JP4860617B2 - 二重隔膜弁 - Google Patents

Description

本発明は一般に、圧力センサ技術に関し、詳細には、ガス系および液体系の流量調整用の圧力センサの使い捨てまたは大量使用用途のための低コストの弁に関する。本出願は、出願番号第１０／７４８８１７号を有する２００３年１２月３０日に出願した先行出願の一部継続出願であり、同出願は本明細書に援用される。

現代の工業、商業、航空宇宙、および軍事用のシステムは、流体取扱い用の信頼性のあるポンプに極めて依存している。気体流体と液体流体はどちらも、計装および制御におけるますます増大する用途のためのより小型でより分散型でより可搬性のあるシステムを利用する。

ポンプ技術における重要な進歩が過去数１０年にわたってなされてきたが、ポンプのサイズ、重量、動力消費、およびコストを低減する能力に関する進歩はかなり遅くなってきた。マイクロポンプを含む従来のポンプの技術とマイクロエレクトロニクス技術に基づくより進歩したポンプとの間には大きなギャップが依然として存在する。

マイクロポンプのポンピング範囲は毎分約１〜数１０マイクロリットルである。したがってマイクロポンプは、薬物送達のための埋め込み可能なシステム、または化学分析システムの微量投与などの用途に有用である。しかし、サンプリング用途での使用にはポンプ速度が依然として遅すぎる。圧力感知では、時として、特に大きな圧力変化をそれが完全に発生する前に予想するために、圧力のいかなる変化も迅速に報告される必要がある場合がある。

米国特許第６１７９５８６号に記載されているように、改良された静電ポンプが開発されている。この特許においてポンプは、直接互いの上に積み重ねられた薄い２枚の隔膜を備えた単一の成形プラスチックチャンバから成っている。この隔膜は設計により静電方式、電磁方式、または圧電方式で起動される。同特許ではポンピングのための単一のチャンバの使用を説明する。

できるなら、様々なポンプおよび流体の流れシステムからの流れを調整する弁についてはこのタイプの技術を使用することがやはり望ましい。弁は、静電ポンプからの流れ、または流れのないことを制御するのに使用され得る。

従来のメソポンプ構造を使用する弁が提供されるなら、大きな利点となるであろう。
従来のメソポンプ構造を使用する弁が費用のかからない部品から作られ得るなら、さらなる利点となるであろう。

安全弁またはチェック弁として作動する弁を設計できるなら、さらなる利点となるであろう。
その他の利点および特徴は本明細書から以下に明らかとなろう。

本発明は、低コストで効果的なメソ圧力弁の改善を提供するものである。これは、多数の市販供給元から容易に入手可能である費用のかからない射出成形プラスチックおよびプラスチックフィルムから作られる。

弁は、第１のチャンバ画定部品、第１のチャンバと連通して一方の面に取り付けられた第１の可撓性隔膜、および絶縁物によって第１の隔膜から分離された第２の可撓性隔膜を含む。第２のチャンバ画定部品は第２の隔膜の他方の面に取り付けられている。一方のチャンバから他方のチャンバへ、したがって弁を通して、２枚の隔膜の穴を通しての流れ。これらの穴は互いに偏位するように位置合わせされ、それにより、静電起動すると隔膜は互いに密封し、両隔膜の開口を閉鎖し、すなわち弁を閉鎖し、流体の流れを停止する。

適切な穴のサイズおよび位置を選択することによってデルタ圧力すなわち入口圧力と出口圧力との差がある値よりも大きい場合、弁は静電起動しなくても、２枚の隔膜が一定の力で接触するようになると密封することができる。したがってそれはチェック弁として機能する。

本発明のより完全な理解のために、それに関して添付図面の参照が行われる。
本図面では、同じ参照符号が、複数の図を通して同一のまたは対応する構成部品およびユニットを示す。

本発明の弁は、本明細書で援用される、出願番号第１０／７４８８１７号を有する２００３年１２月３０日に出願した、同一の発明者による同一人所有の先行出願に開示された要素を有する。

