TWI618857B - 流體輸送裝置 - Google Patents

Abstract

一種流體輸送裝置，其包含：閥門蓋體；閥本體，具有出口通道及入口通道；閥腔體座，具有入口閥門通道及出口閥門通道及壓力腔室，壓力腔室分別與入口閥門通道、出口閥門通道相連通；閥膜片，設置於閥本體及閥腔體座之間，具有兩閥門片各別對應封閉入口閥門通道及出口閥門通道形成閥門開關結構；致動器封蓋壓力腔室；以及外筒；藉此閥門蓋體套設組裝閥本體，使閥門蓋體緊密設置於外筒內以定位組裝形成流體輸送裝置。

Description

流體輸送裝置

本案關於一種流體輸送裝置，尤指一種適用於微泵浦結構之流體輸送裝置。

目前於各領域中無論是醫藥、電腦科技、列印、能源等工業，產品均朝精緻化及微小化方向發展，其中微泵浦、噴霧器、噴墨頭、工業列印裝置等產品所包含之流體輸送結構為其關鍵技術，是以，如何藉創新結構突破其技術瓶頸，為發展之重要內容。

請參閱第10A圖，第10圖為習知微泵浦結構於未作動時之結構示意圖，習知微泵浦結構8包含入口通道83、微致動器85、傳動塊84、隔層膜82、壓縮室811、基板81以及出口通道86，其中基板81與隔層膜82間定義形成一壓縮室811，主要用來儲存液體，壓縮室811之體積將因隔層膜82之形變影響而改變。

當一電壓作用在微致動器85的上下兩極時，會產生一電場，使得微致動器85在此電場之作用下產生彎曲而向隔層膜82及壓縮室811方向移動，由於微致動器85設置於傳動塊84上，因此傳動塊84能將微致動器85所產生的推力傳遞至隔層膜82，使得隔層膜82也跟著被擠壓變形，即如第10B圖所示，液體即可依圖中箭號X之方向流動，使由入口通道83流入後儲存於壓縮室811內的液體受擠壓，而經由出口通道86流向其他預先設定之空間，以達到供給流體的目的。

請再參閱第10C圖，第10C圖為第10A圖所示之微泵浦結構之俯視圖，如圖所示，當微泵浦結構8作動時流體之輸送方向如圖中標號Y之箭頭方向所示，入口擴流器87為兩端開口大小不同之錐狀結構，開口較大之一端與入口流道831相連接，而以開口較小之一端與壓縮室811連接，同時，連接壓縮室811及出口流道861之出口擴流器88與入口擴流器87同向設置，其以開口較大的一端連接於壓縮室811，而以開口較小的一端與出口流道861相連接，由於連接於壓縮室811兩端之入口擴流器87及出口擴流器88為同方向設置，故可利用擴流器兩方向流阻不同之特性，及壓縮室811體積之漲縮使流體產生單方向之淨流率，以使流體可自入口流道831經由入口擴流器87流入壓縮室811內，再由出口擴流器88經出口流道861流出。

然而，此種無實體閥門之微泵浦結構8容易產生流體大量回流的狀況，所以為促使流率增加，壓縮室811需要有較大的壓縮比，以產生足夠的腔壓，故需要耗費較高的成本在微致動器85上。

有鑑於此，如何發展一種可改善上述習知技術缺失之流體輸送裝置，發展一種能在長期使用下維持流體輸送裝置之一定工作特性及流速，實為目前迫切需要解決之問題。

本案之主要目的在於提供一種流體輸送裝置，主要由閥本體、閥膜片、閥腔體座、致動器及外筒依序層疊於一外筒之內部，再以閥門蓋體直接緊配合於外筒之內部而定位組裝形成藉由致動器作動時帶動振動板產生形變，使介於振動板及閥腔體座間之壓力腔室的體積改變產生壓力差，而且由於閥膜片上之閥門片結構其開合反應迅速，使得壓力腔室於漲縮的瞬間可產生較大之流體吸力與推力，故可使流體達到高效 率之傳輸，並可有效阻擋流體之逆流，俾解決習知技術之微泵浦結構於流體的傳送過程中易產生流體回流之現象。

