JP2006189161A - 弁 - Google Patents

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Abstract

【課題】 双安定状態を利用して、エネルギー消耗が小さく、さらに弁に作用する流圧が十分でない場合でも、漏れを低減することができる弁を提供する。
【解決手段】 プランジャ210と、プランジャ210が往復動できる第1領域222と第2領域224とを有する作動室220と、第1領域222と第2領域224のそれぞれの周辺に設けられて、プランジャ210の存在する領域に作動磁界を形成する第1電磁石230及び第2電磁石240、第1領域222と第2領域224との間の作動室220に設けられて、作動室220に流体を流入する流入部250、及び第1領域222に対して離隔される方向に前記第2領域224の終端部に設けられた第2流出口260を備えることを特徴とする弁である。
【選択図】図2

Description

本発明は、弁に関する。特に電磁石の作用を利用し、双安定のボール弁に関する。
弁装置は、一般的に配管に連結して、流体の流量や圧力を制御する装置をいう。弁のうちボール弁は、流体チャンネルを通じた流体制御装置、試薬とサンプルのための流体スイッチ、及びサンプル吸入、測定、リンスのための流体輸送手段であって、マイクロ流体システムの必須的な要素のうち一つであるマイクロ弁として利用されてきた。
図1は、従来の電磁石を利用したボール弁の断面図である(非特許文献1参照)。
図1に示すように、前記従来のボール弁は、流出路112とテーパ型の弁座114とを備えるチャンネル部110、チャンネル部110上に設けられて、弁座114の拡幅側端部と連結される流入路を備えるカバー部130、弁座114上に設けられるボール120、及びカバー部130の裏面に設けられて、ボール120に磁力を印加する電磁石140を備える。
外部電源(図示せず)から電磁石140に電流が加えられれば、電磁石のコイル周辺に磁場が形成される。ボール120が磁場によりカバー部130まで上がれば、弁は、開状態が維持される。
しかし、前記のような構造の従来の弁は、開状態の間に電磁石に磁場を発生させるために電流が供給され続けねばならないので、開状態のときにエネルギーが消耗されるという問題点がある。
また、前記のような弁は、流体の圧力で閉鎖定常状態を維持するが、十分な流圧が維持されなければ、漏れが発生するという問題点がある。
O.Krusemark,A.Feustel,and J.Muller,μTAS’98,1998,pp.399−402
本発明が解決しようとする課題は、双安定状態を利用してエネルギー消耗が小さい弁を提供するところにある。
本発明が解決しようとする他の課題は、弁に作用する流圧が十分でない場合でも、漏れを低減することができる弁を提供するところにある。
本発明の望ましい一実施形態による本発明の弁は、プランジャ、前記プランジャが往復動できる第1領域と第2領域とを有する作動室、前記第1領域と前記第2領域の周辺それぞれに設けられて、前記プランジャに作動磁界を形成する第1電磁石及び第2電磁石、前記第1領域と前記第2領域との間の作動室に設けられて、前記作動室に流体を流入する流入部、及び前記第1領域に対して離隔される方向に前記第2領域の終端部に設けられた第2流出口を備える。
前記第2流出口には、前記プランジャを停止させるために第2弁座が備えられることが望ましく、これは、ポリマーから形成されうる。前記第2弁座の周囲には、前記第2弁座に近接した前記プランジャに引力を印加する第2磁石部がさらに備えられることが望ましい。前記流入部の一側面と前記第1領域の終端部とを連結して、前記プランジャの移動を容易にする定圧路がさらに備えられることが望ましい。
本発明の望ましい他の実施形態による本発明の弁は、流体の移動を選択的に制御するために、前記第2領域に対して離隔される方向に前記第1領域の終端部に設けられる第1流出口を備える。前記第1流出口には、前記プランジャが接触される第1弁座がさらに備えられることが望ましく、これは、ポリマーから形成されうる。また、前記第1弁座の周囲には、前記第1弁座に近接した前記プランジャに引力を印加する第1磁石部がさらに備えられることが望ましい。
前記プランジャは、強磁性体から形成され、前記プランジャの外部には、弁をシーリングする弾性材のコーティング膜がさらに形成されることが望ましい。
本発明による弁は、弁の開放または閉鎖時において、流体による流圧により安定した状態を維持し、弁が開放から閉鎖に移行する時にのみ、プランジャに引力を加えるために、磁場を発生させる電磁石がエネルギーを消耗する。したがって、弁のエネルギー消耗が少ない。
さらに、第1電磁石及び第2電磁石が、プランジャに引力を印加することから、流体による流圧が十分でない時でも漏れが低減される。
以下、本発明の実施形態による弁を、添付された図面を参照して詳細に説明する。図面で、弁を構成する各層の幅及び高さは、説明のために誇張されて図示されたということを留意せねばならない。
図2は、本発明の望ましい第1実施形態による弁を示す図面である。
