít střídavé magnetizace. Použitím MRE s vnitřní magnetizací lze docílit jak přitažlivé, tak odpudivé síly v jednotlivých částech MRE, a to v závislosti na orientaci vnějšího magnetického pole. Toto provedení umožňuje dále zjednodušit zdroj externího magnetického pole. Použitím MRE s magneticky tvrdými částicemi lze zmenšit počet použitých ovládacích elektromagnetů.

V jednom provedení může být kanál pro čerpané médium umístěný v pouzdře (těle) z nemagnetického materiálu. Nemagnetickým materiálem pouzdra může být jakýkoliv nemagnetický materiál, například hliník, nerezová ocel, či plast (např. polylaktid (PLA), akrylonitrilbutadienstyren (ABS), polyethylentereftalát (PET) atd.). S výhodou lze jako materiál těla čerpadla využít elastický materiál (např. adiční nebo kondenzační silikon) s vyšší tuhostí, než je tuhost samotného MRE kanálu. Při deformaci MRE vlivem magnetického pole tvoří pouzdro (tělo) čerpadla oporu kanálu, vůči které se změna tvaru MRE projeví (MRE vrstva se přitiskne k tělu a tím se kanál uzavře, nebo se MRE vrstva naopak odtáhne od těla čerpadla a kanál se otevře). Tímto způsobem lze vytvořit čerpadlo, jehož všechny části s výjimkou ovládacího elektromagnetu jsou tvořeny elastickými materiály. Pouzdro slouží jako opora kanálu a zároveň jako překážka, ke které je tlačena stěna kanálu mechanicky spojená s MRE vrstvou.

V jednom provedení je přitom MRE vrstva kanálu obsažená ve všech jeho stěnách. Působením vnějšího magnetického pole tedy dojde k přitlačení MRE vrstvy spojené se stěnou kanálu k pevnému pouzdru a tím k přehrazení jeho průchodnosti. V tomto provedení tedy kanál zůstává bez aplikace vnějšího magnetického pole otevřený a teprve po aplikaci vnějšího magnetického pole se uzavře.

V jednom provedení je příčný průřez kanálem obdélníkového nebo čtvercového tvaru a tři ze čtyř stěn tohoto obdélníku/čtverce jsou tvořeny tělem čerpadla (nemagnetickým materiálem. Čtvrtá stěna kanálu obsahuje MRE.

MRE ve stěně kanálu může být v kontaktu s čerpaným médiem nebo může být pokryt ochrannou vrstvou. Ochrannou vrstvou je s výhodou stejný typ elastomeru, jaký je použitý pro MRE, což umožní pevné spojení MRE a ochranné vrstvy. Například v provedení, kdy MRE je na bázi adičního silikonu a ferosilikonových mikročástic, je ochranná vrstva tvořena adičním silikonem (bez ferosilikonových mikročástic). Tloušťka ochranné vrstvy je s výhodou v rozmezí od 0,01 do 0,1 mm.

V jednom provedení je ochranná vrstva umístěna na vnitřní stěně kanálu a brání kontaktu MRE s čerpaným médiem. V jednom provedení je ochranná vrstva umístěná na vnější straně kanálu a chrání MRE před vnějším poškozením. V jednom provedení je ochranná vrstva umístěna na obou plochách MRE.

Použití mikrofluidního magnetického peristaltického čerpadla popsaného výše je například v rámci technologie techniky laboratoř na čipu (lab-on-chip). Čerpadlo tak může být integrální součástí komplexního čipu, který zajišťuje například automatizované testování léčiv, biologických či chemických vzorků.

Objasnění výkresů

Obr. 1: Příklad provedení technického řešení lineárního mikrofluidního peristaltického čerpadla.

Obr. 2: Princip funkce lineárního mikrofluidního peristaltického čerpadla. Jednotlivé snímky zobrazují dílčí kroky pro vytvoření peristaltického efektu uvnitř mikrofluidního kanálu čerpadla.

- 5 CZ 36828 U1

Příklady uskutečnění technického řešení

Konkrétní provedení magneticky řízeného mikrofluidního čerpadla je patrné na obr. 1 a jeho funkce je vyobrazena na obr. 2. Z provedených experimentů vyplynulo, že uvedené provedení je funkční a dosahuje všech potřebných technických parametrů, kterými jsou těsnost, rychlost čerpání, výtlak média, nasátí media bez zaplavení čerpadla a možnost regulace množství čerpaného média. Dosažené parametry ukazují, že koncepce mikrofluidního peristaltického čerpadla s elektromagnety je perspektivním technickým řešením. Zásadní předností koncepce je možnost jeho miniaturizace a plná integrace na mikrofluidní čip, který může pro svou funkci využívat soustavu planárních elektropermanentních magnetů.

