RU2782876C1 - Valveless diaphragm microfluidic pump - Google Patents
Valveless diaphragm microfluidic pump Download PDFInfo
- Publication number
- RU2782876C1 RU2782876C1 RU2022104035A RU2022104035A RU2782876C1 RU 2782876 C1 RU2782876 C1 RU 2782876C1 RU 2022104035 A RU2022104035 A RU 2022104035A RU 2022104035 A RU2022104035 A RU 2022104035A RU 2782876 C1 RU2782876 C1 RU 2782876C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- actuator
- membrane
- chamber
- pump
- housing
- Prior art date
Links
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 61
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000011347 resin Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229920005989 resin Polymers 0.000 claims abstract description 5
- 239000002905 metal composite material Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims description 4
- ISRUGXGCCGIOQO-UHFFFAOYSA-N 2-Isopropoxyphenyl N-methylcarbamate Chemical compound CNC(=O)OC1=CC=CC=C1OC(C)C ISRUGXGCCGIOQO-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 31
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract description 13
- 239000007788 liquid Substances 0.000 abstract description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 8
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 229940079593 drugs Drugs 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- 229920000126 Latex Polymers 0.000 description 7
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 101710025808 IPK2a Proteins 0.000 description 4
- 101710025807 IPK2b Proteins 0.000 description 4
- 101700050903 IPMK Proteins 0.000 description 4
- 102100009138 IPMK Human genes 0.000 description 4
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 3
- 229920003049 isoprene rubber Polymers 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive Effects 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 230000000712 assembly Effects 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 230000004059 degradation Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 description 1
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 150000003057 platinum Chemical class 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 description 1
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 description 1
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 description 1
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 description 1
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 description 1
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 description 1
- 238000006722 reduction reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 239000000565 sealant Substances 0.000 description 1
- 239000003566 sealing material Substances 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical class O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к медицинским насосным устройствам для перекачивания малых количеств жидкости и может быть использовано как портативное нательное устройство для дозированной доставки лекарств или портативной лаборатории-на-чипе.The invention relates to medical pumping devices for pumping small amounts of liquid and can be used as a portable wearable device for dosed drug delivery or a portable laboratory-on-a-chip.
Известен бесклапанный двухкамерный микрофлюидный насос (МФН) на основе актюатора из ионного полимер-металлического композита (ИПМК-актюатора) в качестве мембраны (CN203272085U, опубл. 06.11.2013), корпус которого состоит из двух деталей с полостями, образующими вместе с ИПМК-актюатором две первичные насосные камеры. Между ИПМК-актюатором и каждой деталью корпуса находится уплотнитель, повторяющий контур стенок деталей корпуса. В каждой детали корпуса имеются два отверстия на противоположных стенках разного диаметра. В отверстие с бóльшим диаметром установлена деталь с гидродиодом бóльшим отверстием во внутрь корпуса, а в отверстие с меньшим диаметром установлена деталь с гидродиодом меньшим отверстием во внутрь корпуса. К противоположным отверстиям деталей с гидродиодами установлены детали с входным и выходным портами. Соединения всех деталей произведены с использованием материала для уплотнения. Внутри каждой первичной насосной камеры отверстия деталей с гидродиодами соединены вторичной насосной камерой из эластичного материала. Обе первичные насосные камеры наполнены жидкостью для пропитки ИПМК-актюатора. Под действием переменного управляющего напряжения ИПМК-актюатор деформируется, создавая повышенное давление в одной первичной насосной камере и пониженное давление в другой первичной насосной камере. Изменение давления в первичных насосных камерах приводит к изменению объема вторичных насосных камер благодаря эластичности насосных камер, что способствует созданию потока рабочей жидкости через вторичные насосные камеры. Выпрямление потока рабочей жидкости осуществляется четырьмя деталями с гидродиодами. Наличие двух вторичных насосных камер, поочередно работающих в насосном режиме и режиме накачки, позволяет удвоить объем перекачиваемой рабочей жидкости.Known valveless two-chamber microfluidic pump (MPP) based on an actuator made of ionic polymer-metal composite (IPMC-actuator) as a membrane (CN203272085U, publ. two primary pumping chambers. Between the IPMK-actuator and each part of the housing there is a seal that follows the contour of the walls of the housing parts. Each body part has two holes on opposite walls of different diameters. A part with a hydrodiode with a larger hole inside the housing is installed in a hole with a larger diameter, and a part with a hydrodiode with a smaller hole inside the housing is installed in a hole with a smaller diameter. Parts with inlet and outlet ports are installed to opposite holes of parts with hydrodiodes. Connections of all parts are made using sealing material. Inside each primary pumping chamber, the holes of parts with hydrodiodes are connected by a secondary pumping chamber made of elastic material. Both primary pumping chambers are filled with a liquid for impregnating the IPMK-actuator. Under the action of an alternating control voltage, the IPMK actuator is deformed, creating an increased pressure in one primary pumping chamber and a reduced pressure in the other primary pumping chamber. The change in pressure in the primary pumping chambers results in a change in the volume of the secondary pumping chambers due to the elasticity of the pumping chambers, which contributes to the creation of a flow of working fluid through the secondary pumping chambers. The straightening of the flow of the working fluid is carried out by four parts with hydrodiodes. The presence of two secondary pumping chambers, alternately operating in pumping mode and pumping mode, makes it possible to double the volume of the pumped working fluid.
