活塞密封件的制作方法
【專利摘要】一種用于注射泵的活塞頭部包括：屏障部分(11)，該屏障部分用于驅(qū)動流體穿過注射泵筒狀物(30)，其中所述屏障部分(11)的外周部分(13，14)成形為對所述注射泵筒狀物(30)進(jìn)行密封；以及彈性構(gòu)件(15)，該彈性構(gòu)件設(shè)置成用以抵抗所述屏障部分(11)的成形的外周部分(13，14)的變形。
【專利說明】活塞密封件
[0001]本發(fā)明涉及在例如注射器或注射泵中使活塞相對于外圍筒狀物進(jìn)行密封，并且還涉及一種包括活塞和筒狀物的注射泵。
[0002]傳統(tǒng)注射器和注射泵的操作方式是借助于活塞或柱塞的運(yùn)動來使流體在筒狀物內(nèi)移動。在使柱塞在筒狀物內(nèi)從一端開始運(yùn)動時，就使得筒狀物內(nèi)的流體從另一端流出。另一方面，在從一端將柱塞拔出筒狀物時，流體就通過另一端進(jìn)入到筒狀物內(nèi)。為了使這一泵送操作正常進(jìn)行，需要相對于筒狀物密封柱塞，這樣流體就不會流到柱塞外。
[0003]在一次性注射器中，一種相對于筒狀物密封柱塞的常用方法是使用彈性密封，例如O型圈。這樣的O型圈設(shè)置在柱塞外側(cè)周圍，靠近柱塞驅(qū)動筒狀物內(nèi)流體的那一端。該O型圈形成可相對變形的表面，從而可使其形狀與筒狀物適配，并形成緊密的密封。這樣，該O型圈位于柱塞與筒狀物之間，并與筒狀物內(nèi)的流體接觸。
[0004]另一種相對于筒狀物密封柱塞的方法是用彈性材料制作整個柱塞頭部，這樣，柱塞的頭部作為一個整體發(fā)生變形，從而在筒狀物內(nèi)形成密封。
[0005]在這兩種方式中，筒狀物內(nèi)的流體均與用來產(chǎn)生密封的彈性材料接觸。這帶來流體可能會被污染/受到影響。在流控和微流控的應(yīng)用場合，特別是在生物流控的應(yīng)用場合，將可能與流體發(fā)生反應(yīng)或會向工質(zhì)流體滲透污染的材料引入到注射器或注射泵是不利的，這樣多少會影響正進(jìn)行的試驗(yàn)。
[0006]還有一種方式是，在可變形的筒狀物中使用相對堅(jiān)硬的柱塞頭部，這樣筒狀物產(chǎn)生變形從而形成緊密的密封。然而，可變形的筒狀物并非在所有情況下都是有利的。
[0007]此外，在開始移動柱塞時，采用的彈性密封材料會產(chǎn)生固有的阻延/滑移跳頓。這是因?yàn)閺椥悦芊獠牧吓c筒狀物之間存在較大的靜摩擦力，必須要克服該靜摩擦力材料使柱塞運(yùn)動。這一較大的靜摩擦力意味著要施加相應(yīng)較大的力來使柱塞開始運(yùn)動，一旦向柱塞施加了足夠大的力來克服該靜摩擦力，就會產(chǎn)生固有的沖頓，之后柱塞才進(jìn)行平滑的運(yùn)動。即使在已經(jīng)克服該靜摩擦力之后，由于存在彈性O(shè)型圈，從而也會產(chǎn)生相對較大的動摩擦力(從而需要相應(yīng)的較大驅(qū)動力)，要保持柱塞運(yùn)動，也需要克服該動摩擦力。這種情況下，難以精細(xì)控制注射器，特別是在開始移動柱塞時更是如此。
[0008]此外，傳統(tǒng)注射器和注射泵通常依賴活塞密封件(不管是O型圈還是整個活塞頭部)周圍的外圍筒狀物的變形來實(shí)現(xiàn)良好的密封。即，筒狀物在密封區(qū)域內(nèi)會稍向外變形，這樣，在活塞運(yùn)動的同時保持了作用在密封上的壓力。
[0009]一種替代彈性材料的方式是使(例如由金屬制成的)注射器與筒狀物完全適配，其中筒狀物例如由玻璃制成。然而，由于筒狀物與注射器之間的誤差精度要求較高，從而這一方式成本較高，不適合用來大規(guī)模生產(chǎn)一次性注射器。采用金屬也會帶來流體污染。
[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種注射泵頭部，其至少能部分地解決或者全部解決以上問題。
