CN108333382A - 一种机械驱动的精确进样装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械驱动的精确进样装置，包括机械驱动式注射器和被动流量调节机构；所述被动流量调节机构包括壳体，所述壳体的一端设置与所述机械驱动式注射器连接的样品入口，壳体另一端设置样品出口，壳体的内部设置用以稳定流量的垫片微阀；所述垫片微阀连通所述样品入口和样品出口。该装置通过在被动流量稳定机构中设置用于稳定流量的垫片微阀，能够实现输送的样品液在经过垫片微阀后得到稳定的流量，进而实现精确进样的目的。装置采用机械驱动，无需电力介入，适合野外等较为简陋的使用环境；并且其结构简单，能够大批量生产，制作成本较为低廉，对于耗材式精确进样有着很好的应用前景。

Description

一种机械驱动的精确进样装置

技术领域

本发明涉及一种流体输送技术，具体涉及一种机械驱动的精确进样装置。

背景技术

目前，精确进样已成为生物研究、化学分析、环境检测及医疗诊断等众多行业中的重要环节。现有的精确进样主要仪器有注射泵、蠕动泵、气体隔膜泵等。

其中，注射泵工作时，采用单片机系统发出控制脉冲使步进电机旋转，而步进电机带动丝杆将旋转运动变成直线运动，推动注射器的活塞进行注射输液，实现高精度、平稳无脉动的液体传输。注射泵的成本较为昂贵，并且不易微型化。

相比注射泵，蠕动泵通过滚轮夹挤一根充满流体的软管，滑动管内流体向前移动，通过对泵的弹性输送软管交替进行挤压和释放来泵送流体。这种方式虽然处理的流体体积较大，但运行过程中会产生较强的脉动，流速波动较大，因此主要适用于对于流量稳定性要求不高的地方。

而气体隔膜泵的工作原理主要是在泵的两个对称工作腔中，各装有一块有弹性的隔膜，形成两个独立的腔室，中间轴将两块隔膜结成一体，配气阀控制每个腔室的增压，压缩空气进入配气阀后，推动一边隔膜，驱使联杆联接的两块隔膜同步运动。由于气泵产生的气体会有脉冲波动，且需要配合气密性较好的管子，因此稳定性相对不高。

另外，这些设备都需要依靠电力，且体积较大，成本昂贵，不适用于野外等较为简陋的使用环境。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种机械驱动的精确进样装置，该装置无需电力，仅通过机械驱动就能实现高稳定性的输送样品液，适用于野外等较为简陋的使用环境。

技术方案：本发明所述的一种机械驱动的精确进样装置，包括机械驱动式注射器和被动流量调节机构；所述被动流量调节机构包括壳体，所述壳体的一端设置与所述机械驱动式注射器连接的样品入口，壳体另一端设置样品出口，壳体的内部设置用以稳定流量的垫片微阀；所述垫片微阀连通所述样品入口和样品出口。

具体的，所述垫片微阀包括依次排布贴合的输入层、弹性薄膜片、变形腔层、隔离层以及输出层；所述输入层具有输入孔和自输入孔径向向外延伸的多个挤压口，输入孔和挤压口均贯通所述输入层；所述弹性薄膜片具有与所述输入孔同轴连接的第一贯通孔；所述变形腔层具有与所述第一贯通孔同轴连接的第二贯通孔和自所述第二贯通孔径向向外延伸的多个变形腔，每个变形腔对应一个挤压口且与挤压口形状相同，每个变形腔外侧均连接有一个第一出液孔，所述变形腔和第一出液孔均贯通所述变形腔层，当样品液自样品入口进入时，进入挤压口的样品液挤压弹性薄膜片，使弹性薄膜片向所述变形腔内变形；所述隔离层覆盖所述第二贯通孔和所述多个变形腔，隔离层具有与所述第一出液口一一对应连接的第二出液口，所述第二出液口贯通所述隔离层；所述输出层设置有输出口以及与所述第二出液口一一对应连接的多条导流通道，所述导流通道与所述输出口连接，输出口贯通所述输出层并连通所述样品出口。

