JP4216470B2 - 流体回路用のダイアフラム弁 - Google Patents

Description

【０００１】
・発明の分野
本発明は、液体及び／又は気体物質の制御された輸送を達成するためのソリッドステート（固体）流体回路システムにおける改善に関する。より特別にはそれは、その様な回路システム内の間隔を有する流路の間の流体の連絡を選択的に形成するために改善された弁構造に関する。
【０００２】
・背景の技術
生物学的液体分析器又はガスクロマトグラフィーシステム等の小流量の液体又は気体物質を高度に制御して正確に輸送し処理することが必要な用途において、ソリッドステートの流体回路システムが一般的に使用されている。その様なソリッドステートの流体回路システムは一般的に、２以上のプラスチック製板の薄層を重ねた構造を通常具備していて一つの場所から他の場所へ加圧された流体を案内するための内部流路のネットワーク（編み目路）を有する固体プラスチック製板を具備する。種々の流体制御デバイス即ち弁、流体センサー等が、その様な流路に沿って設置されて、流路間の流体の動きを制御し、必要に応じて流体を処理する。任意のその様な流体回路システムの効果に対する重要な要素は、間隔を有する流路の間の流体の連絡を選択的に形成するために使用される弁機構である。
【０００３】
上記のタイプの流体回路システム用の弁機構を製造するための一般的な試みは、ミル（平削）加工、化学的エッチング、あるいは別の方法で溝を付けられた平らな面を有する堅固な基部の上に連続の膜シートを設置することであり、それにより間隔を有する流路を形成し、向き合う流路を分離するランド部に向かい且つそれから離れるその膜を選択的に駆動する部分のための手段を形成し、それぞれ流路の間で流体の連絡を遮断し、更に連絡させる。ソレノイド駆動のアクチュエータがその様な膜シートの選択された部分に固定されており、それらのそれぞれの設置されたシート部分を機械的に、間隔を有する流路を分離するランドに向かって移動し且つそれから離す様な弁構造を、米国特許第４，３０４，２５７号は開示する。膜が、流体の流路に向き合う連続的なシート膜の側部に適用される圧力又は吸引力により空圧的に駆動される同様な弁構造を、米国特許第５，２０３，３６８号は開示する。米国特許第５，０８３，７４２号及び第５，１７６，３５９号は、前記の機構と同様な弁機構を開示するが、その場合の膜シートは、間隔を有する流路の間のランド上にドームを形成する複数の気泡状部分を有するように製作される。これらの気泡状部分は、通常それらをドーム状態に駆動する自己復元力を有する。ドームを平らにして間隔を有する流路の間のランドに接触し、それにより間隔を有する流路の間の流体の連絡を遮断するために、各ドーム上の室内に加圧された流体を導入するように空圧アクチュエータが具備される。
【０００４】
上述の弁構造の全てが、説明したタイプのソリッドステートの流体回路において流体の流れを制御するために有用である一方で、全てが流体の漏洩に関して重要な問題として困っている。これは、柔軟な膜及びサンドウィッチ式又は下層式の堅固な基部を構成する異質な材料の接着の困難さに主に起因する。その様な漏洩により、開／閉区域における膜部に作用する「保持」圧力が減少することにより、輸送される流体の漏れ及び／又は弁要素の意図しない動きが生じることがある。
【０００５】
米国特許第５，４９６，００９号は、上記の漏洩の問題を回避するための対策を開示する。多数の弁が配置される流路のネットワークを形成するように協働する一対の向き合う板の全表面積を包囲する単一の柔軟な膜を使用するよりむしろ、この対策は複数の個別の柔軟なダイアフラム円板を使用する。各ダイアフラム円板は、板の一枚に形成される複数の小さな弁室の一つ内に配置されており、各弁室は、弁構造により選択的に流体的に接続される一対の間隔を有する流体口を含む。各円板の周辺の隅部は、向き合う板の間に挟まれて、流体口の上に横たわる位置に円板を保持する。制御口は、一枚の板を通り流体口に向き合うダイアフラムのその側部に連絡するように形成されており、ダイアフラムは流体口に向かって移動し更にそれから離れるように動き、制御口に正又は負の圧力を適用して流体口の間の流体の連絡をそれぞれ開閉する。