本案之另一目的在於提供一種流體輸送裝置，主要由閥本體、閥膜片、閥腔體座、致動器及外筒依序層疊於一外筒之內部，再以閥門蓋體直接緊配合於外筒之內部而定位組裝形成，使層疊於外筒內部上述層疊元件可以直接受定位組裝而成，無須以鎖付元件(例如：螺絲、螺帽、螺栓等)去鎖付定位組裝，讓整體結構組裝無須任何額外元件固定更加方便，也透過密封環之設置提供對入口開口、出口開口入口閥門通道、出口閥門通道及壓力腔室周邊防止流體滲漏具備更佳防漏性。

為達上述目的，本案之較廣義實施態樣為提供一種流體輸送裝置，包含：閥門蓋體，具有第一貫穿孔及第二貫穿孔，以及底緣具有一倒角；閥本體，具有出口通道、入口通道、第一表面及第二表面，該入口通道及該出口通道貫穿設置於第一表面及第二表面之間，以及該入口通道於第二表面上連通一入口開口，該出口通道於第二表面上連通一出口開口；一閥膜片，具有厚度相同之兩閥門片，且環繞該閥門片週邊各設置複數個延伸支架作以彈性支撐，並使每一延伸支架相鄰之間各形成一鏤空孔；閥腔體座，具有第三表面、第四表面、入口閥門通道及出口閥門通道，該入口閥門通道及該出口閥門通道貫穿設置於該第三表面及該第四表面之間，而該閥膜片之兩閥門片分別承載於該入口閥門通道及該出口閥門通道上形成閥門結構，且在該第四表面上凹置一壓力腔室，分別與該入口閥門通道及該出口閥門通道連通；致動器，封蓋該閥腔體座之該壓力腔室；以及外筒，具有一內壁圍繞一中空空間，且外筒之內壁底部具有凸環結構；藉此，以該閥本體、該閥膜片、該閥腔體座及該致動器分別依序對應堆疊設置於該外筒之中空空間 內，並承載於該外筒之凸環結構上，以該閥門蓋體之第一貫穿孔及第二貫穿孔分別對應套入該閥本體之出口通道及入口通道中，並以倒角順利導入外筒之內壁中相互緊配合組接結合該閥本體、該閥膜片、該閥腔體座、該致動器依序層疊形成定位。

