CN103703292A - 单向阀 - Google Patents

Abstract

一种单向阀，包括阀壳体；设置在阀壳体内的阀构件，阀构件可被操作以打开和闭合阀且包括具有中心孔的隔板以允许流体从隔板的一侧流至另一侧；设置在隔板的第一侧上的阀入口；和设置在隔板的第二侧上的阀出口；其中隔板和阀壳体的结构使隔板偏移以在静止时密封入口。

Description

单向阀

技术领域

本发明涉及一种单向阀，其允许流体在一个方向流经阀室但不允许流体以相反方向流经阀室。

背景技术

现有的单向阀利用不同的密封机制以达到仅允许在一个方向上流动的效果。这种效果是期望的，例如，防止流体成直线回流从而导致下游流体污染上游流体。在其它结构中，流体管路可以设计为双向操作并且单向阀可以用于当在特定方向发生流动时隔绝流体支路。

现有的一种单向阀是鸭嘴阀。阀的这种设计通常包括入口附近的一端密封和第二端扁平的管，并伸入阀室或直接伸入阀出口。该管由无孔（non-porous）弹性材料制成。当流体从入口流经阀时，流体压力打开管路的密封扁平端以使阀允许流动。但当流体从另一方向流入（即从出口到入口）时，管的弹性导致管恢复其扁平形状并通过来自出口侧的流体压力迫使管闭合而在第二端形成密封。

另一种单向阀是伞形阀。阀的设计通常包括由无孔弹性材料制成的阀构件。阀构件具有打开的阳伞或“伞”的形状。“伞”的杆用于将阀构件固定在支持板的适当位置上，使（静止时）“伞”的伞盖对支持板形成密封。阀入口设置于在阀构件的伞盖下的支持板中。阀出口设置于在伞盖的对侧上。因此，当流体从入口流入阀时，流体压力可以使伞盖变形以形成“更开放的”形状，因此从支持板上分离，从而允许流体在阀门中流通。然而，当流体从出口流到入口时，伞盖的弹性导致阀构件恢复到“静止时”的位置并对支持板密封。再一次，流体压力可以在出口侧加强密封以迫使伞盖进入闭合/静止位置。

另一种单向阀是弹簧载荷止回阀。在这种设计中阀的密封机制通常包括适合在弹性O型环中的滚珠轴承或其它密封件。利用弹簧将密封件偏压向O型环。阀入口设置在O型环到弹簧的对侧，而阀出口设置在作为弹簧的O型环同侧。因此，来自入口的流体压力可作用于弹簧，迫使密封件弹回并允许液体流经密封件和O型环之间的阀。相反，当流体从出口流到入口时，弹簧在与流体压力施加的力相同的方向上将密封件推向O型环，使得密封保持闭合。在一些变型中，使用者可以通过改变弹簧的压缩量而控制由弹簧施加的力。

尽管鸭嘴、伞形和弹簧载荷阀可以在某些情况下提供良好的密封，但是它们对于特定的应用并不总是适合的。例如，弹簧载荷阀可能不适用于其中弹簧材料可以与流经阀的流体相互作用的应用。另外，这三种类型的阀通常有较大的高度，以为“鸭嘴”或“杆”或弹簧留出足够的空间。这可能使它们不适于其中非常需要空间的应用，如芯片实验室、流体歧管（fluidicmanifold）、或微流体应用。

平面型止回阀已经发展为具有较小的高度。图13a示出了平面型止回阀的截面图，此阀具有位于由阀壳体部件2和3形成的阀室内的弹性阀构件1。阀设计为允许流体通过阀构件1中心从入口4流至出口5。当流体从出口5流向入口4时，通过依赖于出口压力迫使阀构件1紧靠至在壳体上形成的阀座7，使阀密封。这使得从出口经由小孔流至入口的流体通路闭合，从而防止流动。在静止时，阀构件1通常位于阀座7附近，或者可以以未变形状态位于阀座7上。即图11a中，阀构件1处于其自然形状—周围壳体未使其变形。如图13b所示，当流体从入口流经阀时，阀构件1可以变形为远离阀座以使阀（进一步）打开并允许流体流动。

然而已经发现平面型止回阀存在以下问题：它们提供比其它类型的止回阀（如之前讨论的那些）更低质量的密封。特别地，低粘度流体可能会遇到问题。

发明内容

本发明旨在提供一种至少部分克服某些或全部前述问题的改进阀。

根据本发明，提供了一种单向阀，可以包括阀壳体；设置在阀壳体内的阀构件，阀构件可被操作以打开和闭合阀并且包括具有中心孔的隔板（diaphragm）以允许流体从隔板的一侧流至另一侧；设置在隔板的第一侧上的阀入口；和设置在隔板的第二侧上的阀出口；其中隔板结构和阀壳体使隔板偏移（biase）以在静止时密封入口。

