一种磁流体驱动泵及其驱动系统

1.本发明涉及医疗设备技术领域，涉及一种磁流体驱动泵及其驱动系统。


背景技术：

2.微泵可分为接触式微泵和无接触式微泵。接触式微泵主要依靠机械运动部件来直接传输、控制微流体，这类微泵结构复杂，制造成本高，且长期工作稳定性差。而无接触式微泵则是依靠各种物理作用或效应转变为微流体的动能，这类微泵，便携性强，适用领域广，但泵送流量较小，制作工艺复杂。
3.磁流体驱动泵是无接触式微泵的一种，磁驱泵是一种新型动力源，为精确快速运输流体提供了新的工具，除了流体运输精确快速特点，磁驱泵最为主要的是实现属于非牛顿液体驱动牛顿流体，是一种无轴泵，其主要应用于从药物运输、血液输送、生态微循环等方面驱动。
4.现有文献hatch a,kamholz a e,holman g,et al.a ferrofluidic magnetic micropump[j].journal of microelectromechanical systems,2001,10(2):215-221.中提出了一种关于磁流体驱动的使用方式，主要是使用传统的光刻技术在4英寸硅衬底上制作通道，结合玻璃材料完成腔室的制作，并通过磁流体塞来实现泵送和阀门的功能，从而制作出可驱动微量液体的微泵装置，由于磁流体同时提供阀门和泵送功能，所以该设备不需要微加工的移动部件，且能有效泵送包括颗粒负载、液体或气体等多种介质，但是其使用材料成本较高，无法实现量产。
[0005]
现有文献ashouri m,shafi m b,moosavi a.a ferrofluidic piston micropump[c]int conf.on artificiaintelligence,energy and manufacturing engineering-icaeme2014.2014.中提出了一种新型磁流体驱动微泵，其由一个微通道和两个磁流体塞组成，两个铁磁流体塞均放置在微通道内,其中一个铁磁流体塞同时作为进口阀和出口阀以保持一个入口或出口有效关闭，另一个铁磁流体塞作为驱动流体的往复活塞在矩形截面微通道内做往复运动。该微泵能有效实现流体的往复运动和断续泵送效果，且抑制了回流，但无法实现流体的连续单向泵送。
[0006]
现有文献ashouri m,shafi m b,moosavi a.theoretical and experimental studies of a magnetically actuatecvalveless micropumpj.jounal of micromechanics and microengineering,2016,27(1):015016中提供了一种新的微泵，泵体由三个扩散器元件、入口、出口和两端连接到泵室的泵缸组成，泵缸有一个矩形横截面，内部包括一个圆柱形永磁体作为活塞，磁性活塞上覆盖着铁磁流体；铁磁流体在永磁体和通道壁之间的缝隙中起到密封和润滑作用，电机驱动的永磁体作为外部致动器，活塞通过外部致动器的往复运动而移动。这种方式可有效增加微泵的流速，但是因该泵的开断需要较长时间，故仍无法进行连续性的泵送。
[0007]
综上，现有技术中存在的技术缺陷如下：
[0008]
(1)回流问题。
[0009]
(2)磁驱泵流场泵送不稳定，无法实现连续泵送。
[0010]
(3)结构复杂，制作成本高。
[0011]
(4)适用范围小。
[0012]
(5)泵送流量小。
[0013]
(6)磁流体直接接触被泵送流体，造成污染。


技术实现要素：

[0014]
为了克服以上技术问题，本发明目的是提供一种磁流体驱动泵及其驱动系统，其利用磁流体做活塞，永磁体为驱动装置来设计磁流体驱动泵，其结构简单，能有效抑制了回流，增大了泵送流量，加强泵送的稳定性。