1‧‧‧流體輸送裝置

2‧‧‧閥門蓋體

21‧‧‧第一貫穿孔

22‧‧‧第二貫穿孔

23‧‧‧倒角

3‧‧‧閥本體

31‧‧‧入口通道

311‧‧‧入口開口

32‧‧‧出口通道

321‧‧‧出口開口

33‧‧‧第一表面

34‧‧‧第二表面

341、342‧‧‧凹槽

343‧‧‧凸部結構

3b‧‧‧卡榫槽

4‧‧‧閥膜片

4a、4b‧‧‧貫穿區域

41a、41b‧‧‧閥門片

42a、42b‧‧‧延伸支架

43a、43b‧‧‧鏤空孔

4c‧‧‧定位孔

5‧‧‧閥腔體座

51‧‧‧入口閥門通道

52‧‧‧出口閥門通道

521‧‧‧凸部結構

53、54‧‧‧凹槽

55‧‧‧第三表面

56‧‧‧第四表面

57‧‧‧壓力腔室

58‧‧‧段差槽

5a‧‧‧卡榫

6‧‧‧致動器

61‧‧‧振動板

62‧‧‧壓電元件

7‧‧‧外筒

71‧‧‧內壁

72‧‧‧凸環結構

8‧‧‧微泵浦結構

81‧‧‧基板

811‧‧‧壓縮室

82‧‧‧隔層膜

83‧‧‧入口通道

831‧‧‧入口流道

84‧‧‧傳動塊

85‧‧‧微致動器

86‧‧‧出口通道

861‧‧‧出口流道

87‧‧‧入口擴流器

88‧‧‧出口擴流器

8a、8b、8c、8d、8e‧‧‧密封環

X、Y‧‧‧流動方向

第1圖所示為本案流體輸送裝置之立體外觀示意圖。

第2A圖為本案較佳實施例之流體輸送裝置之正面分解結構示意圖。

第2B圖為第2A圖所示之流體輸送裝置之背面分解結構示意圖。

第3A圖所示為本案流體輸送裝置之閥本體正面視得示意圖。

第3B圖所示為本案流體輸送裝置之閥本體底面視得示意圖。

第4A圖所示為本案流體輸送裝置之閥腔體座正面視得示意圖。

第4B圖所示為本案流體輸送裝置之閥腔體座底面視得示意圖。

第5圖所示為本案流體輸送裝置之閥膜片正面視得示意圖。

第6圖所示為本案流體輸送裝置之外筒立體示意圖。

第7A圖所示為本案流體輸送裝置之閥門蓋體正面視得示意圖。

第7B圖所示為本案流體輸送裝置之閥門蓋體底面視得示意圖。

第8圖所示為本案之流體輸送裝置之剖面示意圖。

第9A圖所示為本案流體輸送裝置之輸送流體作動狀態示意圖1。

第9B圖所示為本案流體輸送裝置之輸送流體作動狀態示意圖2。

第10A圖所示為習知微泵浦結構於未作動時之結構示意圖。

第10B圖所示為第10A圖於作動時之結構示意圖。

第10C圖所示為第10A圖所示之微泵浦結構之俯視圖。

體現本案特徵與優點的一些典型實施例將在後段的說明中詳細敘述。應理解的是本案能夠在不同的態樣上具有各種的變化，其皆不脫離本案的範圍，且其中的說明及圖示在本質上當作說明之用，而非用以限制本案。

請參閱第1圖、第2A圖及第2B圖所示，本案之流體輸送裝置1可適用於醫藥生技、電腦科技、列印或是能源等工業，且可輸送液體，但不以此為限，流體輸送裝置1主要包括：閥門蓋體2、閥本體3、閥膜片4、閥腔體座5、致動器6及外筒7。其中由閥本體3、閥膜片4、閥腔體座5、致動器6及外筒7依序層疊於外筒7之內部，再以閥門蓋體2直接緊配合於外筒7之內部定位組裝而成(如第1圖所示)。

請參閱第1圖、第2A圖、第2B圖、第4A圖及4B圖所示，閥本體3及閥腔體座5為本案流體輸送裝置1中導引流體進出之主要結構。其中閥本體3具有一個入口通道31以及一個出口通道32分別貫穿第一表面33及第二表面34之間，而入口通道31於第二表面34上連通一入口開口311，且第二表面34具有環繞入口開口311之凹槽341，以及具有環繞入口開口311突起之凸部結構343，而出口通道32於第二表面34上連通一出口開口321，且第二表面34具有環繞出口開口321之凹槽342，另外在閥本體3之第二表面34上設置數個卡榫槽3b。

閥腔體座5於第三表面55上設置數個卡榫5a，可對應套入閥本體3之卡榫槽3b中，以使閥本體3與閥腔體座5可相互結合堆疊定位。閥腔體座5上具有貫穿第三表面55至第四表面56之入口閥門通道51及出口閥門通道52，以及於第三表面55上具有環繞入口閥門通道51之凹槽53，且第三表面55上具有環繞出口閥門通道52突起之凸部結構521，以及具有環繞出口閥門通道52之凹槽54，另外，於第四表面56上凹置一壓力腔室 57，分別與入口閥門通道51及出口閥門通道52連通，且第四表面56於壓力腔室57外部具有段差槽58。

