CN101303085B - 一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其在阀体上加工半径为R的通孔和与其同轴的圆环柱体空腔，自然形成圆环面边界，薄膜执行元件不仅与圆环柱体空腔形成密闭的流体腔通过出液通道与出液口相连，而且与圆环面边界接触将进液通道和出液通道隔开。自然状态阀关闭，外部控制信号使薄膜执行元件产生振动或变形改变与圆环面边界之间的距离，实现阀的开启、关闭及其程度。本发明能实现极小流量的控制，达到极高的流量控制精度；通过薄膜执行元件主动控制阀的开启和关闭，可以减少阀的滞后现象，提高工作效率，保证薄膜执行元件有一定预变形以提供止流特性；并且无移动的机械部件，具有响应快、可靠性和耐用性好的优点。

Description

一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀

技术领域

本发明属于流体机械技术领域，涉及一种实现微流体主动控制的阀的原理与结构，尤其涉及一种由柔性薄膜执行元件对微流体控制阀进行开闭操作的微流体主动控制阀。

背景技术

在研制微流体泵的过程中，为了克服传统阀的磨损和泄漏，研制了各种各样的阀。微型阀可分为主动阀和被动阀两种。主动阀根据驱动原理可分为压电式、形状记忆合金、静电式、电磁式、热气动式等。主动截止阀是采用驱动器控制阀的开启与关闭，具有可控性，利用不同驱动原理制作的主动截止阀具有其自身的优点，适用于特定的应用领域。Spenser于1978年发表了关于具有主动阀的压电微型泵的研究工作，其最大的缺点是主动控制阀完全浸泡在被输送的流体中，容易造成对人体的威胁和容易导致电路失效。后来，Lintel等人和Smits分别提出了基于三片压电振子的微型蠕动泵(第一个具有实用价值的微型泵)，采用V型硅片阀。虽然解决了上述问题，但是另外一个问题出现了：微型蠕动泵缺乏反向止流特性，在需要禁止倒流的场合(如药物释放与化学分析等)不适用。

被动阀则根据结构可分为环状式、悬臂梁式、圆盘式、V型、膜片式和浮子式等。被动单向阀开启和关闭是通过泵腔内压力的交替变化实现的，因此其开启/关闭动作滞后于压电振子的振动。采用被动阀的有阀压电泵的主要缺点：

(1)结构通常较复杂，在加工工艺和集成上存在一定的难度；

(2)利用机械换向阀实现流体单向流动的微型泵，小且易脆的机械阀的磨损和疲劳损坏是难以克服的问题；

(3)由于微流体泵的压电振子的振幅很小，一次振动往复的容积变化也很小，所以一次振动往复所产生的泵流量也很小。要想提高泵流量，只有采用提高压电振子的振动频率的方法，当使用机械换向阀后，增频后会出现泵流量骤减的现象。

在微尺度流动控制系统中，微流体阀是关键器件之一。在微流动系统中，微型阀可以是一个独立的部件，也可以是微流体泵的一部分。它的可靠性、集成度以及加工成本对整个微流控系统具有很大影响。在微流体泵的主要结构中，决定微流体泵性能参数的主要是微阀，如泵的止流特性、流量、压降和转换速度，同时微泵输出性能也受单向截止阀动态性能的制约。对于由相同性能致动元件构成的微流体泵，由于微流体阀的结构、性能上的差异，微流体泵的输出性能也不同。因此，要得到高性能的微流体泵，必需研制高性能的微流体阀。

发明内容

本发明公开了一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀，在阀体上加工半径为R的通孔(构成进液通道与下端的进液口相连)和与其同轴的圆环柱体空腔，自然形成一半径差为ΔR的圆环面边界，薄膜执行元件不仅与圆环柱体空腔形成密闭的流体腔通过出液通道与出液口相连，而且与圆环面边界接触将进液通道和出液通道隔开。自然状态阀关闭，外部控制信号使薄膜执行元件产生振动或变形改变与圆环面边界之间的距离，实现阀的开启、关闭及其程度，实现微流体的控制。圆环面边界为相对于阀体表面具有一定高度的凸台，保证薄膜执行元件有一定预变形以提供止流特性。所述阀为双向可控的主动阀，任何一通道都可以成为进(出)液通道。

