JP6946420B2 - マイクロバルブ、流体ポンプ、および流体ポンプを操作する方法 - Google Patents

Description

本発明は、入口から出口に向けて流体をポンプで押し出すための、流体ポンプに関する。さらに本発明は、このような流体ポンプを操作する方法、およびマイクロポンプと共に使用され得るマイクロバルブに関する。

詳細には、本発明は、流体の投入、取扱い、および操作のための広い用途に適用され得る、マイクロバルブポンプ（μＶＰ）デバイスを開示する。このようなデバイスの適用分野は、化学分析システムにおけるマイクロポンプおよび／またはマイクロバルブとして、例えば生命科学の分野で見出すことができる。他の例示的な用途として、高スループットのインクジェットプリンタにおけるインクをポンプで押し出すこと、滑剤を回転する軸受けに供給すること、または化学的なガス分析のためにガスをサンプリングすること、を含む。全ての用途領域において、フローを能動的に開閉するための高性能バルブとして、または、流体を入口から出口へポンプで押し出すための、非常に高い流量の一方向のマイクロポンプとして、このデバイスを利用することができる。

本発明は、機械式往復動容量型ポンプの分野にある。当技術分野の現況技術の詳細な記述の説明は、文献［１］：P. Woias, Micropumps-past, progress and future prospects, Sensors and Actuators B 105, 2005, 28-38、および文献［２］：D.J. Laser and J.G. Santiago, A review of Micropumps, Journal of Micromechanics and Microengineering 14, 2004, R35-R64において確認される。

文献［１］の図１、同様に文献［２］の図２は、大多数の往復動マイクロポンプの、一般的な共通設計原理を示す。少なくとも１つのポンプ隔壁が、ポンプチャンバの一方の側に取り付けられ、ポンプチャンバ内に過圧および減圧を交互に生じさせるために、往復動で移動させられる。２つの能動的または受動的バルブが、ポンプチャンバへの流体入口と、ポンプチャンバからの流体出口との間にそれぞれ位置される。これらバルブの開閉のタイミングは、出口バルブが閉じている間に、ポンプチャンバ内の減圧が、開いた入口バルブを介して流体をポンプチャンバ内に吸い込むことで成される。ポンプチャンバ内の過圧が、入口バルブが閉じている間に、開いた出口バルブを介して、ポンプチャンバから出口へ流体を送達することになる。

この一般的な容量型マイクロポンプの作動原理は、文献［１］および文献［２］に開示されたように多種多様であり、圧電性、電磁性、サーモニューマチック、または静電容量性の作動を使用する。原則的に、それぞれのアクチュエータが、ポンプ隔壁の一体部品であるか、またはポンプ隔壁に機械的もしくはエネルギー的に連結される分離したユニットとして実現されるかに関わらず、隔壁を往復動で移動させることができる全ての作動概念が適用できる。また、バルブは種々の形状および設計で作ることができる。

文献［１］および文献［２］で開示されたように、現在３つの異なるタイプのバルブが使用されている。

第１に、受動型フラップバルブは、ポンプチャンバ内の減圧および過圧によって開閉される。通常これらの受動型バルブは、それらの単一方向的な性質により、入口と出口との間に単一方向のフローを生成する。しかし、文献［３］：R. Zengerle et al., A bidirectional silicon micropump, Sensors and Actuators A50, 1995, 81-86において、フラップバルブを伴うマイクロポンプでは、動的効果によって出口から入口への逆フローを発生させることができることも、示されている。後方への物理的作用は、フラップ運動の慣性効果および流体減衰を介して発生した、圧力で誘発されたフラップ運動の、ポンプ隔壁の運動に対するタイムラグである。

第２のタイプは、それら自体の作動機構を装着して、要求に応じて開閉する能動的バルブである。このようなマイクロポンプは、ローラポンプまたはチュービングポンプの動作に似ているので、ぜん動ポンプと呼ばれることが多い。それらは、ポンプ隔壁の動作に対する、バルブの開閉の適切なタイミングによって、両方向のフローも可能にする。

第３のタイプは、ノズルディフューザバルブである。これらのバルブは、完全に閉鎖できないという事実から、他の２つのタイプとは区別される。代わりにそれらは、前方および後方のフローで異なる流体抵抗をもたらす形状の、流体チャネルまたはオリフィスから作られる。公知の例は、文献［４］：E. Stemme, G. Stemme, A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump, Sensors and Actuators A 39, 1993, 159-167に記載されたような、円錐形のチャネルである。

これまで説明したマイクロポンプは、共通の特徴として、分離したポンプ隔壁およびバルブユニットを使用する。しかし、能動的隔壁バルブを利用するぜん動マイクロポンプは、流体を推進させるために、これらの隔壁の流体移動も使用することに言及する必要がある。したがって、これらのバルブはポンプ隔壁の機能を取り入れる。これは、文献［５］：F. Goldschmidtboing et al., A generic analytical model for micro-diaphragm pumps with active valves, Journal of Micromechanics and Microengineering 15 (4), 2005, 673-683の図２に記載されている。

しかし、どのバージョンにおいても、上述の往復動マイクロポンプは、従来の解決策のいくつかの欠点を呈する。

ポンプ隔壁、ポンプチャンバ、および２つの流体バルブの組み合わせは、特にマイクロポンプの小型化が目的である場合に、相対的に複雑な設計および作製技術をもたらす。さらに、例えば微粒子によるバルブの閉塞、流体システム内における流体泡の封じ込み、または機能部品の内のたった１つの機能不全（１つのフラップの割れ、または隔壁アクチュエータの損傷）によるマイクロポンプの故障などにより、欠陥および誤差の原因が増加する。

能動的バルブを伴うマイクロポンプは、受動的バルブを伴うマイクロポンプよりもかなり複雑であり、かつ、より複雑な電子ドライバを必要とする。

ノズルディフューザバルブを伴うマイクロポンプは、入口と出口ポートとの間で開いた流体通路を提示する。入口と出口ポートとの間のいかなる前圧または背圧も、この時間の間に、望ましくない影響の可能性および低下したポンプ性能を伴う、望ましくない寄生フローを発生させる。

文献［６］：独国特許出願公開第１９５４６５７０号明細書は、設計の複雑さを軽減するためのステップとして、単独の隔壁バルブのポンプ作用およびバルブ効果の組み合わせを利用した、マイクロポンプを示す。このデバイスは、流体チャンバの頂部に取り付けられた、弾性の作動式隔壁を使用する。チャンバは、流体入口および流体出口を有する。流体出口は、隔壁の作動を介して閉じることができ、隔壁はその中央に機械的に剛体の突起部を保持し、それはポンプチャンバに面している。バルブ隔壁がポンプチャンバに向かって下方に移動すると、突起部は出口の開口部の上に押圧され、それによってポンプチャンバと出口ポートとの間の流体接続を遮断する。隔壁が上方に移動すると、バルブ突起部は出口の開口部から離れ、それによってポンプチャンバと出口ポートとの間の流体ダクトを開ける。したがって、出口の開口部はバルブ座部として機能し、能動的バルブが、バルブ座部と、作動式隔壁に位置されたバルブ突起部との相互作用によって形成される。

文献［６］で説明したように、このバルブのポンプ機構は、バルブ突起部とバルブ座部との間における通路の流体抵抗が、両者の間の距離ｈから、および出口バルブにわたる圧力差ｐから非直線的に依存する、という事実から生じる。簡略化したモデルにおいて、フローはｐｈ^３に比例し、より複雑なモデルにおいて、ｐ^ｘｈ^ｙに比例する。ここでｘおよびｙは数字のモデルパラメータである。反対に、入口の開口部は、オリフィスにわたる圧力差の二乗根と、入口の開口部における一定の有効断面積との積にのみ比例するフローを伴う、オリフィスの流体特性を示す。これは、ぜん動マイクロポンプの設計と類似するため、同じポンプ機構が、文献［５］に示されるデバイスに見出されるであろうことが予想できる。

したがって開位置から閉位置へのバルブ突起部の移動は、パラメータｈ^３の急激な減少のため、流体抵抗の非直線的で高い増加を経時的にもたらすことになる。他方で、閉位置から開位置へのバルブ突起部の移動は、流体抵抗の非直線的な高い減少をもたらすことになる。入口の開口部における流体抵抗は、入口の開口部にわたる圧力差にのみ依存する。

