由聚合物换能器提供动力的泵的制作方法

专利名称：由聚合物换能器提供动力的泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种流体泵，其用于将流体介质从泵的入口转移到泵的出口，该泵包 括外壳和换能器，外壳在入口与出口之间形成路径，该换能器被布置成产生泵送作用以使 流体移动通过该路径。
背景技术：
排量泵用于多种医学和非医学器具中用于泵送和选择性地压缩流体介质。举例而 言，泵已用于传递所有类型的流体、盐水等到治疗区等，泵已用于从透析机器等输送血液， 且除了医学领域，泵在多种机械设施中起到重要作用，用于输送流体，混合流体，特别是压 缩流体，例如与制冷系统的结合。在传统正排量泵中，活塞在缸体中往复运动，且通过交替地打开和关闭入口阀和 出口阀，由活塞泵送流体且选择性地压缩流体。活塞和缸体由相对非柔性金属材料制成，提 供活塞泵良好的效率和长寿命，活塞和缸体必须以精密公差制成。通常，这种泵的制造成 本的大部分是花在活塞、缸体与其它移动部件之间的机械相互作用上。传统活塞泵的一个 问题在于它们可产生过量噪声，特别是在由旋转驱动轴上的偏心元件产生往复运动的情况 下。

发明内容
本发明的目的在于提供一种正排量泵(positive displacement pump)，其中以交 替方式提供泵送活动，且因此提供潜在地更牢靠且更具成本效率的泵。另一目的在于提供 一种潜在地更静音的泵。因此，本发明提供一种泵，其中换能器包括层压件，该层压件具有 在第一导电材料层与第二导电材料层之间布置的电介质聚合物材料膜，使得该膜可响应于 在层之间施加的电场而偏转，其中该层压件被布置成在膜偏转时产生泵送作用。由于聚合物材料的偏转造成泵送作用，因此可显著地降低噪声和对精密公差的需 要。泵送作用的意思是流体由于该作用从入口移动到出口。通常，该作用涉及循环地 改变腔室的体积的过程，该腔室具备截止阀或类似阀，这些阀确保了流体从入口通过腔室 到出口的单向流动。在本文中换能器的意思是能将电能转换成机械能和相反地将机械能转换成电能 的元件。这使得能使用换能器作为致动器，当在第一导电材料层与第二导电材料层之间施 加电场时，致动器工作以移动流体通过路径，和/或使用该换能器作为传感器，其根据路径 中的流动条件的变化提供电特征(例如，在导电材料层之间的电容)的变化。因此，换能器 可提供与控制系统的双向通信，由此控制系统操作该换能器以用作致动器使流体移动通过 该路径，且换能器向控制系统提供信息以能够(例如)基于流动阻力或通过换能器的膜偏 转可测量的其它特征来进行闭环控制。外壳可以任何类型的材料提供，例如以硬聚合材料，以金属(诸如黄铜或铝)或甚至以软聚合材料(诸如硅酮)等提供，泵也可包括微通道且可(例如)包括硅晶片等。在本文中偏转的意思是在压力影响下弯曲或变形。在膜的情况下，由在导电层之 间施加的电场所致的引力或斥力下来自导电层的压力触发偏转。在本文中层压件的意思是由两个或两个以上材料层制成的产品。作为实例，层压 件可包括具有电介质性质的材料，在下文中简称做电介质材料。电介质材料可为非导电聚 合物或弹性体材料。导电材料可在聚合物或弹性体的每一侧上形成电极图案。该至少两种 材料通过烧结而结合在一起(例如粘合地)，或者简单地布置成彼此接触。电介质材料可为任何材料，其能够维持电场而不会传导电流，诸如相对介电常数 ε大于或等于2的材料。电介质材料可为聚合物，例如，弹性体，诸如硅酮弹性体，诸如弱 粘性硅酮或大体上在弹性变形方面具有类似弹性体特征的材料。举例而言，Elastosil RT 625,Elastosil RT 622,Elastosil RT 601 (这三个都是购自 Wacker-Chemie)可用作电介 质材料。在本文中，术语‘电介质材料’应特别地理解但非排它性地表示相对介电常数ε r 大于或等于2的材料。在使用非弹性体的电介质材料的情况下，应当指出的是电介质材料应例如在弹性 方面应当具有类似弹性体的性质。因此，电介质材料应是可变形的，变形程度使得该复合层 能够偏转从而由于电介质材料的变形而进行推和/或拉。膜和导电层可具有相对均勻的厚度，例如，最大厚度小于膜的平均厚度的110%， 最小厚度为膜的平均厚度的至少90%。相对应地，第一导电层的最大厚度可小于第一导电 层的平均厚度110%，最小厚度可为第一导电层的平均厚度的至少90%。按绝对值计算， 导电层的厚度可在0. ΟΙμ 至0. Ιμ 范围内，诸如在0. 02 μ m至0. 09 μ m范围内，诸如在 0. 05 μ m至0. 07 μ m范围内。因此，导电层优选地以很薄的层涂覆到膜上。这便于良好的性 能且便于该导电层能够根据偏转遵循膜表面的波纹图案。膜的厚度可在ΙΟμ 与200μπι之间，诸如在20μπι与150 μ m之间，诸如在30 μ m 与100 μ m之间，诸如在40 μ m与80 μ m之间。在本文中，膜的厚度被定义为从膜的一个表 面上的一点到位于膜的波纹表面上的波峰和波谷之间半途的中间点的最短距离。导电层的电阻率可小于10_2Ω μπι，诸如10_4Ω .cm.通过提供具有很低电阻率的 导电层，导电层的总电阻将不会变得过大，即使是在使用很长导电层的情况下。由此，机械 能与电能之间的转换的响应时间能够维持在可接受的水平同时允许复合层大的表面积，从 而在泵中获得大的致动力。在现有技术中，尚不能提供具有充分低电阻的波纹导电层，主要 是因为需要适当考虑材料的其它性质来选择现有技术导电层的材料以提供顺从性。