DE10057008A1

DE10057008A1 - Mikroschaltventil

Info

Publication number: DE10057008A1
Application number: DE2000157008
Authority: DE
Inventors: Bernhard Hukelmann
Original assignee: Evotec OAI AG
Current assignee: Evotec OAI AG
Priority date: 2000-11-17
Filing date: 2000-11-17
Publication date: 2002-06-20

Abstract

Ein Mikroschaltventil, mit dem insbesondere Kleinstflüssigkeitsmengen geschaltet werden können, weist ein Gehäuse (22) mit einer Zuleitung (30) und einer Ableitung (32) auf. In dem Gehäuse (22) ist ein Bewegungsteil (24) angeordnet. Zum Schalten des Ventils zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand wird das Bewegungsteil (24) entlang der Längsachse (36) hin- und herbewegt. Das Bewegungsteil (24) weist eine Nut (34) auf, die derart angeordnet ist, dass sie in geöffnetem Zustand die Zuleitung (30) mit der Ableitung (32) verbindet und in geschlossenem Zustand die Verbindung zwischen der Zuleitung (30) und der Ableitung (32) unterbrochen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mikroschaltventil, das insbesondere beim Befördern von kleinsten Flüssigkeits- oder Gasmengen verwendet wird. Derartige kleinste Flüssigkeits- oder Gasmengen werden beispielsweise in chemischen und/oder biologischen Prozessen, wie bei Screeningvorrichtungen, transportiert, bei denen teilweise nur wenige nl oder nur wenige µl in ein Behältnis gefüllt werden.

Bei einem bekannten Ventil werden zwei Flüssigkeitsleitungen 10, 12 (Fig. 10) dadurch miteinander verbunden, dass eine Membran 14 in Richtung des Pfeils 16 bewegt wird. In dem in Fig. 10 dargestellten Zustand sind die beiden Leitungen 10, 12 miteinander verbunden. Durch Drücken der Membran 14 in die gestrichelt dargestellte Lage liegt eine Innenseite der Membran an einem Steg 18 an und unterbricht die Zufuhr einer Flüssigkeit über die Leitung 12 zu einer Vorrichtung. Das dargestellte Ventil hat ein bezogen auf die transportierte Flüssigkeitsmenge relativ großes Totvolumen. Das Totvolumen ist das Volumen in dem Bereich 20 zwischen dem geöffneten und dem geschlossenen Zustand des Schaltventils. Beim Öffnen des Schaltventils kann sich somit die Flüssigkeit in den Leitungen 10, 12 schlagartig ausdehnen. Hierdurch entstehen nachteilige Druckstöße. Ferner kann es durch die Expansion der Flüssigkeit zu Entgasungen kommen. Derartige Entgasungen, durch die in der Flüssigkeit Gasblasen gebildet werden, können zu Beschädigungen oder Verstopfungen der Vorrichtung führen. Ferner hat dies zur Folge, dass eine genaue Dosierung der Flüssigkeitsmenge, insbesondere im nl- oder µl-Bereich, nicht möglich ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Mikroschaltventil mit möglichst geringem Totvolumen zu schaffen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Mikroschaltventil weist ein Gehäuse auf, das mit einer Zuleitung und einer Ableitung verbunden ist. Erfindungsgemäß ist in dem Gehäuse ein Bewegungsteil zum Schalten des Ventils zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand angeordnet. Das Bewegungsteil weist eine Nut auf, die derart angeordnet ist, dass in geöffnetem Zustand über die Nut die Zuleitung mit der Ableitung verbunden und in geschlossenem Zustand die Verbindung zwischen der Zuleitung und der Ableitung unterbrochen ist. Durch einfaches Bewegen des Bewegungsteils, d. h. durch Schwenken oder lineares Verschieben des Bewegungsteils, kann das erfindungsgemäße Ventil geschaltet werden.

Da das Schalten durch Verschieben der Nut erfolgt, kann die Nut in dem Bewegungsteil derart angeordnet werden, dass sie stets innerhalb des Gehäuses ist und gegenüber der Gehäuseinnenwand abgedichtet ist. Somit ist die Nut auch in geschlossenem Zustand des Ventils mit Flüssigkeit bzw. Gas gefüllt. Beim Schalten des Ventils von dem geschlossenen in den geöffneten Zustand findet somit keine Expansion der Flüssigkeit bzw. des Gases in den Nutraum statt. Das erfindungsgemäße Ventil weist daher von geringfügigem Totvolumen aufgrund von Dichtringen o. ä. abgesehen, annähernd kein Totvolumen auf. Das Auftreten von Druckstößen ist somit vermieden. Es ist somit ebenfalls vermieden, dass durch die Expansion der Flüssigkeit ein Entgasen der Flüssigkeit auftritt.

