RU2782876C1 - Valveless diaphragm microfluidic pump - Google Patents

Valveless diaphragm microfluidic pump Download PDF

Info

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
Application number
RU2022104035A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Вагаршак Мгерович Айвазян
Камиль Газинурович Гареев
Александр Маратович Карелин
Виктор Викторович Лучинин
Юрий Дмитриевич Орехов
Степан Евгеньевич Парфенович
Дмитрий Олегович Тестов
Олег Анатольевич Тестов
Иван Константинович Хмельницкий
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И.Ульянова (Ленина)
Application granted granted Critical
Publication of RU2782876C1 publication Critical patent/RU2782876C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medical equipment.
SUBSTANCE: invention relates to medical equipment, namely 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. Valveless membrane microfluidic pump contains a housing, the walls of which are formed by parts rigidly connected to each other, inlet and outlet ports located in the first part of the housing, inlet and outlet hydrodiodes, a pump chamber, seals, an actuator chamber with an actuator made of an ionic polymer-metal composite inside, which is console element. One end of the actuator is connected to a working membrane made of an elastic material and located between the pump and actuator chambers, and the other end is rigidly fixed between the electrodes connected to the wires that can be connected to the generator. The inlet and outlet hydrodiodes are located in the first body part, the pumping chamber is formed by the internal cavity of the first body part and the working membrane. Between the second and third parts of the body there is a compensating membrane made of an elastic material, 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. In a valveless diaphragm microfluidic pump, all body parts can be 3D printed with photopolymer resin.
EFFECT: increasing the reliability and service life of a valveless membrane MFP based on the IPMC actuator, as well as increasing the fluid flow rate.
2 cl, 7 dwg

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 claim 2, which characterizes a valveless membrane microfluidic pump, in which all body parts are made by 3D printing with photopolymer resin, reduces the overall dimensions of the pump, since this manufacturing method makes it possible to manufacture small parts and structures on them.

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 first part 1 of the body, the inner cavity of which, together with the working membrane 2, forms a pumping chamber 3; input and output hydrodiodes 4 and 5, input and output ports 6 and 7; the second part 8 of the housing, the internal cavity of which, together with the working 2 and compensating 9 membranes, forms an actuator chamber 10, inside which the IPMK-actuator 11 is located, which is a cantilever element, one end of which is connected to the working membrane 2 using a loop 12, and the other - rigidly fixed between electrodes 13 and 14 connected to wires 15; the third part 16 of the body, the inner cavity of which together with the compensating membrane 9 forms an air chamber 17 with holes 18; seals 19 and 20.

ИПМК-актюатор 11 представляет собой трехслойную структуру, состоящую из пористой полимерной ионообменной мембраны и нанесенных на ее поверхность металлических электродов.IPMK-actuator 11 is a three-layer structure consisting of a porous polymeric ion-exchange membrane and metal electrodes deposited on its surface.

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 body parts 1, 8 and 16, it is preferable to use additive technologies using photopolymer resin as a material for 3D printing.

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 membranes 2 and 9 without tension. The material for the working and compensating membranes 2 and 9 is an elastic material, such as latex rubber.

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 IPMC actuator 11 is connected to the working membrane 2 by gluing a plastic loop 12 to the working membrane 2, into which the IPMC actuator 11 is inserted.

Актюаторная камера 10 заполнена водой на этапе сборки насоса.The actuator chamber 10 is filled with water at the pump assembly stage.

В качестве материала уплотнителей 19 и 20 может использоваться упругий эластичный материал, например, резина на основе изопренового каучука.As the material of the seals 19 and 20, an elastic elastic material, such as rubber based on isoprene rubber, can be used.

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 electrodes 13 and 14 have a transverse bend with a semi-circular cross section, into which the core of the wire 15 is inserted. This design makes it possible to make the electrodes 13 and 14 movable in order to simplify the installation of the IPMC actuator 11 between them. Also, each electrode 13 and 14 has an area that occupies about a third of the area of the electrodes of the IPMC actuator 11. This contributes to a better distribution of the electric potential over the electrodes of the IPMC actuator 11 and, as a result, an increase in the deviation amplitude of the IPMC actuator 11.

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 air chamber 17, formed by the internal cavity of the third body part 16 and the compensating membrane 9, allows the compensating membrane 9 to freely bend downwards along the axis 21, and the holes 18 ensure a constant pressure equal to the pressure in the external environment in the air chamber 17.