各円板の表面積は弁室のそれぞれの表面積より単に少し大きいだけなので、平板自体は板を共に接着する薄層を重ねる動作と顕著には干渉せず、従って前記の流体の漏洩は最小限になる。同様な弁装置が、米国特許第５，６５３，２５９号に開示されている。この装置は基部内部の漏洩に関して顕著に改善される一方で、柔軟なダイアフラム部材の動きの制御は、空圧差圧に依存しているので不利であり、これは輸送流路内の正の圧力流体に抗して長期間にわたり弁を閉止して保持する場合に問題がある。機械的なアクチュエータをその様な薄い柔軟な部材に固定することは、接着／接合の困難が生じ、ダイアフラム／流路連絡部における柔軟な適合性のあるシール構造を形成する特許権所有者の設計的考案に矛盾するものである。更に、流体がダイアフラム円板の隅部を通過して、ダイアフラム円板を偏らせるように使用される制御口に漏れる可能性がやはり存在する。
弁装置において個別の柔軟なダイアフラムを使用する思想がまた、米国特許第４，４９９，４８７号に開示されている。空圧力を使用してダイアフラムの動きを制御し、それにより弁を開及び閉するよりもむしろ、この開示におけるダイアフラムは、ダイアフラムの周辺の閉鎖及び圧縮を形成するような状態で、弁本体とボンネット部材の間に挟まれており、その結果中央部の折れ曲がり（バックリング）及び膨張として内側に現れるダイアフラムの半径方向の圧縮を生じて、それにより弁は制御される流体媒体からの圧力に対応して受動的に開き、更にダイアフラムを弁座に強制的に接触するように使用されるプランジャーを引き込む。ここでダイアフラムは、弾性高分子材料の薄いシートを具備するシートストックの平らな円形の円板である。一対の平らな面の間でその周囲において挟まれる一方で、ダイアフラムの平らな面上及びダイアフラムの周辺の隅部上で流体が漏れる可能性がやはりある。
【０００６】
・発明の概要
前記の検討の観点において、本発明の目的は上記のタイプのソリッドステート流体回路システムのための改善された弁構造、即ち従来技術の装置が関係する上記の漏洩問題を回避する一方で、弁の開閉状態を能動的に達成する弁構造を提供することである。
【０００７】
好適な実施の形態に従い、本発明は板部材に形成される第１と第２の流路の間の流体の流れを制御するための弁装置を具備しており、その様な流路は、板部材内に形成されるランド部により間隔を持って離れる実質的に共に平らな部分を有する。バルブ装置は、（ｉ）弾性がある通常ドーム形状の部分を有する柔軟な弁要素と、（ｉｉ）ドーム形状の部分がその様な第１と第２の流路の間の距離をまたぐ室を形成して、それの間で流体を通常は連絡するようにランド部の上に横たわる位置に弁要素を支持するための手段と、（ｉｉｉ）バルブアクチュエータが弁要素のドーム形状の部分を変形してその様なランド部と係合し、それにより流路間の流体の流れを遮断する第１の位置、及び弁要素のドーム形状部から十分に離れていて弁要素の形状復元力によりドーム形状部のドーム形を再形成させてそれにより流路間で流体を流れさせる第２の位置の間で選択的に移動可能な可動部材を有するバルブアクチュエータとを具備する。バルブアクチュエータは、ソレノイド駆動式ピストン部材を具備しており、柔軟な弁要素が、（ａ）前記のドーム部を形成する弾性のある壁部と、（ｂ）弁要素及びアクチュエータが設置されている弁室の壁にシールするように係合するためにドーム形状部分の周辺部の周りに配置されていて、それにより流路の流体のその様な室への漏れを防止するリム部と、を有する平板形状のダイアフラム部材を具備することが好ましい。挿入部材がダイアフラム部材のリム部に対して半径方向の力を適用するように形成されていて、リム部と室壁の間の流体シールを促進することがやはり好ましい。
【０００８】
本発明は添付図を参照すると共に、好適な実施の形態の詳細な説明を確認することによりより良く理解できる。
【０００９】
・好適な実施の形態の詳細な説明
