DE69531430T2

DE69531430T2 - Entlastungsventil

Info

Publication number: DE69531430T2
Application number: DE69531430T
Authority: DE
Inventors: Bruce E. Behringer
Original assignee: Bayer AG; Bayer Corp
Current assignee: Bayer AG; Bayer Corp
Priority date: 1994-10-07
Filing date: 1995-09-25
Publication date: 2004-07-01
Anticipated expiration: 2015-09-26
Also published as: EP0706004B1; JPH08210529A; ES2203627T3; DE69531430D1; EP0706004A3; EP0706004A2

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckausgleichsventil mit biegsamer Membran zur Verwendung in einem Miniatur-Hydraulik-Einheitsfluid-Kreislaufmodul.
Der derzeitige Stand der Technik auf dem Gebiet der vereinheitlichten Fluid-Kreislauf/Schaltkreis-Technologie beinhaltet die Anwendung einer biegsamen Schicht oder Membran, die als Sandwich zwischen Blöcken aus Acryl oder ähnlichen Materialien angeordnet sind. Aushöhlungen werden maschinell in die Blöcke eingearbeitet, um Ventile zu erzeugen, und bei deren Verbindung müssen diese Ventile durch einen getrennten Luft-Weg geöffnet und geschlossen werden, welcher zwischen Druck und Vakuum hin- und hergeht. Weitere Gase und Flüssigkeiten können für eine solche Steuerung angewandt werden. Zum Wechsel zwischen Druck und Vakuum wird eine Steuerungsquelle benötigt, und diese besteht gewöhnlich aus einem Drei-Wege-Solenoid-Ventil und elektronischen Steuerungen. Getrennte Ventile und Steuerungen sind gewöhnlich für jedes Fluid-Ventil notwendig.
Oft werden einfache Fluid-Kreisläufe mit einem Fluss nur in einer Richtung übermäßig komplex, weil zusätzliche Steuer-Ventile benötigt werden. Dies trägt zu Kosten, Größe, Energiebedarf und Hitzeausstoß des Gesamtsystems bei.
In US 3,844,529 ist ein Fluid-Erhöhungs- oder -Steuerungsventil offenbart. Das Fluid-Ventil weist eine Vielzahl von Öffnungen, die sich auf eine darin ausgebildete Haupt-Innenkammer erstrecken, und eine Membran auf, die sich quer durch die genannte Innenkammer erstreckt und die Innenkammer in obere und untere Bereiche aufteilt. Die Membran reagiert auf ein Druck-Signal, das auf die eine Seite davon angewandt wird, um den Fluß des Fluids aus der Druckbeaufschlagung durch den Bereich gegenüber der Seite der Membran zu beschränken, auf welche das Druck-Signal ausgeübt wird, wodurch ein Druckanstiegsdifferenzial quer über die beschränkte Fläche entsteht. Mit dem vorliegenden Ventil als Verstärker ist die Fläche hohen Drucks des Druckdifferenzials eine lineare Amplifikation des Druck-Eingabesignals.
Aus DE-A-3 209 643 ist ein Ventil bekannt, das zwei Elemente mit einer dazwischen liegenden Membran umfasst. Das erste Element dient zur Leitung des fluiden Mediums, wogegen das zweite Element dazu dient, die Membran pneumatisch zu bewegen. Beide Elemente sind durch die Membran getrennt.
Das zweite Element ist ein Hohlkörper, der unter Druck gesetzt werden kann, um das Ventil durch Drücken der Membran in eine Schließ-Position zu schließen, oder der unter Vakuum gesetzt werden kann, um das Ventil durch Freisetzen der Membran aus der Schließ-Position zu öffnen.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die mit Ventilen des Standes der Technik verbundenen Nachteile zu beseitigen und ein Druckausgleichsventil bereitzustellen, das einen Fluß in nur einer Richtung zulässt und passiv wirkt. Dies beseitigt die Notwendigkeit für Dreiwege-Solenoid-Ventile und auch der damit verbundenen Leitungen des Energiebedarfs und des Steuerungssystems.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Druckausgleichsventil bewerkstelligt, umfassend erste und zweite starre Schichten mit einer biegsamen Schicht, die dazwischen angeordnet ist, und Mittel, die mindestens eine Aushöhlung auf der einen sowie der anderen Seite der biegsamen Schicht bilden. Die biegsame Schicht ist so angeordnet, dass sie in eine Extremposition in der Aushöhlung bewegt werden kann. Ein Steuerungs-Durchgang öffnet sich in die Aushöhlung auf der einen Seite der biegsamen Schicht, und Einlass- und Auslass-Durchgänge stehen in Verbindung mit der Aushöhlung auf der anderen Seite der biegsamen Schicht. Die Einlass- und Auslass-Durchgänge werden daran gehindert, miteinander in Verbindung zu gelangen, wenn die biegsame Schicht in der einen Extremposition vorliegt, und es sind Mittel vorgesehen, einen ersten Fluid-Druck auf die Steuerung auszuüben, um die biegsame Membran in diese eine Extremposition zu verschieben. Als Ergebnis fließt Einlass-Fluid aus dem Einlass-Durchgang zum Auslass-Durchgang, wenn der Druck des Einlass-Fluids den ersten Fluid-Druck übersteigt.