这种阀是有利的，因为当阀门处于静止时，它提供主动密封以防止回流。这对低速或低压系统是有利的，这种情况下标准平面型止回阀不能提供足够的密封压力。这是因为标准平面型止回阀依靠反压驱动错误方向上的流体以闭合阀。相反的，本发明的阀门不依赖于反压以形成密封。当流体体积和压力特别低时这是特别有利的，例如在微流体系统和芯片实验室应用中。主动偏移以闭合阀的隔板的提供意味着，即使当有低压引起回流时，阀门也能牢固封闭。进一步的，在阀打开之后，且液体随后停止，当隔板试图回到自然（无偏移）位置时，阀门将主动返回密封态。

阀入口可以是环形的，或者可包含两个或多个开口，每个从隔板孔径向偏移。这样将流体压力从入口更均匀的分散到隔板四周并增加了压力作用的区域，反过来使得入口流体施加足够力以打开阀。这样避免了阀内产生过多的突破压力，使流体正常流动（即从入口到出口），同时维持严格密封以防止回流。

阀出口可设置为和隔板孔同轴。随着流体可经由隔板孔直接流入然后到达出口，当阀打开时这样可允许液体顺利流动。

壳体可进一步包含在隔板第一侧之上，在静止时紧靠隔板形成密封的阀座。阀座和隔板相互配合形成密封以阻止通过阀的回流。即隔板结构和壳体共同允许在隔板和阀座之间，围绕孔形成密封以将阀入口从阀出口隔离。正因如此，在静止时阀座使隔板偏移以密封入口。阀可进一步包含在阀座上形成的明显突出部，使得在静止时突出部的密封表面接触隔板以形成密封。由于隔板的弹性（和密封力相同），突出部集中力量作用以使隔板返回其自然形状（即它在阀外的形状），并因此致使在闭合/静止位置中突出部周围的隔板局部变形。在“静止”时，它意味着隔板没有经历阀中的任何流体静力—即隔板两侧没有任何压差（仅有的是那些由于阀构件内隔板的配置而存在的作用力）。可替换的，突出部可通过在静止位置隔板的密封表面接触阀座而在隔板上形成。再一次的，突出部以相同的方式作用以集中密封力并形成严格密封。当突出部在隔板上形成时，对应的凹槽可在壳体中形成。优选的，凹槽具有比突出部宽度更窄的宽度，所以将凹槽的边缘推进突出部物质会集中密封力。

在静止时，优选的阀座可使隔板在其第一侧局部压缩。这可通过密封力的集中引起，致使阀座推入隔板物质并使它周围隔板变形，以及阀座周围区域的隔板材料压缩。

当阀闭合时突出部可在围绕隔板孔的环中形成。优选的，隔板孔的边缘和突出部内边缘之间的径向距离小于或等于两倍的突出部高度，可选的是小于或等于一倍的突出部高度。这样提供了其中隔板会局部变形的连续环，确保了隔板孔周围所有方向上良好的密封，同时维持孔附近的密封，从而使得突出部外部大量的隔板可用于从入口驱动隔板。

密封表面可以弯曲到曲率半径为1mm或更小，优选为0.1mm或更小，更优选的为0.05mm或更小。这向突出部提供了尖端以确保突出部尽可能的钻入隔板并形成良好的密封。

隔板可包含或包括硅胶。硅胶是一种用在流体/微流体环境中的优选的材料，因为它通常是化学惰性的，所以将不会和任何流经阀的流体反应。进一步的，硅胶的材料性能可提供具有足够硬度的柔性材料以提供良好的密封。隔板可包含或包括的材料的硬度为95邵氏硬度或更小，可选的为75邵氏硬度或更小，进一步可选的为50邵氏硬度或更小，以及更进一步可选的为40邵氏硬度或更小。隔板材料的选择影响密封的质量。

优选的，阀构件的单独的静止高度为10mm或更小，可选的为5mm或更小以及进一步可选的为2mm或更小。这使得在诸如微流体和芯片实验室的应用中提供阀时空间和高度方面的考虑是至关重要的。

孔附近的隔板部分比更接近隔板周边的隔板部分更厚。这使得隔板能够保持柔韧性，因此维持低突破压力，同时也确保产生良好的密封以防止回流。

在阀壳体内可将隔板周边夹紧以确保隔板周围没有泄漏。

根据本发明的另一方面，提供了操作阀门的方法，包括：在阀壳体内配置具有中心孔的隔板，以便隔板的结构和壳体使隔板偏移以密封到阀室的入口；以及产生阀室两侧的压差，使得入口处的压力比阀室内的压力更大并使隔板变形以开启入口。

