一种微型隔膜泵的结构设计及流量验证分析

于海江，邓 钺，张 萌，程子昊

（1.河南驼人医疗器械集团有限公司，河南 长垣 453400；2.河南省医用高分子材料技术与应用重点实验室，河南 长垣 453400）

微型隔膜泵是一种由小型电机作为动力源，通过电机带动传动机构做往复运动，从而带动硅胶隔膜做往复运动，完成对液体介质的运送。结合自动补偿算法，常用于设备中较精密流量的配比控制。

在医疗行业中，微型隔膜泵常作为关键零部件用于医疗整机设备中，为整机提供液体输送及做到较精密流量的配比。

该微型隔膜泵特点在于，被输送液体介质在整个运送过程中完全位于硅胶隔膜的一侧，只与吸液阀、排液阀、泵壳及硅胶膜片的一侧接触。不触碰传动机构及电机部分，保证了液体不易被污染和泄漏。该特点使得微型隔膜泵在医药生物设备、精细化工及航空航天等领域应用越来越广泛。

本文中设计了一种主要应用于医疗设备的微型隔膜泵，并针对该医用微型隔膜泵进行了流量测试试验与分析。设计该微型隔膜泵的主要功用是根据系统需要进行溶液配比，实际使用中要满足以下两点设计目标：

（1）排液量根据实际需求可达到0～35 mL/min；

（2）能快速实现稳定的流量输出，且稳定流量输出误差小于3%。

1 微型隔膜泵的流量计算

微型隔膜泵是通过隔膜的变形使泵腔内压力周期性变化，从而实现介质的吸入和排出，因此很难对隔膜泵工作过程中的泵腔容积的变化进行定量分析。由于在本设计中，隔膜泵主要是完成液体介质的输送，且工作压力较小，因此假设在工作过程中液体不会被压缩，且吸入和排出的液体体积相等，以此作为参考来设计微型隔膜泵的结构。

假设泵腔处于极限位置时容积为V1，通过电机驱动运行至另一极限位置时容积为V2，则在一个工作循环中隔膜泵吸排液体的体积为Vth=V2-V1，故每分钟的排液量为：

式中：Sth为理论流速，单位为mL/min；Vth为单次吸排液容积变化，单位为mL；n为隔膜泵每分钟工作循环次数。

为实现较为灵活且精确的排液参数，选择步进电机与丝杆的组合作为微型隔膜泵的驱动元件。同时为与系统相配合，设置电机驱动程序为每分钟30个工作循环，则在单次工作循环中，泵腔可能的容积变化不应小于1.167 mL。以下将依据此参数及要求进行泵腔设计。

2 微型隔膜泵结构设计

硅橡胶材质具有受温度变化的影响较小、不易老化、较高的透明度和生理惯性大无致癌等一系列优异特性，因此选符合生物相容性要求的硅橡胶作为隔膜材料；按结构形态，隔膜分为平板隔膜、波纹隔膜、碟形隔膜和滚动隔膜，考虑到结构紧凑要求，本次隔膜形状设计为圆形平板结构。在微型隔膜泵的隔膜运动过程中，隔膜会产生明显的弹性变形，隔膜可随着电机的正转反转在泵腔中变形移动来完成吸排液。

考虑到隔膜材料变形量的限制，结合所选择的电机与丝杆的传动形式，设定变量h（即隔膜的表面至泵腔顶面的距离）在0～5 mm之间变化（图1中为隔膜未变形时，h=2 mm）。选择步进电机参数选择步距角1.8°；丝杆导程为2 mm，步长0.01 mm。

微型隔膜和泵腔设计的关键尺寸如图1所示，由隔膜在泵腔内变形移动带来的最大容积变化不应小于1.167 mL进行估算可知，当h约为4.4 mm时，微型隔膜泵的单次吸排液量可满足要求。

图1 微型隔膜和泵腔设计尺寸图

设计的流量调节微型隔膜泵如图2所示。其由步进电机、滚珠丝杆、丝杆螺母、隔膜推柄、驱动弹簧、隔膜、进液阀口和出液阀口等组成。其工作原理是由滚珠丝杆传动将步进电机的转动转化为丝杆螺母的前后移动，隔膜推柄在驱动弹簧的回位压力下紧贴丝杆螺母，从而随着丝杆螺母的移动带动隔膜变形，使泵腔体积发生变化，实现吸排液功能。

图2 微型隔膜泵剖面示意图

为使泵腔部分更好地密封，在泵腔上下与隔膜边缘接触部分设计凸棱结构，上下凸棱与隔膜相配合，密封性更好。为实现结构的密封，将隔膜、隔膜推柄等部件隐藏在泵体内部，设计端盖压紧进液阀口与排液阀口的同时给予其密封。

