一種微型隔膜泵的結(jié)構(gòu)設(shè)計及流量驗證分析

于海江，鄧 鉞，張 萌，程子昊

（1.河南駝人醫(yī)療器械集團(tuán)有限公司，河南 長垣 453400；2.河南省醫(yī)用高分子材料技術(shù)與應(yīng)用重點實驗室，河南 長垣 453400）

微型隔膜泵是一種由小型電機(jī)作為動力源，通過電機(jī)帶動傳動機(jī)構(gòu)做往復(fù)運(yùn)動，從而帶動硅膠隔膜做往復(fù)運(yùn)動，完成對液體介質(zhì)的運(yùn)送。結(jié)合自動補(bǔ)償算法，常用于設(shè)備中較精密流量的配比控制。

在醫(yī)療行業(yè)中，微型隔膜泵常作為關(guān)鍵零部件用于醫(yī)療整機(jī)設(shè)備中，為整機(jī)提供液體輸送及做到較精密流量的配比。

該微型隔膜泵特點在于，被輸送液體介質(zhì)在整個運(yùn)送過程中完全位于硅膠隔膜的一側(cè)，只與吸液閥、排液閥、泵殼及硅膠膜片的一側(cè)接觸。不觸碰傳動機(jī)構(gòu)及電機(jī)部分，保證了液體不易被污染和泄漏。該特點使得微型隔膜泵在醫(yī)藥生物設(shè)備、精細(xì)化工及航空航天等領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。

本文中設(shè)計了一種主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的微型隔膜泵，并針對該醫(yī)用微型隔膜泵進(jìn)行了流量測試試驗與分析。設(shè)計該微型隔膜泵的主要功用是根據(jù)系統(tǒng)需要進(jìn)行溶液配比，實際使用中要滿足以下兩點設(shè)計目標(biāo)：

（1）排液量根據(jù)實際需求可達(dá)到0～35 mL/min；

（2）能快速實現(xiàn)穩(wěn)定的流量輸出，且穩(wěn)定流量輸出誤差小于3%。

1 微型隔膜泵的流量計算

微型隔膜泵是通過隔膜的變形使泵腔內(nèi)壓力周期性變化，從而實現(xiàn)介質(zhì)的吸入和排出，因此很難對隔膜泵工作過程中的泵腔容積的變化進(jìn)行定量分析。由于在本設(shè)計中，隔膜泵主要是完成液體介質(zhì)的輸送，且工作壓力較小，因此假設(shè)在工作過程中液體不會被壓縮，且吸入和排出的液體體積相等，以此作為參考來設(shè)計微型隔膜泵的結(jié)構(gòu)。

假設(shè)泵腔處于極限位置時容積為V1，通過電機(jī)驅(qū)動運(yùn)行至另一極限位置時容積為V2，則在一個工作循環(huán)中隔膜泵吸排液體的體積為Vth=V2-V1，故每分鐘的排液量為：

式中：Sth為理論流速，單位為mL/min；Vth為單次吸排液容積變化，單位為mL；n為隔膜泵每分鐘工作循環(huán)次數(shù)。

為實現(xiàn)較為靈活且精確的排液參數(shù)，選擇步進(jìn)電機(jī)與絲桿的組合作為微型隔膜泵的驅(qū)動元件。同時為與系統(tǒng)相配合，設(shè)置電機(jī)驅(qū)動程序為每分鐘30個工作循環(huán)，則在單次工作循環(huán)中，泵腔可能的容積變化不應(yīng)小于1.167 mL。以下將依據(jù)此參數(shù)及要求進(jìn)行泵腔設(shè)計。

2 微型隔膜泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

硅橡膠材質(zhì)具有受溫度變化的影響較小、不易老化、較高的透明度和生理慣性大無致癌等一系列優(yōu)異特性，因此選符合生物相容性要求的硅橡膠作為隔膜材料；按結(jié)構(gòu)形態(tài)，隔膜分為平板隔膜、波紋隔膜、碟形隔膜和滾動隔膜，考慮到結(jié)構(gòu)緊湊要求，本次隔膜形狀設(shè)計為圓形平板結(jié)構(gòu)。在微型隔膜泵的隔膜運(yùn)動過程中，隔膜會產(chǎn)生明顯的彈性變形，隔膜可隨著電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)在泵腔中變形移動來完成吸排液。

