用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀

摘要

本发明涉及的用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀，包括：一放置在流动有流体的微流道下端的半导体制冷器和一位于该半导体制冷器的制冷端或制热端的散热器，半导体制冷器与散热器之间设有低热阻高强度绝缘漆构成的导热绝缘层；一位于微流道上端面的用以加热微流道中流体的微型加热器；所述的微型加热器为通入蒸汽的蒸汽包、为带电源的微型电加热器，或为带激光加热源的微型激光加热器；半导体制冷器由多个半导体制冷模块并联组成；无任何运动部件，便于控制，是一种理想的易于集成化的微阀结构。

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用流体自身冻结时形成栓塞以阻断流体通道，融化时开启流体通道的冰阀；特别涉及一种借助于半导体制冷片，使微/纳米流体通道中的流体冷冻时阻断流体通道，受热时融化开启流体通道的冰阀。

背景技术

阀门是管道系统不可缺少的重要部件，它用于接通或阻断管道中的流体介质，或者用于控制介质的流量和压力，也或者用于保证整个管道系统的正常工作和安全。经过长时期的探索，人们对常规阀门技术的掌握已日臻完善，但是近年来随着微/纳尺度流体器件技术的飞速发展，提出了许多新的问题，对微流道阀门的探索引起了人们的高度重视。

五十年前，科学家使用大规模集成电路将电子线路成千万倍的缩小，带来了电子技术的革命，也让后来的个人电脑走进千家万户。今天，同样的事情也发生在微流体微管道领域。比如人类基因组计划的进一步展开要求对大量纵横交错的微槽道，微反应舱，微阀，微控制系统进行集成化处理，以加快基因分析的步伐。将微流体管道系统集成化已被众多科学家看好，人们希望通过它能够方便的对其中微样品的发送、溶液混合、加热和降温进行复杂控制。

但是，在将微流体管道系统集成化方面遇到的最大难题之一就是微阀的实现，因为，进行微流道的集成有两个基本要求：一是需要可靠的可集成化微阀；二是需要很方便的对这些微阀进行寻址和控制。针对此，人们对微阀的设计进行了各种各样的尝试，比如利用充气压让微型弹性膜产生形变控制流道开关、利用两个微型多孔板的位错产生通断效果，或利用微小阀片的动作堵断流道等。但是由于这些阀门或多或少都存在运动部件而且不便于电控制，难以进行集成化和集中控制，在面对微型流道的集成化时往往捉襟见肘。

显然，为适应微/纳流体器件技术的发展，一种结构简单，无运动部件并便于电控制的微阀亟待出现。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种无需运动部件，而且便于电控制，简单易行，可集成化的微阀结构。提供一种利用微流体自身的冻结和融化来阻断和接通流道的冰阀；

本发明的技术方案如下：

本发明涉及的用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀，其特征在于，包括：一放置在流动有流体的微流道6下端的半导体制冷器3和一位于该半导体制冷器3的制冷端或制热端的散热器1，半导体制冷器3与散热器1之间设有低热阻高强度绝缘漆构成的导热绝缘层；一位于微流道6上端面的用以加热微流道6中流体的微型加热器5；所述的微型加热器5为通入蒸汽的蒸汽包、为带电源的微型电加热器，或为带激光加热源的微型激光加热器；所述的半导体制冷器3由多个半导体制冷模块并联或串联组成；该冰阀的整体几何尺寸为1nm×1nm×1nm到10cm×10cm×10cm；所述微流道6横截面尺寸为1nm×1nm到10cm×10cm；所述的微流道6的材质为由玻璃、半导体和金属，其横截面为圆形、矩形、三角形或多边形；所述的微流道6上端设有与之相通的可喷射液体的液体喷射孔7。

本发明提供的用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀，借助于半导体制冷器，利用流体自身冻结时形成栓塞以阻断流体通道，融化时开启流体通道，使用方便，简单易行，而且便于控制，无需任何运动部件，并可集成化。

