流体驱动机构的制作方法

本实用新型涉及微量液体的量取、分配技术领域，特别是涉及一种流体驱动机构。

背景技术：

目前在医学临床检验、纳米材料制备、食品及环境检测、生化分析等应用领域都有着对微量液体精确操作的广泛需求。微量液体操作的核心技术之一是把微升量级的液体进一步分割为纳升甚至皮升体积的微反应体系。微反应体系生成的一个主要技术分支是乳化微液滴生成。

近些年来，在文献中报道了多种微液滴生成技术，如膜乳化法、喷雾乳化法、微流控芯片法、吐液枪头注射/喷射法等。其中，吐液枪头注射/喷射法作为最新的微液滴生成技术，在微液滴的生成方面及耗材成本控制方面均具有良好的应用前景。生成微液滴的过程中，吐液枪头的出口端处于运动状态，排出液体的流速不稳定、不可控。所生成的微液滴体积大小呈现随机性。

技术实现要素：

基于此，有必要针对吐液枪头在运动时因排出液体的流速不稳定、不可控导致的微液滴体积大小呈现出随机性的问题，提供一种能够保证吐液枪头按照设定流速排出液体的流体驱动机构。

一种流体驱动机构，用于微液滴生成系统，包括：

壳体；

变容积组件，设置于所述壳体内，所述变容积组件包括注射筒及推杆，所述推杆与所述注射筒的内壁滑动配合，所述注射筒内能够储存驱动液体，所述注射筒具有进出液口，所述进出液口用于连通储存有第一液体的吐液枪头的入口端；

直线电机组件，设置于所述壳体内，所述直线电机组件的输出端与所述推杆传动连接，用于驱动所述推杆沿所述注射筒的延伸方向滑动；

在微液滴的生成过程中，所述直线电机组件的输出端驱动所述推杆挤压储存在所述注射筒内的驱动液体，进而挤压储存在吐液枪头内的第一液体，最终将第一液体从吐液枪头的出口端排出。

上述流体驱动机构，利用驱动液体的不可压缩性保证了吐液枪头的出口端在高频率振动时仍能按照设定的流速将第一液体从吐液枪头的出口端排出。直线电机组件不仅具有较高的运动精度，而且能够便捷的根据排液速度、排液压力等实际工况通过调整电流的大小保证推杆按照设定速度滑动或滑动设定距离，进而实现第一液体精确按照设定的流速及流量从吐液枪头的出口端排出。本实用新型提供的流体驱动机构能够精确控制所生成微液滴体积大小。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的流体驱动机构整体结构侧视示意图；

图2为本实用新型一实施例提供的流体驱动机构部分结构第一侧视示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的流体驱动机构部分结构主视示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的流体驱动机构部分结构后视示意图；

图5为本实用新型一实施例提供的流体驱动机构部分结构第二侧视示意图；

图6为本实用新型一实施例提供的流体驱动机构装配爆炸示意图；

图7为本实用新型一实施例提供的音圈电机、连接板以及变容积组件结构装配爆炸示意图；

图8为本实用新型一实施例提供的音圈电机与连接板结构装配爆炸示意图；

图9为本实用新型一实施例提供的一体成型的骨架与连接板第一侧视示意图；

图10为本实用新型一实施例提供的一体成型的骨架与连接板第二侧视示意图；

图11为本实用新型一实施例提供的换向阀结构侧视示意图；

图12为本实用新型一实施例提供的换向阀主视剖面结构示意图；

图13为本实用新型一实施例提供的流体驱动方法过程示意图。

其中：

1-流体驱动机构

100-壳体、110-第一安装端面、111-第一安装孔、120-第二安装端面、121-第二安装孔、130-顶端面、140-底端面、150-侧端面

200-变容积组件、210-注射筒、220-推杆

300-直线电机组件、310-音圈电机、311-初级、3111-第一对磁体、3112-第二对磁体、3114-第一安装板、3115-第二安装板、312-次级、3121-骨架、3122-线圈、3125-第一段、3126-第二段、320-连接板、330-导向件

400-换向阀、410-阀体、411-第一接口、412-第二接口、413-第三接口、420-连通块、421-第一流道、422-第二流道、423-第三流道

500-电源接口

810-驱动液体、820-第一液体、830-吐液枪头

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本实用新型的一种流体驱动机构进行进一步详细说明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。实施例附图中各种不同对象按便于列举说明的比例绘制，而非按实际组件的比例绘制。