本发明是这样实现的：

根据本发明，在阀体上安装薄膜执行元件的安装面的中心有一半径差为ΔR的圆环型凸台，将输入流体通道和输出流体通道分开，利用圆环面边界与薄膜执行元件的表面之间的距离控制微流体阀的流量；在没有驱动信号作用于薄膜执行元件时，薄膜执行元件不发生振动或变形(位移)，薄膜执行元件与圆环面凸台接触，阀工作在闭合状态，将进液口和出液口完全隔离，阻止流体流动；当施加驱动信号在薄膜执行元件上时，薄膜执行元件发生振动或变形(位移)，在薄膜执行元件与圆环面凸台之间产生过流间隙，此时进液口和出液口连通，阀开启；构成阀的圆环边界(径差为ΔR)相对于安装执行器的表面具有高度为H的凸台，保证薄膜执行器有一定的预变形以提供阀的止流特性；改变作用于薄膜执行元件上的控制信号可以控制阀流量；微流体主动阀为双向可控的主动阀，任何一通道都可以成为进液通道，另外一通道则自然成为出液通道。所述的薄膜执行元件可以是部分覆盖和全覆盖的压电陶瓷/电致伸缩陶瓷振子，也可以是线性电可控执行器(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)驱动的弹性膜片或其他圆盘型振子执行器。

本发明技术方案的优点是：

1.本发明的微流体主动控制阀能实现极小流量的控制，采用线性电可控执行器驱动弹性膜片构成薄膜执行元件时可以达到极高的流量控制精度；

2.本发明通过薄膜执行元件主动控制阀的开启和关闭，可以减少阀的滞后现象，提高工作效率；

3.本发明的微流体主动控制阀在不作用外部控制信号时(自然状态)为关闭状态，而且圆环面边界为相对于阀体表面具有一定高度的凸台，保证薄膜执行元件有一定预变形以提供止流特性；

4.本发明的微型阀无移动的机械部件，具有响应快、可靠性和耐用性好的优点；

5.本发明的微型阀为双向可控的主动阀，任何一通道都可以成为进液通道，另外一通道则自然成为出液通道。

附图说明

图1是本发明微流体主动控制阀工作在闭合状态时的工作原理图；

图2是本发明微流体主动控制阀工作在闭合状态时的俯视图(移出薄膜执行元件)；

图3是本发明微流体主动控制阀工作在开启状态时的原理示意图；

图4是本发明微流体主动控制阀工作在开启状态时的俯视图(移出薄膜执行元件)；

图5是本发明微流体主动控制阀工作在开启状态时的原理示意图；

图6是本发明微流体主动控制阀工作在开启状态时的俯视图(移出薄膜执行元件)；

图7是本发明的圆环面凸台；

图8是本发明的圆环面凸台与薄膜执行元件接触情况；

图9是本发明实施例(采用部分覆盖的压电振子)剖视图；

图10是本发明实施例(采用部分覆盖的压电振子)的俯视图；

图11是本发明实施例的三维展开图；

图12是全覆盖/部分覆盖的压电振子剖面图；

图13是全覆盖/部分覆盖的压电振子俯视图；

图14是部分覆盖的压电振子发生振动或者变形时的剖面图；

图15是本发明实施例(采用全覆盖的压电振子)的剖视图；

图16是本发明实施例(采用线性叠堆执行器)的剖视图。

具体实施方式

参照附图，下文将详细介绍本发明压电阀的具体实施方式。

附图中：1为阀体，2、21为薄膜执行元件，3为圆环面边界，4为流体，5和11为微流体流动方向，6为进液通道(出液通道)，7为进液口(出液口)，8为流体腔，9为出液通道(进液通道)，10为出液口(进液口)，12、22为弹性膜片，13为压电陶瓷圆盘，14为导线，15为固定导线的粘胶，16为导线固定夹子，17为密封圈，18为阀盖，19为压电振子，20为连接螺栓，23为线性电可控执行器，24为密封圈放置圆环，25为圆环面凸台。

参照附图1和2(移去薄膜执行元件2的俯视图)，是本发明微流体主动控制阀工作在闭合状态时的工作原理图。在阀体1上的一侧加工一半径为R的中心孔(即薄膜执行元件2正下方的通道)作为进液通道(出液通道)6与进液口(出液口)7相连，在阀体上加工与中心孔6同轴的圆环柱体空腔8并通过出液通道(进液通道)9与出液口(进液口)10相连。阀体上中心孔6与其同轴的圆环柱体空腔8之间自然形成一半径差为ΔR圆环面边界3。薄膜执行元件2与阀体上的圆环柱体空腔形成密闭的流体腔8，并且与圆环面边界3密切接触，且薄膜执行元件2的变形中心与与同轴的中心通孔6和圆环柱体空腔8的轴心重合。在没有把驱动信号施加给薄膜执行元件2的状态下，薄膜执行元件2和圆环面边界3紧密接触，将进液通道(出液通道)6与出液通道(进液通道)9隔开，而且只要不会由于供给流体的压力变化太大使得薄膜执行元件2离开圆环面边界3，流体不流动，阀处于闭合状态。即使引入输入/输出通道的压力发生一定的变化，薄膜执行元件发生的微小变形不会影响阀的止流特性。

