一种基于介电弹性材料的柔性泵
阅读说明：本技术 一种基于介电弹性材料的柔性泵 (Flexible pump based on dielectric elastic material ) 是由 夏庆超 马姝阳 吴泽亮 杨灿军 于 2021-06-10 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种泵,特别是一种基于介电弹性材料的柔性泵,包括：一个柔性泵囊,包括多个不可伸缩且梭形横截面的管状柔性薄膜,其环形阵列排布,并相邻拼接,每个管状柔性薄膜的中段为填充区,并饱和填充高击穿强度的液体介质,在每个管状柔性薄膜的中段的径向半侧表面上固定一个正电极与一个负电极,其分别位于中段的轴向基准平面的两侧,且对称式分布；以及,一对分别设进水口与出水口的刚性端盖,其分别位于柔性泵囊的两个端部,多个管状柔性薄膜的同侧端部逐一固定至其对应的刚性端盖上。其解决了“提供柔性的液压泵以提供液体输送和增压”的技术问题。本发明柔性泵具有弹性、适应性和减震特性,能够产生大变形,并且很容易适应环境。(The invention discloses a pump, in particular to a flexible pump based on dielectric elastic materials, which comprises: the flexible pump bag comprises a plurality of tubular flexible films with non-telescopic and fusiform cross sections, the tubular flexible films are arranged in an annular array and are adjacently spliced, the middle section of each tubular flexible film is a filling area and is filled with a liquid medium with high breakdown strength in a saturated mode, and a positive electrode and a negative electrode are fixed on the radial half side surface of the middle section of each tubular flexible film, are respectively positioned on two sides of an axial reference plane of the middle section and are distributed symmetrically; and the rigid end covers are respectively provided with a water inlet and a water outlet and are respectively positioned at the two ends of the flexible pump bag, and the same-side ends of the plurality of tubular flexible films are fixed to the corresponding rigid end covers one by one. It solves the technical problem of providing a flexible hydraulic pump to provide liquid delivery and pressurization. The flexible pump has the characteristics of elasticity, adaptability and shock absorption, can generate large deformation, and is easy to adapt to the environment.)
