一种基于介电弹性体驱动的软体泵及其参数优化方法

本发明涉及液体输送，尤其涉及一种基于介电弹性体驱动的软体泵及其参数优化方法。

背景技术：

1、传统机械泵根据其工作原理可分为容积式泵、叶轮式泵和喷射式泵等类型。传统机械泵由叶轮、泵壳、泵轴和密封装置等组件组装而成。尽管传统机械泵具有充足的动力和较大的功率，但其结构笨重、易发热且工作时噪音较大。相比之下，柔性泵是一种基于流体力学原理制造的微流控装置，采用柔性材料制成。这种泵主要应用于微流控系统、生物医学、化工、环境监测、食品加工等领域，用于控制和驱动微流体，实现微流体的混合、输送和分离等操作。目前常用的柔性材料包括聚氨酯、硅橡胶和氟橡胶等。

2、目前对于软体泵的实现，中国专利201910034482.5公开了一种利用多层介电弹性体堆叠制成的人工心脏，但是该方案多层介电弹性体制备复杂；同时由于多层堆叠结构使得腔体占用空间大，总体尺寸较大，不够紧凑。中国专利cn202310182127.9公开了一种利用柔性电极通电后挤压柔性泵体，使得柔性泵体内的介电液产生流动的装置。但是该方法仅仅依赖单层挤压的方式就会导致一个完整的挤压周期耗时较长，无法根据调整驱动频率，这使得驱动能力相对较弱，从而产生的流量较少。难以克服实现软体泵的灵活调控及泵送液体流量较大问题，目前锥形结构的介电弹性体驱动器是新的研究方向，对于锥形介电弹性体结构的实现，中国专利cn202211308573.1公开了一种锥形介电弹性体结构，在中间采用刚性杆体支撑介电弹性体。然而，这种设计限制了锥形介电弹性体驱动器性能设计的多样性，设计方式相对单一，仅能通过改变杆体的长度来调整性能，无法实现对特定性能的定量控制。

技术实现思路

1、发明目的：本发明旨在提供一种基于介电弹性体驱动的灵活高效的可实现最优结构的软体泵及其参数优化方法。

2、技术方案：本发明所述基于介电弹性体驱动的软体泵，包括上壳体、下壳体、单向阀和双锥式介电弹性体驱动器，上壳体和下壳体为空心圆锥台型，相对安装成陀螺型的壳体，双锥式介电弹性体驱动器位于壳体内的圆形框架中，所述双锥式介电弹性体驱动器是由弹簧系统组件、第一介和第二介电弹性体驱动器组成的双锥式密闭结构，弹簧系统组件设于第一和第二介电弹性体驱动器之间，支撑第一和第二介电弹性体驱动器，第一介电弹性体驱动器和第二介电弹性体驱动器的铜箔从上壳体上的矩形孔穿出。

3、进一步的，所述第一和第二介电弹性体驱动器均包括支架、柔性电极、介电弹性体和铜箔，所述支架为圆环型，所述介电弹性体固定在支架底部，介电弹性体为预拉伸的圆形超弹性体，一对铜箔分别贴在介电弹性体的上下表面，一对铜箔位于同一水平线位置；柔性电极为圆环型，均匀涂覆在介电弹性体的上下表面，介电弹性体中心形成圆形未涂覆区域。

