DE102006010956A1

DE102006010956A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102006010956A1
Application number: DE200610010956
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Schülein; Ugur ÜLKER; Jürgen Dr. Krause; Dirk Dr. Kuhlmeier; Roland Dr. Barten; Herbert Argauer; Michael Kloiber
Original assignee: Directif GmbH
Current assignee: Directif GmbH
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (10) zur Absperrung einer flüssigkeitsleitenden Verbindung zwischen einer ersten (14) und einer zweiten in einem ersten Träger (12) verlaufenden Flüssigkeitsleitung (16). Das Ventil (10) weist in dem ersten Träger (12) eine konkave Ausnehmung (13) mit einer ersten Öffnung (18), in welche die erste Flüssigkeitsleitung (14) mündet, und eine zweite Öffnung (19), in welche die zweite Flüssigkeitsleitung (16) mündet, auf. Es ist eine flexible Membran (20) vorgesehen, welche die konkave Ausnehmung (13) so verschließt, dass dadurch ein Raum (21) gebildet wird, durch den hindruch ein Flüssigkeitsfluss zwischen der ersten (18) und der zweiten Öffnung (19) möglich ist. Zum Schließen des Ventils (10) wird die Membaran (20) in die konkave Ausnehmung (13) hineingedrückt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zur Absperrung einer flüssigkeitsleitenden Verbindung zwischen einer ersten und einer zweiten in einem festen ersten Träger verlaufenden Flüssigkeitsleitung sowie ein Verfahren zur Herstellung des Ventils.

Ein solches Ventil ist aus der WO 89/05417 bekannt. Dabei ist in einem ersten Träger eine konkave Ausnehmung vorgesehen, welche eine erste Öffnung aufweist, in welche eine erste Flüssigkeitsleitung mündet, und eine zweite Öffnung aufweist, in welche eine zweite Flüssigkeitsleitung mündet. Weiterhin ist eine flexible Membran vorgesehen, welche die konkave Ausnehmung so verschließt, dass dadurch ein Raum gebildet wird, durch den hindurch ein Flüssigkeitsfluss zwischen der ersten und der zweiten Öffnung möglich ist. Die Membran ist dabei so angeordnet, dass sie durch ein Mittel zum Ausüben eines Drucks auf die Membran so in die konkave Ausnehmung gedrückt werden kann, dass durch der Flüssigkeitsfluss unterbrochen wird. Das aus der WO 89/05417 bekannte Ventil wird durch Ausüben von Druck oder Vakuum auf die Membran betätigt. Nachteilig ist dabei, dass das Ventil selbsttätig nur sehr schlecht öffnet und zum Öffnen des Ventils ein Vakuum anzulegen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welches die Nachteile nach dem Stand der Technik nicht aufweist. Insbesondere soll ein Ventil angegeben werden, welches für die Integration in eine Mikrofluidik geeignet ist und sich zuverlässig selbstständig öffnen kann.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 11 gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 10 und 12 bis 16.

Erfindungsgemäß ist ein Ventil mit den oben genannten Merkmalen vorgesehen, bei welchem die Membran ringsum beabstandet zu der Ausnehmung auf einer gegenüber der umgebenden Oberfläche des ersten Trägers erhöhten Auflage fixiert ist. Durch die zu der Ausnehmung beabstandete Fixierung kann die Membran beim Ausüben des Drucks besser nachgeben als bei einer Fixierung direkt am Rand der Ausnehmung. Dadurch ist die Haltbarkeit des Ventils deutlich erhöht, weil die mechanische Belastung der Membran geringer ist und ein Einreißen der Membran zuverlässig verhindert wird. Durch die Fixierung auf der erhöhten Auflage wird die Rückstellkraft der durch den Druck in die konkave Ausnehmung gedrückten Membran soweit erhöht, dass eine sichere Öffnung des Ventils gewährleistet ist, sobald kein Druck mehr auf die Membran ausgeübt wird. Darüber hinaus kann bei der Herstellung des Ventils eine Fixierung der Membran an der Auflage zuverlässiger erfolgen als an einer keine erhöhte Auflage aufweisenden Oberfläche des ersten Trägers. Ein für eine zuverlässige Fixierung, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben, erforderlicher hoher Anpressdruck kann auf der erhöhten Auflage besser realisiert werden, weil der Anpressdruck nur auf eine kleine Fläche wirkt und sich nicht auf der gesamten Oberfläche verteilt. Durch die zuverlässigere Fixierung wird die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Ventils weiter erhöht.

