TWM494843U - 薄膜幫浦組件 - Google Patents

Description

薄膜幫補組件

本新型是關於一種薄膜幫浦，尤其是指一種具凸型薄膜組件的薄膜幫浦。

在習知的薄膜幫浦中，於腔體的頂面設有薄膜，該薄膜的上方則平貼緊黏有驅動元件，此驅動元件通常為壓電片；藉此，在壓電片通電變形的同時，帶動薄膜產生形變，造成幫浦腔體的體積變化，進而產生流量。

薄膜式幫浦由於體積微小，其應用範圍包含醫療輸液產品、替代能源產品、散熱及其他先進檢測設備等。然而實際應用幫浦時，為了避免感染或檢測誤差，幫浦中與液體有接觸的腔體必須用後丟棄。傳統薄膜幫浦將驅動元件與薄膜黏死的設計，必須同時拋棄腔體與昂貴的驅動元件，使得壓電式薄膜幫浦在使用上成本高。因此，設計出腔體與驅動元件可分離式之薄膜幫浦。但一般的薄膜耐受性不足，若驅動元件與薄膜之間沒有黏膠，而直接撞擊於薄膜，則薄膜易於破裂，並且一般的薄膜回彈力不足，也會使腔體分離式的幫浦性能下降。

有鑑於此，本新型提供一種薄膜幫浦組件，其驅動元件與腔體可分離，並且具有回彈性高的凸型薄膜，藉以解決先前技術成本過 高並且性能不足的問題。

本新型提供一種薄膜幫浦組件，其包括有本體及薄膜。本體包括：基材、凹槽、進入管及輸出管。凹槽位於基材之表面，且進入管及輸出管皆連通於凹槽。薄膜區分為第一區域及第二區域。第一區域覆蓋於凹槽之開口，而第二區域連接於第一區域。其中，第一區域之上表面高於第二區域之上表面，即薄膜呈現凸型，藉以提升薄膜的回彈力、增加腔體體積變形量、提升幫浦效率，並且避免薄膜破裂。

本新型一實施例提供之薄膜幫浦組件，薄膜的第二區域圍繞第一區域，薄膜受力時，造成薄膜變形集中在第二區域，第一區域則不變形，如此可使得薄膜在下壓之後較易回彈到平衡位置。

本新型一實施例提供之薄膜幫浦組件，薄膜的第一區域之面積大於或等於開口面積的1/2、薄膜的第一區域之面積至少為開口面積的2/3、薄膜的第一區域之面積為開口面積的2/3~4/5，薄膜受力時，由於薄膜第一區域不易彎曲，在相同受力下可增加變形體積，提升幫浦的效率。

本新型一實施例提供之薄膜幫浦組件薄膜為一聚二甲基矽氧烷薄膜(PDMS，Polydimethyl siloxane)薄膜，並且第一區域之厚度為第二區域之厚度的二倍，才能使變形程度產生明顯區別。

本新型一實施例提供之薄膜幫浦組件，薄膜的第二區域之厚度大於0.2mm，較佳薄膜的第二區域之厚度介於0.3-0.5mm之間，若厚度不足則薄膜本身張力不足，因此薄膜無法回彈，無法產生穩定的流量。

本新型一實施例提供之薄膜幫浦組件更包括：傳力柱及驅動元件，傳力柱一端指向第一區域，驅動元件連接傳力柱的另一端，以帶動傳力柱來迫使薄膜反覆進入及離開凹槽，其中驅動元件可為陶磁壓電片。

本新型其中一實施例提供之薄膜幫浦組件，其中凹槽之內側壁面呈階段梯狀，並且第一區域之外環週部分固定於其中任一階段之上表面，將薄膜嵌置於基材之中，使得組裝程序簡化，並可以避免泄漏。

本新型其中一實施例提供之薄膜幫浦組件，其中本體更包括閥件，閥件包括閥本體、進入閥及輸出閥，閥本體連接於基材；進入閥位於進入管遠離凹槽之一端，進入閥嵌置於閥本體內近於基材的一面；輸出閥位於輸出管遠離凹槽之一端，輸出閥嵌置於基材遠離凹槽的一面，利用單向閥門的特性，提升幫浦的效能。