したがって、文献［６］で説明したように、吸い込み段階の間、バルブの開口部は、流体チャンバ内に高い減圧を発生させることになり、一方でほぼ閉じられた出口バルブは相対的に高い流体抵抗を呈し、入口の開口部はより低い流体抵抗を呈することになる。その結果、出口から流体チャンバ内に吸い戻される流体の影響はより小さいので、流体は入口から流体チャンバ内に優先的に吸い込まれることになる。流体チャンバ内の減圧が、この流入のために最終的にゼロまで減少すると、ネット流入が入口を介して発生することになる。

送達段階の間、バルブの閉鎖によって、流体チャンバ内に瞬間的に高い過圧が発生することになり、その一方で、開いた出口バルブは低い流体抵抗を呈し、入口の開口部は出口バルブよりも高い流体抵抗を呈する必要がある。その結果、流体が、吸い込み段階の間の流入と比較して、出口ポートの中により多く流出し、したがって入口ポートの中への流体の逆フローがより少なくなる。ポンプサイクルの間における、全てのネットフローは、出口に向かうことになる。

文献［６］は、そこに示したバルブ−マイクロポンプの概念のいくつかの欠点を明らかにする。

マイクロポンプ効果は、ポンプチャンバの圧力の動的変動と、バルブ突起部およびバルブ座部の間における空隙高の動的変化と、入口ポートを通るフローの動的変動との間の、繊細なバランス上に依存する。これは設計制約を表わし、パラメータの調整された設定によってのみポンプ効果をもたらすことになる。

入口ポートの流体抵抗および開いた出口ポートの流体抵抗は、ネット流出が合計で示されるよう整合させる必要がある。これを実現するため、入口の開口部はそのサイズを制限する必要があり、それは対照的に、吸い込む段階の間の流体の流入を制限する。

ポンプチャンバの圧力は、所望のネット流入およびネット流出を実現するために、吸い込み段階および送達段階の特定の時間期間で、特定の最大値および最小値に設定する必要がある。これは、隔壁のストロークおよび隔壁のアクチュエータ性能に要件を課す。文献［６］は、ポンプチャンバの圧力を調整するために、隔壁のストロークの制御された変動を提案している。これは、アクチュエータのための電子ドライバを複雑にすることになる。

文献［６］によるマイクロポンプは、入口と出口ポートとの間の開いた流体通路を伴う長い時間期間を示す。入口と出口ポートとの間のいかなる前圧または背圧も、この時間期間の間に、望ましくない影響の可能性および低下したポンプ性能を伴う、望ましくない寄生フローを発生させる。

吸い込み段階において、文献［６］の図１によるポンプは、出口バルブが開いたとき、ポンプチャンバ内の減圧だけを構成し始めることになる。これは、文献［６］の図１から明確に見ることができ、文献［６］の図８にも導出され得る。文献［６］の図１において、片持ち梁タイプのピエゾアクチュエータは、バルブ突起部が上方に移動する前に、ポンプ隔壁を変形することはできない。文献［６］の図８において、剛体のバルブ突起部は、弾性のポンプ隔壁が上方に移動する変形を顕著に防止する。したがって、両バルブが同時に開き、望ましくない逆フローおよび逆方向のポンプ作用の不利を伴う場合のみ、容積は移送されることになる。これは、以下で説明する本発明との主な違いである。

文献［７］：米国特許出願公開第２０１３／０１８６０７８号明細書から、弾性的に変形可能なバルブ縁部を有するマイクロバルブが知られている。このマイクロバルブは、しっかりと接続された２つの基材から形成され、好ましくは、第１および／または第２の通路の制御された開閉のため、例えば隔壁を駆動するアクチュエータ要素を有する。この文献はさらに、このようなマイクロバルブを製作するための方法、および少なくとも１つのこのようなマイクロバルブを使用するマイクロポンプに関する。前記マイクロポンプは、特に人工括約筋の開発と共に使用することが意図される。マイクロバルブは、制御可能な流体フローセクションを形成するために、互いに取り外せないよう結合された第１の基材および第２の基材と、少なくとも１つの第１の通路および少なくとも１つの第２の通路とを有する。この発明によると、マイクロバルブは、第１および／または第２の通路を封止するため、例えば光構造化シリコーンによって形成され得る、少なくとも１つの弾性的に変形できる封止構造を有する。

しかし文献［７］は、第１の開口部、および第２の開口部周りの１つのみのバルブ座部に基づくポンプ作用を実現するために、垂直方向に引き伸ばせない相対的に薄い光構造化バルブ縁部を使用することのみが開示されている。

本発明の目的は、簡単な構造的設計、機械的設計、および流体的設計によってポンプ効果を作り出す、改善した構造体を提供することである。

この目的は、独立請求項の主題によって解決される。本発明の有利な実施形態は、従属請求項の主題である。

本発明は、バルブを交互に開閉する間に、バルブの空隙幅の好ましい調節を実現するよう、可撓性バルブ座部の変形に基づいた履歴型変形可能バルブ機構を導入する概念に基づいている。さらに時間期間は、バルブの開状態と閉状態との間の遷移ポイントにおいて発生し、ここでバルブは、バルブ座部の弾性圧縮および伸張のために、閉じたままとなる。したがってバルブは、ポンプ隔壁の位置に対する流体フローの履歴現象を示す。

本発明によると、流体を入口から出口に向けてポンプで押し出すための流体ポンプは、少なくとも第１の開口部および第２の開口部を有する、ポンプ本体を備える。撓むポンプ隔壁が、ポンプチャンバがポンプ本体と隔壁との間に形成されるように、かつ、前記ポンプチャンバが、前記第１の開口部を介して入口へ、および前記第２の開口部を介して出口へ流体接続されるように、ポンプ本体に装着される。

バルブ座部が、第２の開口部周りでポンプチャンバ内側に配置され、第２の開口部からポンプチャンバの中へポンプ隔壁に向かって、高さが変形されずに突出し、それによって、バルブ座部に接触し、およびバルブ座部から離れることによって、撓む隔壁が出口の流体通路を開閉するようそれぞれ動作できる。本発明によると、バルブ座部は、弾性本体、および封止面を有するガスケットを備える。

本解決策の利点を、まず、特に簡単な構造的設計に見出すことができる。さらに、実験が、本発明による流体ポンプが流体の逆フローの程度が低いことと、各ポンプサイクルに比較的長い時間の間、出口が閉じているので、出口における逆圧に対して非常に安定することと、を示した。

バルブは、隔壁によって圧縮され得るように設計され、そのとき隔壁が座部上で下に移動し、それによって座部が元の高さより低くなる。座部は、上方に移動するポンプ隔壁と接触している間、その元の高さから引き伸ばされ得るようにも設計される。最後に、ガスケットおよび封止面が、水圧または他の力によって、隔壁に接着できるよう設計される。

本出願で使用される「剛体」は、硬く、曲がらないことを意味し、すなわち剛体構造は、構造体の通常の使用中に変形するように適合されない。

本出願で使用される「可撓性」は、硬くなく、剛体でないことを意味し、すなわち曲げられるが、伸張できない。可撓性構造は、構造体の通常の使用中に特定の方向に変形できるが、伸びないよう適合される。曲げている間、長さは変化しない。

本出願で使用する「伸張可能」は弾性をもつことを意味し、すなわち伸びて弾性的に変形できる。伸張可能な構造が、通常の使用の間に（伸びて）弾性的に変形されるよう適合される。

本出願で使用される「圧縮可能」は弾性を持つことを意味し、すなわち加えられた圧力の方向にサイズが減少して弾性的に変形できる。伸張可能な構造が、通常の使用の間に（寸法を減少させて）弾性的に変形されるよう適合される。

本発明の第１の態様によると、前記ポンプ隔壁は、開段階の間のバルブから離す間に、ガスケットおよび封止面を装着し続けてよい。したがって、弾性バルブは引き伸ばされ、ポンプ隔壁は、閉段階の間にポンプ隔壁および封止面が接触しているときの高さと比べて高い位置で、封止面から離れることになる。