Недостатками известного бесклапанного двухкамерного МФН на основе ИПМК-актюатора в качестве мембраны являются низкая надежность и сложность сборки, обусловленные большим количеством деталей и соединительных узлов, требующих дополнительной герметизации.The disadvantages of the known valveless two-chamber MPN based on the IPMK-actuator as a membrane are low reliability and complexity of assembly, due to the large number of parts and connecting assemblies that require additional sealing.
Известен поршневой МФН на основе ИПМК-актюаторов в качестве мембран (CN203272034U, опубл. 06.11.2013), конструкция которого содержит: базовую пластину корпуса с отверстиями, в которые установлены детали с входным и выходным портами, внутри которых установлены пружинные клапаны; основную деталь корпуса, установленную на базовую пластину корпуса с проложенным по контуру внешних стенок основной детали корпуса уплотнителем, в которой имеются полости, образующие с базовой пластиной корпуса первую, вторую и третью насосные камеры, и полости под ИПМК-актюатор (горизонтальные перегородки, разделяющие полость под ИПМК-актюатор и насосную камеру, имеют отверстие, в которое вставляется шток поршня; вертикальные перегородки между первой, второй и третьей насосными камерами имеют отверстия, через которые осуществляется поток жидкости); первый, второй и третий поршни, находящиеся в первой, второй и третьей насосных камерах соответственно; штоки первого, второго и третьего поршней, которые соединены с первым, вторым и третьим ИПМК-актюаторами, жестко закрепленными к основной детали корпуса по контуру вырезов для полостей под ИПМК-актюаторы. При подаче управляющего напряжения на первый, второй и третий ИПМК-актюаторы с заданной задержкой, ИПМК-актюаторы начинают деформироваться и двигать поршни, вслед за движением которых изменяются объем насосных камер и давление в насосных камерах. Поочередное изменение давления в насосных камерах создает поток жидкости из входного порта в выходной порт, а выпрямление потока обеспечивается пружинными клапанами, ход которых определяется направлением конусообразного сечения деталей с входным и выходным портами.Known piston MPN based on IPMK-actuators as membranes (CN203272034U, publ. 11/06/2013), the design of which contains: the base plate of the body with holes in which parts with inlet and outlet ports are installed, inside which spring valves are installed; the main part of the body, mounted on the base plate of the body with a sealant laid along the contour of the outer walls of the main part of the body, in which there are cavities that form the first, second and third pump chambers with the base plate of the body, and cavities for the IPMK actuator (horizontal partitions separating the cavity under the IPMK-actuator and the pumping chamber, have a hole into which the piston rod is inserted; vertical partitions between the first, second and third pumping chambers have holes through which the fluid flows); first, second and third pistons located in the first, second and third pumping chambers, respectively; rods of the first, second and third pistons, which are connected to the first, second and third IPMK-actuators, rigidly fixed to the main body part along the contour of cutouts for cavities for IPMK-actuators. When a control voltage is applied to the first, second and third IPMK actuators with a given delay, the IPMK actuators begin to deform and move the pistons, following the movement of which the volume of the pump chambers and the pressure in the pump chambers change. The alternating change in pressure in the pumping chambers creates a fluid flow from the inlet port to the outlet port, and the straightening of the flow is provided by spring valves, the stroke of which is determined by the direction of the cone-shaped section of the parts with the inlet and outlet ports.