考慮到隔膜材料變形量的限制，結(jié)合所選擇的電機(jī)與絲桿的傳動形式，設(shè)定變量h（即隔膜的表面至泵腔頂面的距離）在0～5 mm之間變化（圖1中為隔膜未變形時，h=2 mm）。選擇步進(jìn)電機(jī)參數(shù)選擇步距角1.8°；絲桿導(dǎo)程為2 mm，步長0.01 mm。

微型隔膜和泵腔設(shè)計的關(guān)鍵尺寸如圖1所示，由隔膜在泵腔內(nèi)變形移動帶來的最大容積變化不應(yīng)小于1.167 mL進(jìn)行估算可知，當(dāng)h約為4.4 mm時，微型隔膜泵的單次吸排液量可滿足要求。

圖1 微型隔膜和泵腔設(shè)計尺寸圖

設(shè)計的流量調(diào)節(jié)微型隔膜泵如圖2所示。其由步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲桿、絲桿螺母、隔膜推柄、驅(qū)動彈簧、隔膜、進(jìn)液閥口和出液閥口等組成。其工作原理是由滾珠絲桿傳動將步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)化為絲桿螺母的前后移動，隔膜推柄在驅(qū)動彈簧的回位壓力下緊貼絲桿螺母，從而隨著絲桿螺母的移動帶動隔膜變形，使泵腔體積發(fā)生變化，實現(xiàn)吸排液功能。

圖2 微型隔膜泵剖面示意圖

為使泵腔部分更好地密封，在泵腔上下與隔膜邊緣接觸部分設(shè)計凸棱結(jié)構(gòu)，上下凸棱與隔膜相配合，密封性更好。為實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的密封，將隔膜、隔膜推柄等部件隱藏在泵體內(nèi)部，設(shè)計端蓋壓緊進(jìn)液閥口與排液閥口的同時給予其密封。

本方案的另外關(guān)鍵因素還包括進(jìn)液閥口與排液閥口處的密封效果要好、匹配彈力合適的壓縮彈簧以及涉及的零件材質(zhì)要符合生物相容性要求等。保證良好的密封效果可以選用符合生物相容性要求的硅橡膠材質(zhì)O型密封圈；匹配彈力合適的壓縮彈簧要經(jīng)過理論計算，保證在微型隔膜泵使用過程中能順利打開進(jìn)液閥口與排液閥口。涉及到的上閥蓋、壓縮彈簧以及作用于進(jìn)液閥口與排液閥口的半球形硅橡膠等相關(guān)材質(zhì)同樣要符合生物相容性要求，且耐酸堿腐蝕。

3 微型隔膜泵的流量調(diào)節(jié)測試

3.1 微型隔膜泵流量隨電機(jī)行程變化

由于微型隔膜泵的流量不好直接測量，因此用已知密度的某種液體作為測試的工作介質(zhì)，測量在微型隔膜泵若干個工作循環(huán)前后的質(zhì)量變化，可以很方便地計算出微型隔膜泵流量。

假設(shè)微型隔膜泵在m個工作循環(huán)后，排出工作介質(zhì)的質(zhì)量由g1變化為g2，工作介質(zhì)的密度為ρ，微型隔膜泵每分鐘的工作循環(huán)次數(shù)為n，則微型隔膜泵的實際流量為：

在本次測試中選取蒸餾水作為測試實驗的工作介質(zhì)，考慮到前文計算中，h約為4.4 mm時微型隔膜泵可達(dá)到最大吸排液量，結(jié)合電機(jī)與絲桿的參數(shù)，制定測試方案如下：

（1）設(shè)定步進(jìn)電機(jī)行程從2 mm起，以步長0.2 mm取16個行程測試參數(shù)，即2 mm，2.2 mm，2.4 mm……4.8 mm，5 mm。

（2）對每一個行程參數(shù)，微型隔膜泵先進(jìn)行熱機(jī)，待輸出流量平穩(wěn)后，測量微型隔膜泵90個工作循環(huán)（即3 min）輸送蒸餾水的質(zhì)量，每個行程參數(shù)重復(fù)測量10次，并取10次測試的均值計算微型隔膜泵的流量。