附图说明

将参照示例性实施方式和附图描述本发明，其中：

图1是单向阀构件的平面图；

图2是图1的单向阀构件通过平面AA的截面图；

图3是图1的单向阀构件设置在阀出口上的截面图；

图4是图1的单向阀构件以闭合或静止位置设置在完整阀内的截面图；

图5是图1的单向阀构件以打开位置设置在完整阀内的截面图；

图6是单独的图5的阀壳体上部的近视图；

图7是设置在阀出口上的可替换单向阀构件的截面图；

图8是以闭合或静止位置设置在完整阀中的可替换单向阀构件的截面图；

图9是图8的阀在打开位置下的截面图；

图10是单独的图9的阀壳体上部的近视图；

图11是并入单向阀的系统的示意图。

图12是并入单向阀的更复杂系统的示意图；以及

图13描述了处于（a）静止和（b）打开位置的现有技术阀。

具体实施方式

在下文描述中，在不同图中的类似特征提供了类似的参考标号。

本发明已经确定，现有的阀不适用于许多微流体应用。例如，通过引用合并在此的WO2011067559公开了一种生化分析仪，其使用配置在脂双层内的纳米孔进行，例如，多核苷酸测序。如下所述，这是“纳米孔应用”的实例。双层的形成和纳米孔的提供需要微流体环境的谨慎控制。

例如，当通过体积排量将流体泵出时，存在系统内存留空气量未知的风险。这可能有问题，因为空气是可压缩的而液体所需的排出体积要求精确。如果阀需要高冲击压力以便打开，当压力施加于系统时存在空气，则空气会被压缩而改变系统中的体积从而改变通过系统排出的液体量。

进一步地，当泵送流体用于纳米孔应用时，任何气泡的引入都可能破坏系统。施加负压于流体可能将气泡引入液体，尽管高正压可能使空气溶解于液体，但是当压力释放时可能会导致之后气泡的形成。

在泵送脂质以形成双层的实例中，需要极慢的泵送速度。示例性范围是在1μl/s到0.1μl/s之间。常规的被动式止回阀在这些速度下通常失效，因为它们不能提供足够的力以可靠密封阀，因此可能发生回流。

纳米孔应用的另一个考虑是系统中金属的存在引发污染和/或堵塞纳米孔的风险。因此，最好不需要使用弹簧加力式阀（spring energised valve）在阀内提供主动密封力，因为它会增加金属污染的风险。可以将这种考虑概括为解释以下事实：不希望任何阀材料引入有害污染物。

最后，阀的密封性和冲击压力的可重复性是很重要的，因为一致的性能对于单个装置和一个与另一个纳米孔装置之间都是需要的。当考虑到排出小体积液体和需要确保在正确时间提供精确量的所需流体时，这是特别相关的。

当然，以上许多考虑不限于纳米孔应用，且通常适用于其它微流体环境。

如上所述，当使用低粘度流体时，常规平面型止回阀可能遇到密封问题。这是因为当流体流经小间隙时，对流动的阻力直接与流经间隙的流体的粘度成正比。空气的粘度为约18μPa.s，水的粘度为约0.89mPa.s，而油的通常粘度可以为约65mPa.s。因此，可以理解，通过间隙时油的流动阻力比空气的流动阻力高约3600倍，且油的流动阻力比水的流动阻力高约70倍。

因此，这意味着形成对油的密封比形成对空气或水的密封容易得多。这是因为与空气或水所需的压差相比，致使油流经间隙将需要更高的压差。然而，当大压差作用于单向阀（即促使回流以错误方向通过阀）时，压力也将有助于密封阀。相反，低的反压（回流压，back pressure）可以不足以密封阀，但仍可以提供足够的动力以使空气或水流动。

图1和2示出了单向阀构件10。在使用时，在阀室内操作阀构件打开和闭合阀。单向止回阀构件10包括周边与支持壁12相连的隔板11。在使用时，止回阀构件10置于阀室内（下文进一步讨论）。具有孔13的止回阀构件10可以由无孔材料制成。止回阀构件10可以由柔性弹性材料制成，所述柔性弹性材料如橡胶或者诸如热塑性弹性体、热塑性聚氨酯、硅酮、或基于聚硅氧烷的材料的其它弹性体。医用级铂金硫化硅酮是优选的，因为它们显示出低毒性和低增塑剂浸出性，其是惰性的并且具有低水溶性。这使它们在流体和芯片实验室应用上很有吸引力。一般地，对于纳米孔应用，具有低反应活性、低化学浸出和/或低脂质吸附的材料是优选的。此外，根据USP VI级制出的硅酮的使用将确保材料质量的一致性，因此形成了阀构件的一致机械性能。进一步优选地，在ISO146446级（等效于US FED STD209E10,00级）洁净室中组装硅酮将进一步限制对整个流体/微流体系统的污染的风险。

USP级的重要性主要不在于与其相关的医用级别，而在于其要求的材料质量的一致性。这使得能够产生具有一致机械性能的阀构件，而无需担心不同材料质量将影响阀性能。因此，任何其它合适的对阀材料质量的监测都是可接受的。