V rámci experimentálního ověření koncepce bylo sestaveno lineární mikrofluidní peristaltické čerpadlo dle obr. 1. Aktivní část čerpadla (MRE vrstva 1 s ochrannou vrstvou 2) byla vyrobena postupným nanášením tenkých vrstev materiálu metodou rotačního nanášení (spin coating). Základem aktivní části čerpadla je MRE na bázi adičního silikonu (Smooth-On Psycho Paint s rozpouštědlem NOVOCS) a ferosilikonových mikročástic (Fe85Si15) v hmotnostním poměru 75 % s průměrnou velikostí částic 30 pm. Jako první byla pomocí rotačního nanášení vytvořena tenká MRE vrstva 1 opatřená spodní a svrchní ochrannou vrstvou 2 z vysoce elastického adičního silikonu (Smooth-On FX-PRO). Použití adičního silikonu u všech dílčích vrstev (1 a 2) zajišťuje jejich pevné spojení. Celá aktivní část je pak plně elastická.

Následně byl pomocí šablony nanesen silikonový separátor (Smooth-On Ease Release) v požadované oblasti vzniku mikrofluidního kanálu 3 na ochranné vrstvě 2. Celá aktivní část čerpadla (MRE vrstva 1 s ochrannou vrstvou 2) byla následně pomocí metody tlakového lití zapouzdřená do těla 4 čerpadla z tuhého adičního silikonu (Smooth-On SORTA-Clear). Mimo oblast opatřenou silikonovým separátorem došlo k pevnému spojení všech částí čerpadla a pouze v oblasti definované naneseným separátorem ke spojení nedošlo. Tím vznikl úzký mikrofluidní kanál 3, který je uzavřený v těle 4 čerpadla a jehož jedna stěna je spojena s MRE vrstvou 1 oddělenou ochrannou vrstvou 2.

Rozměr aktivní části čerpadla (MRE vrstva 1 s ochrannou vrstvou 2) je 5 x 60 mm, tloušťka celé aktivní části je menší než 1 mm. Mikrofluidní kanál 3 má v tomto provedení tvar kvádru, jehož jedna stěna obsahuje MRE. Mikrofluidní kanál 3 je na jednom konci připojený k přívodu 5 pro čerpané médium a na opačném konci k odvodu 6 pro čerpané médium. Samotné čerpadlo je tvořeno elastickými materiály. Do prostoru pod čerpadlo byla následně umístěna soustava ovládacích elektropermanentních magnetů jako zdrojů 7 proměnného magnetického pole, které zajišťují samotnou funkci čerpadla. Využité elektropermanentní magnety využívají válcovou řídicí cívku umístěnou na magnetickém obvodu s dvěma permanentními magnety se srovnatelnou remanentní indukcí a rozdílnou koercivitou (využity byly magnety NdFeB a AlNiCo). Vybuzením řídicí cívky dochází ke změně orientace magnetu s nižší koercitivitou (AlNiCo) a tím k vyrušení resp. posílení magnetického pole magnetu s vyšší koercitivitou (NdFeB). Elektropermanentní magnety byly vyrobeny s pláštěm (není vyobrazen) z feromagnetických plechů (FeSi). Elektropermanentní magnety byly následně připojeny k externímu zdroji elektrického proudu (není vyobrazen), tak aby je bylo možné spínat nezávisle na sobě tak současně.

Kanál čerpadla je v daném provedení normálně uzavřený a otevírá se silovým působením magnetického pole generovaného soustavou elektropermanentních magnetů (zdrojů 7 proměnného magnetického pole). Funkce čerpadla je vyobrazena na obr. 2. Čerpadlo využívá vzniku peristaltického efektu periodickou změnou magnetického pole. Postupným spínáním elektromagnetů (obr. 2, části 1 až 6) vzniká deformace aktivní části čerpadla (MRE membrána 1 s ochrannou vrstvou 2) a tím také mechanická vlna, která cyklicky otevírá a následně uzavírá kanál 3 čerpadla. Tato mechanická vlna zajišťuje transport čerpaného média od přívodu 5 skrze mikrofluidní kanál 3 až do odvodu média 6.

