ОДНОХОДОВОЙ КЛАПАН
ONE WAY VALVE

Область техники, к которой относится изобретение
Конструкция микронасосов для подачи фармакологически активных средств требует характеристик высокого уровня. Инсулиновые помпы нужны для подачи лекарственного средства с шагом изменения скорости подачи дозы от 0,25 до 0,5 единиц инсулина в час. При использовании для подачи стандартных U100 единиц инсулина в мл (U100) это преобразуется в шаг изменения скорости потока текучей среды 25 и 50 мкл лекарственного средства в час. Существующий стандарт для подачи потока определяет точность скорости потока лучше +/-5% от скорости потока, на которую запрограммирована подача насосом. Это дает точность скорости потока +/-0,75 и 2,50 мкл лекарственного средства в час. Следовательно, для микронасосов, предназначенных для этих целей, должны быть устранены особенности конструкции, которые могут создавать погрешность подачи лекарственного средства такого порядка.
Уровень техники
Предложены микронасосы для подачи лекарственного средства, в частности, при применениях, когда точность дозирования очень высока, и требуется переносная система с лекарственным средством. Хотя описано большое число конструкций микронасосов, при подаче лекарственных средств нашли применение импульсные микронасосы.
Конструкция микронасоса на основе импульсной насосной системы обычно содержит камеру накачки, в которой поршень проталкивается посредством механического усилия, клапан на впускной стороне, который регулирует поток, чтобы он мог протекать только в камеру накачки, и клапан на выпускной стороне, который регулирует поток, чтобы текучая среда могла только выходить из камеры накачки. Когда поршень принудительно вводится в камеру накачки и в предположении, что камера накачки заполнена текучей средой, поршень вытесняет некоторый объем текучей среды из камеры накачки, эквивалентный объему поршня, входящего в камеру накачки. Вытесненный объем может только выходить из микронасоса через выпускное отверстие за счет регулировки потока клапанами на впускном и выпускном отверстии.
Когда поршень вытягивается из камеры накачки, в камеру накачки попадает некоторый объем жидкости, который эквивалентен объему поршня, который вытянут из камеры накачки. Жидкость может попадать в камеру накачки только через выпускное отверстие за счет регулировки потока клапанами на выпускном и впускном отверстиях.
Конструкции пассивных, нормально закрытых одноходовых мембранных микроклапанов обычно используются в конструкции микронасосов, поскольку они обеспечивают множество преимуществ. Конструкция этих микроклапанов обычно включает мембрану, которая служит для отделения текучей среды на впускном отверстии камеры накачки от текучей среды, присутствующей в камере накачки в случае микроклапана на впускной стороне, или служит для отделения текучей среды, присутствующей в камере накачки, от текучей среды на выпускной стороне камеры накачки в случае микроклапана на выпускной стороне. Эта мембрана уплотняет трубку, которая переносит текучую среду через структуру микроклапана. В нормально закрытых микроклапанах эта мембрана уплотняет трубку и предотвращает протекание текучей среды через клапан. Мембрана клапана уплотняется на структуре клапанного седла, введенной в трубку, и предназначена для вмещения по меньшей мере части мембраны и создания надежного жидкостного уплотнения. Когда давление на стороне мембраны, с которой возможно поступление жидкости и ее прохождение через микроклапан, превышает давление на противоположной стороне мембраны, мембрана перестает уплотнять клапанное седло, и текучая среда вытекает с одной стороны мембраны на противоположную сторону. Жидкость не может протекать в противоположном направлении, поскольку предпочтительно, чтобы мембрана клапана эффективно уплотняла клапанное седло, и это уплотнение дополнительно улучшено за счет повышения давления на стороне микроклапана, с которой предотвращается протекание жидкости.
Известны особенности конструкций микронасосов, которые дают вклад в неточность подачи текучей среды. И для заполнения жидкостью камеры накачки, и для вытеснения текучей среды из камеры накачки предпочтительно, чтобы камера накачки была сконструирована таким образом, чтобы подающий поршень вытеснял весь объем, заключенный в камере накачки. Это также включает любой объем жидкости соединения камеры накачки с выпускным отверстием микроклапана и объем текучей среды соединения камеры накачки с выпускным отверстием микроклапана. В случае микронасоса, предназначенного для подачи инсулина, который соответствует характеристикам существующего стандарта, нежелательно, чтобы, когда поршень входит в камеру накачки, вытесненный объем жидкости различался более чем на +/-2,5 мкл.
Также важно, чтобы объем камеры накачки полностью заполнялся жидкостью и не было пузырьков воздуха. Поэтому в конструкции камеры накачки следует устранить особенности, которые могут либо улавливать воздух при первоначальном заполнении насоса жидкостью, либо удерживать пузырьки воздуха, если они случайно попадут в камеру накачки через впускное отверстие. Воздух в камере накачки уменьшает объем жидкости, вытесняемой при подаче рабочего объема. В случае микронасоса, предназначенного для подачи инсулина, который соответствует характеристикам существующего стандарта, нежелательно, чтобы вытесненный объем жидкости, когда поршень входит в камеру накачки, различался более чем на +/-2,5 мкл. Следовательно, предпочтительно, чтобы конструкция микроклапанов и на впускном, и на выпускном отверстиях камеры накачки встраивалась в конструкцию камеры накачки и чтобы в полученной конструкции не допускалось значительных объемов, которые не будут выталкиваться во время рабочего хода при подаче насосом, и также были устранены особенности, которые могут способствовать удержанию воздуха внутри объема камеры накачки.