図面を参照して、図１は全体的に、チャンバ１３を画定する上部チャンバ形成要素１１、および第２のチャンバ１７を画定するための下部チャンバ形成要素１５を有する弁１０を示す。チャンバ１３は弁ポート１９を有し、チャンバ１７は弁ポート２１を有する。チャンバ形成要素１１およびチャンバ形成要素１５は、プラスチックまたは他の非導電性材料から作ることができ、成形されまたは組み立てられることもできる。部品１１も部品１５も共に、いかなるメタライゼーションも他のパターニングも有さない。

上部隔膜２３は上部チャンバ形成要素１１に取り付けられる。隔膜２３は、メタライゼーションまたは誘電体膜を有するプラスチックフィルムであってもよい。下部隔膜２５は下部チャンバ形成要素１５に取り付けられる。隔膜２５もまた、メタライゼーションを有する、または誘電体膜から形成されたプラスチックフィルムであってもよい。また、スペーサ２７はプラスチックから作られるのが好ましく、メタライゼーションは含まない。スペーサ２７は、図示のように円形または球形であってもよく、あるいは、例えば立方体または卵形など、他の任意の形状を有することもできる。スペーサ２７は隔膜２３および隔膜２５を分離する。隔膜２３と隔膜２５との間でその中央に配置されたスペーサである非導電性の球状要素２７を含んでもよく、この球状要素２７は、２つの隔膜２３、２５の少なくとも１つが静電起動すると２つの隔膜２３、２５での転動を可能にしながら、２つの隔膜２３、２５を分離する。隔膜２３と隔膜２５は共に少なくとも１つの開口または穴２９を有し、好ましくは少なくとも２つの穴２９を有する。一方の隔膜２３の穴２９が他方の隔膜２５の穴から偏位するように配置され、その結果、静電起動すると上記各隔膜は接触して穴２９を密封する。可撓性の隔膜２３および可撓性の隔膜２５が接触し、電気的接続部３１が２つの隔膜２３、２５間のキャパシタンスを変化させて、２つの隔膜２３、２５のうちの一方の隔膜を２つの可撓性隔膜のうちの他方の隔膜に対して移動させる。それにより各隔膜２３、２５の少なくとも１つの穴２９が隔膜の他方の閉じた表面と接触し、これによって密封されるようになる。好ましい実施形態では、隔膜２３などの一方の隔膜の穴２９は、隔膜２５の穴など、他方の隔膜の穴２９の半径方向内方にある。この実施形態により弁は流体の流れを完全に停止させることなく流れを減少させることができる。図１に示すように、電極の接続は電気的接続部３１、即ち接点３１のところで行われる。

図２は図１の弁の平面図である。下部チャンバ形成要素１５は、スペーサ２７、および穴２９を有する下部隔膜２５を含む。
フィルム２３およびフィルム２５の穴２９は、このフィルムの中心から等しい間隔に配置されて図２に示されている。図１において、フィルム２３の穴２９はフィルム２５の穴２９よりも中心により接近している。これは穴２９の存在のしかたを例示するために示されるにすぎない。穴２９は、例えばフィルム２３およびフィルム２５の外周により近く、あるいは、いくつかのまたはすべての穴が残りの穴に対して異なる配置にあるパターンにおいてなど、フィルム２３およびフィルム２５のどこにでも配置され得る。フィルム２３の穴の配置はフィルム２５の穴の配置と同じでなくてもよい。穴の個数は、１個のように少なくても、所望の個数のように多くてもよい。任意のパターンを用いることができる。この穴の機能は、隔膜２９がフィルム２３もしくはフィルム２５またはそれら双方との容量状態を変化させ得るように装置に圧力変化を伝えることを可能にすることである。好ましい実施形態では、フィルムへの最初の転動接触によりフィルムの外縁部でそれらが接合すると、フィルム２５の穴２９は、フィルム２３の不浸透性部によって閉鎖されることになる。増大する圧力下では、あるいは静電起動を強めることにより、フィルム２３の穴２９もフィルム２５の不浸透性部との接触によって閉鎖される。

