BR112012015840A2

BR112012015840A2 - "conjunto de microválvula".

Info

Publication number: BR112012015840A2
Application number: BR112012015840-6A
Authority: BR
Inventors: Victor Samper; Christian Rensch; Christoph Boeld; Marko Baller
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2009-12-31
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2020-07-28
Also published as: WO2011082276A1; US20120267561A1; JP2013516582A; JP5774024B2; CN102812276A; EP2519763A1; CN102812276B; US8753587B2

Abstract

"CONJUNTO DE MICROVÁLVULA" Um conjunto de microválvula (10) inclui um corpo de válvula alongado (14) que tem a primeira e segunda superfícies principais opostas, a primeira superfície principal definindo um rebaixo de válvula (34) e a segunda superfície principal definindo primeiro e segundo orifícios para fluido (20,22). Ambas, o orifício de entrada de fluido e o orifício de saída de fluido se estendem em comunição direta com o rebaixo de válvula. Uma gaxeta (12) é posicionada livremente dentro do rebaixo de válvula, de modo a se estender em nível sobrejacente com qualquer ou ambas dos orifícios para fluido. Uma cobertura de válvula (16) é unida ao corpo de válvula e inclui uma primeira superfície plana posicionada em nível sobrejacente com o rebaixo de válvula de modo a encerrar nela a gaxeta. A corbertura de válvula é flexionável para o interior do rebaixo de válvula, de modo a fazer com que a gaxeta vede pelo menos um dos orifícios para fluido.

Description

“CONJUNTO DE MICROVÁLVULA” Campo da invenção A presente invenção é relacionada ao campo de microfluidos.

Mais especificamente, a presente invenção é direcionada a uma válvula para 5 microfluidos.

Fundamento da invenção Existem diversas variações de válvulas de membrana.

Válvulas de membrana clássicas para microfluidos utilizam ou uma vedação dura-dura, com cada superfície micro-usinada lisa, ou incorpora uma camada completa adicional de um material macio entre duas camadas duras.

Em todos os casos, uma boa vedação de válvula em situações práticas se apóia em um material duro em contato com um material macio, ou um material macio em contato com um material macio.

Dispositivos para microfluidos são fabricados a partir de polímeros para fabricação em alto volume, utilizam materiais moldáveis por injeção, e oferecem a vantagem de altos níveis de integração.

Um desafio que resulta de dispositivos para microfluidos fabricados desta maneira é que os dispositivos são construídos de camadas que são finalmente unidas juntas.

A escolha de materiais é limitada por ambas, a aplicação projetada final e técnicas de fabricação disponíveis.

Exemplos de fatores a considerar são a aplicação de processos químicos e temperaturas, e os processos de fabricação tais como moldagem, e colagem.

Satisfazer os requisitos de material de uma válvula de membrana em algum momento como todos os outros componentes que são projetados para ser parte do dispositivo monolítico final sem trabalhar com materiais dissimilares que são difíceis de unir, pode resultar em uma válvula que tem uma membrana dura, comprimindo contra um substrato duro.

O trabalho de Jerman (“Electrically-activated, normally closed diaphragm valves –(“Válvulas diafragma ativadas eletricamente, normalmente fechadas”), J.

Micromachining and Microengineering, V4,

1994, pgs 210-218), descreve uma válvula micro-usinada de silicone sobre silicone.

Superfícies lisas resultaram em taxas de vazamento (vazões ligada:desligada) de 5000:1. O trabalho de Bruns (Silicon, Micromachining and High-speed 5 gás chromatography, - (Silicone, micro-usinagem e cromatografia gasosa de alta velocidade), Procedimentos da Conferencia Internacional em Eletrônica Industrial de 1992, Instrumentação e Automação, 1992, V3, pgs 1640-1644) descreve uma membrana de polímero aprisionada entre uma membrana de vidro e um corpo de válvula de silicone para substituir a vedação dura-dura de válvula por uma vedação de válvula dura-macia.

O trabalho recente de Chen e outros (Floating Disk Parylene Microvalves for Self-Pressure Regulating Flow Controls, - Microválvulas de disco flutuante de parilene para controles de escoamento auto-reguladores por pressão – Journal of Microelectomechanical Systems, Vol. 17, No. 6, de dezembro de 2008) descreve uma estrutura de válvula de silicone e parilene que consiste de um disco flutuante de parilene.

O trabalho no documento procura produzir uma válvula passiva com um comportamento auto-regulador que resulta do movimento do disco flutuante de parilene.

Existe assim uma necessidade por uma microválvula que tenha um projeto simples, que forneça facilidade de fabricação, e desempenho satisfatório.

Mais especificamente existe, portanto, uma necessidade por uma microválvula formada de unir juntos materiais similares para a fabricação da microválvula enquanto, simultaneamente, introduz uma camada macia para vedação da válvula.

