JPH09502249A - 特にマイクロフローチャネルを有する流体操作体用弁 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 膜弁タイプの弁であって、弁座の前で開くと共に、膜（７）が弁座（６）に密封して接触する閉位置と弁座（６）及び膜（７）間の空間（１１）に通じるフローチャネルがある開位置との間で膜を流体圧力で作動させるために配置されたところのダクト（８）上に取り付けられた可撓性膜（７）と協働するために、密封面を有する弁座（６）を形成するランド部分によって分離された二つの流体フローチャネル（５、５’）を有する弁体を備えている。弁は、弁座（６）の密封面が、（ｉ）膜の最も近くにあると共に膜に面した第１の密封面（１０）と、（ｉｉ）弁座の各流体チャネル面に設けられた第２の密封面（１２、１２’）とを備えており、従って、弁が閉じると、膜（７）が第１の密封面（１０）及び第２の密封面（１２、１２’）に当接して連続的に密封し、逆に弁が開くと、膜（７）が第２の密封面（１２、１２’）及び第１の密封面（１０）から連続的に分離されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】 特にマイクロフローチャネルを有する流体操作体用弁 本発明は、可撓性膜を使用して弁を開閉するタイプの弁に関し、特に、液体及 び気体の種々の流体を操作するための流路網に含まれる弁に関する。 周知形式の膜弁は弁体及び可撓性膜からなる。弁体の表面に形成される二つの 液体フローチャネルは、膜に対する接触面を有するランド部分又は弁座によって 分離される。膜は、膜の表面が第１の位置においてランド部分に密封して接触し て二つのチャネル間の流動を遮断し、第２の位置においてランド部分から分離し てチャネル間の液体の流動を可能にするように作動する。 米国特許第４３０４２５７号では、ランド部分は平坦であり、弁体の表面の残 部と一致し、膜は膜に取り付けられた電磁操作ロッド部材によって二つの位置の 間で機械的に曲げられる。更に具体的には、膜は静止状態においてランド部分に 接触し、かつ弁を開けるために下方に引かれて膜の下のアパーチャ内に入るよう になっている。 この弁にはいくつかの欠点がある。膜の機械的な電磁操作が 比較的複雑であり、微妙な調整を必要とすること以外に膜が大きい応力を受けて 永久に伸びるおそれがある。更に、弁を通る液体の流動は、膜がランド部分から 引き出されるときに瞬時に発生するのではなく、形成される空隙が最初に液体で 満たされ、従って弁開時間が長くなる。 上述の欠点のうちのいくつかが克服された上述の弁の開発は、米国特許第４８ ４８７２２号、米国特許第４８５２８５１号、及び米国特許第４８５８８８３号 に記載されている。まず第一に、膜の機械作動の代わりにこれらの全ての弁構造 においてかなり簡単な空気作動が使用される。 更に、米国特許第４８４８７２２号による構造では、ランド部分の代わりにそ の中で二つのフローチャネルが終端する弁体内の球状凹形くぼみが使用される。 膜に対する接触面をそのような凹形にすることによって密封面積が最大となり、 膜がしわになるので膜に加わる応力が小さくなり、膜の急な曲がりが避けられる 。しかしながら、接触面積を拡大すると開弁が遅くなるので不利である。 従って、米国特許第４８５８８８３号による弁構造は、凹形くぼみの底部に溝 又はチャネルを備えている。このチャネルも 弁の閉位置において膜によって密封されるが、弁が開くと膜によって迅速に開い て二つのフローチャネルが接続し、その結果、膜と弁座との間に大きい間隙又は 空隙ができるほぼ直前に液体の流動が生じる。これによって弁の応答時間がかな りの程度まで小さくなる。 米国特許第４８５２８５１号には同様な構造が記載されている。ただし、膜に よって密封されないような深さを有するフロースルーチャネルを凹形表面内に形 成することによって弁を通る連続的な流動を小さくしている。 