示出的止回阀构件10包括圆形隔板11，但本发明不限于这种形状。例如，止回阀构件10可以具有多边形或任意多边形周长的形状。因此，可以选择形状以适应特定应用的空间和形状限制。然而，在使用时基本圆形的周长和隔板11的形状使隔板11周围的阻力分布最均匀。

隔板11具有基本位于隔板11中心的孔13。即在图1和2的圆形结构中，以及对于规则多边形阀构件10，孔位于通过隔板11的旋转对称轴上（即在图2中垂直通过孔13）。对于不规则形状，优选孔13设置在周长形状的几何中心。在使用期间对孔13的中心的设定使得隔板上的力分布最均匀。如以下更详细讨论的，还提供了孔和壁12之间的最大长度，提供在孔13周围的隔板11的最大柔性。优选地，隔板仅包含单一的孔13以简化阀的密封。

图1和2中隔板11具有通过隔板宽度的可变厚度。如可以在图2中看到的，隔板11在孔13周围和隔板11的中心区域相对较厚。然而，在朝向壁12的周边部分，隔板11相对较薄。有利地，当隔板11接近周边时在厚度上的减少使得隔板11更具柔性，使得当阀打开时（对于给定的流体速度和压力）隔板11具有更大偏移量。

有利地，隔板11具有相对于壁呈凹面形的圆顶状（穹状，domedshape）。如下所述，在实施方式中描述的此种圆顶状有助于改善阀的密封性。然而，本发明不限于使用这种圆顶状的隔板11，并且本发明可以具有平面型隔板11或相对于壁12呈凸面形的隔板11。

壁12从隔板11的外缘伸出并向隔板11提供支持结构。它还提供了阀构件10的可用于定位和密封阀室内的阀构件10的部件。例如，如图4所示，可将壁12按压到阀壳体的部件30到40之间以提供防止流体在阀构件10周边泄漏的密封。

壁高和隔板直径的比率是可变的。在一些情况下，例如，因为隔板11具有足够强度以支持本身或由于节省空间的考虑，可以不需要壁12。在不存在壁12时，可已将阀壳体30、40设置为密封隔板11的周边。

然而，优选的是存在壁12，因为它提供了壳体30、40可以密封的周围更大的表面，从而提高整体密封质量和降低阀构件10周边泄漏的可能性。另一方面，在一些诸如非常需要空间和高度的芯片实验室应用的应用中，期望阀构件10的高度最小化。在那些情况下，期望壁12不会将阀构件10的高度显著增加至超过开启阀构件所需的高度。例如，对于芯片实验室应用，在静止时阀构件10的总高度优选为10mm或更小，更优选为5mm或更小，更优选为2mm或更小。

本发明适用于针对不同应用的不同尺寸的阀，但特别适用于诸如流体歧管或者其中尺寸考虑较重要的芯片实验室应用的应用。对于流体歧管应用，阀构件10可以具有以下规格：阀构件10的外径/最大宽度优选为15mm或更小，更优选为10mm或更小，以及还更优选为8mm或更小；孔13的直径/最大宽度优选为4mm或更小，更优选为2mm或更小，以及还更优选为1mm或更小；隔板11的最大厚度（例如在孔13周围的相对较厚区）优选为1mm或更小，更优选为0.75mm或更小，以及还更优选为0.5mm或更小；隔板11的最小厚度（例如图2中紧靠壁12的相对较薄区）优选为0.1mm或更大，更优选为0.2mm或更大；壁12的外高优选为2.5mm或更小，更优选为2.0mm或更小，以及还更优选为1.5mm或更小。在优选实施方式中，阀构件10具有外径为6.9mm的圆形几何结构；孔13的直径是1mm；隔板11的最大厚度（孔13周围的相对较厚区）为0.5mm；隔板11的最小厚度（图2中紧靠壁12的相对较薄区）为0.3mm；壁12的外高为1.4mm以及静止时阀构件10的总高度为1.9mm。

图3-5示出了阀内在原位的阀构件10。

图3示出了在“静止”位置时，位于阀室的出口31上的阀构件10。出口31位于阀壳体30的部分内。将壳体部件30和阀构件10组合设置以使出口31和阀构件10的中心基本相对。即出口相对于阀室侧基本中心设置。换言之，出口31设置为和隔板孔13同轴。

设置阀构件10以使壁12围绕出口31并紧靠壳体部件30密封。如图4所示，壳体和阀构件10之间的密封是通过安装在阀构件10顶部上的壳体部件40的提供进行的。优选地，将壁12按压在壳体部件30、40之间以确保良好的密封。因此，优选壳体30、40基本由硬质塑料制成。壳体应足够坚硬以使阀座60（下文将更详细讨论）不因阀构件而偏移。