本発明の第２の態様によると、前記隔壁は、バルブ座部と、分離する隔壁との間に生じる減圧によって、ガスケットおよび封止面を引っ張って伸張できるよう、分離時に十分早く弾性バルブ座部から離れる。したがって、隔壁が上方に移動してバルブ座部から分離するとき、バルブ座部とポンプ隔壁との間の空隙は、バルブ座部がより剛性の高い材料で作ることを考慮する状況に比べると小さい。

両方の効果が、マイクロポンプの吸い込み段階の間に、より高い流体抵抗が出口において作り出され、文献［６］のデバイスと比べると、より効率的なポンプ作用をもたらす。

本発明の第１および第２の態様による流体ポンプは、両方向のフローを遮断するよう、または流れるように、能動的バルブとしても利用することができる。

提示したポンプまたはバルブを、通常は開いているよう、すなわち自然な位置において隔壁と座部との間に空隙がある場合に、隔壁が作動されない状況において入口と出口との間が流体接続されるよう、設定することができる。通常は閉じているよう、すなわち自然な位置において隔壁が座部の上に載っている場合に、隔壁が作動されない状況において入口と出口との間が流体接続されないよう、設定することもできる。

有利には、撓むポンプ隔壁は、バルブ座部の弾性本体よりも高い剛性を有し、そのため弾性本体は、撓むポンプ隔壁の移動を大きくは妨げない。

出口を閉じ続けることの効果は、バルブ座部が、撓む隔壁の移動に追随することで履歴型効果を提示できるようにすることによって、実現することができる。有利な実施形態によると、バルブ座部の前記弾性本体は弾性を有し、隔壁がポンプ本体に向かって撓むとき、圧縮によってその高さが減少する。さらに、バルブ座部の弾性本体は、隔壁がポンプ本体から撓んで離れるとき、その高さが増加するように、伸張可能であってよい。

ポンプを効率的に操作するため、弾性本体は、第２の開口部の周りに配置された円筒形状を有する。

弾性本体は、第２の開口部の周りでポンプ本体に装着され、撓む隔壁に接触することになる、弾性本体の遠位端における径方向厚さよりも大きい径方向厚さを有する、取り付けフランジを有してよい。このような構造によって、弾性本体の、ポンプチャンバの内側でポンプ本体面へのしっかりとした装着が可能となる。

一方では封止機能のため、および他方ではバルブ座部の変形のために、最適な材料特性を選択するよう、弾性本体およびガスケットは別個の部品として作製される。しかし、当業者には、これらの２つの構成要素を伴うバルブ座部を、１つの一体型部品として作製され得ることが明白である。

本発明の有利な実施形態によると、バルブ座部は、撓む隔壁に接触するよう配置される封止領域と、ポンプ本体に装着される取り付け領域とを有する。封止領域におけるオリフィスは、ポンプ本体から取り付け領域を越えてバルブ座部を通ってオリフィスに向かうチャネルよりも、小さい径を有し得る。それによって流体内の圧力分布は、撓む隔壁が上方への移動の間に、隔壁に対して封止領域が自らを吸い込むように生じる。

さらに、バルブ座部は減少した壁厚を伴う領域を有し得る。それによって、圧縮および伸張が容易になる。代替または追加で、バルブ座部は、Ｕ型外形またはＶ形外形を有する蛇腹状の領域を備えてもよい。また、バルブ座部の壁厚は、その延長に沿って段階的または連続して変化させてもよい。

バルブ座部が、加えられた圧力によってポンプ本体からずれるのを防止するため、バルブ座部を、ポンプ本体の第２の開口部に形成された凹部内に、部分的に受け入れるよう取り付けてもよい。

前記第２の開口部がポンプ隔壁と同心円状に配置されたとき、特に対称の圧力分布および円滑な動作が実現され得る。

さらなる有利な実施形態によると、ガスケットは磁性材料を備え、流体ポンプは、前記磁性材料との相互作用によって弾性本体を引き伸ばすよう、および／または圧縮するよう動作可能な、電磁アクチュエータを備える。これによって、ポンプ特性のさらなる正確な調整が可能となる。電磁アクチュエータは、ポンプチャンバの外側における撓む隔壁上、かつ撓む隔壁を介してガスケットと相互作用するようガスケットに近づけて、位置されてよい。あるいは、電磁アクチュエータはポンプ本体内に位置されてもよい。詳細には、ポンプ本体は、第２の開口部と同心円状に配置されたリング状の凹部を備えてよく、電磁アクチュエータは、前記リング状の凹部内に取り付けられる。後者の実施形態はより堅牢であり、電磁アクチュエータが、撓む隔壁の機械的性能を損なわないという利点を有する。

本発明によると、流体ポンプシステムは、上述の複数の流体ポンプを組み合わせることもできる。例えば、２つのポンプを、１つの撓むポンプ隔壁を共有するよう配置することができる。したがって、１つの隔壁を作動させることによって、２倍の流体量をポンプで押し出すことができる。

本発明は、流体ポンプを操作する方法も提供し、この流体ポンプは、
少なくとも第１の開口部および第２の開口部を有する、ポンプ本体と、
ポンプチャンバがポンプ本体と隔壁との間に形成されるように、かつ、前記ポンプチャンバが、前記第１の開口部を介して入口へ、および前記第２の開口部を介して出口へ流体接続されるようにポンプ本体に装着される、撓むポンプ隔壁と、
第２の開口部周りでポンプチャンバ内側に配置され、第２の開口部からポンプチャンバの中へポンプ隔壁に向かって、高さが変形されずに突出し、それによってバルブ座部に接触し、およびバルブ座部から離れることにより、撓む隔壁が出口の流体通路を開閉するようそれぞれ動作でき、弾性本体、および封止面を伴うガスケットを備える、バルブ座部と
を備え、
方法は、
ａ）撓む隔壁を、ガスケットと封止接触するまでバルブ座部に向けて移動させるよう作動させ、撓む隔壁を、バルブ座部が変形されていないときの高さと比べて減少した高さを有するようバルブ座部が圧縮されるまで移動させるように、さらに作動させるステップと、
ｂ）撓む隔壁が、ガスケットと接触しなくなるまでバルブ座部から離すよう、撓む隔壁を移動させるように作動させるステップであって、この移動の間にバルブ座部は、前記変形されていないときの高さと比べて引き伸ばされた高さとなるよう伸張される、ステップと、
ｃ）流体を入口から出口に向けてポンプで押し出すために、ステップａ）およびステップｂ）を繰り返すステップと
を含む。

すでに上述したように、出口からの逆フローを低く抑えることができ、ポンプは、出口において高い逆圧にも抵抗する。

有利な実施形態によると、ガスケットは磁性材料を備え、流体ポンプは、前記磁性材料との相互作用によって、弾性本体を引き伸ばすよう、および／または圧縮するよう動作する電磁アクチュエータを備える。

本発明は、さらに流体ポンプのマイクロバルブに関し、このマイクロバルブは、ポンプチャンバと流体接続された開口部を有する本体と、前記開口部の周りに配置され、変形されない高さで開口部からポンプチャンバの中へ、撓む隔壁に向かって突出するバルブ座部とを有する本体を備え、それによって撓む隔壁が、バルブ座部に接触し、離れることによって開口部の流体通路を開閉し、バルブ座部が弾性本体、および封止面を伴うガスケットを備え、バルブ座部が、開口部からポンプチャンバに向けて導かれて加えられた流体圧によって作動されるよう、少なくとも１つの作動領域を備える。

本発明の特定の態様によると、可動バルブ機構が、バルブおよびマイクロバルブのバルブ機能を改善するために提供される。本発明は、隔壁と共通点があり、バルブの入口において加えられた圧力下で移動することができるバルブ座部を利用することで、出口と入口との間のバルブ機能を改善かつ強化するであろう、という概念に基づいている。換言すると、加えられた圧力下で、隔壁とバルブ座部との間の空隙が減少する。この可動性は、加えられた圧力下で変形し／撓むことができるように設置された可撓性バルブの使用によって、例えば加えられた圧力に曝される表面積を有することによって可能となる。さらに、この可動性は、加えられた圧力下で変形し／撓むことができる可撓性バルブホルダ（取り付け手段とも称される）を使用することによって可能となり、もしくは、加えられた圧力下で変形し／撓むことができる、全体的に可撓性であるバルブ座部の実施形態を使用することによって可能となり、または全ての組み合わせによって可能となる。