[0015]
本发明提供了如下的技术方案：
[0016]
第一方面
[0017]
本发明提供了一种磁流体驱动泵，
[0018]
其包括扁圆柱形密闭的外壳(1)，其内设有第一无磁挡板(4)和第二无磁挡板(5)，所述第一、二无磁挡板(4)的上下面均与所述外壳(1)上下内壁密封连接，所述外壳(1)内、第一无磁挡板(4)和第二无磁挡板(5)外的空腔形成流道(3)，所述第二无磁挡板(5)的横截面为锥形，所述锥形的底边与所述外壳(1)的内侧壁密封连接，所述锥形的锥尖与所述外壳(1)的圆心重合；所述锥尖外设有第一无磁挡板(4)；所述第二无磁挡板(5)的两端的外壳(1)上分别设有朝外的供流体进入的入口端(6)和供流体流出的出口端(7)；
[0019]
所述第二无磁挡板(5)与所述第一无磁挡板(4)之间的所述流道(3)形成第一流道，所述第一无磁挡板(4)与所述外壳(1)内壁之间的所述流道(3)形成第二流道；所述流道(3)内设有磁流体(9)，所述磁流体(9)通过设于所述外壳(1)外下方的驱动装置驱动；所述磁流体(9)经过所述第一流道和所述第二流道两个通道驱动自入口端(6)进入的流体经过所述流道(3)至所述出口端(7)流出，所述磁流体(9)仅经过所述第一流道返回。
[0020]
上述实施方式中，驱动泵中的磁流体和驱动装置相互分离设置，利用永磁体控制磁流体在流道内形成液柱或液片，作为内部流体泵送的活塞；非接触式的设计，增大了磁流体泵内部流道大小；圆形挡板和锥形的无磁挡板，防止出口处的液体回流至入口，实现了液体在流道内的稳定流动。
[0021]
在磁流体驱动泵腔内第一无磁挡板两侧形成了靠近外壳圆心的第一流道和靠近外壳外壁的第二流道，在泵送第一阶段，双流道的设计能增加泵送流量，磁流体可以通过第一流道回程，再进行第二轮泵送，在泵送第二阶段，磁流体充满第一流道和第二流道，能够阻止被泵送液体的回流。双流道系统设计还有助于泵送的稳定性，且具有灵活性，能够根据应用的需要调整流道大小。
[0022]
根据一些实施方式，所述第一无磁挡板(4)的横截面为圆形。
[0023]
根据一些实施方式，所述第一无磁挡板(4)和所述第二无磁挡板(5)关于锥尖与所述第一无磁挡板(4)的圆心的连线左右对称。
[0024]
上述实施方式中，对称式的设计结构便于磁流体驱动流体流动，样式简洁，且便于制造。
[0025]
根据一些实施方式，所述驱动装置包括设于所述外壳(1)下的永磁铁(2)，所述永
磁铁(2)通过连接杆(10)连接于位于所述外壳(1)圆心处的电机(8)的转轴，电机(8)驱动所述永磁铁(2)围绕所述外壳(1)的圆心旋转。
[0026]
上述实施方式中，驱动装置结构简洁，成本较低。
[0027]
根据一些实施方式，所述连接杆(10)一端固定于所述电机(8)的转轴处，一端固定于圆形的所述永磁铁(2)的圆心处，所述连接杆(10)的长度为l1，所述永磁体(2)的半径为l2，所述外壳(1)的半径为l，l-l2≤l1≤l+l2。
[0028]
上述实施方式中，连接杆为连杆轴式，连杆轴式的优势在于它可以承受较高的载荷和扭矩，尤其是能够经受大量的往复运动，连杆轴设计可以提供高效的转换效率，将输入扭矩和转速转换为所需的输出。l-l2≤l1≤l+l2的参数设置，通过永磁铁能将磁流体贴住外壳的内壁面流动，形成磁流体活塞，推动液体流动。
[0029]
根据一些实施方式，制造所述外壳(1)的材质选自聚甲基丙烯酸甲酯。
[0030]
根据一些实施方式，所述第二无磁挡板(5)的横截面锥形的侧边为朝向椎体内的弧形。
[0031]
在上述实施方式中，锥形的侧边为向内的弧形，可扩大流道体积，外壳内容纳的流体体积更大。
[0032]
