一種微型隔膜泵的結構設計及流量驗證分析

于海江，鄧 鉞，張 萌，程子昊

（1.河南駝人醫療器械集團有限公司，河南 長垣 453400；2.河南省醫用高分子材料技術與應用重點實驗室，河南 長垣 453400）

微型隔膜泵是一種由小型電機作為動力源，通過電機帶動傳動機構做往復運動，從而帶動硅膠隔膜做往復運動，完成對液體介質的運送。結合自動補償算法，常用于設備中較精密流量的配比控制。

在醫療行業中，微型隔膜泵常作為關鍵零部件用于醫療整機設備中，為整機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，被輸送液體介質在整個運送過程中完全位于硅膠隔膜的一側，只與吸液閥、排液閥、泵殼及硅膠膜片的一側接觸。不觸碰傳動機構及電機部分，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藥生物設備、精細化工及航空航天等領域應用越來越廣泛。

本文中設計了一種主要應用于醫療設備的微型隔膜泵，并針對該醫用微型隔膜泵進行了流量測試試驗與分析。設計該微型隔膜泵的主要功用是根據系統需要進行溶液配比，實際使用中要滿足以下兩點設計目標：

（1）排液量根據實際需求可達到0～35 mL/min；

（2）能快速實現穩定的流量輸出，且穩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壓力周期性變化，從而實現介質的吸入和排出，因此很難對隔膜泵工作過程中的泵腔容積的變化進行定量分析。由于在本設計中，隔膜泵主要是完成液體介質的輸送，且工作壓力較小，因此假設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，以此作為參考來設計微型隔膜泵的結構。

假設泵腔處于極限位置時容積為V1，通過電機驅動運行至另一極限位置時容積為V2，則在一個工作循環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次數。

為實現較為靈活且精確的排液參數，選擇步進電機與絲桿的組合作為微型隔膜泵的驅動元件。同時為與系統相配合，設置電機驅動程序為每分鐘30個工作循環，則在單次工作循環中，泵腔可能的容積變化不應小于1.167 mL。以下將依據此參數及要求進行泵腔設計。

2 微型隔膜泵結構設計

硅橡膠材質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；按結構形態，隔膜分為平板隔膜、波紋隔膜、碟形隔膜和滾動隔膜，考慮到結構緊湊要求，本次隔膜形狀設計為圓形平板結構。在微型隔膜泵的隔膜運動過程中，隔膜會產生明顯的彈性變形，隔膜可隨著電機的正轉反轉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，結合所選擇的電機與絲桿的傳動形式，設定變量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）。選擇步進電機參數選擇步距角1.8°；絲桿導程為2 mm，步長0.01 mm。

微型隔膜和泵腔設計的關鍵尺寸如圖1所示，由隔膜在泵腔內變形移動帶來的最大容積變化不應小于1.167 mL進行估算可知，當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 微型隔膜和泵腔設計尺寸圖

設計的流量調節微型隔膜泵如圖2所示。其由步進電機、滾珠絲桿、絲桿螺母、隔膜推柄、驅動彈簧、隔膜、進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電機的轉動轉化為絲桿螺母的前后移動，隔膜推柄在驅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，使泵腔體積發生變化，實現吸排液功能。

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計凸棱結構，上下凸棱與隔膜相配合，密封性更好。為實現結構的密封，將隔膜、隔膜推柄等部件隱藏在泵體內部，設計端蓋壓緊進液閥口與排液閥口的同時給予其密封。

本方案的另外關鍵因素還包括進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O型密封圈；匹配彈力合適的壓縮彈簧要經過理論計算，保證在微型隔膜泵使用過程中能順利打開進液閥口與排液閥口。涉及到的上閥蓋、壓縮彈簧以及作用于進液閥口與排液閥口的半球形硅橡膠等相關材質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節測試

3.1 微型隔膜泵流量隨電機行程變化

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，測量在微型隔膜泵若干個工作循環前后的質量變化，可以很方便地計算出微型隔膜泵流量。

假設微型隔膜泵在m個工作循環后，排出工作介質的質量由g1變化為g2，工作介質的密度為ρ，微型隔膜泵每分鐘的工作循環次數為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，考慮到前文計算中，h約為4.4 mm時微型隔膜泵可達到最大吸排液量，結合電機與絲桿的參數，制定測試方案如下：

（1）設定步進電機行程從2 mm起，以步長0.2 mm取16個行程測試參數，即2 mm，2.2 mm，2.4 mm……4.8 mm，5 mm。

（2）對每一個行程參數，微型隔膜泵先進行熱機，待輸出流量平穩后，測量微型隔膜泵90個工作循環（即3 min）輸送蒸餾水的質量，每個行程參數重復測量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行程的變化如圖3所示。從測試結果中可以看出，隨著電機行程的增加，微型隔膜泵的流量隨之增大，兩者幾乎成線性增長。對數據進行線性擬合可得擬合方程為y=8.15x-0.477，擬合優度R2=0.988，代入擬合方程計算可得，當電機行程為4.35 mm時，微型隔膜泵可達到需求的最大流量，即35 mL/min。同時可以看到，使用所設計的微型隔膜泵可以在需求的流量范圍內實現較為精細和準確的流量輸出。

圖3 微型隔膜泵流量隨電機行程的變化

3.2 連續工作穩定性測試

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

圖4 不同電機行程微型隔膜泵流量隨時間的變化

從圖中可以看出，在不同的電機行程參數下，隨著隔膜泵的運行，微型隔膜泵的流量逐漸增大，并在一段后逐漸穩定，實現穩定的流量輸出。

當電機行程為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。當微型隔膜泵運行至第12 min時，此時的流量為18.634 mL/min，與理論穩定狀態下的流量輸出誤差已小于3%；當微型隔膜泵運行至第27 min時，此時的流量為18.928 mL/min，與理論穩定狀態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定在19.093 mL/min附近。

當電機行程為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。當微型隔膜泵運行至第18 min時，此時的流量為23.272 mL/min，與穩定狀態下的流量輸出誤差已小于3%；當微型隔膜泵運行至第39 min時，此時的流量為23.794 mL/min，與穩定狀態下的流量輸出誤差已小于1%；當微型隔膜泵運行至第45 min時，微型隔膜泵的流量逐步穩定。

當電機行程為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。當微型隔膜泵運行至第18 min時，此時的流量為28.157 mL/min，與穩定狀態下的流量輸出誤差已小于3%；當微型隔膜泵運行至第42 min時，此時的流量為28.619 5 mL/min，與穩定狀態下的流量輸出誤差已小于1%；當微型隔膜泵運行至第45 min時，微型隔膜泵的流量開始逐步穩定。

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

4 結束語

本次主要應用于醫療設備的微型隔膜泵的設計方案，以及根據設計方案做出的產品樣機，經實際流量測試、分析，所設計的微型隔膜泵實際排液量可以達到0～35 mL/min，并能夠在此區間內實現較為精細的輸出值；能夠快速達到穩定流量輸出，且穩定流量輸出誤差小，精度較高。