Эффективная подача рабочего объема также может быть снижена, если камера накачки не полностью заключена внутри жесткой структуры. В этом отношении присутствие мембраны клапана и на впускном, и на выпускном отверстиях клапанов может привести по меньшей мере к тому, что часть камеры накачки становится гибкой, абсорбирует часть вытесненного объема, созданного накачивающим поршнем, и снижению вытесненного объема текучей среды. Поэтому важно обеспечить, чтобы пока мембрана клапана может отгибаться для сброса уплотнения на клапанном седле, и протекание жидкости возможно, она не могла отгибаться в любой другой части клапана. В случае микронасоса, предназначенного для подачи инсулина, который соответствует характеристикам существующего стандарта, нежелательно, чтобы, когда поршень входит в камеру накачки, вытесненный объем жидкости различался более чем на +/-2,5 мкл. В отношении конструкции микроклапанов требуется, чтобы объем микроклапана, который присоединен к камере накачки, не расширялся более чем на 2,0 или не сжимался более чем на 2,5 мкл.
Другой важной особенностью микроклапана на впускном отверстии микронасоса является то, что микроклапан нужен для пропускания потока жидкости, когда давление на впускном отверстии микроклапана возрастает выше давления на выпускной стороне впускной канавки, и чтобы этот поток жидкости не был ограничен. Это обеспечивает, чтобы, когда поршень втягивается из камеры накачки, жидкость попадала в камеру накачки из впускного отверстия микроклапана более эффективно, и конструкция микронасоса позволяет избежать использования способов и устройств, которые повышают эффективное давление какой-либо емкости, обеспечивающей жидкость для микронасоса. Это обеспечивается, чтобы насос мог быстро совершать цикл между ходами поршня при заполнении, когда поршень втягивается из камеры накачки, и ходами поршня при разгрузке, когда поршень входит в камеру накачки. Для использования без помощи емкости под давлением для подачи жидкости на микронасос микроклапан на впускном отверстии микронасоса необходим для обеспечения потока при перепаде давлений менее 1 атм. Также требуется скорость потока по меньшей мере 33 мкл/с, если микронасос должен поддерживать скорости подачи лекарственного средства, которые типичны для терапии с подачей инсулина с использованием короткого инсулина U100.
Важной особенностью микроклапана на выпускной стороне микронасоса является то, что этот микроклапан предотвращает протекание из впускного отверстия на выпускное отверстие микроклапана за исключением случая, когда поршень накачки входит в накачивающую мембрану во время рабочего хода подачи и, таким образом, предотвращает утечку текучей среды через насос, когда насос неподвижен. Это может потребовать, чтобы микроклапан на выпускном отверстии предотвращал поток при уровнях давления, которые могут существовать внутри емкости, обеспечивающей жидкость для микронасоса. Эти уровни давления могут быть установлены для обеспечения достаточного заполнения камеры накачки во время рабочего хода заполнения. Микронасос, подающий инсулин при нормальных атмосферных условиях, должен требовать наличия выпускного клапана, позволяющего предотвратить поток жидкости при перепаде давлений через мембрану клапана 2 атм. Если емкость, обеспечивающая инсулин, находится под давлением, чтобы способствовать заполнению камеры накачки, для клапана на выпускной стороне насоса может потребоваться предотвращать поток при более высоких давлениях.
Кроме того, существует потребность в изделиях для подачи лекарственных средств, которые могут быть изготовлены при низкой стоимости и в больших количествах. Эти системы подачи лекарственных средств не предусмотрены для непрерывного использования и могут периодически заменяться, а также когда система подачи использовалась в течение предусмотренного времени. Изделия для подачи лекарственных средств, предназначенные для подачи инсулина, могут потребовать, чтобы одно устройство могло быть использовано вплоть до периода трех суток до момента утилизации компонентов в контакте с инсулином и замены новыми. При этом требуется, чтобы изделие могло быть изготовлено и собрано с использованием затратоэффективных способов. Кроме того, устройство должно быть изготовлено из материалов, одобренных для использования с лекарственным средством и пригодных для стерилизации перед использованием с помощью затратоэффективных способов стерилизации. Также требуется, чтобы способы изготовления и сборки позволяли получить устройства, которые обладают эквивалентными эксплуатационными характеристиками. Комбинация этих требований накладывает значительные ограничения на конструкцию устройств подачи лекарственных средств.
Для микронасоса, предназначенного для использования с некоторыми лекарственными средствами, может потребоваться эффективное использование, даже когда в веществе присутствует дисперсный материал. Белок инсулина, в основном используемый в лекарственных средствах для диабетиков, как известно, аггрегирует, образуя частицы и волокна. Эти частицы или волокна могут быть достаточно большими, чтобы улавливаться в некоторые особенности системы подачи лекарственного средства. Примерами этих особенностей являются герметичные для жидкости области, такие как присутствующие в клапанах с мембраной. Это может сделать уплотнение клапана менее эффективным и повлиять на характеристики системы подачи лекарственного средства.
Предложены различные микроклапаны, которые могут использоваться как часть конструкции микронасоса. Они включают и пассивные, и активные устройства. Пассивные микроклапаны в основном предпочтительнее активных клапанов за счет их простой конструкции и устройства. Пассивные микроклапаны в основном разработаны для обеспечения потока текучей среды выборочно в одном направлении, требуя повышения давления текучей среды на одной стороне клапана и в направлении, в котором предусмотрено пропускание потока микроклапаном.
В общем, требования к одноходовому пассивному микроклапану состоят в том, чтобы клапан пропускал поток текучей среды в предусмотренном направлении потока, предотвращая поток текучей среды в обратном направлении. Для этого крайне важно уплотнение между частями, входящими в конструкцию, чтобы предотвратить обратный поток текучей среды. И наоборот, эти части должны нарушать уплотнение, сформированное между ними, чтобы обеспечивать поток текучей среды в предусмотренном направлении. В некоторых случаях предпочтительно, чтобы нарушение этого уплотнения происходило только выше некоторого повышенного давления текучей среды в направлении предусмотренного потока.