[0011]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種活塞密封件，該活塞密封件包括:屏障部分，該屏障部分用于驅(qū)動流體；以及/或者彈性構(gòu)件，該彈性構(gòu)件設(shè)置成用以抵抗所述屏障部分的外周部分的變形。[0012]根據(jù)本發(fā)明的這一方面，提供了一種壽命長的密封。設(shè)置的彈性構(gòu)件有助于保持所述屏障部分的密封截面的形狀。這使得所述活塞的所述密封能有效利用所述彈性構(gòu)件的材料特性，從而維持良好的密封力，并同時還可利用所述屏障部分的材料特性，從而形成低摩擦的密封，或者形成例如不與泵送流體相互作用的密封。因此，即使所述屏障部分的材料會發(fā)生蠕變，隨著時間的推移其自身不能提供良好的密封，但是所述彈性構(gòu)件卻能持續(xù)抵抗變形，并維持良好的密封。這樣，能以合理的成本生產(chǎn)一次性密封，同時也適用于流控和微流控應(yīng)用場合。所述彈性構(gòu)件的蠕變優(yōu)選低于所述屏障部分的蠕變，即，所述彈性構(gòu)件在應(yīng)力影響下隨著時間推移發(fā)生永久變形的趨勢較低。優(yōu)選地，所述彈性材料基本上不蠕變。
[0013]所述屏障部分的外周部分可成形為密封件，用于對圍繞所述活塞密封件的筒狀物進(jìn)行密封。例如在注射器或注射泵中的那樣，所述活塞密封件的所述屏障部分對周圍的筒狀物進(jìn)行密封，從而減少了注射器中與保持在注射器腔室內(nèi)的流體接觸的部件的數(shù)量。
[0014]屏障部分可具有用于與注射泵內(nèi)的流體接觸的屏障表面，而且所述彈性構(gòu)件設(shè)置在所述屏障部分的與所述屏障表面相反的那一側(cè)上。根據(jù)這一布置，所述彈性構(gòu)件與注射器的流體腔室分隔開，從而(在使用中)其不與注射器內(nèi)的流體接觸。這有助于避免所述彈性構(gòu)件的材料與流體發(fā)生相互作用(不管是通過反應(yīng)還是通過滲透污染)的可能性。這就意味著注射器柱塞頭部(也稱為泵頭部或活塞頭部)適于在要求低水平流體污染的場合使用，例如流控和微流控應(yīng)用場合，特別是涉及諸如蛋白質(zhì)(例如酶或生物孔)的生物材料的場合，以及芯片實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用場合。
[0015]所述彈性構(gòu)件的最大寬度小于所述柱塞頭部的最大寬度，且所述彈性構(gòu)件布置成其在使用中不與注射泵筒狀物接觸。這樣，所述彈性構(gòu)件將不會與注射器的所述筒狀物接觸。這意味著，所 述彈性構(gòu)件的摩擦系數(shù)與所述筒狀物內(nèi)的所述柱塞的運(yùn)動無關(guān)，且所述摩擦特性由所述屏障部分所選用的材料決定。
[0016]所述屏障部分的所述外周部分可成形為具有從所述屏障部分突出的唇部，可選地所述唇部環(huán)繞所述彈性構(gòu)件。所述彈性構(gòu)件可設(shè)置在所述唇部內(nèi)，以抵抗所述唇部的向內(nèi)變形。所述唇部的內(nèi)表面可包括懸伸部，且所述彈性構(gòu)件可突出到所述懸伸部的下方。所述唇部的所述外表面可具有密封表面，該密封表面用于在使用中對注射器筒狀物進(jìn)行密封。根據(jù)這些結(jié)構(gòu)，所述唇部形成將會變形并對筒狀物進(jìn)行密封的一部分，同時還形成所述彈性構(gòu)件通過其抵抗變形的一部分。所述唇部還例如能通過懸伸部為所述彈性構(gòu)件提供機(jī)械約束，從而將所述彈性構(gòu)件保持在合適位置。所述柱塞還可包括用于對著所述唇部保持所述彈性構(gòu)件的保持部分。這使得所述彈性構(gòu)件可牢固地定位在所述唇部和所述保持部分之間。
[0017]所述唇部可具有厚度逐漸減小的漸縮頂端。根據(jù)這一結(jié)構(gòu)，所述唇部的與所述筒狀物接觸的所述頂端的厚度可小于與所述屏障部分的主體相鄰的部分的厚度。這使所述密封區(qū)域內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力減小，從而使密封根據(jù)適應(yīng)性，而同時不會犧牲所述活塞密封的整體強(qiáng)度。
[0018]所述彈性構(gòu)件和所述屏障部分優(yōu)選由不同材料制成。所述活塞密封件的所述屏障部分和/或保持部分可由相對于所述筒狀物形成低摩擦密封表面的塑料材料制成。根據(jù)ASTM D1894方法的測定，低摩擦塑料材料相對于鋼的動摩擦系數(shù)為0.4或更低，優(yōu)選為0.2或更低。所述塑料材料例如包括以下各項(xiàng)或由以下各項(xiàng)組成:聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、全氟烷氧基或氟化乙丙烯，優(yōu)選為易于模制的材料，例如超高分子量聚乙烯。