Die Ausnehmung kann neben der ersten und zweiten Öffnung auch mindestens eine weitere Öffnung aufweisen, in welcher eine weitere Flüssigkeitsleitung mündet. Dadurch ist es möglich, auf einfache Weise ein Verteil- oder Mischventil zu realisieren.

Vorzugsweise sind der erste Träger und die Auflage einstückig ausgebildet. Der erste Träger und die Auflage können insbesondere aus einem spritzgegossenen Kunststoff hergestellt sein.

Die Membran ist vorzugsweise mit der Auflage, insbesondere mittels Laserschweißen, verschweißt. Dadurch kann eine besonders dichte und feste Verbindung gewährleistet werden. Die Membran kann mit einem im Bereich der Ausnehmung einen Durchbruch aufweisenden zweiten Träger verbunden sein. Der zweite Träger hält die Membran beim Schweißen und ermöglicht dadurch eine exakte Positionierung der Membran auf der Auflage. Die Membran und der zweite Träger können in einem 2-Komponenten(2K)-Spritzgussverfahren hergestellt sein. Dadurch ist die Membran mit dem zweiten Träger besonders gut verbunden. Darüber hinaus ist die Herstellung der Membran auf diese Art und Weise sehr kostengünstig und kann unter Reinraumbedingungen erfolgen. Das ist insbesondere bei einer Integration des Ventils in einer Vorrichtung zur Aufbereitung biologischer Proben und zum Nachweis darin enthaltener Biomoleküle besonders wichtig, weil hier bereits geringste Kontaminationen, beispielsweise durch Hautschuppen, ein Ergebnis verfälschen können.

Der zweite Träger und die Membran können aus einem Laserlicht nicht oder nicht wesentlich absorbierenden Material und die Auflage aus einem Laserlicht absorbierenden Material bestehen. Das Material kann ein spritzgegossener Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat, sein. Durch diese Kombination von Materialien kann ein Laserstrahl sowohl den zweiten Träger als auch die Membran durchdringen ohne dort zu einem Aufheizen zu führen und die Auflage anschmelzen, so dass sie mit der Membran verschweißen kann.

Der zweite Träger kann am ersten Träger durch am ersten Träger vorgesehene Rasthaken gehalten werden. Die Rasthaken können einstückig mit dem ersten Träger, insbesondere durch Spritzguss, hergestellt sein. Das Halten des zweiten Trägers durch die Rasthaken erlaubt eine sichere Positionierung der Membran vor dem Verschweißen mit der Auflage und erhöht darüber hinaus die Haltbarkeit der Verschweißung, weil diese mechanisch weniger belastet wird, weil die Membran außer durch die Verschweißung noch durch den zweiten Träger in einer definierten Position gehalten wird. Die Membran kann aus einem thermoplastischen Elastomer bestehen.

Besonders bevorzugt ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils, bei welcher in dem Träger zwischen der ersten und der zweiten Flüssigkeitsleitung eine dritte Flüssigkeitsleitung hindurch verläuft. Das Ventil erlaubt dadurch in einem flüssigkeitsleitenden System auf einfache Weise eine Kreuzung von Flüssigkeitsleitungen. Das ist insbesondere bei komplexen flüssigkeitsleitenden Systemen, bei welchen die Flüssigkeitsleitungen im Wesentlichen in einer Ebene verlaufen, wichtig, weil Kreuzungen ansonsten technisch nur relativ aufwändig zu realisieren sind.

Besonders bevorzugt ist das Ventil Bestandteil eines flüssigkeitsleitenden, insbesondere mikrofluidischen, Systems. Unter einem flüssigkeitsleitenden bzw. fluidischen System versteht man eine Anordnung flüssigkeitsleitend bzw. fluidisch miteinander verbundener Flüssigkeitsleitungen und Flüssigkeitskammern.