Da zum Schalten des Ventils eine Relativbewegung zwischen dem Bewegungsteil und dem Gehäuse erforderlich ist, kann selbstverständlich anstelle eines beispielsweise als Kolben ausgebildeten Bewegungsteils auch das Gehäuse beweglich und das Bewegungsteil stationär sein. Ferner ist unter einem Gehäuse nicht zwangsläufig ein in sich geschlossenes Gehäuse zu verstehen. Ein Gehäuse kann beispielsweise auch rahmenförmig ausgebildet sein, wobei das Gehäuse stets mit der Zuleitung und der Ableitung verbunden ist. Das Gehäuse muss somit das Bewegungsteil nicht vollständig umschließen. Es ist ferner möglich, dass mit dem Gehäuse mehrere Zuleitungen und/oder mehrere Ableitungen verbunden sind. Es handelt sich sodann um ein Mehrwegeventil, bei welchem je nach Position des Bewegungsteils unterschiedliche Zu- und Ableitungen miteinander verbunden werden können. Hierbei weist das Bewegungsteil vorzugsweise mehrere Nuten auf. Mit einem derartigen Ventil lassen sich beispielsweise auch parallel zueinander verlaufende Zuleitungen mit parallel zueinander verlaufenden Ableitungen gleichzeitig schalten, wobei jeweils eine Nut eine Zuleitung mit einer Ableitung verbindet.

Bei dem Mikroschaltventil handelt es sich vorzugsweise um ein Ventil mit einer Querschnittsfläche des Bewegungsteils, die kleiner als 100 mm² ist. Insbesondere ist die Querschnittsfläche des Bewegungsteils kleiner als 50 mm² und besonders bevorzugt kleiner als 20 mm². Es handelt sich somit um ein Schaltventil, mit dem Kleinstflüssigkeitsmengen geschaltet werden können. Die Schaltung des Bewegungsteils erfolgt beispielsweise über einen Stellmotor, magnetisch, über ein elektrisches Feld oder mittels eines dielektrischen Metallkerns, der in dem Bewegungsteil angeordnet ist. Ebenso kann das gesamte Bewegungsteil aus einem dielektrischen Material bestehen. Es sind somit äußerst kurze Schaltzeiten realisierbar.

Das Schalten des Ventils kann durch lineares Verschieben des Bewegungsteils oder durch Schwenken des Bewegungsteils erfolgen. Das Schwenken des Bewegungsteils mit einer entsprechend angeordneten Nut hat den Vorteil, dass der erforderliche Platzbedarf zum Verschieben des Bewegungsteils entfällt. Da dieser Platzbedarf einen Hohlraum darstellt, hat das Schwenken des Bewegungsteils ferner den Vorteil, dass automatisch vermieden ist, dass in diesen Hohlraum Flüssigkeit eindringt, die beim Verschieben des Bewegungsteils verdrängt werden müßte und somit das Schalten des Ventils erschwert.

Die Querschnittsfläche der in dem Bewegungsteil vorgesehenen Nut entspricht vorzugsweise im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Zu- und/oder der Ableitung. Dadurch ist vermieden, dass durch Querschnittsänderungen innerhalb der Leitung Druckdifferenzen auftreten, die bei hochsensiblen chemischen Substanzen zu Veränderungen, wie Auskristallisierungen u. ä., führen können.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Mikroschaltventils in geöffnetem Zustand,

Fig. 2 die in Figur. 1 dargestellte Ausführungsform des Mikroschaltventils in geschlossenem Zustand,

Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 eine zweite Ausführungsform des Mikroschaltventils in geöffnetem Zustand,

Fig. 5 die in Fig. 4 dargestellte Ausführungsform in geschlossenem Zustand,

Fig. 6 eine Schnittansicht entlang der Linie VI-VI in Fig. 5,

Fig. 7 eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform des Mikroschaltventils in geschlossenem Zustand,

Fig. 8 das in Fig. 7 dargestellte Mikroschaltventil in geöffnetem Zustand,

Fig. 9 eine schematische Schnittansicht einer vierten Ausführungsform des Mikroschaltventils und

Fig. 10 ein Mikroschaltventil nach dem Stand der Technik.

