JP3420241B2 - 特にマイクロフローチャネルを有する流体操作体用弁 - Google Patents

特にマイクロフローチャネルを有する流体操作体用弁

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JP3420241B2 JP50863095A JP50863095A JP3420241B2 JP 3420241 B2 JP3420241 B2 JP 3420241B2 JP 50863095 A JP50863095 A JP 50863095A JP 50863095 A JP50863095 A JP 50863095A JP 3420241 B2 JP3420241 B2 JP 3420241B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、可撓性膜を使用して弁を開閉するタイプの
弁に関し、特に、液体及び気体の種々の流体を操作する
ための流路網に含まれる弁に関する。
周知形式の膜弁は弁体及び可撓性膜からなる。弁体の
表面に形成される二つの液体フローチャネルは、膜に対
する接触面を有するランド部分又は弁座によって分離さ
れる。膜は、膜の表面が第１の位置においてランド部分
に密封して接触して二つのチャネル間の流動を遮断し、
第２の位置においてランド部分から分離してチャネル間
の液体の流動を可能にするように作動する。
米国特許第4304257号では、ランド部分は平坦であ
り、弁体の表面の残部と一致し、膜は膜に取り付けられ
た電磁操作ロッド部材によって二つの位置の間で機械的
に曲げられる。更に具体的には、膜は静止状態において
ランド部分に接触し、かつ弁を開けるために下方に引か
れて膜の下のアパーチャ内に入るようになっている。
この弁にはいくつかの欠点がある。膜の機械的な電磁
操作が比較的複雑であり、微妙な調整を必要とすること
以外に膜が大きい応力を受けて永久に伸びるおそれがあ
る。更に、弁を通る液体の流動は、膜がランド部分から
引き出されるときに瞬時に発生するのではなく、形成さ
れる空隙が最初に液体で満たされ、従って弁開時間が長
くなる。
上述の欠点のうちのいくつかが克服された上述の弁の
開発は、米国特許第4848722号、米国特許第4852851号、
及び米国特許第4858883号に記載されている。まず第一
に、膜の機械作動の代わりにこれらの全ての弁構造にお
いてかなり簡単な空気作動が使用される。
更に、米国特許第4848722号による構造では、ランド
部分の代わりにその中で二つのフローチャネルが終端す
る弁体内の球状凹形くぼみが使用される。膜に対する接
触面をそのような凹形にすることによって密封面積が最
大となり、膜がしわになるので膜に加わる応力が小さく
なり、膜の急な曲がりが避けられる。しかしながら、接
触面積を拡大すると開弁が遅くなるので不利である。
従って、米国特許第4858883号による弁構造は、凹形
くぼみの底部に溝又はチャネルを備えている。このチャ
ネルも弁の閉位置において膜によって密封されるが、弁
が開くと膜によって迅速に開いて二つのフローチャネル
が接続し、その結果、膜と弁座との間に大きい間隙又は
空隙ができるほぼ直前に液体の流動が生じる。これによ
って弁の応答時間がかなりの程度まで小さくなる。
米国特許第4852851号には同様な構造が記載されてい
る。ただし、膜によって密封されないような深さを有す
るフロースルーチャネルを凹形表面内に形成することに
よって弁を通る連続的な流動を小さくしている。
本発明は、低い作動圧力でよりよい密封が行え、開弁
及び閉弁がより迅速であり、弁の位置状態の制御がより
再現性よく行え、かつ弁膜並びに弁座の材料疲労が最小
限である上述の形式の更に改善された弁構造に関する。
本発明の基本的な概念によればこれは、上述の空気式
の膜弁によって達成される。空気式の膜弁では弁座表面
は、小さいほうが好ましい第１の密封面又は上部密封面
と大きいほうが好ましい第２の密封面とに分割されてお