Breve descrição dos desenhos A figura 1 delineia uma microválvula da presente invenção.

A figura 2 delineia uma vista em seção transversal da microválvula da figura 1 feita através da linha 2-2. A figura 3 delineia uma vista explodida de uma microválvula da presente invenção.

A figura 4 delineia uma vista em seção transversal da microválvula da figura 2 em uma posição fechada por meio da ação de um atuador externo que deflete a cobertura da válvula de modo a pinar a gaxeta 5 flutuante em engatamento de vedação através do orifício de saída da válvula.

Descrição detalhada da invenção A presente invenção descreve o conjunto de um disco de material macio no interior de uma válvula que, de outra maneira, consiste de materiais duro sobre duro.

Sem introduzir um material macio adicional para o interior de um sistema duro-duro é difícil formar uma boa vedação de válvula sem aplicar forças extremamente elevadas que prejudicam a confiabilidade da válvula.

Uma alternativa para montar um disco flutuante é unir o disco à membrana da válvula.

As complicações em unir a membrana são que o adesivo utilizado para unir ou a escolha de materiais que sejam capazes de serem unidos sem adesivos deve ser compatível com o processo de aplicação.

Trabalho recente sobre a válvula de membrana mostrou que uma camada de polipropileno macio (PP) vinte com 20 mícrons de espessura unida a um filme de COC de 190 mícrons de espessura produziu uma boa vedação para um corpo de válvula de PEEK.

A configuração foi capaz de vedar gás ou água até pressão manométrica de 6 bar com uma força menor do que 20 Newton aplicada a um assento de válvula de aproximadamente 1 mm em diâmetro e 40-100 mícrons de largura.

Infelizmente a camada de PP unida ao filme de COC impediu que o filme de COC unisse a um corpo de válvula de COC sem a utilização de um adesivo.

Além disto, remoção do PP do filme de COC em todas as áreas exceto o assento de válvula ou alternativamente toda a válvula, expôs a união adesiva de COC-PP sobre a aresta ao fluido sendo direcionado através da válvula, conduzindo a ataque químico potencial do adesivo.

Tentativas para formar uma válvula equivalente a partir de um filme de COC sem a camada de PP unida, mostraram que a membrana de COC poderia ser unida com sucesso ao corpo de válvula de COC sem um adesivo, contudo, a válvula resultante sofreu vazamento de forma consistente.

Outra opção é utilizar moldagem 2K (dois compostos) para 5 fabricar o corpo de válvula, onde o assento de válvula é produzido de um material macio.

Embora satisfazendo os critérios para uma boa vedação de válvula, este trajeto é mais caro e novamente restritivo na escolha de materiais.

A presente invenção descreve uma solução para projetar e produzir uma estrutura que consiste de camadas que podem ser unidas juntas, e pode consistir de combinações de material duro-duro, enquanto ainda satisfaz a condição de uma combinação de material duro-macio para vedação da válvula.

Esta liberdade no projeto da válvula conduz a diversas vantagens técnicas e comerciais.

Tecnicamente fornece um novo grau de liberdade ao selecionar os materiais apropriados para o dispositivo global, tal como desempenho térmico, estabilidade química, de forma independente e livre de preocupações em satisfazer o requisito de duro-macio para uma boa vedação de válvula.

Comercialmente, o grau de liberdade permite ao dispositivo ser produzido de camadas de materiais similares ou mesmo do mesmo material, reduzindo complexidade e custo de fabricação.

Também permite que o mesmo projeto seja produzido em diferentes famílias de materiais para diferentes aplicações, sem a necessidade por soluções alongadas para reprojetar completamente a válvula.

A invenção trabalha inserindo um disco fino de um material gaxeta macio entre um corpo de válvula e uma membrana de válvula, ou cobertura de válvula, antes de unir a membrana de válvula ao corpo de válvula.

O disco fino poderia ser de um material tal como Teflon.

Uma espessura na faixa de 5 mícrons até 1 mm é possível, uma vez que o disco fino não é unido à membrana de válvula e, por esta razão, não afeta o desempenho de força-deflexão da membrana de válvula.

Com referência às figuras 1-4, a presente invenção fornece uma microválvula 10. A microválvula 10 inclui uma gaxeta flutuante macia 12 montada entre um corpo de válvula ou substrato 14 e uma membrana 5 deformável ou cobertura 16 antes da união da membrana 16 ao corpo de válvula 14. O corpo de válvula 14 e a cobertura de válvula 16 podem ser formados, para a finalidade de ilustração e não de limitação, de COC (copolímero cíclico de olefina). A gaxeta flutuante 12 é feita de um material macio tal como Teflon®, que elimina a superfície dura sobre dura quando a válvula está em uma configuração “fechada” e relaxa as restrições sobre a seleção de materiais de fabricação.

