CN112742490B - 一种3d打印制作的可拼接气动稳流微阀 - Google Patents

一种3d打印制作的可拼接气动稳流微阀 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稳流微阀，包括下流道块、隔膜和上流道块，所述隔膜密封连接于所述下流道块底面与所述上流道块顶面之间；所述下流道块的顶面设有进流腔、与进流腔连通的入流腔、与入流腔连通的插头；所述上流道块的底面设有与所述插头连通的小凹槽、与小凹槽连通且与所述进流腔对应的反馈腔；所述进流腔与外部流体源连通，所述反馈腔通过流道与外部连通，当进入进流腔或反馈腔的流体压力波动时，所述进流腔与所述反馈腔之间的所述隔膜发生形变，能消除流道入口压力变化所带来的流量波动，保证流量的稳定性，提高了微阀的流量稳定性控制能力。

Description

一种3D打印制作的可拼接气动稳流微阀
技术领域
本发明涉及微流控技术领域，具体是一种3D打印制作的可拼接气动稳流微阀。
背景技术
微流控芯片(lab-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，但传统的微阀在设计时一般只考虑了流量控制效应，并未考虑到流量稳定性。微阀的控制对象为微流量，应用时特别注重流量控制的精度，当入口压力波动时如果不采取措施，就会导致流量产生波动进而影响化学检验或生物分析等试验的结果，因此亟需一种既可以调节流量又可以保证微流道流量稳定性的微阀。
发明内容
本发明提供一种3D打印制作的可拼接气动稳流微阀，设计稳流结构以减小入流流体的压力波动，从而保证流量稳定性。
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稳流微阀，包括下流道块、隔膜和上流道块，所述隔膜密封连接于所述下流道块底面与所述上流道块顶面之间；所述下流道块的顶面设有进流腔、与进流腔连通的入流腔、与入流腔连通的插头；所述上流道块的底面设有与所述插头连通的小凹槽、与小凹槽连通且与所述进流腔对应的反馈腔；所述进流腔与外部流体源连通，所述反馈腔通过流道与外部连通，当进入进流腔或反馈腔的流体压力波动时，所述进流腔与所述反馈腔之间的所述隔膜发生形变，从而减小流量波动。
所述上流道块的底面还设有与所述入流腔对应的动力腔，所述动力腔与外部流体源连通，通过所述动力腔与所述入流腔之间的所述隔膜形变，控制所述入流腔出口的过流面积，从而调节进入所述插头的流量。
所述入流腔底面为内凹弧形，通过一出流腔与所述插头连通，所述入流腔一侧通过一台阶与所述出流腔连接，所述台阶与所述隔膜之间形成连通所述入流腔与所述出流腔的过流流道，动力腔的压力变化时，所述隔膜形变靠近或远离所述台阶使所述过流流道的开度，达到流量调节的目的。
所述下流道块上一体式连接有第一流体接头，所述下流道块内设有分别将所述第一流体接头与所述进流腔、所述进流腔与所述入流腔、所述出流腔与所述插头进行连通的流体通道。
所述上流道块上一体式连接有动力接头以及第二流体接头，所述上流道块内设有分别将所述小凹槽与所述反馈腔、所述反馈腔与所述第二流体接头、所述动力接头与所述动力腔连通的流体通道。
所述上流道块的底面设有与所述插头配合的插槽，所述小凹槽位于所述插槽的槽底面上，所述插槽与所述插头之间安装有插槽密封垫。
所述进流腔的外圈设有用于安装密封圈的稳流室密封凹槽，所述入流腔的外圈设有安装密封圈的调流室密封凹槽。
所述下流道块的顶面设有第一定位部，所述上流道块的底面上设有与所述第一定位部配合的第二定位部，所述隔膜上设有供所述第一定位部与所述第二定位部穿过的定位孔，以及供所述插头穿过的插孔。
所述下流道块、所述隔膜和所述上流道块通过螺栓锁紧，所述隔膜采用PDMS材质，所述隔膜填充两流道块之间的缝隙；所述下流道块或/和所述上流道块上设有用于将多个所述微阀连接起来的卡扣部。
本发明的有益效果如下：
本发明设计了一种稳流结构，进流腔和反馈腔的流体通过隔膜相互作用，改变隔膜挠度，进而改变流阻，入口压力变大流阻也增大，进口压力变下流阻随之变小，能消除流道入口压力变化所带来的流量波动，保证流量的稳定性，提高了微阀的流量稳定性控制能力。