Недостатками известного поршневого МФН на основе ИПМК-актюаторов в качестве мембран являются: пониженная степень деформации ИПМК-актюаторов, обусловленная дополнительной и увеличивающейся со временем эксплуатации силой трения поршней о стенки насосных камер и большой силой тяжести, действующей на поршни; сложность изготовления конструкции и снижение ее надежности, обусловленные наличием множества деталей соединяющих их узлов, а также наличием пружинных клапанов и поршней, которые изнашиваются со временем; быстрое ухудшение рабочих характеристик насоса, обусловленное деградацией ИПМК-актюатора за счет потери со временем пропитывающей его жидкости.The disadvantages of the well-known piston MPF based on IPMK-actuators as membranes are: a reduced degree of deformation of IPMK-actuators, due to the additional friction force of the pistons against the walls of the pumping chambers and increasing with time of operation and the high gravity acting on the pistons; the complexity of manufacturing the structure and the decrease in its reliability, due to the presence of many parts of the nodes connecting them, as well as the presence of spring valves and pistons that wear out over time; rapid deterioration of pump performance due to the degradation of the IPMC actuator due to the loss of the liquid impregnating it over time.
Известен бесклапанный эластичный МФН на основе ИПМК-актюаторов (CN109899272A, опубл. 18.06.2019), конструкция которого содержит: основную деталь корпуса в форме силикагелевой пластины со сквозной полостью, входным и выходным гидродиодами и входным и выходным портами; насосную камеру, образованную полостью основной детали корпуса и эластичными мембранами с обеих сторон, к которым с внешней от насосной камеры стороны присоединены в соответствующем порядке первые электроды в форме кольца, ИПМК-актюаторы в форме диска с отверстием по центру в форме лепестков и вторые электроды в форме кольца; пластины из полидиметилсилоксана, которыми накрывается описанная выше конструкция с обеих сторон. Приложенное переменное напряжение к электродам приводит к деформации ИПМК-актюаторов, которые деформируют эластичные мембраны, изменяя тем самым объем насосной камеры и давление в насосной камере и создавая поток рабочей жидкости через насосную камеру.Known valveless elastic MPN based on IPMC actuators (CN109899272A, publ. 06/18/2019), the design of which contains: the main part of the body in the form of a silica gel plate with a through cavity, input and output hydrodiodes and input and output ports; a pumping chamber formed by the cavity of the main body part and elastic membranes on both sides, to which the first ring-shaped electrodes, IPMC-actuators in the form of a disk with a hole in the center in the form of petals and the second electrodes in the form of ring shape; polydimethylsiloxane plates, which cover the structure described above on both sides. The applied alternating voltage to the electrodes leads to deformation of the IPMC actuators, which deform the elastic membranes, thereby changing the volume of the pumping chamber and the pressure in the pumping chamber and creating a flow of working fluid through the pumping chamber.
