CN101484702A - 独立泵 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种作为集成泵的独立泵。所述独立泵具有贮液器、抽运机构和至少一个出口。所述抽运机构用于所述贮液器的受控压缩以迫使所述贮液器中所需体积的流体通过所述至少一个出口。

Description

独立泵

相关申请的引用

本申请引用申请人于2006年7月5日提交的申请号为60/818,338、标题为“独立泵”的较早的美国临时专利申请，此处所公开的其全部内容通过引用合并于此，并且由此要求享有上述申请的优先权。

技术领域

本发明涉及一种独立泵，尤其涉及但非局限于一种具有与其结合为一体的贮液器、抽运机构和出口的泵。

背景技术

一般来说，泵的基本构件包括贮液器、连接导管、抽运区域、出口和泵壳。泵的尺寸通常与所需性能相关。在许多行业中正在进行的趋势是使产品小型化。这种正在进行的小型化使对较小型泵的需求增加。通过现有的蚀刻技术能够容易地使贮液器和连接导管小型化到纳米级。但是，目前的抽运机构常常是泵小型化的限制因素。限制因素可以是泵的物理尺寸或效率。现在的泵对于未来应用来说还不够小。需要具有精确控制能力的甚至更小的泵。

发明内容

根据一个示范方案，提供了一种独立泵，其包括：同集成泵一样的贮液器、抽运机构和至少一个出口；此处，所述抽运机构用于所述贮液器的受控压缩以迫使所述贮液器中所需体积的流体通过至少一个出口。

所述独立泵可以进一步包括入口，所述入口是所述出口。所述抽运机构可以包括在所述贮液器的至少一个壁上的至少一个压电致动器。

所述贮液器可以包括多个壁。所述多个壁可以包括顶壁、至少一个侧壁、和底壁；所述多个壁中的至少一个可以是相对刚性的。所述多个壁中的至少另一个可以是相对柔性的。

所述独立泵可以进一步包括在所述至少一个出口的每个出口上的柔性膜。所述柔性膜可以是薄且透明的。

所述独立泵可以进一步包括在贮液器内的中心芯子，所述至少一个出口对准所述中心芯子。所述中心芯子可以具有用于贮液器和至少一个出口之间的流体连通通过的至少一个孔。所述中心芯子可以在顶壁和底壁之间延伸并且密封顶壁和底壁；所述中心芯子可以是相对刚性的。至少一个开口可以在顶壁和底壁中的一个中。所述至少一个开口可以对准中心芯子。所述中心芯子可以是中空圆筒。

所述贮液器的压缩量的减小可以迫使贮液器中的所需体积的部分流体通过所述至少一个出口。

所述至少一个压电致动器可以包括以下中的至少一个：绕至少一个侧壁的螺旋、绕至少一个侧壁的双螺旋、在底壁上的至少两个压电致动器、多个侧壁的角柱，此处至少一个侧壁包括多个侧壁，以及压电致动器在多个侧壁的相对壁上。

根据另一示范方案，提供了一种用于光学装置的液体透镜装置，所述液体透镜包括如上所述的独立泵。所述光学装置可以是以下中的至少一个：数码相机、移动电话中的数码相机、内窥镜、安全防范系统相机和光学存储设备。

根据又一示范方案，提供了一种用于药物的受控释放的装置，所述装置包括如上所述的独立泵。

附图说明

为了使本发明可以被充分理解和容易实际实施，现在结合附图通过非限制性实例的仅是示范性的实施例来描述。

图中：

图1是一个示范实施例的抽运原理的示意图解；

图2是另一示范实施例的正视立体图；

图3是另一示范实施例的正视立体图；

图4是进一步的示范实施例的正视立体图；

图5是又一示范实施例的正视立体图；

图6是倒数第二个示范实施例的正视立体图；以及

图7是最后一个示范实施例的正视立体图。

具体实施方式

在每个附图中，带有指示相关附图的前缀标记的相同的附图标记用于相似部件。

根据图1的示范实施例，提供了泵101，此处，贮液器102、抽运机构103、出口104都结合为一个设备。泵101可以具有任何可能的、实用的形状并且具有柔性侧壁105。抽运机构致动器103可以在顶壁106和底壁107的任一个或二者之上，或者在顶壁106和底壁107的任一个或二者之中。如图1(b)所示，致动器103的操作引起壁106、107的任一个或二者的压缩。壁106、107的任一个或二者的这种压缩将导致贮液器102内部的体积减小ΔV，从而引起贮液器102内部的压力增加ΔP。这样，ΔV<0而ΔP>0。贮液器102中的内压的这种增加迫使贮液器中的液体流过出口104。压缩的精确控制将导致泵101的精确输出。所有部件的一体化可以导致尺寸的减少，这在包括药物传送、光学仪器、微型制冷、半导体设备的冷却等的各种应用中会很有用。出口104可以在壁105、106和107的任一个中。可以具有多于一个的出口104。如果具有多于一个的出口104，则出口104可以位于不同的壁105、106和107中。