[0019]所述彈性構(gòu)件可為彈簧或彈性體材料。所述彈性體材料可例如包括以下各項(xiàng)或由以下各項(xiàng)組成:橡膠、硅材料或熱塑性彈性體。所述彈性構(gòu)件的材料優(yōu)選為熱塑性彈性體，這是因?yàn)槠湟子谀Ｖ疲瑥亩a(chǎn)成本低廉。其也能為所述屏障部分和/或保持部分提供良好的結(jié)合力。所述彈性構(gòu)件優(yōu)選由彈性模量比所述屏障部分低的材料制成。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種注射泵，其包括根據(jù)以上方面所述的活塞密封件。
[0021]所述活塞密封件為柔性的，其能使所述柱塞在所述筒狀物的可能具有不規(guī)則性的任何表面上平滑地運(yùn)動，而同時維持良好的密封。表面的不規(guī)則性可例如為筒狀物的直徑沿其長度會發(fā)生變化。與柱塞不可撓變的情形所要求的相比，柱塞可撓變的這一性能使得可以以較低的機(jī)械加工精度來制造所述柱塞和所述筒狀物，這又降低了貨物的成本。在例如用于醫(yī)學(xué)或科學(xué)目的時，需要一次性使用注射泵，這種情況下成本是一重要的關(guān)注點(diǎn)。所述活塞密封件的柔性一部分是來源于所述彈性構(gòu)件的柔性。所述屏障部分也可有一定的柔性。
[0022]所述活塞密封件可撓變的這一特性還使得可利用剛性的筒狀物。在需要筒狀物在正常使用中基本不發(fā)生變形的情況下，即，在要求筒狀物保持不變的情況下，這是特別有利的。
[0023]所述筒狀物在其外表面上可具有與運(yùn)動部分相配合的特征物。所述特征物可為與互補(bǔ)螺紋相配合的螺紋。所述活塞可包括互補(bǔ)的螺紋。所述活塞可包括外殼，該外殼構(gòu)造成圍繞所述筒狀物的外表面運(yùn)動；其中，所述外殼的內(nèi)表面以及所述筒狀物的所述外表面具有互補(bǔ)的螺紋，從而在使用過程中，使所述活塞旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致所述活塞沿著所述筒狀物行進(jìn)。在一些特定情況下優(yōu)選的是，所述筒狀物基本不發(fā)生變形，以使所述互補(bǔ)的螺紋能彼此正常地嚙合。
[0024]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于形成所述螺紋密封的方法。該方法可包括:模制屏障部分，該屏障部分驅(qū)動流體穿過注射泵筒狀物，其中所述屏障部分的外圍部分成形為對所述注射泵筒狀物進(jìn)行密封；以及/或者模制彈性構(gòu)件，該彈性構(gòu)件設(shè)置成抵抗所述屏障部分的成形的外周部分的變形。所述活塞密封件可以是第一方面所述的活塞密封件?？衫冒材Ｖ苹螂p射模制來執(zhí)行模制屏障部分和模制彈性構(gòu)件的步驟。
[0025]以下將參照附圖和示例性實(shí)施方式描述本發(fā)明。附圖中:
[0026]圖1為活塞密封件的示意圖；
[0027]圖2為圖1的活塞密封件的剖面圖；
[0028]圖3為圖1的活塞密封件的立體圖；并且
[0029]圖4為接合有圖1所示活塞密封件及筒狀物的注射泵的剖面圖。
[0030]本發(fā)明認(rèn)為傳統(tǒng)的注射泵不適于多種流控和微流控應(yīng)用。例如，作為參考引用的W02009/077734涉及兩親分子層的形成，其中可設(shè)置納米孔來形成有利于多核苷酸測序的環(huán)境。這是以下將涉及的“納米孔應(yīng)用”的一個示例。形成雙層結(jié)構(gòu)、提供納米孔、隨后提供測試流體，需要從機(jī)械和化學(xué)兩個方面對流控環(huán)境進(jìn)行精細(xì)控制。
[0031]例如，在形成雙層結(jié)構(gòu)或進(jìn)行測試的過程中，如果借助于容積的變化來泵送流體，則存在未知數(shù)量的空氣進(jìn)入到系統(tǒng)內(nèi)的風(fēng)險。這會帶來問題，其原因在于空氣是可壓縮的，而且所需的流體輸出量雖然較小，但是必須非常精確。因此，如果空氣被壓縮，則相對于泵送體積而言，空氣體積的變化會較大(以百分比計(jì))，這使得使用者難以精確計(jì)量泵送流體的量。
[0032]而且，特別是在納米孔的應(yīng)用中，空氣的存在會直接影響到試驗(yàn)的質(zhì)量和/或成功。如果在傳送到構(gòu)成位于脂類雙層結(jié)構(gòu)中的納米孔的納米孔細(xì)胞的流體中出現(xiàn)了氣泡，則這些氣泡會破壞雙層結(jié)構(gòu)，從而破壞細(xì)胞的存活力。