図2に示すように、前記第1実施形態による弁は、プランジャ210、及びプランジャ210が往復動できる第1領域222と第2領域224とを有する作動室220を備える。第1領域222と第2領域224の周辺には、プランジャ210の存在する領域に作動磁界を形成する第1電磁石230及び第2電磁石240がそれぞれ設けられる。また、第1領域222と第2領域224との間における作動室220の一方の側部には、作動室220に流体を流入する流入部250が設けられ、第1領域222から離隔する第2領域224の終端部には、第2流出口260が設けられる。
望ましくは、閉状態から開状態への転換時、プランジャ210が第1領域222に容易に移動するように、流入部250の一側面と、第2領域224から離隔する第1領域222の終端部とを連結する定圧路290がさらに備えられる。また、作動室220は、流体が通過可能な限りにおいてあらゆる形態に形成され得て、例えば、チャンネルまたはチューブ形態を呈する。
前記第1電磁石230及び第2電磁石240は、外部電源(図示せず)から加えられる電流により、電磁石の周辺に磁場を形成する。形成された磁場は、プランジャ210を移動させることができる引力となる。この際、第1電磁石230及び第2電磁石240は、一つのソレノイドまたは二つのソレノイドなどからなることができる。また、第1電磁石230及び第2電磁石240は、プランジャ210に対して、接触すること無く、制御された磁力を作用可能なものであり、例えば、リニアモータによって動作するマイクロコイルや永久磁石などのマイクロ電磁石などからなる。
プランジャ210は、第1電磁石230及び第2電磁石240で発生した磁場により引力を受ける強磁性体からなる。また、プランジャ210は、作動室220内を移動でき、閉状態時に弁をシーリングするために、第2弁座270に対応する形態であれば、いかなる形態も呈し得て、例えば、球形、テーパ型、楕円形などを呈し得る。さらに望ましくは、プランジャ210の外部に弁をシーリングする弾性材のコーティング膜がさらに形成されうる。
前記第1実施形態において、第2流出口260に設けられて、プランジャ210が接触される第2弁座270がさらに備えられることが望ましい。ここで、第2弁座270は、機密性にすぐれて力学的に安定した弁座となるために、ポリマー材料によって形成される。さらに望ましくは、十分でない流圧によりプランジャ210がシーリングできなくて生じる漏れを減らすために、第2弁座270の周囲に設けられて、第1弁座320に近接したプランジャ210または310に引力を加える第2磁石部280がさらに備えられ、第2磁石部280は、例えば永久磁石あるいは電磁石から形成され得る。
図3は、前記本発明の望ましい第1実施形態による弁において、開放定常状態から閉鎖定常状態に移行する作動順序を示す図面である。
前記第1実施形態による弁の作動は、プランジャ210が第1領域222に位置し、第1電磁石230及び第2電磁石240に電流が印加されない第1ステージ、第1電磁石230に電流が印加され、第2電磁石240に電流が印加されない第2ステージ、第1電磁石230に電流が印加されず、第2電磁石240に電流が印加される第3ステージ、第1電磁石230及び第2電磁石240に電流が印加されない第4ステージの動作を含む。
前記第1ステージで、プランジャ210が第1領域222に位置し、流体が流入部250に流入して作動室220の第2領域224を通じて第2流出口260を通過するので、弁は、開放定常状態となる。前記第2ステージで、作動室220の内部のプランジャ210は、第1電磁石230で形成された磁場により、第1電磁石230と近い第1領域222内の位置まで移動する。前記第3ステージで、プランジャ210は、第2電磁石240で形成された磁場により、第2電磁石240と近い第2領域224内の位置まで移動する。前記第4ステージで、第2電磁石240と近い第2領域224内の位置まで移動したプランジャ210は、流圧及び作動室220で移動する流体の慣性により、第2弁座270まで移動する。そして、第2弁座270まで移動したプランジャ210は、流圧により第2弁座270との接触を維持する。プランジャ210と第2弁座270との接触により弁がシーリングされて、弁は、閉鎖定常状態を維持する。
図4及び図5は、前記本発明の望ましい第1実施形態による弁において、開放定常状態から閉鎖定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。図4に示すように、前記第2ステージは、第2電磁石240の磁場のみでプランジャ210を移動させることができれば省略できる。図5に示すように、前記第2ステージは、プランジャ210の移動のために、第1電磁石230と共に第2電磁石240に電流を印加することを含むことができる。
図6は、前記本発明の望ましい第1実施形態による弁において、閉鎖定常状態から開放定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。図6に示すように、前記第1実施形態による弁の作動は、プランジャ210が第2領域224に位置し、第1電磁石230及び第2電磁石240に電流が印加されない第1ステージ、第2電磁石240に電流が印加され、第1電磁石230に電流が印加されない第2ステージ、第1電磁石230に電流が印加され、第2電磁石240に電流が印加されない第3ステージ、第1電磁石230及び第2電磁石240に電流が印加されない第4ステージの動作を含む。