本新型另一實施例提供之薄膜幫浦組件，其中基材區分為上基材及下基材，上基材呈環狀中空，下基材連接於上基材，凹槽位於下基材之上表面，薄膜覆蓋於凹槽之上，並且夾設於上基材與下基材之間，利用壓制的方式固定各元件，可以減少粘劑的使用，提升組裝的便利性，並且利用壓制的方式來降低泄漏的機會。

請參考第1圖係本新型第一實施例之立體分解圖，本新型提供一種薄膜幫浦組件，幫浦組件的基本元件包括本體11及薄膜12。由於薄膜幫浦有各種實施與組合的形態，在第一實施例中的本體11還包括有閥件13，用來提升幫浦效率。

續參考第1圖及第2圖係本新型第一實施例之剖視圖。本體11包括：基材110、凹槽111、進入管112、輸出管113及閥件13。在本實施例中基材110略呈圓柱體，基材110的上表面具有凹槽111，凹槽111內側壁面呈階段梯狀，依高度由低到高分別為槽底111c、二階槽面111b及最高槽面111a，進入管112連通於凹槽111的槽底111c，輸出管113亦連通凹槽110的槽底111c。

由於薄膜幫浦是微幫浦的一種形態，通常腔體半徑介於2.25-7.5mm之間(但不以此為限)，腔體也就是指凹槽111與薄膜12之間所形成之腔室，由於薄膜幫浦的整體組件體積較小，為使加工更為容 易，在本實施例中，基材110是一呈扁圓柱形的塑膠體，基材110上設有凹槽111，並且在凹槽111的底面具有二個孔洞，分別為作為進入管112及輸出管113。在本實施例中進入管112之管徑大於輸出管113，如第1圖所示。

續參考第1圖，薄膜12完整覆蓋於凹槽111，薄膜12區分為第一區域121及第二區域122，第一區域121之上表面高於第二區域122之上表面，使得薄膜12剖面略呈凸型，如第2圖所示。

在本實施例中薄膜12尺寸大於槽底111c，但符合二階槽面111b之尺寸。換言之，也就是使薄膜12的第一區域121外環週部分固定於二階槽面111b之上表面，可以使得薄膜12與基材110之接合更穩定，並且藉由最高槽面111a的阻隔，避免薄膜12的左右位移。第二區域122連接於第一區域121，在本實施例中，第二區域122位於第一區域121的中央，換言之，第一區域121圍繞環設於第二區域122的週圍。第一實施例中，薄膜12為一體成型，但不以此為限，亦可以使用不同厚度或材質來相互連接。

續參考第1圖，薄膜幫浦的動力來源是驅動裝置90，驅動裝置90可以採用不同的致動方式，例如：壓電式、靜電式、熱驅動式、電磁式及形狀記憶合金式等。在本實施例中採用壓電式，壓電材料具良好的機械能與電能轉換特性，如果對壓電片施加電壓，壓電片會產生機械應力的振動，成為幫浦的動力來源。

驅動裝置90包括有傳力柱902及驅動元件901，驅動元件901在本實施例是為陶磁壓電片，驅動元件901連接傳力柱902的一端， 傳力柱902的另一端指向薄膜12的第一區域121，驅動元件901帶動傳力柱902來迫使薄膜12反覆進入及離開凹槽111。

傳力柱902基本上呈漸縮狀，於連接驅動元件901之一端面積較大，於定位抵貼薄膜12之一端面積較小。

當傳力柱902下壓時，帶動薄膜12壓縮凹槽111之空間以產生壓力。使位於凹槽111內部的流體或空氣被壓迫而從輸出管113流出。當傳力柱902上升時，傳力柱902不再壓迫薄膜12，而薄膜12回彈，凹槽111被壓縮之空間得到釋放，進而使在凹槽111內部壓力減小，因此，流體或空氣自輸入管112流入。藉著連續的上、下擺動作用，使得流體或空氣可循序漸進地進入與輸出。

在本實施例中本體11包括有閥件13，位於基材110遠離開凹槽111之另一面，請參考第1圖及第2圖，閥件13包括閥本體131、進入閥132及輸出閥133，進入閥132可以避免流體或空氣自進入管112流出，輸出閥133可以避免流體或空氣自輸出管113逆向迴流，保持流體的單向流通以提升幫浦的整體效能。