したがって、より高い圧力をバルブに加えることによって、バルブ座部と隔壁との間の空隙は減少し、その結果バルブの閉鎖が簡略化される。加えられた圧力と、その結果として生じる可変の空隙との間の正しい相関関係により、受動的自己制御圧力／フローデバイスでさえ、実現され得る。本発明の用途は、限定ではないがＭｉｃｒｏ−ＴＡＳ（ｍｉｃｒｏ−ｔｏｔａｌ−ａｎａｌｙｓｉｓ−ｓｙｓｔｅｍ）、ラボオンチップ用途、電子デバイスの冷却、射出システム、投薬および計測設定などの、科学技術の様々な領域に可能である。

バルブ座部、バルブホルダ、およびバルブ実施形態の、外形的特性ならびに材料特性は、望ましい圧力−撓み量、または圧力−空隙プロファイルを実現するための、制御変数である。

添付の図面が本明細書の一部に組み込まれ、本明細書の一部を形成し、本発明の実施形態を例示する。これらの図面は説明と共に、本発明の原理を説明する役割を担う。図面は、本発明がいかに成され、使用され得るかの、好ましい例および代替の例を例示する目的だけのものであり、本発明を、例示し説明した実施形態のみに限定するよう解釈するべきではない。さらに、説明した実施形態のいくつかの態様は、個々または異なる組み合わせで、本発明による解決策を形成し得る。さらなる特徴および利点が、添付の図面に例示するように、本発明の様々な実施形態のより詳細な説明から、明らかとなる。図面において、同様の参照番号は同様の要素を指す。

ポンプを表わす概略断面図である。 図１に示すポンプのポンプ作用を説明するために必要な、物理パラメータを表わす図である。 ポンプサイクルの間の本発明の第１の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 ポンプサイクルの間の本発明の第１の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 ポンプサイクルの間の本発明の第１の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 ポンプサイクルの間の本発明の第１の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 ポンプサイクルの間の本発明の第１の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 図３に対する、１つのポンプサイクルの間の変位する容量を示す表である。 本発明の第２の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 本発明の第２の態様に対する、ポンプ作用の表現図である。 ポンプを、弾性バルブ座部の有無によってそれぞれ例証した、空隙高さ、ポンプチャンバ圧力、およびポンプサイクルの出口を通るフローの概略図である。 ポンプを、弾性バルブ座部の有無によってそれぞれ例証した、空隙高さ、ポンプチャンバ圧力、およびポンプサイクルの出口を通るフローの概略図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 弾性バルブ座部のいくつかの実施形態を示す図である。 図１による２つのマイクロポンプを備える、流体ポンプシステムの図である。 図１によるマイクロポンプを別様に改変したバージョンの図である。 図１によるマイクロポンプを別様に改変したバージョンの図である。 第１の動作状態における、別の有利な実施形態によるマイクロポンプを表わす概略断面図である。 第２の動作状態における、別の有利な実施形態によるマイクロポンプを表わす概略断面図である。 １Ｈｚにおける２バールに対する、作動流体としての空気のためのバルブ動作を例示するグラフである。 作業流体としての空気の圧力に対する、バルブ座部の撓み量を例示するグラフである。 １Ｈｚにおける２バールに対する、作動流体としての水のためのバルブ動作を例示するグラフである。 作業流体としての水の圧力に対する、バルブ座部の撓み量を例示するグラフである。 本発明の一態様によるバルブアセンブリの概略断面図である。 図１７に示すバルブアセンブリの別の概略断面図である。 第１の動作状態における、本発明の別の態様によるバルブアセンブリの概略断面図である。 第２の動作状態における、本発明の別の態様によるバルブアセンブリの概略断面図である。 本発明の別の態様によるバルブアセンブリの概略断面図である。

次に図面、詳細には図１を参照して、本発明をより詳細に説明する。

図１は、本発明の両実施形態による流体ポンプの第１の位置を表わす、概略断面を示す。ポンプは、ポンプ本体１０、およびポンプ本体に固定されるよう適合されたポンプ隔壁１１を、ポンプチャンバ１２がそれらの間に画定されるように備える。隔壁は上方下方に移動できる。換言すると、ポンプ隔壁は開口部に向かって、および開口部１３、１４から離れるよう撓むことができる。前記ポンプチャンバは、第１の開口部１３および第２の開口部１４を介して、入口および出口と流体接続される。バルブ座部本体１６、および封止面を伴うガスケット１７から作られる弾性バルブ座部１５は、少なくとも一部が第２の開口部１４からポンプ隔壁１１に向かって突出するように、ポンプ本体１０に実装される。ポンプ隔壁１１は、座部１５との物理的接触により、または座部１５を押圧することにより、および座部１５から離れることによって、出口の流体通路を開閉することができる。

図２は、図１に示すポンプのポンプ作用を説明するために必要である、重要なパラメータを表わす図である。ポンプチャンバは、ポンプ本体と隔壁との間に画定された、容量Ｖを有する。この容積は、隔壁が上方に移動すると増加し、隔壁が下方に移動すると減少する。隔壁の移動は、高さｈを画定することによって表わすことができる。高さｈは、ポンプチャンバの底部と隔壁の中央ポイントとの間の距離である。この距離ｈは、隔壁が上方に移動すると増加し、隔壁が下方に移動すると減少する。チャンバの容積Ｖのこの変化は、入口１３および出口１４をそれぞれ通る容積フローｑ_１およびｑ_２をもたらす。容積フローの符号は、図２に示すように、流体がポンプチャンバから出るときに正として考慮される。バルブ座部の封止面１８と、撓むポンプ隔壁１１との間の距離は、空隙幅ｇとして表わされる。

図３は、バルブの開状態と閉状態との間の差に基づく第１のポンプ概念に対して提示された、ポンプの作動原理を概略で表わす。以下で、隔壁が上方に位置付けられた状況から開始する、ポンプ作用の全サイクルを考慮する。各状態において、それぞれの状態に対応する高さｈおよび容積Ｖが考慮される。図４の表は、これらの量的パラメータを要約している。

より明白な説明のため、および第１の提示された効果およびその利益に焦点を当てるために、入口および出口の流体抵抗の動的変化、ならびにシステム内の圧力の動的変化を無視するものとする。これは、第２の効果の説明において、より強調されることになる。さらに、出口バルブが閉じている間、出口において排出される流体も無視するものとする（図３ｃおよび図３ｄ参照）

抵抗の動的変化を無視すると、変位した容積Ｖ_up−Ｖ_closeは、接続部１３および１４を介して移送されることになり、両接続部が開いているとき、それらの抵抗と反比例する。Ｒ_ｉが入口１３の有効流体抵抗、およびＲ_ｏが出口１４の有効流体抵抗で、αをＲ_ｏ／（Ｒ_ｏ＋Ｒ_ｉ）として定義すると、チャンバ内の容積変化ΔＶは、入口１３を通る容積フロー（ΔＶ）×α、および出口１４を通る容積フロー（ΔＶ）×（１−α）となる。

図３ａに示す開始条件のように、ポンプチャンバの底面に対して高さｈ_upまで上方に撓んだ隔壁を考慮し、一方でチャンバの容積は最大状態Ｖ_upである。

隔壁が下方に移動開始すると、まず隔壁は図３ｂに示すように、高さｈ_closeにおいて弾性バルブ座部の封止面上に着座することになり、チャンバは容積Ｖ_closeとなる。この移動は、流体を入口１３および出口１４の両方を通して、ポンプチャンバから排出させる。

隔壁は、弾性バルブ座部をさらに下方に押圧し、かつ圧縮させ、高さｈ_downおよびチャンバ容積Ｖ_downである図３ｃに示す状態に到達する。ポンプチャンバからの容積の変位の全ては、出口１４が閉じるので入口１３を通過する。