Die anhand der Fig. 1-3 dargestellte erste Ausführungsform weist ein Gehäuse 22 auf, in dem ein zylindrisches Bewegungsteil 24 in Form eines Kolbens in Richtung des Pfeils 26 (Fig. 1) bzw. 28 (Fig. 2) verschoben werden kann. Bei dem Gehäuse 22 handelt es sich um einen Hohlzylinder, dessen Innendurchmesser nur geringfügig größer als der Außendurchmesser des zylindrischen Bewegungsteils 24 ist. Mit dem Gehäuse 22 ist eine Zuleitung 30 und eine Ableitung 32 verbunden. Die Leitungen 30, 32 verlaufen senkrecht zur Mantelfläche des zylindrischen Gehäuses 22.

In dem zylindrischen Bewegungsteil 24 ist eine Sekantennut 34 vorgesehen. Bei der Nut 34 handelt es sich um eine senkrecht zu einer Längsachse 36 des zylindrischen Bewegungsteils verlaufende Kerbe. Die Nut 34 ist an der Mantelfläche des zylindrischen Bewegungsteils 24 vorgesehen und stellt somit einen senkrecht zur Längsachse 36 verlaufenden Schlitz dar.

In geöffnetem Zustand (Fig. 1) fließt die Flüssigkeit von der Zuleitung 30 in die Sekantennut 34 des Bewegungsteils 24 und anschließend in die Ableitung 32. Die beiden Leitungen 30, 32 sind parallel zueinander und weisen zueinander einen geringen Abstand auf. Hierdurch ist die Tiefe der Nut 34 gering. Der Abstand der beiden Leitungen 30, 32 ist vorzugsweise so zueinander gewählt, dass die Querschnittsfläche der Leitungen 30, 32 im Wesentlichen der Querschnittsfläche der Nut 34 entspricht. Hierdurch ist das Entstehen von Druckunterschieden vermieden. Um einen Richtungswechsel der Flüssigkeit bzw. des Gases beim Durchströmen des Schaltventils zu vermeiden, können die Leitungen 30, 32 auch im Wesentlichen auf einer Linie, d. h. miteinander fluchtend, angeordnet sein. Die Anordnung der Nut 34 wäre hierbei im Wesentlichen identisch.

Zur Bewegung des Bewegungsteils 24 in Richtung der Längsachse 36 weist das Bewegungsteil 24 eine mit einem Gewinde versehene Öffnung 37 auf. In die Öffnung 37 kann ein Stift eines Betätigungselements, wie eines Stellmotors, eingeschraubt werden. Das lineare Verschieben des Bewegungsteils 24 kann somit durch einen elektrischen Stellmotor erfolgen. Es ist ebenfalls möglich, das Schalten des Schaltventils, d. h. das Bewegen des Bewegungsteils 24, berührungslos zu realisieren. Hierzu kann beispielsweise das Bewegungsteil 24 oder zumindest ein Teil des. Bewegungsteils metallisch ausgebildet sein und durch Magnetkräfte bewegt werden.

Zwischen dem Bewegungsteil 24 und der Innenwand des Gehäuses 22 ist auf beiden Seiten der Nut ein Dichtring vorgesehen, um zu vermeiden, dass durch die Leitungen 30, 32 strömendes Medium in den Hohlraum 38 oder 40 des Ventils gelangt. Der Hohlraum 38 ist erforderlich, um ein einfaches Bewegen des Bewegungsteils 28 zu ermöglichen, da beim Bewegen aus dem geschlossenen Zustand (Fig. 2) in den geöffneten Zustand (Fig. 1) das in dem Hohlraum 38 befindliche Medium kompressiert wird. Der Hohlraum 38 muß daher eine gewisse Größe aufweisen, damit die durch die Kompression hervortretende Gegenkraft auf den Bewegungsteil 24 nicht zu groß ist. Anstelle von Dichtringen zwischen der Innenwand des Gehäuses 22 und der Mantelfläche des zylindrischen Bewegungsteils 24 kann das Bewegungsteil 24 auch aus einem Material mit hochpolierter Oberfläche, beispielsweise Glas, bestehen. Wenn das Gehäuse aus einem entsprechenden Material besteht, ist das Vorsehen von Dichtringen nicht erforderlich.