[0033]對于傳統(tǒng)的容積式注射器而言，如果密封性不足以克服負(fù)壓，則會將空氣引入到注射器筒狀物內(nèi)。即，例如在注射器要克服其他力將流體主動地吸入到筒狀物內(nèi)時，傳統(tǒng)注射器的密封有可能失效。這會導(dǎo)致空氣進(jìn)入到環(huán)繞密封圈的筒狀物內(nèi)，而不是如期望的那樣將流體吸入到筒狀物內(nèi)。這導(dǎo)致空氣意外而且不利地進(jìn)入到整個流控系統(tǒng)中，從而如上所述在后續(xù)的試驗(yàn)中帶來問題。
[0034]在將脂類物質(zhì)泵送到雙層結(jié)構(gòu)的情形中，需要極低的泵送速度。速度范圍例如為1μ Ι/s至0.1μ Ι/s。傳統(tǒng)彈性密封注射泵的阻延/滑移問題使得對流量的控制極為困難，從而使得試驗(yàn)非常難以重現(xiàn)。在移送少量流體，并需要在正確時機(jī)確保能提供精確數(shù)量的所需流體的情況下，這是特別重要的。
[0035]納米孔應(yīng)用的另一個需要關(guān)注的問題在于系統(tǒng)中如存在污染，則存在堵塞納米卡和/或與生物分子(包括生物納米孔)進(jìn)行不利反應(yīng)的風(fēng)險。這樣，就希望盡量減少與工質(zhì)流體相接觸的材料的數(shù)量，使用與流體的相互作用最小的材料(例如，與流體的結(jié)合力很低、向流體滲透的污染量小)。在生物納米孔的情形中，污染是很嚴(yán)重的問題，這是因?yàn)槲廴究赡軙簳r或永久地使孔隙失活。而且，系統(tǒng)中的其他蛋白質(zhì)也可能失活或改性。
[0036]當(dāng)然，多個以上考慮的方面不限于納米孔應(yīng)用，對其他的流控和微流控環(huán)境也適用。盡管可通過例如其中柱塞經(jīng)過緊密加工從而與筒狀物緊密配合的玻璃注射器來解決這些問題，但是這樣的注射器通常比較昂貴，不適于在流控和微流控環(huán)境中需要的那樣作一次性使用。
[0037]圖4所示的泵I為注射泵。即，泵的操作是通過柱塞或活塞21的運(yùn)動從而象注射器那樣使流體在筒狀物30內(nèi)移位而實(shí)現(xiàn)的。
[0038]對于流控或納米孔應(yīng)用而言，可操作泵I來產(chǎn)生不同的流量。例如，在納米孔應(yīng)用中，期望泵產(chǎn)生50至100 μ Ι/s的流量，用于清潔；對于隨著工質(zhì)流體初始啟動流體管線而言，期望泵能產(chǎn)生20至50 μ Ι/s的流量；對于提供脂類以形成雙層結(jié)構(gòu)而言，期望泵能產(chǎn)生0.1至0.5 μ 1/s的流量；而對于形成孔或減震物來說，期望泵能產(chǎn)生I至3 μ Ι/s的流量?？刹捎脝为?dú)一臺泵來為這些需求產(chǎn)生不同的流量，但是各種不同的需求也可采用不同的泵來實(shí)現(xiàn)。一般而言，泵的流量優(yōu)選為0.01 μ 1/s以上，可選地，為0.05 μ 1/s以上，進(jìn)一步可選地，為0.μ 1/s以上，再進(jìn)一步可選的，為20 μ 1/s以上，再進(jìn)一步可選地，為50 μ 1/s以上。而且，優(yōu)選的是，可操作泵I使其流量為500 μ 1/s以下，可選地，為200 μ 1/s以下，進(jìn)一步可選地，為100 μ 1/s以下，再進(jìn)一步可選地，為50 μ 1/s以下，更進(jìn)一步可選地，為20 μ I/S以下。
[0039] 在圖4的幾何圖形中，活塞/柱塞21具有頭部10，該頭部的橫截面為圓形，并緊貼地配合在柱狀筒狀物30內(nèi)，這樣，當(dāng)柱塞21沿著筒狀物30推進(jìn)時(即，在圖3中向下運(yùn)動時)，就使筒狀物30內(nèi)的流體通過筒狀物30的端部31流出。另一方面，當(dāng)從筒狀物30抽出柱塞21時，流體就通過端部31被吸入到筒狀物30內(nèi)。在圖3中所示的筒狀物的端部31是完全打開的，但是在可選的結(jié)構(gòu)中，其可部分閉合，例如包括一孔。柱塞筒狀物30優(yōu)選是剛性的，可由塑料材料制成，這是因?yàn)槠浼庸ず唵?、成本低，更?yōu)選的是，采用易模制的塑料材料，例如聚碳酸酯(PC)或者聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。對于流控或納米孔應(yīng)用而言，泵的筒狀物的容積可為IOml以下，可選地為5ml以下，進(jìn)一步可選地為2ml以下，更進(jìn)一步可選地為Iml以下。筒狀物的剛性由筒狀物材料或筒狀物30的厚度決定?？赏ㄟ^筒狀物30外側(cè)上的表面特征件，例如螺紋，來形成或加強(qiáng)剛性。