Предложены различные конструкции пассивных микроклапанов. Большое число конструкций основано на способах микротехнологий из кремния, и они изготовлены из кремния или одного из его производных материалов (нитрид кремния, оксид кремния и т.д.). Использование материалов на основе кремния при конструировании микроклапанов - это особая задача. Жесткость и твердость материалов в комбинации с изготовлением уплотнения изготовленных этим способом микроклапанов является проблемой. Эти две физические характеристики подходящих материалов препятствуют уплотнению поверхностей для соответствия неровностям поверхности другой поверхности и обеспечению эффективного жидкостного уплотнения. Действительно, почти наверняка, в случае, когда уплотнение поверхностей не может быть получено до такой высокой степени равномерности и точности с помощью способов микротехнологий, эти микроклапаны не обеспечивают достаточного уплотнения для получения эффективного микроклапана. Однако, даже когда эти клапаны функционируют эффективно, использование этих микроклапанов для подачи текучих сред со взвешенным в них дисперсным материалом или при применениях, которые поддерживают накопление загрязняющих поверхности слоев, имеет тенденцию вызывать проблему создания эффективного уплотнения между жесткими и твердыми материалами.
Известно использование эластомерных материалов в конструкции управляющих клапанов для текучих сред. В частности, также предложено использование эластомерных материалов при конструировании микроклапанов. Использование эластомерных материалов для этих целей дает преимущество, поскольку они могут продолжать обеспечивать эффективное уплотнение, для которого они предназначены, даже в присутствии в жидкости частиц.
Обзор современного состоянии этой области показывает, что предложены различные конструкции микроклапанов, которые включают эластомерную мембрану. Каждая конструкция включает мембрану клапана и клапанное седло. Эти конструкции различаются расположением мембраны относительно конструкции клапанного седла.
Описаны клапаны предшествующего уровня техники, в которых мембрана клапана уплотняется на клапанном седле, которое по существу плоское относительно мембраны клапана и по существу параллельно мембране. Эти конструкции осуществлены в виде по существу плоских мембран, уплотненных на плоских клапанных седлах, по существу плоских мембран, уплотненных на поднятом клапанном седле, и дополнительной модификации этого варианта осуществления для включения поднятых гребней на клапанном седле для улучшения уплотнения между мембраной и клапанным седлом. В некоторых вариантах осуществления клапанное седло уменьшено для формирования только поднятого кольцевого пространства, на котором уплотняется мембрана. В других вариантах осуществления предложены клапаны, в которых мембрана дополнительно модифицирована для включения поднятых кольцевых гребней, которые улучшают уплотнение мембраны на клапанном седле.
В документе US 3827456 А предложена конструкция клапана, которая включает многие описанные выше особенности. В документе US 3827456 А предложен клапан, в котором эластомерная мембрана клапана обладает центральным отверстием в центре кольцевой поднятой кромки, которая посажена на верхней части кольцевого клапанного седла таким образом, чтобы она уплотнялась на поверхности у верхней части клапанного седла. Эластомерная мембрана натягивается поверх седла, чтобы обеспечивать эффективное уплотняющее усилие. Впускные отверстия к канавке расположены по периферии вокруг кольцевого клапанного седла. Мембрана клапана также обладает утолщением внешнего кольцевого участка для облегчения ее позиционирования в структуре клапана.
Конструкции клапанов дополнительно характеризуются наличием одного из по меньшей мере двух вариантов осуществления. Первый включает мембрану клапана, которая удерживается в непосредственной близости от клапанного седла и основана по меньшей мере на некотором воздействии со стороны текучей среды в клапане, чтобы влиять на ее уплотнение на клапанном седле. Эти клапаны уплотняются, только когда перепад давлений между одной стороной для уплотнения мембраны и другой стороной достаточно высок и правильно направлен для уплотнения мембраны относительно клапанного седла. Второй включает мембрану клапана, которая удерживается относительно клапанного седла либо за счет натяжения в мембране клапана, либо за счет структуры, используемой для прижатия мембраны к клапанному седлу. Примером первого является мембрана, натянутая поверх клапанного седла в виде стержня. Вариантом осуществления последнего является мембрана, удерживаемая на месте посредством пружины, действующей на мембрану, чтобы прижать ее к клапанному седлу.
В документе US 4493339 А предложен клапан с мембраной клапана с поднятой кольцевой секцией, которая, когда она установлена на плоском клапанном седле, создает уплотняющее усилие для клапана. Мембрана клапана также содержит утолщенный наружный кольцевой сегмент, который используется для размещения мембраны в конструкции клапана и помогает удерживать клапан при правильном натяжении относительно клапанного седла. Для этого перед сборкой в клапане на виде в сечении мембраны клапана показано, что поднятая кольцевая секция, которая формирует седло для клапана, расположена ниже, чем край утолщенного наружного кольцевого сегмента.
В документе US 3176712 А предлагается клапан, содержащий мембрану клапана, растянутую поверх полусферического клапанного седла. Клапанное седло расположено поверх пластины основания, перфорированной для обеспечения прохождения текучей среды через нее. Текучая среда затем может протекать за уплотнение между клапанным седлом и мембраной клапана, если для этого имеется достаточное давление. Мембрана обладает расположенным центрально отверстием, которое нормально заблокировано полусферическим клапанным седлом, но через которое протекает текучая среда, когда уплотнение нарушено.
В документе GB 2443260 предлагается микроклапан, содержащий мембрану клапана, натянутую поверх клапанного седла, расположенного на выступающей поверхности стержня. Жидкость попадает в клапан через отверстие, центрально расположенное в стержне клапанного седла, и, когда давление на впускном отверстии клапана достаточно высокое, проходит за уплотнение, создаваемое между мембраной и клапанным седлом. Мембрана содержит по меньшей мере одно отверстие, позволяющее текучей среде проходить через мембрану, когда она прорвана, за уплотнение между мембраной и клапанным седлом.