隔壁が再び上方に移動する場合、弾性バルブ座部は、その弾性挙動および隔壁への装着のため、緩んで伸びることになる。弾性バルブ座部は、ｈ_open＞ｈ_closeまで伸び、バルブ座部の封止面は隔壁から分離し始める。なお、ポンプチャンバからの容量の変位の全ては入口１３を通過し、出口１４は閉じられたままなので、流体は入口１３でポンプチャンバの中に吸い込まれる。

次に、隔壁は上方に移動して当初位置に到達し、高さがｈ_upとなり、図３ｄのようにサイクルが完了する。この段階において、流体は入口１３および出口１４の両方からポンプチャンバに入り、ここで図３ｂと比べると、フロー方向の符号が反対になる。

図４は、ポンプサイクルの全ての段階における、入口および出口を通じた異なる容積の変位を、表に表わす。１つの全サイクルは、入口から出口へ（Ｖ_open−Ｖ_close）×（１−α）のネットフローを送達する。図４の表において、入口のネットフローにおける負の符号は、流体が入口を通って入ることを表わし、出口のネットフローにおける正の符号は、流体が出口を通って出ることを意味する。

図５は、ポンプの吸い込み段階および送達段階における、弾性座部の一時的変形に基づく第２のポンプ効果に対して提示された、ポンプの作動原理を概略で表わす。

説明のため、アクチュエータのストロークｈ、空隙幅ｇ、ポンプチャンバの圧力Ｐ、および出口を通るフローｑ_２の動的変動が、文献［６］に開示された剛体バルブ座部およびバルブ突起部を伴うポンプの単一のポンプサイクルのために、図６の左に示される。

文献［６］で説明したように、吸い込み段階の間のポンプチャンバ内に減圧が発生し、バルブ座部の封止面と隔壁との間の空隙高さｇ（このポートの流体抵抗を定義する）は、ポンプ隔壁の上方への移動によって増加する。したがって、空隙高さｇは、ゼロから始まり、その最高値まで到達し、一方で減圧はその最大値から始まり、ゼロに到達する。送達段階の間、過圧がポンプチャンバ内に発生し、空隙高さｇは、その最大値からゼロまで減少し、一方で過圧もまたその最高値にあり、やはりゼロまで落ちる。チャンバの圧力ｐと、空隙高の３乗ｇ^３との積、すなわち因数ｐｇ^３は、出口を通る流体フローの尺度であるので、吸い込み段階の間は、より低い比率のフローが出口を通ってポンプチャンバに入り、送達段階の間は、より高い比率のフローが出口の中へ分配されることになる。その結果、流体のネットフローは全てのポンプサイクルを通して、出口の中へ分配されることになる。

本発明に使用されるような、履歴型挙動を伴う弾性バルブ座部の導入は、この効果を著しく強化させる。差異を図６の右に示す。図３ｄの吸い込み段階の間、バルブ座部はまだ圧縮されており、まずはその変形していない高さまで伸びる。この時間期間において、出口を通ってポンプチャンバ内に入るフローには影響を与えず、このフローは閉じたバルブのためにゼロであり、大きい減圧がポンプチャンバ内に生じる。減圧後、バルブ座部は上方に移動しながら、ポンプ隔壁に接着することになる。したがって、出口は閉じたままとなり、出口を通ってポンプチャンバの中に入るフローはゼロのままで、一方ポンプチャンバ内の圧力は減少する。バルブ座部がポンプ隔壁から外れた後、ポンプチャンバ内の残存する減圧は、バルブ座部の封止面とポンプ隔壁との間に少量のフローを発生させる。封止面およびバルブのガスケットは、それらが吸い込み力を介して隔壁に引き寄せられたままとなるよう調整することができ、減少したバルブの空隙ｇ_ｄｅをもたらす。別の結果として、図５ｂに概略で示すように、隔壁がさらに上方に移動してバルブの空隙が小さくなると、弾性バルブ座部のさらなる引き伸ばしが生じることになる。この効果は、このポートの流体抵抗を著しく増加させ、このポートを通ってポンプチャンバに入る望ましくないフローを減少させる。バルブを全開にした後にだけ、出口からポンプチャンバへの大きい逆フローが発生することになる。しかし、変位した容積は、剛体バルブ座部を伴うマイクロポンプに比べると、かなり小さい。

送達段階の開始において、ポンプ隔壁の下方への移動によって、高い過圧がポンプチャンバ内で発生する。弾性バルブ座部は、ポンプ隔壁がまだ封止面に接触していなくても、圧縮されてポンプ隔壁に対して下方に移動するよう設計することができる。その結果、ポンプ隔壁と封止面との空隙ｇは、図５ａに概略で示すように、バルブｇ_ｉｎまで動的に増加する。これは、このポートの流体抵抗を減少させ、このポートを通ってポンプチャンバを出る望ましいフローを増加させる。

一般的に、出口を通る流体フローはｐｇ^３と関連するため、動的に変化する空隙高さを伴う弾性バルブ座部は、各ポンプサイクルの間、立方因子を伴ってネットフローを増加または減少する。

ポンプ隔壁およびポンプ本体は、所望の用途および使用する作動機構に好適な任意の材料、例えば金属、ポリマー、ガラス、セラミック、ピエゾセラミック、強磁性体材料、またはシリコンなどを、単独もしくは組み合わせた材料から作ることができる。バルブ座部と機械的に接触することになる領域において、ポンプ隔壁の機械的硬度は、弾性バルブ座部の機械的硬度よりもかなり大きくする必要がある。

バルブ座部は、好ましくは、例えばシリコーン、ゴム、または他のエラストマなどの弾性材料から作られる。

ポンプ隔壁の形状は、例えば正方形、八角形、円、または矩形など、所望の用途および使用中の作動機構に適切に調整することができる。

図７は、弾性バルブ座部のいくつかの好ましい実施形態を示し、使用中の設計要素の機能を説明する。図は、横から見た、丸い管状の本体の断面である。しかし、必要に応じて管状の本体の任意の形状が考えられ、すなわち上面または底面において、バルブ座部は正方形、矩形、または他の形状であってもよい。

図７ａによると、最も簡単なバージョンは、頂部にポンプ隔壁に面した平坦な封止面１８と、バルブ本体１６および封止面１８を貫通して到達する流体チャネル１９とのみを有する、弾性材料から成るバルブ座部本体１６である。座部本体の基部２０は、バルブ座部の残りとは異なる所望の形状および外径で作ることができる。これは、例えば弾性座部全体の取り付けフランジを実現するために成される。

図７ｂは、バルブ座部本体１６、分離したガスケット１７、およびガスケットの頂部で、ポンプ隔壁に面した封止面１８を伴うバージョンを示す。チャネル１９は、段が付いた断面で作られる。すなわちその径はバルブ本体１６で大きく、ガスケット１７で小さい。したがって、オリフィス２１は、ガスケットがチャネル軸に向かって面する弾性の円形縁部２２も形成するよう、ガスケットに生じる。この縁部は、詳細２２ａのように直線的に設計することができ、または詳細２２ｂのように内側の薄く細長い壁のオリフィスを呈する。さらに、バルブ座部本体のチャネル壁は薄く作られ、それによってチャネル壁は、弾性がより高くなる。

この実施形態において、図７ｃおよび図３ｄのように、マイクロポンプの吸い込み段階が始まる間、出口とポンプチャンバとの間の圧力差が、ガスケットおよび封止面をポンプ隔壁に対して押圧することになる。管状の座部本体が、その薄い壁のために、ポンプ隔壁が上方に移動すると伸びて、記述した減圧によって、ガスケットがポンプ隔壁に装着され続ける。

ポンプ隔壁のより大きい撓み量で、図５ｂのように、バルブ座部面はポンプ隔壁から外される。次に、少量の側方のフローが、弾性バルブのガスケットとポンプ隔壁との間に生じることになる。このフローは、ポンプ隔壁およびバルブ座部の封止面によって形成された流体チャネル内の圧力の低下が伴う。さらに、圧力差がバルブのガスケットにわたって起こり、弾性ガスケットをポンプ隔壁に向けて押圧することになり、上述のように減少した空隙幅ｇ_ｄｅが生じる。図７ｄは、この効果の対応する表現図を示す。同じ効果が、オリフィスの内側の薄く細長い壁２３に、断面したがってオリフィスを通る流れが減少する効果と共に発生する。

