柔性瓣膜阀锥流道压电泵的设计与试验

Design and Tests of Piezoelectric Pump with Flexible Valvular Valves in Conical Channels

摘要

为提高柔性瓣膜阀压电泵的输液性能，结合锥流道的流阻不等特性设计了一种柔性瓣膜阀锥流道压电泵。输水性能测试结果表明，驱动电压（峰峰值）为300 V时，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的最大输水流量、压力差分别为104.6 g/min和1.53 kPa，较柔性瓣膜阀直流道压电泵均得到较大提高。柔性瓣膜阀锥流道压电泵的输血试验结果表明，驱动电压（峰峰值）为300 V时，最大输血流量、压力差分别为86.4 g/min和1.45 kPa，输血过程中对血细胞的破坏较小。

Abstract

To improve the infusion performance of piezoelectric pump with flexible valvular valves， a piezoelectric pump with flexible valvular valves in conical channels was designed combined with unequal flow resistance characteristics of conical channels. The water delivery performance results show that， when the driving peak-to-peak voltage is 300 V， the maximum water delivery flowrate is as 104.6 g/min， and the pressure difference is as 1.53 kPa of piezoelectric pump with flexible valvular valves in conical channels， which are much better than those of piezoelectric pump with flexible valvular valves in straight channels. The blood transport tests results of piezoelectric pump with flexible valvular valves in conical channels show that when the driving peak-to-peak voltage is 300 V， the maximum blood transport flowrate is as 86.4 g/min， the pressure difference is as 1.45 kPa， and the damage to erythrocytes and platelets is small during blood transport.

Graphical abstract

Author summay

严天祥，男，1987年生，正高级实验师。研究方向为压电材料与器件。发表论文20余篇。E-mail：[e-mail]。

0 引言

静脉输液不仅能为病人提供能量和治疗疾病，还能有效帮助伤员补充血容量，挽救伤员的生命^［1-2］。泵送输液是一种精确调控输液速度和压力的静脉输液方法，不仅能保证输液过程的安全性与稳定性，还能有效降低护士的工作量并提高医疗操作的效率^［3-4］。传统输液泵由电机驱动，结构复杂、体积庞大，难以满足便携式输液的需求^［5-6］。压电泵是一种利用逆压电效应实现液体输送的精密输液泵，结构简单、体积小、输液性能可控，在静脉输液等医疗领域有广阔的应用前景^［7-10］。

近些年，众多学者研究了医用压电泵。结合微针的压电泵^［11］将电极、压电片、聚二甲基硅氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）膜和流道集成于玻璃基板上，在经皮药物输送中发现，PDMS膜显著的透气性和表面疏水性导致药物输送的精确性与稳定性下降。流线形无阀压电泵^［12］在输液过程中能显著减小内部漩涡，适用于运输含活体细胞液体，但存在的回流现象导致流量较低。用于药物输送的可分离通道液压驱动压电泵^［13］能重复利用压电振子，但输液性能差。张立敏等^［14］利用伞阀压电泵输送模拟血液（甘油与水的溶液），为压电泵在血液运输领域的应用奠定基础。基于人体主动脉瓣形状特点的柔性瓣膜阀直流道压电泵可运输含活体细胞的液体^［15］，但输液性能不佳。

本文结合锥流道的流阻不等特性设计出一种柔性瓣膜阀锥流道压电泵。首先阐述柔性瓣膜阀锥流道压电泵的结构和工作原理，理论分析柔性瓣膜阀锥流道压电泵不同工作状态的输出性能。然后制作柔性瓣膜阀直流道压电泵和柔性瓣膜阀锥流道压电泵样机，对比两种泵的输水性能。最后试验探究柔性瓣膜阀锥流道压电泵的输血性能及其对红细胞与血小板的破坏程度。

1 结构设计与理论分析

1.1 结构设计

图1a为柔性瓣膜阀锥流道压电泵的爆炸图。压电振子为驱动元件，由压电陶瓷片和铜基片组成。密封双面胶防止液体泄漏。图1b所示为泵体内部结构。柔性瓣膜阀（包含柔性瓣膜和用于定位的凸缘）置于泵体内的凹槽中，入口柔性瓣膜阀的开口正对泵腔，出口柔性瓣膜阀的开口正对出口流管。

交流电作用下，压电陶瓷片通过逆压电效应驱动压电振子做往复运动，使泵腔体积周期性变化，进而使液体经柔性瓣膜阀流进和流出。柔性瓣膜阀开口未完全闭合时，压电泵处于无阀工作状态；柔性瓣膜阀闭合时，压电泵处于有阀工作状态。