[0040]如上所述，傳統(tǒng)的注射泵通常借助于諸如O型圈的彈性密封圈來密封柱塞與筒狀物。這樣的O型圈設(shè)置在柱塞外側(cè)周圍，并通常與筒狀物內(nèi)的流體接觸。在清空泵的時候，該密封有助于防止流體繞柱塞流動，而使流體流動通過筒狀物內(nèi)的孔。在通過孔抽取流體而填充泵的時候，該密封有助于減少從泵的周圍被吸入到筒狀物內(nèi)圍繞柱塞的空氣，這樣就確保了通過孔將流體吸入。
[0041]圖4的活塞頭部10在圖1至圖3中詳細(xì)示出。與傳統(tǒng)活塞不同的是，活塞頭部10具有以不同方式對筒狀物30進(jìn)行密封的活塞密封件。
[0042]在附圖中，活塞頭部10配合至柱塞21的端部，柱塞內(nèi)表面上的脊?fàn)钗锟ê显诨钊^部內(nèi)形成的凹部17上。然而，將活塞頭部10接合到柱塞21上的任何合適方法均可采用?？蛇x地，活塞頭部10可不與柱塞21分體形成；而是與柱塞21的體部一體形成。
[0043]活塞頭部10具有活塞密封件，該活塞密封件包括屏障部分11，該屏障部分11形成相對于筒狀物30的屏障表面。屏障部分11具有朝向在筒狀物內(nèi)移位(在從筒狀物30推出流體或者將流體吸入筒狀物30內(nèi)時)的流體的屏障表面12。
[0044]屏障部分11的外周部分(即，徑向最外部分)形成為唇部13，其從屏障部分11的屏障表面12的另一側(cè)突出。在附圖中，唇部13從屏障部分11的上表面開始突出，向上伸出，而(與注射器筒狀物內(nèi)的流體接觸的)屏障表面朝下。即，唇部13由屏障部分11的向著柱塞21的方向收回并離開筒狀物30的底部31的邊緣部形成。這樣，唇部13至少部分地繞彈性構(gòu)件15(以下將詳細(xì)描述)延伸和伸出。然而，唇部13仍然至少部分地沿著從泵頭部10中心開始的徑向方向向外延伸。這樣，相對于筒狀物腔室33而言，屏障表面12呈微凸形(即，在直接觀察屏障表面12時呈凸形)，特別是在筒狀物30的內(nèi)表面34的附近區(qū)域內(nèi)以及在唇部13結(jié)合到屏障部分11主體的點(diǎn)位處更是如此。
[0045]活塞密封圈的最大直徑出現(xiàn)在唇部13的外表面(即，屏障表面12的延伸部分)上。對于流控或納米孔應(yīng)用而言，活塞密封圈的最大外徑可為50mm以下，可選地為25mm以下，進(jìn)一步可選地為15_以下。在優(yōu)選實(shí)施方式中，外徑為11.6_。而且，外徑可為1_以上，可選地為3mm以上，進(jìn)一步可選地為5mm以上，更進(jìn)一步可選地為IOmm以上。在非工作狀態(tài)，即活塞頭部10沒有組裝到對應(yīng)筒狀物30內(nèi)時，泵密封圈的最大直徑大于筒狀物30的內(nèi)徑。這樣，在將泵頭部10插入到筒狀物30內(nèi)時，唇部13向內(nèi)(即，朝向泵頭部的中心)彎曲。即，泵頭部10發(fā)生變形，從而可以插入到筒狀物30內(nèi)。
[0046]泵頭部10的屏障部分11優(yōu)選具有足夠的剛性，這樣其能抵抗唇部13的變形，從而能將唇部13壓靠在筒狀物30上，從而形成圍繞活塞頭部10的密封。屏障部分可由塑料或其他諸如金屬的非塑料材料制成。然而，金屬的剛性通常過大，除非例如形成薄層或涂有彈性構(gòu)件，否則不適合這樣的應(yīng)用，通常也不是優(yōu)選的。相對于金屬來說，優(yōu)選采用塑料的另一原因在于，擔(dān)心金屬會與被泵送流體發(fā)生反應(yīng)，或污染被泵送流體。例如，在諸如納米孔的芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，希望流體污染盡可能少，從而相比于金屬材料，塑料材料通常更加適于用來構(gòu)建流控和微流控管路。同樣地，為了避免在采用塑料制成活塞頭部10的情況下產(chǎn)生污染，優(yōu)選采用具有低化學(xué)/增塑劑滲透性的塑料。優(yōu)選的塑料包括聚四氟乙烯(PTFE)、超高分子量聚乙烯(UHMWPE)、聚丙烯(PP)、高密度聚乙烯(HDPE)、全氟烷氧基(PFA)或氟化乙丙烯(FEP)。
