CN112610751A - 一种3d打印制作的可拼接气动单向微阀 - Google Patents

一种3d打印制作的可拼接气动单向微阀 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种3D打印制作的可拼接气动单向微阀，包括气道块、变形膜和流道块，所述变形膜密封连接于所述气道块顶面与所述流道块底面之间；所述气道块的顶面设有用于与外部流体源连通的下单向腔，所述流道块的底面设有与下单向腔对应的上单向腔、与上单向腔可通断式连接的连通的出流腔；所述下单向腔与所述上单向腔之间的所述变形膜上设有流通孔，所述下单向腔的深度小于所述变形膜向下单向腔底面弯曲时的形变量，所述上单向腔的深度大于所述变形膜向上单向腔顶面弯曲时的形变量，从而使流体只能从下单向腔向上单向腔单向流动。本发明保证了流体单向流动，避免回流，流量控制结构简单，响应速度快。

Description

一种3D打印制作的可拼接气动单向微阀
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体为一种3D打印制作的可拼接气动单向微阀。
背景技术
微流控芯片(Iab-on-a-chip)是一个以微流体为操作对象，替代化验室完成包括微量试样引入、传输、稀释、混合、反应和检测等功能的集成芯片，在化学、生物和医学等领域有着巨大的发展潜力。
微阀是微流控芯片上最为重要的模块之一，被用于控制流道的开启，改变流动方向，调节流量大小和流动稳定性等，微阀的性能对微流控芯片功能的好坏有着决定性影响。
微阀的种类繁多，按照驱动形式可分为压电陶瓷型微阀、气动微阀、电磁微阀、形状记忆合金微阀、相变微阀等，传统微阀结构复杂，密封性差，存在回流现象，而且自动控制环节存在着响应延迟等缺陷，导致开关微阀或调节流量时出现误差。
发明内容
本发明提供了一种3D打印制作的可拼接气动单向微阀，利用上、下单向腔的深度差和流道出口位置的非对称设计，实现了微阀的单向流动控制，避免了液体回流。
本发明采用的技术方案如下：
一种3D打印制作的可拼接气动单向微阀，包括气道块、变形膜和流道块，所述变形膜密封连接于所述气道块顶面与所述流道块底面之间；所述气道块的顶面设有用于与外部流体源连通的下单向腔，所述流道块的底面设有与下单向腔对应的上单向腔、与上单向腔可通断式连接的连通的出流腔；
所述下单向腔与所述上单向腔之间的所述变形膜上设有流通孔，所述下单向腔的深度小于所述变形膜向下单向腔底面弯曲时的形变量，所述上单向腔的深度大于所述变形膜向上单向腔顶面弯曲时的形变量，从而使流体只能从下单向腔向上单向腔单向流动。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述下单向腔的入口位于其底面中央，所述上单向腔的出口位于其顶面远离中央的侧边。
所述通断式连接结构包括设置在所述流道块底面的入流腔和出流腔，以及设置在所述气道块顶面上的气体腔；
所述入流腔和出流腔之间形成有间隔部，所述气体腔内压力变化时所述变形膜与所述间隔部配合，使所述入流腔和出流腔底部开口之间形成连通通道，或者将所述通道封闭。
所述入流腔的入口端通过中间流道和所述上单向腔的出口连通，所述出流腔的出口端通过出流流道与外部连通；所述中间流道与所述入流腔形成高度差，并通过沿高度方向延伸的一段流道过渡；所述出流腔与所述出流流道形成高度差，并通过沿高度方向延伸的一段流道过渡。
出流流道一端与所述出流腔出口连通，另一端位于与所述流道块一体式连接的出流公接头出口。
所述下单向腔有两个出口，分别位于其腔体顶面的两侧，两侧的出口通过一段弧形流道和与其高度齐平的所述中间流道连接。
所述气体腔通过气体流道与外部气源连通；所述下单向腔内设有入流流道，其一端位于与所述气道块一体式连接的入流公接头的入口，另一端位于所述下单向腔的底面。
所述气道块的顶面设有用于安装密封圈的第一凹槽和第二凹槽，所述第一凹槽内圈形成相应的第一凸台，所述下单向腔位于所述第一凸台的顶面；所述第二凹槽内圈形成相应的第二凸台，所述气体腔位于所述第二凸台的顶面。