微液滴生成在医学临床检验、纳米材料制备、食品及环境检测、生化分析等应用领域都有着广泛应用。吐液枪头830注射/喷射法以其高效的微液滴生成速度以及较低的耗材成本逐渐成为微液滴生成的主要方法。使用吐液枪头830注射/喷射法生成微液滴的过程中，吐液枪头830的出口端进行高频率的振动，因此精确控制液体排出吐液枪头830的流速对于生成体积大小均一的微液滴尤为重要。

如图1-6所示，本实用新型提供一种流体驱动机构1，用于在微液滴生成系统生成微液滴的过程中控制吐液枪头830的出口端排出第一液体820的流速及流量。本实用新型提供的流体驱动机构1包括壳体100、变容积组件200以及直线电机组件300。流体驱动机构1的壳体100同时还起到支撑的作用，变容积组件200是流体驱动过程的执行部分，直线电机组件300是流体驱动过程的驱动部分，变容积组件200以及直线电机组件300均安装在壳体100内。变容积组件200包括注射筒210及推杆220，注射筒210的外壁固定安装在壳体100的内壁，推杆220与注射筒210的内壁滑动配合，意即推杆220滑动安装在注射筒210内。注射筒210内能够储存驱动液体810，且注射筒210具有进出液口，进出液口能够与吐液枪头830的入口端连通，吐液枪头830内储存有第一液体820。直线电机组件300的输出端与推杆220传动连接，用于驱动推杆220沿注射筒210的延伸方向滑动。在微液滴的生成过程中，直线电机组件300的输出端驱动推杆220挤压储存在注射筒210内的驱动液体810，受挤压的驱动液体810进而挤压储存在吐液枪头830内的第一液体820，最终将第一液体820从吐液枪头830的出口端排出。第一液体820排出吐液枪头830的流速及流量取决于直线电机组件300中输出端的的运动状态。

上述流体驱动机构1，利用驱动液体810的不可压缩性保证了吐液枪头830的出口端在高频率振动时仍能按照设定的流速及流量将第一液体820从吐液枪头830的出口端排出。直线电机组件300不仅具有较高的运动精度，而且能够便捷的根据排液速度、排液压力等实际工况通过调整电流的大小保证推杆220按照设定速度滑动或滑动设定距离，进而实现第一液体820精确按照设定的流速及流量从吐液枪头830的出口端排出。本实用新型提供的流体驱动机构1能够精确控制所生成微液滴体积大小。

在本实用新型中的注射筒210可以是直筒状或弯折状，注射筒210上的进出液口可以开设在注射筒210的一端或者中间位置，本实用新型并不限制注射筒210、推杆220的具体结构以及两者之间的具体位置关系。为便于说明，如图4及图5所示，本实用新型以直筒状的注射筒210为例，且进出液口开设在注射筒210的一端，滑动安装在注射筒210内的推杆220穿过注射筒210的另一端。在本实用新型其他的实施例中，变容积组件200还可以是任意能够实现变容积功能的结构形式。

在本实用新型一实施例中，如图1-6所示，直线电机组件300包括音圈电机310，音圈电机310的初级311固定安装在壳体100的内壁上，音圈电机310的次级312与推杆220在推杆220的滑动方向上固定连接。音圈电机310不仅具有响应快、高速度、高加速度的优点，而且结构简单、体积小、控制方便。音圈电机310的次级312能够通过控制电流的大小在滑动阻力增大或者减小时仍然保持设定的滑动速度，进而能够便捷的在第一液体820的排液压力变化时仍然保持设定的排液流速。音圈电机310还能够根据实际工况在设定的滑动位置、设定的滑动速度或者设定驱动压力值等模式下运行，进而通过变容积组件200精确实现第一液体820按照设定体积排出吐液枪头830、按照设定流速排出吐液枪头830或者按照设定排出压力排出吐液枪头830等。

进一步，如图2-3所示，音圈电机310设置于注射筒210的一侧，音圈电机310中次级312的滑动方向与推杆220在注射筒210内的滑动方向平行，音圈电机310的次级312与推杆220传动连接。将音圈电机310设置在注射筒210的一侧能够缩小流体驱动机构1沿注射筒210延伸方向的尺寸，音圈电机310中次级312的滑动方向与推杆220的滑动方向相同能够简化音圈电机310的次级312与推杆220之间的连接方式。作为一种可实现的方式，如图2-5所示，直线电机组件300还包括连接板320，连接板320的一端与音圈电机310的次级312固定连接，连接板320的另一端与推杆220位于注射筒210外的一端固定连接。可以理解的，连接板320活动设置在壳体100内，且连接板320与音圈电机310的次级312同步滑动，进而音圈电机310的次级312通过连接板320带动推杆220在注射筒210内同步滑动。在其他的实施例中，音圈电机310中次级312的滑动方向还可以与推杆220的滑动方向同轴设置、垂直设置或者其他可实现的布置方式。