Недостатками известного бесклапанного эластичного МФН на основе ИПМК-актюаторов являются: сложность изготовления ИПМК-актюаторов, обусловленная особой формой ИПМК-актюаторов в виде диска с отверстием в форме лепестков; быстрое ухудшение рабочих характеристик насоса, обусловленное износом ИПМК-актюаторов за счет потери со временем пропитывающей их жидкости.The disadvantages of the known valveless elastic MPN based IPMK-actuators are: the complexity of manufacturing IPMK-actuators, due to the special form of IPMK-actuators in the form of a disk with a hole in the form of petals; rapid deterioration of the pump performance due to the wear of IPMC actuators due to the loss of the liquid impregnating them over time.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому техническому результату является бесклапанный мембранный МФН на основе ИПМК-актюатора (V.E. Kalyonov, Y.D. Orekhov, A.N. Shahabdin, A.P. Broyko, D.O. Testov. Valveless Microfluidic Pump Based on IPMC Actuator for Drug Delivery // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2020, pp. 1531–1534, https://ieeexplore.ieee.org/document/9039419). Корпус МФН состоит из четырех деталей из поликарбоната и полиметилметакрилата. Первая деталь корпуса содержит входной и выходной порты, которые могут быть подключены к внешним резервуарам. Вторая деталь корпуса содержит входной и выходной гидродиоды. Полость, расположенная в третьей детали корпуса, вместе с приклеенной латексной мембраной образует насосную камеру. Полость, расположенная в четвертой детали корпуса, вместе с приклеенной латексной мембраной образует актюаторную камеру. В четвертой детали корпуса имеется канал для заполнения актюаторной камеры водой, в которую погружен ИПМК-актюатор, один конец которого жестко зафиксирован между электродами, соединенными с проводами, что позволяет преодолеть проблему дегидратации ИПМК-актюатора. Кусок двусторонней клейкой ленты помещен под латексную мембрану в центре, где второй конец ИПМК-актюатора соединен с латексной мембраной. Для герметизации проложены резиновые уплотнители по контуру. Таким образом, МФН может работать в непрерывном режиме.The closest to the claimed technical solution in terms of technical essence and the achieved technical result is a valveless membrane MPN based on IPMC Actuator (V.E. Kalyonov, Y.D. Orekhov, A.N. Shahabdin, A.P. Broyko, D.O. Testov. Valveless Microfluidic Pump Based on IPMC Actuator for Drug Delivery // 2020 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus), 2020, pp. 1531–1534, https://ieeexplore.ieee.org/document/9039419). The body of the MPF consists of four parts made of polycarbonate and polymethyl methacrylate. The first body part contains inlet and outlet ports that can be connected to external tanks. The second part of the housing contains the input and output hydrodiodes. The cavity located in the third part of the housing, together with the glued latex membrane, forms the pumping chamber. The cavity located in the fourth part of the housing, together with the glued latex membrane, forms an actuator chamber. The fourth part of the housing has a channel for filling the actuator chamber with water, into which the IPMC actuator is immersed, one end of which is rigidly fixed between the electrodes connected to the wires, which makes it possible to overcome the problem of IPMC actuator dehydration. A piece of double-sided adhesive tape is placed under the latex membrane in the center where the other end of the IPMC actuator is connected to the latex membrane. For sealing, rubber seals are laid along the contour. Thus, the MFN can operate continuously.
Недостатком известного бесклапанного мембранного МФН на основе ИПМК-актюатора является изменение объема актюаторной камеры и давления в актюаторной камере при деформации латексной мембраны под действием ИПМК-актюатора, что приводит к уменьшению амплитуды отклонения ИПМК-актюатора, тем самым снижая надежность работы и срок службы МФН, а также скорость потока жидкости.The disadvantage of the known valveless membrane MPN based on the IPMC actuator is the change in the volume of the actuator chamber and the pressure in the actuator chamber when the latex membrane is deformed under the action of the IPMC actuator, which leads to a decrease in the deflection amplitude of the IPMC actuator, thereby reducing the reliability and service life of the MPN, as well as the fluid flow rate.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение надежности работы и срока службы бесклапанного мембранного МФН на основе ИПМК-актюатора, а также повышение скорости потока жидкости.The technical problem to be solved by the claimed invention is to increase the reliability and service life of a valveless membrane MPN based on the IPMC actuator, as well as to increase the fluid flow rate.
Поставленная техническая задача решается тем, что в бесклапанном мембранном микрофлюидном насосе, содержащем корпус, стенки которого образованы жесткосоединенными между собой деталями, входной и выходной порты, расположенные в первой детали корпуса, входной и выходной гидродиоды, насосную камеру, уплотнители, актюаторную камеру с ИПМК-актюатором внутри, один конец которого соединен с рабочей мембраной, расположенной между насосной и актюаторной камерами, а второй – жестко зафиксирован между электродами, соединенными с проводами, выполненными с возможностью подключения к генератору, входной и выходной гидродиоды расположены в первой детали корпуса, насосная камера образована внутренней полостью первой детали корпуса и рабочей мембраной, а между второй и третьей деталями корпуса размещена компенсирующая мембрана, причем актюаторная камера образована внутренней полостью второй детали корпуса, рабочей и компенсирующей мембранами, а внутренняя полость третьей детали корпуса и компенсирующая мембрана образуют воздушную камеру с отверстиями.The stated technical problem is solved by the fact that in a valveless membrane microfluidic pump containing a housing, the walls of which are formed by rigidly interconnected parts, inlet and outlet ports located in the first part of the housing, inlet and outlet hydrodiodes, a pump chamber, seals, an actuator chamber with IPMK- actuator inside, one end of which is connected to the working membrane located between the pump and actuator chambers, and the other end is rigidly fixed between the electrodes connected to the wires, configured to connect to the generator, the input and output hydrodiodes are located in the first part of the housing, the pump chamber is formed the internal cavity of the first part of the body and the working membrane, and between the second and third parts of the body there is a compensating membrane, and the actuator chamber is formed by the internal cavity of the second part of the body, the working and compensating membranes, and the internal cavity of the third part of the body and the compensating membrane form an air chamber with holes.