Anstelle des Verschiebens des Bewegungsteils 24 kann das Bewegungsteil 24 auch verschwenkt werden. Durch Verschwenken des Bewegungsteils 24 in Fig. 3 um etwa 90° würde das Mikroschaltventil von dem in Fig. 3 dargestellten offenen Zustand ebenfalls in einen geschlossenen Zustand überführt. Es wäre daher ausreichend, das Bewegungsteil 24 um einen geringen Betrag zu schwenken, soweit der Schwenkwinkel so groß ist, dass eine der beiden Leitungen 30, 32 nicht mehr mit der Nut. 34 verbunden ist. Das Schalten des Mikroschaltventils durch Drehen des Bewegungsteils 24 hat den Vorteil, dass die Hohlräume 38, 40 vollständig entfallen. Dies hat ferner den Vorteil, dass die Dichtung zwischen dem Bewegungsteil 24 und der Innenwand des Gehäuses 22 nicht so hochqualitativ ausgeführt sein muß. Wenn ein durch Schwenken schaltbares Ventil zusätzlich in einem vergossenen oder dicht geschlossenen Gehäuse angeordnet ist und das Schalten des Ventils berührungslos erfolgt, ist auch eine Abdichtung gegenüber der Umgebung nicht erforderlich.

Bei der in den Fig. 4-6 dargestellten Ausführungsform sind mit der zuvor beschriebenen Ausführungsform identische Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Bei dieser Ausführungsform handelt es sich ebenfalls um ein Schaltventil, das durch lineares Verschieben eines Bewegungsteils 42 in dem. Gehäuse 22 geschaltet wird. Die Bewegung erfolgt in Richtung der Pfeile 26, 28 entlang der Längsachse 36 des Bewegungsteils 24. Das Gehäuse 22 ist mit dem in den Fig. 2-4 dargestellten Gehäuse identisch und weist ebenfalls eine Zuleitung 30 und eine Ableitung 32 auf.

Der einzige Unterschied zwischen den beiden Ausführungsformen besteht in der Ausbildung der Nut. In der in den Fig. 4-6 dargestellten Ausführungsform ist eine ringförmige Nut 44 vorgesehen. Die Ringnut 44 verläuft entlang des Umfangs des zylindrischen Bewegungsteils 42. Das Volumen der Nut 44 ist somit zwar größer als das Volumen der Nut 34, jedoch hat die in den Fig. 4-6 dargestellte Ausführungsform den Vorteil, dass ein unbeabsichtigtes Verdrehen des Bewegungsteils 42 um die Längsachse 36 keine Folgen hat. Bei der in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsform hat bereits ein geringfügiges Verdrehen des Bewegungsteils 24 zur Folge, dass die Nut 34 eine Drosselwirkung hat. Es sind somit bei dieser Ausführungsform exakte Führungselemente, beispielsweise in Form von Ansätzen an der Gehäuseinnenwand, die in Nuten des Bewegungsteils 42 eingreifen, erforderlich. Dies erhöht die Reibung zwischen den Bauteilen und erschwert die Fertigung.

Bei der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform sind identische Teile wiederum mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Das Gehäuse 22 ist ebenfalls kreiszylindrisch und weist zwei Leitungen 30, 32 auf. Bei der hier dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine Ausführungsform, bei der das Schalten des Ventils durch Rotation eines Bewegungsteils 46 um eine Achse 48 erfolgt. Das Bewegungsteil 46 weist eine Nut 50 auf, über die die Leitungen 30, 32 in geöffnetem Zustand (Fig. 7) miteinander verbunden sind. Durch Drehen des Bewegungsteils 46 in die in Fig. 8 dargestellte Lage sind die beiden Leitungen 32, 30 nicht mehr miteinander verbunden. Bei dem Bewegungsteil 46 handelt es sich um ein kreissegmentförmiges Bewegungsteil. Dies hat den Vorteil, dass geringere Massen bewegt werden müssen und somit die Schaltzeiten des Schaltventils weiter verringert werden können. Die Schwenkachse 48 ist im Kreismittelpunkt angeordnet. Da es bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel um ein zylindrisches Gehäuse handelt, ist die Achse 48 im Mittelpunkt des Gehäuses 42 angeordnet.

Bei der in Fig. 9 dargestellten Ausführungsform des Mikroschaltventils ist ein Gehäuse 60 vorgesehen. Das Gehäuse 60 entspricht dem Gehäuse 22 der in den Fig. 1-8 dargestellten Ausführungsformen, wobei das Gehäuse 60 nicht kreiszylindrisch ist, sondern als im wesentlichen L-förmiger Rahmen ausgebildet ist. Ein Tragarm 62 des Gehäuses 60 ist mit einer Zuleitung 30 und einer Ableitung 32 verbunden. Die Verbindung der beiden Leitungen 30, 32 erfolgt entsprechend anderen Ausführungsformen über eine Nut oder Kerbe 44, die in einem Bewegungsteil 64 vorgesehen ist. Eine dem Tragarm 62 zugewandte Innenfläche 66 des Bewegungsteils 64 ist mittels Dichtungen 68 gegenüber dem Tragarm abgedichtet.