請參考第2圖所示，進入閥132嵌置於閥本體131近於基材110的一面，輸出閥133嵌置於基材110遠離凹槽111的一面，並且進入管112近凹槽111的一端管徑較大，另一端管徑較小。輸出管113近凹槽111端管徑較小，另一端管徑較大。

習知的幫浦薄膜呈平坦狀，不具有本新型的凸型結構，此時假設薄膜與凹槽之間形成的腔體容積為A，當薄膜受壓隨之形變時腔體的容積A’變小，而其形變量用r來表示，也就是A-A’=r。

請參考第3A圖係本新型之幫浦腔內體積示意圖，本新型之薄膜12具有第一區域121及第二區域122，第一區域121之上表面高於第二區域122之上表面，薄膜12與凹槽111之間形成的腔體容積為B。

參考第3B圖係本新型之幫浦腔內體積形變量示意圖，當傳力柱902將第一區域121下壓時，由於第一區域121厚度較厚，並且不易彎曲變形，使薄膜12的形變集中在增厚部分的周圍。也就是薄膜12的形變集中在第二區域122，如此可使得薄膜12在傳力柱902下壓之後較易回彈到平衡位置。

續參考第3B圖，當傳力柱902將第一區域121下壓時，凹槽111與薄膜12之間形成之腔體變小，腔體容積為B’。其形變量用R來表示，也就是B-B’=R。由於第一區域121不易彎曲變形，被傳力柱902下壓之後會佔據更多的腔體容積，因此，可以得知R>r，也就是本新型較習知的幫浦具有更佳的效能，每次驅動元件901的擺動可以造成較大的形變量，進而相同的擺動次數卻可以帶動更多的流量。

在本新型的薄膜幫浦組件之中，薄膜12的第一區域121及第二區域122彼此的關係與幫浦的效能有直接關係，下面將進行相關的討論：首先，薄膜12的第二區域122圍繞第一區域121。由於傳力柱902的下壓位置是在第一區域121，致使薄膜12的形變會集中在增厚部分的周圍。所以將第二區域122圍繞設置於第一區域121，也就是讓形變集中在第二區域122，可以使得薄膜12的回彈力提升，回彈力較均勻，回彈速率也較佳，得到比習知的幫浦更佳的效能。

第一區域121之面積大於或等於凹槽111之開口之面積的1/2。為達到提升效能，第一區域121之面積不能太小。較佳狀況下，第一區域121之面積至少為凹槽111之開口面積的2/3。最佳狀況下，第一區域121之面積為凹槽111之開口面積的2/3~4/5。換言之，在本實施例之中由於薄膜12為圓形，因此我們探討凹槽111之半徑a與第一區域121之半徑b之間的關係，並請參考第3圖。本實施例首先採用直徑(2a)為7.5mm之幫浦進行實測，所得之結果請參考第8a圖係本新型實施例之流量測試圖表。圖表之x軸表示壓電片振動頻率由0Hz到140Hz，y軸表示幫浦的流量由0~25g/min(克/分鐘)，▼表示薄膜直徑(2b)為7mm，○表示薄膜直徑(2b)為6mm，●表示薄膜直徑(2b)為5.25mm，由圖表可以看出當半徑比(b/a)在0.6~0.8之間時，薄膜幫浦都能有良好的流量表現，若是超出此範圍，如▼線段之半徑比為0.933，反而薄膜幫浦效能下降。請參考第8b圖，當採用直徑(2a)為10mm之幫浦進行實測時，亦可以得到與第8a圖類似的結果。

在本新型實施例中的第一區域121之厚度為第二區域122之厚度的至少二倍或二倍以上。由於傳力柱902直接撞擊在第一區域121上，第一區域121必須具有足夠的厚度，可避免破損的狀況發生。並且除了也可以提升腔體容積的形變量，提升幫浦效能之外，提升幫浦組件的耐受性。

在本新型實施例中薄膜12採用PDMS(Polydimethyl siloxane)材質，中文為聚二甲基矽氧烷。PDMS是一種類似透明的橡膠材料，具有高韌性。在其他實施例中亦可使用PI、矽膠、PE、金屬薄膜 等…彈性薄膜材質。在本實施例中若薄膜12的第二區域122過厚，例如超過1mm，則壓電片力量不足，無法產生足夠的下壓力使薄膜12產生形變。若薄膜12的第二區域122太薄，則本身張力不足，無法回彈，故無法產生穩定的流量。所以第二區域122之厚度至少必須大於0.2mm，較佳的狀況下第二區域122之厚度介於0.3-0.5mm之間，可以產生足夠的回彈力，使幫浦達到較佳的效能。