[0047]然而，采用諸如塑料的剛性材料來制作屏障部分11，在密封圈的壽命方面，具有潛在的缺點(diǎn)。隨著時間的推移，一旦活塞頭部10已經(jīng)定位在筒狀物30內(nèi)，屏障部分的材料可能會在唇部13的區(qū)域內(nèi)蠕變。即，材料會開始發(fā)生變形，變?yōu)橥矤钗?0的性質(zhì)，從而減小了將唇部13壓靠到筒狀物的內(nèi)壁34上的力。發(fā)生這一過程后，繞活塞頭部10的密封的質(zhì)量就下降?？赏ㄟ^彈性構(gòu)件來減輕這一缺點(diǎn)帶來的后果。
[0048]在諸如納米孔應(yīng)用的芯片實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中，繞活塞頭部10的密封的質(zhì)量非常重要。這是因?yàn)檫@樣的應(yīng)用涉及到量非常小的流體，從而需要盡可能精確地分送泵送流體。泵內(nèi)弱的密封降低了分送的精確度，這是因?yàn)榱黧w能泄露到柱塞21周圍，而不是通過孔31流出到泵I之外，這是操作者不易察覺的。這樣，在試驗(yàn)進(jìn)行過程中，操作者假定分送了一定量的流體，而事實(shí)上，分送了不同量的流體。
[0049]而且，在通過孔31吸入流體從而填充泵I時，弱的密封能帶來相同的問題:泵周圍的空氣會進(jìn)入到環(huán)繞柱塞21的筒狀物腔室33，而不是通過筒狀物31的端部吸入流體，將其吸入到腔室33內(nèi)。同樣地，操作者可能不會察覺到這一點(diǎn)，從而還是假定已將一定量的流體注入了泵I內(nèi)，而事實(shí)上注入泵內(nèi)的流體的量有所降低。
[0050]通過在唇部13后設(shè)置彈性構(gòu)件15，泵I至少部分地克服了這些問題。即，彈性構(gòu)件15設(shè)置在屏障部分11的與屏障表面12相反的那一側(cè)上，并位于唇部13內(nèi)側(cè)(即，更加靠近活塞頭部10中心的一側(cè))。唇部13從而突出為至少部分地環(huán)繞彈性構(gòu)件15。即，如圖所示，唇部13能繞彈性構(gòu)件15延伸，而一部分彈性構(gòu)件15能在活塞的軸向方向上沿著保持部分16朝向離開屏障部分11的方向比唇部13延伸得更遠(yuǎn)。增加彈性部分15沿著保持部分16延伸的距離，就增加了在這兩個部分形成的表面積，從而增加了這兩部分結(jié)合的強(qiáng)度。
[0051]制成彈性構(gòu)件15的材料可不同于制成屏障部分11的材料。彈性構(gòu)件15可由彈性材料制成，其能抵抗壓縮，并從而能抵抗柱塞21插入到筒狀物30內(nèi)時唇部13的變形。這樣，即使屏障部分11和/或唇部13受到材料蠕變的影響，彈性構(gòu)件15仍然會繼續(xù)抵抗其自身的壓縮，并朝向筒狀物30的內(nèi)壁34壓回唇部13。這樣就維持了好的密封狀態(tài)。
[0052]如果抵抗唇部13變形的力太大，則對泵I的致動會更加困難。即，如果以太大的力將唇部13壓靠在筒狀物30上，則難以使柱塞21在筒狀物內(nèi)運(yùn)動，這使得難以操作泵I。為了防止泵I變得難以操作，可減小唇部13的厚度。唇部13厚度的減小，就降低了唇部13在變形時的環(huán)向應(yīng)力，從而減小了唇部13用以抵抗變形的力。
[0053]然而，減小唇部13的厚度帶來潛在的不利，即，過度薄的唇部13不管是在操作還是組裝過程中都會容易損壞。如果唇部13過薄，任何損壞都會導(dǎo)致形成不完全的密封，從而影響泵I正常工作。
[0054] 因此，優(yōu)選的是，將唇部形成為朝向其外端逐漸變薄的漸縮狀，而不是均勻地減小整個唇部13的厚度。即，唇部13的厚度是變化的，其在唇部13的頂端處較薄，而在唇部與屏障部分11結(jié)合處較厚。這一漸縮的結(jié)構(gòu)可形成機(jī)械性能強(qiáng)的唇部，其不易損壞，并能減小唇部13區(qū)域內(nèi)朝向頂端的環(huán)形應(yīng)力，在將活塞頭部10插入到筒狀物30內(nèi)時該頂端將會變形。
[0055]彈性構(gòu)件15可以是彈性的，例如為金屬彈簧，或者為諸如硅膠或熱塑形彈性體(TPE)的彈性材料?；钊^部10的這一構(gòu)造的一個優(yōu)點(diǎn)在于，只要密封在起作用，則彈性構(gòu)件15就不會與泵入或泵出腔室33的流體接觸。這樣，就不會因?yàn)榻佑|了彈性構(gòu)件15而直接污染流體。然而，如上所述，在某些應(yīng)用場合，采用金屬也是不利的。而且，優(yōu)選采用諸如橡膠的彈性材料，可有助于簡化活塞頭部10的制造。例如，在采用彈性體彈性構(gòu)件時，可采用雙射模制。