利用本 发明，因此能由很低电阻率的材料提供顺从性的导电层。这允许获得大的致动力同时维持 换能器的可接受的响应时间。导电层可优选地由金属或导电合金制成，例如，由选自银、金和镍组成的组中的金 属制成。或者，可选择其它合适的金属或导电合金。由于金属和导电合金通常具有很低的 电阻率，上文所提到的优点通过利用金属或任何类型的导电材料制作导电层而获得，该金 属或任何类型的导电材料的例如弹性模量高于电介质材料的弹性模量，即，导电层在弹性 范围内可具有比电介质材料更高的刚度。电介质材料的电阻率可大于IOkiQ · cm。优选地，电介质材料的电阻率远高于导电层的电阻率，优选地高至少IO14-IO18倍。为了便于在一个方向中增加换能器的顺从性，为了便于泵改进的反应时间和因此 改进的性能和可控制性，或者为了潜在地提供换能器延长的寿命，表面图案可包括波纹，其 使得导电层在长度方向的长度大于这种复合层在长度方向的长度。导电层的波纹形状因此 便于该复合层在长度方向中拉伸而不会在该方向中拉伸该导电层，而只是使导电层的波纹 形状变平。根据本发明，导电层的波纹形状可为膜的表面图案的复制形式。波纹图案可包括波，波形成在一个共同方向中延伸的波峰和波谷，这些波限定各 向异性特征，便于在垂直于该共同方向的方向中移动。根据此实施例，波峰和波谷类似于具 有基本上平行波阵面的驻波。但这些波未必是正弦波，而是可具有任何合适形状，只要限定 波峰和波谷。根据此实施例，波峰(或波谷)将限定基本上线性的等高线，即，相对于整个 复合层沿着具有相等高度的波纹部分的线。这至少基本线性的线将至少基本平行于由其它 波峰和波谷所形成的类似等高线，且该至少基本线性的线的方向限定共同方向。以此方式 限定的共同方向具有发生各向异性的结果，且便于该复合层在垂直于该共同方向的方向中 的移动，即，该复合层，或者至少布置于波纹表面上的导电层，在垂直于该共同方向的方向 中是顺从的。凸起和凹陷表面部分的变化可相对宏观且易于由人肉眼检测到，且它们可为制造 商故意行为的结果。周期性变化可包括由在用于制造该膜的辊上形成的一个或多个接头造 成的记号或印记。作为替代或作为补充，周期性变化可以基本上微观的规模发生。在此情 况下，周期性变化可具有在制造该膜期间使用的工具(诸如辊)的制造公差的数量级。即 使预期和试图提供完美的辊，具有完美的图案，实际上也总是会由于制造公差而在辊所限 定的图案中存在较小变化。无论这种变化有多小，它们将造成在使用该辊重复地生产的膜 上出现周期性变化。以此方式，膜可具有两种周期性变化，第一种是结构的压印表面图案， 诸如垂直于该膜成形的波纹，此可被称作变化的子图案，且另外由于相同辊或者压印的阴 图版(negative plate)的重复压印，由重复的子图案形成超图案。通过重复地使用相同的形状限定元件来制造该膜允许将膜制造成任何预期长度， 只以导致该预期长度的多次来使用该形状限定元件。由此，沿着长度方向的复合层的尺寸 并不受到用于制造过程的工具尺寸限制。这是非常有利的。该膜可成卷地生产和储存，且 之后，在向膜涂覆一个或多个导电层时，膜可展开。在波纹表面中的每个波可限定一高度，该高度为波峰与相邻波谷之间的最短距 离。在此情况下，每个波限定最大波，最大波具有平均波高度的至多110%的高度，和/或每 个波可限定最小波，最小波具有平均波高度的至少90%的高度。根据此实施例，波高度的变 化很小且获得很均勻的图案。根据一个实施例，波的平均波高度可在1/3μπι与20μπι之间，诸如在Iym与 15 μ m之间，诸如在2 μ m与10 μ m之间，诸如在4μπι与8μπι之间。作为替代或作为补充，波的波长可限定为在两个波峰之间的最短距离，且在波的 平均高度与平均波长之间的比率可在1/30与2之间，诸如在1/20与1. 5之间，诸如在1/10 与1之间。波的平均波长可在Ιμ 至20μπι范围内，诸如在2 μ m至15 μ m的范围内，诸如在 5μπι至10 μ m的范围内。
在波的平均高度与膜的平均厚度之间的比例可在1/50与1/2之间，诸如在1/40 与1/3之间，诸如在1/30与1/4之间，诸如在1/20与1/5之间。第二导电层可类似于第一层，具有表面图案，例如，包括波纹形状，其可被提供为 膜的表面图案的复制形式。或者，第二导电层是基本平坦的。如果第二导电层是平坦的，该 复合层将仅在其两个表面之一上具有顺从性，而第二导电层倾向于防止另一表面伸长。这 提供下面这样的复合层当施加电位穿过两个导电层时，该复合层弯曲。制作层压件的一种方式是组合几个复合层为具有层压结构的多层复合层。每个复 合层可包括-由电介质材料制成的膜，其具有前表面和后表面，前表面包括凸起和凹陷表面部 分的表面图案，以及，-第一导电层，其沉积到表面图案上，该导电层具有由膜的表面图案形成的波纹形 状。在此结构中，可限定电极组结构，使得每个第二导电层变成第一组电极且每个中 间导电层变成第二组电极的电极。在两组电极之间的电位差将造成位于它们之间的膜层变 形，因此该复合层是有电活性的。在这种分层配置中，最后的层将保持无活性。因此，具有 三层的多层复合层包括2个活性层，具有10层的多层复合层包括9个活性层等。根据一个实施例，每个复合层的膜的表面图案的凸起和凹陷表面部分可具有沿着 前表面的至少一个方向周期性地变化的形状和/或尺寸。这已在上文中解释。如果导电层沉积于膜的前表面上，可有利地将这些层布置成后表面朝向彼此。以 此方式，多层复合层变得不太易受膜中缺点的影响。