Die Aushöhlung weist eine konkave Oberfläche auf. Ein starres Stützglied ist auf der biegsamen Schicht montiert. Die starre Stützschicht erstreckt sich vorzugsweise, um über den Öffnungen der Einlass- und Auslass-Durchgänge zu liegen. Die starre Stützschicht wirkt, um die Oberflächenfläche des Verschlusses zu vergrößern und den Bruchdruck zu erhöhen.
In einer Ausführungsform öffnet sich der Einlass-Durchgang in die Aushöhlung an einem Zentralbereich der konkaven Oberfläche, und der Auslass-Durchgang öffnet sich in die Aushöhlung an einer Seite des Zentralbereichs. Zum guten Verschluß der biegsamen Schicht in der Extremposition weist die konkave Oberfläche in einer bevorzugten Ausführungsform einen Grat um die Öffnung des Einlass-Durchgangs herum auf.
Das Druckausgleichsventil gemäß der vorliegenden Erfindung kann in fluiden Systemen und in fluiden Systemen und Komponenten angewandt werden, die genietet, geklammert, solvent verschweißt oder durch Klebstoffe oder durch Fusionsbindung verbunden sind, wie in US 4,875,956 offenbart.
Die Aushöhlung kann mit einer konkav-konvexen Oberfläche und mit Durchgangswegen konfiguriert sein, die in der parallelen Anmeldung S. N. (Miles 229), angemeldet am selben Tag wie die vorliegende Anmeldung und von derselbe Anmelderin, gezeigt sind.
Das Druckausgleichsventil gemäß der vorliegenden Erfindung wird vorzugsweise in vereinheitlichten Fluid-Kreisläufen für klinische Diagnose-Analysegeräte für Hämatologie, Chemie, Chemikalen und Immunologie angewandt:
Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun noch detaillierter in der folgenden, ins Einzelne gehenden Beschreibung unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Querschnitt eines Druckausgleichsventils;
2 ist ein Detailausschnitt einer alternativen Ausführungsform der 3;
3 ist ein Querschnitt einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In 1, die keine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, weisen die starren Schichten 10 und 20 eine dazwischen montierte biegsame Schicht 30 auf. Die starre Schicht 10 weist eine planare Oberfläche 12 auf, und die starre Schicht 20 weist eine Aushöhlung durch die konkave Oberfläche 25 als Demarkation auf.
Ein Steuerungs-Durchgangsweg 11 erstreckt sich durch die starre Schicht 10 in die Aushöhlung und ist an eine Quelle niedrigen Drucks 2 angeschlossen.
Die starre Schicht 20 weist einen Einlass-Port aus Durchgang 21 und Durchgang 22 auf, welcher sich in die Aushöhlung an Oberfläche 25 an einem Zentralbereich davon öffnet, wie dargestellt. Ein Auslass-Port aus Druchgang 23 und Durchgang 24 öffnet sich an der konkaven Oberfläche 25 auf der einen Seite des Durchgangswegs.
Zum verbesserten Verschluss beim Einsatz des Druckausgleichsventils ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gemäß Anspruch 1 in 2 dargestellt, worin eine starre Schicht 20' an einer konkaven Oberfläche 25' einen Grat 26 aufweist, der die Öffnungen von Durchgang 22' in die Aushöhlung umgibt. Als Ergebnis dieser Struktur wird die biegsame Membran 30 besser gegen den Grat 26 ohne Leckage verschlossen.
Die Quelle niedrigen Drucks 2 ergibt einen niedrigen Druck zur Kammer, mit einer Demarkation durch die Oberfläche 12 und die biegsame Schicht 30, um die biegsame Schicht 30 in die in 1 dargestellte Extremposition so zu drücken, dass es im allgemeinen keine Verbindung zwischen dem Ein- und Auslass-Port gibt.