Die Bewegung des Bewegungsteils 64 erfolgt in Richtung eines Pfeils 70 durch einen entsprechenden Aktuator. Bei einer Bewegung in Richtung des Pfeils 70 führt das Bewegungsteil 64 eine Schwenkbewegung aus. Zur Ausführung der Schwenkbewegung ist das Bewegungsteil mit einem Haltearm 72 des Gehäuses 60 verbunden. Die Verbindung eines Kopfs 74 des Bewegungsteils 64 mit dem Haltearm 72 ist über ein Federelement 76 verwirklicht. Das Federelement 76 kann derart ausgebildet sein, dass es eine Rückstellkraft in einer der Richtungen des Pfeils 70 ausübt. Dies hat zur Folge, dass das Bewegungsteil 64, wenn es nicht geschaltet ist, in einer fest definierten, durch die Feder 76 hervorgerufene Lage ruht. Hierbei kann es sich beispielsweise um eine geöffnete oder um eine geschlossene Stellung des Mikroschaltventils handeln.

Die Feder 76 bewirkt ferner eine Kraft in Richtung des Pfeils 78, d. h. in Richtung des Tragarms 62 des Gehäuses 60. Aufgrund der Feder ist das in Fig. 9 dargestellte Ventil insbesondere für den Niederdruckbereich geeignet. Der Druckbereich ist abhängig von der Federkraft, die die Feder 76 in Richtung des Pfeils 78 ausübt. Das Ventil kann daher auch als Sicherheitselement für Überdruck eingesetzt werden. Ab einem gewissen Druck ist die durch die Feder ausgeübte Federkraft nicht mehr ausreichend, so dass die Feder 76 zusammengedrückt wird. Dies hat zur Folge, dass das durch die Zuleitung 30 in die Nut 44 strömende Medium auch seitlich vorbei an den Dichtungen 68 entweichen kann. Somit ist auf einfache Weise zusätzlich zu einem Mikroschaltventil ein Sicherheitselement hinsichtlich Überdruck realisiert.

Claims

1. Mikroschaltventil, mit
einem mit einer Zuleitung (30) und einer Ableitung (32) verbundenen Gehäuse (22) und
einem in dem Gehäuse (22) angeordneten Bewegungsteil (24, 42, 46) zum Schalten des Ventils zwischen einem geschlossenen und einem geöffneten Zustand, wobei das Bewegungsteil (24, 42, 46) eine Nut (34, 44, 50) aufweist, die derart angeordnet ist, dass über die Nut (34, 44, 50) in geöffnetem Zustand die Zuleitung (30) mit der Ableitung (32) verbunden ist und in dem geschlossenen Zustand die Verbindung zwischen der Zuleitung (30) und der Ableitung (32) unterbrochen ist.

2. Mikroschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Bewegungsteils (24, 42, 46) kleiner als. 100 mm², insbesondere kleiner als 50 mm² und besonders bevorzugt kleiner als 20 mm², ist.

3. Mikroschaltventil nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten des Ventils durch lineares Verschieben des Bewegungsteils (24, 42) erfolgt.

4. Mikroschaltventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (24) zylindrisch ist, zum Schalten des Ventils in Richtung seiner Längsachse (36) verschiebbar ist und die Nut (34) eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (36) verlaufende Sekantennut ist.

5. Mikroschaltventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (44) zylindrisch ist, zum Schalten des Ventils in Richtung der Längsachse (36) verschiebbar ist und die Nut (44) eine entlang der Mantelfläche umlaufende Ringnut ist.

6. Mikroschaltventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schalten des Ventils durch Schwenken des Bewegungsteils (46) erfolgt.

7. Mikroschaltventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (24) zylindrisch ist, zum Schalten des Ventils um die Längsachse (36) schwenkbar ist und die Nut (34) eine im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse (36) verlaufende Sekantennut ist.

8. Mikroschaltventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (46) im Querschnitt im Wesentlichen kreissegmentförmig ist und die Schwenkachse (48) des Kreissegments etwa im Kreismittelpunkt angeordnet ist.

9. Mikroschaltventil nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Nut (34, 44, 50) etwa der Querschnittsfläche der Zuleitung (30) entspricht.

10. Mikroschaltventil nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (30) und die Ableitung (32) parallel und in geringem Abstand zueinander ins Gehäuse (22) geführt sind.

11. Mikroschaltventil nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bewegungsteil (24, 42, 46) mit einem Betätigungselement berührungslos verbunden ist, wobei die Betätigung des Bewegungsteils insbesondere über Magnetkräfte oder elektrische Feldkräfte erfolgt.