Во многих конструкциях клапанов предлагаются мембраны клапанов, которые обладают структурой, предусматривающей мембрану с областями разной структурной прочности и обеспечение функционирования клапана.
В документе US 4143853 А предлагается клапан на основе мембраны клапана, которая содержит щель, прорезанную в центральном участке, чтобы щель раскрывалась для обеспечения потока, но уплотнялась при обратном потоке через клапан. Мембрана клапана содержит утолщение вокруг центрального гибкого участка для обеспечения мембраны с кольцом из структурированного материала, что помогает удерживать мембрану натянутой и щель в нормально закрытом положении. В документе US 4770740 А предлагается микроклапан и способ его изготовления, микроклапан содержит гибкую никелевую мембрану клапана, обладающую внутренним участком, который уплотняется относительно клапанного седла и создает уплотнение для клапана. Мембрана клапана изготовлена из одного листа никеля, который обладает структурой для обеспечения гибкого участка уплотнения клапана и жестким каркасом, который удерживает этот гибкий участок в нужном положении и с натяжением. Они соединены рядом опорных лапок.
Конструкции клапанов, которые содержат гибкую мембрану, принудительно удерживаемую напротив клапанного седла, предпочтительны в конструкции микронасосов, в которых применяются очень малые вытесняемые объемы. Они предпочтительны для других применений с очень низкой скоростью потока. Эти конструкции клапанов обладают наибольшим потенциалом для предотвращения обратного потока жидкости даже при очень низком обратном давлении.
Конструкция микроклапана создает структуру, в которой только очень малая секция устройства важна для характеристик уплотнения микроклапана. Перемещение уплотняющей поверхности от впускного отверстия создает новые возможности для конструкций микроклапанов.
Конструкции таких микроклапанов, как предложенные в документе GB 2443260 В, требуют, чтобы стержень, который содержит клапанное седло, был достаточно большим, чтобы позволить сформировать отверстие в центре стержня для обеспечения впускного отверстия в микроклапан. Существующие в настоящее время способы изготовления ограничивают минимальный радиус, который может быть достигнут для этого сквозного отверстия, а также ограничивают толщину стенки между отверстием и наружным диаметром стержня. Кроме того, общая площадь сечения впускного отверстия, доступного для потока текучей среды, ограничена этими требованиями.
В документе СА 1301244 С предлагается клапанное устройство, которое также уплотняет стык между уплотнительной мембраной и поверхностью клапанного седла. В одном варианте осуществления по СА 1301244 С предлагается использование конического клапанного седла в качестве дополнительного улучшения устройства. Однако в документе СА 1301244 С предлагается относительно большой клапан, который нельзя легко скопировать с помощью способов микротехнологий и для конструирования микроклапана. Кроме того, ограничения, связанные с документом GB 2443260 В, относятся и к этой конструкции. В частности, местоположение впускного отверстия для клапана в центре клапанного седла и ограничения, накладываемые способами изготовления, относительно этой особенности.
Раскрытие изобретения
Одноходовой микроклапан, содержащий клапанное седло, в котором клапанное седло выступает через отверстие в мембране. Отверстие в мембране микроклапана обеспечивает канал текучей среды от впускной стороны микроклапана до выпускной стороны микроклапана. Клапанное седло выступает в достаточной степени через отверстие, и отверстие достаточно мало, чтобы седло микроклапана уплотнялось на краю отверстия в мембране микроклапана. В альтернативном варианте уплотнение расположено между поверхностью седла микроклапана и поверхностью мембраны, контактирующей с периферийной поверхностью клапанного седла. Уплотнение достаточно для предотвращения потока текучей среды от выпускной стороны микроклапана к впускной стороне микроклапана, но, когда перепад давлений между впускной стороной микроклапана и выпускной стороной микроклапана достаточно велик, мембрана отводится от седла микроклапана, и текучая среда может протекать между клапанным седлом и отверстием в мембране.
В предпочтительном варианте осуществления микроклапана седло микроклапана, которое обеспечивает жидкостное уплотнение на мембране, по существу является коническим по форме. Коническая форма седла микроклапана позволяет седлу микроклапана эффективно уплотняться на краю мембраны. Коническая форма седла микроклапана также позволяет расположить седло в отверстии в гибкой мембране. Это помогает совместить отверстие в мембране и клапанное седло. При сборке микроклапана коническое клапанное седло располагают в отверстии в мембране, а затем проталкивают через отверстие, тем самым растягивая диаметр отверстия. Это служит для улучшения уплотнения гибкой мембраны микроклапана на клапанном седле. Угол конической поверхности относительно мембраны микроклапана и степень, до которой клапанное седло проникает через отверстие в мембране, могут быть отрегулированы либо для увеличения, либо для уменьшения уровня жидкостного уплотнения, создаваемого на границе раздела между поверхностью конического клапанного седла и наружной периферийной областью отверстия в мембране клапана.
Уровень жидкостного уплотнения также может быть отрегулирован за счет подбора геометрических размеров отверстия в мембране относительно геометрических размеров клапанного седла, в частности диаметра клапанного седла в области, где оно контактирует с отверстием в мембране, когда клапанное седло полностью расположено в отверстии в мембране.