前記第1ステージで、流圧によりプランジャ210が第2弁座270と接触が維持されるので、弁は、閉鎖定常状態を維持する。前記第2ステージで、第2電磁石240にプランジャ210を移動可能な程度の磁場を形成するように電流を印加すれば、作動室220の内部のプランジャ210は、第2電磁石240で形成された磁場により、第2電磁石240と近い第2領域224内の位置まで移動する。前記第3ステージで、プランジャ210は、第1電磁石230で形成された磁場により、第1電磁石230と近い第1領域222内の位置まで移動する。前記第4ステージで、プランジャ210が第1領域222に位置し、流体が流入部250に流入して、作動室220の第2領域224を通じて第2流出口260を通過するので、弁は、開放定常状態を維持する。
図7及び図8は、前記本発明の望ましい第1実施形態による弁において、閉鎖定常状態から開放定常状態へ移行する他態様の作動順序を示す図面である。図7に示すように、前記第2ステージは、第1電磁石230の磁場のみでプランジャ210を移動させることができれば省略できる。図8に示すように、前記第2ステージは、プランジャ210の移動のために、第1電磁石230と共に第2電磁石240に電流を印加することを含むことができる。
以下、前記のような構成を有する本発明の望ましい第1実施形態による弁のテストのために、下記のようなコンピュータ模擬実験を行った。
図9は、コンピュータ模擬実験(CFD−ACE tool)に利用される本発明の望ましい第1実施形態による弁の概略的な断面図である。
図9に示すように、球形のプランジャ210の直径は、760μmである。球形のニッケルプランジャ210を収容し、第1領域及び第2領域を有する円筒形のテフロン(登録商標)作動室220の内周面直径は、900μm、外周面直径は、1200μmであり、長さは、2500μmである。第1電磁石230及び第2電磁石240が、第1領域222と第2領域224の周辺に、それぞれに設けられる。第1領域222と第2領域224との間の作動室220の側面に設けられた流体の流入部250の内周面直径は、200μmであり、外周面直径は、500μmである。テーパ型の第2弁座270は、第1領域222から離隔する第2領域224の終端部に設けられた第2流出口260と連結される。シリコンチューブは、第2弁座270と連結され、内周面直径は、600μm、外周面直径は、900μmである。第2領域224に対して離隔する方向に、第1領域222の終端部と流入部250の一側面とを連結する定圧路290の内周面直径は、200μmであり、外周面直径は、500μmである。また、定圧路290は、流入部250と、流体の流入方向に対して45°の角度で連結される。弁内に流れる流体は、水であり、弁の外部は、空気で満たされている。
図10は、前記本発明の第1実施形態において、各電磁石に印加される電流の大きさに応じて、第1領域222の終端部からプランジャ210に作用される力の大きさを示す図面である。
図11ないし図13は、前記本発明の望ましい第1実施形態による弁で、流体の流速Vinが0.0262m/sであるときに、各電磁石に印加される電流Iの大きさに応じて、第1領域222の終端部からプランジャ210に作用される力の大きさを示す図面である。図11は、第1電磁石に電流Iが印加された場合を示し、図12は、第2電磁石に電流Iが印加された場合を示し、図13は、第1電磁石及び第2電磁石に電流Iが印加された場合を示す。
図11ないし図13を通じて、それぞれの電磁石に印加された電流の大きさが大きくなるほど、球形のプランジャ210に印加された力の大きさも大きくなるということが分かる。また、各グラフにおいて、電流が33Aとなる場合を見ると明らかなように、所定のレベル以上の電流が印加されれば、プランジャ210に印加される主な力は、磁気力になるということが分かる。
図14及び図15は、第1実施形態による弁において、プランジャの移動位置を経時的に示す図面である。
図14を参照すれば、第1実施形態による弁で、開放定常状態から閉鎖定常状態への移行時に、各電磁石に電流を印加するとき、弁内のプランジャが移動して、弁は、0.040秒以後に閉鎖定常状態を維持するということが分かる。図15を参照すれば、第1実施形態における弁で、閉鎖定常状態から開放定常状態への移行時に、各電磁石に電流を印加するとき、弁内のプランジャが移動して、弁は、0.045秒以後に閉鎖定常状態を維持するということが分かる。
図16は、本発明の望ましい第2実施形態による弁を示す断面図である。ここで、図2に示した図面の符号と同じ符号は同じ構成要素を示すので、その説明を省略する。
図16に示すように、本発明の望ましい第2実施形態による弁は、流体の移動を選択的に制御するために、第2領域224から離隔する第1領域222の終端部に設けられる第1流出口310を備える。第1流出口310に、プランジャ210と接触する第1弁座320がさらに備えられることが望ましく、第1弁座320は、ポリマーから形成され得る。また、第1弁座320の周囲に、第1弁座320に近接するプランジャ210に引力を加える第1磁石部330がさらに備えられることが望ましい。
