一种平面蛇形玻璃微通道制造装置的制作方法

本发明涉及一种玻璃微通道制造装置，特别涉及一种蛇形玻璃微通道制造装置。

背景技术：

在微化工和微生物医学研究领域，内径尺度在50微米以下的微通道可以用作微反应器和混合器，类型一般有多排多通道和多排单通道等，多排多通道有多个接入和接出端口，一般用于多种成分的快速混合反应，多排单通道由一进一出二个端口，一般用于二组成分反应或多组成分逐个顺序加入反应，多排多通道和多排单通道都可以采用刻蚀、酸蚀、热熔、键合制作，在工艺复杂性，内通道粗糙度、耐压及密闭性方面要求很高。

以玻璃毛细管为材料，对玻璃毛细管加热后再一个平面内进行沿玻璃毛细管轴线和垂直玻璃毛细管轴线两个方向错位拉伸，采用错位拉伸。可制造出直径50微米以下的平面蛇形玻璃微单通道。该方法工艺简单，得到的通道尺度最小可达到10微米，内部光滑，耐压且密闭性好。

由于平面蛇形玻璃微通道要求通道尺度50微米以下，需要在通过对错位拉伸模具运动、温控参数相关参数进行精确控制，才可以得到各类尺寸的平面蛇形玻璃微单通道。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种平面蛇形玻璃微通道制造装置。

本发明的技术方案如下：

一种平面蛇形玻璃微通道制造装置，包括毛细玻璃管、x轴向螺旋运动机构、y轴向螺旋运动机构，所述x轴向螺旋运动机构包括可旋转的x轴向螺杆轴，所述x轴向螺杆轴包括螺旋方向相反的左螺纹段和右螺纹段，所述左螺纹段上螺纹配合安装有左滑块，所述右螺纹段上螺纹配合安装有右滑块，所述左滑块和右滑块上均安装有隔热夹头，所述毛细玻璃管的两端由隔热夹头夹持于可加热环境中，所述y轴向螺旋运动机构包括可旋转的y轴向螺杆轴，所述y轴向螺杆轴包括螺旋方向相反的上螺纹段和下螺纹段，所述上螺纹段上螺纹配合安装有上模具，所述下螺纹段上螺纹配合安装有下模具，所述上模具上设有上凸齿，所述下模具上设有下凸齿，所述上凸齿与下凸齿错位设置。

更进一步的，所述隔热夹头包括外螺帽、内螺纹头、斜滑块，所述外螺帽的一端设有通孔，另一端的内部与内螺纹头螺纹配合连接，所述内螺纹头的端部设有凹槽，所述凹槽中安装有呈梯形的耐热橡胶块，所述斜滑块的一端伸入至耐热橡胶块与内螺纹头的侧壁之间的腔体内，且与所述腔体的形状相匹配，另一端抵接于外螺帽的通孔边缘处，所述耐热橡胶块设有若干瓣，中部形成夹持孔，所述毛细玻璃管的端部夹持于所述夹持孔中。

更进一步的，耐热橡胶块外侧的所述内螺纹头中还设置有压缩弹簧，所述斜滑块的顶部与压缩弹簧抵接。

更进一步的，所述电热丝呈波纹螺旋形，且螺旋的间距可拉伸。

更进一步的，还包括信号采集器、单片机，所述左滑块或右滑块上安装有x轴向位移传感器，所述x轴向位移传感器、信号采集器、单片机依次连接，所述上模具或下模具上安装有y轴向位移传感器，所述y轴向位移传感器、信号采集器、单片机依次连接。