Формирование объема актюаторной камеры между эластичными мембранами (рабочей и компенсирующей) обеспечивает постоянный объем актюаторной камеры и постоянное давление в актюаторной камере за счет того, что при деформации рабочей мембраны под действием ИПМК-актюатора компенсирующая мембрана деформируется аналогично рабочей за счет своей эластичности. Поддержание постоянного объема актюаторной камеры и постоянного давления в актюаторной камере позволяет стабилизировать амплитуду отклонения ИПМК-актюатора, что повышает надежность работы и срок службы МФН, а также скорость потока жидкости.The formation of the volume of the actuator chamber between the elastic membranes (working and compensating) provides a constant volume of the actuator chamber and a constant pressure in the actuator chamber due to the fact that when the working membrane is deformed under the action of the IPMC actuator, the compensating membrane is deformed similarly to the working one due to its elasticity. Maintaining a constant volume of the actuator chamber and a constant pressure in the actuator chamber makes it possible to stabilize the deflection amplitude of the IPMC actuator, which increases the reliability of operation and service life of the MFP, as well as the fluid flow rate.
Совокупность признаков по п. 2, характеризующая бесклапанный мембранный микрофлюидный насос, в котором все детали корпуса выполнены методом 3D-печати фотополимерной смолой, обеспечивает уменьшение габаритных размеров насоса, так как такой способ изготовления позволяет изготовлять детали и структуры на них малых размеров.The set of features according to
Сущность изобретения поясняется фигурами, гдеThe essence of the invention is illustrated by the figures, where
на фиг. 1 изображена конструкция МФН;in fig. 1 shows the design of the MPN;
на фиг. 2 изображен чертеж МФН в поперечном разрезе;in fig. 2 shows a drawing of the MFN in cross section;
на фиг. 3 изображен чертеж МФН в продольном разрезе;in fig. 3 shows a drawing of the MFN in a longitudinal section;
на фиг. 4 приведена расчетная геометрия входного и выходного гидродиодов;in fig. 4 shows the calculated geometry of the input and output hydrodiodes;
на фиг. 5 показаны зависимости скорости потока воды от частоты синусоидального управляющего напряжения;in fig. 5 shows the dependence of the water flow rate on the frequency of the sinusoidal control voltage;
на фиг. 6 показана зависимость скорости потока воды от амплитуды синусоидального управляющего напряжения при частоте 0,4 Гц;in fig. 6 shows the dependence of the water flow rate on the amplitude of the sinusoidal control voltage at a frequency of 0.4 Hz;
на фиг. 7 показана зависимость обратного давления при перекачивании воды от амплитуды синусоидального управляющего напряжения при частоте 0,4 Гц.in fig. 7 shows the dependence of the back pressure when pumping water on the amplitude of the sinusoidal control voltage at a frequency of 0.4 Hz.