O corpo de válvula 14 e a cobertura 16 definem um rebaixo de válvula 18 entre elas, no qual a gaxeta 12 é posicionada.

Adicionalmente, o corpo de válvula 14 define um primeiro orifício para fluido 20, um segundo orifício para fluido 22, ambos os orifícios 20 e 22 em comunicação direta com o rebaixo de válvula 18. O corpo de válvula 14 define uma abertura de entrada 24 e uma passagem de entrada alongada 26 que se estendem em comunicação direta aberta entre o primeiro orifício 20 e a abertura de entrada 24. O corpo de válvula 14 ainda define uma abertura de saída 28 e uma passagem de saída alongada 30 que se estendem em comunicação direta aberta entre o segundo orifício 22 e a abertura de saída 28. A válvula 10 pode assim ser conectada a dois condutos de fluido isolados de forma fluida (ou canais) em aberturas 24 e 28, para regular escoamento através deles.

O corpo de válvula 14 inclui, de maneira desejável, uma superfície principal plana 32 que define uma abertura de rebaixo 34 através da qual a cobertura 16 se estende de modo a definir o rebaixo de válvula 18 entre o corpo de válvula 14 e a cobertura 16. O corpo de válvula 14 inclui, de maneira desejável, um aro anelar 36 recuado a partir da superfície principal 32 e que se estende entre superfícies cilíndricas coaxiais 38 e 40. A gaxeta 12 é, de maneira desejável, na forma de um disco circular que é pelo menos parcialmente co-extensivo com o aro anelar 36, de modo que a gaxeta 12 é limitada de maneira perimétrica entre a cobertura 16 e o aro anelar 36. A presente invenção ainda considera que a gaxeta 12 é dimensionada para cobrir 5 através do rebaixo de válvula 19, de tal modo que ela também se estenda pelo menos metade ou mais da largura do aro 36, isto é, a aresta perimétrica da gaxeta 12 se estende, de maneira desejável, a meio caminho ou mais entre as superfícies 38 e 40. Além disto, a presente invenção considera que a gaxeta 12 é dimensionada e conformada para se estender substancialmente através da abertura do rebaixo 34, de modo a ser substancialmente co-extensiva com o aro 36. O corpo de válvula 14 adicionalmente inclui uma superfície piso anelar, substancialmente plana 42, em oposição confrontante à cobertura

16. A superfície piso 42 define o primeiro orifício 20. O corpo de válvula 14 ainda inclui um assento de válvula 44 que define o segundo orifício 22, e auxilia no assentamento da folha de gaxeta. O assento de válvula 44 se estende ainda para o interior do rebaixo de válvula 18, isto é, mais próximo da cobertura 16 do que a superfície piso 42. O assento de válvula 44 inclui uma primeira porção 46 imediatamente ao redor do segundo orifício 22, e uma segunda porção 42 que se inclina no sentido da superfície de piso 42, de modo a ser orientada não transversalmente ao eixo longitudinal do segundo orifício

22. O orifício de válvula 22 é alinhado de maneira desejável coaxialmente com o rebaixo de válvula 18 de modo a ser localizada de maneira centralizada sob a cobertura 16, assim a porção da cobertura 16 que é defletida de maneira máxima irá comprimir a gaxeta 12 contra o assento de válvula 44, e isso isola de forma fluida o orifício para fluido 22 quando a válvula 10 está em uma orientação fechada. As setas A e B na figura 2 delineiam a deflexão da cobertura de válvula 16 e a gaxeta 12, ambas no sentido e para longe de uma posição onde a gaxeta 12 está em nível de vedação com o segundo orifício para fluido

22. Quando a gaxeta está na posição não defletida, o primeiro orifício para fluido 20 está em comunicação direta com o segundo orifício para fluido 22 permitindo um escoamento de fluido entre elas através da válvula 10. Quando 5 a gaxeta 12 está na posição defletida, a gaxeta veda o segundo orifício para fluido 22 do primeiro orifício para fluido 20 e impede escoamento entre elas através da válvula 10. A escolha e dimensão do material utilizado para a cobertura de válvula 16 podem ser ditadas pelas dimensões da válvula 10. O material utilizado irá permitir à gaxeta 12 ser defletida de acordo com a presente invenção. Como mostrado, a gaxeta 12 assenta no rebaixo 18. A gaxeta 12 pode ser flutuante, contudo, a presente invenção fornece, de maneira desejável, a gaxeta 12 pinada de maneira frouxa no lugar entre o aro 36 e a cobertura 16 uma vez que 1) ela se estende no rebaixo de válvula e 2) ela está comprimida contra a casca anelar do corpo de válvula pela membrana de COC 16 em seu perímetro. Por estas razões a gaxeta 12 oferece as vantagens de estar unida à membrana de válvula 16 sendo posicionada de maneira precisa através do assento de válvula 44, não introduzindo volume morto adicional significativo no rebaixo 18 e não afetando o comportamento de deformação elástica da membrana de válvula 16. Adicionalmente, o assento de válvula anelar 44 é formado, de maneira desejável, como uma superfície de inclinação se estendendo para cima até o segundo orifício para fluido 22. A superfície de inclinação, sobe do primeiro orifício para fluido 20 que abre adjacente ao segundo orifício para fluido 22. De maneira desejável, ambas os orifícios de fluido 20, 22 abrem em oposição confrontante à gaxeta 12, contudo a presente invenção considera que o primeiro orifício para fluido 20 pode ser localizado em qualquer lugar que esteja em comunicação direta com o segundo orifício para fluido quando a gaxeta 12 não está defletida (isto é, espaçada do assento de válvula 44).