請參第4圖係本新型第二實施例之立體分解圖，本新型的第二實施例中，驅動元件901前端具有傳力柱902，傳力柱902對應到幫浦組件的薄膜之第一區域121。

請參考第5圖係本新型第二實施例之構造剖視圖，在本實施例中幫浦組件的基材11，包括有上基材110a及下基材110b，上基材110a呈環狀中空，下基材110b之上表面具有凹槽111，薄膜12覆蓋位於凹槽111之上，並且夾設於上基材110a與下基材110b之間。

薄膜12區分為較厚的第一區域121及較薄的第二區域122，第一區域121位於第二區域122的中央。下基材110b上設置有進入管112及輸出管113，進入管112與凹槽111之間具有進入閥132，使進入管112保持單向流動，輸出閥133位於輸出管113於遠離凹槽111的一側，換言之，也就是下基材110b的另一面具有輸出閥133，使輸出管113只能單向輸出，避免回流。

在本實施例中，本體11還包括有腔體環塊114、閥體壓制環116，腔體環塊114設置於下基材110b之凹槽111，且位於進入閥132之上，以壓制進入閥132，使進入管112僅容許流體自外部流入凹槽 111；閥體壓制環116位於下基材110b遠離凹槽111之另一面，且位於輸出閥133之上，以壓制輸出閥133，使輸出管113僅容許流體自凹槽111流向外部。

在本實施例中，本體11還包括有薄膜壓制環115，位於薄膜12上，以壓制薄膜12於凹槽111之上，並完整覆蓋凹槽111。

上述之腔體環塊114、閥體壓制環116及薄膜壓制環115，在進行材質挑選時，也可以選擇具有彈性的材質，可以使得壓制效果更提升，製造與組裝的過程更簡化，以降低成本，並且將各元件疊合鎖固後，由於其彈性也可以防止流體的洩漏。

請參考第6圖係本新型第三實施例之立體分解圖，幫浦組件呈方形，幫浦組件包括有薄膜12、上基材110a及下基材110b，並且薄膜12對應驅動裝置90。

參考第7圖係本新型第三實施例之構造分解圖，薄膜12區分為第一區域121及第二區域122，第一區域121之上表面高於第二區域122之上表面，其中薄膜12的第一區域121也配合凹槽111之形狀而呈現方形。在此實施例中利用上基材110a的中空部分與下基材110b的上表面疊置形成有凹槽111。換言之，凹槽111的深度也就是上基材110a的厚度，而下基材110b的上表面成為凹槽111的槽底。在本實施例中，上基材110a包括有第一區段進入管112a及第一區段輸出管113a，管道採用漸張/漸縮式的設計。

在幫浦排出的過程中，傳力柱902向下壓的作用力使薄膜12與凹槽111所形成之腔體的體積減小，腔體內的流體受擠壓而向兩端 排出，第一區段進入管112a是漸縮管，第一區段輸出管113a則是漸張管，流體經由漸張管排出的流量會大於經由漸縮管流出的流量，使得流體產生單向的流動。

下基材110b包括第二區段進入管112b及第二區段輸出管113b，由於漸張/漸縮式的管道設計使得第一區段進入管112a及第一區段輸出管113a產生不同的內壓力，而造成流體會經由第二區段進入管112b流向第一區段進入管112a，由第一區段輸出管流向第二區段輸出管113b。

雖然本新型的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本新型，任何熟習此技藝者，在不脫離本新型之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本新型的範疇內，因此本新型之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