Бесклапанный мембранный МФН (фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3) содержит: первую деталь 1 корпуса, внутренняя полость которой вместе с рабочей мембраной 2 образует насосную камеру 3; входной и выходной гидродиоды 4 и 5, входной и выходной порты 6 и 7; вторую деталь 8 корпуса, внутренняя полость которой вместе с рабочей 2 и компенсирующей 9 мембранами образует актюаторную камеру 10, внутри которой расположен ИПМК-актюатор 11, представляющий собой консольный элемент, один конец которого соединен с рабочей мембраной 2 с помощью петли 12, а второй – жестко зафиксирован между электродами 13 и 14, соединенными с проводами 15; третью деталь 16 корпуса, внутренняя полость которой вместе с компенсирующей мембраной 9 образует воздушную камеру 17 с отверстиями 18; уплотнители 19 и 20.The valveless membrane MPF (Fig. 1, Fig. 2, Fig. 3) contains: the
ИПМК-актюатор 11 представляет собой трехслойную структуру, состоящую из пористой полимерной ионообменной мембраны и нанесенных на ее поверхность металлических электродов.IPMK-
Для изготовления деталей корпуса 1, 8 и 16 предпочтительно применение аддитивных технологий с использованием фотополимерной смолы в качестве материала для 3D-печати.For the manufacture of
Оптимальным решением для работы МФН является использование рабочей и компенсирующей мембран 2 и 9 без натяжения. Материалом для рабочей и компенсирующей мембран 2 и 9 служит эластичный материал, например латексная резина.The optimal solution for MFP operation is the use of working and compensating
Соединение ИПМК-актюатора 11 с рабочей мембраной 2 может быть обеспечено приклеиванием к рабочей мембране 2 пластиковой петли 12, в которую вставлен ИПМК-актюатор 11.The
Актюаторная камера 10 заполнена водой на этапе сборки насоса.The
В качестве материала уплотнителей 19 и 20 может использоваться упругий эластичный материал, например, резина на основе изопренового каучука.As the material of the
Электроды 13 и 14 имеют поперечный изгиб с сечением в форме полукольца, в который вставлена жила провода 15. Данная конструкция позволяет сделать электроды 13 и 14 подвижными, чтобы упростить установку ИПМК-актюатора 11 между ними. Также каждый электрод 13 и 14 имеет площадь, занимающую примерно треть площади электродов ИПМК-актюатора 11. Это способствует лучшему распределению электрического потенциала по электродам ИПМК-актюатора 11 и, как следствие, увеличению амплитуды отклонения ИПМК-актюатора 11.The
Воздушная камера 17, образованная внутренней полостью третьей детали 16 корпуса и компенсирующей мембраной 9, позволяет компенсирующей мембране 9 свободно прогибаться в направлении вниз вдоль оси 21, а отверстия 18 обеспечивают постоянство давления, равного давлению во внешней среде, в воздушной камере 17.The
Устройство работает следующим образом.The device works as follows.
Электроды 13 и 14 выполнены с возможностью подсоединения проводами 15 к генератору синусоидального напряжения 22, от которого подается синусоидальное управляющее напряжение. Зафиксированный между электродами 13 и 14 ИПМК-актюатор 11 под действием синусоидального управляющего напряжения изгибается таким образом, что соединенная с рабочей мембраной 2 подвижная часть ИПМК-актюатора 11 двигается периодически вдоль оси 21 в направлении вниз и вверх в соответствии с частотой синусоидального управляющего напряжения. Вслед за подвижной частью ИПМК-актюатора 11 деформируется соединенная с ним рабочая мембрана 2, что приводит к периодическому изменению давления в насосной камере 3. Изменение давления в насосной камере 3 создает поток жидкости через входной порт 6, насосную камеру 3 и выходной порт 7. Выпрямление потока жидкости осуществляется входным и выходным гидродиодами 4 и 5.The
Увеличение напряжения между электродами 13 и 14 так, что изменяемый потенциал электрода 13 оказывается отрицательным относительно постоянного потенциала электрода 14, приводит к тому, что ИПМК-актюатор 11 изгибается и его подвижная часть, соединенная с рабочей мембраной 2, движется вниз вдоль оси 21. Изгиб рабочей мембраны 2 вниз вдоль оси 21 приводит к увеличению объема насосной камеры 3, что способствует уменьшению давления в насосной камере 3 и накачке жидкости в насосную камеру 3, что соответствует режиму питания насоса. Через входной гидродиод 4 в насосную камеру 3 входит больший объем жидкости, чем через выходной гидродиод 5.An increase in voltage between
Увеличение напряжения между электродами 13 и 14 так, что изменяемый потенциал электрода 13 оказывается положительным относительно постоянного потенциала электрода 14, приводит к тому, что ИПМК-актюатор 11 и его подвижная часть, соединенная с рабочей мембраной 2, движется вверх вдоль оси 21. Изгиб рабочей мембраны 2 вверх вдоль оси 21 приводит к уменьшению объема насосной камеры 3, что способствует увеличению давления в насосной камере 3 и вытеснению жидкости из насосной камеры 3, что соответствует режиму накачки насоса. Через входной гидродиод 4 из насосной камеры 3 выходит меньший объем жидкости, чем через выходной гидродиод 5.An increase in voltage between
Изгиб рабочей мембраны 2 приводит к изгибу компенсирующей мембраны 9, что позволяет сохранять объем актюаторной камеры 10 и увеличивает амплитуду отклонения ИПМК-актюатора 11.The bending of the working
Изменение производительности насоса осуществляется двумя способами: уменьшением или увеличением частоты синусоидального управляющего напряжения в диапазоне 0…2 Гц; уменьшением или увеличением амплитуды синусоидального управляющего напряжения в диапазоне 0…10 В.Changing the pump performance is carried out in two ways: by decreasing or increasing the frequency of the sinusoidal control voltage in the range of 0 ... 2 Hz; decrease or increase in the amplitude of the sinusoidal control voltage in the range of 0 ... 10 V.