更进一步的，如图5-10所示，音圈电机310的次级312包括骨架3121和线圈3122，线圈3122缠设于骨架3121，骨架3121与连接板320一体成型。一体成型的骨架3121和连接板320进一步消除了音圈电机310的次级312与推杆220之间的动作误差，保证了推杆220与音圈电机310的次级312同步运动的精度。在其他的实施例中，音圈电机310的次级312与连接板320之间的连接也可以是通过螺钉、卡接等连接件实现固定连接。本实用新型并不限制音圈电机310的次级312与连接板320之间的连接方式，只要能实现音圈电机310的次级312通过连接板320带动推杆220同步滑动即可。

在本实用新型一实施例中，如图3及图5所示，直线电机组件300还包括导向件330，导向件330包括导轨和滑块，导轨固定设置于壳体100内，导轨的延伸方向与推杆220的滑动方向平行，滑块滑动设置于导轨，且滑块与连接板320固定连接。导向件330在连接板320的滑动过程中起到导向的作用，以保证音圈电机310的次级312通过连接板320带动推杆220同步滑动过程的稳定，进而实现第一液体820按照设定流量或者流速排出吐液枪头830的精确控制。进一步，直线电机组件300还包括位移传感器，位移传感器设置于壳体100内，位移传感器与音圈电机310电连接。位移传感器用于测量同步滑动的音圈次级312、连接板320以及推杆220的滑动位置、滑动速度等，位移传感器与音圈电机310电连接以实现音圈电机310的闭环控制。可选的，上述位移传感器包括光栅式、磁栅式、电阻式或差分变压器式(LVDT)位移传感器等类型。具体的，位移传感器为光电式直线位移传感器。在本实用新型其他的实施例中，音圈电机310自身为伺服电机，音圈电机310的闭环控制系统集成在音圈电机310的内部，进一步减小本实用新型提供的流体驱动机构1的体积。

在本实用新型一实施例中，如图5-8所示，音圈电机310包括初级311和次级312。初级311包括第一对磁体3111和第二对磁体3112，第一对磁体3111和第二对磁体3112沿次级312的滑动方向顺次设置于壳体100内，第一对磁体3111中的两块磁体相异的磁极相对设置，第二对磁体3112中的两块磁体相异的磁极相对设置，第一对磁体3111之间的磁感线方向与第二对磁体3112之间的磁感线方向相反。次级312包括骨架3121和线圈3122，线圈3122缠绕于骨架3121，线圈3122具有通电后电流方向相反的第一段3125和第二段3126，次级312滑动时，线圈3122的第一段3125在第一对磁体3111之间滑动，线圈3122的第二段3126在第二对磁体3112之间滑动。两对磁体以及线圈3122，能够同时在线圈3122的第一段3125和第二段3126产生相同方向、相同大小的感应力，便于音圈电机310中次级312的快速动作，提高了音圈电机310的灵敏性。

作为一种可实现的方式，如图6-8所示，第一对磁体3111和第二对磁体3112均为矩形板状的磁体，第一对磁体3111和第二对磁体3112均固定安装在壳体100内壁。沿音圈电机310的次级312滑动方向，第一对磁体3111的一端与第二对磁体3112的一端抵接安装。骨架3121呈中空的圆角矩形，骨架3121的一端面上开设有圆角矩形的环形槽，同样呈中空的圆角矩形状的线圈3122固定安装在骨架3121的环形槽内。线圈3122内通过电流时，第一段3125和第二段3126同时产生方向相同、大小相同的感应力，由于第一对磁体3111和第二对磁体3112均为固定，通电后的线圈3122向感应力的方向滑动，与线圈3122固定的骨架3121随线圈3122同步运动。进而音圈电机310的次级312通过连接板320带动推杆220同步运动。当位移传感器检测到与推杆220同步滑动的连接板320滑动至设定位置时，位移传感器发出信号，音圈电机310断电，音圈电机310的次级312停止滑动。或者，当位移传感器检测到与推杆220同步滑动的连接板320滑动速度发生微小波动时，位移传感器发出信号，通入音圈电机310的电流发生相应调整，以保证音圈电机310的次级312通过连接板320带动推杆220以设定速度滑动，进而实现第一液体820按照设定的流速排出吐液枪头830，生成大小均一的微液滴。在本实用新型其他的实施例中，音圈电机310还可以是其他类型的结构。