图2a所示为柔性瓣膜阀锥流道压电泵无阀状态（阀开口未闭合）的工作原理。0~T/4（T为一个工作周期）时，压电振子向上弯曲，泵腔容积增大、压力降低，液体流进泵腔，入口柔性瓣膜阀开口变大，出口柔性瓣膜阀开口变小，从入口流管流进泵腔的液体多于从出口流管流进的液体。T/4~T/2时，压电振子变形减小，泵腔容积减小、压力升高，柔性瓣膜阀恢复至初始状态，液体从泵腔流出。 T/2~3T/4时，压电振子向下弯曲，泵腔压力升高，液体流出泵腔，入口柔性瓣膜阀开口变小，出口柔性瓣膜阀开口变大，更多液体从出口流出。3T/4~T时，压电振子变形减小，泵腔压力降低，柔性瓣膜阀恢复到初始状态，液体流进泵腔。综上所述，无阀状态下，吸程时从入口流管流进泵腔的液体多于从出口流管流进的液体，排程时从出口流管流出泵腔的液体多于从入口流管流进的液体，从而实现液体的单向输送。

图2b所示为柔性瓣膜阀锥流道压电泵有阀状态（阀开口闭合）的工作原理。0~T/4时，压电振子向上弯曲，泵腔压力降低，液体流进泵腔，入口柔性瓣膜阀开口打开，出口柔性瓣膜阀开口闭合，液体从入口流进泵腔。T/4~T/2时，压电振子变形减小，泵腔压力升高，柔性瓣膜阀恢复至初始状态，液体从泵腔排出。T/2~3T/4时，压电振子向下弯曲，泵腔压力升高，液体流出泵腔，入口柔性瓣膜阀开口关闭，出口柔性瓣膜阀开口打开，液体从出口流出。3T/4~T时，压电振子变形减小，泵腔压力降低，柔性瓣膜阀恢复到初始状态，液体流进泵腔。综上所述，有阀状态下，吸程时液体从入口流进，排程时液体从出口流出，从而实现液体的单向输送。

1.2 理论分析

压电泵的压电振子使泵腔的容积和压力发生周期性变化，导致柔性瓣膜阀的开口改变，实现液体的单向输送。每个周期内的压电泵泵腔容积最大变化量为^［16］

\mathrm{\Delta }{V}_{\mathrm{m}}=\frac{\mathrm{\pi }{A}_{\mathrm{m}}{R}^{\mathrm{2}}}{\mathrm{2}}=\frac{\mathrm{3}\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{31}}U{R}^{\mathrm{4}}}{\mathrm{4}{t}^{\mathrm{2}}}（1）

式中：A_m为压电振子中心的最大位移；R为压电振子的半径；d₃₁为压电陶瓷片的压电常数；U为压电振子的驱动电压；t为压电振子的厚度。

压电泵在无阀状态下的流量q_w和压力差Δp_w分别为^［17］

q_{\mathrm{w}}=\mathrm{2}\mathrm{\Delta }{V}_{\mathrm{m}}f{\eta }_{\mathrm{w}}=\frac{\mathrm{3}\mathrm{\pi }{d}_{\mathrm{31}}{R}^{\mathrm{4}}Uf}{\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}}}\frac{\sqrt[]{K_{\mathrm{f}}/K_{\mathrm{z}}}-\mathrm{1}}{\sqrt[]{K_{\mathrm{f}}/K_{\mathrm{z}}}+\mathrm{1}}（2）

\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{w}}=\frac{\rho }{\mathrm{2}}{(\frac{q_{\mathrm{w}}}{A{C}_{\mathrm{d}}})}^{\mathrm{2}}（3）

式中：f为压电振子的驱动频率；η_w为压电泵在无阀状态下的效率；K_f为反向阻力系数；K_z为正向阻力系数；ρ为液体密度；A为通流面积；C_d为流量系数。

压电泵在有阀状态下的流量q_y和压力差Δp_y分别为^［18］

q_{\mathrm{y}}=\mathrm{2}{C}_{\mathrm{v}}\mathrm{\Delta }{V}_{\mathrm{m}}f=\frac{\mathrm{3}\mathrm{\pi }{C}_{\mathrm{v}}{d}_{\mathrm{31}}{R}^{\mathrm{4}}Uf}{\mathrm{2}{t}^{\mathrm{2}}}（4）

\mathrm{\Delta }{p}_{\mathrm{y}}=\frac{\rho }{\mathrm{2}}{(\frac{q_{\mathrm{y}}}{A{C}_{\mathrm{d}}})}^{\mathrm{2}}（5）

式中：C_v为阀的响应系数。

由式（2）~式（5）可知，压电泵不同状态下的流量和压力差与驱动电压正相关，即驱动电压越大，流量与压力差越大。

2 试验研究

2.1 输水试验

为比较柔性瓣膜阀直流道压电泵与柔性瓣膜阀锥流道压电泵的输水性能，进行了2种泵的样机输水试验。图3所示为柔性瓣膜阀锥流道压电泵的泵腔结构，锥流道的锥角根据文献［19］确定为7°，柔性瓣膜的厚度为0.7 mm、间距为0.2 mm，泵腔的结构参数见表1。将柔性瓣膜阀锥流道压电泵的锥流道变为直流道（流道的锥角为0°），其余结构参数保持不变，可得柔性瓣膜阀直流道压电泵。