フィルム２５はポート２１のところで入口圧力Ｐ_ｉに露出され、流体は、穴２９を通ってフィルム２３とフィルム２５との間の面域に流れ、フィルム２９の穴２９を通って出口圧力Ｐ_ｏを伴う出口ポート１９の外へ流れ出る。デルタ圧力Ｐ_ｉ−Ｐ_ｏが特定の用途に選択されたとおりにある値よりも大きい場合、フィルム２３およびフィルム２５が予め決められた力のために相互に接触すると、弁は静電起動が実施されている場合でも密封する。

このことは安全弁として機能するが、また本発明の弁はチェック弁として作動することもできる。１方向の圧力が所望の値を超えると弁は閉鎖することになる。
本発明の弁は、大気、ガスポンプ、化学反応、および電解反応等などのガスを含む、あるいは、反応器、試験器具、およびポンプ等などの液体を含む任意の流体で使用できる。

本発明の特定の実施形態を例示し説明してきたが、それらは例示にすぎず、当業者にとっては、本発明の精神および範囲から逸脱することなく本明細書で説明した実施形態の変型および改造を施すことができる。このような均等な変型および改造のすべてを本発明の範囲内に含めることが意図され、特許請求の範囲によって規定される点を除いて本発明を限定することは意図されない。

本発明による弁の断面による側立面図である。 図１に示す実施形態の平面図である。

Claims (14)