进一步，如图6-7所示，壳体100包括相对的第一安装端面110和第二安装端面120，第一安装端面110和第二安装端面120上分别开设有第一安装孔111和第二安装孔121，第一安装孔111和第二安装孔121相对设置。音圈电机310的初级311还包括第一安装板3114和第二安装板3115，第一安装板3114和第二安装板3115分别可拆卸的固定于第一安装孔111和第二安装孔121。第一对磁体3111中的两块磁体分别安装在第一安装板3114和第二安装板3115沿次级312滑动方向的一端，第二对磁体3112中的两块磁体分别安装在第一安装板3114和第二安装板3115沿次级312滑动方向的另一端。音圈电机310能够从壳体100上整体拆下或者音圈电机310能够装配完毕后整体安装到壳体100上，保证了音圈电机310的装配精度并提高了音圈电机310的拆装便捷性。作为一种可实现的方式，第一安装孔111及第二安装孔121均为圆角矩形孔，对应的，第一安装板3114及第二安装板3115均为圆角矩形板。第一安装板3114及第二安装板3115能够通过螺钉分别固定在第一安装孔111及第二安装孔121处。第一安装板3114及第二安装板3115相对的两侧面均具有安装第一对磁体3111及第二对磁体3112的矩形槽，第一对磁体3111及第二对磁体3112安装在第一对安装板及第二对安装板上的矩形槽内。

更进一步的，壳体100呈中空的长方体状，流体驱动机构1的变容积组件200以及直线电机组件300均安装在壳体100内部。壳体100的一端面开设有连接孔，多个壳体100能够通过连接孔并列安装于基体。多个流体驱动机构1并列安装后能够同时控制多个微液滴的生成过程，大幅提升微液滴的生成效率。作为一种可实现的方式，如图1、图2及6所示，在流体驱动机构1的工作过程中，壳体100沿空间竖直方向具有相对的顶端面130和底端面140，壳体100内注射筒210的延伸方向以及音圈电机310中次级312的滑动方向均为空间竖直方向。壳体100沿注射筒210指向音圈电机310的方向具有相对的两个侧端面150，以及壳体100沿第一安装板3114指向第二安装板3115的方向具有相对的第一安装端面110和第二安装端面120。当多个流体安装机构并列安装时，多个壳体100的第一安装端面110和第二安装端面120之间顺次贴合。壳体100上的连接孔开设在壳体100的同一侧端面150上或者壳体100上的连接孔分别开设在两个侧端面150上。壳体100均通过与连接孔螺纹连接的螺钉固定安装在基体上。在一个具体的实施例中，壳体100沿并列延伸方向的尺寸为18mm，意即壳体100上相对的第一安装端面110和第二安装端面120之间的距离为18mm。多个流体驱动机构1并列安装后能够在间距为18mm的多个试剂槽中同时控制第一液体820按照设定的流速及流量排出吐液枪头830，进而高效生成微液滴。在本实用新型的其他实施例中，并列安装后的多个流体驱动机构1之间距离还可为其他尺寸，只要能够与多个试剂槽之间的间距相匹配即可。

基于上述技术方案中的流体驱动机构1，本实用新型还提供一种流体驱动方法，流体驱动方法包括以下步骤：直线电机组件300驱动推杆220挤压储存在注射筒210内的驱动液体810，驱动液体810挤压储存在吐液枪头830内的第一液体820，第一液体820从吐液枪头830的出口端排出。上述流体驱动方法，利用驱动液体810的不可压缩性保证了吐液枪头830的出口端在高频率振动时仍能按照设定的流速及流量将第一液体820从吐液枪头830的出口端排出。可以理解的，驱动液体810与第一液体820不互溶，两者之间不存在物质交换。通常情况下，驱动液体810的密度小于第一液体820的密度，可选的，驱动液体810可以是矿物油或者烷烃等。作为一种可实现的方式，排出吐液枪头830的第一液体820落入盛有驱动液体810的盛放容器中，落入盛放容器中的第一液体820在驱动液体810中下落。直线电机组件300不仅具有较高的运动精度，而且能够便捷的根据排液速度、排液压力等实际工况通过调整电流的大小保证推杆220按照设定速度滑动或滑动设定距离，进而实现第一液体820精确按照设定的流速及流量从吐液枪头830的出口端排出。本实用新型提供的流体驱动方法能够精确控制所生成微液滴体积大小。