り、従って弁の開閉は夫々、二つの段部で行われる。更
に具体的には、弁が閉じると膜は、最初に上部密封面に
当たって迅速に密封し、次いで（大きいほうが好まし
い）第２の密封面と接触して更に確実な密封が保証され
る。一方、逆に、弁が開くと、膜は最初に（大きいほう
が好ましい）第２の密封面から分離され、次いで上部密
封面からほとんど瞬時に分離される。
そのような弁は請求の範囲第１項に記載する特徴を有
する。有利な実施例は従属請求の範囲に定義されてい
る。
次に、本発明についてその非制限的な実施例に関し
て、添付の図面を参照して更に詳細に説明する。
第１図は、弁の正面透視図である。
第２図は、弁の開状態及び閉状態における弁の第１図
のＡ−Ａに沿った縦断面図である。
第３図は、第１図のＢ−Ｂに沿った断面図である。
第４図は、第１図のＣ−Ｃに沿った断面図である。
第１図から第４図に示した弁構造は、いくつかのその
ような弁とマイクロ流動チャネルを含む流体処理ブロッ
ク、例えば、米国特許第5313264号に記載されている光
バイオセンサシステムに含まれる形式の流体処理ブロッ
クに組込み可能なように設計されている。
流体処理ブロックは実質的に、上部支持プレート１、
第１のより硬い（例えばショアＡで約75゜）、例えばシ
リコーンゴムであるエラストマ層２、第２のより軟らか
い（例えばショアＡで約30゜）、例えばシリコーンゴム
であるエラストマ層３、並びに下部支持プレート４から
構成される。第１のエラストマ層は、フローチャネル
５、5'が第１のエラストマ層２と第２のエラストマ層３
との間で画定されるようにその中に形成された適切なフ
ローチャネルシステムを有する。
このブロック構造内の各弁は、第１のエラストマ層２
内の二つのフローチャネル５、5'間に形成されたランド
部分又は弁座６と、圧縮空気の供給源（図示せず）に結
合された円筒形圧力ダクト８上に取り付けられた第２の
エラストマ層３の対向部分とによって構成される。ここ
では、エラストマ層３を薄くして可撓性弁膜又はダイア
フラム７を形成している。図示の例では、圧力ダクト８
は下部支持プレート４内に作られたくぼみ９内の下方に
延びるエラストマ層の一部に形成されている。圧力ダク
ト部分10は短い液柱（図示せず）、例えばグリセロール
で満たされる。液柱の機能について以下に説明する。
フローチャネルの壁から突き出た弁座６は、その先端
部が（その無負荷位置において）ほぼ弁膜７にまで延
び、第３図及び第４図を見れば最もよく分かるように、
膜７に対する接触面10のフローチャネルを横切る形状が
凹形（図示の例では、楕円柱形）になっている。この接
触面又は領域10は以下で称される上部密封面内にあり、
それ自体と膜７との間でフローチャネル11を画定する。
上部密封面10の形状は以下に示す理由で、作動圧力が作
用した場合に膜７によって得られる湾曲と異なる湾曲を
有する必要がある。
上部密封面10の各面（フローチャネル方向から見た場
合）で、弁座６は、膜７に対して上部密封面から鋭い角
度で移行するところの下方に位置する第２の密封面又は
面積12及び12'を夫々有する。横からみるとこれらの二
つの第２の密封面12、12'は夫々、図示の例（特に第１
図及び第２図を参照）では、上方段部13、13'（上部密
封面10に最も近い）と下方段部14、14'との二つの異な
る凹形「段部」の形で配置されており、二つの段部の間
は鋭い角度で移行している。従って、比較的薄い可撓性
の弁座６は全密封面積が十分に画定されている。
弁の機能について以下に説明する。弁の開位置では、
圧力ダクト８にガス圧力が印加されておらず、流体、通
常は液体（ただし気体の場合もある）が弁座６の各面で
フロースルーチャネル11を介してフローチャネル５、5'
間の弁中を流動する。第３図に点線で示すように、膜７
は通常、液体圧力によって15で示される位置にまで押し
出され、その結果、フロースルーチャネル11の断面は膜
が無負荷の場合に存在する断面よりもやや大きくなる
（図では、見やすいように膜が押し出される程度を誇張