所述气道块、变形膜和流道块通过螺栓连接成一体，所述气道块上设有卡扣一，所述流道块上设有卡扣二；所述气道块顶面上设有第一定位部，所述流道块底面上设有与第一定位部配合的第二定位部。
本发明的有益效果如下：
本发明通过下单向腔和上单向腔的深度差异设置和流道连接口的非对称布置，实现了一种单向流通结构，有效避免了回流。单向流通结构简单，控制方便，响应速度快效率高。
本发明通过气体腔的设计，控制入流腔和出流腔之间连通流道的开断，气体腔处于负压时打开，通过调节气体腔真空度的大小有效控制流量的大小，控制方便，响应速度快效率高。
本发明气道块、变形膜和流到块之间紧固连接成微阀模块，各模块之间通过公、母流道接头的配合和卡扣连接可紧密连通，同时接头也可单独和硅胶管配合使用进而连接其它微流控模块，简化微流控不同单元的连接方式，通用性强。
本发明的微阀通过3D打印的方法制作，制作速度快，组装方便，重复性高，适宜大批量制作。
附图说明
图1为本发明的透视图。
图2为本发明的气道块的透视图。
图3为本发明的变形膜的结构示意图。
图4为本发明的流道块的透视图。
图5为本发明的剖视图。
图6为本发明微阀和其它微流控模块通过公、母接头连接的示意图。
图7为本发明微阀通过硅胶管和其它微流控模块连接的示意图。
图8为本发明的爆炸图。
图中：100、气道块；200、变形膜；300、流道块；400、其它微流控模块；101、入流公接头；102、入流流道；103、卡扣一；104、下单向腔；105、第一凹槽；106、气体流道；107、第二凹槽；108、气体腔；109、定位圆台；110、密封圈；201、开孔膜；2011、流通孔；202、定位孔；203、调节薄膜；301、上单向腔；302、中间流道；3021、弧形流道；303、入流腔；304、间隔部；305、出流腔；306、出流流道；307、出流公接头；308、卡扣二；309、定位锥槽；401、母接头；402、接头密封圈；501、硅胶管。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的具体实施方式。
如图1、图5和图8所示，本实施例的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，包括气道块100、变形膜200和流道块300，变形膜200密封连接于气道块100顶面与流道块300底面之间；
如图2-图4所示，气道块100的顶面设有用于与外部流体源连通的下单向腔104，流道块300的底面设有与下单向腔104对应的上单向腔301、与上单向腔301可通断式连接的连通的出流腔305；
下单向腔104与上单向腔301之间的变形膜200上设有流通孔2011，下单向腔104的深度小于变形膜200向下单向腔104底面弯曲时的形变量，上单向腔301的深度大于变形膜200向上单向腔301顶面弯曲时的形变量，从而使流体只能从下单向腔104向上单向腔301单向流动。
如图2所示，下单向腔104的入口位于其底面中央，上单向腔301的出口位于其顶面远离中央的侧边。
如图4所示，通断式连接结构包括设置在流道块300底面的入流腔303和出流腔305，以及设置在气道块100顶面上的气体腔108；入流腔303和出流腔305之间形成有间隔部304，气体腔108内压力变化时变形膜200与间隔部304配合，使入流腔303和出流腔305底部开口之间形成连通通道，或者将通道封闭。
入流腔303的入口端通过中间流道302和上单向腔301的出口连通，出流腔305的出口端通过出流流道306与外部连通；中间流道302与入流腔303形成高度差，并通过沿高度方向延伸的一段流道过渡；出流腔305与出流流道306形成高度差，并通过沿高度方向延伸的一段流道过渡。
出流流道306一端与出流腔305出口连通，另一端位于与流道块300一体式连接的出流公接头307出口。
下单向腔104有两个出口，分别位于其腔体顶面的两侧，两侧的出口通过一段弧形流道3021和与其高度齐平的中间流道302连接。
气体腔108通过气体流道106与外部气源连通，通过外界气源和压力测量装置控制气体腔108的压力。
下单向腔104内设有入流流道102，其一端位于与气道块100一体式连接的入流公接头101的入口，另一端位于下单向腔104的底面。