11‧‧‧本體

110‧‧‧基材

110a‧‧‧上基材

110b‧‧‧下基材

111‧‧‧凹槽

111a‧‧‧最高槽面

111b‧‧‧二階槽面

111c‧‧‧槽底

112‧‧‧進入管

112a‧‧‧第一區段進入管

112b‧‧‧第二區段進入管

113‧‧‧輸出管

113a‧‧‧第一區段輸出管

113b‧‧‧第二區段輸出管

114‧‧‧腔體環塊

115‧‧‧薄膜壓制環

116‧‧‧閥體壓制環

12‧‧‧薄膜

121‧‧‧第一區域

122‧‧‧第二區域

13‧‧‧閥件

131‧‧‧閥本體

132‧‧‧進入閥

133‧‧‧輸出閥

90‧‧‧驅動裝置

901‧‧‧驅動元件

902‧‧‧傳力柱

2a‧‧‧直徑

2b‧‧‧薄膜直徑

g/min‧‧‧幫浦流量

Hz‧‧‧壓電片振動頻率

[第1圖]係本新型第一實施例之立體分解圖；[第2圖]係本新型第一實施例之剖視圖；[第3圖]係本新型之幫浦薄膜與腔體比例示意圖； [第3A圖]係本新型之幫浦腔內體積示意圖；[第3B圖]係本新型之幫浦腔內體積形變量示意圖；[第4圖]係本新型第二實施例之立體分解圖；[第5圖]係本新型第二實施例之構造剖視圖；[第6圖]係本新型第三實施例之立體分解圖；[第7圖]係本新型第三實施例之構造分解圖；[第8a圖]係本新型實施例之流量測試圖表；及[第8b圖]係本新型實施例之流量測試圖表。

11‧‧‧本體

110‧‧‧基材

111‧‧‧凹槽

111a‧‧‧最高槽面

111b‧‧‧二階槽面

111c‧‧‧槽底

112‧‧‧進入管

113‧‧‧輸出管

12‧‧‧薄膜

121‧‧‧第一區域

122‧‧‧第二區域

13‧‧‧閥件

131‧‧‧閥本體

132‧‧‧進入閥

133‧‧‧輸出閥

90‧‧‧驅動裝置

901‧‧‧驅動元件

902‧‧‧傳力柱

Claims (13)

1. 一種薄膜幫浦組件，包括：一本體，包括：一基材；一凹槽，位於該基材之表面；一進入管，連通於該凹槽；及一輸出管，連通該凹槽；及一薄膜，包括：一第一區域，覆蓋於該凹槽之開口；及一第二區域，連接於該第一區域，其中該第一區域之上表面高於該第二區域之上表面。
2. 如請求項1所述之薄膜幫浦組件，更包括：一傳力柱，一端指向該第一區域；及一驅動元件，連接該傳力柱的另一端，以帶動該傳力柱來迫使該薄膜反覆進入及離開該凹槽。
3. 如請求項2所述之薄膜幫浦組件，其中該凹槽之內側壁面呈階段梯狀，該第一區域之外環週部分固定於其中任一階段之上表面。
4. 如請求項2所述之薄膜幫浦組件，其中該本體更包括一閥件，包括：一閥本體，連接於該基材； 一進入閥，位於該進入管遠離該凹槽之一端，該進入閥嵌置於該閥本體近於該基材的一面；及一輸出閥，位於該輸出管遠離該凹槽之一端，該輸出閥嵌置於該基材遠離該凹槽的一面。
5. 如請求項2所述之薄膜幫浦組件，其中該基材更包括：一上基材，該上基材呈環狀中空；及一下基材，連接於該上基材，該凹槽位於該下基材之上表面，該薄膜覆蓋於該凹槽之上，並且夾設於該上基材與該下基材之間。
6. 如請求項1至5中之任一項所述之薄膜幫浦組件，其中該第二區域圍繞該第一區域。
7. 如請求項1至5中之任一項所述之薄膜幫浦組件，其中該第一區域之面積大於或等於該開口面積的1/2。
8. 如請求項7所述之薄膜幫浦組件，其中該第一區域之面積至少為該開口面積的2/3。
9. 如請求項8所述之薄膜幫浦組件，其中該第一區域之面積為該開口面積的2/3~4/5。
10. 如請求項1至5中之任一項所述之薄膜幫浦組件，其中該薄膜為一聚二甲基矽氧烷薄膜(PDMS，Polydimethyl siloxane)。
11. 如請求項10所述之薄膜幫浦組件，其中該第一區域之厚度為該第二區域之厚度的二倍。
12. 如請求項11所述之薄膜幫浦組件，其中第二區域之厚度大於0.2mm。
13. 如請求項12所述之薄膜幫浦組件，其中第二區域之厚度介於0.3-0.5mm之間。