Como visto na figura 4, a válvula 10 pode ser operada por um êmbolo mecânico 50 que comprime a membrana 16 no sentido do e a gaxeta 12 contra o assento de válvula 44. Alternativamente, a cobertura de válvula 16 pode ser defletida para comprimir a gaxeta 12 através do assento de válvula 5 44 aplicando diretamente pressão na membrana 16 oposta ao rebaixo de válvula 18. A presente invenção considera que a pressão direta pode ser aplicada através de um coletor que é comprimido contra o topo da cobertura de válvula 16, onde câmaras coletoras individuais aplicam pressão a uma microválvula associada 10 que precisa ser controlada de maneira independente.

Atuação externa da membrana de válvula 16 permite uma válvula mais simples e de custo mais baixo, permitindo mesmo que a válvula seja descartável.

Embora uma modalidade particular da presente invenção tenha sido mostrada e descrita, será óbvio para aqueles versados na técnica que mudanças e modificações podem ser feitas sem se afastarem do ensinamento da presente invenção.

O tema descrito na descrição precedente e desenhos que acompanham são oferecidos à guisa de ilustração somente, e não como limitação.

O escopo real da invenção é projetado para ser definido nas reivindicações a seguir, quando vistas em sua perspectiva adequada com base na técnica precedente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Conjunto de microválvula, caracterizado pelo fato de compreender: um corpo de válvula que compreende um corpo de válvula 5 alongado que tem primeira e segunda superfícies principais opostas, dita primeira superfície principal definindo um rebaixo de válvula, e dita segunda superfície principal definindo um primeiro orifício para fluido e um segundo orifício para fluido, ambas ditos primeiro e segundo orifícios para fluido estando em comunicação direta com dito rebaixo de válvula; uma gaxeta posicionada livremente dentro de dito rebaixo de válvula, de modo a se estender em nível de sobreposição com pelo menos uma de ditos primeiro e segundo orifícios para fluido; uma cobertura de válvula unida a dito corpo de válvula, dita cobertura de válvula incluindo uma primeira superfície plana e posicionada em nível de superposição com dito rebaixo de válvula, de modo a envolver dita gaxeta na mesma, dita cobertura de válvula sendo flexionável para o interior de dito rebaixo de válvula, de modo a fazer com que dita gaxeta vede pelo menos um de ditos primeiro e segundo orifícios para fluido.

2. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dito corpo de válvula e dita cobertura de válvula serem formados do mesmo material.

3. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dito corpo de válvula ser unido de maneira adesiva à dita cobertura de válvula.

4. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita gaxeta flutuante ser feita de teflon.

5. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dito corpo de válvula ser formado de COC.

6. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 5,

caracterizado pelo fato de dita cobertura de válvula ser formada de COC.

7. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita gaxeta flutuante se estender substancialmente completamente através de dito rebaixo de válvula. 5

8. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dito segundo orifício para fluido ser alinhado de maneira coaxial com dito rebaixo de válvula.

9. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de ditos primeiro e segundo orifícios para fluido abrirem em nível subjacente com dita gaxeta flutuante.

10. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dita gaxeta flutuante ter uma espessura na faixa de 5 mícrons até 1 mm.

11. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dito corpo de válvula incluir um aro anelar espaçado de e em oposição confrontante à dita primeira superfície principal de dita cobertura de válvula.

12. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de dita gaxeta ser prensada entre dito aro anelar e dita cobertura.

13. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de dita gaxeta se estender aproximadamente a meio caminho através de dito aro anelar.

14. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de dita gaxeta se estender substancialmente através de dito aro anelar.

15. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de dito corpo de válvula adicionalmente incluir um assento de válvula formado por uma superfície anelar ao redor de dito segundo orifício para fluido.

16. Conjunto de microválvula de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pelo fato de dito assento de válvula compreender adicionalmente uma superfície de inclinação, que se estende desde dito primeiro orifício para fluido até dito segundo orifício para fluido, dita superfície de inclinação sendo orientada não transversalmente ao eixo longitudinal de dito segundo orifício para fluido.