してある）。弁を閉じるには、圧力ガスの作動圧力、通
常は圧縮空気を圧力ダクト８に印加し、この圧力がその
中で上述の液柱（図示せず）を介して膜７を弁座６に押
し当てる。液柱により圧縮空気が膜７に浸透し、チャネ
ル５、5'内に望ましくない気泡が発生するのを回避でき
る。
膜７は最初に上部密封面10に接触するまで、瞬間的に
印加される作動圧力によって引き伸ばされる。上部密封
面10の表面積が比較的小さいために（図示の例では、膜
面積の約５％にしてある）膜超過圧力が比較的低く、膜
の伸びが妥当な場合でも膜及び弁座間の高い接触圧力が
得られ、その結果、チャネル部分５、5'の間で液体の流
動が迅速かつ確実に遮断される。
次いで、膜は大きいほうの下部にある段部形の第２の
密封面12、12'に接触するまで更に引き延ばされる。弁
座にかかる接触圧力は減少するが、接触面積が拡大され
るので確実な弁の密封を準備するのに十分高いままであ
る。この密封位置は第２図に点線で示される膜の輪郭16
によって示されている。
上部密封面10が非常に狭い場合、膜７は膜の各点につ
いて作動力が弁座接触力及び膜弾性力と平衡するまで上
部密封面10のまわりに伸びる。次いで膜７は薄い弁座表
面10のまわりに垂下し、膜が機械的に摩耗し、変形し又
は破壊されるおそれがある。
弁を開けると圧力ダクト８内で圧力が除去され、その
結果、作動圧力が瞬時に零に下がる。伸びた膜７の弾性
力とフローチャネル部分５、5'内の流体圧力とが協働し
て最初に弁座６の大きい方の段部形の第２の密封面12、
12'から膜７を分離する。弁は、膜が上部密封面10と接
触しているので閉じたままである。次いで、膜７の残り
の減少した弾性力とチャネル流体圧力とはかなり小さい
上部密封面10からほぼ瞬時に膜を分離する。
上述のように、上部密封面10のフローチャネル５、5'
を横切る形状は、作動圧力が印加された場合に膜７によ
って得られる放物線形状と異なる湾曲を有する必要があ
る。従って、膜の中心は膜の側面部分よりも速く上部密
封面10に達する。これは、膜が最初に中心から解放さ
れ、次いで側面から解放されるので、表面10からの膜の
分離も連続的に起こり、それにより分離が容易になり、
かつより迅速に起こることを意味する。
弁開時間は、一方では開弁力すなわち膜の弾性（収縮
力）とチャネル内の流体圧力との差によって決定され、
他方では弁座６の二つのエラストマ表面と膜７とが圧接
されるときに生じる閉弁「粘着力」によって決定され
る。この「粘着力」並びにそれに関連する膜の分離時間
は膜７の接触面積にほぼ比例する。
上記のように膜及び弁座の分離を二つの段部に分割す
ることにより、上部密封面からの分離も上述のように連
続的に起こることが好ましい。同時に、膜全体を弁座面
積全体から同時に分離する場合と比較して、又は上述の
米国特許第4858883号による周知の構造の場合と同様
に、最初に開いた小さいチャネルを液体フローチャネル
に結合させる場合と比較して、かなり再現性のよい弁開
時間が得られるので弁開時間が小さくなる。開弁に必要
なチャネル流体圧力も小さくなるため、膜全体が弁座か
らほぼ同時に分離される弁構造と異なり、流動の開始時
における圧力ピークを回避できる。これは、かなり大き
い力によって面積全体を同時に分離する代わりに小さい
力によって接触面を連続的に分離できる小さい部分に分
割すると、互いに固着した二つの表面を再現可能に分離
しやすくなるためである。
上記の説明から、本発明に従って設計された弁には周
知の弁構造と比較していくつかの利点があることが明ら
かである。まず第一に、低い作動圧力を使用でき、更に
膜の弁座に対する高い接触圧力により十分な密封が得ら
れる。更に、弁の開閉が迅速に行われ、弁の位置状態を
高い再現性で制御できる。最後に、一方では「二段弁座
構造」によって、他方では膜及び弁座の両方が弾性材料
でできているので、弁膜及び弁座の材料疲労が最小であ
る。
本発明はもちろん、上述し図面に示した実施例に限定
されるものではなく、以下の請求の範囲に規定されるよ