如果在一层中的膜具有能够导致在其 相反表面上的电极短路的缺陷，那么其后表面布置成抵靠有问题膜的层在相同位置具有缺 陷是非常不可能的。换言之，两个膜中的至少一个提供两个导电层的电分隔。多层复合层可通过以下步骤制成将复合层布置成堆且在该堆中每个相邻导电层 之间施加电位差使得这些层朝向彼此偏压同时使它们变平。由于膜的物理或特征性质，上 述方法可将层结合在一起。作为替代或补充，这些层可由布置于每一层之间的粘合剂而结 合。优选地应选择粘合剂不阻尼多层结构的顺从性。因此，对于膜和粘合剂，可优选地选择 相同材料，或者至少选择弹性模量小于膜的弹性模量的粘合剂。在多层复合层中的复合层优选地应相同以在施加电场时确保通过所有层的多层 复合层的均勻变形。而且，可有利地提供每一层的波纹图案，使得一层的波峰与相邻层的波 峰相邻或者使得一层的波峰与相邻层的波谷相邻。在一个实施例中，泵基于变形和因此路径的部分的体积变化。这可(例如)在该 路径的该部分的相反侧上结合阀。作为实例，诸如片状阀的止回阀可被布置成提供单向流 动，即，在一个方向流动通过该路径，使得该部分重复的体积变化造成通过该路径的流体流 动。该路径的该部段可设于可弹性变形材料的主体中，例如硅酮材料的软管，橡胶材料的波 纹管或者大体上具有可柔性变形壁的主体。换能器可被布置成在膜偏转时使该主体偏转， 由此该路径改变体积。换能器可布置于该路径外，该路径内，或者其可形成可弹性变形材料 的主体的部分。该换能器可具备至少三个独立活动部分，这三个独立活动部分可独立地致动且每 个部分被布置成能够使该主体在沿着该路径的不同位置处变形。以此方式，在流动方向上游的第一部分可首先被致动以挤压该主体且在上游第一位置关闭该路径。随后，可致动位 于其它两个部分之间的第二部分，同时第一部分防止该路径中的回流。由第二部分造成的 主体的变形将在下游方向压该路径中的流体。随后，可致动最后的第三部分以在释放第一 部分和第二部分时防止该路径中的回流。为此目的，可提供控制系统，其适于以预定顺序致 动这些部分。该主体可具有内置压力装置，其朝向中立配置压该路径，可由换能器对抗该内置 压力装置将路径从中立配置朝向致动配置推动。中立配置可为路径中的流动阻力小于或高 于致动配置中的流动阻力的配置。作为替代或作为补充，由换能器保持该主体的形状，换能器在不同变形状态之间 主动地移动该主体，而无需来自该主体本身的任何支承。作为实例，该主体可包括柔性箔材 料袋，例如，塑料袋。在一个实施例中，该主体至少部分地由其层压件本身构成。为此目的， 已提及的来自制成层压件的至少两个的复合层可形成构成该主体的袋的前表面和后表面。根据优选实施例，可卷绕该层压件以形成电介质材料和电极的盘绕图案。在下文 的描述中，带有卷绕的层压件的换能器被称作卷绕的换能器。在本文中，术语“盘绕图案”应 被理解为表示换能器的截面呈现平坦、螺旋状图案的电极与电介质材料。因此，卷绕的换能 器类似瑞士卷或瑞士卷的部分。根据此实施例，优选地通过卷绕或缠绕潜在无限长度的层压件成厚壁柱状自支承 结构而设计该换能器，该自支承结构有足够强度以防止在泵正常操作期间屈曲。层压件可绕轴向延伸的轴线卷绕以形成在轴向方向延伸的伸长形状的换能器。卷绕的层压件可形成管状构件。这应被理解为卷绕的层压件限定外表面和朝向卷 绕的层压件的中空内腔的内表面。因此，在此情况下，换能器形成“管”，但“管”可具有任何 合适形状。在卷绕的换能器形成管状构件的情况下，卷绕的层压件可形成基本圆柱形或类似 圆柱形的构件。在本文中，术语“类似圆柱形”应被理解为表示限定纵向轴线的形状，且其 中该构件沿着至少基本垂直于纵向轴线的平面的截面的尺寸和形状至少基本独立于沿着 纵向轴线的位置。因此，根据此实施例，该截面可具有至少基本圆形的形状，由此限定基本 圆柱形的管状构件。但是，优选地，该截面具有非圆形的形状，诸如椭圆形、卵形、矩形或甚 至不对称形状。非圆形的形状是优选的，因为需要在操作期间改变换能器的截面积，同时至 少维持该截面基本上恒定的周长。在截面具有圆形的形状的情况下，这是不可能的，因为具 有恒定周长的圆形的形状不能改变其面积。因此，非圆形的形状是优选的。卷绕的换能器可限定截面积A，其为卷绕的换能器的截面的部分的面积，形成卷 绕的换能器的材料定位在该面积，且A可在IOmm2至20000mm2的范围内，诸如在50mm2至 2000mm2的范围内，诸如在75mm2至1500mm2的范围内，诸如在200mm2至700mm2的范围内。 因此，A可被认为是由换能器所‘占据’的卷绕的换能器的总截面积的部分的尺寸。换言之， A是在一侧由外表面且在另一侧由朝向卷绕结构的中空腔的内表面界定的截面积。卷绕的层压件可限定回转半径，rg，由~ = g给出，其中I是卷绕的换能器的面积
惯性矩，且rg可在5mm至IOOmm的范围内，诸如在IOmm至75mm的范围内，诸如在25mm至 50mm的范围内。回转半径，rg，反映距沿着管状构件的纵向轴线伸展的中心轴线的距离，如