本発明は、低い作動圧力でよりよい密封が行え、開弁及び閉弁がより迅速であ り、弁の位置状態の制御がより再現性よく行え、かつ弁膜並びに弁座の材料疲労 が最小限である上述の形式の更に改善された弁構造に関する。 本発明の基本的な概念によればこれは、上述の空気式の膜弁によって達成され る。空気式の膜弁では弁座表面は、小さいほうが好ましい第１の密封面又は上部 密封面と大きいほうが好ましい第２の密封面とに分割されており、従って弁の開 閉は夫々、二つの段部で行われる。更に具体的には、弁が閉じると膜は、最初に 上部密封面に当たって迅速に密封し、次いで（大きいほ うが好ましい）第２の密封面と接触して更に確実な密封が保証される。一方、逆 に、弁が開くと、膜は最初に（大きいほうが好ましい）第２の密封面から分離さ れ、次いで上部密封面からほとんど瞬時に分離される。 そのような弁は請求の範囲第１項に記載する特徴を有する。有利な実施例は従 属請求の範囲に定義されている。 次に、本発明についてその非制限的な実施例に関して、添付の図面を参照して 更に詳細に説明する。 第１図は、弁の正面透視図である。 第２図は、弁の開状態及び閉状態における弁の第１図のＡ−Ａに沿った縦断面 図である。 第３図は、第１図のＢ−Ｂに沿った断面図である。 第４図は、第１図のＣ−Ｃに沿った断面図である。 第１図から第４図に示した弁構造は、いくつかのそのような弁とマイクロ流動 チャネルを含む流体処理ブロック、例えば、米国特許第５３１３２６４号に記載 されている光バイオセンサシステムに含まれる形式の流体処理ブロックに組込み 可能なように設計されている。 流体処理ブロックは実質的に、上部支持プレート１、第１の より硬い（例えばショアＡで約７５°）、例えばシリコーンゴムであるエラスト マ層２、第２のより軟らかい（例えばショアＡで約３０°）、例えばシリコーン ゴムであるエラストマ層３、並びに下部支持プレート４から構成される。第１の エラストマ層は、フローチャネル５、５’が第１のエラストマ層２と第２のエラ ストマ層３との間で画定されるようにその中に形成された適切なフローチャネル システムを有する。 このブロック構造内の各弁は、第１のエラストマ層２内の二つのフローチャネ ル５、５’間に形成されたランド部分又は弁座６と、圧縮空気の供給源（図示せ ず）に結合された円筒形圧カダクト８上に取り付けられた第２のエラストマ層３ の対向部分とによって構成される。ここでは、エラストマ層３を薄くして可撓性 弁膜又はダイアフラム７を形成している。図示の例では、圧力ダクト８は下部支 持プレート４４内に作られたくぼみ９内の下方に延びるエラストマ層の一部に形 成されている。圧力ダクト部分１０は短い液柱（図示せず）、例えばグリセロー ルで満たされる。液柱の機能について以下に説明する。 フローチャネルの壁から突き出た弁座６は、その先端部が（その無負荷位置に おいて）ほぼ弁膜７にまで延び、第３図及 び第４図を見れば最もよく分かるように、膜７に対する接触面１０のフローチャ ネルを横切る形状が凹形（図示の例では、楕円柱形）になっている。この接触面 又は領域１０は以下で称される上部密封面内にあり、それ自体と膜７との間でフ ローチャネル１１を画定する。上部密封面１０の形状は以下に示す理由で、作動 圧力が作用した場合に膜７によって得られる湾曲と異なる湾曲を有する必要があ る。 上部密封面１０の各面（フローチャネル方向から見た場合）で、弁座６は、膜 ７に対して上部密封面から鋭い角度で移行するところの下方に位置する第２の密 封面又は面積１２及び１２’を夫々有する。横からみるとこれらの二つの第２の 密封面１２、１２’は夫々、図示の例（特に第１図及び第２図を参照）では、上 方段部１３、１３’（上部密封面１０に最も近い）と下方段部１４、１４’との 二つの異なる凹形「段部」の形で配置されており、二つの段部の間は鋭い角度で 移行している。従って、比較的薄い可撓性の弁座６は全密封面積が十分に画定さ れている。 弁の機能について以下に説明する。