CN103244734A

CN103244734A - 阀塞

Info

Publication number: CN103244734A
Application number: CN2013100461130A
Authority: CN
Inventors: 马尔科·布拉默; 克里斯托夫·梅尼安
Original assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Current assignee: Buerkert Werke GmbH and Co KG
Priority date: 2012-02-07
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2033-02-05
Also published as: US9555410B2; US20130199646A1; DE102013100865B4; CN103244734B; DE102013100865A1; DE202012001202U1

Abstract

一种用于与基板（10）连接的活动流体部件（40），该流体部件（40）具有可以以液密方式与基板（10）连接的界面，以及布置在界面的区域中的磁体（42）。

Description

阀塞

技术领域

本发明涉及一种可以与基板连接的活动流体部件。本发明还涉及一种具有基板和流体部件的组件。本发明尤其涉及大规模集成微流控芯片（microfluidics）的领域，其中不同的流体导管、分支、联接器、混合器结构或类似物设置在基板中（也称作流体芯片）。

背景技术

大规模集成的微流控芯片特别适于选择性地检查或分析非常小的流体量。这里使用的基板可以以低成本且高精确度制造，并且对于所述分析来说仅小量试剂或样品材料是必要的，这导致高效率的分析。在该分析以后，基板被处理以避免不同样品之间的交叉污染。

迄今为止，例如阀或泵的活动流体部件，不能以低成本集成到这种类型的基板中。因此基板通常构造为布置在大部分非常大且昂贵的周边装置（如卡盘）中的消极器件（passive parts），并且所述基板根据指令在所述周边装置中被接触或者导引。这种***的实例是允许以高灵敏度和选择性方式分析非常小的流体量的所谓的芯片实验室***或微全分析***。

这里使用的基板主要由聚合物材料构成并且通过注模成型、喷射冲压或热冲压制造或模制。注模成型允许以成本有效的方式并且以恒定的质量制造大量基板。热冲压允许以高纵横比和高光学性能制造平行结构。然而，直到现在，都不能在两种制造类型中将诸如阀或泵的活动部件集成到制造过程中。基板或流体芯片由此经由压配合连接在周边装置中电和/或流体接触。另一种可能性在于通过物理作用力并且按照确定的流程图引导已经存在于基板中的流体通过流体导管结构，以便在空间分离的室中执行不同的分析。

还存在用于制造可以在这种类型的基板中使用的微阀的不同的方法。一种方法是通过在取放过程或批处理过程中的混合制造来在共同基板（主要是硅）上制造微阀。还存在如何能够平行于共同的聚合物流体切换板制造聚合物阀的测试。然而平行制造和集成的缺点在于阀不能以可逆方式与基板连接。因此单个阀的故障意味着整个***的故障。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以以可逆方式与基板连接的活动流体部件。本发明的目的还在于提供一种具有基板和可拆卸地与该基板连接的流体部件的组件。

为了实现此目的，提供了一种用于与基板连接的活动流体部件，该活动流体部件具有可以以液密方式与基板连接的界面，以及布置在界面的区域中的磁体。本发明是基于将例如泵、切换阀或控制阀的活动流体部件构造为能够以可逆方式与基板可拆卸地连接的外部器件的基本理念。为此目的，提供产生足够高的静磁吸引力的磁体，通过该磁体可以实现用于期望应用情形的液封连接。必要时，例如在流体的分析以后，活动流体部件与基板分开并且该活动流体部件可以被再次使用，然而基板被丢弃。

根据一个有利的构造，规定磁体是环形磁体。这允许将活动流体部件完全地或部分地容纳在环形磁体的内部。环形磁体进一步确保在与适当的相对件（counter-piece）的配合中自动居中。

另选地，磁性连接还可以通过在角落位置处的立方磁体实现。

根据本发明的构造，规定了致动器在活动流体部件是切换阀的情形中被布置在环形磁体内部。通过这种方式，实现了致动器以保护方式布置在其中的非常紧凑的结构。

优选地，规定在界面作出用于覆盖致动器的密封件的准备。通过这种方式，所述致动器被可靠地保护以防污物。

所述密封件优选地附接到环形磁体的环形表面。通过这种方式，实现了连续、平坦的界面。

根据本发明的构造，规定将致动器布置在避开界面的环形磁体的侧面上。如果在环形磁体内可获得的空间不足以容置活动流体部件的活动器件，那么这便是有利的。

优选地，规定在环形磁体与致动器之间作出密封的准备以便保护致动器以防污物。

如果致动器布置在环形磁体的后侧上，则从界面通向密封件的两个连接导管优选地延伸通过环形磁体的内部，至少一个连接导管在切换隔膜处具有阀室。通过阀室和连接导管的适当的构造和尺寸设计，可以以期望的方式调节在切换阀处的压力比。当由于施加的流体压力使阀闭合时，例如可以产生作用在切换隔膜上的特定的预应力。