9果卷绕的换能器的整个截面位于自中心轴线的该距离，这将会得到相同的惯性矩，I。而且，卷绕的层压件可限定长细比，λ，由λ = L/rg给出，其中L是卷绕的层压件 的轴向长度，且λ可小于20，诸如小于10。因此，长细比，λ，反映在卷绕的层压件的轴向 长度与上文所限定的半径之间的比率。因此，如果λ较高，轴向长度与半径相比较大，且卷 绕的层压件将因此表现为‘较细长’物体。另一方面，如果λ较低，长度与半径相比较小， 且卷绕的换能器将因此表现为‘扁平’物体，因此称该术语为‘长细比’。具有较低长细比的 物体倾向于展示比具有高长细比的物体更大的刚度。因此，在具有低长细比的卷绕的层压 件中，避免或至少在很大程度上减小了在致动期间的屈曲。卷绕的层压件可限定壁厚t，且比率t/rg可在1/1000至2的范围内，诸如在1/500 至1的范围内，诸如在1/300至2/3的范围内。此比率反映与卷绕的层压件的总尺寸相比， 由卷绕的层压件限定的壁是怎样的薄或厚。如果该比率高，那么壁厚就大，且由卷绕的换能 器限定的中空腔相对较小。在另一方面，如果该比率低，那么壁厚就小，且由卷绕的层压件 限定的中空腔就相对的大。作为替代或作为补充，卷绕的层压件可具有壁厚t，且可包括多个绕组，η,在每毫 米壁厚5至100个绕组的范围内，诸如在每毫米壁厚10至50个绕组的范围内。这个数字 越大，展开的层压件就得越薄。与具有较厚薄膜的较少量绕组的类似换能器(即，具有相同 或类似截面积)相比，薄膜的大量绕组允许以电极之间较低的电位差实现给定致动力。这 是非常有利的。电活性膜的机械和静电性质用作估计每单位面积和冲程的致动力的基础。如上文 所述的卷绕的层压件是通过卷绕/缠绕很薄的复合层(例如，具有在微米范围内的厚度) 而制成。这种类型的典型换能器可由缠绕成数千绕组的层压件制成。当致动时，引导/推动换能器将电能转变成机械能。此能量的部分以势能形式存 储于换能器材料中且当换能器放电时可再次使用。机械能的其余部分有效地用于致动。只 有在加强该换能器结构抵抗机械不稳定性(诸如熟知的由于轴向压缩所致的屈曲)的情况 下，才有可能使此机械能的此其余部分完全转换成致动能。这可通过一方面加强换能器的 截面积且然后根据欧拉理论(Euler’ s theory)优化换能器的长度实现。优化过程始于限定给定泵所需的力水平。然后基于每单位面积的致动力，有可能 估计达到该力水平所需的截面积。稳定换能器抵抗任何机械不稳定性需要通过增加其截面的面积惯性矩I而加强 其截面。I的低值导致较不稳定的结构且I的高值导致很稳定的抗屈曲结构。用于加强该
结构的设计参数是回转半径;rg( =芯),其涉及截面积A和面积惯性矩I。、的低值导
致不太稳定的换能器结构且rg的高值导致很稳定的换能器结构。在限定了面积A与回转半 径。的最佳范围之后，有可能以t/rg的形式相对rg限定卷绕的换能器的壁厚t的最佳范 围。面积A，半径rg，和壁厚t是用于加强换能器截面获得最大稳定性的设计参数。t/^的 低值导致高度稳定的换能器结构且t/rg的高值导致不太稳定的换能器结构。一旦确定了截面参数的范围，就需要估计换能器的最大长度L，对于所需力水平在 该长度下不会发生由于轴向压缩所致的屈曲。如上文所限定的长细比，λ，是与欧拉理论相 关的常用参数。λ的低值导致抵抗屈曲的高度稳定的换能器结构且λ的高值导致抵抗屈曲的不太稳定的换能器结构。一旦确定了最佳工作引导换能器的所有设计参数，对于具有在徽米范围内的具体 厚度的给定电活性膜，就有可能基于换能器壁厚t和每毫米的绕组数目η来估计制造换能 器所需的绕组总数。卷绕的换能器可包括中心杆，中心杆被布置成使得换能器绕中心杆卷绕，中心杆 的弹性模量低于电介质材料的弹性模量。根据此实施例，由管状构件限定的中空腔可由中 心杆填充，或者该中心杆可为中空的，即，其可具有管状结构。中心杆可支承该卷绕的换能 器。但是，重要的是中心杆的弹性模量低于电介质材料的弹性模量以防止中心杆抑制换能 器的功能。作为替代或作为补充，卷绕的换能器可包括中心杆，中心杆被布置成使得换能器 绕该中心杆卷绕，且中心杆可具有邻接该卷绕的换能器的外表面，所述外表面的摩擦允许 该卷绕的换能器在该换能器致动期间沿着所述外表面滑动。在此情况下，中心杆可例如为 弹簧。由于允许卷绕的换能器沿着中心杆的外表面滑动，中心杆的存在将不会抑制换能器 沿着由中心杆限定的纵向方向的伸长，换能器的操作将由此不会受到中心杆存在的抑制， 这是由于中心杆的低摩擦特征。包括卷绕的层压件的换能器可具有截面的面积惯性矩，其为展开的换能器的截面 的面积惯性矩的至少50倍，诸如至少75倍，诸如至少100倍。根据本发明，此增加的面积 惯性矩优选地通过利用充分的绕组数目卷绕该换能器以实现卷绕结构的预期面积惯性矩 而得到。因此，尽管展开的换能器优选地很薄，且因此必将具有很低的面积惯性矩，但卷绕 的换能器的预期面积惯性矩可简单地以充分数量的绕组卷绕该换能器而获得。卷绕的换能 器的面积惯性矩应优选地足以在正常操作期间防止换能器屈曲。因此，卷绕的换能器可具有足以实现卷绕的换能器的截面的面积惯性矩为展开的 换能器的截面的面积惯性矩的平均值的至少50倍(诸如至少75倍，诸如至少100倍)的 多个绕组。根据一个实施例，正电极和负电极可以一定图案布置于电介质材料的相同表面 上，且可通过卷绕上面布置有电极的电介质材料使得卷绕的换能器限定下面这样层而形成 换能器在每一层中，正电极与负电极相对布置，且在正电极与负电极之间有电介质材料。 根据此实施例，优选地可通过提供电介质材料的长膜且在膜的一个表面上沉积电极来制造 该换能器。电极可例如沿着长膜的纵向方向以交替方式排列。然后可卷绕该长膜使得上面 带有正电极的膜的部分将布置成与属于先前相邻绕组且上面带有负电极的膜的部分相邻。 由此，正电极与负电极将彼此相对布置，且在正电极与负电极之间有电介质膜部分的。因 此，当膜卷绕时形成换能器。可例如相对于这些层中的至少一个的表面图案卷绕该层压件，使得膜的变形造成 换能器的径向膨胀。这可获得平行于卷绕该层压件所绕的轴线延伸的波纹图案。或者，可 相对于层中至少一个的表面图案卷绕该层压件，使得膜的变形造成换能器轴向膨胀和因此 在换能器的轴向相反端面之间的可变距离。这可获得垂直于卷绕该层压件所绕的轴线延伸 的波纹图案，使得波纹的波峰和波谷(chests)绕换能器在周向延伸。如果卷绕该层压件以形成中空的圆柱形主体部分，那么卷绕的层压件自身可形成 该路径的至少一部分。