Пример реализации устройства.Device implementation example.
В качестве ИПМК-актюатора 11 использована структура размерами 8 × 3 × 0,3 мм, состоящая из мембраны МФ-4СК и платиновых электродов, нанесенных на поверхность мембраны химическим восстановлением из раствора соли платины.An 8 × 3 × 0.3 mm structure consisting of an MF-4SK membrane and platinum electrodes deposited on the membrane surface by chemical reduction from a platinum salt solution was used as the
Детали 1, 8 и 16 корпуса выполнены методом 3D-печати фотополимерной смолой.
Использованы рабочая и компенсирующая мембраны 2 и 9 без натяжения, выполненные из латексной резины.Used working and compensating
Использованы уплотнители 19 и 20, выполненные из резины на основе изопренового каучука толщиной 0,8 мм.Used seals 19 and 20, made of rubber based on isoprene rubber with a thickness of 0.8 mm.
Габаритные размеры предлагаемого бесклапанного мембранного МФН составляют 19 × 20 × 8 мм.The overall dimensions of the proposed valveless membrane MPN are 19 × 20 × 8 mm.
Входной и выходной гидродиоды 4 и 5 имеют следующие геометрические характеристики (фиг. 4): r = 0,15 мм, α = 9,46°, R = 0,35 мм, L = 1,2 мм, где r – радиус малого сечения, α – угол раскрытия, R – радиус большого сечения, L – продольная длина.The input and output hydrodiodes 4 and 5 have the following geometric characteristics (Fig. 4): r = 0.15 mm, α = 9.46°, R = 0.35 mm, L = 1.2 mm, where r is the radius of the small section, α is the opening angle, R is the radius of the large section, L is the longitudinal length.
Исследования скорости потока воды и обратного давления проводились при подаче синусоидального управляющего напряжения в диапазоне частот 0,1…1,6 Гц и в диапазоне амплитуд 1…10 В.Studies of the water flow rate and back pressure were carried out when a sinusoidal control voltage was applied in the frequency range of 0.1 ... 1.6 Hz and in the amplitude range of 1 ... 10 V.