請參閱第3A圖、第3B圖、及第5圖所示，閥膜片4主要材質為聚亞醯胺(Polyimide,PI)高分子材料時，其製造方法主要利用反應離子氣體乾蝕刻(reactive ion etching,RIE)之方法，以感光性光阻塗佈於閥門結構之上，並曝光顯影出閥門結構圖案後，再以進行蝕刻，由於有光阻覆蓋處會保護聚亞醯胺(Polyimide,PI)片不被蝕刻，因而可蝕刻出閥膜片4上之閥門結構。閥膜片4為一平坦薄片結構。如第5圖所示，閥膜片4在兩個貫穿區域4a、4b中各保留有厚度相同之兩閥門片41a、41b，且環繞閥門片41a、41b週邊各設置複數個延伸支架42a、42b作以彈性支撐，並使每個延伸支架42a、42b相鄰之間各形成一鏤空孔43a、43b，如此厚度相同之一閥門片41a、41b可受作用力在閥膜片4上藉由延伸支架42a、42b彈性支撐而凸伸變形一位移量形成閥門開關結構。閥門片41a、41b可為圓型、長方型、正方形或各種幾何圖型，但不以此為限。又，閥膜片4上設有複數個定位孔4c，可套入閥腔體座5於第三表面55之卡榫5a中，以定位閥膜片4承載於閥腔體座5上，供閥門片41a、41b分別封蓋閥腔體座5之入口閥門通道51及出口閥門通道52(如第8圖所示)，於本實施例中，卡榫5a數量為2，因此定位孔4c數量為2個，但不以此為限，可依卡榫5a數量而設置。

並請參閱第8圖所示，閥本體3與閥腔體座5相互結合堆疊時，閥本體3之凹槽341、342分別供一密封環8a、8b套入其上，而閥腔體座5之凹槽53、54分別供一密封環8c、8d套入其上，閥本體3與閥腔體座5之間相互結合堆疊，可利用密封環8a、8b、8c、8d之設置，以對周邊防止流體滲漏，如此閥本體3之入口通道31對應閥腔體座5之入口閥門通道 51，並以閥膜片4之閥門片41a之啟閉入口通道31與入口閥門通道51之間連通，以及閥本體3之出口通道32對應閥腔體座5之出口閥門通道52，並以閥膜片4之閥門片41b之啟閉出口通道32與出口閥門通道52之間連通，而當閥膜片4之閥門片41a之開啟時，入口通道31導入流體即可經過入口閥門通道51而注入匯流於壓力腔室57中，而當閥膜片4之閥門片41b之開啟時，注入壓力腔室57流體即可經過出口閥門通道52而由出口通道32排出於外。

請再參閱第2A圖及第2B圖所示，致動器6由振動板61以及壓電元件62組裝而成，其中壓電元件62貼附固定於振動板61之表面。於本實施例中，振動板61為金屬材質，壓電元件62可採用高壓電數之鋯鈦酸鉛(PZT)系列的壓電粉末製造而成，以貼附固定於振動板61上，以供施加電壓驅動壓電元件62產生形變，致使振動板61亦隨之產生做垂直向往復振動形變，用以驅動流體輸送裝置1之作動。而致動器6之振動板61為組設於閥腔體座5之第四表面56上以封蓋壓力腔室57，且第四表面56於壓力腔室57外部之段差槽58，供一密封環8e套置其中，以對壓力腔室57周邊防止流體滲漏。

由上述說明可知，閥本體3、閥膜片4、閥腔體座5、致動器6可構成流體輸送裝置1之輸送流體導引進出之主要結構。但如此堆疊結合的結構要如何定位，而且無須以鎖付元件(例如：螺絲、螺帽、螺栓等)去鎖付定位組裝，是本發明所要實施之主要課題。因此以下就採用閥門蓋體2及外筒7之設計，將閥本體3、閥膜片4、閥腔體座5、致動器6依序層疊於外筒7之內部，再以閥門蓋體2直接緊配合於外筒7之內部定位組裝而成之說明。

請參閱第2A圖、第2B圖及第6圖所示，外筒7為金屬材質，具有內壁71圍繞一中空空間，且外筒7之內壁71底部具有凸環結構72。再請參閱第7A圖及第7B圖所示，閥門蓋體2也為一金屬材質，具有第一貫穿孔21及第二貫穿孔22，分別可供與閥本體3之入口通道31及出口通道32相對應套置入，以及閥門蓋體2之底緣具有一倒角23，且閥門蓋體2之外徑尺寸為略大於外筒7之內壁71尺寸。