气道块100的顶面设有用于安装密封圈的第一凹槽105和第二凹槽107，第一凹槽105内圈形成相应的第一凸台，下单向腔104位于第一凸台的顶面；
第二凹槽107内圈形成相应的第二凸台，气体腔108位于第二凸台的顶面。
如图3所示，为了方便描述和清楚直观地显示，将位于下单向腔104与上单向腔301之间对应的变形膜200部分命名为开孔膜201，其上设有所述流通孔2011，将位于气体腔108与入流腔303和出流腔305之间对应的变形膜200部分命名为调节薄膜203。
具体地，下单向腔104深度浅，正中央设有入流流道102的出口，上单向腔301深度深，两侧对称布置了中间流道302的两个入口，开孔膜201位于下单向腔104和上单向腔301之间，流体从下单向腔104流向上单向腔301时，开孔膜201向上单向腔301弯曲，上单向腔301深度深且中间流道302入口位于两侧，流道不会被堵住，流体从上单向腔301流向下单向腔104时，开孔膜201向下单向腔104弯曲，下单向腔104深度浅且入流流道102入口位于中央，流道会被堵住。
具体地，如图5所示，调节薄膜203将入流腔303、出流腔305和气体腔108隔开，气体腔108处于正压时，调节薄膜203紧贴间隔部304下壁面，入流腔303和出流腔305不连通，气体腔108处于负压时调节薄膜203向气体腔弯曲，入流腔303和出流腔305连通，可以根据负压大小调节流道的开度。流道关闭时，气体腔108正压越大则调节薄膜203贴在间隔部304上越紧，流体越不容易泄露。
作为一种实施方式，气道块100、变形膜200和流道块300通过螺栓连接成一体，气道块100上设有卡扣一103，流道块300上设有卡扣二308；气道块100顶面上设有第一定位部，流道块300底面上设有与第一定位部配合的第二定位部。
具体地，第一定位部采用定位圆台109、第二定位部采用定位锥槽309。
具体地，变形膜200为PDMS材质，被气道块100和流道块300紧密加紧，气道块100、流道块300和变形膜200四角开有圆孔，可通过螺栓连接将它们锁紧，气道块100上定位圆台109与流道块300上相对应的定位锥槽309配合用于装配定位，如图3所示，变形膜200上有相对应的定位孔202。
如图8所示，气道块100上分别在第一凹槽105和第二凹槽107中安装密封圈110，密封圈110在气道块100、变形膜200和流道块300锁紧时会发生变形，挤压内壁保证流道拼接处的密封性。
作为一种实施方式，如图6所示，本实施例的微阀可采用卡扣一103、卡扣二308和其他微流控模块400连接，通过出流公接头307和其他微流控模块上设置出流母接头401连接，出流公接头307和母接头401为相互配合的圆锥形结构，出流公接头307可插入母接头401，通过接头密封圈402和卡扣实现接口密封和紧密连接，此外公接头也可单独与如图7所示的硅胶管501连接进而连接其他微流控模块400。
具体地，入流公接头101和出流流道公接头307为中央设有流道的圆锥凸台，对应的流道母接头为圆锥凹槽，母接头大端设有填充接头密封圈402的圆形台阶，用来保证接头的密封性。
本实施例的3D打印制作的可拼接气动单向微阀工作过程如下：
微阀组装为一体后，如图6和图7所示，通过入流公接头101连接上游的其他微流控模块400，出流公接头307连接下游其他微流控模块400，气体腔108通过气体流道106连接气罐，通过精密调节阀或其它气压控制装置控制气体腔108气体的压力，加压则入流腔303和出流腔305之间的流道开度越来越小直至关闭，减压则流道开度逐渐增大，气动控制微阀原理简单，实现方便，有助于微阀体积的减小，同时在实现流量控制的基础上加入了单向功能，流体只能正向流道，反向不流通，避免了回流。
本实施例的微阀可通过3D打印方法制作，制作快速，重复性高，可批量制作，同时设计了通用连接接头，既可以通过公、母接头的配合直接连接其它微流控模块，也可以通过硅胶管连接其它微流控模块，方便了人员操作。

Claims (9)

