RO125730A2

RO125730A2 - Micropompă acţionată electromagnetic

Info

Publication number: RO125730A2
Application number: ROA200800932A
Authority: RO
Inventors: Radu Olaru; Radu Mihai Herţanu; Enache Ciprian Astratini
Original assignee: Universitatea Tehnică ''gheorghe Asachi'' Din Iaşi
Priority date: 2008-11-26
Filing date: 2008-11-26
Publication date: 2010-09-30
Also published as: RO125730B1

Abstract

Invenţia se referă la o micropompă acţionată electromagnetic, destinată transportului şi manipulării controlate a microvolumelor de gaze şi lichide. Micropompa conform invenţiei este alcătuită dintr-un canal (1) principal, care are poziţionat, în zona sa centrală, un piston (2) magnetic, format dintr-un magnet (12) permanent şi două inele (13) de ferofluid, la capetele canalului (1) fiind poziţionaţi doi magneţi (3 şi 4) permanenţi, iar pe exteriorul canalului (1), în jurul pistonului (2), fiind amplasată o bobină (5), canalul (1) fiind pus în legătură cu patru canale (7şi 7'), prevăzute cu electroventile (6 şi 6'), care, la rândul lor, sunt puse în legătură cu alte două canale (8 şi 9), conectate cu un canal (10) de intrare şi, respectiv, cu un canal (11) de ieşire, astfel încât, prin aplicarea unei tensiuni alternative bobinei (5), se produc oscilaţii ale pistonului (2) magnetic şi acţiunea de pompare a unui fluid.

Description

6 -11- 2008

Micropompă acționată electromagnetic

Invenția se referă la o mini/micro-pompă cu piston magnetic de acționare destinată transportului și manipulării controlate a micro-volumelor de gaze și lichide.

Pompele miniaturizate sunt utilizate pentru pomparea, controlul și manipularea unor mici volume de fluide, de ordinul mililitrilor, în numeroase sisteme tehnice din domenii ca biologia, medicina sau explorarea spațiului. Pentru volume de fluide mai mici, de ordinul micro- sau chiar nanolitrilor, precum în cazul sistemelor miniaturizate pentru analize chimice și biologice, au fost concepute și realizate o mare varietate de micropompe. De exemplu, microsistemele de analiză totală (pTAS) și așa numitele laboratoare pe un cip (Lab-on-achip). care se bucură de o mare atenție din partea unei categorii largi de cercetători, necesită astfel de micropompe [1],

Micropompele se pot grupa în mecanice și ne-mecanice. în micropompele mecanice mișcarea mecanică este convertită într-o acțiune de pompare. Cele mai cunoscute sunt cele de rotație, cu membrane vibratoare și micropompele peristaltice. Forțele de acționare ale părților în mișcare pot fi generate utilizând efecte piezoelectrice, electrostatice, termo-pneumatice. pneumatice sau electromagnetice.

în pompele nemecanice acțiunea de pompare se obține prin efecte electrohidrodinamice. electro-osmotice. magnetohidrodinamice și altele.

Cerințele foarte diverse ale aplicațiilor explică și marea varietate de micropompe. în funcție de grupul de cerințe principale, cum ar fi, debitul maxim de pompare, căderea maximă de presiune, volumul minim de dozare (pipetare), caracteristicile lichidului pompat (majoritatea micropompelor sunt pentru lichide) și altele, se poate alege un tip de micropompă.

Majoritatea micropompelor mecanice funcționează cu mișcarea alternativă a unor elemente separatoare care produc o presiune periodică asupra fluidului de lucru. Pistoanele, care sunt elementele mobile separatoare în multe pompe mecanice tradiționale, realizate la scară dimensională obișnuită, nu pot fi utilizate în micropompe aplicând aceeași structură la

0^- 2 Ο Ο 8 - Ο Ο 9 3 2 - - J

6 -fi- 2008 nivel microdimensional. în multe micropompe mecanice se folosește în schimb o membrană plată fixată pe margine. Totuși, după o funcționare îndelungată, membranele pot pierde unele caracteristici, pot căpăta deformații permanente, fiind astfel afectate performanțele de pompare.

în căutarea unor mecanisme de pompare cu pistoane în cadrul microfluidicii, în general și a micropompelor, în particular, s-a apelat la folosirea dopurilor de ferofluid în canale foarte înguste, deplasabile sub efectul câmpurilor magnetice furnizate din exterior de către magneți permanenți sau electromagneți.

Astfel, se cunosc câteva brevete de invenție, care descriu mai multe structuri de manipulare a fluidelor prin microcanale prin acțiunea magnetică asupra dopurilor sau segmentelor de ferofluid situate în canale liniare sau circulare (US6318970, US6408884. US6415821, WO2008/067585).