因此參閱第8圖所示，閥本體3、閥膜片4、閥腔體座5、致動器6依序層疊後置入於外筒7之內壁71中，讓整個層疊結構承載於外筒7之凸環結構72上，促使閥門蓋體2以外徑尺寸略大於外筒7之內壁71尺寸之設計，利用倒角23可順利導入外筒7之內壁71中，而相互緊配合組接結合定位閥本體3、閥膜片4、閥腔體座5、致動器6依序層疊形成流體輸送裝置1，而致動器6也可於外筒7之內壁71中空空間中，壓電元件62受施加電壓而驅動振動板61做垂直往復運動而形變共振，達成無須以鎖付元件(例如：螺絲、螺帽、螺栓等)去鎖付定位組裝之流體輸送裝置1。

如第8圖所示，本案所構成流體輸送裝置1，閥腔體座5之入口閥門通道51與閥本體3之入口開口311相對應設置，其間並以閥膜片4之閥門片41a來封閉做閥門結構之作用，且閥門片41a封蓋閥本體3之入口開口311，同時貼合閥本體3之凸部結構343而產生一預力(Preforce)作用，有助於產生更大之預蓋緊效果，以防止逆流，而出口閥門通道52與閥本體3之出口開口321相對應設置，其間並以閥膜片4之閥門片41b來封閉做閥門結構之作用，且閥膜片4之閥門片41b封蓋閥腔體座5之出口閥門通道52，同時貼合閥腔體座5之凸部結構521而產生一預力(Preforce)作用，有助於產生更大之預蓋緊效果，以防止逆流壓力腔室57，故本案 所構成流體輸送裝置1在不作動之情況下，閥本體3之入口通道31以及出口通道32之間不會產逆流作用。

由上述說明可知，本案流體輸送裝置1在具體實施流體傳輸的操作，如第9A圖所示，第四表面56之壓力腔室57當致動器6之壓電元件62受施加電壓而致動使振動板61下凹變形，此時壓力腔室57之體積會增加，因而產生吸力，使閥膜片4之閥門片4a承受一吸力迅速開啟，使流體可大量地自閥本體3上之入口通道31被吸取進來，並流經閥本體3之入口開口311、閥膜片4之鏤空孔43a、閥腔體座5之入口閥門通道51流至壓力腔室57內暫存，同時出口閥門通道52內也受到吸力，閥膜片4之閥門片41b受此吸力作用，藉由延伸支架42b的支撐而產生整個向下平貼緊靠於凸部結構521呈現關閉狀態。

其後，第9B圖所示，當施加於壓電元件62的電場方向改變後，壓電元件62將使振動板61上凸變形，此時壓力腔室57收縮而體積減小，使壓力腔室57內流體受擠壓，而同時入口閥門通道51內受到推力，閥膜片4之閥門片41a受此推力作用，藉由延伸支架42a的支撐而產生整個向上平貼緊靠於凸部結構343呈現關閉狀態，流體無法由入口閥門通道51逆流，而此時出口閥門通道52內也受到推力，閥膜片4之閥門片41b受此推力作用，藉由延伸支架42b的支撐而產生整個向上脫離平貼緊靠於凸部結構521之狀態，呈現開啟狀態，流體即可由出口閥門通道52流出壓力腔室57之外，經由閥腔體座5之出口閥門通道52、閥膜片4上之鏤空孔43b、閥本體3上之出口開口321及出口通道32而流出流體輸送裝置1之外，故完成流體傳輸之過程，重複第9A圖及第9B圖所之操作，即可持續進行流體的輸送，如此採用本案流體輸送裝置1可使流體於傳送過程中不會產生回流的情形，達到高效率之傳輸。

綜上所述，本案流體輸送裝置主要由閥本體、閥膜片、閥腔體座、致動器依序層疊於外筒之內部，再以閥門蓋體直接緊配合於外筒之內部而定位組裝形成，使層疊於外筒內部上述層疊元件可以直接受定位組裝而成，無須以鎖付元件(例如：螺絲、螺帽、螺栓等)去鎖付定位組裝，讓整體結構組裝無須任何額外元件固定而更加方便，也透過密封環之設置提供對入口開口、出口開口入口閥門通道、出口閥門通道及壓力腔室周邊防止流體滲漏而具備更佳防漏性，同時藉由致動器之壓電致動，使得壓力腔室之體積改變，進而開啟或關閉同一閥膜片上之閥門片結構進行流體具逆流之輸送作業，以達到高效率之傳輸。是以，本案之流體輸送裝置極具產業之價值，爰依法提出申請。