本发明设计了一种调流结构，在反馈流道中设置动力腔，通过动力腔的压力控制入流腔出口流道面积，从而实现流量大小和开闭的控制，流量调节效果和切断性好；入流腔底面设置了内凹弧面，使隔膜变形时和入流腔底面贴和更紧密，进一步提升了微阀的流量切断和开度大小的控制性能。
本发明设置了卡扣式连接结构便于多个微阀的连接，或者将微阀连接到其它微流控模块上。
本发明采用气压或液压控制，体积小，可采用3D打印方法制作，相较于传统微阀制作方法制作速度更快，重复性更高，可用于批量制作。
附图说明
图1为本发明的下流道块、隔膜膜和上流道块组装结构的透视图。
图2为本发明的下流道块的透视图。
图3为本发明的隔膜的结构示意图。
图4为本发明的上流道块的透视图。
图5为本发明的下流道块、隔膜膜和上流道块组装结构俯视视角的透视图。
图6为图5中沿A-A截面剖视图。
图7为图5中沿B-B截面剖视图。
图8为本发明的爆炸图。
图9为图8中A部放大图。
图中：100、下流道块；200、隔膜；300、上流道块；101、第一流体接头；102、入流流道；103、定位锥台；104、插头；105、稳流室密封凹槽；106、进流腔；107、前反馈流道；108、入流腔；109、台阶；110、出流腔；111、调流室密封凹槽；112、出流流道；113、稳流室密封圈；114、调流室密封圈；115、插槽密封垫；201、稳流薄膜；202、调流薄膜；203、定位孔；204、插孔；301、定位锥槽；302、反馈腔；303、动力腔；304、动力流道；305、后反馈流道；306、插槽；307、小凹槽；308、第二流体接头；309、出流流道；310、动力接头。
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8所示，本实施例的3D打印制作的可拼接气动稳流微阀，包括下流道块100、隔膜200和上流道块300，隔膜200密封连接于下流道块100底面与上流道块300顶面之间；
如图2所示，下流道块100的顶面设有进流腔106、与进流腔106连通的入流腔108、与入流腔108连通的插头104；
如图4-图7所示，上流道块300的底面设有与插头104连通的小凹槽307、与小凹槽307连通且与进流腔106对应的反馈腔302；进流腔106与外部流体源连通，反馈腔302通过流道与外部连通，当进入进流腔106或反馈腔302的流体压力波动时，进流腔106与反馈腔302之间的隔膜200发生形变，从而减小流量波动。
上流道块300的底面还设有与入流腔108对应的动力腔303，动力腔303与外部流体源连通；
通过外部调节动力腔303内的压力，使动力腔303与入流腔108之间的隔膜200变形，通过调节入流腔108出口的过流面积，从而调节进入插头104的流量。
如图8和图9所示，作为一种实施方式，入流腔108底面为内凹弧面，通过一出流腔110与插头104连通，入流腔108的一侧通过一台阶109与出流腔110连接，台阶109与隔膜200之间形成连通入流腔108与出流腔110的过流流道，动力腔303的压力变化时，隔膜200会被压紧或放松，从而靠近或远离台阶109使上述过流流道开度改变，达到调节流量的目的。
具体地，根据实际需要，通过隔膜200作用，可使过流流道关闭从而起到截断的作用。
如图2所示，下流道块100上一体式连接有第一流体接头101，下流道块100内设有分别将第一流体接头101与进流腔106、进流腔106与入流腔108、出流腔110与插头104进行连通的流体通道。
如图4所示，上流道块300上一体式连接有动力接头310以及第二流体接头308，上流道块300内设有分别将小凹槽307与反馈腔302、反馈腔302与第二流体接头308、动力接头310与动力腔303连通的流体通道。
作为一种实施方式，上流道块300的底面设有与插头104配合的插槽306，小凹槽307位于插槽306的槽底面上，插槽306与插头104之间安装有插槽密封垫115。
作为一种实施方式，下流道块100的顶面设有第一定位部，上流道块300的底面上设有与第一定位部配合的第二定位部。
具体地，如图2、图4所示，第一定位部采用定位锥台103、第二定位部采用与定位锥台103配合的定位锥槽301。