弁の開位置では、圧力ダクト８にガス圧力 が印加されておらず、流体、通常は液体（た だし気体の場合もある）が弁座６の各面でフロースルーチャネル１１を介してフ ローチャネル５、５’間の弁中を流動する。第３図に点線で示すように、膜７は 通常、液体圧力によって１５で示される位置にまで押し出され、その結果、フロ ースルーチャネル１１の断面は膜が無負荷の場合に存在する断面よりもやや大き くなる（図では、見やすいように膜が押し出される程度を誇張してある）。弁を 閉じるには、圧力ガスの作動圧力、通常は圧縮空気を圧力ダクト８に印加し、こ の圧力がその中で上述の液柱（図示せず）を介して膜７を弁座６に押し当てる。 液柱により圧縮空気が膜７に浸透し、チャネル５、５’内に望ましくない気泡が 発生するのを回避できる。 膜７は最初に上部密封面１０に接触するまで、瞬間的に印加される作動圧力に よって引き伸ばされる。上部密封面１０の表面積が比較的小さいために（図示の 例では、膜面積の約５％にしてある）膜超過圧力が比較的低く、膜の伸びが妥当 な場合でも膜及び弁座間の高い接触圧力が得られ、その結果、チャネル部分５、 ５’の間で液体の流動が迅速かつ確実に遮断される。 次いで、膜は大きいほうの下部にある段部形の第２の密封面１２、１２’に接 触するまで更に引き延ばされる。弁座にかか る接触圧力は減少するが、接触面積が拡大されるので確実な弁の密封を準備する のに十分高いままである。この密封位置は第２図に点線で示される膜の輪郭１６ によって示されている。 上部密封面１０が非常に狭い場合、膜７は膜の各点について作動力が弁座接触 力及び膜弾性力と平衡するまで上部密封面１０のまわりに伸びる。次いで膜７は 薄い弁座表面１０のまわりに垂下し、膜が機械的に摩耗し、変形し又は破壊され るおそれがある。 弁を開けると圧力ダクト８内で圧力が除去され、その結果、作動圧力が瞬時に 零に下がる。伸びた膜７の弾性力とフローチャネル部分５、５’内の流体圧力と が協働して最初に弁座６の大きい方の段部形の第２の密封面１２、１２’から膜 ７を分離する。弁は、膜が上部密封面１０と接触しているので閉じたままである 。次いで、膜７の残りの減少した弾性力とチャネル流体圧力とはかなり小さい上 部密封面１０からほぼ瞬時に膜を分離する。 上述のように、上部密封面１０のフローチャネル５、５’を横切る形状は、作 動圧力が印加された場合に膜７によって得られる放物線形状と異なる湾曲を有す る必要がある。従って、膜 の中心は膜の側面部分よりも速く上部密封面１０に達する。これは、膜が最初に 中心から解放され、次いで側面から解放されるので、表面１０からの膜の分離も 連続的に起こり、それにより分離が容易になり、かつより迅速に起こることを意 味する。 弁開時間は、一方では開弁力すなわち膜の弾性（収縮力）とチャネル内の流体 圧力との差によって決定され、他方では弁座６の二つのエラストマ表面と膜７と が圧接されるときに生じる閉弁「粘着力」によって決定される。この「粘着力」 並びにそれに関連する膜の分離時間は膜７の接触面積にほぼ比例する。 上記のように膜及び弁座の分離を二つの段部に分割することにより、上部密封 面からの分離も上述のように連続的に起こることが好ましい。同時に、膜全体を 弁座面積全体から同時に分離する場合と比較して、又は上述の米国特許第４８５ ８８８３号による周知の構造の場合と同様に、最初に開いた小さいチャネルを液 体フローチャネルに結合させる場合と比較して、かなり再現性のよい弁開時間が 得られるので弁開時間が小さくなる。開弁に必要なチャネル流体圧力も小さくな るため、膜全体が弁座からほぼ同時に分離される弁構造と異なり、流動の開始時 における圧力ピークを回避できる。これは、かなり大きい力によ って面積全体を同時に分離する代わりに小さい力によって接触面を連続的に分離 できる小さい部分に分割すると、互いに固着した二つの表面を再現可能に分離し やすくなるためである。 