更进一步的，还包括温控仪、单片机，在若干排所述电热丝之间还设置有热电偶，所述热电偶、温控仪、单片机依次连接。

更进一步的，还包括机架，所述机架上固定安装有y轴向光轴和x轴向光轴，所述机架上通过轴承安装所述x轴向螺杆轴和y轴向螺杆轴，所述上模具上设有上模具螺纹孔和上模具光孔，所述下模具上设有下模具螺纹孔和下模具光孔，所述上模具光孔和下模具光孔与y轴向光轴间隙配合，所述上模具螺纹孔与所述上螺纹段构成螺旋副，下模具螺纹孔与所述下螺纹段构成螺旋副，所述左滑块上设有左滑块螺纹孔和左滑块光孔，所述右滑块上设有右滑块螺纹孔和右滑块光孔，左滑块光孔和右滑块光孔与x轴向光轴间隙配合，左滑块螺纹孔与所述左螺纹段构成螺旋副，右滑块螺纹孔与所述右螺纹段构成螺旋副。

更进一步的，还包括x轴向伺服电机和y轴向伺服电机，所述螺杆轴通过联轴器与伺服电机连接，所述螺杆轴通过联轴器与伺服电机连接。

更进一步的，所述机架上固定安装有x轴向光栅尺和y轴向光栅尺。

更进一步的，所述左滑块和右滑块之间设置有可伸缩的电热丝，所述电热丝设置有若干排，所述若干排电热丝并联于左滑块和右滑块之间。

本发明的有益效果如下：

1.采用数字化控制技术，可以根据需求设置两个方向错时拉伸的时间、速度、位移、加热等制造温度参数，达到需求的拉伸效果，通过工艺参数优化，可以得到最终微管道要求的内外径与制造参数。

2.可以通过设置不同尺寸的镍铬合金模具，包括镍铬合金模具的齿状凸块的数量、宽度，控制蛇形玻璃微单通道的排数和间距。

3.隔热夹头结构可以适应中空毛细玻璃管的尺寸偏差，压缩瓣状耐热橡胶保证隔热且不夹碎，结构紧凑，拆卸方便。

附图说明

图1是平面蛇形玻璃微通道制造装置的结构示意图；

图2是沿图1中a-a线的简化剖视图；

图3是隔热夹头的纵截面图；

图4是隔热夹头的横截面图；

图5是x轴向拉伸开始时的结构示意图；

图6是y轴向拉伸过程的结构示意图；

图7是拉伸结束时的结构示意图；

图8是拉制的平面蛇形玻璃微单通道结构示意图；

图9是图8中a处的放大结构图。

图中标记：1、毛细玻璃管；2、隔热夹头；2-1、耐热橡胶块；2-2、斜滑块；2-3、内螺纹头；2-4、外螺帽；2-5、压缩弹簧；3、电热丝；4、上模具；5、机架；6、y轴向光轴；7、轴承；8、y轴向螺杆轴；9、左滑块；10、右滑块；11、x轴向螺杆轴；12、x轴向联轴器；13、x轴向伺服电机；14、x轴向光轴；15、x轴向光栅尺；16、数据线；17、x轴向位移传感器；18、热电偶；19、下模具；20、y轴向联轴器；21、y轴向伺服电机；22、温控仪；23、信号采集器；24、x轴向控制器；25、y轴向控制器；26、单片机；27、y轴向光栅尺；28、y轴向位移传感器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本实施例的平面蛇形玻璃微通道制造装置的结构如图1-2所示。该装置包括毛细玻璃管1、x轴向螺旋运动机构、y轴向螺旋运动机构，x轴向螺旋运动机构包括可旋转的x轴向螺杆轴11，x轴向螺杆轴11包括螺旋方向相反的左螺纹段和右螺纹段，左螺纹段上螺纹配合安装有左滑块9，右螺纹段上螺纹配合安装有右滑块10，左滑块9和右滑块10之间并联有若干排可伸缩的电热丝3，作为本实施例的优选结构，所述电热丝3可设置为呈波纹螺旋形，且螺旋的间距可拉伸。左滑块9和右滑块10上均安装有隔热夹头2，直径为毫米级尺寸的毛细玻璃管1的两端由隔热夹头2夹持，y轴向螺旋运动机构包括可旋转的y轴向螺杆轴8，y轴向螺杆轴8包括螺旋方向相反的上螺纹段和下螺纹段，上螺纹段上螺纹配合安装有上模具4，下螺纹段上螺纹配合安装有下模具19，上模具4上设有上凸齿，下模具19上设有下凸齿，上凸齿与下凸齿错位设置。上模具4和下模具19均为镍铬合金材质。