本方案的另外关键因素还包括进液阀口与排液阀口处的密封效果要好、匹配弹力合适的压缩弹簧以及涉及的零件材质要符合生物相容性要求等。保证良好的密封效果可以选用符合生物相容性要求的硅橡胶材质O型密封圈；匹配弹力合适的压缩弹簧要经过理论计算，保证在微型隔膜泵使用过程中能顺利打开进液阀口与排液阀口。涉及到的上阀盖、压缩弹簧以及作用于进液阀口与排液阀口的半球形硅橡胶等相关材质同样要符合生物相容性要求，且耐酸碱腐蚀。

3 微型隔膜泵的流量调节测试

3.1 微型隔膜泵流量随电机行程变化

由于微型隔膜泵的流量不好直接测量，因此用已知密度的某种液体作为测试的工作介质，测量在微型隔膜泵若干个工作循环前后的质量变化，可以很方便地计算出微型隔膜泵流量。

假设微型隔膜泵在m个工作循环后，排出工作介质的质量由g1变化为g2，工作介质的密度为ρ，微型隔膜泵每分钟的工作循环次数为n，则微型隔膜泵的实际流量为：

在本次测试中选取蒸馏水作为测试实验的工作介质，考虑到前文计算中，h约为4.4 mm时微型隔膜泵可达到最大吸排液量，结合电机与丝杆的参数，制定测试方案如下：

（1）设定步进电机行程从2 mm起，以步长0.2 mm取16个行程测试参数，即2 mm，2.2 mm，2.4 mm……4.8 mm，5 mm。

（2）对每一个行程参数，微型隔膜泵先进行热机，待输出流量平稳后，测量微型隔膜泵90个工作循环（即3 min）输送蒸馏水的质量，每个行程参数重复测量10次，并取10次测试的均值计算微型隔膜泵的流量。

微型隔膜泵流量随电机行程的变化如图3所示。从测试结果中可以看出，随着电机行程的增加，微型隔膜泵的流量随之增大，两者几乎成线性增长。对数据进行线性拟合可得拟合方程为y=8.15x-0.477，拟合优度R2=0.988，代入拟合方程计算可得，当电机行程为4.35 mm时，微型隔膜泵可达到需求的最大流量，即35 mL/min。同时可以看到，使用所设计的微型隔膜泵可以在需求的流量范围内实现较为精细和准确的流量输出。

图3 微型隔膜泵流量随电机行程的变化

3.2 连续工作稳定性测试

分别将电机行程设置为2.4 mm、3.0 mm、3.6 mm，微型隔膜泵不经过热机，开机直接连续工作1 h，每90个工作循环（即每隔3 min）测一次输送蒸馏水的质量变化，计算得微型隔膜泵的流量随时间的变化，结果如图4所示。

图4 不同电机行程微型隔膜泵流量随时间的变化

从图中可以看出，在不同的电机行程参数下，随着隔膜泵的运行，微型隔膜泵的流量逐渐增大，并在一段后逐渐稳定，实现稳定的流量输出。

当电机行程为2.4 mm时，代入前文中得到的拟合方程可得，微型隔膜泵的流量约为19.093 mL/min。当微型隔膜泵运行至第12 min时，此时的流量为18.634 mL/min，与理论稳定状态下的流量输出误差已小于3%；当微型隔膜泵运行至第27 min时，此时的流量为18.928 mL/min，与理论稳定状态下的流量输出误差已小于1%；33 min之后，微型隔膜泵的流量稳定在19.093 mL/min附近。

当电机行程为3.0 mm时，代入前文中得到的拟合方程可得，微型隔膜泵的流量约为23.985 mL/min。当微型隔膜泵运行至第18 min时，此时的流量为23.272 mL/min，与稳定状态下的流量输出误差已小于3%；当微型隔膜泵运行至第39 min时，此时的流量为23.794 mL/min，与稳定状态下的流量输出误差已小于1%；当微型隔膜泵运行至第45 min时，微型隔膜泵的流量逐步稳定。

当电机行程为3.6 mm时，代入前文中得到的拟合方程可得，微型隔膜泵的流量约为28.877 mL/min。当微型隔膜泵运行至第18 min时，此时的流量为28.157 mL/min，与稳定状态下的流量输出误差已小于3%；当微型隔膜泵运行至第42 min时，此时的流量为28.619 5 mL/min，与稳定状态下的流量输出误差已小于1%；当微型隔膜泵运行至第45 min时，微型隔膜泵的流量开始逐步稳定。

由于本次设计的微型隔膜泵在实际工作中需跟随系统连续使用，微型隔膜泵能够不断地缩小与稳定状态下的误差，并快速达到稳定状态，这表明所设计的微型隔膜泵精度较高，流量控制稳定，可靠性较高，可以满足设计需求，实现精确配液控比。

4 结束语

本次主要应用于医疗设备的微型隔膜泵的设计方案，以及根据设计方案做出的产品样机，经实际流量测试、分析，所设计的微型隔膜泵实际排液量可以达到0～35 mL/min，并能够在此区间内实现较为精细的输出值；能够快速达到稳定流量输出，且稳定流量输出误差小，精度较高。