附图说明：

附图1为本发明的结构示意图；

附图2a和附图2b为通过改变半导体制冷器的电压来调节流道中流体流量的工作原理图；

附图3a和附图3b为利用多个半导体制冷元件构成的半导体制冷器来调节流量的工作原理图；

附图4为本发明一实施例的结构示意图和通过喷射液体并使其冻结来阻断流道中气体流动的工作原理图；

其中：散热器1           导热绝缘层2         半导体制冷器3

      载体4             微型加热器5         微流道6

      液体喷射孔7       冻结流体71          未冻结的流通流体72

      冰块33            液体81              气体91

      半导体制冷模块I、II、III

具体实施方式

由附图可知，本发明的用于启、闭微/纳米流体通道的冰阀包括：包括：一放置在流动有流体的微流道6下端的半导体制冷器3和一位于该半导体制冷器3的制冷端或制热端的散热器1，半导体制冷器3与散热器1之间设有低热阻高强度绝缘漆构成的导热绝缘层；一位于微流道6上端面的用以加热微流道6中流体的微型加热器5；所述的微型加热器5为通入蒸汽的蒸汽包、为带电源的微型电加热器，或为带激光加热源的微型激光加热器；所述的半导体制冷器3由多个半导体制冷模块并联或串联组成；所述冰阀的整体几何尺寸可为1nm×1nm×1nm(如图3a)，也可为10cm×10cm×10cm(如图3b，半导体制冷器3采用3个多个时)；同样，所述微流道6横截面尺寸为1nm×1nm，或10cm×10cm或两者之间的任意截面尺寸；所述的微流道6的材质为由玻璃、半导体和金属，其横截面为圆形、矩形、三角形或多边形；所述的微流道6上端设有与之相通的可喷射液体的液体喷射孔7。

使用时，半导体制冷器3制冷时，冻结微流道6内的流体以阻断其流体通道；用微型加热器5加热微流道6内的液体，使微流道6中的流体融化，便重新打开(开启)流体通道。

由图2a和图2b和图3a和图3b可知，所述的半导体制冷器3可由几块半导体制冷模块并联(也可以串联)组成，图3a和图3b所示的半导体制冷器3采用3个(或多个)半导体制冷模块并联，如果制冷量达不到迅速冻结管道中的液体，还可以考虑采用串联多级半导体制冷模块的连接方式提高温差加快冰阀的工作速度。半导体制冷模块与散热器1和微流道6的载体4之间要涂上一层低热阻的高强度绝缘漆，以起到即能迅速导热又能绝缘的效果。为达到理想到传热效果，半导体制冷器3和散热器1之间必须施加一定的压力以保证良好的热接触，它们的接触面之间也可以涂上一层导热硅脂以提高传热效果。

采用改变半导体制冷片3和微型电热器5的电压，改变其制冷量和制热量来调整流道中冰层的厚度，使流道有效横截面积发生变化。当冰阀前后的压力差一定，不同的有效横截面积就会产生不同的流量，从而达到调节流量的目的，如图3a和图3b所示；可以看到未冻结流体72可以在槽道上方的狭小空间流过，而槽道下方结有一层冰层71，阻挡流体流过。

本发明的冰阀流量的控制通过调节对半导体制冷器3所加的电压和对微型加热器5所加的电压，改变冰阀的制冷和制热量，来控制微流道6中流体冻结和融化的程度，从而改变微流道6横截面积的大小来控制流量；采用图3a的方式，在微流道6下方放置的由半导体制冷模块组成的半导体制冷器3，如图3a和图3b中所示的半导体制冷模块I、II、III，每个半导体制冷模块以并联形式置于微流道6下方，工作时通过控制模块的个数来控制微流道6中流体冻结情况，而改变微流道6的横截面积的大小来控制流量。图3a中显示了当半导体制冷模块I工作而制冷模块II、III处于关断状态时微流道6中流体的冻结情况，可以看到，如果在一定压力差控制的情况下，流道中流体的流量将变为最大流量的三分之二。

除此之外，本发明的冰阀还可以采用多种形式，如图4所示，当微流道6中通过的流体是气体91，无法使气体在半导体制冷器3所能达到的温度范围内冻结为固体时，可以采用额外喷注液体81(如水)冻结阻塞流道的方式。比如，当需要阻断微流道6中的气体时，微流道6上方的液体喷射孔7喷出液体，液体接触到流道壁，由于半导体制冷器3的冷却作用，流道壁的温度很低，液体迅速冻结形成冰块33，从而阻断流道中气体的流动。其流量可以由半导体制冷器3的工作电压或喷注液体的多少来控制。当需要接通流道时，改变半导体制冷器3的电压方向，则流道壁温度上升，阻塞物迅速融化，微流道6又恢复导通状态。由于喷注的液体会进入流道与工作气体混合，所以在冰阀后面要适当加入分离装置将其分开，以保证装置的正常运行。