1.一种3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，包括气道块(100)、变形膜(200)和流道块(300)，所述变形膜(200)密封连接于所述气道块(100)顶面与所述流道块(300)底面之间；所述气道块(100)的顶面设有用于与外部流体源连通的下单向腔(104)，所述流道块(300)的底面设有与下单向腔(104)对应的上单向腔(301)、与上单向腔(301)可通断式连接的连通的出流腔(305)；
所述下单向腔(104)与所述上单向腔(301)之间的所述变形膜(200)上设有流通孔(2011)，所述下单向腔(104)的深度小于所述变形膜(200)向下单向腔(104)底面弯曲时的形变量，所述上单向腔(301)的深度大于所述变形膜(200)向上单向腔(301)顶面弯曲时的形变量，从而使流体只能从下单向腔(104)向上单向腔(301)单向流动。
2.根据权利要求1所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述下单向腔(104)的入口位于其底面中央，所述上单向腔(301)的出口位于其顶面远离中央的侧边。
3.根据权利要求1或2所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述通断式连接结构包括设置在所述流道块(300)底面的入流腔(303)和出流腔(305)，以及设置在所述气道块(100)顶面上的气体腔(108)；
所述入流腔(303)和出流腔(305)之间形成有间隔部(304)，所述气体腔(108)内压力变化时所述变形膜(200)与所述间隔部(304)配合，使所述入流腔(303)和出流腔(305)底部开口之间形成连通通道，或者将所述通道封闭。
4.根据权利要求3所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述入流腔(303)的入口端通过中间流道(302)和所述上单向腔(301)的出口连通，所述出流腔(305)的出口端通过出流流道(306)与外部连通；所述中间流道(302)与所述入流腔(303)形成高度差，并通过沿高度方向延伸的一段流道过渡；所述出流腔(305)与所述出流流道(306)形成高度差，并通过沿高度方向延伸的一段流道过渡。
5.根据权利要求4所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，出流流道(306)一端与所述出流腔(305)出口连通，另一端位于与所述流道块(300)一体式连接的出流公接头(307)出口。
6.根据权利要求3所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述下单向腔(104)有两个出口，分别位于其腔体顶面的两侧，两侧的出口通过一段弧形流道(3021)和与其高度齐平的所述中间流道(302)连接。
7.根据权利要求3所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述气体腔(108)通过气体流道(106)与外部气源连通；所述下单向腔(104)内设有入流流道(102)，其一端位于与所述气道块(100)一体式连接的入流公接头(101)的入口，另一端位于所述下单向腔(104)的底面。
8.根据权利要求3所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述气道块(100)的顶面设有用于安装密封圈的第一凹槽(105)和第二凹槽(107)，所述第一凹槽(105)内圈形成相应的第一凸台，所述下单向腔(104)位于所述第一凸台的顶面；所述第二凹槽(107)内圈形成相应的第二凸台，所述气体腔(108)位于所述第二凸台的顶面。
9.根据权利要求1所述的3D打印制作的可拼接气动单向微阀，其特征在于，所述气道块(100)、变形膜(200)和流道块(300)通过螺栓连接成一体，所述气道块(100)上设有卡扣一(103)，所述流道块(300)上设有卡扣二(308)；所述气道块(100)顶面上设有第一定位部，所述流道块(300)底面上设有与第一定位部配合的第二定位部。
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