具体的，所述机械驱动式注射器包括注射器本体以及压力助推器，所述注射器本体可拆卸的连接在所述压力助推器前端；所述压力助推器包括压簧容置腔、设置在压簧容置腔内的压簧以及设置在压簧容置腔内并位于压簧前端的隔板；所述压簧容置腔前端设置有侧翼固定槽，当注射器本体连接压力助推器时，注射器本体的推杆设置在压簧容置腔内并位于所述隔板前端，注射器本体的外套侧翼卡在所述侧翼固定槽上；所述压簧容置腔还包括第一位置和第二位置，所述隔板可在第一位置和第二位置之间移动；当隔板由第一位置向第二位置移动时，隔板推动压簧并将压簧逐渐向压簧容置腔的后端压缩，当隔板由第二位置向第一位置移动时，压簧逐渐释放并推动隔板向前移动，使隔板接触并推动注射器本体的推杆。

其中，所述压簧容置腔呈圆柱形，压簧容置腔的侧壁上设置有两条围绕其中心轴线旋转对称并在第一位置和第二位置之间延伸的导轨，每条导轨的前端均设置有一个垂直于导轨延伸方向的第一卡槽，每条导轨的后端均设置有一个垂直于导轨延伸方向的第二卡槽；所述两个第一卡槽和所述两个第二卡槽均围绕所述压簧容置腔的中心轴线旋转对称。所述隔板呈圆形，隔板的边缘设置有两个滑块，每个滑块对应配合一个导轨，所述两个滑块从压簧容置腔侧壁伸出并分别连接位于压簧容置腔侧壁外部的两个隔板侧翼。

有益效果：本发明通过设置机械驱动式注射器和与机械驱动式注射器连接的被动流量调节机构，并采用机械驱动将注射器中的样品液输入至被动流量调节机构，在被动流量调节机构中设置有用于稳定流量的垫片微阀，使样品液经过垫片微阀后得到稳定的流量，从而实现精确进样。该装置采用机械驱动无需电力介入即可得到稳定的流量，适合野外等较为简陋的使用环境；并且其结构简单，能够大批量生产，制作成本较为低廉，对于耗材式精确进样有着很好的应用前景。

附图说明

图1是本发明机械驱动的精确进样装置的结构示意图；

图2是压簧容置腔及侧翼卡槽的结构示意图；

图3是隔板、滑块以及隔板侧翼的连接结构示意图；

图4是注射器本体的结构示意图；

图5是被动流量调节机构的结构示意图；

图6是垫片微阀的结构拆解图；

图7是输入层的结构示意图；

图8是弹性薄膜片的结构示意图；

图9是变形腔层的结构示意图；

图10是隔离层的结构示意图；

图11是输出层的结构示意图；

图12是实施例的机械驱动的精确进样装置的压强流量变化数据图。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的做进一步详细说明。

如图1所示，本发明所述的一种机械驱动的精确进样装置，包括机械驱动式注射器和被动流量调节机构1；所述机械驱动式注射器包括注射器本体2和压力助推器3。压力助推器3连接在注射器本体2的尾部，注射器本体2的头部连接所述被动流量调节机构1，通过压力助推器3向注射器本体2提供稳定的推力，将注射器本体2中的样品液推入被动流量调节机构1，然后经过被动流量调节机构1的作用将样品液以稳定的流量输出，以实现精确进样。

为了便于使用，该装置可设置成可拆卸结构，即被动流量调节机构1、注射器本体2以及压力助推器3各自为一个独立的部件。使用时将各部件连接组合即可，从而方便携带至实验室以外的环境中使用。

具体的，对于机械驱动式注射器的部分，所述注射器本体2可拆卸的连接在所述压力助推器3的前端。所述压力助推器3包括压簧容置腔31、设置在压簧容置腔31内部的压簧32以及设置在压簧容置腔31内并位于压簧32前端的隔板33；所述压簧容置腔31的前端设置有侧翼固定槽34。当将注射器本体2连接所述压力助推器3时，注射器本体2的推杆212容置于压簧容置腔31内并位于所述隔板33的前端，注射器本体2的外套侧翼211卡在所述侧翼固定槽34上，从而在推动推杆212时注射器本体2的套筒21相对压力助推器3的位置固定，不会被推离压簧容置腔31。