上記の説明から、本発明に従って設計された弁には周知の弁構造と比較してい くつかの利点があることが明らかである。まず第一に、低い作動圧力を使用でき 、更に膜の弁座に対する高い接触圧力により十分な密封が得られる。更に、弁の 開閉が迅速に行われ、弁の位置状態を高い再現性で制御できる。最後に、一方で は「二段弁座構造」によって、他方では膜及び弁座の両方が弾性材料でできてい るので、弁膜及び弁座の材料疲労が最小である。 本発明はもちろん、上述し図面に示した実施例に限定されるものではなく、以 下の請求の範囲に規定されるような一般的な発明の概念の範囲内で多数の修正及 び変更が可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．膜（７）が弁座（６）に密封して接触する閉位置と、弁座（６）及び膜（７ ）間の空間（１１）に通じるフローチャネルがある開位置との間で膜を流体圧力 で作動させるように配置されており、弁座の前方で開くダクト（８）上に取り付 けられた可撓性膜（７）と協働する密封面を有する弁座（６）を形成するランド 部分によって分離された二つの流体フローチャネル（５、５’）を有する弁体を 備える弁において、弁座（６）の前記密封面が、（ｉ）膜の最も近くにありかつ 膜に面した第１の密封面（１０）と、（ｉｉ）弁座の各流体チャネル面に設けら れた第２の密封面（１２、１２’）とを備えており、弁が閉じると、膜（７）が 第１の密封面（１０）及び第２の密封面（１２、１２’）に当接して連続的に密 封し、逆に、弁が開くと、膜（７）が第２の密封面（１２、１２’）及び第１の 密封面（１０）から連続的に分離されることを特徴とする弁。 ２．第２の密封面（１２、１２’）が第１の密封面（１０）よりも大きい膜接触 面積を有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の弁。 ３．膜（７）が弾性を有していることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項 に記載の弁。 ４．弁座（６）が弾性を有していることを特徴とする請求の範囲第１項又は第２ 項又は第３項に記載の弁。 ５．弁座（６）及び膜（７）の両方が弾性を有しており、弁座（６）の弾性が膜 （７）の弾性よりも小さいことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載 の弁。 ６．膜（７）を流体圧力で作動させるためのダクト（８）が圧縮空気の供給源に 接続されるように配置されることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項のい ずれか一項に記載の弁。 ７．各第２の密封面（１２、１２’）がフローチャネル方向に延びると共に第１ の密封面（１０）から離間している段部（１３、１３’）を備えていることを特 徴とする請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の弁。 ８．弁座（６）が第１の密封面（１０）から前記段部（１３、１３’）まで凹形 状に広がっていることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の弁。 ９．弁座（６）が前記段部（１３、１３’）から膜（７）と反対側のフローチャ ネルの壁に向かって凹形状（１４、１４’） に広がっていることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の弁。 １０．第１の密封面（１０）と第２の密封面（１２、１２’）との間に急な移行 があることを特徴とする請求の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載の弁 。 １１．第１の密封面（１０）のフローチャネル（５、５’）を横切る形状が凹形 であることを特徴とする請求の範囲第１項から第１０項のいずれか一項に記載の 弁。