本实施例中，隔热夹头2的结构如图3-4所示，包括外螺帽2-4、内螺纹头2-3、斜滑块2-2。外螺帽2-4的一端设有通孔，另一端的内部与内螺纹头2-3螺纹配合连接，内螺纹头2-3的端部设有凹槽，凹槽中安装有呈梯形的耐热橡胶块2-1，斜滑块2-2的一端伸入至耐热橡胶块2-1与内螺纹头2-3的侧壁之间的腔体内，且与腔体的形状相匹配，另一端抵接于外螺帽2-4的通孔边缘处。耐热橡胶块2-1设有若干瓣，中部形成夹持孔，毛细玻璃管1的端部夹持于夹持孔中。耐热橡胶块2-1外侧的所述内螺纹头2-3中还设置有压缩弹簧2-5，斜滑块2-2的顶部与压缩弹簧2-5抵接。通过旋转与内螺纹头2-3配合的外螺帽2-4，可以使外螺帽2-4的止口推动斜滑块2-2，压缩弹簧2-5被压缩，斜滑块2-2压缩瓣状的耐热橡胶块2-1进而夹紧中空毛细玻璃管1的端部。压缩弹簧2-5的作用是需拆卸中空毛细玻璃管1时，外螺帽2-4反向旋转后，弹力反推斜滑块2-2复位，使瓣状的耐热橡胶块2-1松脱。

本实施例的平面蛇形玻璃微通道制造装置还包括信号采集器23、温控仪22、单片机26，左滑块9或右滑块10上安装有x轴向位移传感器17，x轴向位移传感器17、信号采集器23、单片机26依次连接，上模具4或下模具19上安装有y轴向位移传感器28，y轴向位移传感器28、信号采集器23、单片机26依次连接。在多排电热丝3之间还设置有热电偶18，热电偶18、温控仪22、单片机26依次连接。

本实施例的平面蛇形玻璃微通道制造装置整体通过机架5安装。机架5上固定安装有y轴向光轴6和x轴向光轴14，机架5上通过轴承7安装x轴向螺杆轴11和y轴向螺杆轴8，上模具4上设有上模具螺纹孔和上模具光孔，下模具19上设有下模具螺纹孔和下模具光孔，上模具光孔和下模具光孔与y轴向光轴6间隙配合，上模具螺纹孔与上螺纹段构成螺旋副，下模具螺纹孔与所述下螺纹段构成螺旋副，左滑块9上设有左滑块螺纹孔和左滑块光孔，右滑块10上设有右滑块螺纹孔和右滑块光孔，左滑块光孔和右滑块光孔与x轴向光轴14间隙配合，左滑块螺纹孔与左螺纹段构成螺旋副，右滑块螺纹孔与右螺纹段构成螺旋副。螺杆轴11通过x轴向联轴器12与x轴向伺服电机13连接，螺杆轴8通过y轴向联轴器20与y轴向伺服电机21连接。机架5上固定安装有x轴向光栅尺15和y轴向光栅尺27。