参照附图3和图4(移去薄膜执行元件2的俯视图)，是本发明微流体主动控制阀工作在开启状态时的原理示意图。当外部控制信号作用使得薄膜执行元件2向上弯曲变形时，薄膜执行元件2与圆环面边界3之间产生过流间隙，此时进液通道6与出液通道9连通，流体4从进液口7按流动方向5流向出液口10，形成通路。

参照附图5和图6(移去薄膜执行元件2的俯视图)，是本发明微流体主动控制阀工作在开启状态的原理示意图。附图5和6将构成圆环面边界的中心孔(即薄膜执行元件2正下方的通道)作为出液通道6与出液口7相连，薄膜执行元件与阀体上的圆环柱体空腔形成流体腔8，并在阀体上设置流体通道作为进液通道9与进液口10相连。当外部控制信号作用使得薄膜执行元件2向上弯曲变形时，薄膜执行元件2与圆环面边界3之间产生过流间隙，此时进液通道9与出液通道6连通，流体4从进液口10按流动方向11流向出液口7，形成通路。

参照附图3至图6，本发明的微流体主动控制阀为双向可控的主动阀，任何一通道6(9)都可以成为进液通道，另外一通道9(6)则自然成为出液通道，于是得到两种方向相反的流体通道。

参照附图7和8，是本发明微流体主动控制阀在闭合状态时提高反向止流特性的工作原理图，图7中移去薄膜执行元件2和流体4，图8中移去流体4。其工作原理是：具有圆环面边界的微流体主动控制阀构成阀的圆环面边界3(半径差为ΔR)在相对于安装薄膜执行元件2的表面具有高度为H的圆环面凸台25上，保证薄膜执行元件2安装在阀体上时有一定的预变形(如图8中的薄膜执行元件2的状态)以提供阀的止流特性。在一定程度上改变圆环边界构成的凸台的高度可以改变反向止流特性。

参照附图9、10和11分别是本发明一种实施例的剖视图、俯视图和三维拆装图。在实施例中将压电振子19作为该微流体阀的薄膜执行元件。实施例由阀体1、压电振子19、阀盖18、连接螺栓20组成，压电振子19由圆盘型压电陶瓷片13粘贴在弹性膜片12上构成。在圆柱型阀体1上的中心加工半径为R的通孔6构成进液通道6与下端的进液口7相连，在阀体1的上部加工一个与通孔6同轴的圆环柱体空腔8，圆环柱体8与中心通孔6之间自然形成圆环面边界3(半径差为ΔR)，在阀体上设置流体通道作为出液通道9与出液口10相连。压电振子19与阀体上的圆环柱体空腔形成密闭的流体腔8。阀体1与压电振子19之间的设置密封圈17防止流体泄漏。压电振子19通过阀盖18固定于阀体1上。当压电振子19向上弯曲变形时，压电振子19与圆环面边界3之间产生过流间隙，此时出液通道与进液通道连通，流体从进液口6流向出液口9，形成通路。在压电振子19不发生振动或变形的情况下，圆环面边界3与压电振子19紧密接触时，将输出通道和输入通道完全隔离，阀关闭，起止流作用。压电振子19的信号线14通过固定导线固定夹子16引出。

图12和图13是图9、10和11表示的实施例中的压电振子19的原理图。压电振子19由圆盘形压电陶瓷圆盘13和柔性膜片12(可为铜、合金铝、硅等)通过粘胶粘结在一起组成。当D(压电振子可自由振动的圆盘面的直径)大于d(压电陶瓷圆盘13的直径，D与d同心)时构成部分覆盖的压电振子，当D等于d时构成全覆盖的压电振子。压电振子19的驱动导线14通过粘胶15粘结在膜片12上，再通过接线卡子16引出。压电振子19在外加驱动信号的作用下会产生弯曲变形，改变与圆环面边界3之间的间隙控制阀的开启、关闭以及其程度。

图14是压电振子振动时的原理图。构成压电振子19的压电陶瓷圆盘的激化方向应保证压电振子19在虚线位置与实线位置之间往复振动，即构成振子的压电陶瓷圆盘/电致伸缩陶瓷圆盘的激化方向应保证振子向流体的另外一侧变形或者往复振动，且与弹性膜片粘贴的一面为地电位，使阀开启和关闭，并通过改变控制信号控制阀的流量。