図１は、流体を扱うシステムに有用であって８基のバルブアセンブリ１１を組み込むソリッドステートな流体回路システム１０を図解的に図示しており、全てのバルブアセンブリは本発明の好適な実施の形態に従い構成される。一般的に各バルブアセンブリ１１はそのそれぞれの入り口１２と出口１３の間に設置されており、プラスティック製の流体輸送ブロック又は板５０内に形成される流体入り口と出口流路１２ａ、１３ａそれぞれにより、それに接続する。各バルブアセンブリはまた、バルブ制御流路１６により、圧力制御マニホールドアレイ（列）１８を具備する複数のマニホールドゲート（仕切）要素１７の１つに接続する。マニホールドアレイ１８は板５０に設置されており、空気圧力の外部供給源に接続可能なマニホールド入り口５１、及びマニホールド内の空気を放出できる排気口５２を有することが好ましい。板内の適当な流路５３、５４は加圧された空気を各ゲート要素に送る。各ゲート要素は既知の方法で電気的に制御されており、圧縮空気を流路１６を経由して選択的に供給し、その関連するバルブアセンブリ１１の開及び閉を制御する。
【００１０】
バルブアセンブリ１１の更なる詳細及び流体輸送板５０の協働する構造は、弁構造が開及び閉の位置でそれぞれ図示される図２Ａと２Ｂにより表示される。図示するように、流体輸送板は、例えばアクリル又はＰＶＣ材料等の透明な（クリア）プラスチックにより形成される３基の堅固な基部層５５、５６、５７を具備する。層５５、５６、５７は適切に接着されて、薄層の構造を形成する。頂部及び中間の基部５５、５６は、バルブアセンブリ１１のそれぞれの部分を受容するように形成されるそれぞれ円筒状の開口５５Ａ、５６Ａを有する。中間層５６は、その頂面に形成される溝２０を有しており、その様な溝が層５５の底の平面と協働して弁制御流路１６を形成する。同様に底の薄層の層５７の頂面は、中間層５６の底の平面と共に、これらの流路の流出口及び流入口を分離する中間のランド部５８により物理的な間隔で離れる共に平らな流路１２ａと１３ａを形成する溝付きの部分２０Ａと２０Ｂを具備する。
【００１１】
これとは別に図３を参照すると、各バルブアセンブリ１１は、圧縮ばね２２とピストン部材２３を収納する円筒状の主ハウジング部２１を具備する。ハウジング部２１は、径が減少していて頂部基部５５の開口５５Ａに内に具合良く適合するような寸法の下部端部２４を含む。Ｏリング２８は、弁（以下に検討するように）を作動するように使用される内部の圧縮空気がアセンブリから漏れることを防止するように作用する。ばね２２は、それぞれ頂部及び底部の支持２５Ａと２５Ｂの間に収納されており、保持リング２６がハウジング２１内の所定の位置にアセンブリを保持する。底部の支持２５Ｂは、ピストン２３の本体内に形成されており、圧縮可能なＯリング３０によりピストン板２９の頂面から離れている。後者は、内部ピストンとハウジング２１の壁の間の空間への上向きの漏れから空気の流れを防止し、ソレノイドを作動するためのシールとして作用する。もしソレノイドが、空圧的駆動よりむしろ電気的に駆動されるならば、その様なシールはもちろん不要になると考えられる。
【００１２】
流路１２ａと１３ａの間で流体の連絡を制御するように使用される円板形状のダイアフラム部材６０は、開口５６Ａの底部に設置される。これとは別に図４を参照すると、ダイアフラム部材６０は、中央に設置されたドーム部６０Ａ、及び部材６０の周辺の周りに伸長する円形のリム部６０Ｂを有する。ドーム部は流路１２ａと１３ａを分離するランド５８上に直接設置されており、その様な流路の流入及び流出開口にまたがる。ダイアフラム部材は、柔軟な材料から製作されるので、ドーム部がその普通の凹／凸の形状で表示されていて図２Ａに示す（ａ）から、ドーム部が底部の薄層の板５７の上部面の上で平らであって図２Ｂに示す（ｂ）に形状を変えることが出来る。通常はピストン２３のベース２３Ａは、部材６０のドーム部に接触し、平らになり、それにより流路１２ａと１３ａの間の流体の連絡を閉止する位置に、圧縮ばね２２により駆動される。この様に弁に制御信号が供給されない場合に、弁は、図５Ｂで示す通常オフの状態にあり、間隔を有する流路の間の流体の連絡を閉止する。流路１６を通り供給される制御信号に応答して、ばね２２は圧縮されるので、それにより図２Ａに示す様にドーム６０Ａの頂部から間隔のある位置へピストン部材を持ち上げており、その場合弁はオン状態にあり、流体はランド５８の頂部上でドームの下の流路の間で流れることが出来る。この状態を図５Ａに示す。
【００１３】