根据一种构造，规定将密封件构造为适于与阀座配合的切换隔膜。在此构造中，相对于待切换的介质，密封致动器的密封件由于还直接地用于切换流体，因此具有双重功能。

根据另选的构造，提供了一种适于与阀座配合的单独的切换隔膜。这允许由不同的材料构造切换隔膜和密封件，以使得它们能够以最佳方式适于相应的要求。

根据本发明的一种构造，规定致动器由形状记忆材料制成并且加热装置与其关联。通过这种方式，能够以非常小的尺寸产生相对较大的切换力。

加热装置可以作为电阻加热而直接构造在致动器中。另选地，可以使用单独的加热装置。

根据一种构造，规定切换阀是通常闭合的切换阀。该切换阀需要主动引导而被打开。

优选地，提供与致动器配合的弹簧或磁体。这确保了阀仅在主动引导以后才能可靠地闭合与打开。

根据另选的构造，规定切换阀是通常打开的。该实施方式在安全阀或类似物方面是特别有利的。

优选地，致动器是由形状记忆材料制成的箔，其在初始状态下为平面形状，通过外力变形并且在加热状态下试图返回到初始状态。根据所述阀的构造，此行程可以用于释放或关闭阀座。

根据本发明的构造，规定磁体是具有小于10mm直径的NdFeB（钕铁硼）磁体。该磁体为非常紧凑的尺寸提供了高保持力。

为实现上述目的，根据本发明还提供了一种具有基板和上述类型的流体部件的组件，与磁体配合的保持件布置在基板处，以使流体部件可拆卸地紧固到基板。关于由此形成的优点，参照上面的说明。

根据本发明的构造，规定保持件是金属盘，特别是钢盘。该盘适于以低成本集成到基板中或者稳固地布置在其上。

优选地，规定密封件布置在保持件的区域中。这确保了活动流体部件与基板之间的密封。

例如密封件可以布置在金属盘内，尤其可以锚定到金属盘的内圆周。因此，密封件受到很好的机械保护。

材料Hala-TFO-N230-Si已经证明其作为用于密封件的材料的价值，其可以通过激光以可靠和精准的方式切割并且满足紧密度要求。另选地，还能够使用由EPDM（三元乙丙橡胶）或NBR（腈基丁二烯橡胶）制成的密封材料。

根据本发明的构造，规定流体部件是切换阀，并且密封件构造为适于与形成在界面的区域中的至少一个阀座配合的密封隔膜。通过这种方式，以低支出确保了必要的紧密度。

另选地，规定密封件具有开口，通过该开口基板的流体导管与流体部件的连接导管连接。在此情形中，密封件仅用于提供基板与流体部件之间的密封。

根据本发明的优选实施方式，基板是具有多个流体导管的流体切换板。后者可以利用注模成型方法或热冲压方法制造，并且可以构造为单向部件。

附图说明

下面将参照在附图中示出的不同的实施方式描述本发明，附图示出：

图1示意性示出了基板和可以安装到其上的活动流体部件；

图2是处于安装状态的图1的器件形成的通常打开的阀；

图3是图2中的组件，阀被关闭；

图4是根据第二实施方式的基板和可以安装到其上的活动流体部件；

图5是处于安装状态的图4的器件形成的通常闭合的阀；

图6是图5中的组件，阀被打开；

图7是根据第三实施方式的基板和可以安装到其上的活动流体部件；

图8是处于安装状态的图7的器件形成的通常打开的阀；

图9是图8中的组件，阀被打开；

图10是根据第四实施方式的基板和可以安装到其上的活动流体部件；

图11是处于安装状态的图10的器件形成的通常闭合的阀；

图12是图11中的组件，阀被打开；

图13是处于初始状态中的通常打开切换阀的致动器的细节；

图14是处于导引状态的图13的致动器；

图15是处于初始状态中的通常闭合的阀的致动器的细节；以及

图16是处于导引状态的图15的致动器。

具体实施方式

图1示出了构造为流体切换板的基板10。基板10包括两个薄的聚合物板12、14，流体导管16布置在两个聚合物板12、14之间。流体导管16在不同点（参照挡块18）处中断，并且在这些点处，在板之一（这里为板12）中设有通孔20，以使得流体导管可以在挡块18的两侧以受控的方式相互连接。