Da der Druck konstant ist, besteht kein Bedarf für ein Solenoid-Ventil mit all dem zu seinem Einsatz gehörenden Leitungs- und Steuerungssystem. Das Druckausgleichsventil wirkt in passiver Weise. Verschiedene Druckausgleichsventilkammern können maschinell zu einem Einzelblock aus starren Schichten gefertigt sein, so dass eine Einzeldruckquelle allen gemeinsam sein kann und es nur einer Druckversorgungsleitung bedarf, um viele Druckausgleichsventile zu speisen.
Das Druckniveau aus der Druckquelle 2 in die Niederdruckkammer, die zwischen Oberfläche 25 und biegsamer Schicht 30 gebildet wird, ist der Bruchdruck des Druckausgleichsventils. Übersteigt der Druck am Einlass-Port sowohl den niedrigen Druck, der an diese Niederdruckkammer angelegt wird, als auch den Druck am Auslass-Port, fließt Fluid vom Einlass zum Auslass. Da die so konstruierte biegsame Schicht eher wie eine biegsame Membran als wie eine starre Membran wirkt, ist die Größe der Ein- oder Auslass-Ports belanglos. Der Kammer-Druck muss höher als der Auslass-Druck sein, um einen umgekehrten Fluss zu verhindern. Sehr oft steht, in Analysegeräten, der Einlass-Port unter einem Vakuum während eines Zyklus, und dies erzeugt einen noch dichteren Verschluss, und dies bei dem auf die Niederdruckkammer angelegten konstanten niedrigen Druck.
In der in 3 dargestellten Ausführungsform der Erfindung weist das Druckausgleichsventil 100 zwei starre Schichten 110 und 120 mit einer biegsamen Schicht 130 dazwischen auf. In dieser Ausführungsform weist die starre Schicht 110 eine durch eine konkave Oberfläche 112 gebildete Aushöhlung und einen Steuerungs-Durchgang 111 auf, an den eine Quelle eines Niederdruckfluids 200 angelegt wird.
Die starre Schicht 120 weist einen Einlass-Port aus Durchgang 121 und 122 auf, der sich am Zentrum einer Konkavoberfläche 125 öffnet, die eine Aushöhlung in der zweiten starren Schicht 120 bildet. Ein Auslass-Port ist durch die Durchgänge 123 und 124 gebildet, welcher sich an der Konkavoberfläche hin zu einer Seite des Durchgangs 122 öffnet.
In dieser Ausführungsform weist die biegsame Schicht 130, die wie eine biegsame Membran in den Aushöhlungen wirkt, eine starre Stützschicht 140 auf, die darauf angeordnet ist und gegenüber der Konkavoberfäche 112 liegt. Die starre Stützschicht vergrößert die Oberflächenfläche der biegsamen Membran, da sie die Deformation der Membran an den Durchgängen 122 und 124 verhindert.
Wie in der Ausführungsform von 1 kann die Öffnung von Durchgang 122 an der Oberfläche 125 von einem Verschlussgrat umgeben sein, wie in der Ausführungsform von 2.
Die starre Stütze ist vorzugsweise konfiguriert, um die gleiche Kurvatur wie die konkave Oberfläche 125 aufzuweisen, und sie erstreckt sich, um über den beiden Öffnungen der Durchgänge 122 und 124 zu liegen.
Der Bruchdruck des Druckausgleichsventils in dieser Ausführungsform ist der Einlass-Druck, der hinreicht, um die starre biegsame Stütz-Membran weg vom Einlass-Sitz zu bewegen und einen Fluß zu ermöglichen. Dies erfolgt, wenn die Kraft auf der Einlaß-Seite die Kraft aus der Niederdruckkammer-Seite übersteigt, die zwischen der biegsamen Schicht und der konkaven Oberfläche 112 liegt. Die Kraft auf der Einlass-Seite in der geschlossenen Position ist eine Funktion des Einlass-Drucks und der Einlass-Portfläche und kann durch die Gleichung ausgedrückt werden: Fi = PiAi, worin Fi die Kraft auf der Einlass-Seite, Pi der Druck am Einlass und Ai die Fläche des Einlass-Ports sind.
Die Kraft aus der Kammer-Seite ist eine Funktion des Kammer-Drucks und der Fläche des starren Stützglieds und kann durch die Gleichung ausgedrückt werden: Fc = KPcAb, worin Fc die Kraft auf der Kammer-Seite, Pc der Druck in der Kammer, Ab die Fläche der starren Stütze und K eine Proportionalitätskonstante sind.
Der Druck und die Fläche am Auslass-Port üben ebenfalls einen kleinen Effekt auf den Bruchdruck aus. Die Ein- und Auslass-Portgrößen sowie die Größe des starren Stützglieds und das Druckniveau in der Niederdruckkammer üben alle einen Effekt auf den Bruchdruck aus und können unabhängig dimensioniert sein, um die Fließcharakteristika zu erhalten, die vom Druckausgleichsventil gewünscht werden.