Bei einem mikrofluidischen System handelt es sich um ein flüssigkeitsleitendes System, bei welchem die Flüssigkeitsleitungen in einem überwiegenden Teil der Länge der Flüssigkeitsleitungen einen Durchmesser oder eine Diagonale aufweisen, der/die kürzer als 2 mm, insbesondere kürzer als 1 mm, bevorzugt kürzer als 0,5 mm, ist.

Das flüssigkeitsleitende System kann wie folgt aufgebaut sein: In dem ersten Träger verlaufende Flüssigkeitsleitungen verlaufen im Wesentlichen in einer Ebene und sind als einsei tig offene Kanäle ausgebildet. Diese Kanäle sind von einem Verschlussmittel, z. B. einer durch ein Spritzgussverfahren hergestellten Kunststoffplatte oder einer Folie, verschlossen, die mit dem ersten Träger durch Laserschweißen entlang der offenen Kanäle mit dem Träger fest verbunden worden ist. Für das Herstellungsverfahren ist es besonders vorteilhaft, wenn die Verschlussplatte für Laserlicht transparent ist, während der erste Träger aus einem Laserlicht absorbierenden Material besteht. Die Verschlussplatte lässt sich dadurch zuverlässig mit dem ersten Träger verbinden und weist hohe Dichtigkeit und Druckstabilität der Flüssigkeitsleitungen auf. Insbesondere bei einem flüssigkeitsleitenden System mit mehreren der erfindungsgemäßen Ventile ist es vorteilhaft, wenn die Membran mit einem zweiten Träger verbunden ist, weil dann ein Träger mit einer Membran für die Bereitstellung mehrerer Ventile verwendet werden kann. Sowohl der erste Träger als auch die Membran und der zweite Träger können in einem Spritzgussverfahren hergestellt werden. Die Verschlussplatte und die Membran können mit dem bevorzugt aus einem Laserlicht absorbierenden Material bestehenden ersten Träger durch Laserschweißen verbunden werden. Insgesamt kann das gesamte flüssigkeitsleitende System einschließlich der Ventile auf diese Art und Weise sehr einfach und kostengünstig und in großen Stückzahlen hergestellt werden. Diese Art der günstigen Herstellung resultiert in Flüssigkeitsleitungen, welche im Wesentlichen in einer Ebene verlaufen. In einem solchen System sind die erfindungsgemäßen Ventile besonders vorteilhaft, weil sie auf einfache Weise die Kreuzung von Flüssigkeitsleitungen ermöglichen.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Ventils, bei welchem die Membran ringsum beabstandet zu der Ausnehmung auf einer gegenüber der umgebenden Oberfläche des ersten Trägers erhöhten Auflage durch Verschweißen mit der Auflage fixiert wird.