适于与随后用作阀座的挡块18配合的密封件22布置在通孔20的区域中。密封件/切换隔膜22布置在由于其特性而用作软磁保持件的钢盘24内。密封件或切换隔膜22特别夹紧到形成在钢盘24的肩部下方的该钢盘24的内圆周上，从而确保了在通孔20的区域中的板12的上表面上的密封。

这里构造为切换阀的活动流体部件40可以布置在基板10上，并且特别是布置在保持件24上。活动流体部件40包含磁体42，该磁体42在这里构造为由钕铁硼制成的环形磁体。磁体42具有小于10mm的直径，并且其尺寸设计为适于钢盘24的尺寸。在具体实施方式中，可以使用8mm的外径，4mm的内径和3mm的高度。

在图3中示出的变型实施方式中，提供了完全布置在环形磁体42的内部中的致动器44。致动器44由形状记忆材料制成，并且加热装置46与其关联，使得该致动器44可以被加热超过转换温度。这里，致动器44和加热装置46都封装在将活动流体部件40紧密地封闭在其后侧的壳体48中。

在相对侧，即在面向基板10的侧面上，设置的用于与基板10连接的界面由在致动器44上方并且还在磁体42的环形表面上方延伸的密封件50覆盖。作为薄的激光切割盘的密封件50可由Hala-TFO-N130-Si制成。该材料自身的特征在于高化学耐性和高弹性。结合上述环形磁体的尺寸，可以使用230μm的壁厚。另选地，具有7μm到30μm范围的厚度的聚酰亚胺的薄箔也可以用作密封件/切换隔膜。

在图2中，活动流体部件40示出为布置在基板10上。由于环形磁体42与钢盘24之间的静磁吸引力，密封件50弹性变形以便获得良好的表面密封。由于致动器44的构造和尺寸，密封件/切换隔膜22未置于挡块18上，因此在两个通孔20之间以及由此从在挡块18的一侧的流体导管16到在挡块18另一侧的流体导管16的不受妨碍的流体连接是可能的（参照图示流体流动的箭头F）。由此形成通常打开的阀。

图3示出了处于闭合状态中的图2的阀。由于通过加热装置46将致动器44加热超过其转换温度而实现了这种状态，从而使其几何形状改变。在这里示意性示出的变型中，致动器44被延伸，使得其抵靠挡块18向下按压密封件/切换隔膜22，以便闭合从一个通孔20到第二通孔的连接。由此密封件50弹性变形，然而由于该密封件50的构造，因此所述变形不会妨碍切换操作。

这里，仅非常示意性地示出了基板10和活动流体部件40。

可以利用成型过程（注模成型，热冲压）或者利用加工工艺（钻、铣）制造基板10的板12、14。在制造以后，可以通过结合方法（热地、化学地）或者通过激光焊接使两个板12、14相互连接。通过选择聚合物，基板可以适于诸如化学耐性和温度稳定性的不同的条件和要求。基板可以沿着空间中的全部四个方向与一个或两个相应孔流体地接触。为了接触功能性模块（传感器、控制器、混合器），可以设置直通平面的其它流体端口。

切换阀40可以包括以金属移除方式（钻，铣）或者以成型工艺（热冲压、注模成型）制造的三个聚合物主要器件，即壳体、致动器支撑件和覆盖件。为了分离介质，壳体由用作隔膜的密封件50密封。致动器支撑件用于流体与致动器技术之间的热去耦，以机械地固定致动器，并且如果有必要的话，容纳球形阀挺杆。用于通过弹簧触点的电触点的接收件和用于增加阀的动力的冷却元件定位在覆盖件中。在示意图中未示出这些器件。单个阀元件可以拧到彼此上。

在切换阀的制造中，利用通过在注模成型过程中在壳体周围喷注或者通过在热冲压过程中使磁性颗粒散布的结合方法，可以使环形磁体42与壳体稳固地连接在一起。

密封件22是激光切割的以使其可以以非常准确的尺寸制造。另选地，可能密封件是穿孔的。可以通过螺纹接合或粘接接合使钢盘24与基板10稳固地连接。

图4至图6示出了与从图1至图3已知的关于其结构的实施方式基本上相应的构造。相同的附图标记用于第二构造中使用的器件，并且在此方面，参考上面作出的说明。

然而，与第一实施方式相反，在根据图4至图6的构造中使用通常闭合的阀，即在非致动状态中，所述阀关闭与其关联的流体连接。为此目的，这里提供压缩弹簧60，其朝向在这里用作阀座的挡块18按压致动器以及因此还按压密封件50。因此，密封件/切换隔膜22紧压挡块18，并且封闭从在挡块18的一侧的流体导管16到挡块18另一个侧的流体导管16的连接（参照图5）。压缩弹簧60的预应力可以通过调节螺钉（未示出）而被调节。作为弹簧的另选物，致动器还可以通过磁力起作用。为此目的，可以适当地布置磁体（或多个磁体）。