根据一些实施方式，所述外壳(1)内中部设有与所述外壳(1)的四周密闭连接的隔膜(15)，所述流道(3)分隔为上流道和下流道，所述入口端(6)和出口端(7)均设于上流道上，所述磁流体(9)设于下流道中。
[0033]
根据一些实施方式，所述入口端(6)设有控制流体单向流入的单向阀(16)。
[0034]
第二方面
[0035]
本发明还提供了一种包括上述任一所述磁流体驱动泵的驱动系统，其包括连接电源(12)的电机控制单元(11)、数据采集装置(13)和服务器(14)，所述电机控制单元(11)与所述电机(8)、电源(12)相连，电源(12)用于供电，所述电机控制单元(11)控制所述电机(8)的转向和转速；所述数据采集装置(13)采集所述出口端(7)的流体流量及压力信息，并将采集到的信息传输至所述服务器(14)。
[0036]
相比于现有技术，本发明具备以下有益效果：
[0037]
本发明提供了一种磁流体驱动泵及其驱动系统，其磁流体和驱动装置相互分离，利用永磁体控制磁流体在流道内形成液柱或液片，作为内部流体泵送的活塞；非接触式的设计，增大了磁流体泵内部流道大小；圆形挡板和锥形的无磁挡板，防止出口处的液体回流至入口，实现了液体在流道内的稳定流动；外加电机控制单元能通过控制永磁铁转速来控制泵送流量；数据采集装置能有效监测泵送压力、流量数据信息；隔膜避免磁流体直接接触流体，造成流体污染。
附图说明
[0038]
图1为本发明提供的实施例一的横截面示意图。
[0039]
图2为本发明提供的实施例一的工作连接示意图。
[0040]
图3为本发明提供的实施例一的磁流体被永磁铁驱动时液体流动示意图。
[0041]
图4为本发明提供的实施例二的隔膜示意图。
[0042]
附图标记为：
[0043]
1、外壳；2、永磁铁；3、流道；4、第一无磁挡板；5、第二无磁挡板；6、入口端；7、出口端；8、电机；9、磁流体；10、连接杆；11、电机控制单元；12、电源；13、数据采集装置；14、服务器；15、隔膜；16、单向阀。
具体实施方式
[0044]
以下结合实施例和附图对本发明进行详细描述，但需要理解的是，所述实施例和附图仅用于对本发明进行示例性的描述，而并不能对本发明的保护范围构成任何限制。所有包含在本发明的发明宗旨范围内的合理的变换和组合均落入本发明的保护范围。
[0045]
本发明提供的一种磁流体驱动泵，包含单个磁流体活塞，双无磁挡板，利用电机来带动永磁体进行工作。
[0046]
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
[0047]
实施例一
[0048]
如图1所示，在本实施例中，磁流体驱动泵包含了扁圆柱形的pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)密闭的外壳1，外壳1半径为22mm，其透明度高，便于观测内部流态，价格低，便于加工。外壳1内设有横截面为锥形的第二无磁挡板5，锥形的底边与外壳1的圆弧重合，锥形的锥尖与圆柱形外壳1的的圆心重合，锥形的两条侧边为朝向椎体内的弧形，在第二无磁挡板5沿圆弧外壁面两端分别设有供高压液体出入的入口端6和出口端7，第二无磁挡板5将入口端6和出口端7分离开，阻止了出口端7液体回流；外壳1内还设有圆形的第一无磁挡板4，第二无磁挡板5的锥形的锥尖正对第二无磁挡板4的圆心，即圆形的第一无磁挡板4和锥形的第二无磁挡板5关于第二无磁挡板5的锥形中心线对称；外壳1、第一无磁挡板4和第二无磁挡板5之间的空腔形成流道3，其中，第二无磁挡板5与第一无磁挡板4之间形成第一流道，第一无磁挡板4与外壳1内壁之间形成第二流道；流道3中设置磁流体9作为活塞来泵送液体。
[0049]