Zusammenfassend, wird ein höherer Bruchdruck für einen niedrigen Druck mit der Stützschicht als ohne sie erzielt. Somit kann mit der gleichen Druckversorgungsleitung, die viele Druckausgleichsventile speist, der individuelle Druckausgleichsventil-Bruchdruck durch Variieren der Fläche des Stützglieds variiert werden.
Die oben beschriebenen Ventile können auch als Pilotbetriebene Druckausgleichsventile angewandt und eingesetzt werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die starren Schichten aus voll normalisiertem Klarguss-Acryl und die biegsame Schicht aus Silicon-Scheibenmaterial zusammengesetzt. Jede der starren Schichten ist ca. 0,10 bis 0,25'' (ca. 0,25 bis 0,62 cm) dick, und die biegsame Schicht ist ca. 0,01'' (ca. 0,025 cm) dick und weist einen Durchmesser von 0,375'' (ca. 0,94 cm) auf. Die Fluid-Durchgangswege weisen einen Durchmesser von annähernd 0,02'' (0,05 cm) und die konkaven Oberflächen weisen einen Durchmesser von 0,156'' (0,39 cm), einen Kugelradius von 0,1'' (0,25 cm) und eine Tiefe von ca. 0,025'' (ca. 0,062 cm) auf.
Es sollte klar sein, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen lediglich Beispiele darstellen und den Umfang der Erfindung nicht einschränken sollen. Es ist davon auszugehen, dass verschiedene Änderungen, Abänderungen, Umgestaltungen und Modifikationen von den Fachleuten durchgeführt werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung wesentlich abzuweichen.

Claims

Druckausgleichsventil (100), umfassend: erste und zweite starre Schichten (110, 120) mit einer dazwischen angeordneten biegsamen Schicht (130) und Mitteln zur Bildung einer Aushöhlung auf der einen sowie auf der anderen Seite der biegsamen Schicht, einen Einlass-Durchgang (121, 122) und einen Auslass-Durchgang (123, 124) in Verbindung mit der Aushöhlung auf der einen Seite der biegsamen Schicht (130), einen Steuerungs-Durchgang (111), der sich in die Aushöhlung auf der anderen Seite der biegsamen Schicht (130) öffnet, wobei die biegsame Schicht (130) in eine Extremposition in der genannten Aushöhlung bewegbar ist und das Druckausgleichsventil (100) Mittel (200) umfasst, um einen ersten Fluid-Druck auf den Steuerungs-Durchgang (111) zu ergeben, um die biegsame Schicht (130) in die eine Extremposition zu verschieben, und die Einlass-(121, 122)- und Auslass-(123, 124)-Durchgänge daran gehindert werden, miteinander in Verbindung zu stehen, wenn sich die biegsame Schicht (130) in der einen Extremposition befindet, und wobei das Einlass-Fluid aus dem Einlass-Durchgang (121, 122) zum Auslass-Durchgang (123, 124) fliesst, wenn der Druck des Einlass-Fluids den ersten Fluid-Druck übersteigt, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung auf der einen Seite der biegsamen Schicht (130) eine konkave Oberfläche (125) aufweist und ein starres Stützglied (140) auf der anderen Seite der biegsamen Schicht (130) montiert ist, worin das Stützglied (140) über die Öffnungen des Einlass-Ports (122) und des Auslass-Ports (124) zu liegen kommt, wenn sich die biegsame Schicht (130) in der einen Extremposition befindet.
Druckausgleichsventil (100) gemäß Anspruch 1, worin sich der Einlass-Durchgang (122) in die Aushöhlung an einem Zentralbereich der konkaven Oberfläche (125) öffnet, worin sich der Auslass-Durchgang (124) in die Aushöhlung auf einer Seite des Zentralbereichs der konkaven Oberfläche (125) öffnet.
Druckausgleichsventil (100) gemäß Anspruch 2, worin die konkave Oberfläche (25') einen Grat (26) um die Öffnung des Einlass-Durchgangs (22') herum aufweist, um einen Verschluss mit der biegsamen Schicht (130) zu bewirken, wenn sie in der einen Extremposition vorliegt.
Druckausgleichsventil (100) gemäß Ansprüchen 1 bis 3, worin das starre Stützglied (140) eine konvexe Oberfläche aufweist, die auf die biegsame Schicht (130) montiert ist.
Druckausgleichsventil (100) gemäß Anspruch 4, worin die konvexe und konkave Oberfläche (125) die gleiche Krümmung aufweisen.