当加热装置46被致动时，致动器44被加热超过其转换温度，使得切换阀被切换（参照图6），由此密封件/切换隔膜22不再紧压挡块18。因此释放了在挡块18的一侧与另一侧的两个流体导管16之间的流体连接。

图7至图9示出了根据第三实施方式的构造，该第三实施方式与图1至图3中示出的实施方式工作类似。关于通过前述实施方式已知的器件，使用相同的附图标记，并且在此方面，参照上面的说明。

第一实施方式与第三实施方式之间的区别在于在第三实施方式中，致动器布置在“后侧”上，即布置在避开基板10的侧面上，而不是在环形磁体42内。这里，两个连接导管70、72延伸通过环形磁体的内部，其中一个（连接导管70）居中地布置并且在其面向致动器44的端部处由阀座74围绕，然而另一个（连接导管72）在致动器的侧面上延伸进入到围绕阀座74的环形阀室76中。一方面，密封件50在这里也布置在阀座74、阀室76与致动器44之间，另一方面，密封件确保了中度紧密（medium-tight）的分离。

在基板10的侧面上，密封件22设有与通孔20关联的开口78。在安装状态中，中心突出部80放置在密封件22上，该突出部与填充环形磁体42的内部的材料形成一体并且在其中形成连接导管70、72。中心突出部80从环形磁体42的下环形表面沿着轴向方向突出，并且被容纳在钢盘24的内部（参照图8），还提供确保使活动流体部件40布置在基板10的正确位置中的附加定位构成，并且连接导管72和与其关联的通孔20对准。

由于环形磁体42与钢盘24之间的静磁吸引力，促使致动器44牢固抵靠基板，突出部80弹性地压缩密封件22以便确保良好的液密连接。由于密封件22是基板的一部分并且由此是单向产品，因此还允许由发生力略微挤压密封件22。

在未导引的状态（参照图8）中，切换阀打开，使得下述流体连接成为可能：从流体导管16经由关联通孔20、连接导管70经由阀座74进入到阀室76中，并且从该阀室76经由连接导管72和另一通孔20进入到第二流体导管16中，并且反之亦然。在这里，通过施加的流体压力将密封件50从阀座74提起。

当引导切换阀40并且将致动器44加热超过其转换温度时，致动器44膨胀，以便使其以相当大的力按压这里用作切换隔膜的密封件50而使该密封件50抵靠阀座74。因此，两个流体导管16之间的连接断开。

当将流体压力施加到连接导管72、切换阀闭合时，能够通过阀室76的构造和尺寸调节作用在隔膜50上的力。

图10至图12示出了第四实施方式，该第四实施方式与根据图4至图6的关于切换动作的实施方式相应，并且与根据图7至图9的关于总体结构的实施方式相应。相同的附图标记用于从前述实施方式中已知的器件，并且在此方面，参照上面的说明。

与根据图4至图6中的实施方式类似，这里也使用确保切换阀通常闭合的压缩弹簧60，因此当切换阀未被引导时，密封件/切换隔膜50紧压阀座74。

图13和图14示出了用于通常打开的阀的致动器44的可能构造。致动器44包括由形状记忆合金制成的薄结构的箔。镍钛合金作为材料是特别适合的。可能具有球形构造的阀挺杆90布置在致动器44与密封件/切换隔膜50之间。致动器44的箔构造为使得在初始状态中，当仅施加流体压力时，其可以远离阀座74弯曲，致动器44的箔的中心被驱动成凸面到最大程度。在此状态中，密封件/切换隔膜50和阀挺杆90远离阀座74。当致动器44被加热到超过转换温度时，致动器44趋于返回到其平面形状，因此阀挺杆以及由此的还有密封件/切换隔膜50紧压阀座74（参见图14）。作用在这里的力大于由施加的流体压力产生的力，因此阀被关闭。