1. 流体の流れのための第１の開口（１９）を有する第１のチャンバ画定部品（１１）と、
   ２つの面を有し、前記第１のチャンバ画定部品（１１）と連通して一方の面に取り付けられた第１の可撓性隔膜（２３）であって、導電性表面、およびそれを通して流体を流すための前記導電性表面に少なくとも１つの穴（２９）を有する前記第１の可撓性隔膜（２３）と、
   流体の流れのための第２の開口（２１）を有する第２のチャンバ画定部品（１５）と、
   ２つの面を有し、第２のチャンバ画定部品（１５）と連通して一方の面に取り付けられた第２の可撓性隔膜（２５）であって、導電性表面、および前記表面に少なくとも１つの穴（２９）を有し、前記第１の可撓性隔膜（２３）の前記少なくとも１つの穴（２９）が、前記第２の可撓性隔膜（２５）の前記少なくとも１つの穴（２９）から偏位している前記第２の可撓性隔膜（２５）と、
   前記第１の可撓性隔膜（２３）と第２の可撓性隔膜（２５）との間に配置され、通常は前記第１の可撓性隔膜（２３）および第２の可撓性隔膜（２５）を分離して前記第１の可撓性隔膜（２３）と第２の可撓性隔膜（２５）の双方の前記少なくとも１つの穴（２９）を通る流体の流れを可能にするように位置合わせされたスペーサ要素（２７）と、
   前記第１の可撓性隔膜（２３）および前記第２の可撓性隔膜（２５）を接触させる電気的接続部（３１）であって、該電気的接続部（３１）が前記２つの可撓性隔膜（２３、２５）間のキャパシタンスを変化させて前記２つの可撓性隔膜（２３、２５）のうちの一方の可撓性隔膜を前記２つの可撓性隔膜のうちの他方の可撓性隔膜に対して移動させ、それにより前記各隔膜（２３、２５）の前記少なくとも１つの穴（２９）が前記隔膜の他方の閉じた表面との接触によって密封される、前記電気的接続部（３１）と
   を備える、流体の流れを調整するための弁装置。
2. 前記第１の可撓性隔膜（２３）および第２の可撓性隔膜（２５）のそれぞれが少なくとも２つの穴（２９）を有する、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の可撓性隔膜（２３）および第２の可撓性隔膜（２５）のうちの一方の前記少なくとも２つの穴（２９）が、前記第１の可撓性隔膜（２３）および第２の可撓性隔膜（２５）のうちの他方の前記少なくとも２つの穴（２９）と違った、前記一方の可撓性隔膜の異なる部分に配置された、請求項２に記載の装置。
4. 前記スペーサ要素（２７）が、前記第１の可撓性隔膜（２３）と第２の可撓性隔膜（２５）との間でその中央に配置された非導電性の球状要素（２７）を含み、前記スペーサ要素（２７）が、前記２つの可撓性隔膜（２３、２５）の少なくとも１つが静電起動すると前記２つの可撓性隔膜（２３、２５）での転動を可能にしながら、前記２つの可撓性隔膜（２３、２５）を分離する、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の可撓性隔膜（２３）および第２の可撓性隔膜（２５）が、それらの表面に導電部を有するプラスチックフィルムである、請求項１に記載の装置。
6. 前記導電部が金属被膜表面である、請求項５に記載の装置。
7. 前記導電部が誘電体膜である、請求項５に記載の装置。
8. 流体の流れのための第１の開口（１９）を有する第１のチャンバ画定部品手段（１１）と、
   ２つの面を有し、前記第１のチャンバ画定部品（１１）と連通して一方の面に取り付けられた、静電移動のための第１の可撓性隔膜手段（２３）であって、導電性表面、およびそれを通して流体を流すための前記表面の少なくとも１つの穴（２９）を有する前記第１の可撓性隔膜手段（２３）と、
   流体の流れのための第２の開口（２１）を有する第２のチャンバ画定部品手段（１５）と、
   ２つの面を有し、第２のチャンバ画定部品手段（１５）と連通して一方の面に取り付けられた第２の可撓性隔膜手段（２５）であって、導電性表面、および前記表面に少なくとも１つの穴（２９）を有し、前記第１の可撓性隔膜手段（２３）の前記少なくとも１つの穴（２９）が、前記第２の可撓性隔膜手段（２５）の前記少なくとも１つの穴（２９）から偏位している前記第２の可撓性隔膜手段（２５）と、
   前記第１の可撓性隔膜手段（２３）と第２の可撓性隔膜手段（２５）との間に配置され、通常は前記第１の可撓性隔膜手段（２３）と第２の可撓性隔膜手段（２５）とを分離して前記第１の可撓性隔膜手段（２３）と第２の可撓性隔膜手段（２５）の双方の前記少なくとも１つの穴（２９）を通る流体の流れを可能にするように位置合わせされたスペーサ要素手段（２７）と、
   前記第１の可撓性隔膜手段（２３）および前記第２の可撓性隔膜手段（２５）を接触させるための電気的接続部手段（３１）であって、これにより電気的接続部手段（３１）が前記２つの可撓性隔膜手段（２３、２５）間のキャパシタンスを変化させて、前記２つの可撓性隔膜手段（２３、２５）のうちの一方の可撓性隔膜手段を前記２つの可撓性隔膜手段（２３、２５）のうちの他方の可撓性隔膜手段に対して移動させ、それにより各可撓性隔膜手段（２３、２５）の前記少なくとも１つの穴（２９）が前記他方の可撓性隔膜手段の閉じた表面との接触によって密封されるように構成された電気的接続部手段（３１）と
   を備える、流体の流れを調整するための弁装置。
9. 前記第１の可撓性隔膜手段（２３）および第２の可撓性隔膜手段（２５）のそれぞれが少なくとも２つの穴（２９）を有する、請求項８に記載の装置。
10. 前記第１の可撓性隔膜手段（２３）および第２の可撓性隔膜手段（２５）のうち一方の可撓性隔膜手段における前記少なくとも２つの穴（２９）が、前記第１の可撓性隔膜手段（２３）および第２の可撓性隔膜手段（２５）の他方の可撓性隔膜手段における前記少なくとも２つの穴（２９）と違った、前記一方の可撓性隔膜手段の異なる部分に配置された、請求項９に記載の装置。
11. 前記スペーサ要素手段（２７）が、前記第１の可撓性隔膜手段（２３）と第２の可撓性隔膜手段（２５）との間でその中央に配置された非導電性の球状要素を含み、前記スペーサ要素手段（２７）が、前記２つの可撓性隔膜手段（２３、２５）のうち少なくとも１つが静電起動すると前記２つの可撓性隔膜手段（２３、２５）によって転動接触を可能にしながら前記２つの可撓性隔膜手段（２３、２５）を分離する、請求項８に記載の装置。
12. 前記第１の可撓性隔膜手段（２３）および第２の可撓性隔膜手段（２５）が、それらの表面に導電部を有するプラスチックフィルムを含む、請求項８に記載の装置。
13. 前記導電部が金属被膜表面である、請求項１２に記載の装置。
14. 前記導電部が誘電体膜である、請求項１２に記載の装置。

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