JP5329952B2 - 弁装置 - Google Patents

Description

本発明は、弁装置に係る。より特には、本発明は、膜に基づく流体システム（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｂａｓｅｄ ｆｌｕｉｄ ｓｙｓｔｅｍｓ）において使用されるよう構成される弁装置に係る。

膜に基づく流体システムは、例えば生物流体である流体を処理するよう使用される。かかるシステムにおいて流体は、頻繁に、ポンプでくみ上げられ（ｐｕｍｐｅｄ）、単離され（ｉｓｏｌａｔｅｄ）、混合され、ルートされ（ｒｏｕｔｅｄ）、結合され（ｍｅｒｇｅｄ）、分裂され、及び／又は保存される。かかる流体処理を可能にするよう、弁装置が利用され、流体の流路を介する流体の流れを遮断及び／又は許可し得る。一般的には、膜に基づく流体システムは、一方向弁装置、溢れ弁（ｏｖｅｒｆｌｏｗ ｖａｌｖｅ）装置、及び二方向弁装置に対して必要とされる。

膜に基づく流体システムの例は、例えばＵＳ６３８２９２３（特許文献１）、ＵＳ６６６３３５９（特許文献２）、ＵＳ５１７８１８１２（特許文献３）、ＵＳ６４１６２９３（特許文献４）、ＵＳ４８６５５８４（特許文献５）、及びＵＳ４４７０７６０（特許文献６）において見受けられる。かかるシステムにおいては、異なる弁装置が提案される。しかしながら、かかる弁装置は、構造が複雑である。特に、かかる弁は、単一層基板における実施には適していない。

ＵＳ２００４／０２０９３５４（特許文献７）、ＵＳ２００２／０１５５０１０（特許文献８）、ＵＳ２００４／０１５５２１３（特許文献９）、及びＵＳ２００４／０１４８７７７（特許文献１０）においては、基板システムにおける逆止め（ｏｎｅ−ｗａｙ）弁の複数の例が記載される。かかる逆止め弁も構造が複雑であり、各逆止め弁装置は複数層の基板を有する。更には、開示されている弁構造は、逆止め弁としてのみ使用され得る。
ＵＳ６３８２９２３１ ＵＳ６６６３３５９２ ＵＳ５１７８１８１２ ＵＳ６４１６２９３３ ＵＳ４８６５５８４４ ＵＳ４４７０７６０５ ＵＳ２００４／０２０９３５４ ＵＳ２００２／０１５５０１０ ＵＳ２００４／０１５５２１３ ＵＳ２００４／０１４８７７７

本発明は、比較的単純な構造を有する弁装置を与えることを目的とする。該弁装置は、単一層基板及び膜を有する膜に基づく流体システムにおいて実施され得る。

この目的は、基板及び膜を有する弁装置を有して達成される。該膜は、基板に対して少なくとも弁範囲の周囲で接合され、該基板は、弁範囲において終わる第１の流路と第２の流路とを有する。第１の流路は、弁範囲において第１の流路端部表面（ｃｈａｎｎｅｌ ｅｎｄ ｓｕｒｆａｃｅ）を有し、第２の流路は、弁範囲において第２の流路端部表面を有する。第１の流路端部表面の範囲は、第２の流路端部表面の範囲より実質的に大きい。

弁範囲は、基板及び膜が互いに対して接合されていない範囲である。この範囲において、可撓性膜は、基板から押され／持ち上げられ得、基板と膜との間には空間がある。この空間を介して、第１及び第２の流路は連通し、流体は、第１の流路から第２の流路へ、又はその逆に流れ得る。しかしながら、膜が平常位置である弁範囲における基板に対して位置する際には、第１及び第２の流路間の流体連通は遮断され、この第１及び第２の流路間の流れがないことは、可能である。

第１及び第２の流路の第１及び第２の流路端部表面は夫々、弁範囲内及び膜が位置する基板の側部の平面において位置する流路の端部表面である。

実質的により大きいということは、第１の流路端部表面の範囲が第２の流路端部表面の範囲の少なくとも１．５倍、望ましくは第２の流路端部表面の範囲の少なくとも２．５倍、より望ましくは第２の流路端部表面の範囲の少なくとも５倍である、ことを意味する。

この構造を有する弁装置は、第１の流路における圧力が一定のレベルまで上昇される際に可撓性である膜が基板から持ち上げられるため、第１の流路から第２の流路まで流体をポンプすることを可能にする。続いて流体は、基板と膜との間における弁範囲において（一時的な）空間を介して流れる。

通常、一定の力は、弁範囲において膜を基板から持ち上げるよう必要とされる。第１の流路端部表面が第２の流路端部表面より実質的に大きいため、弁を開く力は、流体が第１の流路において加圧される際により容易に得られる。「常用」流体圧力を有して第１の流路のみが基板から膜を持ち上げるよう十分な力を作るよう力レベルが選択され得るため、一方向弁は、得られる。