进一步的，所述压簧容置腔31还包括第一位置和第二位置，亦即使压簧32完全释放或完全压缩的位置。所述隔板33可在第一位置和第二位置之间移动，当隔板33由第一位置向第二位置移动时，隔板33推动压簧32并将压簧32逐渐向压簧容置腔31的后端压缩，当隔板33由第二位置向第一位置移动时，压簧32逐渐释放并推动隔板33向前移动，使隔板33接触并推动注射器本体2的推杆212，从而将套筒21内的样品液挤压出去。

具体理解所述压力助推器3的结构，请一并参阅图2和图3。所述压簧容置腔31呈圆柱形结构，压簧32作为该装置的动力源，设置在压簧容置腔31的内部最靠后的位置，压簧32的外径略小于压簧容置腔31的内径。所述隔板33呈圆形，隔板33的直径与压簧32的外径相同，也略小于压簧容置腔31的内径。隔板33位于压簧32的前端，同时压簧32抵靠在隔板33的一侧。

为了约束隔板33在压簧容置腔31内的行进方向，在压簧容置腔31的侧壁上设置有两条围绕其中心轴线旋转对称并在第一位置和第二位置之间延伸的导轨311。每条导轨311的前端均设置有一个垂直于导轨311延伸方向的第一卡槽312，第一卡槽312用于将隔板33限制在第一位置上。每条导轨311的后端均设置有一个垂直于导轨311延伸方向的第二卡槽313，第二卡槽313用于将隔板33限制在第二位置上。并且，所述两个第一卡槽311和所述两个第二卡槽312均围绕所述压簧容置腔31的中心轴线旋转对称。同时，为了配合所述导轨311、第一卡槽312以及第二卡槽313，还在隔板33的边缘设置有两个滑块331，每个滑块331对应配合一个导轨311，所述两个滑块331从压簧容置腔31的侧壁伸出并分别连接位于压簧容置腔31侧壁外部的两个隔板侧翼332。本实施例中，滑块331呈长方体结构，其宽度略大于导轨311的宽度，长度略大于压簧容置腔31侧壁的厚度。隔板侧翼332呈外方内弧状，其内弧线直径略大于压簧容置腔31的外径，并与隔板33为同心圆。设置成该结构能够保证移动过程中，隔板33始终与压簧容置腔31的中心轴线垂直。当装置闲置时，可将隔板33置于第一卡槽312上，即隔板33处于第一位置，使压簧32处于放松状态，从而保护压簧32的弹性。

为了便于连接注射器本体2，从压力助推器3的前端向后端观察，本实施例的侧翼固定槽34呈现U字形，侧翼固定槽34内侧设置防滑垫片。同时，参阅图4，注射器本体2包括套筒21、设置在套筒21上的外套侧翼211、推杆212以及位于套筒21前端的接口213。作为耗材，注射器本体2可以采用标准一次性注射器代替。需要将注射器本体2和压力助推器3装配连接时，可将隔板33置于第二卡槽312上，即隔板33处于第二位置，压簧32处于压缩状态。具体操作是通过旋转隔板侧翼332使滑块331脱离第一卡槽312进入导轨311，然后拉动隔板侧翼332至第二位置并旋转使滑块331卡在第二卡槽313内。待注射器本体2吸取液体后，将推杆212从U字形的侧翼固定槽34的中间伸入压簧容置腔31内部，当外套侧翼211达到U字形的侧翼固定槽34的开口处，通过旋转将外套侧翼211卡入侧翼固定槽34内，实现两者的连接固定。当需要输出样品液时，旋转隔板侧翼332使滑块331从第二卡槽313内脱离进入导轨311，松手后，隔板33在压簧32的弹力下自动向前移动接触并推动推杆212以实现样品液的输出。

如图5所示，为了实现稳定样品液的流量的功能，所述被动流量调节机构1包括壳体11，所述壳体11的一端设置与所述机械驱动式注射器连接的样品入口111，壳体11的另一端设置样品出口112，壳体11的内部设置用以稳定流量的垫片微阀4；所述垫片微阀4连通所述样品入口111和样品出口112。