図４を参照すると、本発明によるダイアフラム円板６０の独特の形態が、より詳細に示される。円板６０は、耐薬品性のあるシリコンゴム等のエラストマ（弾性高分子材料）から型成形可能である。一つの好適な実施の形態において、円板６０は４０デュロメータのシリコンゴムから形成されており、０．６３ｃｍの全体の径を有する。この実施の形態において、リム部６０Ｂは約１．８ｍｍの幅で約１．０ｍｍの厚みを有しており、ドーム部６０Ａは約０．６３ｍｍの均一な厚みを有する。これとは別に、ドームを形成する凹／凸面の曲率のそれぞれの中心は、例えば周辺で約０．６３ｍｍの厚みから中心で約０．３８ｍｍまで、中心に向かって次第に減少する壁厚を有するドームを形成するように変化する。その好適な構造は、ドームがランド５８及び溝１２ａと１３ａの近接する出口と入口区域の上で圧縮される際に、良好なシールを形成するが、しかしまたそのドーム形状を再度形成するように、優れた自己復元弾性を具備する。もし必要で在れば例えば、６０デュロメータ等のより高いデュロメータのエラストマが使用できる。これらの実施の形態は、信頼可能な復元力の開放の能力を形成するだけではなく、回路のライン中において例えば水銀柱６３から７６ｃｍの比較的強い真空に対して開状態を保持するために十分な弾性強度でもある。
【００１４】
流路１２ａと１３ａ内の加圧された流体が、ダイアフラム６０の隅部を通過して、開口５９により形成される弁室内に漏れないことを確保するために、特別な挿入部材６１が形成される。図２Ａ、２Ｂ及び３を参照すると、挿入部材６１が、ピストン２３の端部を囲み、開口５９内に圧入して適合されるプラスチック又は金属スリーブ６２で形成される。スリーブ６２は、ダイアフラム部材６０のリム部６０Ｂに係合し、リム部を弁室（開口５９）の円筒状の壁にシールするように係合させる半径方向の力を、そこに（矢印Ａの方向で）発揮するように適合される円形フランジ６２Ａで終了する。挿入部材６１は黄銅製であることが好ましい。Ｏリング６３は、挿入部材の外側の面内の円周方向の溝６４に設置されており、流体の弁室への全ての漏洩を更に防止する。Ｏリング６５は、ピストン２３のベース２３Ａの近くのその外面に形成される溝６６に設置されており、ドーム６０Ａの頂部上のあらゆる流体の漏れの流れを防止する。
【００１５】
図１、２Ａと２Ｂに戻り参照すると、オペレーションにおいてバルブアセンブリは、ばね２２により下方向に駆動されるピストン２３に関して通常閉（オフ）の状態にあり、流路１２ａと１３ａの流出及び流入口区域と、ランド５８とを横切る平坦な状態にドーム区域６０Ａを圧縮するように使用されることが好ましい。ばね力は、２ｋｇ／ｃｍ² のライン圧力に加えてダイアフラムドームの復元力に抗して圧縮されたダイアフラムドームとピストンの閉止状態を保持するのに十分であることが好ましい。バルブアセンブリ１１を開くために、コントロールマニホールドアレイ１８のその関連するゲート要素１７は、正の圧力を制御ライン１６を介してシールされたピストン板２９の下のハウジング２１の内部に、流入するように駆動される。ピストン板の下側の表面積に作用する場合に、空気圧力はピストンを上方向に駆動するのに十分な強さであり、それによりばね２２を更に圧縮する。ピストンベース２３Ａが、ダイアフラムドーム６０Ａの頂部との接触から離れるように動かされた場合に、それによりドーム上に空間Ｓを形成し、ドームの復元力は流路１２ａ、１３ａの流入、流出口区域及びランド５８上でそのドームの形状を再形成するように運転し、凹形状のドーム区域の境界内でこれらの流路の間に流体を流す。これは弁を開状態に設定しており、弁を閉状態に戻す場合に、ライン１６を排気ターミナル（出口）５２を通り大気に放出するようにゲート１７を運転し、それによりばね２２によりピストン２３を下がった位置に戻し、ダイアフラム６０のドーム６０Ａを再度圧縮する。当業者であれば、空圧の代わりに電気ソレノイド部材により、ばね２２に抗してピストンを上方向に駆動するように使用できることを認識するであろう。
【００１６】
製造において、プラスチック製基部５５、５６、５７は、耐久性、耐衝撃性、必要な透明性又は不透明性、及びそれらの相互接合特性と同様に取り扱われる流体温度及び化学的成分に関するそれらの適性（例えば、不活性）に関して選択される。アクリル、ＰＶＣ及びポリカーボネートプラスチック材料が有用である。選択されたプラスチック材料によって、異なる溶剤が、基部面内に削られた溝を磨き、空気が浸入しない接続により基部を接着するために使用される。製作の適当な段階で焼き鈍しを実施して、基部に機械的及び化学的に引き起こされていて漏れを引き起こす可能性のある応力（ストレス）を緩和する。バルブアセンブリ及び別の要素はその後、流体輸送ブロックに設置され、該ブロックは例えば、血液テスト装置等の必要な用途のシステムに組み込むことが可能である。