抽运机构致动器103可以包括壁106和/或107的全部或部分。它们可以与壁106和/或107结合，或者可以牢固地连接到壁106和/或107上。致动器103可以为任何适合的或所需的形状，包括但不限于：圆形、环形、悬臂、多边形、矩形、正方形、螺旋状、螺线形等。尽管图1示出的出口104在中心，但是出口104可以在壁105、106和/或107中任一个或多个的任何适当的位置处。致动器103优选为微型致动器，泵101可以是微米或纳米尺寸的(micro or nano sized)。泵101可以是闭合流体回路的一部分。

泵101也能够反过来操作，此处，当通过减小或消除在壁106和/或107上的压缩而使泵101的体积增加时，贮液器102外部的液体能够被吸回到贮液器102内。这样出口104也可以是入口。通过改变壁106和/或107的压缩量，能够移动不同量的流体。通过对设备的壁106和/或107的精确压缩，能够推动精确数量的液体。

泵构造可以适于各种应用。泵的形状可以是任何适合且实用的形状。泵的至少一个壁由柔性材料制成，这是如图1所示的侧壁105。柔性壁105的材料需要是柔性的以便在施加的压缩力下扭曲，这引起泵101内部的体积减小。例如，适合的壁材料包括诸如PDMS的所有弹性体材料。

能够以各种方法实现柔性壁105的变形。壁106和/或107能够被如上所述压缩或者从芯子向内被牵引。通过利用单个或多个致动器103可以实现外部压缩。例如，当引入诸如电压、紫外光、pH等的信号时致动器变形。它们可以是光机械材料。施加电压的精确控制引起柔性壁的精确压缩，因而引起精确的泵排量。致动器的变形机制可以基于压电现象、气体力学、磁学、液压等。

除了外部压缩，壁还能够由内力变形。例如，如果在柔性壁中包括磁性粒子并且磁芯放置在设备的中心，则当激活芯子时能够将壁拉向芯子。

图2至图6给出了用于光学应用的可能的PZT驱动方案(PZT-actuated solution)的一些实例。在图2中，圆柱形泵201具有柔性侧壁205；以及形成贮液器202的端壁206和207。端壁206、207的任一个或二者可以包括在壁206和/或207的内表面上的泵致动器203。在贮液器202内是中空的中心芯子208，中心芯子208优选为是相对刚性材料。中心芯子208在端壁206和207之间延伸并且密封端壁206和207。出口204在顶壁206中并且对准中心芯子208。

中心芯子208可以是圆柱形的(如图所示)或者任何其它合适的形状。中心芯子208具有一个或多个孔209，当贮液器202内部的压力增加或减少时流体流过孔209。这样贮液器202存储液体而中心芯子作为用于液体的通到出口204的导管。在正常操作期间中心芯子208将充满液体。当泵不使用时，出口204处的液体的高表面张力将阻止液体移动进入中心芯子208。孔209可以是圆形、正方形、矩形或任意形状。这样可以使用泵201控制出口204处的液体的气泡的尺寸和形状。

优选地，在泵201的操作期间中心芯子208不移动。中心芯子208的移动可能导致液体的不精确喷射，从而影响泵201的总体性能。有几个方案以使中心芯子208在操作期间保持相对刚性：优选地使用与相对硬的端壁206、207的任一个或二者结合的硬材料(即，丙烯酸的、环氧的、金属)，更优选地为相同硬度。

柔性贮液器202位于中心芯子208周围。侧壁205是柔性的并且例如可以由诸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的相对柔性材料制成。侧壁205可以用现有的成型技术或蚀刻技术制成。为了改变泵201的性能，侧壁205的弹性模数及其厚度可以是变化的。泵201的形状可以是圆柱形的(如图所示)、立方体的、球形的或者所需的或期望的其它形状。

在图3中，中心芯子308和一个或多个孔309如同图2的实施例。致动器303形成柔性侧壁305的角柱。顶壁306和底壁307都是相对刚性的。在这种情况下，四个致动器303可以是单独的并且独立可控以便对贮液器302中的流体的压缩进行高度控制。开口304在底壁307中并且对准中心芯子308。

在图4中，泵401具有带有孔409的相同的中心芯子408。如同侧壁405，顶壁406是相对刚性的。底壁是相对柔性的并且具有安装在其上的两个悬臂致动器403。致动器403可以延伸底壁407的全长的距离，或者可以延伸底壁407的部分长度的距离。在底壁407的相对端上示出了两个致动器403。致动器403可以放置在底壁407上的任何所需的或期望的位置。致动器403可以具有任何所需的或期望的数量。

图5的泵501具有带有孔509的相同的中心芯子508。如同底壁507，顶壁506是相对刚性的。侧壁505是相对柔性的并且具有安装在侧壁505的相对侧上的两个悬臂致动器503。致动器503可以延伸每个侧壁505的全长的距离，或者可以延伸每个侧壁507的部分长度的距离。在侧壁505的相对侧上示出了两个致动器503。致动器503可以放置在任一个侧壁505上的任何所需的或期望的位置。致动器503可以具有任何所需的或期望的数量。

