CN108662279B - 环形薄膜微流控被动流量调节阀及流量调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形薄膜微流控被动流量调节阀及流量调控方法，包括阀体、流体入口、控制流道、旁通孔、薄膜、流体主流道和流体出口。控制流道的左端通过旁通孔与流体入口相连通，右端与流体主流道之间由薄膜隔开；薄膜为环形弹性薄膜，在流体压力作用下可以产生轴向变形；流体主流道的左端与流体入口相连通，右端与流体出口相连通。本发明提出的环形薄膜微流控被动流量调节阀的流量调控原理为利用薄膜在控制流道内微流体压力的作用下产生轴向弹性变形，挤压流体主流道内的微流体，改变阀的流阻并实时补偿流体压强的变化，以实现微流体流量的恒定调控。

Description

环形薄膜微流控被动流量调节阀及流量调控方法
技术领域
本发明涉及微流体控制与便捷式即时检测仪器领域，具体涉及一种可用于自动精确调控微流体流量的环形薄膜微流控被动流量调节阀及流量调控方法。
背景技术
随着微纳制造技术的发展，微流控阀作为微尺度控制元件在结构与化学生物、基因测序、单细胞分析等领域已经发挥了重要的作用。其中，微流控流量调节阀由于能够对流量进行精确调控，满足精密微流体控制的要求，在精确给药系统、核酸检测、细胞分选等领域中有着广泛的应用需求。
现有的微流控流量调节阀主要分为主动流量调节阀和被动流量调节阀。主动流量调节阀主要通过外加控制元件来调节流量，其优势在于流量调控的响应速度快且可以实现复杂的流体控制。然而，由于该阀需要借助外部元件工作，因此会消耗额外的能源且不易于微型化集成。与主动流量调节阀相比，被动流量调节阀的流量调节原理更为简单，它并不需要外界控制激发，仅依赖自身结构随外界驱动源的变化，即可自行进行流量调节，且不消耗额外的能量，因而在集成微型化系统应用中更加有优势。目前已报道的被动流量调节阀按结构可以分为单膜阀和双膜阀。单膜阀利用一层弹性薄膜受流体压力变形改变自身流道流阻来实现流量调控，其达到恒定流量控制所需的阈值压力较高（>50kPa），不易与微型、低压微动力驱动装置（如微泵）集成。双膜阀具有两层弹性薄膜，其实现恒定流量调控所需的阈值压力仅为25kPa。然而，由于绝大多数微动力驱动装置的源压力都在20kPa以内，因此双膜阀也很难满足与微动力驱动装置集成的普遍需求。因此，有必要开发一种具有低阈值压力的微流控被动流量调节阀以实现其与微动力驱动装置的有效集成，最终为制成低成本、便携式的药物传输系统、微芯片实验室和即时检测仪器提供技术支撑。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种环形薄膜微流控被动流量调节阀及流量调控方法。该阀体积小、易集成、阈值压力低、流量调控范围广，可以满足与绝大多数微动力驱动装置的集成需求。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种环形薄膜微流控被动流量调节阀，包括阀体、流体入口、控制流道、旁通孔、薄膜、流体主流道、流体出口；
所述阀体左端开设流体入口，右端开设流体出口，所述流体主流道的左端与流体入口相连通，流体主流道的右端与流体出口相连通；所述控制流道环绕流体入口、流体主流道和流体出口开设；
所述控制流道的左端通过旁通孔与流体入口相连通，控制流道的右端与流体主流道之间由薄膜隔开；
所述薄膜为环形弹性薄膜，在流体压力作用下可以产生轴向变形。
优选的，所述流体主流道的截面尺寸小于流体入口和流体出口的截面尺寸；
优选的，所述控制流道的右端为封闭容腔，且可以存储不低于50kPa压力的流体；
优选的，所述旁通孔的总数量不少于1个，且所有旁通孔的总流阻大于流体主流道的流阻；
优选的，所述薄膜的厚度为微米级，材质为聚二甲基硅氧烷、硅胶、聚氨酯橡胶聚合物弹性材料中的一种；
优选的，调控的微流体流量范围为1nl/min ~ 10ml/min，且调节阀的阈值≤15kPa。
一种环形薄膜微流控被动流量调节阀的流量调控方法，利用上述的调节阀，包括如下步骤：微流体由流体入口流进阀体，同时分为两路。一路微流体经旁通孔进入控制流道，由于控制流道的右端封闭，因此这一路微流体被封闭在容腔内；另一路微流体直接进入流体主流道，并从流体出口流出阀体。由于封闭在控制流道右侧容腔内的微流体受到流体入口处的压力源作用，导致容腔内的微流体对薄膜的整个外周表面施压，迫使薄膜产生轴向变形并挤压流体主流道内的微流体，从而改变流体主流道的流阻，实现微流体流量的实时调节。当流体入口处的压力源超过一定阈值时，流阻的变化会补偿压力源的变化，最终使阀输出恒定的流体流量。
有益效果：本发明提供的环形薄膜微流控被动流量调节阀及流量调控方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
本发明提出的环形薄膜微流控被动流量调节阀设有一个在流体压力作用下可以产生轴向变形的环形弹性薄膜，利用弹性薄膜的变形来挤压流体主流道内的微流体，改变流体主流道的截面积，即通过改变流体主流道的流阻来补偿流体压力的变化，从而实现微流体流量的自动、精确调控。相比目前报道的单膜阀和双膜阀，本发明提出的环形薄膜微流控被动流量调节阀利用轴向可变形的薄膜来调节微流体流量，流体作用面积更大，因而使阀具有更低的阈值压力（≤15kPa），可以满足绝大多数微动力驱动装置低源压强的集成需求。