弁を開くよう必要とされる力のレベルはまた、システムの通常の使用に対して高すぎない加圧レベルに対応するよう選択され得る。かかる構造において、弁装置は、溢れ弁として使用され得る。

また、両流路から流体が弁範囲を通ってポンプされ得るよう力レベルを選択することは、可能である。したがって、弁範囲を通る流れを得るよう、同一の開放力レベルを有する更なる圧力が第１の流路より第２の流路において必要とされる、ことは明確である。

一実施例では、弁範囲の外側における第１の流路及び／又は第２の流路の長手方向壁の少なくとも一部分は、膜によって形成される。かかる流路は、基板において容易に作られ得る。例えば、長手方向溝は、基板において与えられ得、該溝は膜によって覆われる。一実施例では、第１及び第２の流路はいずれも、そのようにして構成される。他の実施例では、単一層基板は、基板の各側部に１つである２つの膜が備えられ得る。続いて各膜は、第１又は第２の流路の一方の長手方向壁の一部を形成し得る。弁範囲に対向する膜の側部上に位置する流路は、続いて、基板を通る穴を有して弁範囲に接続され得る。かかる穴はまた、基板において容易に作られ得る。

一実施例では、弁装置は、プランジャを有し、該プランジャは、基板の対向する側部上における弁範囲の少なくとも一部において膜に対して押し付けられ得る。プランジャは、基板に対して膜を押し付け、故に弁を開くよう必要とされる最小限の力を設定するよう使用され得る。したがって、弁装置は、プランジャを膜に対して押し付けるよう構成される加圧装置を有し得る。加圧装置を使用することによって、最小限の力は、設定され得る。

一実施例では、加圧装置は、調整可能であり得るか、あるいは調整可能であり得ない、受動装置であり得る。例えば、加圧装置は、プランジャを膜に対して押すスプリング要素を有し得る。かかるスプリング要素は、リーフスプリングであり得るか、あるいは、機械スプリング、空気スプリング、電気スプリング、又は磁気スプリング等である他の適切なスプリングが使用され得る。

他の実施例では、加圧装置は、能動装置であり得、プランジャ上及び膜上に与えられる圧力を能動的に制御し得る。

一実施例では、プランジャは、膜に対して押し付けられるよう構成されるリムを有する。該リムは、第１の部分及び第２の部分において弁範囲を分割するよう設計される。第１の流路端部表面は、第１の部分において位置決めされ、第２の流路端部表面は、第２の部分において位置決めされる。プランジャ上のリムを与えることによって、より高い局所的圧力が膜上に与えられ得る。これは、弁範囲における基板に対する膜のより優れた密封を与え、弁装置が閉じられる際、即ちバルブを開くための設定圧力に到達しないうちは、漏れを防ぐ。かかるリムを有し、閉じられた弁から開かれた弁までの移動及びその逆の移動は、実質的により明確である（ｓｈａｒｐｅｒ）。本発明は更に、請求項１乃至１１のうちいずれか一項記載の弁装置を１つ又はそれより多く有する膜に基づく流体システムに係る。

本発明に従った弁装置の更なる利点及び特徴は、添付の図面を参照して以下に記載される。

図１及び図２は、全体的に参照符号１０で示される本発明に従った弁装置の第１の実施例を示す。弁装置１１は、基板１２及び可撓性膜１３を有し、該可撓性膜の表面範囲の大部分は、基板１２と接合される。本発明の一実施例では、基板１２及び可撓性膜１３は、接着層１４を有して互いに対して接続される。しかしながら、基板１２と可撓性膜１３との間の接続が流体気密である限り、両面接着テープ、溶接等である適切な接続手段が使用され得、漏れ又は混入は発生し得ない。

弁範囲１５において、弁機構を可能にするよう互いに対して接着されない。図１におけるこの弁範囲１５は破線の円であるが、この弁範囲１５は、適切な形状を有し得る。

基板１２の下方側において、第１の溝及び第２の溝が与えられる。該溝は、第１の流路１６及び第２の流路１７を形成するよう膜１３によって覆われる弁範囲１５の外側にある。かかる流路１６，１７は、基板１３の側部の１つにおいて溝を機械加工又はモールドすることが比較的容易であるため、容易に構築され得る。流路１６，１７の長手方向壁の一部を形成する膜１３はまた、膜１３が弁機構に対して既に使用されたため、容易に使用され得る。

弁範囲１５内において、流路１６は、流路端部表面１９を有する流路端部チャンバ１８を有する。この流路端部表面１９は、基板１２の下部表面の平面に位置する流路端部チャンバ１８の表面範囲である。この流路端部表面１９は、故に、流路１６における流体圧力が上昇する際に膜１３上に圧力をかける表面範囲である。流路端部表面１９は、実質的に馬蹄形である。