Из фиг. 5 видно, что максимальные скорости потока воды достигаются на частоте 0,4 Гц при обеих амплитудах синусоидального управляющего напряжения (5 В – кривая 23, 8 В – кривая 24). Также видно, что при увеличении амплитуды синусоидального управляющего напряжения скорость потока нелинейно увеличивается при работе на тех же частотах. При дальнейшем увеличении частоты скорость потока уменьшается, и, чем выше амплитуда синусоидального управляющего напряжения, тем быстрее уменьшается скорость потока.From FIG. 5 shows that the maximum water flow rates are achieved at a frequency of 0.4 Hz for both amplitudes of the sinusoidal control voltage (5 V -
Из фиг. 6 видно, что скорость потока воды увеличивается с ростом амплитуды синусоидального управляющего напряжения, что обусловлено тем, что при большем приложенном напряжении ИПМК-актюатор 11 изгибается сильнее и вытесняет больший объем воды из насосной камеры 3.From FIG. It can be seen from Fig. 6 that the water flow rate increases with the increase in the amplitude of the sinusoidal control voltage, which is due to the fact that at a higher applied voltage, the
Из фиг. 7 видно, что обратное давление при перекачивании воды увеличивается с ростом амплитуды синусоидального управляющего напряжения, что обусловлено тем, что при большем приложенном напряжении ИПМК-актюатор 11 давит на рабочую мембрану 2 с большей силой.From FIG. 7 it can be seen that the back pressure during water pumping increases with the increase in the amplitude of the sinusoidal control voltage, which is due to the fact that at a higher applied voltage, the
В результате проведенных исследований было обнаружено, что максимальная скорость потока воды, которую развивает предлагаемый МФН, составляет 7,18 мкл/с при амплитуде синусоидального управляющего напряжения 10 В и частоте 0,4 Гц, в то время как прототип характеризуется максимальной скоростью 5,33 мкл/с. Максимальное обратное давление, создаваемое предлагаемым МФН при перекачивании воды, составляет 531 Па.As a result of the studies, it was found that the maximum flow rate of water, which the proposed MPN develops, is 7.18 µl/s with a sinusoidal control voltage amplitude of 10 V and a frequency of 0.4 Hz, while the prototype is characterized by a maximum speed of 5.33 µl/s. The maximum back pressure created by the proposed MPF when pumping water is 531 Pa.
Claims (2)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2782876C1 true RU2782876C1 (en) | 2022-11-07 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN203272034U (en) * | 2013-04-25 | 2013-11-06 | 东北大学 | Three-piston circulating miniature fluid pump driven by IPMC driving films |
RU2588905C2 (en) * | 2011-01-21 | 2016-07-10 | Биокартис Нв | Micropump or normally closed microvalve |
CN109899272A (en) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 河海大学常州校区 | A kind of flexible Micropump based on IPMC material |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2588905C2 (en) * | 2011-01-21 | 2016-07-10 | Биокартис Нв | Micropump or normally closed microvalve |
CN203272034U (en) * | 2013-04-25 | 2013-11-06 | 东北大学 | Three-piston circulating miniature fluid pump driven by IPMC driving films |
CN109899272A (en) * | 2019-04-02 | 2019-06-18 | 河海大学常州校区 | A kind of flexible Micropump based on IPMC material |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8308452B2 (en) | Dual chamber valveless MEMS micropump | |
KR100510224B1 (en) | Electroactive polymer actuator and diaphragm pump using the same | |
US9487387B2 (en) | System and methods for actuation using electro-osmosis | |
WO2003069159A1 (en) | Piezoelectrically driven fluid pump | |
CN111043005B (en) | Micropump based on capillary phenomenon and electrowetting phenomenon | |
CN110985333B (en) | Reversible micropump based on electrowetting phenomenon | |
CN108953123B (en) | A kind of micro-pump structure based on PVC-gel flexible drive | |
RU2782876C1 (en) | Valveless diaphragm microfluidic pump | |
CN1194800C (en) | Chip micro flow electroosmosis pump | |
US20020098098A1 (en) | Peristaltic pump | |
KR102655316B1 (en) | Pouch type soft actuator with hetero space charge layer and dielectric fluid | |
Wei et al. | A novel PDMS diaphragm micropump based on ICPF actuator | |
CN1249899C (en) | Mini type electroosmosis pump | |
CN111030418A (en) | Double-cavity micropump based on electrowetting phenomenon | |
RU175857U1 (en) | Piezoelectric micropump | |
EP1137884A1 (en) | Ferroelectric pump | |
KR100829930B1 (en) | Piezoelectric pump | |
KR20210118046A (en) | Membrane-electrode assembly for electroosmotic pump, electroosmotic pump and system for pumping of fluid comprising thereof | |
CN203867834U (en) | Cavity-valve integrated piezoelectric pump | |
CN108757408B (en) | Valveless piezoelectric pump | |
SU1432263A1 (en) | Electrostatic membrane pump | |
KR100582892B1 (en) | Micro pump | |
JP2011144692A (en) | Fluid transport device using conductive high polymer | |
CN108656102B (en) | Hydraulic-driven multi-degree-of-freedom deep sea mechanical arm and control method thereof | |
Park et al. | Micro fluid control system using homogeneous ER fluids (proposition of micro ER valve and basic experiments) |