在本实用新型一实施例中，如图3-4及图11-12所示，流体驱动机构1还包括换向阀400，换向阀400包括第一接口411、第二接口412及第三接口413，第一接口411、第二接口412及第三接口413能够分别与吐液枪头830的入口端、进出液口及储存有驱动液体810的储液罐连通。换向阀400动作时能够连通第一接口411和第二接口412，或者换向阀400动作时能够连通第三接口413和第二接口412。换向阀400至少可以控制流体驱动机构1实现以下两种模式：一、使变容积组件200的进出液口与吐液枪头830的入口端相连通，在直线电机组件300的带动下，变容积组件200向吐液枪头830提供液体驱动力，用于将吐液枪头830内的第一液体820从吐液枪头830的出口端排出，或者将第一液体820从吐液枪头830的出口端抽吸进入吐液枪头830内。二、使变容积组件200的进出液口与储液罐相连通，在直线电机组件300的带动下，变容积组件200将储液罐中的驱动液体810抽吸进入变容积组件200的注射筒210内，或者是将变容积组件200内的驱动液推入储液罐内。

进一步，如图11-12所示，换向阀400包括阀体410和连通块420，阀体410包括第一接口411、第二接口412及第三接口413。连通块420内开设有相互独立的第一流道421、第二流道422和第三流道423，第一流道421、第二流道422以及第三流道423均贯通连通块420。第一流道421、第二流道422以及第三流道423的一端分别与第一接口411、第二接口412及第三接口413连接，第一流道421、第二流道422以及第三流道423的另一端分别与吐液枪头830的入口端、进出液口及储存有驱动液体810的储液罐连接。开设有若干流道的连通块420具有结构简单、连通稳定的优点。更进一步的，第一流道421、第二流道422以及第三流道423内表面分别抛光且圆角过渡。第一流道421、第二流道422以及第三流道423内表面均无死角，能够有效避免气泡残留和吸附。

基于上述技术方案中的流体驱动机构1，如图13所示，本实用新型还提供另一种流体驱动方法，包括以下步骤：(1)换向阀400使注射筒210的进出液口与储液罐连通，在直线电机组件300的带动下，推杆220在注射筒210内滑动改变注射筒210的容积，以将储液罐内的驱动液体810吸入注射筒210内；(2)换向阀400使注射筒210的进出液口与吐液枪头830的入口端连通，在直线电机组件300的带动下，推杆220在注射筒210内滑动改变注射筒210的容积，以排出注射筒210内以及吐液枪头830内的气体；(3)吐液枪头830的出口端进入第一液体820中，并维持换向阀400使注射筒210的进出液口与吐液枪头830的入口端连通，在直线电机组件300的带动下，推杆220在注射筒210内滑动改变注射筒210的容积，以将第一液体820吸进吐液枪头830内；(4)换向阀400使注射筒210的进出液口与吐液枪头830的入口端连通，在直线电机组件300的带动下，推杆220在注射筒210内滑动改变注射筒210的容积，以将储存在吐液枪头830内的第一液体820以设定的流速排出吐液枪头830的出口端。

进一步，在上述流体驱动方法中，直线电机组件300的匀速动作进而带动推杆220在注射筒210内匀速滑动，最终实现驱动液体810或第一液体820以均匀的流速吸进注射筒210或从注射筒210排出，以保证整个微液滴生成过程的稳定性及所生成微液滴体积大小的均一性。

作为一种可实现的方式，如图1-6所示，壳体100呈中空的长方体状，换向阀400固定安装在壳体100内靠近底端面140和一侧端面150的位置，变容积组件200安装在换向阀400中连通块420的上方。音圈电机310安装在变容积组件200的侧面，音圈电机310的次级312和变容积组件200之间通过连接板320固定连接，导向件330在壳体100内安装在音圈电机310和变容积组件200的注射筒210之间。流体驱动机构1还包括电源接口500，电源接口500安装在壳体100顶端面130上，电源接口500与音圈电机310、换向阀400以及位移传感器均电连接，电源接口500还能够与外置电源电连接以向流体驱动机构1内的元件供电。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。因此，本实用新型专利的保护范围应以所附权利要求为准。