平面蛇形玻璃微通道的制造方法如下：

1、拉伸准备：中空毛细玻璃管1被两个夹头夹持。单片机26通过温控仪22控制电热丝3的加热模式并利用测量温度的热电偶18控制温度。此时镍铬合金模具静止。

2、x向拉伸开始：如图5

电热丝3保持加热，中空毛细玻璃管1加热到接近该材料玻璃的熔点区域的温度，毛细玻璃管1开始软化。

单片机26通过测量温度的热电偶18检测到该温度后，单片机26通过控制器24控制伺服电机13转动，使螺杆轴11转动，由于螺杆轴11上的c段和d段左旋和右旋梯形螺纹分别与左滑块9上的左旋梯形螺纹孔和右滑块10上的梯形右旋螺纹孔构成螺旋副，光轴14起导向防转作用，使左滑块9和右滑块10以等速度远离，使两个隔热夹头2开始如图5所示方向移动，毛细玻璃管1开始被x向匀速拉伸。

当左滑块9和右滑块10以等速度远离时。由于波纹电热丝3螺旋的间距逐渐被拉大，加热区域随毛细玻璃管1的x向拉伸而增大，单片机26通过测量温度的热电偶18及温控仪22控制加热温度保持稳定。

单片机26通过控制器25控制伺服电机21开始转动，使螺杆轴8转动，由于螺杆轴8上的a段和b段左旋和右旋梯形螺纹分别与上镍铬合金模具4的左旋梯形螺纹孔和下镍铬合金模具19上的梯形右旋螺纹孔构成螺旋副，光轴6起导向防转作用，使上镍铬合金模具4和下镍铬合金模具19以等速度接近正被拉伸的毛细玻璃管1，可以通过单片机26控制接近速度。

y向拉伸开始：如图6所示：

右滑块10向右运动时，右滑块10固定安装的位移传感器17，通过机架上5上固定安装的光栅尺15检测自己的位移，当检测位移达到预定的x向位移值(该位移值由要求的拉伸尺寸决定)，信号采集器23将信号传给单片机26，单片机26通过控制器24控制伺服电机13停止转动，x向拉伸结束。

随着单片机26通过控制器25控制伺服电机21继续转动，上镍铬合金模具4和下镍铬合金模具19以等速度接触被拉伸的毛细玻璃管1，被拉伸的毛细玻璃管1在上镍铬合金模具4和下镍铬合金模具19的齿的环槽约束下开始被y向拉伸。

在此过程中，单片机26通过测量温度的热电偶18及温控仪22控制加热温度保持稳定。

3、拉伸结束：如图7

单片机26通过控制器25控制伺服电机21继续转动，上镍铬合金模具4和下镍铬合金模具19交错对毛细玻璃管1开始y向拉伸。

在此过程中，单片机26通过测量温度的热电偶18及温控仪22控制加热温度保持稳定。

下镍铬合金模具19向上运动时，下镍铬合金模具19固定安装的位移传感器28，通过机架上5上固定安装的光栅尺27检测自己的位移，当检测位移达到预定的y向位移值(该位移值由要求的拉伸尺寸决定)，信号采集器23将信号传给单片机26，单片机26通过控制器25控制伺服电机21停止转动，y向拉伸结束。

一旦y向拉伸结束。单片机26通过温控仪22控制电热丝3断电，停止加热。

保持一定时间后，单片机26通过控制器25控制伺服电机21反转，上镍铬合金模具4及下镍铬合金模具19如图7方向移动分开，两个隔热夹头2继续夹持。待上镍铬合金模具4及下镍铬合金模具退回原位，可得到拉伸后的平面蛇形玻璃微单通道。

图8-9为得到的平面蛇形玻璃微单通道：图中a放大图为两侧端部被隔热夹头2夹持的一段部分，由于该部分被隔热夹头2夹持，仍能保持原来的尺寸。经过一小段过渡段后，绝大部分为内外径均匀的微米级尺度的微管道。

本发明平面蛇形玻璃微通道制造装置，采用嵌入式拉伸模具，采用双螺旋机构作为运动机构，光栅位移检测，热电偶温度检测，单片机完成对玻璃毛细管拉伸数字化运动控制和玻璃毛细管加热温控，通过大量的实验数据，可以得到各类尺寸的平面蛇形玻璃微单通道的制造模式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。