Der erste Träger und die Auflage können einstückig hergestellt werden. Besonders bevorzugt ist es, wenn die Membran mit der Auflage mittels Laserschweißen verschweißt wird. Das Laserschweißen ermöglicht eine besonders zuverlässige Verbindung der Membran mit der Auflage. Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Membran zusammen mit einem im Bereich der Ausnehmung einen Durchbruch aufweisenden zweiten Träger in einem 2K-Spritzgussverfahren hergestellt wird. Der zweite Träger und die Membran können aus einem Laserlicht nicht oder nicht wesentlich absorbierenden Material und die Auflage aus einem Laserlicht absorbierenden Material bestehen. Das Verschweißen der Auflage mit der Membran erfolgt dann, indem ein Laserstrahl durch den zweiter Träger und die Membran hindurch auf die Auflage gerichtet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der zweite Träger am ersten Träger durch am ersten Träger vorgesehene Rasthaken, insbesondere beim Verschweißen der Auflage mit der Membran, gehalten wird. Dadurch ist eine präzise Herstellung des Ventils auf besonders einfache Weise möglich. Der zweite Träger kann einfach mit den Rasthaken verrastet werden, so dass sich dadurch die Membran im Verhältnis zur Auflage bereits in der richtigen Position befindet. Eine weitere Sicherung der Membran gegen ein Verrutschen ist nicht erforderlich. Das Verfahren ist einfach und präzise und führt zu einer besonders dichten und festen Verbindung zwischen der Membran und der Auflage.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den jeweils angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Nachfolgend wird eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein erfindungsgemäßes Ventil in geöffnetem Zustand,
2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils in geschlossenem Zustand und
3 eine schematische Darstellung des ersten Trägers in Aufsicht mit einer Darstellung darin verlaufender Flüssigkeitsleitungen.
Das in 1 dargestellte erfindungsgemäße Ventil 10 wird durch eine Ausnehmung 13 in einem ersten Träger 12 gebildet, in die eine erste Flüssigkeitsleitung 14 über eine erste Öffnung 18 und eine zweite Flüssigkeitsleitung 16 über eine zweite Öffnung 19 mündet. Mit dem Bezugszeichen 28 ist eine senkrecht zur ersten 14 und zweiten Flüssigkeitsleitung 16 verlaufende dritte Flüssigkeitsleitung 28 bezeichnet. Die erste 14, zweite 16 und dritte Flüssigkeitsleitung 28 sind als zumindest teilweise offene Leitungen in dem ersten Träger 12 gebildet und durch die Verschlussplatte 17 flüssigkeitsdicht so verschlossen, dass darin jeweils eine Flüssigkeit fließen kann. Die flexible Membran 20 ist mit dem zweiten Träger 24 verbunden. Der zweite Träger 24 weist einen Durchbruch 23 auf, welcher das Betätigen der Membran 20, beispielsweise durch den Stößel 30, erlaubt. Die Membran 20 ist mit der erhöhten Auflage 22 durch Verschweißen fest verbunden. Durch die Membran 20 und den ersten Träger 12 wird ein flüssigkeitsdichter Raum 21 gebildet. Flüssigkeit, welche durch die erste Flüssigkeitsleitung 14 über die erste Öffnung 18 in diesen Raum 21 gelangt, kann über die zweite Öffnung 19 und die zweite Flüssigkeitsleitung 16 weiterfließen. Der zweite Träger 24 wird durch am ersten Träger 12 angeordnete Rasthaken 26 gehalten. Zum Schließen des Ventils 10 wird der Stößel 30, welcher eine der Form der konkaven Ausnehmung 13 entsprechende konvexe Form aufweist, zusammen mit der Membran 20 in die Ausnehmung 13 hineingedrückt. Dadurch werden die erste 18 und zweite Öffnung 19 verschlossen. Ein Flüssigkeitsdurchtritt durch das Ventil 10 ist nicht mehr möglich.
3 zeigt den ersten Träger 12 in Aufsicht mit der darin verlaufenden ersten 14, zweiten 16 und dritten Flüssigkeitsleitung 28 und den in die Ausnehmung 13 mündenden Öffnungen 18, 19. 3 zeigt deutlich, dass durch das Ventil 10 auf einfache Art und Weise eine Kreuzung von Flüssigkeitsleitungen 14, 16, 28 in einem fluidischen System realisiert werden kann.

10: Ventil
12: erster Träger
13: Ausnehmung
14: erste Flüssigkeitsleitung
16: zweite Flüssigkeitsleitung
17: Verschlussplatte
18: erste Öffnung
19: zweite Öffnung
20: Membran
21: Raum
22: Auflage
23: Durchbruch
24: zweiter Träger
26: Rasthaken
28: dritte Flüssigkeitsleitung
30: Stößel