如图3所示，隔膜200上设有供第一定位部与第二定位部穿过的定位孔203，以及供插头104穿过的插孔204。
作为一种实施方式，下流道块100内设有入流流道102、前反馈流道107、中间反馈流道112，入流流道102一端位于第一流体接头101的中心入口，另一端位于进流腔106的底面；前反馈流道107一端位于进流腔106的底面，另一端位于入流腔108的底面，中间反馈流道112一端位于出流腔110的底面，另一端位于插头104顶面的中心入口处；
作为一种实施方式，上流道块300内设有后反馈流道305、出流流道309，后反馈流道305一端位于小凹槽307底面，另一端位于反馈腔302的底面，出流流道309一端位于反馈腔302底面，另一端位于第二流体接头308的中心入口(出口)；动力接头310的中心入口内的动力流道304连通至动力腔303底面。
如图5-图7所示，上述各腔室是由位于上流道块300的底面或下流道块100的顶面上设置的开口槽与隔膜200构成的独立的密封腔体，插头104凸起于下流道块100顶面，与安装在插槽306内的插槽密封垫115配合插接，与插槽306底部的小凹槽307对接，同时保证密封性。
作为一种实施方式，进流腔106的外圈设有用于安装密封圈的稳流室密封凹槽105，入流腔108的外圈设有安装密封圈的调流室密封凹槽111，如图8所示，稳流室密封凹槽105、调流室密封凹槽111内分别安装有稳流室密封圈113、调流室密封圈114，从而确保了隔膜200与进流腔106、反馈腔302之间，以及隔膜200与入流腔108、动力腔303之间的密封性。
作为一种实施方式，下流道块100、隔膜200和上流道块300通过螺栓锁紧；
隔膜200采用PDMS材质或其它变形量大、韧性好的材料，隔膜200填充两流道块之间的缝隙。
如图3所示，为了方便描述和清楚直观地显示，将进流腔106与反馈腔302之间的对应的隔膜200部分命名为稳流薄膜201，将动力腔303与入流腔108之间的对应隔膜200部分命名为调流薄膜202。
作为一种实施方式，下流道块100或/和上流道块300上设有用于将多个微阀连接起来的卡扣部。
本实施例的3D打印制作的可拼接气动稳流微阀，具体工作方式及原理：
通过设置稳流室结构，稳定流量波动，提高微阀的流量稳定性控制能力。
通过设置调流室结构，调节流量大小，提高微阀的流量大小的控制性能。
如图6所示，稳流室结构由进流腔106、反馈腔302以及两者之间的稳流薄膜201构成，
如图7所示，调流室结构由入流腔108-台阶109-出流腔110、动力腔303以及两者之间的调流薄膜202构成。
微阀设置了第一公接头101，第二公接头308，可和配置母接头的其他的微流控模块直接连接或着通过硅胶管连接。流体可从第一流体接头101流入、第二流体接头308流出或者反之。
具体地，如图2所示，流体从下流道块100的入流流道102流入进流腔106，流经前反馈流道107到达入流腔108，然后从出流腔110流入中间反馈流道112，流入插头104；如图4、图5所示，从插头104流入小凹槽307，经过后反馈流道305到达反馈腔302，再从出流流道309通过第二流体接头308流出。
如图6和图7所示，进流腔106和反馈腔302对应设置被稳流薄膜201隔开，同时进流腔106和反馈腔302又分别连接前反馈流道107、后反馈流道305连接，流体流经反馈流道时存在压力损失，所以进流腔106的流体压力大于反馈腔302的流体压力，稳流薄膜201会向反馈腔302弯曲，入口压力越大稳流薄膜201挠度越大，使流道流阻增大从而减小流量，反之入口压力减小时稳流薄膜201挠度减小，使流道流阻减小从而增大流量达到稳流效果。入流腔108和出流腔110之间存在台阶109，入流腔108、出流腔110与动力腔303被调流薄膜202隔离，动力腔303的压力变化会改变调流薄膜202的挠度进而改变台阶109底面与调流薄膜202之间形成的过流流道的开度，起到开关流道和调节流量的作用。
具体地，入流腔108底面为曲面结构，隔膜200(调流薄膜202)在弯曲变形使能紧贴在入流腔108底面上，流量的控制效果更精确，当流道关闭时流道的泄露量更低。