- 6 CZ 36828 U1

Průmyslová využitelnost

Příkladem využití mikrofluidního peristaltického čerpadla v oblasti moderních technologií může být výzkum a vývoj léčiv na základě jejich plného testování pomocí techniky lab-on-chip (laboratoř 5 na čipu) nebo (organ/body-on-chip) nebo testování jiných biologických či chemických vzorků.

Dalším příkladem využití pak může být plně integrované čerpadlo pro ovládání soft-robotů nebo strojů s mikrofluidní logikou. V oblasti výrobního či zpracovatelského průmyslu může být zařízení využito pro přesné dávkování kapalin či plynů. Vzhledem k absenci pohyblivých prvků je pak velmi perspektivní oblastí uplatnění zařízení ve vesmírném průmyslu, konkrétně pak čerpací 10 zařízení pro družice a kosmické sondy.

Claims (9)

1. NÁROKY NA OCHRANU

   1. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo, obsahující kanál (3) pro čerpané médium, připojený na jednom konci k přívodu (5) pro čerpané médium a na opačném konci k odvodu (6) pro čerpané médium, vyznačené tím, že obsahuje alespoň jeden zdroj (7) proměnného magnetického pole umístěný vně kanálu (3), přičemž alespoň jedna stěna kanálu (3) pro čerpané médium obsahuje vrstvu (1) magnetoreologického elastomeru.
2. 2. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle nároku 1, vyznačené tím, že zdrojem (7) proměnného magnetického pole je alespoň jeden elektromagnet, s výhodou obsahující řídicí cívku a permanentní magnety, uzpůsobený pro připojení ke zdroji elektrického proudu, přičemž výhodněji jsou zdrojem (7) proměnného magnetického pole alespoň 2 elektromagnety, ještě výhodněji alespoň 3 elektromagnety, a nejvýhodněji 4 až 6 elektromagnetů.
3. 3. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 nebo 2, vyznačené tím, že tloušťka vrstvy (1) magnetoreologického elastomeru je v rozmezí od 0,1 do 5 mm.
4. 4. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 3, vyznačené tím, že kanál (3) pro čerpané médium má kruhový, čtvercový nebo obdélníkový příčný průřez.
5. 5. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 4, vyznačené tím, že vrstva (1) magnetoreologického elastomeru je ve stěně kanálu (3) přítomná kontinuálně po celé jeho délce, nebo je ve stěně kanálu (3) umístěna pouze lokálně v dosahu magnetického pole alespoň jednoho ze zdrojů (7) proměnného magnetického pole v místě nejkratší vzdálenosti mezi stěnou kanálu a zdrojem proměnného magnetického pole.
6. 6. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 5, vyznačené tím, že magnetoreologický elastomer obsahuje elastomer vybraný ze skupiny zahrnující silikon, polyuretan a kaučuk, a nejméně 50 % hmotn., vztaženo na celkovou hmotnost magnetoreologického elastomeru, feromagnetických částic o relativní permeabilitě nejméně 4 a velikosti částic v rozmezí od 10 do 100 μm, přičemž s výhodou jsou feromagnetické částice vybrané ze skupiny zahrnující FeSi, NdFeB, SmCo, CrO2.
7. 7. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 6, vyznačené tím, že dále obsahuje tělo (4) čerpadla z nemagnetického materiálu, přičemž kanál (3) pro čerpané médium je umístěný uvnitř těla (4) čerpadla.
8. 8. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle nároku 7, vyznačené tím, že kanál (3) pro čerpané médium má čtvercový nebo obdélníkový příčný průřez, a že tři ze čtyř stěn uvedeného kanálu (3) jsou tvořeny tělem (4) čerpadla a čtvrtá stěna kanálu (3) obsahuje vrstvu (1) magnetoreologického elastomeru.
9. 9. Mikrofluidní magnetické peristaltické čerpadlo podle kteréhokoliv z předchozích nároků 1 až 8, vyznačené tím, že vrstva (1) magnetoreologického elastomeru ve stěně kanálu (3) je pokryta ochrannou vrstvou, umístěnou na vnitřní a/nebo vnější stěně kanálu (3), přičemž s výhodou je tloušťka ochranné vrstvy v rozmezí od 0,01 do 0,1 mm.