技术领域
本发明涉及一种泵，特别是一种基于介电弹性材料的柔性泵。
背景技术
随着生物仿生技术的发展，更加集成化、精细化的机械技术越来越受到人们的重视。在集成化、精细化的机械设备中，驱动的性能十分重要。对于驱动的可靠性、运动的连贯性、响应速度、精密性等都有着非常严苛的要求。
液压驱动作为重要的驱动方式之一，具有低速、平稳、传动功率大、有过载保护能力、传动布置灵活等特点，泵则是液压传动核心，有着输送流体或使流体增压的作用。市面上常见的泵由金属材料组成，在工业自动化等领域得到了广泛的应用。
然而，普通的金属泵存在以下几点问题：
（1）刚性部件通常具有有限的自由度，泵运动的灵活性受到了限制；
（2）受工作条件影响，金属泵经常出现腐蚀、气蚀、冲刷、磨损等现象，导致设备失效，只能通过投入大量的资金购入新泵，而报费大量的部件，造成资金和材料的大量浪费；
（3）金属泵结构复杂、体积庞大、质量大，不易移动和携带，在一些精密领域，例如生物医学领域的应用有局限性；
（4）金属的生产制造成本高。
这些问题导致金属材料在该领域的发展受到一定的限制。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足，在材料和机构上对传统的金属泵进行改良，利用介电弹性材料的变形原理，开发得到一种柔性的液压泵，以提供输送液体和增压的功能。
为了实现上述目的，本发明所设计的一种基于介电弹性材料的柔性泵，其结构中包括：一个柔性泵囊，包括多个不可伸缩且梭形横截面的管状柔性薄膜，其环形阵列排布，并相邻拼接，每个管状柔性薄膜的中段为填充区，并饱和填充高击穿强度的液体介质，在每个管状柔性薄膜的中段的径向半侧表面上固定一个正电极与一个负电极，其分别位于中段的轴向基准平面的两侧，且对称式分布；以及，一对分别设进水口与出水口的刚性端盖，其分别位于柔性泵囊的两个端部，多个管状柔性薄膜的同侧端部逐一固定至其对应的刚性端盖上。
上述结构的柔性泵的工作原理，如下：
柔性泵开始工作，当所有管状柔性薄膜上的正、负电极同时施加电压时，受到静电力的作用正、负电极渐渐闭合，正、负电极覆盖的径向半侧薄膜部分之间的液体介质受到挤压向未覆盖正、负电极的半侧流动，从而所有管状柔性薄膜的梭形横截面鼓起形成圆形横截面，由于管状柔性薄膜不可伸缩，所以柔性泵囊的总周长减小，从而使得柔性泵囊内腔的体积减小，同时又由于在柔性泵囊收缩期间两侧刚性端盖的周长均维持不变，所有管状柔性薄膜的未充入液体介质的上、下两段将产生轴向收缩位移，最终压缩柔性泵囊内腔的液体，液体就从刚性端盖的出水口流出；
反之，当正、负电极不施加电压时，正、负电极上的静电力瞬间消失，在液体压力的驱动下，未覆盖正、负电极的径向半侧薄膜部分之间的液体介质流回到原位，所有管状柔性薄膜的圆形横截面逐渐变回梭形横截面，同样由于薄膜本身不可伸缩，所以柔性泵囊的总周长增大，同时所有管状柔性薄膜的未充入液体介质的上下两段将同步产生轴向屈伸位移，从而使得柔性泵囊内腔的体积增大，柔性泵囊内腔的压力减小，液体从刚性端盖的进水口流入。
在上述方案的基础上，本发明还可以做出如下改进：
优选的方案为电极选用离子导电的水凝胶电极贴片。水凝胶电极性质柔软，在柔性泵工作期间，包裹着液体介质的薄膜变形较大，柔软的水凝胶电极能更好的贴合薄膜，并且不易对薄膜造成磨损，保证薄膜内部的液体介质不往外泄露。
优选的方案为不可伸缩的管状柔性薄膜内填充的液体介质选用高击穿强度植物基油液。利用静电力的作用时，对电场的要求非常高，通常需要提供几千伏的电压，这也就要求使用高介电常数的液体介质，避免击穿后发生油液的泄漏。