具体地，动力腔303既可以充入气体也可以充入液体，动力腔303通过动力流道304连接到外部精密调压阀或压力泵等压力控制装置来调节动力腔303压力，进而调节流量。
具体地，第一流体接头101、第二流体接头308可制作成标准公接头。
本实施例的微阀可以通过3D打印方法制作，制作快速，重复性高，可批量制作，同时设置了通用连接接头，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 (3)

1.一种3D打印制作的可拼接气动稳流微阀，其特征在于，包括下流道块(100)、隔膜(200)和上流道块(300)，所述隔膜(200)密封连接于所述下流道块(100)底面与所述上流道块(300)顶面之间；
所述下流道块(100)的顶面设有进流腔(106)、与进流腔(106)连通的入流腔(108)、与入流腔(108)连通的插头(104)；
所述上流道块(300)的底面设有与所述插头(104)连通的小凹槽(307)、与小凹槽(307)连通且与所述进流腔(106)对应的反馈腔(302)；所述进流腔(106)与外部流体源连通，所述反馈腔(302)通过流道与外部连通，当进入进流腔(106)或反馈腔(302)的流体压力波动时，所述进流腔(106)与所述反馈腔(302)之间的所述隔膜(200)发生形变，从而减小流量波动；
所述上流道块(300)的底面还设有与所述入流腔(108)对应的动力腔(303)，所述动力腔(303)与外部流体源连通，通过所述动力腔(303)与所述入流腔(108)之间的所述隔膜(200)形变，控制所述入流腔(108)出口的过流面积，从而调节进入所述插头(104)的流量；
所述入流腔(108)底面为内凹弧形，通过一出流腔(110)与所述插头(104)连通，所述入流腔(108)一侧通过一台阶(109)与所述出流腔(110)连接，所述台阶(109)与所述隔膜(200)之间形成连通所述入流腔(108)与所述出流腔(110)的过流流道，动力腔(303)的压力变化时，所述隔膜(200)形变靠近或远离所述台阶(109)使所述过流流道的开度，达到流量调节的目的；
所述下流道块(100)上一体式连接有第一流体接头(101)，所述下流道块(100)内设有分别将所述第一流体接头(101)与所述进流腔(106)连通的入流流道(102)、将所述进流腔(106)与所述入流腔(108)连通的前反馈流道(107)、将所述出流腔(110)与所述插头(104)进行连通的中间反馈流道(112)；
所述上流道块(300)上一体式连接有动力接头(310)以及第二流体接头(308)，所述上流道块(300)内设有分别将所述小凹槽(307)与所述反馈腔(302)连通的后反馈流道(305)、将所述反馈腔(302)与所述第二流体接头(308)连通的出流流道(309)、将所述动力接头(310)与所述动力腔(303)连通的动力流道(304)；
所述上流道块(300)的底面设有与所述插头(104)配合的插槽(306)，所述小凹槽(307)位于所述插槽(306)的槽底面上，所述插槽(306)与所述插头(104)之间安装有插槽密封垫(115)；
所述进流腔(106)的外圈设有用于安装密封圈的稳流室密封凹槽(105)，所述入流腔(108)的外圈设有安装密封圈的调流室密封凹槽(111)。
2.根据权利要求1所述的3D打印制作的可拼接气动稳流微阀，其特征在于，所述下流道块(100)的顶面设有第一定位部，所述上流道块(300)的底面上设有与所述第一定位部配合的第二定位部，所述隔膜(200)上设有供所述第一定位部与所述第二定位部穿过的定位孔(203)，以及供所述插头(104)穿过的插孔(204)。
3.根据权利要求1所述的3D打印制作的可拼接气动稳流微阀，其特征在于，所述下流道块(100)、所述隔膜(200)和所述上流道块(300)通过螺栓锁紧，所述隔膜(200)采用PDMS材质，所述隔膜(200)填充两流道块之间的缝隙；所述下流道块(100)或/和所述上流道块(300)上设有用于将多个所述微阀连接起来的卡扣部。
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