图15是本发明的一个实施例。在该实施例中压电振子19采用全覆盖压电振子。

图16是本发明的一个实施例。薄膜执行元件21采用电可控线性执行器23与弹性膜片22连接驱动，当电可控线性执行器(叠堆型压电陶瓷执行器、叠堆型电致伸缩陶瓷执行器、磁致伸缩执行器以及其他微位移执行器)23伸缩时带动连接在其端部的弹性膜片22上下运动，改变弹性膜片22与圆环边界面3之间的间隙，控制阀的开启、关闭及其程度，达到控制流量的目的。该方法由于位移控制精确，可以达到极高的控制精度和分辨率。

Claims (8)

1.一种具有圆环面边界的微流体主动控制阀，包括阀盖、薄膜执行元件、圆环面边界、密封圈以及设置有输入流体通道和输出流体通道的阀体，所述输入流体通道与进液口相连，所述输出流体通道与出液口相连，其特征在于：在阀体上依次装有密封圈、薄膜执行元件、阀盖，阀体设置液体腔、输入流体通道和输出流体通道，薄膜执行元件通过阀盖压紧在阀体上，密封圈将薄膜执行元件和阀座之间的间隙密封起来，通过外部控制信号控制薄膜执行元件振动或变形以控制微流体主动控制阀的开启和关闭以及程度；

在阀体上加工半径为R的中心通孔构成所述的输入流体通道与下端的所述进液口相连，同时在阀体的上侧加工一个与半径为R的中心通孔同轴的圆环柱体空腔与输出流体通道相连，圆环柱体空腔与半径为R的中心通孔之间形成一半径差为ΔR的圆环面边界，圆环面边界相对于安装薄膜执行元件的阀体表面具有高度为H的凸台以保证薄膜执行器有一定的预变形以提供阀的止流特性；

所述的薄膜执行元件为部分覆盖的压电或电致伸缩陶瓷振子或者为全覆盖的压电或电致伸缩陶瓷振子，构成振子的压电陶瓷圆盘或电致伸缩陶瓷圆盘的激化方向应保证振子向流体的另外一侧变形或者往复振动，且与弹性膜片粘贴的一面为地电位，实现阀开启、关闭及其开启程度。

2.如权利要求1所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：薄膜执行元件覆盖在阀体上所述输入流体通道和所述圆环柱体空腔的表面，薄膜执行元件被以执行器轴向中心为中心的阀盖的圆环形边缘压紧在泵体上，阀盖边缘未压到的薄膜执行元件的中心区域为振动或者变形区域，且薄膜执行元件的变形中心与所述输入流体通道和圆环柱体空腔的中心重合，薄膜执行元件与阀体上的圆环柱体空腔形成密闭的流体腔，通过输出流体通道与出液口相连。

3.如权利要求1或2所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：覆盖在阀体上的薄膜执行元件与一半径差为ΔR的圆环面上边界接触，将输入流体通道和输出流体通道分开，利用圆环面边界与薄膜执行元件的表面之间的距离控制微流体阀的流量。

4.如权利要求3所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：在没有驱动信号作用于薄膜执行元件时，薄膜执行元件不发生振动或变形，薄膜执行元件与圆环面凸台密切接触，阀工作在闭合状态，将进液口和出液口完全隔离，阻止流体流动；当施加外部控制信号在薄膜执行元件上时，薄膜执行元件发生振动或变形，改变薄膜执行元件与圆环面边界之间的距离，在薄膜执行元件与圆环面凸台之间产生过流间隙，使得进液口和出液口连通，阀开启。

5.如权利要求4所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：改变作用于薄膜执行元件上的控制信号的大小控制微流体主动控制阀的开启程度以控制阀流量。

6.如权利要求5所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：薄膜执行元件与阀体接触构成流体的密封面，而且执行器及相应的电极和连接头位于流体的另外一侧以避免短路。

7.如权利要求1所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：微流体主动控制阀为双向可控的主动阀，任何一通道都可以成为输入流体通道，另外一通道则自然成为输出流体通道。

8.如权利要求1所述的具有圆环面边界的微流体主动控制阀，其特征在于：薄膜执行元件采用电可控线性执行器与弹性膜片连接驱动，所述电可控线性执行器为叠堆型压电陶瓷执行器或叠堆型电致伸缩陶瓷执行器或磁致伸缩执行器。

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