附图说明
图1是环形薄膜微流控被动流量调节阀在静态时的剖面结构示意图；
图2是图1中环形薄膜微流控被动流量调节阀在A-A截面处的结构示意图；
图3是图1中环形薄膜微流控被动流量调节阀在B-B截面处的结构示意图；
图4是环形薄膜微流控被动流量调节阀受流体压力作用时的剖面结构示意图；
图5是图4中环形薄膜微流控被动流量调节阀在C-C截面处的结构示意图。
其中，1为阀体，2为流体入口，3为控制流道，4为旁通孔，5为薄膜，6为流体主流道，7为流体出口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
一种环形薄膜微流控被动流量调节阀，利用环形弹性薄膜受微流体作用产生轴向变形来调节微流体的流阻，并补偿流体压强的变化，以达到精确调节微流体流量的目的。如图1-图3所示，包括阀体1、流体入口2、控制流道3、旁通孔4、薄膜5、流体主流道6、流体出口7；
所述阀体1左端开设流体入口2，右端开设流体出口7，所述流体主流道6的左端与流体入口2相连通，流体主流道6的右端与流体出口7相连通；所述控制流道3环绕流体入口2、流体主流道6和流体出口7开设；
控制流道3的左端通过旁通孔4与流体入口2相连通，控制流道3的右端与流体主流道6之间由薄膜5隔开；
薄膜5为环形弹性薄膜，可以在流体压力作用下产生轴向变形。
流体主流道6的截面尺寸小于流体入口2和流体出口7的截面尺寸；
控制流道3的右端为封闭容腔,能够存储不低于50kPa压力的流体。
本实施例中环形薄膜微流控被动流量调节阀的制作通过3D打印工艺获得，材料为高弹性聚氨酯橡胶，其中薄膜5的厚度为20微米，流体主流道6的直径为100μm，阀的设计阈值为10kPa，预设恒定流量为800μl/min。旁通孔4周向布置，数量为4个；
如图4所示，环形薄膜微流控被动流量调节阀进行流量调控时，微流体由流体入口2流进阀体1，同时分为两路。一路微流体经旁通孔4进入控制流道3，由于控制流道3的右端封闭，因此这一路微流体被封闭在容腔内；另一路微流体直接进入流体主流道6，并从流体出口7流出阀体1。由于封闭在控制流道3右侧容腔内的微流体受到流体入口2处的压力源作用，导致容腔内的微流体对薄膜5的整个外周表面施压，迫使薄膜5产生轴向变形并挤压流体主流道6内的微流体，使流体主流道6的截面积变小（如图5所示），从而改变流体主流道6的流阻与流体流量。当流体入口2处的压力源超过阀的设计阈值（10kPa）时，流体主流道6流阻的变化即可连续补偿压力源的变化，最终使得微阀始终输出恒定、精确的微流体。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种环形薄膜微流控被动流量调节阀，其特征在于：包括阀体（1）、流体入口（2）、控制流道（3）、旁通孔（4）、薄膜（5）、流体主流道（6）、流体出口（7）；
所述阀体（1）左端开设流体入口（2），右端开设流体出口（7），所述流体主流道（6）的左端与流体入口（2）相连通，流体主流道（6）的右端与流体出口（7）相连通；所述控制流道（3）环绕流体入口（2）、流体主流道（6）和流体出口（7）开设；
所述控制流道（3）的左侧通过旁通孔（4）与流体入口（2）相连通，控制流道（3）的右侧与流体主流道（6）之间由薄膜（5）隔开；所述薄膜（5）为环形弹性薄膜，在流体压力作用下能够产生轴向变形；
调控的微流体流量范围为1nl/min ~ 10ml/min，且调节阀的阈值≤15kPa。
2.根据权利要求1所述的环形薄膜微流控被动流量调节阀，其特征在于：所述流体主流道（6）的截面尺寸小于流体入口（2）和流体出口（7）的截面尺寸。
3.根据权利要求1所述的环形薄膜微流控被动流量调节阀，其特征在于：所述控制流道（3）的右端为封闭容腔，且能够存储不低于50kPa压力的流体。
4.根据权利要求1所述的环形薄膜微流控被动流量调节阀，其特征在于：所述旁通孔（4）的总数量为1个以上，且所有旁通孔的总流阻大于流体主流道（6）的流阻。
5.根据权利要求1所述的环形薄膜微流控被动流量调节阀，其特征在于：所述薄膜（5）的厚度为微米级，材质为聚二甲基硅氧烷、硅胶、聚氨酯橡胶聚合物弹性材料中的一种。
6.一种环形薄膜微流控被动流量调控方法，利用权利要求1所述的调节阀，其特征在于包括如下步骤：
微流体由流体入口（2）流进阀体（1），同时分为两路；一路微流体经旁通孔（4）进入控制流道（3），由于控制流道（3）的右端封闭，因此这一路微流体被封闭在容腔内；另一路微流体直接进入流体主流道（6），并从流体出口（7）流出阀体（1）；
封闭在控制流道（3）右侧容腔内的微流体受到流体入口（2）处的压力源作用，导致容腔内的微流体对薄膜（5）的整个外周表面施压，迫使薄膜（5）产生轴向变形并挤压流体主流道（6）内的微流体，从而改变流体主流道（6）的流阻，实现微流体流量的实时调节；
当流体入口（2）处的压力源超过一定阈值时，流体主流道（6）的流阻变化会补偿压力源的变化，最终使阀输出恒定的流体流量。
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