Микроклапан содержит по меньшей мере три части. Первая часть корпуса содержит седло микроклапана, вторая часть корпуса структурирована для совмещения с первой частью корпуса, при этом мембрана микроклапана удерживается между первой и второй частями корпуса и совмещена с первой и второй частями корпуса. Первая часть корпуса содержит впускное отверстие для текучей среды, которое сообщается по потоку текучей среды с отверстием в мембране микроклапана, когда клапан открыт.Вторая часть корпуса содержит выпускное отверстие для текучей среды, которое сообщается по потоку текучей среды с отверстием в мембране. Вторая часть корпуса содержит камеру, сформированную, чтобы мембрана могла перемещаться, когда микроклапан открывается, и расположенную поверх клапанного седла на первой части корпуса. Мембрана с отверстием расположена поверх клапанного седла на первой части корпуса, чтобы клапанное седло по меньшей мере частично выступало через отверстие и по меньшей мере уплотняло это отверстие. Эти три части могут удерживаться вместе за счет склеивания, с использованием зажима, удерживаться вместе в корпусе, могут быть соединены термосваркой или посредством любого другого способа, который очевиден для специалиста в этой области. Три части могут быть совмещены либо путем использования фиксирующих стержней, либо путем совмещения периферийного края частей.
В микроклапане поверхность мембраны клапана контактирует с поверхностью первой части корпуса, содержащей седло микроклапана, и механически опирается на поверхность первой части корпуса для предотвращения изгибания мембраны, когда давление на выпускной стороне микроклапана возрастает относительно давления на впускной стороне мембраны.
В микроклапане впускное отверстие для текучей среды первой части корпуса пространственно отделено от структуры клапанного седла. Впускное отверстие для текучей среды для клапана может быть обеспечено каналами текучей среды через первую часть корпуса. Размер в сечении отверстия этих каналов может быть уменьшен для сокращения или устранения секций мембраны, которые не поддерживаются первой частью корпуса. Каналы текучей среды, содержащие впускное отверстие, также могут быть расположены в областях первой части корпуса, которая не дает вклада в механическую поддержку, обеспечиваемую первой частью корпуса для мембраны. Может быть достигнута максимальная скорость потока через микроклапан за счет введения большого числа каналов, которые в совокупности формируют впуск. В альтернативном варианте впускное отверстие текучей среды может представлять собой канал, который сформирован между поверхностью первой части корпуса и мембраной. Канал текучей среды может быть предназначен для достижения максимальной скорости потока с одновременным сохранением механической опоры, обеспечиваемой первой частью корпуса для мембраны.
В микроклапане диаметр отверстия в мембране может быть предусмотрен для обеспечения наилучших характеристик скорости потока для микроклапана, при этом все же обеспечивается эффективное уплотнение, когда давление на выпускном отверстии микроклапана превышает давление на впускном отверстии.
Одним из преимуществ настоящего изобретения является то, что скорость потока через микроклапан может быть оптимизирована без повышения вероятности изгибания мембраны, когда давление на выпускном отверстии микроклапана возрастает относительно давления на впускном отверстии.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что первая часть корпуса обеспечивает структурную поддержку гибкой мембраны и, следовательно, минимизирует изгибание мембраны, когда давление на впускном отверстии микроклапана больше, чем давление на впускном отверстии. Это позволяет использовать микроклапан в конструкциях микронасоса, в которых требуются жесткие границы в пределах области камеры накачки.
Другим преимуществом этого изобретения является то, что простая конструкция микроклапана и возможность выборочно определять тип впускного и выпускного отверстий для текучей среды обеспечивают микроклапан, который может быть встроен в конструкции микронасосов.
Другим преимуществом этой конструкции является то, что эта конструкция может быть предназначена для создания микроклапанов с разными эксплуатационными характеристиками. Сюда входят клапаны, которые все эффективно уплотняются, когда давление на выпускном отверстии превышает давление на впускном отверстии, но которое меняется по отношению к избыточному давлению, требуемому на впускном отверстии относительно выпускного отверстия для отклонения мембраны от клапанного седла и обеспечения потока текучей среды.
Другим преимуществом настоящего изобретения является то, что конструкция микроклапана проста и не требует способов изготовления, которые сделали бы изготовление этого микроклапана трудным или дорогим при изготовлении больших количеств и для низкозатратных применений. Особенности, критичные для эффективного функционирования микроклапана, могут быть изготовлены с использованием стандартных для этой области способов для изготовления недорогих частей в больших объемах. В качестве примера, уплотняющая поверхность седла микроклапана конусной формы представляет собой наклонную поверхность клапанного седла. При использовании способов литьевого прессования в соответствии со стандартами для этой области, эта особенность может быть образована с определенной точностью и воспроизводимостью.
Настоящее изобретение также относится к одноходовому клапану, содержащему: клапанное седло конической формы; и мембрану с отверстием, которое расположено вокруг конического клапанного седла, чтобы поверхность клапанного седла уплотнялась на внутренней периферии отверстия в мембране, причем при использовании мембрана отводится от поверхности клапанного седла для обеспечения пути текучей среды через мембрану и протекания текучей среды от одной стороны мембраны к другой.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению поверхность клапанного седла уплотняется на краю внутренней периферии отверстия в мембране.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению мембрана представляет собой гибкий элемент, который обеспечивает приложение усилия к клапанному седлу, когда поверхность клапанного седла уплотняется на внутренней периферии отверстия в мембране.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению одноходовой клапан обладает впускной стороной и выпускной стороной, и мембрана предусмотрена, чтобы отклоняться от поверхности клапанного седла при конкретном перепаде давлений между впускной стороной и выпускной стороной.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению мембрана выборочно поддерживается вокруг наружного периферийного участка мембраны, чтобы отклонение было ограничено внутренним участком мембраны.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению отверстие в мембране сформировано во внутреннем участке мембраны.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению одноходовой клапан дополнительно содержит первую часть корпуса, которая включает клапанное седло.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению одноходовой клапан дополнительно содержит механический ограничитель для ограничения отклонения мембраны к клапанному седлу и первой части корпуса.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению механический ограничитель ограничивает отклонение мембраны к клапанному седлу и первой части корпуса, когда поверхность клапанного седла уплотняется на внутренней периферии отверстия в мембране.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению механический ограничитель составляет часть клапанного седла.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению механический ограничитель составляет часть первой части корпуса.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению первая часть корпуса содержит канал для текучей среды, образованный во впускном отверстии одноходового клапана.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению отверстие сформировано у основания клапанного седла, причем отверстие составляет часть пути текучей среды через мембрану.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению несколько отверстий сформированы у основания клапанного седла, причем эти отверстия составляют часть пути текучей среды через мембрану.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению по меньшей мере одно отверстие сформировано как часть механического ограничителя.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению одноходовой клапан дополнительно содержит вторую часть корпуса на противоположной стороне мембраны относительно первой части корпуса.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению вторая часть корпуса содержит канал для текучей среды, сформированный посредством образования выпускного отверстия одноходового клапана.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению полость образована выемкой во второй части корпуса, в которую перемещается мембрана, когда клапан открывается.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению полость создает путь текучей среды от отверстия в мембране до выпускного отверстия клапана.