优选的用于壳体的塑料包括环烯烃共聚物（COC）、聚甲基戊烯（PMP）、丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）、聚(甲基丙烯酸甲酯)（PMMA）、和聚碳酸酯。一般地，壳体材料优选是易于模制的、可以通过塑性焊接粘合、并且是化学惰性的。聚碳酸酯是特别优选的，因为它易于模制，显示出低化学/增塑剂浸出，并且流体流经阀时不太可能会与其反应，从而避免流体污染以及阀降解。相反地，当阀供应流体流经纳米孔应用时由于孔的污染和/或堵塞，金属会引发额外的风险，因此通常是不优选的。

在诸如纳米孔测序的特定应用中，其中流体中气泡的存在可以对系统有害，期望当流体被泵入时减少任何滞留在阀内的空气。任何滞留空气最终都可能在不希望的时间通过流体流动带来。为了降低这种风险，利用阀输出侧上的整体凸起（integral boss）32形成壳体部件30。凸起32伸入阀腔中并减少阀内死体积（死区容积，dead volume）。因此，凸起32减少可以形成气泡的阀内体积。因此，壳体部件30成形为提供对于驱动阀构件10所需的足够大但不会更大的阀室。与未成形/平底的壳体部件30相比，图2中所示凸起32减少约70%的阀室体积。在其中将两个阀与介于两者之间的正排量泵串联使用的流体系统中，减少系统内空气量也减少由于阀打开前空气压缩导致的输出体积的不准确性。由于阀开启时需要移动空间，所以滞留空气的可能性不能完全消除。

入口41也置于壳体部件41内。因此，将出口31和入口41设置在阀构件10的隔板11的相对侧上。即将入口41设置在隔板11的第一侧上，而将出口31设置在隔板11的第二侧上。在图4和5中，阀室的入口设置为连续环形圈（annular ring），其形成为在壳体构件40的内表面中的凹陷（depression）。可以通过经过壳体部件40的一个或多个管、通道、或管道向入口进料（如图4和5所示的通过壳体部件40的单一管）。其中在环形入口周围以对称结构排布多个管是优选的。

壳体部件40还在其内表面提供充当阀座60的部分。阀座60是阀构件10密封以提供止回阀功能的特征。有利地，壳体30、40和阀构件10设置为相互配合，以使当阀构件10在壳体部件30、40之间夹紧时，阀构件10可在静止时通过阀座60主动变形。即完整阀具有以下静止结构，其中阀构件10的隔板11可以单独（即不存在壳体30、40）从隔板11的静止结构变形。通过比较图3和4可以看出，和单独阀构件10的自然静止位置相比，当阀完整时阀座60使阀构件10变形为压下孔13附近的隔板11的中心。

因此，通过仅隔板11和壳体30、40之间的结构和配合使隔板11发生变形。即不存在诸如弹簧的另外的偏压构件用于使隔板11相对于壳体偏移。相反地，当阀在静止时，阀依赖于隔板11的弹性提供主动密封。即在不存在任何其它力的情况下，隔板的弹性产生将隔板推向壳体以形成密封的力。

图5示出了打开位置的阀，其中已通过流体从入口41向出口31的流动将隔板11偏移。当施加压差于阀室以在入口41处产生比出口31处更大的压力时，入口41中的压力提供以下力，其克服使隔板11偏向阀座60的力，因此将隔板推离阀座60。当阀座60和隔板11分离时，产生经过孔13的流动路径，从而允许流体从入口41流向出口31。正如之前所讨论的，凸起32伸入阀室并成形为反映处于打开位置的隔板形状，从而减少阀内的死空间以及从而减少在阀内可能收集到的空气量。即，将阀室成形为具有围绕出口41的锥形壁的形状，该出口41伸入阀构件10的壁12内，以使隔板11具有移动空间（为了驱动阀），同时减少阀室的体积。

当压差释放以及流经入口41的流体停止时，隔板11自由恢复到它的静止位置并密封图4中的阀。如在制作用于纳米孔传感应用的生物层的情况下，当需要流体速度低至1-0.1μl/s或更低时，效果与常规阀相比是特别显著的，因为在现有的不能提供主动密封的平面型止回阀中，这种流体速度通常太小而难以确保密封（因此依赖于由回流提供的力密封阀）。这种影响在流体岐管中进一步扩大，其中由于紧凑的装配尺寸限制了排出压力（压头，head pressure）。

与常规平面型止回阀相比，这种配置是有利的，因为它将通过阀门的泄漏降到最低。在常规平面型止回阀中，在静止时隔板不会偏移到闭合位置。相反，实际上阀是稍微打开的，或者阀构件10在阀座旁处于未变形状态而不是强制与之紧靠。在高速或高压系统中，这种配置提供充足的密封，因为流体一旦从出口流向入口，施加在阀构件10上的力就强制密封关闭。然而，本发明已经确定，在低速或低压系统中，在常规平面型止回阀密封之前的回流方向中可以存在显著泄漏。这是因为当回流发生时，施加于阀构件上的力不足以阻止回流至阀的流体泄漏。