【００１７】
図６は、ソリッドステート流体制御回路の一部分を図示しており、そこでは固体ブロックＢ内に形成される２つの流路８０、８１が、ランド５８により間隔を持って離れる共に平らな口８０Ａ、８１Ａまで達して終わっている。上記の弁構造はダイアフラム部材６０を具備しており、流体口の間で流体の流れを制御するように使用できる。
本発明は好適な実施の形態に関して記述してきたが、変形と修正が本発明の精神と範囲内で実施できることが分かる。
好適な実施の形態の上記の説明は、添付図を参照する。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は本発明を具体化するソリッドステート流体回路システムの図解的な頂面図である。
【図２】 図２Ａと２Ｂは、開と閉の位置の弁をそれぞれ示していて、図１に示すバルブアセンブリの１つの拡大された横断面図である。
【図３】 図３は、図２Ａと２Ｂで図示するバルブアセンブリの構成要素を図示する分解図である。
【図４】 図４は、図１から３のバルブアセンブリのダイアフラム要素の拡大された横断面図である。
【図５】 図５Ａと５Ｂは、それぞれ開と閉状態のバルブ部材の頂面概念図である。
【図６】 図６は、本発明の弁構造を具体化するソリッドステート流体回路システムの別の種類の部分を図示する。

Claims (6)

1. 流体回路装置において、該流体回路装置が、
   （ａ）基部壁部により分離されるそれぞれの流路口区域を有する個別の流路を協働して形成していて向き合う面を有する一対の堅固な基部と、
   （ｂ）円筒形状の弁室が該流路口区域の周りで該基部の一つに形成されており、前もって決められた径を有する該室と、
   （ｃ）該室内に設置されていて、該流路口区域及び該基部壁部をカバーする弾性のある壁部を有する個別のダイアフラム部材と、
   （ｄ）弁アクチュエータ手段が該流路口区域に関して該ドームの反対側に設置されており、該ダイアフラム部材の該弾性のある壁部との係合に向かって移動可能であって更にそれから離れることが可能なピストン部材を有する弁アクチュエータ手段と、
   を具備しており、
   （ｉ）該ダイアフラム部材の該弾性のある壁部が、該流体口上に設置されていて流体が該流路の間で流れることが出来るように適合される軸対称な凸形のドームを形成するように前もって形成されており、該ドームが、該弁室の円筒状の壁との流体シールを形成するように適合する円形のリム部により囲まれており、更に
   （ｉｉ）該ピストン部材に運転上接続する手段が、該リム部に半径方向の力を発揮して該リム部と該弁室壁の間の流体シールを促進するように形成される
   ことを特徴とする流体回路装置。
2. 該バルブアクチュエータ手段が、該ピストン部材（２３）をドームの圧縮位置に向かって駆動するためのばね手段（２２）と、該ばね手段を打ち消して該壁ドームの復元力により該流路口区域を開ける位置に該ピストン部材を駆動するための開放手段とを具備することを特徴とする請求項１に記載の流体回路装置。
3. 該開放手段が、該ダイアフラム部材から該ピストン部材を駆動して離す正圧を形成するための手段を具備することを特徴とする請求項２に記載の流体回路装置。
4. 該開放手段が、該ダイアフラム部材から該ピストン部材を離すためのソレノイド手段を具備することを特徴とする請求項３に記載の流体回路装置。
5. 該流路内で水銀柱６３．５ｃｍの真空が作用する場合に、該ドーム（６０Ａ）が凸形状を保持するのに十分な復元力を有することを特徴とする請求項１に記載の流体回路装置。
6. 該リム部（６０Ｂ）に半径方向の力を発揮するための該手段が、該ピストン部材（２３）に接続する円形のフランジ（６２Ａ）を具備しており、該円形のフランジが、ピストンの動きにおいて該リム部材に係合し、更に該リム部に半径方向の力を発揮するように適合することを特徴とする請求項１に記載の流体回路装置。

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