该泵可包括至少一个卷绕的换能器，选择性为多个卷绕的换能器，用于轴向伸长 且布置于圆柱形腔室中，且端部作为活塞在该腔室中移动。如果以此方式提供多个卷绕的 换能器，那么它们可布置成相邻换能器的端面朝向彼此，形成在连续圆柱形腔室中的换能 器的连续行。换能器可例如在端部之间的位置固定于腔室壁上。当致动换能器时，它们在轴向 膨胀从而减小在相邻换能器之间提供的空间体积。当换能器轴向收缩时，在相邻换能器之 间的空间体积增加。在换能器中每一个的端面之间，即在卷绕的层压件的外表面与圆柱形 腔室的内表面之间或者在卷绕的换能器内的内腔中提供额外空间。当换能器同时收缩或膨 胀时，这些额外空间相对于换能器之间的空间以相反顺序增加或减小。通过在空间的每一 端提供一组止回阀或具有类似单向功能的阀，当同时致动缸体中所有换能器时，可获得泵 送作用。在泵的非卷绕实施例中，换能器包括层压件的平面薄片，且泵包括控制系统，控制 系统适于以对应于平面层压件的谐振频率的频率驱动该变换器，从而能够利用低能量供应 以相对较大的移动振幅获得层压件的振动。一个或多个可变体积腔室。


现将参看附图更详细地描述本发明的优选实施例，在附图中图1和图2示出根据本发明的两个不同泵结构；图3示出用于换能器的层压件；图4和图5分别示出卷绕该层压件以伸长和膨胀；图6示出通过堆叠两个复合结构而制作卷绕的换能器的替代方式；图7至图沈示出各种替代泵；以及图27示出用于控制泵的控制系统的电气图。
具体实施例方式图1示出泵1，其包括外壳2，外壳2具有在内部布置的固定心轴3，心轴3在外表 面上具有螺旋形翅片4的螺纹结构。外壳形成使流体进入到泵中的入口 5，和用于使流体从 泵排出的出口 6。路径在外壳的内表面7与心轴的外表面8之间从入口延伸到出口。外壳 由可弹性变形的材料制成，且换能器9附着到外表面上以造成外壳偏转。图Ic和图Id示 出外壳的两种不同偏转状态，且图le、lf和图Ig示出绕固定心轴3的偏转顺序。绕心轴的 顺序偏转造成流体受心轴引导从入口 5移动到出口 6。每个换能器9由层压件制成，该层压件具有在第一导电材料层与第二导电材料层 之间布置的电介质聚合物材料膜，使得该膜可响应于在层之间施加的电场而弹性地变形。 该层压件被卷绕、堆叠或折叠。图2示出替代泵，其具有软管10和多个换能器11，软管10可由于施加压力而变 形，且多个换能器11绕该软管布置以在压力下变形。可由致动顺序来提供泵送效果，其中 轮流致动换能器以提供从入口 12到出口 13的流动，也参看图7。提供层压件使得其更易于在一个顺从方向而不是其它方向中变形。该层压件还具 备各向异性特征使得其在一个特定方向的顺从性小于在其它方向的顺从性。如图3所示，这个特征可由波形表面结构提供，由于波形表面结构，该层压件可由于聚合物材料16的弹 性变形在由粗箭头14、15所示的顺从纵向方向膨胀，而涂覆到波形表面的导电材料被拉直 而不是拉伸。通过选择导电材料，使导电材料弹性变形所需的力大于使聚合物材料变形所需的 力，且通过在由粗箭头17、18所示的整个横向方向(即，平行于波的波峰和波谷延伸的方 向)涂覆导电材料，层压件变得各向异性。各向异性表示层压件在纵向方向是顺从的且在 横向方向是不顺从的。卷绕图3所示的层压结构以形成管状致动器。如图4所示，可绕着平行于波峰和 波谷延伸的轴线来卷绕该层压件。这在聚合物变形时提供管状致动器的径向膨胀，在本文 中被称作“卷绕以膨胀”。如图5所示，也可绕着垂直于波峰和波谷延伸的轴线来卷绕该层 压件。这在聚合物变形时提供管状致动器的轴向伸长，在本文中被称作“卷绕以伸长”。当 卷绕该层压件时，两个相反的导电材料层，在下文中称作顶层和底层，必须由额外的非导电 材料膜将彼此电分隔。图6示出层压件，其被卷绕以形成管状结构且其包括具有至少两个复合层的多层 结构。复合层是相同的，每个包括膜19和第一导电材料层20，膜19由电介质聚合物材料 制成且具有前表面和后表面，前表面包括凸起和凹陷表面部分的表面图案，第一导电材料 层20沉积到该表面图案上。当这两个复合层布置在彼此的顶部时，形成层压件，该层压件 具有在两个导电层之间的聚合物材料膜。第二膜提供顶层与底层之间的隔离。复合层可如 图所示布置，一个复合层的前表面抵靠相邻复合层的后表面。或者，复合层可被布置成后表 面抵靠彼此以形成下面这样的层压件两个膜抵靠彼此且两个导电层在两个膜的相反侧上 形成外表面。图2中的换能器各由被卷绕以伸长的层压件制成。卷绕的层压件的轴向端部随后 接合以形成环形状。图7还示出此泵的顺序和原理。图8a和图8b示出带有管20和一行换能器21的泵。换能器各由被卷绕以伸长的 层压件制成，且卷绕的层压件的轴向端部之一朝向管20布置以通过与之直接接触或者经 由布置于卷绕的层压件的轴向端与管的外表面之间的压力元件(未图示)而使管20变形。 图8a至图8c示出该泵具有下面这样的结构其仅工作对抗在该管20中泵送的流体的动态 压力。当考虑换能器21必须作用于管上的力时，在管中最低压力与管外的压力之间的静态 压差可忽略。