第２の効果として、バルブ座部本体の薄い壁によって、図３ａ、図３ｂ、および図５ａのように、マイクロポンプの送達段階の間、バルブのガスケットおよび封止面の、下方への移動を可能にする。この段階において、流体は弾性バルブ座部を通してポンプで押し出される。流体力学の公知の法則に従い、圧力低下が、バルブ座部のガスケットに存在する狭いオリフィスにわたって主に発生する。したがって、ポンプチャンバに対して、より低い圧力がバルブ座部本体のチャネルセクションに存在する。その結果、バルブ本体の側壁は側方内側に変形され、バルブのガスケットおよび封止面は、図７ｅのように下がることになる。この結果、上述のように空隙幅ｇ_ｉｎが増加する。さらに、ポンプ隔壁がバルブのガスケットに近づくと、局所的な過圧がポンプ隔壁とパル部のガスケットとの間の小さい空隙に生じる。これも、バルブ座部を下方に押圧することになる。

図７ｂによるバルブ設計は、吸い込み段階の間にポンプチャンバ内の減圧を伴うという、わずかな欠点を有し、バルブ本体の側壁１６が外側に撓み、すなわちチャネル１９から離れることになる。明瞭にするために、この影響は図７ｃには示さない。したがって、バルブのガスケット１７もまた、この場合にポンプ隔壁から離れることになる。これは、上述、ならびに図７ｄおよび図７ｅのように、バルブのガスケットのポンプ隔壁への引き寄せに対して反作用するので、好ましくない影響である。

この問題を解決するため、必要に応じて図７ｆのバルブ実施形態は、単一の蛇腹を伴うバルブ本体１６を有する。すなわち、壁はチャネル１９に向かってＶ形となる。吸い込み段階の間、出口圧力に対するポンプチャンバ内の減圧も、バルブ本体を外側へチャネルから離すように撓むことになる。しかし、傾斜したバルブ本体の壁は、垂直方向上側の力をガスケットにおいて誘因し、ガスケットをポンプ隔壁に向けて持ち上げるが、それは図７ｃおよび図７ｄで表わした効果を補助するので、望ましい。送達段階の間、ポンプチャンバ内の過圧は、図７ｅで表わした効果を伴い、再びバルブ本体を、内側にチャネルに向けて撓ませることになる。

図７ｇに示すように、バルブ座部本体１６の形状を、好ましい垂直方向の伸びを可能にするために、適切な方法でさらに調整できる。ここで、バルブ座部本体は、垂直方向に好ましく伸びる複数の蛇腹の形状で作られる。しかし、任意の他の形状または形態の壁の湾曲、例えばチャネル１９の可変壁厚、可変壁形状、または可変断面などが、考えられる。

図７ｈに示すように、バルブ本体の弾性かつ変形可能な部分は、少なくとも一部がポンプ本体の中に埋め込むことができ、より大きい変形が可能なバルブ本体の高さを実現する。これを使用して、上述のように吸い込み段階の間、バルブ本体１６の望ましくない外側への撓みを防止することもできる。この目的のため、バルブ本体の埋め込まれた部分に面する、ポンプ本体の空洞の側壁を、バルブ本体が外側へ撓むのを防止する機械的障害物２３として設計することができる。流体チャネル２４は、障害物２３内にバルブ本体に沿って、圧力の均衡を保持するために提供される。バルブ本体１６自体は２つのセグメントに分割され、セグメント１６ｂは、セグメント１６ａよりも大きい壁厚を有する。したがって、伸びおよび圧縮は、セグメント１６ａにおいて好ましく発生し、セグメント１６ａの望ましくない外側への撓みは防止される。

図８は、２つの平行した図１によるマイクロポンプ１００、１００’を備える流体ポンプシステムの実施形態を示す。ここで、同じポンプ隔壁１１が使用され、この隔壁の両側に位置付けられた２つのバルブユニットを交互に駆動する。

図９は、図１によるマイクロポンプの別の実施形態を示す。この実施形態は、わずかな改変を伴い、図８のマイクロポンプにも使用することができる。ここで、バルブ座部のガスケット１７は、例えば磁性材料、他の材料の上の磁性材料による層、または別の材料から作られたガスケットの中に磁気粒子もしくは層を埋め込むことによって、磁気的に作られる。ガスケットを、永久磁石の形態で磁化するか、または軟磁性体として作ることができる。ポンプ隔壁１１の頂部において、コイル、およびバルブ座部に面したフェライト磁心から作られた電磁石などの、電磁アクチュエータ２５が取り付けられる。通常の電磁石で知られているように、バルブのガスケットが軟磁性体の特性を有する場合、バルブのガスケットは、磁気アクチュエータに向かって引き寄せられ得る。バルブのガスケットが永久磁気特性を有する場合、バルブのガスケットは、アクチュエータのコイルの電流の方向、したがってアクチュエータから放たれた磁界の方向を変えることによって、磁気アクチュエータによって引き寄せられるか、またははね返される。図１０の別のバージョンにおいて、磁気アクチュエータは、例えば弾性バルブ座部の下における、出口１４を囲んだフェライト磁心２８を有するコイル２７として、ポンプ本体内の円形凹部２６の中に一体化される。

マイクロポンプの動作のために、必要に応じて隔壁の移動に同期するよう、磁気アクチュエータはオンおよびオフされる。１つの効果として、空隙高さｇおよび弾性バルブの履歴型効果は改善され、および／または、別の自由度に調整することができる。さらに、空隙高さの動的変化が、磁気アクチュエータを流れる電流の対応する動的変化によって可能となる。さらに、磁気アクチュエータを使用して、例えばポンプ隔壁の下方の移動、およびアクチュエータの作動の両方によってバルブを閉じることによって、バルブ機能の性能を向上させることができる。最後に、磁気アクチュエータを使用して、要求された方法における操作で空隙高さｇを調整することによって、マイクロポンプの流量を調節することができる。

要約すると、本発明は、入口と出口との間の一方向のフローを提供するために、単一の作動式の膜のみを使用するマイクロポンプとして作用するデバイスを提供する。同じデバイスが、オンおよびオフ状態での作動、ならびに優先的なノーマリオンまたはノーマリオフ機能を伴って、能動的バルブ機能を利用できる。提示した発明内で、可撓性座部の部材を単純な構造で利用すると、２つの物理的影響が作り出され、それが共にポンプ効果を作り出す。第１の態様内において、可撓性座部は、異なる位置にある流体ポートを履歴的方法で開閉する。第２の態様において、抵抗の動的変化が、可撓性バルブ座部の設計および変形によって拡大される。このポンプの用途は、限定ではないがＭｉｃｒｏ−ＴＡＳ、ラボオンチップ用途、電子デバイスの冷却、射出システム、投薬および計測設定などの、科学技術の様々な領域に可能である。

図１１および図１２は、本発明の別の態様を例示する。詳細には、図１１は第１の動作状態における、別の有利な実施形態によるマイクロポンプ１００を表わす概略断面を示し、図１２は第２の動作状態における、同じマイクロポンプ１００を示す。図１１に示す状態において、バルブ座部１６または隔壁１１には圧力差は作用しない。

本発明のこの態様によると、可動バルブ機構が、バルブおよびマイクロバルブのバルブ機能を改善するために提供される。図はマクロポンプ１００の用途環境におけるバルブを示すが、当業者には、逆圧の作動下で動くバルブ座部を伴うバルブを、任意の他の好適な流体フロー制御装置と共に使用できることは明白である。

図１１および図１２に示すように、バルブ座部１６は隔壁１１（膜とも称される）と類似して、バルブの開口部１４において加えられる圧力３２下で移動することができる。したがって、第１の開口部１３と第２の開口部１４との間のバルブ機能は、改善かつ強化される。加えられた圧力３２下で、隔壁１１とバルブ座部１５の弾性本体１６との間の空隙は、ｇからｇ_ｄｅまで減少する。換言すると、バルブ座部の封止面１８は、ポンプ本体１０から隔壁１１に向かって動いて近づく。