В одном варианте осуществления одноходового клапана по настоящему изобретению мембрана изготовлена из материала, выбранного из группы материалов, включающей: каучук, силикон и эластомер.
Настоящее изобретение также относится к насосу, содержащему клапан по настоящему изобретению.
Настоящее изобретение также относится к устройству подачи лекарственного средства, содержащему насос по настоящему изобретению.
Краткое описание чертежей
Варианты осуществления одноходового клапана будут описаны только в качестве примера.
На фиг. 1 показано сечение микроклапана по настоящему изобретению;
на фиг. 2 - одна компоновка отверстий, образующих структуру впускного канала для одного варианта осуществления микроклапана по настоящему изобретению;
на фиг. 3 - альтернативная компоновка отверстий, образующих альтернативную структуру впускного канала для одного варианта осуществления микроклапана по настоящему изобретению;
на фиг. 4 - сечение альтернативного варианта осуществления микроклапана по настоящему изобретению, показывающее седло микроклапана с уплощенной верхней частью;
на фиг. 5 - сечение альтернативного варианта осуществления микроклапана по настоящему изобретению, показывающее клапанное седло, сформированное в виде вставки, которая расположена в нижнем корпусе микроклапана;
на фиг. 6 - сечение альтернативного варианта осуществления микроклапана по настоящему изобретению, показывающее альтернативную компоновку впускных отверстий, которые формируют впускной канал для микроклапана;
на фиг. 7 - сечение альтернативного варианта осуществления микроклапана по настоящему изобретению, показывающее альтернативную компоновку впускных отверстий, которые формируют впускной канал для микроклапана.
Осуществление изобретения
На фиг. 1 показан вид в сечении микроклапана по настоящему изобретению. Одноходовой микроклапан 100 содержит нижний корпус 7 (также называемый первой частью корпуса) и верхний корпус 6 (также называемый второй частью корпуса) и мембрану 2, удерживаемую между ними. Части могут удерживаться вместе с использованием одного или более из многочисленных способов, включая приклеивание, термосварку или использование внешних механических фиксаторов или зажимов. Для специалистов в этой области очевидны различные способы, подходящие для этой цели.
Нижний корпус содержит клапанное седло 1 конической формы. Клапанное седло 1 конической формы имеет поверхность 60. Вокруг клапанного седла 1 расположены каналы 4 (также называемые отверстиями), позволяющие переносить текучую среду в или из микроклапана и камеры 9, сформированной между мембраной 2 и нижним корпусом 7. Каналы 4 расположены на впускной стороне микроклапана 100.
Камера 8 сформирована в верхнем корпусе 6 достаточно большой, чтобы вмещать мембрану и клапанное седло 1. Канал 5 сформирован в корпусе 6 для переноса текучей среды в или из камеры 8. Канал 5 расположен у выпускной стороны микроклапана 100. Объем камеры 9 мал, насколько это возможно, чтобы не допустить перемещения мембраны 2 к нижнему корпусу 7, когда давление в камере 8 больше, чем давление в камере 9. Поверхность нижнего корпуса 7 обеспечивает механическую опору 63 для мембраны 2 для предотвращения или ограничения отклонения мембраны 2, когда давление в камере 8 больше, чем давление в камере 9.
Преимущество этой конструкции состоит в том, что объем камеры 9 может быть уменьшен путем подбора формы конического клапанного седла 1.
Мембрана 2 выполнена из эластомерного материала. В мембране 2 сформировано отверстие 3. Отверстие 3 обладает внутренней периферией 61. Клапанное седло 1 расположено в отверстии 3 и выступает через отверстие 3, чтобы мембрана 2 отводилась клапанным седлом 1, и клапанное седло 1 формировало уплотнение на отверстии 3 мембраны. Поверхность 60 клапанного седла 1 уплотняется на краю 62 внутренней периферии 61 отверстия 3 в мембране 2. Уплотнение также может в меньшей или большей степени проходить между поверхностью 64 мембраны 2, которая контактирует с поверхностью 10 клапанного седла 1. Уплотнение является достаточным для предотвращения потока текучей среды из камеры 8 в камеру 9, когда давление в камере 8 выше, чем давление в камере 9.
Уплотнение, сформированное между отверстием 3 в мембране 2 и поверхностью 60 клапанного седла 1 или между поверхностью 60 клапанного седла 1 и по меньшей мере частью поверхности мембраны 2, обеспечивает уплотнение относительно потока текучей среды из камеры 9 в камеру 8, если давление в камере 9 не выше, чем давление в камере 8, и перепад давлений превышает давление прорыва клапана 100 за счет обеспечения достаточного усилия для частичного и временного подъема мембраны 2 от поверхности 60 клапанного седла 1. Усилие, требуемое для подъема мембраны 2 от поверхности 60 клапанного седла 1, соответствует степени, до которой мембрана 2 отводится клапанным седлом 1, жесткости мембраны 2 и обработке поверхности клапанного седла 1. Особенности, которые определяют отклонение мембраны 2, жесткость мембраны 2 и обработку поверхности клапанного седла 1, известны специалистам в этой области. Можно скомбинировать эти особенности, чтобы можно было изготовить микроклапаны с разным давлением прорыва.