因此，在低压时现有的平面型止回阀不足以产生它们的功能。相反，图4和5中所示的配置在阀处于静止时将阀构件10正偏移向阀座60。因此，当发生回流情况时，阀构件10由于其本身的弹性已处于密封位置（如果从静止开始）或自动回到密封位置（如果从打开位置开始）。即使回流的压力很小，这也可以发生，因为密封行为不依赖于通过流体压力以产生足够的密封。

有利地，隔板11和阀座60之间的密封通过控制隔板11和阀座60之间的接触形状进一步增强。如图6中细节所示，阀座60设置有具有和来自阀座60的其余部分相比的显著高度的突出部61。优选的突出部是环形的，当阀处于闭合位置时形成围绕隔板孔13的环。优选地，突出部的直径不显著大于孔13，以使入口41具有较大空间（其优点将在下文详细讨论）。因此，为避免阀内死空间，优选突出部内的隔板11仅有较小重叠（即从孔边缘到突出部边缘的半径距离）。优选的重叠小于或等于突出部61的高度的2倍，更优选小于或等于突出部61的高度的1倍。

当隔板11与阀座60接触时，该突出部61是与隔板接触的第一点。因此，隔板11回到其静止位置的弹力（在不存在任何反压时）也集中在该突出部61上。因为突出部具有相对较小的表面积（即与整个阀座60相比），所以通过突出部61施加在隔板上的压力相对较大，导致在隔板11中大量的局部变形（即与隔板的大量弯曲和偏移相比）和按压。因此，如可以从图4中看出的，突出部61周围的弹性隔板变形从而形成严格密封。

突出部61给出小的密封接触面积，集中密封力，从而可对低粘度流体提供密封，而无需对隔板施加较大的机械力。这有助于避免对在正确方向上流经阀门的流体增加不必要的冲击压力。

即通过产生突出部61周围隔板11的局部变形，利用通过阀室内隔板11的整体弯曲和偏移产生的力，可以产生严格密封。相反，本发明已经确定，如果（例如）阀座60的形状没有引起隔板11的任何局部形变（即，因为阀座60反映隔板11的整体弯曲和偏移的形状，且不具有突出部61），相同量的整体弯曲和偏移将提供较差的密封。阀密封的质量可以通过以下方法进行量化：使流体或空气以非常低的流速（例如0.1μl/s）流出阀出口，以尽可能低的压差经过阀，同时监测流经阀入口侧的任何泄漏。

优选地，为了提供良好的密封，阀构件10包括硅酮或者由硅酮构成，硅酮提供硬度和弹性之间的良好平衡。优选地，硅酮的硬度为95邵氏硬度（Shore A）（如ASTM D2240-00中的定义）或更小，更优选75邵氏硬度或更小，更优选50邵氏硬度或更小，还更优选40邵氏硬度或更小。优选硅酮的硬度为5邵氏硬度或更大，更优选15邵氏硬度或更大，还更优选25邵氏硬度或更大。

理想地，突出部61将成为一个点。这将提供密封力的最大集中。然而，在实践中，尤其在小规模实践中，难以通过模制获得完美的（即v形）点。因此，在实践中，突出部61可以具有弯曲点。但是，期望获得的曲率尽可能小。这确保对于给定形状的阀，突出部61周围的隔板11的局部形变达到最大量。优选地，特别是对于诸如流体岐管或芯片实验室应用的小规模应用，突出部达到的点的曲率半径为1mm或更小，更优选0.1mm或更小，甚至更优选0.05mm或更小。较小曲率半径的阀使得阀能够用较低的力推压该特征以获得突出部周围给定量的局部形变（即给定密封质量）。

如图6所示，已发现提供的截面为“乳头”状突出部也有助于形成较好的密封。突出部侧面上的凹面形使得形成具有更宽底部（base）的突出部61（因此对突出部61特征提供机械强度），同时保持引起大量局部形变的狭窄点。在优选配置中，突出部61的侧面的凹面曲率半径为0.1mm或更小，而突出点（projection point）的凸面曲率半径为0.05或更小。

图1-6的可选配置如图7-10所示。

从图7中可以看出，配置与之前的配置非常相似，阀构件110设置在壳体部件30的出口31上。实际上，阀构件110和阀构件10基本相同，但在孔13周围另外提供有上升的突出部114。

类似地，其中提供入口141的壳体部件140与除了阀座160结构之外的壳体部件140基本相同。在图10中可最清楚地看出，阀座160设置为具有凹槽的环形槽（annular recess）161而不是突出部61。