在图2中，外壳1外部，在外壳1的圆心处下方，固定设有电机8，电机8通过连接杆10与永磁铁2相连，带动永磁铁2绕圆心转动，永磁铁2的半径为8mm。在本实施例中，外壳1的内腔包括做功通道(做功时第一流道和第二流道共同作为做功通道)和回程通道(回程是第一流道作为回程通道)，磁流体9在流道3当中循环运动，在做功通道内做功然后从回程通道返回，周而复始。永磁铁2吸附外壳1内的磁流体9，为了增加第二无磁挡板5下通道内流体的流速，将永磁铁2设置在半径为19cm的轨道上逆时针驱动磁流体9在流道3内绕过第一、二无磁挡板转动，磁流体9进而驱动高压液体自入口端6向出口端7流动，从而实现连续泵送。电机8通过电机控制单元11连接电源12，电机控制单元11可对电机8进行转速控制，以调整磁流体驱动泵的驱动速度，及泵送流量大小。磁流体驱动泵的出口端7向外连接有采集流量及压力数据的数据采集装置13，数据采集装置连接有服务器14，用于实时监测磁流体驱动泵的工作性能。
[0050]
工作时，电机8在电机控制单元11的控制下通过其刚性轴带动永磁铁2逆时针旋转，构成磁流体泵外驱动部分；流道3、圆盘形无磁挡板4、锥形无磁挡板5构成磁流体泵主体部分，永磁铁2产生磁场吸附住流道3中磁流体9，磁流体9受到永磁铁2驱动变化为液柱或液片。如图3空白区域为流道区域，阴影区域为磁流体液片；磁流体驱动泵外驱动部分与磁流体泵主体部分相互独立，靠磁场部分相互作用，在电机8带动下磁流体9的液柱或液片旋转使被输送介质旋转产生压力、速度，从而将被介质输送目的位置，从而达到泵送的目的。在
本实施例中，图3.a为初始阶段，入口端6高压流体流入流道3，磁流体9在永磁铁2的带动下，沿流道3推动高压流体流动；图3.b为第二阶段，磁流体9在永磁铁2的带动下推动液体流动，呈现为不规则的液柱或液片状；图3.c为第三阶段，磁流体9推动液体经过第一、二通道；图3.d为第四阶段，磁流体9推动流体进入流道3的右侧；图3.e为第五阶段，磁流体9推动流体沿弧形壳壁流向出口端7；图3.f为最后阶段，磁流体9将流体完全推动至出口端7，磁流体9沿第一、二流道回到第一阶段，开始第二轮泵送。
[0051]
实施例二
[0052]
在实施例1中，如图3所示，磁流体9与被泵送液体直接接触，可能会污染被泵送流体。如图4所示，本实施例中，在实施例1的基础上，在磁流体驱动泵内部中间加入隔膜15，隔膜15将磁流体9与被泵动液体分隔开，隔膜15下方为磁流体9，上方为被泵送液体，由于磁流体挤压隔膜会导致部分高压流体回流至入口，为了防止回流，在入口端6加装了只能单向流入的单向阀16。隔膜15选自柔性的疏水薄膜材料。
[0053]
本实施例中，连接杆10为19mm长，永磁铁2在电机8的带动下沿半径为19mm的轨道吸附磁流体磁流体在隔膜15下方推动隔膜15上方的高压流体从入口端6沿流道3到出口端7，有效解决了污染问题，并且能实现连续泵送。
[0054]
以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种磁流体驱动泵，其包括扁圆柱形密闭的外壳(1)，其内设有第一无磁挡板(4)和第二无磁挡板(5)，所述第一、二无磁挡板(4)的上下面均与所述外壳(1)上下内壁密封连接，所述外壳(1)内、第一无磁挡板(4)和第二无磁挡板(5)外的空腔形成流道(3)，其特征在于：所述第二无磁挡板(5)的横截面为锥形，所述锥形的底边与所述外壳(1)的内侧壁密封连接，所述锥形的锥尖与所述外壳(1)的圆心重合；所述锥尖外设有第一无磁挡板(4)；所述第二无磁挡板(5)的两端的外壳(1)上分别设有朝外的供流体进入的入口端(6)和供流体流出的出口端(7)；所述第二无磁挡板(5)与所述第一无磁挡板(4)之间的所述流道(3)形成第一流道，所述第一无磁挡板(4)与所述外壳(1)内壁之间的所述流道(3)形成第二流道；所述流道(3)内设有磁流体(9)，所述磁流体(9)通过设于所述外壳(1)外下方的驱动装置驱动；所述磁流体(9)经过所述第一流道和所述第二流道两个通道驱动自入口端(6)进入的流体经过所述流道(3)至所述出口端(7)流出，所述磁流体(9)仅经过所述第一流道返回。