图9示出插入于图8a至图8c中的管20中或者图2中的软管10中的止回阀元件 22。图10示出泵的替代设计，其中被动软管M的部分与主动软管的部分交替排列。主 动软管部分包括先前提到类型的层压件且因此构成用于该泵的换能器。该层压件被卷绕以 伸长使得在主动部分中能进行径向收缩和膨胀，且通过合适的致动顺序，流体可从入口 26 通过软管对、25转移到出口 27，如图11所示。图12示出带外壳28和两个换能器的泵，换能器包括移位构件四、30，移位构件 29,30可通过使用被卷绕以伸长的层压件32、33而移动进出通道31。该泵包括布置在处于 粗箭头所示的流动方向中的换能器的相反侧上的两个止回阀34、35。图13a至图13c示出根据本发明的泵的替代实施例。泵36包括多个复合层37、38，每个复合层具有三个导电层39、40和41。在两个复合层37、38之间形成腔42且通过 复合层远离彼此或朝向彼此地排斥或收缩，可改变腔42的体积。偏压电压最初可向导电层 39提供，由此复合层的上部朝向彼此偏压，而液体进入到入口 43。随后，去除在导电层39 之间的偏压电压且偏压电压施加到导电层41。这关闭了入口 43且偏压电压能够施加到导 电层40，由此复合层的中间部分朝向彼此偏压且减小腔42的体积。因此通过出口 44将该 腔中的流体从腔室泵出。图14示出带外壳45的泵，外壳45形成腔室46，且止回阀47、48处于相反的端部。 由被卷绕以膨胀或伸长的层压件形成的换能器49布置于腔室46中使得腔室中的自由体积 可循环改变，并使得从入口 50通过腔室向出口 51泵送流体。图15示出图14中的泵结构， 其中该腔室呈“心”形。图16和图17示出带外壳52的泵，外壳52具有槽53，槽53形成在入口 55与出口 56之间延伸的腔室M。通过使用换能器57、58使外壳变形，换能器57、58包括被卷绕以伸 长的层压件。外壳52还包括多个腔或贯通内孔，其使得外壳更易于偏转。止回阀可位于腔 室M的相对端以确保该流动仅在一个方向。图18示意性地示出带外壳59的泵，外壳59在两个止回阀61、62之间形成通道 60。弹簧结构卷盘63布置于该通路中。该卷盘是由伸长元件制成，该伸长元件由被卷绕以 伸长的层压件构成。在层压件的伸长或收缩期间，该卷盘张开且因此增加在绕组之间空间 64的尺寸，或者闭合且减小在绕组之间的空间，由此在通道中提供泵送作用。图19示出无 止回阀的相同泵。在此情况下，由通道的几何形状或者盘绕的层压件提供泵送作用，由于其 形状，由卷绕的层压件的收缩在泵送方向中推动流体。图20至图22示出带外壳的泵，外壳带有管65，换能器66以及止回阀67、68，换能 器66包括围绕该管卷绕以膨胀和收缩的层压件。图23示出带有外壳69的泵，外壳69具有入口 70和出口 71，入口和出口设有止回 阀，止回阀在图23中未示出。止回阀提供从入口到出口的单向流动。泵包括波纹管72，波 纹管72形成具有可变体积的腔室73。换能器74、75被布置成移动腔室73的顶壁76且因 此造成腔室体积变化。每个换能器包括被卷绕以伸长的层压件。图M示出带外壳77的泵，外壳77形成腔室78，腔室78具有入口 79和出口 80。 入口和出口设有止回阀81、82，止回阀提供从入口到出口的单向流动。换能器83包括被卷 绕以膨胀的层压件且在腔室78中作为在缸体中的活塞来回移动从而造成腔室78可变的体 积且因此提供泵送效果。图25示出泵送效果，其中阴影区域代表填充腔室78且无阴影区 域代表清空腔室78。时间沿着X轴且换能器83的端面84的位置沿着Y轴。图沈示出带有层压件85的泵，层压件85形成泵的换能器。层压件移动一个且可 能两个活塞86、87，活塞86、87在相对应的缸体88、89中移动从而形成可变体积的腔室90、 91。带有止回阀96、97、98、99的入口和出口 92、93、94、95在泵送活动中提供通过腔室的单 向流动。弹簧力结构，例如，呈螺旋盘绕弹簧100的形式，可被布置成调整泵的特征。图27示出用于控制泵操作的控制系统的电气图。控制系统特别适合于与某种排 量泵结合，其中通过使具有可变体积的腔室偏转而实现泵送，即当腔室在一个方向中偏转 时，该体积增加且该腔室充满流体且当腔室在另一方向偏转时，该体积减小且流体从腔室 排出。
控制系统是基于以下事实层压件具有电容器结构，其中电容指示第一层与第二 层之间的距离，由此指示膜偏转度。通过确定层压件的电容，控制系统能确定泵上的压差，且如果泵是排量泵，也能确 定在泵的可变体积腔室中的排量等级。这个特点可例如用于剂量目的，在这里根据本发明 的泵能够通过确定膜的偏转度和因此确定可变体积腔室的压缩程度而提供相对精确的流 体剂量。在下文的描述中，词语“偏压电压”描述了在第一层与第二层之间施加以使膜偏转 的电压，且“测量电压”描述了施加以确定层压件的电容的电压。根据本发明的控制系统能在层之间施加已知的偏压电压且同时确定层压件的电 容。根据泵的参考特征，所施加的偏压电压应提供膜的理论偏转和因此排量泵的理论体积 变化。通过在施加偏压电压时测量电容，控制系统能导出实际获得的膜偏转和因此导出实 际获得的从可变体积腔室排出的流体排量。控制系统包括数据存储容量101，其中规定了从腔室排出的流体排量与致动器电 容之间的比率。在最简单的实施例中，该比率作为离散值存储。计算装置102与数据存储 装置101通信且基于待由泵排出的流体剂量来确定理论偏压电压103，通过理论偏压电压 103，使膜在理论上偏转以造成预期的腔室体积变化。