Как показано на фиг. 1, размер и распределение каналов 4 могут быть оптимизированы во избежание пустот, в которые может отклониться мембрана 2 в случае, когда давление в камере 8 больше, чем давление в камере 9, и мембрана принудительно перемещается к нижнему корпусу 7. В этом случае мембрана 2 не может отклониться в каналы 4. Размер и распределение каналов 4 также могут быть оптимизированы для обеспечения достаточного потока текучей среды в камеру 9. Конструкция каналов 4 позволяет сбалансировать эти два несовпадающих требования. На фиг. 2 показана компоновка каналов 50, распределенных радиально вокруг основания клапанного седла 49. Каналы 50 расположены в нижнем корпусе 71. Диаметр каналов 50 может быть уменьшен для достижения максимальной поддержки мембраны 2 по фиг 2, но их число уменьшается для сохранения скорости потока текучей среды в микроклапан. Компоновку можно приспосабливать, чтобы сбалансировать эти два несовпадающих требования.
На фиг. 3 показана альтернативная компоновка каналов 52 для обеспечения прохода текучей среды в микроклапан 100. Каналы 52 распределены радиально вокруг основания клапанного седла 51. Каналы 52 расположены в нижнем корпусе 72. Для специалистов в этой области очевидно, что возможны другие компоновки для каналов 52.
На фиг. 4 показан другой вариант осуществления микроклапана по настоящему изобретению. На фиг. 4 показано клапанное седло 19, в котором кончик конуса удален. Этот вариант осуществления может давать преимущество при изготовлении, когда очень малые острые особенности часто трудно изготовить с высокой точностью, воспроизводимостью, в больших количествах и затратоэффективным образом. Все другие аспекты устройства, показанного на фиг. 4, описаны для устройства по фиг. 1. Альтернативная компоновка каналов 13 также описана для фиг. 2 и 3.
На фиг. 4 мембрана обозначена ссылочным номером 11. Отверстие в мембране имеет ссылочный номер 12. Каналы в нижнем корпусе (первой части корпуса) имеют ссылочный номер 13. Трубопровод в верхнем корпусе (второй части корпуса) имеет ссылочный номер 14. Верхний корпус обозначен ссылочным номером 15. Нижний корпус имеет ссылочный номер 16. Камера между верхним корпусом и мембраной имеет ссылочный номер 17. Камера между нижним корпусом и мембраной обозначена ссылочным номером 18. Коническое клапанное седло имеет ссылочный номер 19. Поверхность конического клапанного седла имеет ссылочный номер 60. Внутренняя периферия отверстия имеет ссылочный номер 61. Край внутренней периферии имеет ссылочный номер 62. Механическая опора имеет ссылочный номер 63. Поверхность мембраны имеет ссылочный номер 64.
На фиг. 5 показан другой вариант осуществления микроклапана по настоящему изобретению. Микроклапан содержит верхний корпус 24, нижний корпус 25 и мембрану 20, расположенную между ними. Нижний корпус 25 дополнительно предназначен для приема вставки 29.
Верхний корпус 24 содержит камеру 26, сформированную для вмещения клапанного седла 28, когда микроклапан собран. Верхний корпус 24 дополнительно содержит канал 23, сформированный для обеспечения потока текучей среды в камеру 26.
Мембрана 20 сформирована из эластомерного материала, и в ней сформировано отверстие 21.
Вставка 29 сформирована для посадки в выемку в нижнем корпусе 25 или для механического сопряжения с нижним корпусом 25, чтобы вставка 29 была точно расположена относительно отверстия 3 в мембране 20. Для специалистов в этой области очевидно, что для достижения этого могут быть использованы другие компоновки. Вставка 29 содержит коническое клапанное седло 28. Клапанное седло выступает через отверстие 21 в мембране 20. Расположение клапанного седла 28 в отверстии 3 в мембране 20 создает камеру 27 между мембраной 20 и вставкой 29 и нижним корпусом 25. Каналы 22 сформированы во вставке 29 для обеспечения потока текучей среды в камеру 27.
На фиг. 5 поверхность конического клапанного седла обозначена ссылочным номером 60. Внутренняя периферия отверстия имеет ссылочный номер 61. Край внутренней периферии имеет ссылочный номер 62. Механическая опора имеет ссылочный номер 63. Поверхность мембраны имеет ссылочный номер 64.
Действие микроклапана аналогично описанному в отношении устройства по фиг. 1. Параметры, которые определяют давление прорыва микроклапана, также аналогичны описанным для микроклапана по фиг. 1. Каналы 22 также могут быть выполнены в соответствии с альтернативными конструкциями, показанными на фиг. 2 и 3.
На фиг. 6 показан другой вариант осуществления микроклапана по настоящему изобретению. Микроклапан по фиг. 6 отличается от микроклапана по фиг. 1 в отношении расположения каналов 32, которые обеспечивают прохождение текучей среды в камеру 37, сформированную между мембраной 31 и нижним корпусом 35. Каналы 32 расположены в части микроклапана, которая не обеспечивает механическую опору для мембраны 31 для обеспечения ее отклонения, когда давление в камере 36 выше, чем давление в камере 37. Это позволяет оптимизировать конструкцию микроклапана для обеспечения наилучшей механической опоры 63 для мембраны 31. Микроклапан на фиг. 6 также позволяет оптимизировать конструкцию камеры 37 для потока текучей среды в камеру 31.