[0056]活塞頭部10的這一構(gòu)造的另一優(yōu)點(diǎn)在于，彈性構(gòu)件不與筒狀物30的內(nèi)表面33接觸。這是有利的，其原因在于，柱塞21與筒狀物30之間的接觸僅發(fā)生在活塞頭部10的唇部13周圍。因?yàn)橥矤钗?0和唇部13/屏障部分11都由塑料材料制成，從而與其中在筒狀物與密封O型圈的彈性材料之間發(fā)生接觸(和密封)的傳統(tǒng)注射泵相比，表面之間的摩擦力相對較低。
[0057]例如，表1示出了根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法ASTM D1894測量的一些種類的塑料材料相對于鋼的典型動摩擦系數(shù)。在一些情況下，根據(jù)ASTM D1894測量的PTFE相對于鋼的動摩擦系數(shù)為0.05至0.16。在一些情況下，根據(jù)ASTM D1894測量的聚丙烯相對于鋼的動摩擦系數(shù)為0.2至0.4。在一些情況下，根據(jù)ASTM D1894測量的ETFE相對于鋼的動摩擦系數(shù)為
0.3至0.74。在一些情況下，根據(jù)ASTM D1894測量的PMMA相對于鋼的動摩擦系數(shù)為0.15至0.8。用作屏障部分和筒狀物的優(yōu)選材料，根據(jù)ASTMD1894測量的動摩擦系數(shù)為0.4以下，優(yōu)選為0.2以下。
[0058]表1:材料的典型動摩擦系數(shù)
[0059]
【權(quán)利要求】
1.一種活塞密封件，該活塞密封件包括: 屏障部分，該屏障部分用于驅(qū)動流體；以及 彈性構(gòu)件，該彈性構(gòu)件設(shè)置成用以抵抗所述屏障部分的外周部分的變形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的活塞密封件，其中，所述屏障部分的所述外周部分被成形為形成一密封件，用于對環(huán)繞所述活塞密封件的筒狀物進(jìn)行密封。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件的最大寬度小于所述活塞密封件的最大寬度。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件設(shè)置成，在使用時，該彈性構(gòu)件不與環(huán)繞所述活塞密封件的筒狀物接觸。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述屏障部分具有用于與注射泵內(nèi)的流體接觸的屏障表面，且所述彈性構(gòu)件設(shè)置在所述屏障部分的與所述屏障表面相反的那一側(cè)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的活塞密封件，其中，所述屏障部分的所述外周部分被成形為形成從所述屏障部分突出的唇部。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的活塞密封件，其中，所述唇部以環(huán)繞所述彈性構(gòu)件的方式突出。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件設(shè)置在所述唇部內(nèi)，以抵抗所述唇部的向內(nèi)變形。
9.根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述唇部的內(nèi)表面包括懸伸部，且所述彈性構(gòu)件突出到所述懸伸部的下方。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述唇部的外表面具有密封表面，用于在使用中對注射器筒狀物進(jìn)行密封。
11.根據(jù)權(quán)利要求6至10中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述唇部具有厚度逐漸減小的漸縮頂端。