优选的方案为进水口和出水口的单向阀可以采用单膜、双膜或者多膜结构的薄膜阀片，在简化结构的同时，可以保证实现流体单向充入、流出的功能。
进一步地，对上述优选方案改善，进水口和出水口的单向阀可以采用防止倒流的瓣膜结构。心脏中存在防止血液倒流的瓣膜结构，当顺着流向流动时，瓣膜开启，逆着流向流动时瓣膜关闭。参考这一结构原理制成防倒流瓣膜，设置在进、出水口，保证流体单向流动。结构简单，应用便捷。
本方案的优点在于：首先，与金属材料相比，柔性泵采用柔性材料具有弹性、适应性和减震特性，能够产生大变形，并且很容易适应环境。其次，由柔性材料所制成的泵装备质量轻，便于携带和移动，成本更低，易于生产制造，且不会出现腐蚀、气蚀等现象。除此之外，在不使用的时候，泄放掉泵囊内腔的液体后，柔性泵可易于收纳、储存。
附图说明
图1为柔性泵在未施加电压时的整体结构示意图一；
图2为进水口内防止倒流的瓣膜结构工作原理示意图；
图3为出水口内防止倒流的瓣膜结构工作原理示意图；
图4为介电弹性材料变形原理示意图；
图5为介电弹性材料伸缩长度示意图；
图6为柔性泵囊结构的中段在未施加电压时的俯视图；
图7为柔性泵囊结构的中段在施加电压时的俯视图；
图8为柔性泵在施加电压时的整体结构示意图；
图9为柔性泵在未施加电压时的整体结构示意图二。
图中：进水口1、上端盖2、柔性泵囊3、下端盖4、出水口5、瓣膜结构6、液体介质7、管状柔性薄膜8、正电极9、负电极10、上段11、下段12。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应该属于本发明保护的范围。
如图1所示，作为本发明的一种实施方式，本实施例中提供的一种基于介电弹性材料的柔性泵，包括进水口1、上端盖2、不可伸缩的柔性泵囊3、下端盖4和出水口5；其中，上、下端盖2、4分别设置在柔性泵囊3的上下两端，与柔性泵囊3胶封密封连接。
如图2、图3所示，在进水口1内部的边沿上设置柔性的防倒流瓣膜结构6，该结构仿照了心脏中防止血液倒流的瓣膜结构6。当柔性泵囊3内的液体想要从进水口1流出时，如图2（a）所示，瓣膜处于关闭状态，柔性泵囊3内部的水无法流出。当外界的水想要进入柔性泵囊3内部时，如图2（b）所示，外界压力大于内部压力，瓣膜处于开启状态，外界水流被泵入柔性泵囊3内部。同理，在出水口5内部的边沿上也设置着一圈柔性的防倒流瓣膜结构6。当外界的液体想要流入柔性泵囊3的时候，如图3（a），所示瓣膜处于关闭状态，外界的液体无法从出水口5进入柔性泵囊3内部。当柔性泵囊3内部的液体想要流出时，如图3（b）所示，柔性泵囊3内部的压力大于外界的压力，瓣膜处于开启状态，柔性泵囊3内部的液体泵出。
如图4所示，柔性泵囊3主要由四个部分组成，分别是液体介质7、不可拉伸的矩形柔性薄膜、正电极9和负电极10。利用介电弹性体的变形原理驱动的柔性泵需要高电场，所以液体介质7选用高击穿强度植物基油。不可拉伸的矩形柔性薄膜选用一种双向拉伸的聚丙烯薄膜，这种材料机械强度优良，且具有较高的介电击穿强度，保证了在使用过程中的可靠性。正电极9和负电极10选用离子导电的水凝胶电极贴片。水凝胶电极比较柔软，在柔性泵工作时，形变较大，水凝胶电极能更好的贴合不可拉伸的矩形柔性薄膜，并且不易造成磨损，防止薄膜破损出现液体介质7泄露的现象。具体的制作过程为：首先，使用热压机和加热金属模具密封不可拉伸的矩形柔性薄膜，以制得环形阵列排布并相邻拼接的多个不可伸缩且梭形横截面的管状柔性薄膜8，且每个管状柔性薄膜8的中段为填充区域，在每个填充区域的密封边界上留有空隙，以方便液体介质7填充。液体介质7饱和填充后，用加热的铝条将上述空隙完全密封。最后，将预制的水凝胶电极粘贴在每个管状柔性薄膜8的中段的半侧。