în toate aceste cazuri, deplasarea ferofluidului pentru obținerea efectului de pompare, se obține prin deplasarea unui magnet aflat în exteriorul micropompei. acționat de un actuator sau micromotor. liniar sau rotativ. Atașarea la micropompă a unui astfel de dispozitiv de acționare complică construcția sistemului și ridică mai multe probleme privind modul și precizia de fixare sigură și precisă pentru a forma în final un ansamblu de lucru.

Cel mai aproape de conținutul prezentei invenții se află un brevet de invenție care descrie o pompă cu piston magnetic pentru pompe de căldură (US5005639). Sistemul de pompare este constituit în principal din patru sau două ventile pasive unidirecționale și un sistem electromagnetic de acționare, ultimul conținând o bobină generatoare de câmp magnetic alternativ, un magnet inelar și un piston magnetic confecționat dintr-o tijă tubulară în care sunt dispuși la intervale spațiale mai mulți magneți permanenți cilindrici, etanșarea și alunecarea pistonului fiind asigurate de mai multe inele de ferofluid reținute în niște caneluri prevăzute în tija tubulară în apropierea capetelor magneților. Dezavantajul unei astfel de structuri de dispozitiv de acționare a pompei este construcția destul de complicată și voluminoasă, ceea ce o face inadecvată pentru destinații microfluidice.

Problema pe care o rezolvă prezenta invenție este elaborarea unei micropompe. în care dispozitivul electromagnetic de acționare al pompei este simplu, miniaturizabil și integrat în construcția micropompei.

O micropompă acționată electromagnetic, conform invenției, conține un canal principal având în partea sa centrală un magnet permanent mobil prevăzut la capete cu două inele de ferofluid și situat în interiorul unei bobine dispuse pe peretele exterior al canalului principal, la capetele canalului principal găsindu-se câte un magnet permanent fix. aceștia având polii de același nume cu cei ai magnetului central mobil situați față în față, astfel încât ^-2008-00932-2 6 -Η- 2Q08 împreună cu un număr de ventile unidirecționale conectate prin alte canale la cel principal, se obține acțiunea de pompare a unui fluid datorită oscilației magnetului mobil sub efectul câmpului magnetic alternativ generat de bobină.

Se dau, în continuare, două exemple de realizare a micropompei, în legătură cu figurile 1 și 3, care reprezintă schemele micropompei cu dublu efect și respectiv cu simplu efect.

Micropompa cu dublu efect (Fig. 1), are în alcătuire un canal principal, 1, care conține un piston magnetic, 2, în zona sa centrală și doi magneți permanenți, 3 și 4, la capetele sale, o bobină, 5, care înconjoară pistonul magnetic 2, patru ventile unidirecționale identice, dintre care două de intrare, 6 și două de ieșire, 6’, 4 canale de legătură dintre ventile și canalul principal, două de intrare, 7 și două de ieșire, 7’, un canal de legătură a ventilelor de intrare, 8. un canal de legătură a ventilelor de ieșire, 9, canalul de intrare a fluidului, 10 și canalul de ieșire a fluidului din micropompă, 11. Pistonul magnetic, 2, este alcătuit dintr-un magnet cilindric, 12 și două inele de ferofluid, 13, dispuse la capetele magnetului. Bobina 5 este alcătuită din două secțiuni identice, 5’ și 5”.

în lipsa tensiunii de comandă, pistonul magnetic 2 ocupă o poziție mijlocie în canalul principal 1 față de capetele bobinei 5, datorită forțelor magnetice de repulsie dezvoltate între magnetul 12 al pistonului și cei doi magneți 3 și 4 de la capetele canalului.

Prin aplicarea unei tensiuni alternative bobinei 5, pistonul magnetic 2 capătă o mișcare oscilatorie în interiorul bobinei cu frecvența tensiunii de comandă, producând variații periodice de presiune în cele două volume, camerele pompei, formate fiecare între un magnet permanent fix, cele două ventile apropiate și piston (volumul mărginit de 3. 6, 6’ și 5, în partea de sus a schemei din figura 1, respectiv de 4, 6, 6’, și 5, în partea de jos). De exemplu, la deplasarea pistonului spre magnetul 3 se deschid concomitent ventilul de intrare 6-jos și ventilul de ieșire 6’-sus. Alternarea deschiderilor perechilor de ventile situate pe diagonala structurii figurate produce efectul de pompare a fluidului; fluidul este absorbit în pompă prin canalul 10 și este refulat din pompă prin canalul 11.