12.根據(jù)權(quán)利要求6至11中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述活塞密封件還包括保持部分，用于對著所述唇部保持所述彈性構(gòu)件。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件結(jié)合至所述唇部和/或所述保持部分。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述彈性部分由與所述屏障部分不同的材料制成。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件的蠕變程度小于所述唇部的蠕變程度。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件的材料的彈性模量小于所述唇部的材料的彈性模量。
17.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述屏障部分由低摩擦的塑料材料制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的活塞密封件，其中，所述塑料材料包括以下各項(xiàng)或由以下各項(xiàng)組成:聚四氟乙烯、超高分子量聚乙烯、聚丙烯、全氟烷氧基或氟化乙丙烯。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件是彈性的。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件，其中，所述彈性構(gòu)件為彈簧或彈性體材料。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的活塞密封件，其中，所述彈性體材料包括以下各項(xiàng)或由以下各項(xiàng)組成:橡膠、硅材料或熱塑性彈性體。
22.—種注射泵，該注射泵包括活塞和筒狀物，其中，所述活塞包括根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的活塞密封件。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的注射泵，其中，所述唇部和所述筒狀物的動力系數(shù)小于或等于0.4。
24.根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的注射泵，其中，所述筒狀物是剛性的。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的注射泵，其中，所述活塞密封件是柔性的。
26.根據(jù)權(quán)利要求22至25中任一項(xiàng)所述的注射泵，其中，所述活塞密封件的所述外周部分基本上沒有蠕變。
27.根據(jù)權(quán)利要求20至22中任一項(xiàng)所述的注射泵，其中，所述筒狀物的外表面包括螺紋，該螺紋設(shè)置成與互補(bǔ)的螺紋相配合。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的注射泵，其中，所述活塞還包括外殼，該外殼構(gòu)造成環(huán)繞所述筒狀物的外表面運(yùn)動；其中，所述外殼的內(nèi)表面以及所述筒狀物的所述外表面具有互補(bǔ)的螺紋，從而在使用中 ，使所述活塞旋轉(zhuǎn)會導(dǎo)致該活塞沿著所述筒狀物行進(jìn)。
29.一種形成活塞密封件的方法，該方法包括: 模制屏障部分，該屏障部分用于驅(qū)動流體穿過筒狀物；以及 模制彈性構(gòu)件，該彈性構(gòu)件設(shè)置成抵抗所述屏障部分的外周部分的變形。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的方法，其中，所述活塞密封件為根據(jù)權(quán)利要求1至22中任一項(xiàng)所述的活塞密封件。
31.根據(jù)權(quán)利要求29或30所述的方法，其中，模制屏障部分和模制彈性構(gòu)件的步驟是利用包覆模制或雙射模制來執(zhí)行的。
32.—種大致如上所述或如任一附圖所示的活塞密封件或注射泵。
33.一種大致如上所述或如任一附圖所示的形成活塞密封件的方法。
【文檔編號】A61M5/315GK103930144SQ201280055843
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2012年9月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月15日
【發(fā)明者】A·瓊斯, J·厄普斯德勒 申請人:牛津納米孔技術(shù)有限公司