この可動性は、ベルヌーイ効果によって、隔壁とバルブ座部との間の狭い領域で作り出された減圧のため、伸びることができる可撓性バルブ座部材料を使用することのみで、可能となる。またはこの可動性は、例えば加えられた圧力に曝される表面積を有することによって、加えられた圧力下で変形し／撓むことができるよう設置された可撓性バルブ座部１６を使用することによって可能となる。図１１および図１２の比較から明らかになるように、バルブ座部１５の弾性本体１６は、開口部１４からポンプチャンバ１２に向けて導かれた、加えられた流体圧力３２によって作動されるよう、少なくとも１つの作動領域３４を備える。

さらに、この可動性は、加えられた圧力３２下で変形し／撓むことができる可撓性取り付け手段（バルブホルダとも呼ばれる）３０を使用することによって可能となり、もしくは、加えられた圧力下で変形し／撓むことができる、全体的に可撓性実施形態のバルブ座部を使用することによって可能となり、または全ての組み合わせによって可能となる。さらに、図７ｂ〜図７ｈに示すバルブ座部は、チャネル軸に向かって面する、弾性で円形の縁部２２によって形成される作動領域を備える。

作動領域３４（および２２）の存在によって、より高い圧力をバルブに加えることで、バルブ座部とバルブ隔壁との間の空隙は減少し、その結果閉鎖が簡略化される。加えられた圧力と、その結果として生じる可変の空隙との間の正しい相関関係により、受動的自己制御圧力／フローデバイスでさえ、実現され得る。本発明の用途は、限定ではないがＭｉｃｒｏ−ＴＡＳ、ラボオンチップ用途、電子デバイスの冷却、射出システム、投薬および計測設定などの、科学技術の様々な領域に可能である。バルブ座部、バルブホルダ、およびバルブ実施形態の、外形的特性ならびに材料特性は、望ましい圧力−撓み量、または圧力−空隙プロファイルを実現するための、制御変数である。

次に、図１１および図１２に示すバルブ装置の実験結果を説明する。以下では、２バール（２００ｋＰａ）の圧力の空気ならびに液体としての水の影響下にあるバルブ動作の、実現された実験結果を提供する。様々な圧力下におけるバルブ座部の撓み量（μｍ）が、両方のケースでもたらされる。分析したバルブは、圧力範囲０〜２バールで取り扱う（開閉する）のに好適である。２バールよりも大きいと、バルブの撓み量は、膜の撓みが取り扱うことができる撓み量より大きくなり、すなわちバルブは開けられず閉じたままとなる。

図１３および図１４は、１Ｈｚで２バールに対する、空気を作動流体としたバルブ動作、および空気を作動流体とした圧力に対するバルブ座部の撓み量をそれぞれ例示する。

さらに図１５および図１６は、１Ｈｚで２バールに対する、水を作動流体としたバルブ動作、および水を作動流体とした圧力に対するバルブ座部の撓み量をそれぞれ例示する。

水と働くときの圧力下におけるバルブ座部の撓み量は、空気と働くときよりも大きい（例えば空気による撓み量は２００ｋＰａで約２３４μｍであるが、水の場合は約３８０μｍ）。これは、水の場合に、膜とバルブ座部との間の狭い領域に作り出された大きい減圧のためである。減圧はベルヌーイ効果によって起こり、空気の場合は、空気の密度がごくわずかであるので無視できる。

膜１１とバルブ座部１５との間の当初の空隙ｇ、圧力下での膜の最大撓み量およびバルブ座部の撓み量（これは、バルブ座部、バルブホルダの外形および材料特性、ならびにバルブの設計の関数である）を考慮して、バルブ１００の作業範囲を調節することができる。すなわち、バルブ１００の圧力動作窓は、より高い圧力、例として１バールから３バールにシフトすることができ、これは、バルブが動作するために、最小圧力、この例では１バールを必要とすることを意味する。これは、バルブ座部、バルブホルダ、またはバルブ実施形態に、相対的に硬い材料を使用することによって、またはより硬い外形を使用することによって実現できる。同じ効果が、例えば膜１１とバルブ座部１５との間で、より大きい当初の空隙ｇを調整することによって、実現できる。したがって、膜１１の最大撓みを伴うとしても、バルブは図１７に示すように開いたままとなる。

したがって、バルブ１００は最小圧力３２を必要とし、ここで、バルブ座部１５は、膜１１の動作範囲に到達するのに十分撓み、それによって膜の作動を伴って、図１８に示すように残りの空隙を閉じることができる。そのため、シフトした動作圧力窓を伴うバルブは、より高い圧力に対抗して閉じることができる利点を伴って実現されるが、閉じるために最小圧力を要するという不利点を伴う。

次に図１９を参照すると、本発明の別の態様によるバルブアセンブリの断面を示す。詳細には、図１９は通常に閉じたバルブ構成を保証する、当初圧縮されたバルブ座部を実現するための、バルブの別の構成を示す。バルブ２００は、底板２０２および接続板２０４を備える。接続板は、第１の開口部２０６および第２の開口部２０８を有する。弾性バルブ座部２１０が、第２の開口部２０８に配置され、可撓性バルブホルダ２１２によって固定される。

隔壁２１４（以下では膜とも呼ばれる）は、バルブの作動のために役立つ。例えば、隔壁の位置を変化させるために、圧電性アクチュエータを隔壁に配置してもよい。代替として、径方向に加えた力を、膜に歪みを生じさせるよう加えてもよい。封止固定手段２１６が、隔壁２１４を底板２０２および接続板２０４に対して封止する。

図２０に示す作動により、バルブ２００を開くことができる。本実施形態による作動は、例えば加えられた圧力などの径方向の力２１８により、隔壁２１４を歪めることを含む。図２０から判るように、固定手段２１６は弾性で、径方向の力２１８の影響で撓む。加えられた圧力下でのバルブ座部２１０の撓みは、空隙を減少させる同じ有利な効果をもたらし、そのためバルブ２００を閉じる助けとなる。

図２１は、本発明の別の態様によるバルブアセンブリの概略断面図を示す。この実施形態によると、アクチュエータ２１４（通常は隔壁と称される）は、いわゆるツーウェイ／スリーウェイバルブを形成するために、２つのバルブ２００、２００’の間に挟まれる。

１０ ポンプ本体
１１ 隔壁、ポンプ隔壁、撓むポンプ隔壁、撓む隔壁
１２ ポンプチャンバ
１２’ ポンプチャンバ
１３ 第１の開口部
１４ 第２の開口部
１５ 弾性バルブ座部
１６ 座部本体、弾性本体
１６ａ セグメント
１６ｂ セグメント
１７ ガスケット
１８ 封止面
１９ 流体チャネル
２０ 基部
２１ オリフィス
２２ 縁部
２３ 壁、障害物
２４ 流体チャネル、電磁アクチュエータ
２５ 磁気アクチュエータ
２６ 凹部
２７ コイル
２８ フェライト磁心
３０ 弾性取り付け手段、可撓性取り付け手段
３２ 圧力
３４ 作動領域
１００ バルブ
１００’ バルブ
２００ バルブ
２００’ バルブ
２０２ 底板
２０４ 接続板
２０６ 第１の開口部
２０６’ 第１の開口部
２０８ 第２の開口部
２０８’ 第２の開口部
２１０ バルブ座部
２１０’ バルブ座部
２１２ 可撓性バルブホルダ
２１４ 隔壁、アクチュエータ
２１６ 固定手段
２１８ 径方向の力
ｇ 空隙幅
ｇ_ｉｎ 増加した空隙幅
ｇ_ｄｅｃ 減少した空隙幅
ｈ 距離、高さ
ｐ 圧力
ｑ_１ 容積フロー
ｑ_２ 容積フロー
Ｖ 容積

Claims (21)