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 electrodes 13 and 14 are configured to be connected by wires 15 to a sinusoidal voltage generator 22, from which a sinusoidal control voltage is supplied. Fixed between electrodes 13 and 14, the IPMC actuator 11 bends under the action of a sinusoidal control voltage in such a way that the movable part of the IPMC actuator 11, connected to the working membrane 2, moves periodically along the axis 21 in the direction down and up in accordance with the frequency of the sinusoidal control voltage. Following the moving part of the IPMC actuator 11, the working membrane 2 connected to it is deformed, which leads to a periodic change in pressure in the pump chamber 3. The change in pressure in the pump chamber 3 creates a fluid flow through the inlet port 6, the pump chamber 3 and the outlet port 7. Straightening the liquid flow is carried out by the input and output hydrodiodes 4 and 5.

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 electrodes 13 and 14 so that the variable potential of electrode 13 turns out to be negative relative to the constant potential of electrode 14 leads to the fact that the IPMC actuator 11 bends and its movable part, connected to the working membrane 2, moves down along axis 21. Bending working membrane 2 down along the axis 21 leads to an increase in the volume of the pump chamber 3, which contributes to a decrease in pressure in the pump chamber 3 and pumping fluid into the pump chamber 3, which corresponds to the power supply of the pump. A larger volume of liquid enters the pumping chamber 3 through the inlet hydrodiode 4 than through the outlet hydrodiode 5.

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 electrodes 13 and 14 so that the variable potential of electrode 13 turns out to be positive relative to the constant potential of electrode 14 leads to the fact that the IPMC actuator 11 and its movable part connected to the working membrane 2 move upward along the axis 21. The bending of the working membrane 2 upwards along axis 21 leads to a decrease in the volume of the pump chamber 3, which contributes to an increase in pressure in the pump chamber 3 and displacement of fluid from the pump chamber 3, which corresponds to the pumping mode of the pump. Through the inlet hydrodiode 4, a smaller volume of liquid leaves the pumping chamber 3 than through the outlet hydrodiode 5.

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 membrane 2 leads to the bending of the compensating membrane 9, which makes it possible to preserve the volume of the actuator chamber 10 and increase the amplitude of the deflection of the IPMC actuator 11.

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 IPMC actuator 11.

Детали 1, 8 и 16 корпуса выполнены методом 3D-печати фотополимерной смолой.Parts 1, 8 and 16 of the body are made by 3D printing with photopolymer resin.

Использованы рабочая и компенсирующая мембраны 2 и 9 без натяжения, выполненные из латексной резины.Used working and compensating membranes 2 and 9 without tension, made of latex rubber.

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 - curve 23, 8 V - curve 24). It can also be seen that as the amplitude of the sinusoidal control voltage increases, the flow rate increases non-linearly when operating at the same frequencies. With a further increase in frequency, the flow rate decreases, and the higher the amplitude of the sinusoidal control voltage, the faster the flow rate decreases.

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 IPMC actuator 11 bends more and displaces a larger volume of water from the pump chamber 3.

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 IPMC actuator 11 presses on the working membrane 2 with greater force.

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)

1. Бесклапанный мембранный микрофлюидный насос, содержащий 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 актюатором из ионного полимер-металлического композита внутри, представляющим собой консольный элемент, один конец которого соединен с рабочей мембраной, расположенной между насосной и актюаторной камерами, а второй конец жестко зафиксирован между электродами, соединенными с проводами, выполненными с возможностью подключения к генератору, отличающийся тем, что 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.1. 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 an actuator made of an ionic polymer-metal composite inside , which is a cantilever element, 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, made with the possibility of connecting to the generator, characterized in that the input and output hydrodiodes are located in of the first part of the housing, the pumping chamber is formed by the internal cavity of the first part of the housing and the working membrane, and between the second and third parts of the housing there is a compensating membrane, and the actuator chamber is formed by the internal cavity of the second part of the housing, the working and compensating membranes, and the outer the morning cavity of the third body part and the compensating membrane form an air chamber with holes. 2. Бесклапанный мембранный микрофлюидный насос по п. 1, отличающийся тем, что все детали корпуса выполнены методом 3D-печати фотополимерной смолой.2. Valveless diaphragm microfluidic pump according to claim 1, characterized in that all parts of the body are made by 3D printing with photopolymer resin.
RU2022104035A 2022-02-16 Valveless diaphragm microfluidic pump RU2782876C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2782876C1 true RU2782876C1 (en) 2022-11-07

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)