图6的泵601具有带有孔609的相同的中心芯子608。如同底壁607，顶壁606是相对刚性的。圆柱形侧壁405是相对柔性的并且具有安装在其上的螺线形或螺旋状的致动器603。致动器603可以延伸侧壁605的全长的距离，或者可以延伸侧壁605的部分高度的距离。致动器603可以放置在侧壁605上的任何所需的或期望的位置处并且可以是单螺旋或双螺旋。螺旋的螺距可以是所需的或期望的。

泵101理想的是用于仅有有限空间可用的应用中。泵101可有利地用于驱动在光学成像应用的广泛范围内使用的液体透镜，所述光学成像应用包括但不限于，数码相机、拍照手机、内窥镜、安全防范系统相机和光学存储设备。通过增加或移除透镜中的液体来改变其曲率，液体透镜能够改变其焦距，透镜是在出口104处的液滴。例如，它也可以用在诸如与IC部件一起使用的微型制冷系统、可变多喷嘴等的其它领域中。

为了改变液滴的曲率，必须向液滴移动流体或从液滴移除流体。图7示出了为驱动液体透镜710而提出的泵701的可能构造。图7中的泵701是简化的设计，其可以用图2至图6中所示的构造来替换。为了防止形成透镜的液滴710的液体流出泵701，在泵701的顶部和底部增加了柔性膜711。膜711优选的是薄的且透明的。致动器没有示出但是其可以与图1至图6中任一个所示出的形式一致，或者是所需的或期望的其它形式。

由于利用致动器103的准确位移泵101能够移动精确量的液体，泵101(包括泵201、301、401、501和601)的其它适合的应用是可控药物释放。例如，泵101适于胰岛素注射，此处，每隔几分钟需要将仅微升的胰岛素注入人体。现有的商业设备往往是很大容量的并且每隔几天需要更换药盒(cartridge)。泵101将显著减少胰岛素泵的尺寸，这减少了患者的不适感。由于泵101的紧凑的尺寸，贮液器102可以扩大以增加更换药盒之间的时间。泵101可以外用或在植入后使用。另外，泵101的功耗相对低，允许泵101用标准干电池提供动力。

尽管在上述说明中描述了示范实施例，但本领域的技术人员应理解的是，可以不脱离本发明而对设计、构造和/或操作的细节作出许多变化。

Claims (16)

1、一种独立泵，包括：同集成泵一样的贮液器、抽运机构和至少一个出口；此处，所述抽运机构用于所述贮液器的受控压缩以迫使所述贮液器中所需体积的流体通过所述至少一个出口。

2、根据权利要求1所述的独立泵，进一步包括入口，所述入口是所述出口。

3、根据权利要求1或2所述的独立泵，其中，所述贮液器包括多个壁，所述多个壁包括顶壁、至少一个侧壁、和底壁；所述多个壁中的至少一个是相对刚性的，而所述多个壁中的至少另一个是相对柔性的。

4、根据权利要求1至3中任一项所述的独立泵，其中，所述抽运机构包括在贮液器的至少一个壁上的至少一个压电致动器。

5、根据权利要求1至4中任一项所述的独立泵，进一步包括在所述至少一个出口的每个出口上的柔性膜。

6、根据权利要求5所述的独立泵，其中所述柔性膜是薄且透明的。

7、根据权利要求1至6中任一项所述的独立泵，进一步包括在所述贮液器内的中心芯子，所述至少一个出口对准所述中心芯子。

8、根据权利要求7所述的独立泵，其中，所述中心芯子具有用于所述贮液器和所述至少一个出口之间的流体连通通过的至少一个孔。

9、根据权利要求7或8所述的独立泵，当依赖于权利要求3时，其中所述中心芯子在所述顶壁和所述底壁之间延伸并且密封所述顶壁和所述底壁；所述中心芯子是相对刚性的。

10、根据权利要求10所述的独立泵，其中，至少一个开口在所述顶壁和所述底壁的一个中；所述至少一个开口对准所述中心芯子。

11、根据权利要求7至10中任一项所述的独立泵，其中所述中心芯子是中空圆筒。

12、根据权利要求1至11中任一项所述的独立泵，其中，所述贮液器的压缩量的减小迫使所述贮液器中的所需体积的部分流体通过所述至少一个出口。

13、根据权利要求4所述的独立泵，其中，所述至少一个压电致动器包括选自以下组成的集合中的至少一个：绕至少一个侧壁的螺旋、绕至少一个侧壁的双螺旋、在底壁上的至少两个压电致动器、多个侧壁的角柱，此处至少所述一个侧壁包括多个侧壁，以及压电致动器在所述多个侧壁的相对壁上。

14、一种用于光学装置的液体透镜装置，所述液体透镜包括根据权利要求1至13中任一项所述的独立泵。

15、根据权利要求14所述的液体透镜，其中，所述光学装置选自以下组成的集合中的至少一个：数码相机、移动电话中的数码相机、内窥镜、安全防范系统相机和光学存储设备。

16、用于药物的受控释放的装置，所述装置包括根据权利要求1至13中任一项所述的独立泵。

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