同様に、流路１７は、弁範囲１５内において、流路端部表面２１を有する流路端部チャンバ２０を有する。この流路端部表面２１も同様に、流路１７における流体圧力が上昇する際に弁範囲１５における膜１３上に圧力をかける表面範囲である。

弁装置１０は更に、プランジャ２２を有する。プランジャ２２は、概略的にヘリカルスプリングとして示される加圧装置２３によって基板１２に対向する側部上において膜１３に対して押し付けられる。弁装置１０の本発明の一実施例において、加圧装置２３は、受動装置であり、この加圧装置２３が制御装置等によって調整されない膜１３上への一定の力を加えることを意図する。一実施例では、受動装置は、位置決めスクリュ等によって調整され得る。受動加圧装置２３が適用される際、リーフスプリングの使用は、かかる加圧装置が摩擦又はバックラッシュの欠如により円滑な機能を与えるため、望ましい。

加圧装置２３は、弁範囲１５において膜１３に対してプランジャ２２を押し付ける。結果的に膜１３が基板１２に対して押し付けられ、通常は、即ちポンプ圧力が流路１６，１７の一方において加えられない際、流体は、基板１２と膜１４との間において流れ得ない。

第１の流路１６における流体圧力が上昇する際、流路端部表面１９の範囲によって増大されるこの流体圧力は、膜１３上に力を加える。この力が膜１３上にプランジャによって加えられる力より大きい場合、膜１３及びプランジャ２２は、基板１２から持ち上げられ得、弁範囲１５において基板１２と膜１３との間に空間が存在するようになる。流体は、流路１６から流路１７までこの空間を通って流れ得る。弁を開くよう必要とされる弁開放力は、膜１３の弾性及びプランジャ２２によって加えられる力に依存する。この力は故に、上述された通り調整可能であるスプリング力によって設定される。流路端部表面１９の馬蹄形は、圧力がプランジャ２２のヘッド部表面にわたってある程度均等に分割されるため、有利である、ことが留意される。一般的には、流路端部表面１９，２１の中心の一方又は両方が膜１３に接触するプランジャ２２の表面の中心と同一の線にあることは、有利である。

また、第２の流路１７における流体圧力が上昇する場合、流路端部表面２１の範囲によって増大されるこの圧力は、プランジャ２２によって加えられる力より大きくあり得る力を与える。この力がより大きい際、弁は開き得、流体は流路１７から流路１６まで流れ得る。しかしながら、流路端部表面２１が流路端部表面１９より実質的に小さいため、弁装置を開くよう流路１７において必要とされる流体圧力は、同様に流路１６において必要とされる流体圧力より実質的に大きい。

設定される力に依存して、弁装置１０は、逆止め弁又は溢れ弁として使用され得る。流路１６における通常のポンプ流体圧力が弁を開くよう十分である圧力を与えるが、流路１７における同一の通常のポンプ流体圧力が弁を開くよう十分である圧力を与えない範囲内に設定される力が位置する際、弁は、逆止め弁として使用され得る。弁を開くよう必要とされる圧力が流路１６，１７の両方に対する通常のポンプ流体圧力を超える場合、弁装置１０は、溢れ弁として使用され得る。また、流路１６及び流路１７の両方における通常のポンプ流体圧力が弁を開くよう十分であることは、可能である。かかる場合、弁装置１０は、二方向弁として使用され得る。

図３及び４は、本発明に従った弁装置の第２の実施例を示す。かかる図中、図１及び２中の弁装置の部分と同一の部分は、同一の参照符号を有して示される。

一般的に、図３及び４中の弁装置１０の構造は、図１及び２中の弁装置の構造に対応する。以下においては、差異のみが記載される。

流路１７は、一般的に、膜１３に対向して位置する基板１２の側部上にある。同様に、流路は、長手方向側部において開く溝によって作られ、該溝は、膜２４によって覆われる。しかしながら、この膜２４はまた、溝を閉じるよう適切である他の要素であってもよい。流路１７は、基板１２において例えばモールド又はドリルあけされ得る貫通路（ｔｈｒｏｕｇｈ ｇｏｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ）２５を介して基板の対向する側部（即ち、膜１３が位置付けられる側部）と流体連通する。この他の実施例はまた、製造が比較的容易であり、２つの流路が交差し得るようにする（基板１２の各側部上に１つ）。このようにして、より複雑な流体処理及び単一層基板上の流れを与えることは、可能である。