相应的，所述壳体11可以为一体式或者分体式，如图5所示，本实施例中壳体11采用分体式结构，上壳体和下壳体连接并将垫片微阀4密封在两者之间。

具体的，参阅图6，所述垫片微阀4包括依次排布贴合的输入层41、弹性薄膜片42、变形腔层43、隔离层44以及输出层45。在制备上述各层时，输入层41和输出层45采用硅胶或者橡胶制作而成；弹性薄膜片42采用PDMS或硅胶材质制作而成；变形腔层43和隔离层44采用硅胶、橡胶、塑料和玻璃中的任一材料制作而成。所述输入层41、弹性薄膜片42、变形腔层43、隔离层44以及输出层45各层之间通过等氧离子键合密封，从而使其贴紧不漏液。请一并参阅图7，所述输入层41具有输入孔411和自输入孔411径向向外延伸的多个挤压口412，输入孔411和挤压口412均贯通所述输入层41；进一步参阅图8，所述弹性薄膜片42具有与所述输入孔411同轴连接的第一贯通孔421，弹性薄膜片42整体覆盖所述多个挤压口412。再参阅图9，所述变形腔43具有与所述第一贯通孔421同轴连接的第二贯通孔431和自所述第二贯通孔431径向向外延伸的多个变形腔432。其中，每个变形腔432对应一个挤压口412且与挤压口412的形状相同，每个变形腔432的外侧均连接有一个第一出液孔433，所述变形腔432和第一出液孔433均贯通所述变形腔层43，当样品液自样品入口111进入时，进入挤压口412的样品液挤压弹性薄膜片42，使弹性薄膜片42向所述变形腔432内变形。参阅图10，所述隔离层44覆盖所述第二贯通孔431和所述多个变形腔432，隔离层44具有与所述第一出液口433一一对应连接的第二出液口441，所述第二出液口441贯通所述隔离层44。最后参阅图11，所述输出层45设置有输出口452以及与所述第二出液口441一一对应连接的多条导流通道451，所述多条导流通道451均连接所述输出口452，从而能够将从多个第二出液口441流出的样品液汇流至输出口452，导流通道451可以贯通输出层，也可以沿着所述输出层45表面延伸，所述输出口452贯通所述输出层45并连通所述样品出口112。

当机械驱动式注射器将样品液注入被动流量调节机构1时，样品液自样品入口111进入，一部分样品液自输入孔411流经第一贯通孔421进入第二贯通孔431，再从变形腔432进入位于变形腔432外侧的第一出液孔433，再流过第二出液孔441，最后顺着导流通道451汇入输出口452并从样品出口112输出。另一部分进入挤压口412挤压弹性薄膜片42，使弹性薄膜片42两侧产生压差，驱动弹性薄膜片42向变形腔432内变形，使变形腔层43处的流道变小，即第二贯通孔431与第一出液孔433之间的流道减小。样品液输入的压强越大，弹性薄膜片42的形变越大，相对应的变形腔层43处的流道变的越小，流阻也会随之增大，在这个过程中流量达到一个稳定的值。

进一步说明其原理，该被动流量调节机构1是利用整个流道内的流量与驱动的压强之间呈非线性关系而设计的，即在某一压强范围内，垫片微阀4的输出流量是不变的。即使在这范围内驱动的压强不断增大，垫片微阀4也能靠自身调节将流量调节至恒定。其主要原理是当输入压强从P变化为P+ΔP时，弹性薄膜片42的两侧压差变化使其自身变形，弹性薄膜片42变形后改变主流道内流体所占空间，使流道内的流阻从R调节为R+ΔR，流阻的调整补偿入口压强的变化，从而获得恒定的流量Q，其计算公式为：

其中，P为流道两侧的压强差，R为流阻，ΔP为流道增加的压强，ΔR为流道增加的流阻。

更进一步的，为了使垫片微阀4对流量的调节更加精准稳定，所述垫片微阀4呈圆柱体结构，所述输入层41、变形腔层43、隔离层44以及输出层45均围绕垫片微阀4的中心轴线旋转对称。也就是说，输入层41、变形腔层43、隔离层44以及输出层45上的流道结构均为阵列式设置，再次参阅图6，本实施例中各层均设置有对称的四组流道。当然在材料结构强度允许的情况下也可以设置其他形状的多组阵列式流道。