前記第2実施形態による弁は、流入部250を通じて流入した流体を、作動室220に収容されたプランジャ210の位置によって、選択的に第1流出口310または第2流出口260に移動させるための制御弁である。
図17は、前記本発明の望ましい第2実施形態による弁において、第2流出口260の開放定常状態から第1流出口310の開放定常状態に移行する作動順序を示す図面である。
図17に示すように、前記第2実施形態による弁の作動は、プランジャ210が第1領域222に位置し、第1電磁石230及び第2電磁石240に電流が印加されない第1ステージ、第1電磁石230に電流が印加され、第2電磁石240に電流が印加されない第2ステージ、第1電磁石230に電流が印加されず、第2電磁石240に電流が印加される第3ステージ、第1電磁石230及び第2電磁石240に電流が印加されない第4ステージの動作を含む。
前記第1ステージで、流圧によりプランジャ210が第1領域222中の第1弁座に位置し、流体が流入部250に流入して、作動室220の第2領域224を通じて第2流出口260を通過する。この際、弁は、第2流出口260の開放定常状態を維持する。前記第2ステージで、第1領域222内のプランジャ210は、第1電磁石230で形成された磁場により、第1電磁石230と近い第1領域222内の位置まで移動する。前記第3ステージで、第1電磁石230と近い第1領域222内の位置まで移動したプランジャ210は、第2電磁石240で形成された磁場により、第2電磁石240と近い第2領域224内の位置まで移動する。前記第4ステージで、第2電磁石240と近い作動室220の位置まで移動したプランジャ210は、流圧及び作動室220で移動する流体の慣性により第2弁座270まで移動する。そして、第2弁座270まで移動したプランジャ210は、流圧により第2弁座270との接触を維持する。プランジャ210と第2弁座270との接触は、弁をシーリングする。この際、流体は、第1流出口310を通過し、弁は、第1流出口310の開放定常状態を維持する。
図18及び図19は、前記本発明の望ましい第2の実施形態において、第2流出口260の開放定常状態から第1流出口310の開放定常状態へ移行する他態様の作動順序を示す図面である。図18に示すように、前記第2ステージは、第2電磁石240の磁場のみでプランジャ210を移動させることができれば省略できる。図19に示すように、前記第2ステージは、プランジャ210の移動のために、第1電磁石230と共に第2電磁石240に電流を印加することを含むことができる。
前記本発明の望ましい他の実施形態による弁において、第1流出口310の開放定常状態から第2流出口260の開放定常状態に移行する動作は、本実施形態の対称性により、図17ないし図19に示した動作と実質的に同一であるので、その説明を省略する。
前記のように、本発明による弁は、従来の電磁石を利用したボール弁と異なり、開放定常状態と閉鎖定常状態時に外部からエネルギーを供給しなくてもよく、開放定常状態から閉鎖定常状態への移行時にのみ、エネルギーを消耗する。そして、第1領域222と第2領域224にそれぞれ設けられた第1弁座320と第2弁座270とは、定常状態である時にプランジャとの接触面積を広げ、第1弁座320と第2弁座270の周囲に設けられた電磁石は、弁座に近接したプランジャ210に引力を印加して、流圧が十分でない時に発生する漏れを減らす。
また、本発明による弁は、対称的であるので、二方向の流れにも適用可能であるとともに、簡単な構造を有するため他の流体システムに容易に連結可能である。したがって、本発明による弁は、多用途の弁及び制御要素として利用可能であり、特にマイクロ単位で製造して生化学的なマイクロ流動システムで応用されうる。
本発明による弁は、開放または閉鎖時において、内部流圧により安定した状態を維持し、開放から閉鎖に移行する時にのみ、内部プランジャに引力を加える磁場を発生させる電磁石がエネルギーを消耗する。したがって、弁のエネルギー消耗が少ない。
また、弁の漏れは、弁座、弁座の周囲に設けられた磁石、プランジャ上に配置された弾性材のコーティング膜によって減少される。
本発明は、理解を助けるために、図面に示した実施形態を参考に説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者であれば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲により決まらねばならない。
本発明は、弁に関連の技術分野に適用可能である。