计算装置将理论偏压电压传送到误差 校正装置104，偏压源105从误差校正装置104接收输入以设置到换能器106的高电压偏压 信号。致动装置106包括已描述类型的层压件，且在此图中，此层压件对应于电容器。除了偏压信号之外，偏压源105经由连接线107提供低电压测试信号，低电压测试 信号与偏压信号同时施加到层压件。滤波器108从高电压信号提取低电压信号，且电容测 量装置109确定换能器106的实际电容。在膜由高电压偏压信号偏转时确定电容，且因此，电容指示偏压信号使膜偏转多 少。在图示实施例中，电容被转换成反馈信号110，在此情况下，以比较偏压电压的形式，即 与泵的参考特征一起提供实际发生且通过测量电容而确定的膜偏转的偏压电压。在校正装 置104中从确定的偏压电压减去比较偏压电压且由偏压源105接收所得校正偏压电压111。一般而言，反馈信号110可经由不同类型的放大器和转换器以各种方式处理。电容测量装置也可实施于常规计算机系统中，且其可包括(但不限于)以下测量 原理中的任何原理AC功率、AC电压、RMS功率、峰值检测器、对数检测器、RSSI、阻抗、脉冲 测量电路或频谱测量电路。向致动器提供高电压偏压信号的设置电压通常大于300伏且小于10kV。一实例将 为500V至2. 5kV。低电压测试信号将通常在IV与IOV之间，一实例将为3V至5V。高电压 致动器控制信号通常为直流至小于IKHz重复频率的低频，一实例将为50Hz。AC测试信号 通常在显著高于致动器的频率，通常以10的倍数高于致动器重复频率。具有2.5kV信号， IOHz重复频率的致动器可具有5V的AC测试信号和IKHz的重复频率。数据处理结构还可适于使用确定的可变体积腔室的偏转来提供具体流动信息。这 种信息可基于第二数据文件中的信息，第二数据文件的信息描述了在可变体积腔室的偏转 与在泵上的压降、经过泵的具体流体的流动速度等之间的比率。而且，控制系统可适于控制该泵用于定剂量目的。作为实例，控制系统可具有读取 使用者关于流量的请求的能力。作为实例，这可为预期压降，预期流动速度或者通过泵释放
15的流体介质的预期剂量。基于该请求，控制系统向第一导电层和第二导电层施加偏压电压， 同时测量电容。以此方式，确定可变体积腔室的偏转且通过使用在第一数据文件和第二数 据文件中的数据，可履行该请求。
权利要求
1.一种用于从入口向出口转移流体介质的流体泵，所述泵包括外壳，其在所述入口 与出口之间形成路径；以及，换能器，其包括层压件，层压件具有布置在第一导电材料层与 第二导电材料层之间的电介质聚合物材料膜，使得所述膜可响应于施加在所述层之间的电 场而偏转，其中所述层压件被布置成在所述膜偏转时产生泵送作用。
2.根据权利要求1所述的泵，其中所述膜具有第一表面和相反的第二表面，至少所述 第一表面包括凸起和凹陷表面部分的表面图案。
3.根据权利要求2所述的泵，其中所述第一导电层沉积在所述表面图案上且具有凸起 和凹陷表面部分的形状，所述形状由所述表面图案形成。
4.根据权利要求2至3中任一项所述的泵，其中所述凸起和凹陷表面部分具有沿着所 述第一表面的至少一个方向周期性地变化的形状。
5.根据权利要求2至4中任一项所述的泵，其中所述凸起和凹陷表面部分具有沿着所 述第一表面的至少一个方向周期性地变化的尺寸。
6.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述第一导电层的弹性模量高于所述膜 的弹性模量。
7.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述膜的厚度在所述膜的平均厚度的 90%与110%之间。
8.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述第一导电层的厚度在所述第一导电 层的平均厚度的90%与110%之间。
9.根据权利要求2至8中任一项所述的泵，其中所述表面图案包括波，这些波形成基本 在一个共同方向上延伸的波谷和波峰。
10.根据权利要求9所述的泵，其中每个波限定成为波峰与相邻波谷之间的最短距离 的高度，所述波的高度的平均值在1/3 μ m与20 μ m之间。
11.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述膜的平均厚度在IOym与200μπι 之间。
12.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述第一导电层的厚度在 0.01-0. Ιμ 范围内。
13.根据前述权利要求2至12中任一项所述的泵，其中所述第二表面是基本平坦的。
14.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述层压件包括多层结构，多层结构具 有至少两个复合层，每个复合层包括-由电介质聚合物材料制成的膜，其具有前表面和后表面，所述前表面包括凸起和凹陷 表面部分的表面图案，以及-沉积到所述表面图案上的第一导电材料层，所述导电材料层具有波纹形状，该波纹形 状由所述膜的表面图案形成。
15.根据权利要求14所述的泵，其中至少两个相邻复合层被布置成后表面朝向彼此。
16.根据权利要求14所述的泵，其中至少两个相邻复合层被布置成前表面朝向彼此。