4、进一步的，所述铜箔一端的平面投影位于支架内部。

5、进一步的，所述弹簧系统组件包括弹簧支架和弹簧，弹簧支架为“凸”字型，弹簧支架的凸起端安装在弹簧两端，平面端位于介电弹性体的圆形未涂覆区域。

6、进一步的，所述弹簧系统组件、第一介和第二介电弹性体驱动器中心对齐，且第一电弹性体驱动器的铜箔与第二介电弹性体驱动器的铜箔垂直。

7、优选的，所述介电弹性体实用光固化胶水加热固定在支架底部。

8、优选的，所述支架顶部内侧设有凹台。

9、进一步的，所述基于介电弹性体驱动的软体泵还包括密封圈，密封圈设于下壳体内侧的凸台上。

10、优选的，所述上壳体和下壳体还包括吊耳。

11、本发明所述基于介电弹性体驱动的软体泵的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

12、(1)建立输出力s和第一弹簧支架外圈半径a、第一支架内圈半径b之间的关系：

13、

14、式中，θ为膜在第一弹簧支架边缘切点与水平面的夹角，φ1为固定电压，λ为拉伸率；

15、(2)设定目标输出力s1，计算锥形介电弹性体驱动器实际输出力s2；

16、(3)通过最值求解方法优化双锥式介电弹性体驱动器的结构参数，使得在固定电压φ1下，锥形介电弹性体驱动器尽可能接近目标输出力s1，具体如下：

17、

18、式中，2≤a≤7，10≤b≤20，100≤λ≤400，10≤θ≤60；

19、(4)当锥形介电弹性体计算得出实际输出力s2接近s1时，优化完成，得到最优参数a1、b1、λ1、θ1并进入下一步；

20、(5)建立伸长位移量c和弹簧的刚度k、弹簧长度l之间的关系：

21、

22、式中，ε是介电常数，ε0是真空介电常数，f为弹簧力，d为介电体弹性体的厚度；λ1为步骤(3)得到的最优拉伸率；

23、(6)设定目标伸长位移量c1，计算锥形介电弹性体驱动器实际伸长位移量c2；

24、(7)通过最值求解方法优化弹簧参数，使得在电压φ1下，锥形介电弹性体驱动器尽可能接近目标伸长位移量c1；具体如下：

25、

26、式中，0.2≤f≤1，0.1≤k≤0.4，20≤l≤40，0.5≤d≤2

27、(8)当锥形介电弹性体计算得出实际伸长位移量c2接近c1时，优化完成，得到最优参数f1、k1、l1、d1。

28、有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：

29、1、本发明采用弹簧作为软体泵内部介电弹性体支撑系统，可以通过优化弹簧的刚度和初始长度来进一步优化软体泵内部双锥式介电弹性体驱动器的工作行程，从而增大软体泵腔室被压缩面积，进而增大软体泵的泵送能力；2、与传统的单层或堆叠式软体泵不同，本发明的介电弹性体软体泵，可以灵活调整内部双锥式介电弹性体驱动器的工作频率，以实现快速压缩软体泵内部泵腔，达到增大流量的目的；3、本发明介电弹性体软体泵结构设计更为紧凑，相比堆叠式软体泵较大的泵腔体积，本发明可以根据内部内部驱动器的形态，合理设计泵腔大小做到内部泵腔体积的最小化，泵送液体效率最大化；4本发明提供的参数优化方法可以优化软体泵内部双锥式介电弹性体的结构，以实现结构尺寸最优化，进而实现液体泵送能力的最大化。

技术特征：

1.一种基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，包括上壳体(1)、下壳体(2)、单向阀和双锥式介电弹性体驱动器(4)，上壳体(1)和下壳体(2)为空心圆锥台型，相对安装成陀螺型的壳体，双锥式介电弹性体驱动器位(4)于壳体内的圆形框架中，所述双锥式介电弹性体驱动器(4)是由弹簧系统组件(41)、第一介和第二介电弹性体驱动器组成的双锥式密闭结构，弹簧系统组件(41)设于第一和第二介电弹性体驱动器之间，支撑第一和第二介电弹性体驱动器，第一介电弹性体驱动器(42)和第二介电弹性体驱动器(43)的铜箔从上壳体上的矩形孔穿出。

2.根据权利要求1所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述第一和第二介电弹性体驱动器均包括支架、柔性电极、介电弹性体和铜箔，所述支架为圆环型，所述介电弹性体固定在支架底部，介电弹性体为预拉伸的圆形超弹性体，一对铜箔分别贴在介电弹性体的上下表面，一对铜箔位于同一水平线位置；柔性电极为圆环型，均匀涂覆在介电弹性体的上下表面，介电弹性体中心形成圆形未涂覆区域。

3.根据权利要求2所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述铜箔一端的平面投影位于支架内部。

4.根据权利要求2所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述弹簧系统组件(41)包括弹簧支架和弹簧(413)，弹簧支架为“凸”字型，弹簧支架的凸起端安装在弹簧两端，平面端位于介电弹性体的圆形未涂覆区域。

5.根据权利要求3所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述弹簧系统组件、第一介和第二介电弹性体驱动器中心对齐，且第一电弹性体驱动器的铜箔与第二介电弹性体驱动器的铜箔垂直。

6.根据权利要求2所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述介电弹性体实用光固化胶水加热固定在支架底部。

7.根据权利要求2所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述支架顶部内侧设有凹台。

8.根据权利要求1所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，还包括密封圈，密封圈设于下壳体内侧的凸台上。

9.根据权利要求1所述基于介电弹性体驱动的软体泵，其特征在于，所述上壳体和下壳体还包括吊耳。

10.根据权利要求1—9任一项所述基于介电弹性体驱动的软体泵的参数优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种基于介电弹性体驱动的软体泵及其参数优化方法，所述基于介电弹性体驱动的软体泵包括壳体、单向阀和双锥式介电弹性体驱动器，双锥式介电弹性体驱动器位于壳体内的圆形框架中，所述双锥式介电弹性体驱动器是由弹簧系统组件、第一介和第二介电弹性体驱动器组成的双锥式密闭结构，弹簧系统组件设于第一和第二介电弹性体驱动器之间，支撑第一和第二介电弹性体驱动器。本发明采用弹簧作为支撑件，可以灵活调节弹簧参数，在调节长度的同时改变其刚度，弹性系数和初始长度可根据需要进行调整，从而优化软体泵内双锥式介电弹性体驱动器的轴向伸长位移量，使得软体泵内部腔室被压缩面积增加，进而增大软体泵液体的泵送能力。技术研发人员：苏世杰,郭凯翔,张建,展铭,李存军,陈赟,殷宝吉受保护的技术使用者：江苏科技大学技术研发日：技术公布日：2024/7/9