环形槽161和上升的突出部114相互配合以在图4-10的突出部61和阀构件10之间以类似模式提供增强的密封性。上升的突出部114是隔板111的第一部分，它在阀闭合/回到其静止位置时与阀座160在凹槽边缘相接触。因此，例如，与阀构件110平面紧靠阀座相比，阀构件110和阀座160之间起始接触面积减少。因此，力集中且局部压力增加。阀座160内的凹槽161为上升的突出部114提供接触点。因为凹槽161的宽度比突出部114的最宽处窄，所以凹槽161的边缘提供和隔板111的起始接触。这致使在凹槽161周边的隔板的局部形变，从而提供增强的密封。

将理解，当阀处于静止时，壳体30、40、140和隔板10、110的任何产生孔周围隔板的局部变形的设置都将是有利的。因此，本发明不限于已作为实施例描述的特定配置。

通过在静止时将壳体和隔板设置为主动偏移隔板和密封入口而产生增强的密封性的可能缺陷是阀的冲击压力可能增加。如前所述，冲击压力是在正确方向打开阀所需的最小流体压力（即允许从指定入口向指定出口流动）。

尽管期望在单向阀中产生牢固密封以防止回流，但是也期望在特定应用中保持低冲击压力。实例性情况是，当通过对阀的体积排量将流体泵出时，存在系统内现存空气总量未知的风险。当要求精确体积输出时，这可以有问题。在打开阀之前，任何气体都将会被压缩并产生不精确的体积输出。通过具有较低的突破压力减少这种效果引起的不精确性，因为它降低存在的任何气体的压缩程度，从而减少在流体输出中由气体引入引起的体积误差。在这种方案中，低冲击压力的进一步优点是它避免气体在压力下溶解于液体的可能性，进而在压力释放时使流体中气泡形成的可能性最小化。气泡的存在可能会破坏系统，例如，尤其是在纳米孔系统中。较低的冲击压力也有利地降低阀中其它周围部件的密封要求。

图1-10的阀合并入了某些特征以避免引入较大的冲击压力同时提供增强的密封性。

如上所述，在每种阀中的隔板11、111在孔周围具有比其周边更大的厚度。这种成形使得整体隔板弹性增强，因为较薄的部分使隔板11、111在接近周边的部分更易弯曲，而较厚的部分使得与阀座60、160接触的区域保持硬度。例如，这样确保突出部61使隔板11局部变形并陷入（burrow）其中，而不引起隔板11的整体偏移。

相反，提供连续薄隔板则会导致密封性能下降，同时提供连续厚隔板则会导致冲击压力增加。即，参照图1-10描述的具有改变厚度的隔板11、111提供了密封能力和冲击压力的平衡。在一个实例中，在1μls的流速下、从228mbar到104mbar、同时保持良好密封的条件下测试，将边界从相对于周长约0.5mm的连续厚度减少到约0.3mm的厚度以改变隔板形状，可使测量到的冲击压力降低。

另一个有助于降低冲击压力的特征是相对于隔板11、111设置入口41、141。当与狭窄点入口比较时，通过将入口设置为环形，入口压力作用在其上的面积增加并在隔板周围均匀分散。因此，在任一给定压力下，通过入口进入阀的流体施加的总压力增加，则相应地需要更低的压力以产生足够的力以使阀打开。环形设置的可替代结构是具有以环形结构排布的多个入口（即当入口进入阀室时并不相连）。即，具有多个入口，各个入口从阀室的中心径向分支（offset），且每个都在通过隔板的中心孔的区域之外。在优选的结构中，入口面积占阀室内隔板的50%，更优选可达55%，以及还更优选可达60%。

入口面积的大小和位置可以对冲击压力有很大的影响。在使用将直径可与出口相比的入口中心排布（在周边而不是中心设置隔板孔径）的试验中，1bar的入口压力不足以打开阀。相比之下，对于相同出口形状和对应的整体阀构件尺寸，具有中心隔板孔的环形入口结构的冲击压力为104mbar。

出乎意料地，增加中心排列的入口的尺寸在降低冲击压力上并不有效，因为入口周围的密封直径也一定会增加，从而使得密封更接近于隔板周边。这使密封力增加（因为周边和孔之间的距离减少，产生相同隔板偏移所需的力增加，因此对应的突破压力增加）。

图11示出了使用单向阀构件10的实施例系统的操作。单向阀110a（并入单向阀构件10）设置在储液室111和注射器形式的流体泵112之间的流动路径中。流体能够通过流体入口进入注射器112。注射器112的目的是向下游位置供应一定体积的流体，如用于以可控和精确方式进行生物分析的芯片。也设置在注射器112下游的是更进一步的单向阀110b。阀110b将注射器112的流体出口连接至芯片。

在操作中，注射器112的筒是可伸缩的，以将流体从储液器111中通过单向阀110a进入注射器112。因为注射器112也有流体出口，流体则有可能来自出口的下游。然而由于单向阀110b的存在，可防止流体从出口进入注射器112。

随后，注射器112的筒可以推进以促使流体经由出口流出注射器112之外。流体能够经由阀110b到达芯片。然而，由于在该方向上存在单向阀110a阻止流体流动，可防止流体从入口流入注射器112以及回到储液器111。