Pentru funcționarea eficientă a dispozitivului electromagnetic de acționare a pompei, format din pistonul magnetic 2, bobina 5 și magneții 3 și 4, bobina 5 este constituită din două secțiuni identice 5’ și 5” legate în serie și opoziție de fază. în orice alternanță a tensiunii de comandă aplicată bobinei, curenții prin cele două secțiuni creează câmpuri magnetice în interiorul bobinei astfel încât la capetele acesteia polii magnetici sunt de același nume, ca în figura 2. Forța magnetică de acționare a pistonului într-un sens sau în celălalt, este rezultanta însumării forței de atracție în interiorul unei secțiuni de bobină cu forța de respingere a celeilalte secțiuni.

CV- 2 Ο Ο 8 - Ο Ο 9 3 2 - 1 8 -Π- 2039

Inelele de ferofluid, 13, împiedică atingerea de peretele interior al canalului 1 a magnetului 12 din pistonul 2, asigurând astfel etanșeitatea pistonului și totodată alunecarea sa cu frecare redusă în interiorul canalului 1. Ferofluidul se alege astfel încât să fie nemiscibil cu lichidul de lucru și să nu interacționeze chimic cu acesta.

Cei doi magneți ficși, 3 și 4, prin forțele magnetice de repulsie dezvoltate față de magnetul pistonului, ce dau o rezultantă de forma unei forțe elastice caracterizată de o constanta k, asigură mișcarea oscilatorie limitată a pistonului în interiorul bobinei 5.

Dispozitivul prezentat poate fi puternic compactizat și miniaturizat. Cu excepția canalului principal 1. care are diametrul cel mai mare, celelalte canale pot fi de dimensiuni micrometrice (10-100 pm), existând tehnologii și pentru miniaturizarea extremă a ventilelor unidirecționale, care în caz particular pot fi cu microbile [2]. Diametrul canalului principal poate varia în mod uzual de la câțiva milimetri până la valori de sub 1 mm. în corelație mai ales cu diametrul magnetului disponibil ce intră în constituirea pistonului.

Micropompa cu simplu efect, reprezentată în figura 3, este alcătuită dintr-un canal principal 1 având în interior un piston magnetic 2 și doi magneți permanenți ficși, 3 și 4, iar pe peretele exterior o bobină 5, un ventil de intrare, 6 și un ventil de ieșire. 6’, conectate la canalul principal prin canalul de intrare 7 și respectiv canalul de ieșire. 7’. Canalul principal, 1. poate fi prevăzut cu un orificiu, 14, de legătură cu atmosfera.

Oscilațiile pistonului, produse în același mod ca în cazul micropompei cu dublu efect, produce deschiderea și închiderea succesivă a celor două ventile 6 și 6’, rezultând efectul de pompare a unui fluid în sensul indicat de săgeți. Orificiul 14 poate fi aplicat atunci când se dorește eliminarea efectului elastic al aerului și/sau influențarea acestui efect de către factori de mediu (temperatura, de exemplu). Față de varianta cu dublu efect, micropompa cu simplu efect pompează fluid numai într-o alternanță a tensiunii de comandă, furnizând un debit de circa două ori mai mic, dar în schimb are o construcție mai simplă.

Bibliografie

1. D.J. Laser and J.G. Santiago, A review of micropumps, J. Micromech. Microeng. 14 (2004). pp. 35-64.

2. T. Pan, S.J. McDonald, E.M. Kai and B. Ziaie, A magnetically driven PDMS micropump wi/h hali check-valves, , J. Micromech. Microeng. 15 (2005), pp. 1021-1026.

Claims

2008-00932-2 6 -îl· 2008 Revendicări

1. Micropompă acționată electromagnetic cu dublu efect, caracterizată prin aceea că, are în alcătuire un canal principal, 1, care conține în zona sa centrală un piston magnetic, 2, format dintr-un magnet permanent 12 și două inele de ferofluid. 13, iar la capetele sale doi magneți permanenți. 3 și 4, o bobină, 5, care înconjoară pistonul magnetic 2, și câteva canale, 7, 7’. 8. 9. ce fac legătura dintre canalul principal, 1 și cele patru ventile, 6, 6’, precum și dintre ventile și canalul de intrare și cel de ieșire, 10 și 11, așa încât, prin aplicarea unei tensiuni alternative bobinei 5, constituită din două secțiuni identice, 5’ și 5”, se produc oscilații ale pistonului magnetic 2 și acțiunea de pompare a unui fluid.

2. Micropompă acționată electromagnetic cu simplu efect, în conformitate cu revendicarea 1. caracterizată prin aceea că, în scopul simplificării construcției și reducerii dimensiunilor, se utilizează dispozitivul electromagnetic de acționare al micropompei. format din canal principal. 1, piston, 2, bobină, 5 și cei doi magneți permanenți, 3 și 4, împreună numai cu două ventile, unul de intrare, 6 și altul de ieșire, 6’ și cu două canale de legătură, 7 și 7’, între canalul principal și cele două ventile.