うな一般的な発明の概念の範囲内で多数の修正及び変更
が可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−185650（ＪＰ，Ａ) 米国特許4858883（ＵＳ，Ａ) 米国特許4848722（ＵＳ，Ａ) 英国特許1570945（ＧＢ，Ｂ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) F16K 7/00 - 7/20 F16K 25/00

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】膜（７）が弁座（６）に密封して接触する
    閉位置と、弁座（６）及び膜（７）間の空間（11）に通
    じるフローチャネルがある開位置との間で膜を流体圧力
    で作動させるように配置されており、弁座の前方で開く
    ダクト（８）上に取り付けられた可撓性膜（７）と協働
    する密封面を有する弁座（６）を形成するランド部分に
    よって分離された二つの流体フローチャネル（５、5'）
    を有する弁体を備える弁において、弁座（６）の前記密
    封面が、（ｉ）膜の最も近くにありかつ膜に面した第１
    の密封面（10）と、（ii）弁座の各流体チャネル面に設
    けられた第２の密封面（12、12'）とを備えており、弁
    が閉じると、膜（７）が第１の密封面（10）及び第２の
    密封面（12、12'）に当接して連続的に密封し、逆に、
    弁が開くと、膜（７）が第２の密封面（12、12'）及び
    第１の密封面（10）から連続的に分離されることを特徴
    とする弁。
  2. 【請求項２】第２の密封面（12、12'）が第１の密封面
    （10）よりも大きい膜接触面積を有することを特徴とす
    る請求の範囲第１項に記載の弁。
  3. 【請求項３】膜（７）が弾性を有していることを特徴と
    する請求の範囲第１項又は第２項に記載の弁。
  4. 【請求項４】弁座（６）が弾性を有していることを特徴
    とする請求の範囲第１項又は第２項又は第３項に記載の
    弁。
  5. 【請求項５】弁座（６）及び膜（７）の両方が弾性を有
    しており、弁座（６）の弾性が膜（７）の弾性よりも小
    さいことを特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記
    載の弁。
  6. 【請求項６】膜（７）を流体圧力で作動させるためのダ
    クト（８）が圧縮空気の供給源に接続されるように配置
    されることを特徴とする請求の範囲第１項から第５項の
    いずれか一項に記載の弁。
  7. 【請求項７】各第２の密封面（12、12'）がフローチャ
    ネル方向に延びると共に第１の密封面（10）から離間し
    ている段部（13、13'）を備えていることを特徴とする
    請求の範囲第１項から第６項のいずれか一項に記載の
    弁。
  8. 【請求項８】弁座（６）が第１の密封面（10）から前記
    段部（13、13'）まで凹形状に広がっていることを特徴
    とする請求の範囲第７項に記載の弁。
  9. 【請求項９】弁座（６）が前記段部（13、13'）から膜
    （７）と反対側のフローチャネルの壁に向かって凹形状
    （14、14'）に広がっていることを特徴とする請求の範
    囲第８項に記載の弁。
  10. 【請求項１０】第１の密封面（10）から第２の密封面
    （12、12'）への移行が急であることを特徴とする請求
    の範囲第１項から第９項のいずれか一項に記載の弁。
  11. 【請求項１１】第１の密封面（10）のフローチャネル
    （５、5'）を横切る形状が凹形であることを特徴とする
    請求の範囲第１項から第10項のいずれか一項に記載の
    弁。
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