图15和图16示出了用于通常关闭的阀的致动器。这里，致动器44沿着相反方向安装。按压在致动器44的箔的平面外部的区域面向阀座74。设置弹簧60以确保在初始状态中致动器44经由阀挺杆90按压密封件/切换隔膜50而可靠地抵靠阀座74。可以通过调节螺钉来调节弹簧的预应力。

当致动器44被加热到超过其转换温度时，其变形以便具有平面形状。弹簧60被压缩，并且阀挺杆90以及由此的密封件/切换隔膜50可以在施加的流体压力的作用下从阀座74提起。然后切换阀被打开，使得流体可以从连接导管70流动到连接导管72。

上面参照用作流体部件40的切换阀描述了本发明。除了切换阀以外，活动流体部件还可以是泵、控制阀或类似物。

Claims

1.一种用于与基板（10）连接的活动流体部件（40），所述流体部件（40）具有可以以液密方式与所述基板（10）连接的界面，以及布置在所述界面的区域中的磁体（42）。

2.根据权利要求1所述的流体部件（40），其特征在于，所述磁体（42）是环形磁体。

3.根据权利要求1和2中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，包括泵。

4.根据权利要求1和2中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，包括具有致动器（44）的切换阀或控制阀。

5.根据权利要求4所述的流体部件（40），其特征在于，所述致动器（44）被布置在所述环形磁体（42）内。

6.根据权利要求4和5中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，在所述界面处设置覆盖所述致动器（44）的密封件（50）。

7.根据权利要求6所述的流体部件（40），其特征在于，所述密封件（50）被附接到所述环形磁体（42）的环形表面。

8.根据权利要求4所述的流体部件（40），其特征在于，所述致动器（44）被布置在避开所述界面的所述环形磁体（42）的侧面上。

9.根据权利要求8所述的流体部件（40），其特征在于，密封件（50）被设置在所述环形磁体（42）和所述致动器（44）之间。

10.根据权利要求8和9中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，从所述界面通向所述密封件（50）的两个连接导管（70，72）延伸通过所述环形磁体（42）的内部，至少一个所述连接导管（72）在切换隔膜处具有阀室（76）。

11.根据上述权利要求中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，所述密封件（50）被构造为适于与阀座（74）配合的切换隔膜。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，设置了适于与阀座配合的单独的切换隔膜。

13.根据上述权利要求中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，所述致动器（44）由形状记忆材料制成并且加热装置（46）与其关联。

14.根据权利要求13所述的流体部件（40），其特征在于，所述加热装置（46）以形状记忆材料直接实现为电阻加热。

15.根据上述权利要求中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，其是通常闭合的切换阀。

16.根据权利要求15所述的流体部件（40），其特征在于，设置了与所述致动器（44）配合的特定可调节的弹簧（60）。

17.根据权利要求15所述的流体部件（40），其特征在于，设置了作用在所述致动器（44）上的磁体。

18.根据上述权利要求1-13中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，其是通常打开的切换阀。

19.根据上述权利要求中任一项所述的流体部件（40），其特征在于，所述磁体（42）是具有小于10mm直径的钕铁硼磁体。

20.一种组件，该组件具有：基板（10）；以及根据上述权利要求中任一项所述的流体部件（40），与所述磁体（42）配合的保持件（24）被布置在所述基板（10）处，使得所述流体部件（40）可拆卸地紧固到所述基板（10）。

21.根据权利要求20所述的组件，其特征在于，所述保持件（24）由软磁材料制成。

22.根据权利要求21所述的组件，其特征在于，所述保持件（24）是金属盘，尤其是钢盘。

23.根据权利要求20-22中任一项所述的组件，其特征在于，密封件（22）被布置在所述保持件（24）的区域中。

24.根据权利要求23所述的组件，其特征在于，所述密封件（22）被布置在所述金属盘（24）内。

25.根据权利要求24所述的组件，其特征在于，所述密封件锚定到所述金属盘（24）的内圆周。

26.根据权利要求23-25中任一项所述的组件，其特征在于，所述密封件（22）由Hala-TFO-N230-Si制成。

27.根据权利要求20-26中任一项所述的组件，其特征在于，所述流体部件是切换阀，并且所述密封件（22）构造为适于与形成在所述界面的区域中的至少一个阀座配合的切换隔膜。

28.根据权利要求20-26中任一项所述的组件，其特征在于，所述密封件具有开口（78），所述基板的流体导管（20）通过所述开口（78）与所述流体部件（40）的连接导管（70，72）连接。

29.根据权利要求20-28中任一项所述的组件，其特征在于，所述基板（10）是具有多个流体导管的流体切换板。