1. 流体を入口から出口に向けてポンプで押し出すための、流体ポンプであって、
   少なくとも第１の開口部（１３）および第２の開口部（１４）を有する、ポンプ本体（１０）と、
   撓むポンプ隔壁（１１）であって、ポンプチャンバ（１２）が前記ポンプ本体（１０）と前記隔壁（１１）との間に形成されるように、かつ、前記ポンプチャンバ（１２）が、前記第１の開口部（１３）を介して入口へ、および前記第２の開口部（１４）を介して出口へ流体接続されるように、前記ポンプ本体（１０）に装着される、撓むポンプ隔壁（１１）と、
   バルブ座部（１５）であって、前記第２の開口部（１４）周りで前記ポンプチャンバ（１２）の内側に配置され、前記第２の開口部（１４）から前記ポンプチャンバ（１２）の中へ前記ポンプ隔壁（１１）に向かって、前記ポンプチャンバ（１２）の底平面に対して変形されない高さを有する状態で突出し、それによって、前記バルブ座部（１５）に接触し、および前記バルブ座部（１５）から離れることにより、前記撓む隔壁（１１）が前記出口の流体通路を開閉するようそれぞれ動作できる、バルブ座部（１５）と
   を備え、
   前記バルブ座部（１５）は、弾性本体（１６）、および封止面（１８）を伴うガスケット（１７）を備える、流体ポンプ。
2. 前記撓むポンプ隔壁（１１）は、前記弾性本体（１６）が前記ポンプ隔壁（１１）の移動を妨げないよう、前記バルブ座部（１５）の弾性本体（１６）の剛性よりも高い剛性を有する、請求項１に記載の流体ポンプ。
3. 前記バルブ座部（１５）の前記弾性本体（１６）は、前記隔壁（１１）が前記ポンプ本体（１０）に向かって撓むとき、圧縮によってその高さが減少する弾性を有する、請求項１または２に記載の流体ポンプ。
4. 前記バルブ座部（１５）の前記弾性本体（１６）は、前記隔壁（１１）が前記ポンプ本体（１０）から撓んで離れるとき、その高さを増加させるように伸張可能である、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
5. 前記弾性本体（１６）は円筒形を有し、前記第２の開口部（１４）の周りに配置される、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
6. 前記弾性本体（１６）は、前記第２の開口部（１４）の周りで前記ポンプ本体（１０）に装着される前記取り付けフランジ（２０）を備えており、前記取り付けフランジ（２０）は、前記撓む隔壁（１１）に接触することになる前記弾性本体（１６）の遠位端における径方向厚さよりも大きい径方向厚さを有する、請求項５に記載の流体ポンプ。
7. 前記弾性本体（１６）および前記ガスケット（１７）は、別個の部品として作製される、請求項１から６のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
8. 前記バルブ座部（１５）は、前記撓む隔壁（１１）に接触するよう配置された封止領域と、前記ポンプ本体（１０）に装着された取り付け領域とを有し、前記封止領域におけるオリフィス（２１）は、前記取り付け領域から前記バルブ座部（１５）を通って前記オリフィス（２１）に向かうチャネルよりも小さい径を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
9. 前記バルブ座部（１５）は、減少した壁厚の領域を有する、請求項１から８のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
10. 前記バルブ座部（１５）は、Ｕ型外形またはＶ型外形の蛇腹形状の領域を有する、請求項１から９のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
11. 前記バルブ座部（１５）は、前記第２の開口部（１４）に形成された第１の凹部（２９）内に、部分的に受け入れられるよう取り付けられ、前記第１の凹部（２９）は前記ポンプチャンバ（１２）に面する、請求項１から１０のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
12. 前記第２の開口部（１４）は、前記ポンプ隔壁（１１）と同心円状に配置される、請求項１から１１のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
13. 前記ガスケット（１７）は磁性材料を備え、前記流体ポンプは、前記磁性材料との相互作用によって、前記弾性本体（１６）を引き伸ばすよう、および／または圧縮するよう動作可能な電磁アクチュエータ（２５、２７、２８）を備える、請求項１から１２のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
14. 前記ポンプ本体（１０）は、前記第２の開口部（１４）と同心円状に配置されたリング状の第２の凹部（２６）を備え、前記電磁アクチュエータ（２４、２５）は、前記リング状の凹部（２６）内に取り付けられる、請求項１３に記載の流体ポンプ。
15. バルブ座部（１５）は、前記第２の開口部（１４）から前記ポンプチャンバ（１２）に向けて導かれた、加えられた流体圧力によって変形されるよう、少なくとも１つの作動領域を備える、請求項１から１４のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
16. 前記バルブ座部（１５）は、前記ポンプ本体（１０）に前記バルブ座部（１５）を装着するための弾性取り付け手段を備える、請求項１５に記載の流体ポンプ。
17. 請求項１から１６のいずれか１項に記載の第１の流体ポンプ（１００）と、請求項１から１６のいずれか１項に記載の第２の流体ポンプ（１００’）を備え、前記第１の流体ポンプのポンプチャンバ（１２）および前記第２の流体ポンプのポンプチャンバ（１２’）は、共通の撓むポンプ隔壁（１１）によって互いから分離している、流体ポンプシステム。
18. 流体ポンプを操作する方法であって、
    前記流体ポンプは、少なくとも第１の開口部（１３）および第２の開口部（１４）を有する、ポンプ本体（１０）と、
    撓むポンプ隔壁（１１）であって、ポンプチャンバ（１２）が前記ポンプ本体（１０）と前記隔壁（１１）との間に形成されるように、かつ、前記ポンプチャンバ（１２）が、前記第１の開口部（１３）を介して入口へ、および前記第２の開口部（１４）を介して出口へ流体接続されるように、前記ポンプ本体（１０）に装着される、撓むポンプ隔壁（１１）と、
    前記第２の開口部（１４）周りで前記ポンプチャンバ（１２）内側に配置され、前記第２の開口部（１４）から前記ポンプチャンバ（１２）の中へ前記ポンプ隔壁（１１）に向かって、前記ポンプチャンバ（１２）の底平面に対して変形されない高さを有する状態で突出し、それによって前記バルブ座部（１５）に接触し、および前記バルブ座部（１５）から離れることにより、前記撓む隔壁（１１）が前記出口の流体通路を開閉するようそれぞれ動作でき、弾性本体（１６）、および封止面を伴うガスケットを備える、バルブ座部（１５）と
    を備え、
    ａ）前記撓む隔壁（１１）を、前記ガスケット（１７）と封止接触するまで前記バルブ座部（１５）に向けて移動させるよう作動させ、前記撓む隔壁（１１）を、前記バルブ座部（１５）が前記変形されない高さと比べて減少した高さを有するよう前記バルブ座部（１５）が圧縮されるまで、さらに作動させるステップと、
    ｂ）前記撓む隔壁（１１）が、前記ガスケット（１７）と接触しなくなるまで前記バルブ座部（１５）から離れるよう、前記撓む隔壁（１１）を作動させるステップであって、この移動の間に前記バルブ座部（１５）は、前記変形されない高さと比べて引き伸ばされた高さとなるよう伸張される、ステップと、
    ｃ）流体を前記入口から前記出口に向けてポンプで押し出すために、ステップａ）およびステップｂ）を繰り返すステップと
    を含む、方法。
19. 前記ガスケット（１７）は磁性材料を備え、前記流体ポンプは、前記磁性材料との相互作用によって、前記弾性本体（１６）を引き伸ばすよう、および／または圧縮するよう動作する電磁アクチュエータ（２５、２７、２８）を備える、請求項１８に記載の方法。
20. 流体ポンプのマイクロバルブであって、
    ポンプチャンバ（１２）に流体接続された開口部（１４）を有する本体（１０）と、
    バルブ座部（１５）であって、前記開口部（１４）の周りに配置され、前記開口部（１４）から前記ポンプチャンバ（１２）の中に撓む隔壁（１１）に向けて、前記ポンプチャンバ（１２）の底平面に対して変形されない高さを有する状態で突出し、それによって前記バルブ座部（１５）に接触し、および前記バルブ座部（１５）から離れることによって、前記撓む隔壁（１１）が前記開口部の流体通路を開閉するようそれぞれ動作可能となる、バルブ座部（１５）と
    を備え、
    前記バルブ座部（１５）は、弾性本体（１６）、および封止面（１８）を伴うガスケット（１７）を備え、前記バルブ座部（１５）は、前記開口部から前記ポンプチャンバ（１２）に向けて導かれた、加えられた流体圧力によって変形されるよう、少なくとも１つの作動領域（３４）を備える、マイクロバルブ。
21. 前記バルブ座部（１５）は、前記本体（１０）に装着するための弾性取り付け手段（３０）を備える、請求項２０に記載のマイクロバルブ。
    

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