Claims

Ventil (10) zur Absperrung einer flüssigkeitsleitenden Verbindung zwischen einer ersten (14) und einer zweiten in einem festen ersten Träger (12) verlaufenden Flüssigkeitsleitung (16), wobei eine konkave Ausnehmung (13) in dem ersten Träger (12) eine erste Öffnung (18) aufweist, in welche die erste Flüssigkeitsleitung (14) mündet, und eine zweite Öffnung (19) aufweist, in welche die zweite Flüssigkeitsleitung (16) mündet, wobei eine flexible Membran (20) vorgesehen ist, welche die konkave Ausnehmung (13) so verschließt, dass dadurch ein Raum (21) gebildet wird, durch den hindurch ein Flüssigkeitsfluss zwischen der ersten (18) und der zweiten Öffnung (19) möglich ist, wobei die Membran (20) so angeordnet ist, dass sie durch ein Mittel zum Ausüben eines Drucks auf die Membran (20) so in die konkave Ausnehmung (13) gedrückt werden kann, dass dadurch der Flüssigkeitsfluss unterbrochen wird, wobei die Membran (20) ringsum beabstandet zu der Ausnehmung (13) auf einer gegenüber der umgebenden Oberfläche des ersten Trägers (12) erhöhten Auflage (22) fixiert ist.
Ventil (10) nach Anspruch 1, wobei der erste Träger (12) und die Auflage (22) einstückig sind.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (20) mit der Auflage (22), insbesondere mittels Laserschweißen, verschweißt ist.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (20) mit einem im Bereich der Ausnehmung (13) einen Durchbruch (23) aufweisenden zweiten Träger (24) verbunden ist.
Ventil (10) nach Anspruch 4, wobei die Membran (20) und der zweite Träger (24) in einem 2K-Spritzgussverfahren hergestellt sind.
Ventil (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der zweite Träger (24) und die Membran (20) aus einem Laserlicht nicht oder nicht wesentlich absorbierenden Material und die Auflage (22) aus einem Laserlicht absorbierenden Material, insbesondere einem spritzgegossenen Kunststoff, vorzugsweise Polycarbonat, bestehen.
Ventil (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei der zweite Träger (24) am ersten Träger (12) durch am ersten Träger (12) vorgesehene Rasthaken (26) gehalten wird.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Membran (20) aus einem thermoplastischen Elastomer besteht.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem ersten Träger (12) zwischen der ersten (14) und der zweiten Flüssigkeitsleitung (16) eine dritte Flüssigkeitsleitung (28) hindurch verläuft.
Ventil (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (10) Bestandteil eines flüssigkeitsleitenden, insbesondere mikrofluidischen, Systems ist.
Verfahren zur Herstellung eines Ventils (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine erste (14) und eine zweite in einem festen ersten Träger (12) verlaufende Flüssigkeitsleitung (16) vorgesehen ist, wobei eine konkave Ausnehmung (13) in dem ersten Träger (12) eine erste Öffnung (18) aufweist, in welche die erste Flüssigkeitsleitung (14) mündet, und eine zweite Öffnung (19) aufweist, in welche die zweite Flüssigkeitsleitung (16) mündet, wobei eine flexible Membran (20) vorgesehen ist, welche die konkave Ausnehmung (13) so verschließt, dass dadurch ein Raum (21) gebildet wird, durch den hindurch ein Flüssigkeitsfluss zwischen der ersten (18) und der zweiten Öffnung (19) möglich ist, wobei die Membran (20) so angeordnet ist, dass sie durch ein Mittel zum Ausüben eines Drucks auf die Membran (20) so in die konkave Ausnehmung (13) gedrückt werden kann, dass dadurch der Flüssigkeitsfluss unterbrochen wird, wobei die Membran (20) ringsum beabstandet zu der Ausnehmung (13) auf einer gegenüber der umgebenden Oberfläche des ersten Trägers (12) erhöhten Auflage (22) durch Verschweißen mit der Auflage (22) fixiert wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der erste Träger (12) und die Auflage (22) einstückig durch ein Spritzgussverfahren hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Membran (20) mit der Auflage (22) mittels Laserschweißen verschweißt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die Membran (20) zusammen mit einem im Bereich der Ausnehmung (13) einen Durchbruch (23) aufweisenden zweiten Träger (24) in einem 2K-Spritzgussverfahren hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei der zweite Träger (24) und die Membran (20) aus einem Laserlicht nicht oder nicht wesentlich absorbierenden Material und die Auflage (22) aus einem Laserlicht absorbierenden Material bestehen und das Verschweißen der Auflage (22) mit der Membran (20) erfolgt, indem ein Laserstrahl durch den zweiten Träger (24) und die Membran (20) hindurch auf die Auflage (22) gerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, wobei der zweite Träger (24) am ersten Träger (12) durch am ersten Träger (12) vorgesehene Rasthaken (26), insbesondere beim Verschweißen der Auflage (22) mit der Membran (20), gehalten wird.