プランジャ２２は、流路１７の流路端部表面２１を取り囲む連続的なリム２４を有する。リム２４は、プランジャ２２のヘッド部表面から突出する。この突出するリム２４は、基板１２上における膜１３の更に優れた密封、及び弁装置１０の更に優れた封鎖を与える。本発明の一実施例において、リムは、流路１７の流路端部表面２１を取り囲む。リムが連続的ではなく、弁範囲１５の一側から他側へとわたることも可能である。いずれの場合においてもリムは、弁範囲１５を２つの部分に実質的に分割すべきである。流路端部表面１９，２１の一方は、一方の部分に位置すべきであり、他方の流路端部表面２１，１９は、他方の部分に位置すべきである。

本発明が意図するリムは、基板１２上における膜１３の密封を向上させる突出するエッジ部等を有し得る。

図３及び４中の実施例の加圧装置２３は、作動可能（ａｃｔｕａｂｌｅ）であり、例えば制御装置を使用することによって、プランジャ２２が膜１３に対して押し付けられるよう有する力は、変更され得る。これは、例えば流体処理工程の進捗に依存して、弁装置１０の特徴を切り替えることを可能にする。加圧装置は、例えば空気圧又はハイドロリックシリンダ、あるいは機械又は電気機械装置であり得る。

例えば弁装置が逆止め（一方向）弁として使用される際、弁を開くよう必要とされる力レベルは、変更され得、例えば特定の流体チャンバが満たされることが既知である際に、逆止め弁が開かれて過剰な流体が放出され得るよう力レベルが低下され得る。かかる場合、流体が弁を通過し得る前に、流体圧力を「通常以上の」レベルまで上昇させる必要はない。

二方向弁の場合においても、弁を開く力レベルは、環境に依存し得る。例えば流路１７から流路１６間での流体の流れが所望される場合、プランジャ２２の圧力は、一時的に低減され得る。

更には、作動可能な加圧装置は、処理要求に依存して異なる弁装置モード（一方向、溢れ、及び二方向）間の切替えを、かかるモードに特有であるレベルまで開放力レベルを設定することによって、可能にする。

本発明の概念内における多くの修正及び代替案が可能であることは、当業者にとって明らかである。かかる修正及び代替案は、添付の請求項に記載される本発明の範囲内であると見なされる。

本発明に従った弁装置の第１の実施例の下面図である。 図１中の第１の実施例の側部断面図である。 本発明に従った弁装置の第２の実施例の下面図である。 図３中の第２の実施例の側部断面図である。

Claims (11)

1. 弁装置であって、
   基板と、弾性膜とを有し、
   前記膜は、前記基板に対して少なくとも弁範囲の周囲で接合され、
   前記基板は、前記弁範囲において終わる第１の流路と第２の流路とを有し、前記第１の流路は、前記弁範囲において第１の流路端部表面を有し、前記第２の流路は、前記弁範囲において第２の流路端部表面を有し、
   前記第１の流路端部表面の範囲は、前記弁装置を開くために前記第１の流路において必要な流体圧力が、前記第２の流路において必要な流体圧力よりも大きくなるように前記第２の端部表面の範囲より大きく、
   プランジャを更に有し、
   前記プランジャは、前記基板に対向する側部上において前記弁範囲の少なくとも一部分において前記膜に対して押し付けられ得るとともに、
   前記プランジャは、前記膜に対して押し付けられるよう構成されるリムを有し、
   前記リムは、前記弁範囲を第１の部分と第２の部分とにおいて分割するよう設計され、
   前記第１の流路端部表面は、前記第１の部分において位置決めされ、前記第２の流路端部表面は、前記第２の部分において位置決めされる、
   弁装置。
2. 前記第１の流路及び／又は前記第２の流路の長手方向壁の少なくとも一部分は、前記膜によって形成される、
   請求項１記載の弁装置。
3. 前記弁装置は、受動弁装置である、
   請求項１又は２記載の弁装置。
4. 前記弁装置は、溢れ弁である、
   請求項１又は２記載の弁装置。
5. 前記弁装置は、加圧装置を有し、
   該加圧装置は、前記膜に対して前記プランジャを押し付けるよう構成される、
   請求項１乃至４のうちいずれか一項記載の弁装置。
6. 前記加圧装置が前記膜に対して前記プランジャを押し付け得るよう有する力は、調整可能である、
   請求項５記載の弁装置。
7. 前記加圧装置は、前記力を調整するよう作動可能である、
   請求項５又は６記載の弁装置。
8. 前記加圧装置は、スプリングを有する、
   請求項５乃至７のうちいずれか一項記載の弁装置。
9. 前記スプリングは、リーフスプリングである、請求項８に記載の弁装置。
10. 前記リムは、連続的であり、前記第１及び第２の流路端部表面のうち一方を取り囲むよう設計される、
    請求項１乃至９のうちいずれか一項記載の弁装置。
11. 膜に基づく流体システムであって、
    請求項１乃至１０のうちいずれか一項記載の弁装置を１つ又はそれより多く有する、
    膜に基づく流体システム。

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