作为本发明的另一种实施方式，其结构中柔性泵囊3的具体结构还可以是如图9所示，其具体的制作过程为：首先，使用热压机和加热金属模具密封多个不可拉伸的管状柔性薄膜8，管状柔性薄膜8的材质仍采用聚丙烯薄膜，每个管状柔性薄膜8的中段为填充区域，且填充区域的密封边界上留有空隙，以方便液体介质7填充。接着，待液体介质7饱和填充后，用加热的铝条将上述空隙完全密封。然后，将多个管状柔性薄膜8进行环形阵列排布，并再次采用热压机和加热金属模具将其进行相邻热压拼接。最后，将预制的水凝胶电极粘贴在每个管状柔性薄膜8的中段的半侧。
介电弹性材料的变形原理为：在未通电时，如图4（a）所示，不可拉伸的管状柔性薄膜8包裹着液体介质7，管状柔性薄膜8的半侧覆盖着正电极9和负电极10，另一半侧则未覆盖电极。当在电极施加电压V2后，在静电力的作用下，正、负电极9、10逐渐闭合，正电极9和负电极10所覆盖的那半侧管状柔性薄膜8所包裹的液体介质7受到挤压，向未覆盖电极的半侧流动。如图4（b）所示，在正、负电极9、10的挤压下，原本平坦的梭形横截面逐渐鼓起。如图4（c）所示，当覆盖有正、负电极9、10那半侧管状柔性薄膜8所包裹的液体介质7全部被挤压到未覆盖正、负电极9、10的那半侧后，横截面变为圆形。在不施加电压之后，静电力消失，未覆盖正、负电极9、10的那半侧液体压力大于覆盖正、负电极9、10那半侧的液体压力，液体由高压流向低压，液体介质7逐渐由未覆盖正、负电极9、10的那半侧流向覆盖正、负电极9、10那半侧，横截面由圆形重新变为平坦的梭形横截面。如图5所示，若每段管状柔性薄膜8的长度为2L0，在未通电阶段，横截面平坦，每一段的长度也近似为2L0。在施加电压V2之后，在静电力的作用下，正、负电极9、10闭合，原本平坦的梭形横截面变为圆形横截面，由于薄膜不可伸缩，所以每一段介电弹性体的总长度都变为L0+2L0/π，所以总长度减小了。同理，在不施加电压后，每一段介电弹性体的长度在液压力的作用下又重新变回2L0。
如图6所示，将介电弹性材料按照圆形排布，形成柔性不可伸缩的泵囊，圆圈内部包裹着需要运输或者需要增压的流体/液体。如图7所示，当施加电压后，根据上述的介电弹性材料变形原理，介电弹性体的总长度减小，即柔性泵囊3的总周长减小，所以柔性泵囊3的总体积收缩。同理，当不施加电压时，基于上述原理，介电弹性体在液压力的作用下又恢复到原本的长度，即柔性泵囊3的总周长增大，所以柔性泵囊3的总体积增加。
在未施加电压时，柔性泵的整体结构如图1所示。在施加了电压之后，正电极9和负电极10受到静电力的作用电极渐渐闭合，正、负电极9、10所覆盖的那半侧不可伸缩的管状柔性薄膜8所包裹着的液体介质7受到挤压力，向未覆盖电极的半侧流动，从而使平坦的梭形横截面鼓起形成圆形截面，如图8所示。由于管状柔性薄膜8不可伸缩，所以柔性泵囊3的总周长减小，从而使得泵囊内腔的体积减小。同时，在柔性泵囊3充液部分的上端和下端各留出一段不可伸缩的管状柔性薄膜8，内部并不充入液体介质7。由于上端盖2和下端盖4的周长保持不变，所以不可伸缩的管状柔性薄膜8的上段11和下段12在泵囊的轴向产生收缩，进一步压缩泵囊内腔的液体。在瓣膜结构6的作用下，液体无法从上端盖2的进水口1中流出，只能从下端盖4的出水口5泵出。当电极不施加电压时，静电力消失，未覆盖电极的薄膜所包裹的那半侧液体介质7压力大于覆盖电极的薄膜所包裹的那半侧液体介质7压力，在液压的驱动下，液体介质7流回到原位，从而使圆形截面逐渐变回为平坦的横截面，由于薄膜本身不可伸缩，所以柔性泵囊3的总周长增大，从而使得泵囊所包围的内腔体积增大，泵囊内腔的压力减小，在瓣膜结构6的作用下，液体无法从出水口5流入，只能通过进水口1将外界的水泵入泵囊内腔。按照如上过程不断的施加电压与中断电压，柔性泵会不断的从进水口1泵入液体，从出水口5泵出液体，实现液体的运输与增压。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均应该落在本发明的保护范围之内。
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