图12示出了将多个单向阀110a、110b与多个储液器111合并的系统。每个储液器111与其自身各自的流体泵112、阀110a、110b和流动路径相关。流体路径汇合以向芯片提供流体。由于单向阀110a、110b，可防止流体在各自储液器的流动路径之间的流动。也示出了允许将流体引入废液池（waste）的双向阀120。

因此，本发明的阀提供有利效果的方式是十分明显的。阀能够在反压下密封，其中反压由，例如，注射器112的操作引起，即当注射器的筒缩回时在阀110b上的反压和当筒推进时在阀110a上的反压。

阀在系统经历的反压范围内能够密封住回流。反压的下限是储液器112中液体的排出压力，该值几乎为零。对于本发明的阀能够形成密封的反压的典型范围是0-60mBar，通常上限为约300mBar。当然，反压取决于液体的流速，在诸如WO2012/042226中所讨论的生物分析芯片中，流速通常在0.1uL/s到200uL/s之间。

已在上文中参照具体实施方式描述了本发明。将理解，以上描述不限于在所附权利要求中限定的本发明。

Claims (18)

1.一种单向阀，包括：

阀壳体；

设置在所述阀壳体内的阀构件，所述阀构件可被操作以打开和闭合所述阀且包括具有中心孔的隔板以允许流体从所述隔板的一侧流至另一侧；

设置在所述隔板的第一侧上的阀入口；以及

设置在所述隔板的第二侧上的阀出口；

其中所述隔板和所述阀壳体的结构使所述隔板偏移以在静止时密封所述入口，

其中所述壳体进一步包括在所述隔板的所述第一侧上的阀座，在静止时所述隔板紧靠所述阀座形成密封，以及

其中：

所述阀座进一步包括在所述阀座上形成的明显突出部，使得在静止时所述突出部的密封表面接触所述隔板以形成所述密封，和/或

所述隔板进一步包括在所述隔板的所述第一侧上形成的明显突出部，使得在静止时所述突出部的密封表面接触所述阀座以形成所述密封。

2.根据权利要求1所述的单向阀，其中所述阀入口是环形的。

3.根据权利要求1所述的单向阀，其中所述阀入口包括两个或多个开口，各自从所述隔板孔径向分支。

4.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述出口设置为与所述隔板孔同轴。

5.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述阀座使所述隔板偏移以在静止时密封所述入口。

6.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中，在静止时，所述阀座在所述隔板的所述第一侧上引起所述隔板的局部按压。

7.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述突出部形成在所述隔板上，并且所述阀座设有凹槽，所述凹槽设置为与所述突出部配合以形成密封。

8.根据权利要求7所述的单向阀，其中所述凹槽的宽度比所述突出部的宽度窄。

9.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述隔板孔的边缘与所述突出部的内边缘之间的径向距离小于或等于所述突出部的高度的两倍，可选地小于或等于所述突出部的高度的一倍。

10.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，所述突出部围绕所述隔板孔形成环形。

11.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述密封表面是弯曲的，曲率半径为1mm或更小，优选0.1mm或更小，更优选0.05mm或更小。

12.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述隔板包括硅酮或者由硅酮构成。

13.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述隔板包括以下材料或者由以下材料构成，所述材料具有95邵氏硬度或更小的硬度，可选地75邵氏硬度或更小的硬度，进一步可选地50邵氏硬度或更小的硬度，以及还进一步可选地40邵氏硬度或更小的硬度。

14.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述阀构件的单独静止高度为10mm或更小，可选地5mm或更小，进一步可选地2mm或更小。

15.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述隔板的围绕所述孔的部分比所述隔板的更接近所述隔板周边的部分厚。

16.根据前述权利要求中任一项所述的单向阀，其中所述隔板的所述周边在所述阀壳体内夹紧。

17.一种阀的操作方法，所述阀在隔板的第一侧上具有阀座，静止时所述阀座紧靠所述隔板形成密封，以及其中所述阀座进一步包括在所述阀座上形成的明显突出部，使得静止时所述突出部的密封表面接触所述隔板以形成所述密封，和/或所述隔板进一步包括在所述隔板的所述第一侧上形成的明显突出部，使得静止时所述突出部的密封表面接触所述阀座以形成所述密封，所述方法包括：

当所述隔板两侧没有压差时，将具有中心孔的所述隔板设置于阀壳体内，以使所述隔板和所述壳体的结构使所述隔板偏移以密封阀室的入口；以及

产生所述阀室两侧的压差，其中在所述入口处的压力比所述阀室内的压力大，并且其中所述压力使所述隔板变形以开启所述入口。

18.根据权利要求20所述的阀的操作方法，进一步包括通过释放去除所述阀室两侧的压差使所述隔板恢复到密封位置。

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