17.根据权利要求14所述的泵，其中至少两个相邻复合层被布置成一个复合层的后表 面朝向另一个复合层的前表面。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的泵，其中所述多层结构由多个复合层制成， 所述多个复合层获得的截面的面积矩足以弯曲所述多层结构，所述面积矩是单独的每个复合层的面积惯性矩的平均值的至少2倍。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的泵，其中所述路径的一部分由在所述复合层 之间的空间形成。
20.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其包括至少两个止回阀，该至少两个止回阀 布置在所述路径中以在它们之间形成泵送空间。
21.根据权利要求19与20所述的泵，其中所述阀结构由每个复合层的膜上的附加导电 材料层形成。
22.根据权利要求21所述的泵，其中所述换能器形成为使得所述层压件在无支承状态 下关于在泵的正常操作范围内的稳定性符合欧拉标准。
23.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述路径的至少一部分设在可弹性变 形材料的主体中，所述换能器被布置成在所述膜偏转时使所述主体偏转，由此所述路径改 变体积。
24.根据权利要求23所述的泵，其中所述换能器设有至少三个独立活动部分，每个部 分被布置成能使所述主体在沿着所述路径的不同位置处变形。
25.根据权利要求M所述的泵，其还包括控制系统，所述控制系统适于按顺序在另一 个部分之后提供一个部分的随后致动，这实现泵送作用，由此在所述路径中在流动方向上 推动流体。
26.根据权利要求M至25中任一项所述的泵，其中所述主体具有内置压力装置，所述 内置压力装置朝向中立配置压所述路径，所述路径可被所述换能器克服所述内置压力装置 从所述中立配置朝向致动配置推动。
27.根据权利要求沈所述的泵，其中所述中立配置相比所述致动配置在所述路径中提 供更低的流动阻力。
28.根据权利要求沈所述的泵，其中所述中立配置相比所述致动配置在所述路径中提 供更高的流动阻力。
29.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述换能器布置在所述路径外部。
30.根据权利要求1至观中任一项所述的泵，其中所述换能器布置在所述路径中。
31.根据权利要求30所述的泵，其中所述换能器被布置成在所述膜偏转时产生所述路 径的一部分的体积变化。
32.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其中所述层压件被卷绕以形成伸长的换能 器，伸长的换能器具有轴向相反的端面和在所述端面之间的圆柱形主体部分。
33.根据权利要求32所述的泵，其包括至少两个止回阀，所述至少两个止回阀布置在 所述换能器的相反侧上且提供在所述入口与出口之间的单向流动，所述阀元件中的至少一 个附着到所述端面或形成所述端面的部分。
34.根据权利要求32至34中任一项所述的泵，其中所述圆柱形主体部分是中空的且形 成所述路径的部分。
35.根据权利要求32至34中任一项所述的泵，其包括布置在连续圆柱形腔室中的多个 伸长的换能器，相邻换能器的端部朝向彼此。
36.根据权利要求32至35中任一项所述的泵，其中所述层压件相对于所述层中至少一 个的表面图案被卷绕，使得所述膜的偏转造成所述换能器的径向膨胀。
37.根据权利要求32至35中任一项所述的泵，其中所述层压件相对于所述层中至少一 个的表面图案被卷绕，使得所述膜的偏转造成所述换能器的轴向膨胀。
38.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其包括具有内部空间的波纹管，所述换能器 被布置成使所述波纹管偏转从而提供所述空间中可变的体积。
39.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其包括缸体和活塞，所述缸体形成所述路径 的部分且设有两个止回阀，所述止回阀被布置造成从所述入口通过所述缸体到所述出口的 单向流动，所述活塞可在所述缸体中移动，其中所述换能器被布置成使所述活塞相对于所 述缸体移动。
40.根据权利要求39所述的泵，其中所述换能器的层压件是平面层压件，且所述泵包 括控制系统，所述控制系统适于以对应于所述平面层压件的谐振频率的频率驱动所述转换ο
41.根据前述权利要求中任一项所述的泵，其包括控制系统，所述控制系统适于在所述 层之间施加已知偏压电压，同时确定对于所述层压件的电容具有重要意义的测量。
42.根据权利要求41所述的泵，其中所述换能器被布置成提供可变体积腔室的偏转。
43.根据权利要求1至40中任一项所述的泵的控制系统，所述控制系统适于在所述层 之间施加已知偏压电压，同时确定所述泵的层压件的电容。
全文摘要
本发明提供一种泵，该泵带换能器，该换能器包括层压件，该层压件具有在第一导电材料层与第二导电材料层之间布置的电介质聚合物材料膜，使得该膜可响应于在层之间施加的电场而偏转，其中该层压件被布置成在膜偏转时产生泵送作用。本发明还提供泵的控制系统。
文档编号F04B43/04GK102084133SQ200980125444
公开日2011年6月1日 申请日期2009年4月30日 优先权日2008年4月30日
发明者B·汤森, C·莫塞, M·K·汉森, M·本斯利马内, M·特里森, Y·伊斯坎达拉尼 申请人:丹佛斯强力聚合公司