従来の電磁石を利用したボール弁の断面図である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁を示す図面である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁において、開放定常状態から閉鎖定常状態に移行する作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁において、開放定常状態から閉鎖定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁において、開放定常状態から閉鎖定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁において、閉鎖定常状態から開放定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁において、閉鎖定常状態から開放定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第1実施形態による弁において、閉鎖定常状態から開放定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。 コンピュータ模擬実験に利用される本発明の望ましい第1実施形態による弁の概略的な断面図である。 本発明の第1実施形態において、各電磁石に印加される電流の大きさに応じて、第1領域の終端部からプランジャに作用される力の大きさを示す図面である。 本発明の第1実施形態による弁で、流体の流速が0.0262m/sであるときに、各電磁石に印加される電流の大きさに応じて、第1領域の終端部からプランジャに作用される力の大きさを示す図面である。 本発明の第1実施形態による弁で、流体の流速が0.0262m/sであるときに、各電磁石に印加される電流の大きさに応じて、第1領域の終端部からプランジャに作用される力の大きさを、図11とは異なる態様で示す図面である。 本発明の第1実施形態による弁で、流体の流速が0.0262m/sであるときに、各電磁石に印加される電流の大きさに応じて、第1領域の終端部からプランジャに作用される力の大きさを、図11及び図12とは異なる態様で示す図面である。 第1実施形態による弁において、プランジャの移動位置を経時的に示す図面である。 第1実施形態による弁において、プランジャの移動位置を、図14とは他態様に、経時的に示す図面である。 本発明の望ましい第2実施形態による弁を示す断面図である。 本発明の望ましい第2実施形態において、第2流出口の開放定常状態から第1流出口の開放定常状態に移行する作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第2実施形態による弁において、第2流出口の開放定常状態から第1流出口の開放定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。 本発明の望ましい第2実施形態による弁において、第2流出口の開放定常状態から第1流出口の開放定常状態に移行する他態様の作動順序を示す図面である。
符号の説明
210 プランジャ、
220 作動室、
222 第1領域、
224 第2領域、
230 第1電磁石、
240 第2電磁石、
250 流入部、
260 第2流出口、
270 第2弁座、
280 第2磁石部、
290 定圧路。

Claims (11)

  1. プランジャと、
    前記プランジャが往復動できる第1領域と第2領域とを有する作動室と、
    前記第1領域と前記第2領域のそれぞれの周辺に設けられて、前記プランジャの存在する領域に作動磁界を形成する第1電磁石及び第2電磁石と、
    前記第1領域と前記第2領域との間の作動室に設けられて、前記作動室に流体を流入させる流入部と、
    前記第1領域から離隔する前記第2領域の終端部に設けられた第2流出口と、を備えることを特徴とする弁。
  2. 前記第2流出口に設けられて、前記プランジャと接触する第2弁座をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の弁。
  3. 前記第2弁座の周囲に設けられて、前記第2弁座に近接した前記プランジャに引力を加える第2磁石部をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の弁。
  4. 前記第2弁座は、ポリマーから形成されることを特徴とする請求項2に記載の弁。
  5. 前記流入部の側面と前記第1領域の終端部とを連結して、前記プランジャの移動を容易にする定圧路をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の弁。
  6. 前記第2領域から離隔する前記第1領域の終端部に第1流出口をさらに備え、流体の移動を選択的に制御することを特徴とする請求項1に記載の弁。
  7. 前記第1流出口に設けられて、前記プランジャと接触する第1弁座をさらに備えることを特徴とする請求項6に記載の弁。
  8. 前記第1弁座の周囲に設けられて、前記第1弁座に近接した前記プランジャに引力を加える第1磁石部を備えることを特徴とする請求項7に記載の弁。
  9. 前記第1弁座は、ポリマーから形成されることを特徴とする請求項8に記載の弁。
  10. 前記プランジャの外部には、弁をシーリングする弾性材のコーティング膜がさらに形成されることを特徴とする請求項1に記載の弁。
  11. 前記プランジャは、強磁性体から形成されることを特徴とする請求項1に記載の弁。
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