图4所示为两种泵的泵体（内含柔性瓣膜阀）和样机。图4a中，泵体采用精度0.05 mm的3D打印机加工，打印材料为光敏树脂；柔性瓣膜阀采用注塑工艺制作，注塑材料为邵氏硬度35的硅胶。图4b中，两种泵样机的驱动元件均由直径35 mm的压电陶瓷片和直径25 mm的铜基片组成。

图5所示为压电泵的流量测试装置和压力差测试装置。输送介质为去离子水，信号发生器改变驱动频率，功率放大器改变驱动电压（峰峰值为300 V，下同），使用电子秤（精度为0.01 g）通过称重法测量不同驱动信号的输水流量，U型压力计测量不同驱动信号的输水压力差。

图6所示为两种泵的输水流量和驱动频率的关系。随着驱动电压的升高，两种泵的输水流量均增加，与理论分析相符。驱动电压为300 V时，柔性瓣膜阀直流道压电泵的输水流量达到最大值62.4 g/min，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的最大输水流量则为104.6 g/min。

图7所示为两种泵的输水压力差和驱动频率的关系。随着驱动电压的升高，两种泵的输水压力差均增大，与理论分析相符。驱动电压为300 V时，柔性瓣膜阀直流道压电泵的最大输水压力差为1.40 kPa，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的最大输水压力差为1.53 kPa。

图8所示为不同驱动频率下，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的输水流量和驱动电压的关系。驱动电压从50 V升高至100 V时，输水流量的增加较慢；驱动电压从100 V升高至300 V时，输水流量的增加较快。这是因为，随着驱动电压的升高，柔性瓣膜阀的开口逐步增大，柔性瓣膜阀锥流道压电泵逐步从无阀工作状态变成有阀工作状态。驱动电压50~100 V和100~300 V阶段的输水流量与驱动电压均呈近似的线性关系，因此可通过调节驱动电压控制该泵的输水流量。

2.2 输血试验

质量浓度38%的甘油水溶液能模拟血液的流动特性^［20］，故利用该溶液进行输血试验。图9所示为柔性瓣膜阀锥流道压电泵的输血性能与驱动频率的关系。驱动电压为300 V时，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的最大输血流量为86.4 g/min，最大输血压力差为1.45 kPa。柔性瓣膜阀锥流道压电泵的输血性能相比于其输水性能有所降低，这是由于血液的黏滞性比去离子水大。

使用压电泵输血时，红细胞和血小板可能被破坏。为探究柔性瓣膜阀锥流道压电泵对红细胞与血小板的影响，采用抗凝兔血进行泵样机的输血试验。图10所示为使用的输血试验装置。输血前，采用恒温水浴锅将输血袋中的血液加热至37 ℃，避免低温运输剪切力对血细胞的损伤。根据最佳输血流量驱动参数，设定泵的驱动电压为300 V、驱动频率为100 Hz。运行泵样机，使血液从输血袋经泵体输送至集血袋，一段时间后，泵停止运行。输血结束后，从输血袋和集血袋中提取少量血液样本，检测输血前后的红细胞和血小板数量。

表2所示为输血前后，单位体积红细胞和血小板数量，可以看出，输血前后红细胞和血小板的数量变化不大，表明柔性瓣膜阀锥流道压电泵在输血过程中对红细胞和血小板造成的破坏较小。红细胞和血小板数量的微小变化主要与血细胞浓度分布不均有关。据报道急性大出血患者的输血速度为50~100 mL/min^［21］，因此本文设计的柔性瓣膜阀锥流道压电泵可用于急性大出血患者的输血。

3 结论

针对柔性瓣膜阀直流道压电泵输液性能不佳的问题，基于锥流道的流阻不等特性设计了柔性瓣膜阀锥流道压电泵。

驱动电压峰峰值为300 V时，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的最大输水流量为104.6 g/min、压力差为1.53 kPa，比柔性瓣膜阀直流道压电泵的对应指标分别提高42.2 g/min和0.13 kPa。

与驱动电压50~100 V相比，驱动电压100~300 V的输水流量增加更快，这表明随着驱动电压的升高，柔性瓣膜阀锥流道压电泵逐渐由无阀工作状态变为有阀工作状态。无阀和有阀工作状态下的输水流量与驱动电压均呈近似的线性关系，因此可通过调节驱动电压控制该泵的输水流量。

驱动电压为300 V时，柔性瓣膜阀锥流道压电泵的最大输血流量为86.4 g/min、压力差为1.45 kPa。柔性瓣膜阀锥流道压电泵对红细胞与血小板的破坏较小，可用于急性大出血患者的输血。

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