微型隔膜泵流量隨電機(jī)行程的變化如圖3所示。從測試結(jié)果中可以看出，隨著電機(jī)行程的增加，微型隔膜泵的流量隨之增大，兩者幾乎成線性增長。對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合可得擬合方程為y=8.15x-0.477，擬合優(yōu)度R2=0.988，代入擬合方程計算可得，當(dāng)電機(jī)行程為4.35 mm時，微型隔膜泵可達(dá)到需求的最大流量，即35 mL/min。同時可以看到，使用所設(shè)計的微型隔膜泵可以在需求的流量范圍內(nèi)實現(xiàn)較為精細(xì)和準(zhǔn)確的流量輸出。

圖3 微型隔膜泵流量隨電機(jī)行程的變化

3.2 連續(xù)工作穩(wěn)定性測試

分別將電機(jī)行程設(shè)置為2.4 mm、3.0 mm、3.6 mm，微型隔膜泵不經(jīng)過熱機(jī)，開機(jī)直接連續(xù)工作1 h，每90個工作循環(huán)（即每隔3 min）測一次輸送蒸餾水的質(zhì)量變化，計算得微型隔膜泵的流量隨時間的變化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同電機(jī)行程微型隔膜泵流量隨時間的變化

從圖中可以看出，在不同的電機(jī)行程參數(shù)下，隨著隔膜泵的運(yùn)行，微型隔膜泵的流量逐漸增大，并在一段后逐漸穩(wěn)定，實現(xiàn)穩(wěn)定的流量輸出。

當(dāng)電機(jī)行程為2.4 mm時，代入前文中得到的擬合方程可得，微型隔膜泵的流量約為19.093 mL/min。當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第12 min時，此時的流量為18.634 mL/min，與理論穩(wěn)定狀態(tài)下的流量輸出誤差已小于3%；當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第27 min時，此時的流量為18.928 mL/min，與理論穩(wěn)定狀態(tài)下的流量輸出誤差已小于1%；33 min之后，微型隔膜泵的流量穩(wěn)定在19.093 mL/min附近。

當(dāng)電機(jī)行程為3.0 mm時，代入前文中得到的擬合方程可得，微型隔膜泵的流量約為23.985 mL/min。當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第18 min時，此時的流量為23.272 mL/min，與穩(wěn)定狀態(tài)下的流量輸出誤差已小于3%；當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第39 min時，此時的流量為23.794 mL/min，與穩(wěn)定狀態(tài)下的流量輸出誤差已小于1%；當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第45 min時，微型隔膜泵的流量逐步穩(wěn)定。

當(dāng)電機(jī)行程為3.6 mm時，代入前文中得到的擬合方程可得，微型隔膜泵的流量約為28.877 mL/min。當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第18 min時，此時的流量為28.157 mL/min，與穩(wěn)定狀態(tài)下的流量輸出誤差已小于3%；當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第42 min時，此時的流量為28.619 5 mL/min，與穩(wěn)定狀態(tài)下的流量輸出誤差已小于1%；當(dāng)微型隔膜泵運(yùn)行至第45 min時，微型隔膜泵的流量開始逐步穩(wěn)定。

由于本次設(shè)計的微型隔膜泵在實際工作中需跟隨系統(tǒng)連續(xù)使用，微型隔膜泵能夠不斷地縮小與穩(wěn)定狀態(tài)下的誤差，并快速達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這表明所設(shè)計的微型隔膜泵精度較高，流量控制穩(wěn)定，可靠性較高，可以滿足設(shè)計需求，實現(xiàn)精確配液控比。

4 結(jié)束語

本次主要應(yīng)用于醫(yī)療設(shè)備的微型隔膜泵的設(shè)計方案，以及根據(jù)設(shè)計方案做出的產(chǎn)品樣機(jī)，經(jīng)實際流量測試、分析，所設(shè)計的微型隔膜泵實際排液量可以達(dá)到0～35 mL/min，并能夠在此區(qū)間內(nèi)實現(xiàn)較為精細(xì)的輸出值；能夠快速達(dá)到穩(wěn)定流量輸出，且穩(wěn)定流量輸出誤差小，精度較高。