下面，以具体制得的一款产品说明该装置的实际效果。该产品中压力助推器3的压簧容置腔31和隔板33采用尼龙材质3D打印而成，侧翼固定槽34中防滑垫片采用泡沫3M胶，压簧32采用钢材质弹簧。注射器本体2采用医用10ml一次性注射器。被动流量调节机构1中壳体11采用光敏树脂打印实现，垫片微阀4的各层均采用硅胶材质，分别用激光器切割出如附图11所示流道结构，同时各层上均开设装配孔400，各层之间通过等氧离子键合密封时，能够通过装配孔400精确定位，使密封效果更好。如图12所示，采用该装置输出样品液过程中记录的流量变化数据，发现随着压强的增加，流量基本能够保持稳定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出若干推演或替代，这些推演或替代都应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机械驱动的精确进样装置，其特征在于，包括机械驱动式注射器和被动流量调节机构；所述被动流量调节机构包括壳体，所述壳体的一端设置与所述机械驱动式注射器连接的样品入口，壳体另一端设置样品出口，壳体的内部设置用以稳定流量的垫片微阀；所述垫片微阀连通所述样品入口和样品出口。

2.根据权利要求1所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述垫片微阀包括依次排布贴合的输入层、弹性薄膜片、变形腔层、隔离层以及输出层；所述输入层具有输入孔和自输入孔径向向外延伸的多个挤压口，输入孔和挤压口均贯通所述输入层；所述弹性薄膜片具有与所述输入孔同轴连接的第一贯通孔；所述变形腔层具有与所述第一贯通孔同轴连接的第二贯通孔和自所述第二贯通孔径向向外延伸的多个变形腔，每个变形腔对应一个挤压口且与挤压口形状相同，每个变形腔外侧均连接有一个第一出液孔，所述变形腔和第一出液孔均贯通所述变形腔层，当样品液自样品入口进入时，进入挤压口的样品液挤压弹性薄膜片，使弹性薄膜片向所述变形腔内变形；所述隔离层覆盖所述第二贯通孔和所述多个变形腔，隔离层具有与所述第一出液口一一对应连接的第二出液口，所述第二出液口贯通所述隔离层；所述输出层设置有输出口以及与所述第二出液口一一对应连接的多条导流通道，所述导流通道与所述输出口连接，输出口贯通所述输出层并连通所述样品出口。

3.根据权利要求2所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述机械驱动式注射器包括注射器本体以及压力助推器，所述注射器本体可拆卸的连接在所述压力助推器前端；所述压力助推器包括压簧容置腔、设置在压簧容置腔内的压簧以及设置在压簧容置腔内并位于压簧前端的隔板；所述压簧容置腔前端设置有侧翼固定槽，当注射器本体连接压力助推器时，注射器本体的推杆设置在压簧容置腔内并位于所述隔板前端，注射器本体的外套侧翼卡在所述侧翼固定槽上；所述压簧容置腔还包括第一位置和第二位置，所述隔板可在第一位置和第二位置之间移动；当隔板由第一位置向第二位置移动时，隔板推动压簧并将压簧逐渐向压簧容置腔的后端压缩，当隔板由第二位置向第一位置移动时，压簧逐渐释放并推动隔板向前移动，使隔板接触并推动注射器本体的推杆。

4.根据权利要求3所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述压簧容置腔呈圆柱形，压簧容置腔的侧壁上设置有两条围绕其中心轴线旋转对称并在第一位置和第二位置之间延伸的导轨，每条导轨的前端均设置有一个垂直于导轨延伸方向的第一卡槽，每条导轨的后端均设置有一个垂直于导轨延伸方向的第二卡槽；所述两个第一卡槽和所述两个第二卡槽均围绕所述压簧容置腔的中心轴线旋转对称。

5.根据权利要求4所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述隔板呈圆形，隔板的边缘设置有两个滑块，每个滑块对应配合一个导轨，所述两个滑块从压簧容置腔侧壁伸出并分别连接位于压簧容置腔侧壁外部的两个隔板侧翼。

6.根据权利要求2所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述垫片微阀呈圆柱体结构，所述输入层、变形腔层、隔离层以及输出层均围绕垫片微阀的中心轴线旋转对称。

7.根据权利要求6所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述输入层和输出层采用硅胶或者橡胶制作而成；弹性薄膜片采用PDMS或硅胶材质制作而成；变形腔层和隔离层采用硅胶、橡胶、塑料和玻璃中的任一材料制作而成。

8.根据权利要求7所述的机械驱动的精确进样装置，其特征在于，所述输入层、弹性薄膜片、变形腔层、隔离层以及输出层各层之间通过等氧离子键合密封。