本案得由熟習此技術之人士任施匠思而為諸般修飾，然皆不脫如附申請專利範圍所欲保護者。

Claims (7)

1. 一種流體輸送裝置，包含： 一閥門蓋體，具有一第一貫穿孔及一第二貫穿孔，以及底緣具有一倒角； 一閥本體，具有一出口通道、一入口通道、一第一表面及一第二表面，該入口通道及該出口通道貫穿設置於一第一表面及一第二表面之間，以及該入口通道於該第二表面上連通一入口開口，該出口通道於該第二表面上連通一出口開口； 一閥膜片，具有厚度相同之兩閥門片，且環繞該閥門片週邊各設置複數個延伸支架作以彈性支撐，並使每一該延伸支架相鄰之間各形成一鏤空孔； 　一閥腔體座，具有一第三表面、一第四表面、一入口閥門通道及一出口閥門通道，該入口閥門通道及該出口閥門通道貫穿設置於該第三表面及該第四表面之間，而該閥膜片之該兩閥門片分別承載於該入口閥門通道及該出口閥門通道上形成閥門結構，且在該第四表面上凹置一壓力腔室，分別與該入口閥門通道及該出口閥門通道連通； 　　一致動器，封蓋該閥腔體座之該壓力腔室；以及 　一外筒，具有一內壁圍繞一中空空間，且該外筒之該內壁底部具有一凸環結構； 藉此，以該閥本體、該閥膜片、該閥腔體座及該致動器分別依序對應堆疊設置於該外筒之該中空空間內，並承載於該外筒之該凸環結構上，以該閥門蓋體之該第一貫穿孔及該第二貫穿孔分別對應套入該閥本體之該出口通道及該入口通道中，並以該倒角順利導入該外筒之該內壁中相互緊配合組接結合該閥本體、該閥膜片、該閥腔體座、該致動器依序層疊形成定位。
2. 如申請專利範圍第1項所述之流體輸送裝置，其中該閥門蓋體之外徑尺寸略大於該外筒之該內壁之尺寸，以相互形成緊配合組接。
3. 如申請專利範圍第1項所述之流體輸送裝置，其中該閥本體之該第二表面上設置複數個卡榫槽，而該閥腔體座之該第三表面上設置複數個卡榫，供以對應套置於該卡榫槽中，以定位該閥腔體座組裝定位於該閥本體上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之流體輸送裝置，其中該閥膜片設置於該閥本體與該閥腔體座之間，並分別對應該閥腔體座之該複數個卡榫位置設置複數個定位孔，供穿入該複數個卡榫中定位該閥膜片。
5. 如申請專利範圍第1項所述之流體輸送裝置，其中該閥本體之該第二表面具有分別環繞該入口開口、該出口開口之複數個凹槽，且該閥腔體座於該第三表面上具有分別環繞該入口閥門通道、該出口閥門通道之複數個凹槽，該複數個凹槽分別供一密封環套入，以對周邊防止流體滲漏。
6. 如申請專利範圍第1項所述之流體輸送裝置，其中該閥本體於該第二表面上具有環繞該入口開口突起之一凸部結構，且該閥腔體座於該第三表面上具有環繞該出口閥門通道突起之一凸部結構，該兩凸部結構分別促使該閥膜片之該兩閥門片貼合而有助於預蓋緊防止逆流所產生一預力(Preforce)作用。
7. 如申請專利範圍第1項所述之流體輸送裝置，其中該致動器由一振動板及一壓電元件組裝而成，其中該壓電元件貼附固定於該振動板之表面以供施加電壓驅動該壓電元件產生形變，且該致動器之該振動板組設於該閥腔體座之該第四表面上以封蓋該壓力腔室。