以上冰阀中如果需要其温度迅速降低，液体迅速冻结以达到快速阻断效果，除了使用半导体制冷器之外，还可以考虑采用液氮等极低温物质在管道之外喷注的方法以实现更迅速的降低流道中的温度，从而达到高速阻断效果。

综上所述，本发明提供的冰阀是一种结构简单，密封性好，无运动部件的微阀，其尺寸可以设计成从纳米量级到厘米量级各种规格，因而可用于多种场合。具有很高的性能价格比，便于集成化，尤其适合用于大规模微型流体系统之中。而现有的一般阀门由于多少都会含有运动部件，而难以将阀体微型化，而且当阀体工作在深低温情况下时，由于热胀冷缩的原因，各运动部件之间往往出现缝隙导致泄漏，而大部分用于常温下的密封垫圈的材料在低温下会出现硬化，失去弹性，导致密封失效，使泄漏更加严重。

在装配过程中，为保证半导体制冷器3、微流道和散热器三者之间良好的热接触，可以在其之间施加一定压力进行配合，配合方式依据各自材料和大小而定。散热器1采用金属铝或其他高导热材料制作，其肋片的密度要达到一定程度，通过风冷或水冷降低半导体制冷器高温端的温度。如果要通过对半导体制冷器加反向电压进行制热融化流体，则半导体制冷齐冷热端易位，此时散热器相当于一个吸热器。微流道6根据微管道的实际应用可以由玻璃、硅或金属制成，其管道横截面可为矩形、圆形、三角形或其他形状，微槽道6的底部不能太厚以保证与半导体制冷器3有充分快的热交换，以达到微阀较快通断的目的。考虑到，半导体制冷片既要制冷又要制热，会给流体的通断会造成一定延时，为满足一些阀对灵敏度要求较高，可以考虑在微槽道的另一侧加上一个微型加热器5用于快速加热流体，让半导体制冷片单纯制冷以提高动作反应速度。微型加热器5可以简单的由一个热电阻片制成，同样，微型加热器与微槽道之间也必须有绝缘处理，以防漏电。由于微型加热器不是必备部件，所以图1中用虚线表示其位置。

本发明所提供的冰阀可以用在众多微空间场合，并且有许多其他类型阀门无法比拟的优点：

1、无运动部件：这是大多数阀门难以做到的。这也是大规模微型流道集成化不可缺少的要求之一。由于阀门的“开合”采用的是热控制，所以真正脱离了运动部件的束缚，可以做到低磨损，使使用寿命大大延长。

2、密封性好：这也是优良阀门所希望达到的优良属性。由于冰阀采用的是流体自身冻结来阻断自己的流动，这就从根本上杜绝了在阀门处泄漏的发生。而且由于制冷片是在管道外通过冷热控制管道内的通断状况，对管道内的几何结构没有任何改变。因此当冰阀处于开通状况下，流道内的流动状况与其他部分毫无差别，将阀门对流道中导通状况下流动的影响减到零。

3、方便高效的电控制：这也是它适合集成化的重要特征之一。它仅仅涉及到电热两种能量方式的转换，而不象电磁阀等，需要电能转化为磁能，再转化为机械能，需要多种形式的能量转换，因此冰阀更容易实现电控制，实现更方便，效率也更高。

4、体积小：由于冰阀的结构简单，只需要一个半导体制冷片和一个散热片即可，因此可允许将冰阀做得很小，这在许多微/纳米器件使用场合必将发挥重要作用。

当然，冰阀也有着它一定的使用场合：

1、首先，冰阀是一个常开阀门。要使冰阀闭合，必须要持续给半导体制冷片供电，以保持阀体的低温。

2、冰阀制冷能力必须保证流体在半导体制冷片所能够达到的温度范围内可发生冻结，如果超出，可以考虑采用多级半导体制冷片联合工作。

3、流体冻结或融化，应不致给流体本身造成任何影响，也不能对这个系统产生任何负面影响。

本发明提供的冰阀的使用过程是这样进行的。将需要导通或关断的流道通过一定的连接管如塑料管或金属管接到本发明提供的槽道入口处，并开通液体使其在管道内流通；当需要阻断流动的时候，开启半导体制冷器，则其上端液体发生冻结而阻断流道；反之，若需导通液体，则对半导体制冷片反向加电压或开通加热片，则流道在冻结液体融化后即重新流通。