2.根据权利要求1所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述第一无磁挡板(4)的横截面为圆形。3.根据权利要求2所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述第一无磁挡板(4)和所述第二无磁挡板(5)关于锥尖与所述第一无磁挡板(4)的圆心的连线左右对称。4.根据权利要求1所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述驱动装置包括设于所述外壳(1)下的永磁铁(2)，所述永磁铁(2)通过连接杆(10)连接于位于所述外壳(1)圆心处的电机(8)的转轴，所述电机(8)驱动所述永磁铁(2)围绕所述外壳(1)的圆心旋转。5.根据权利要求4所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述连接杆(10)一端固定于所述电机(8)的转轴处，一端固定于圆形的所述永磁铁(2)的圆心处，所述连接杆(10)的长度为l1，所述永磁体(2)的半径为l2，所述外壳(1)的半径为l，l-l2≤l1≤l+l2。6.根据权利要求1所述磁流体驱动泵，其特征在于：制造所述外壳(1)的材质选自聚甲基丙烯酸甲酯。7.根据权利要求1所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述第二无磁挡板(5)的横截面锥形的侧边为朝向椎体内的弧形。8.根据权利要求1所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述外壳(1)内中部设有与所述外壳(1)的四周密闭连接的隔膜(15)，所述流道(3)分隔为上流道和下流道，所述入口端(6)和出口端(7)均设于上流道上，所述磁流体(9)设于下流道中。9.根据权利要求8所述磁流体驱动泵，其特征在于：所述入口端(6)设有控制流体单向流入的单向阀(16)。10.一种包括如权利要求1～9任一所述磁流体驱动泵的驱动系统，其特征在于：包括连接电源(12)的电机控制单元(11)、数据采集装置(13)和服务器(14)，所述电机控制单元(11)与所述电机(8)、电源(12)相连，电源(12)用于供电，所述电机控制单元(11)控制所述电机(8)的转向和转速；所述数据采集装置(13)采集所述出口端(7)的流体流量及压力信息，并将采集到的信息传输至所述服务器(14)。

技术总结
本发明涉及医疗设备领域，其公开了一种磁流体驱动泵及其驱动系统，驱动泵包括扁圆柱形密闭的外壳1，其内设有第一无磁挡板4和第二无磁挡板5，外壳1内、第一无磁挡板4和第二无磁挡板5外的空腔形成流道3，第二无磁挡板5的横截面为锥形，锥形的锥尖与外壳1的圆心重合；锥尖外设有第一无磁挡板4；磁流体9经过第一流道和第二流道两个通道驱动自入口端6进入的流体经过流道3至出口端7流出，磁流体9仅经过第一流道返回。本发明利用永磁体控制磁流体在流道内形成液柱或液片，作为内部流体泵送的活塞；磁流体泵内部流道较大；圆形挡板和锥形的无磁挡板，防止出口处的液体回流至入口，实现了液体在流道内的稳定流动。在流道内的稳定流动。在流道内的稳定流动。


技术研发人员：李正贵 朱国庆 李望旭 卿杰 王冶
受保护的技术使用者：西华大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/7/18