На фиг. 6 отверстие в мембране обозначено ссылочным номером 30. Трубопровод в верхнем корпусе имеет ссылочный номер 33. Верхний корпус имеет ссылочный номер 34. Коническое клапанное седло имеет ссылочный номер 38. Поверхность конического клапанного седла имеет ссылочный номер 60. Внутренняя периферия отверстия имеет ссылочный номер 61. Край внутренней периферии имеет ссылочный номер 62. Механическая опора имеет ссылочный номер 63. Поверхность мембраны имеет ссылочный номер 64.
На фиг. 7 показан другой вариант осуществления микроклапана по настоящему изобретению. Микроклапан на фиг. 7 отличается от микроклапана по фиг. 1 в отношении расположения каналов 42, которые обеспечивают поток текучей среды в камеру 47, сформированную между мембраной 41 и нижним корпусом 45. Микроклапан, показанный на фиг. 7, обладает тем преимуществом, что каналы 42, которые обеспечивают поток текучей среды в камеру 47, сформированные между мембраной 41 и нижним корпусом 45, предназначены для минимизации объема камеры 47.
На фиг. 7 отверстие в мембране обозначено ссылочным номером 40. Трубопровод в верхнем корпусе (второй части корпуса) имеет ссылочный номер 43. Верхний корпус имеет ссылочный номер 44. Камера между верхним корпусом и мембраной имеет ссылочный номер 46. Коническое клапанное седло имеет ссылочный номер 48. Поверхность конического клапанного седла имеет ссылочный номер 60. Внутренняя периферия отверстия имеет ссылочный номер 61. Край внутренней периферии имеет ссылочный номер 62. Механическая опора имеет ссылочный номер 63. Поверхность мембраны имеет ссылочный номер 64.
Следующие пункты предусмотрены в качестве дополнительного описания одноходового клапана по настоящему изобретению.
1. Одноходовой клапан, содержащий:
клапанное седло конической формы; и
мембрану с отверстием, которое расположено вокруг конического клапанного седла так, чтобы поверхность клапанного седла уплотнялась на внутренней периферии отверстия в мембране, причем при использовании мембрана отводится от поверхности клапанного седла для обеспечения пути текучей среды через мембрану и обеспечения потока текучей среды от одной стороны мембраны к другой.
2. Клапан по п. 1, в котором мембрана выборочно поддерживается вокруг наружного периферийного участка, чтобы отклонение было ограничено внутренним участком.
3. Клапан по п. 2, в котором отверстие в мембране сформировано во внутреннем участке мембраны.
4. Клапан по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий первую часть корпуса, которая включает в себя клапанное седло.
5. Клапан по любому из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий механический ограничитель для ограничения отклонения внутреннего участка мембраны к клапанному седлу и первой части корпуса.
6. Клапан по п. 5, в котором механический ограничитель образует часть клапанного седла.
7. Клапан по п. 5, в котором механический ограничитель образует часть первой части корпуса.
8. Клапан по любому из предшествующих пунктов, в котором первая часть корпуса содержит канал для текучей среды, сформированный для обеспечения впускного отверстия клапана.
9. Клапан по п. 8, в котором отверстие сформировано у основания клапанного седла и составляет часть пути текучей среды через мембрану.
10. Клапан по п. 9, в котором число и компоновка отверстий выбраны в соответствии с нужной скоростью потока через клапан.
11. Клапан по п. 9, в котором число и компоновка отверстий выбраны для обеспечения механической опоры мембраны.
12. Клапан по любому из пп. 9, 10 и 11, в котором отверстия сформированы как часть механического ограничителя.
13. Клапан по п. 8, в котором канал для текучей среды сформирован в виде отверстия на наружном периферийном участке мембраны.
14. Клапан по п. 13, в котором число и компоновка отверстий выбраны в соответствии с нужной скоростью потока через клапан.
15. Клапан по любому из пп. 8-14, дополнительно содержащий вторую часть корпуса на противоположной стороне мембраны относительно первой части корпуса.
16. Клапан по п. 15, в котором вторая часть корпуса содержит канал для текучей среды, сформированный через нее для образования впускного отверстия клапана.
17. Клапан по п. 15 или 16, в котором полость образована выемкой во второй части корпуса, в которую внутренний участок мембраны перемещается, когда клапан открывается.
18. Клапан по п. 17, в котором полость создает путь текучей среды из отверстия в мембране к выпускному отверстию клапана.
19. Клапан по любому из предшествующих пунктов, в котором мембрана изготовлена из материала, выбранного из группы материалов, включающей: каучук, силикон и эластомер.
20. Насос, содержащий клапан по любому из предшествующих пунктов.
21. Устройство подачи лекарственного средства, содержащее насос по п. 20.
Как указано, в настоящем документе описаны подробные варианты осуществления настоящего изобретения; однако следует понимать, что описанные варианты осуществления являются просто примерами настоящего изобретения, которые могут быть осуществлены в разной форме. Следовательно, конкретные детали структуры или функции, описанные в настоящем документе, не следует рассматривать как ограничение ими, а просто как основу для формулы изобретения и в качестве репрезентативных для указания специалистам в этой области различного использования настоящего изобретения в практически любой соответствующим образом детализированной структуре. Кроме того, термины и фразы, используемые в настоящем документе, не подразумевают ограничения ими, напротив, они обеспечивают понятное описание настоящего изобретения.
Термины "а" или "an", используемые в настоящем документе, определены, как "один или более одного". Термин "несколько", используемый в настоящем документе, определен как "два или более двух". Термин "другой", используемый в настоящем документе, определен как "по меньшей мере второй или более". Термины, включающие "наличие и/или", используемые в настоящем документе, определены как "содержащий" (т.е. включающий, не исключая других элементов или этапов). Другие ссылочные знаки в формуле изобретения не следует рассматривать как ограничивающие объем формулы или изобретения.
Простой факт, что некоторые величины упомянуты в различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает, что комбинацию этих величин нельзя использовать для получения преимущества.