Kleiner, schneller, leiser

Der Autor: Patrick Mohs, Product Manager Microfluidics, Bürkert, Ingelfingen

Whisper Valve – so hat Bürkert Fluid Control Systems das schnellschaltende 6712-Mikroventil genannt. Der Name steht für eine der herausragenden Eigenschaften des neuen mediengetrennten 2/2-Wege-Ventils: Mit seinem anschlagfreien Aktuator regelt es den Durchfluss sehr leise. Weniger als 36 dB sind vom neu konzipierten Antrieb zu hören. Das inovative Ventil eignet sich ideal für medizinische Anwendungen mit einer geringen Distanz zum Patienten, denn das typische Geräusch eines Magnetventils mit Metall-Metall-Anschlag gibt es hier nicht. Aber es ist nicht nur die geringe Lautstärke, die dieses Bauteil auszeichnet.

Je kleiner die Bauteile, und das gilt nicht nur für die Analysen- und Dosiertechnik, sondern auch für viele andere Anwendungen, desto leichter lässt sich die Technik an den Point-of-Use (Anwendung) oder im Falle der Medizintechnik an den Point-of-Care (Patient) heranbringen. Mikrofluidik ist ein Schlagwort, dass sich in fast 25 Jahren von einer Idee immer weiterentwickelt hat. Prozesse großer Analysenautomaten, Drucker und Getränkeabfüllmaschinen, aber auch die Labortechnik profitieren von den herunterskalierten Anwendungen. So erlauben etwa Mikro-IVDs (In-Vitro-Diagnostics) in Arztpraxen schnellere und zielgerichtetere Therapien. Daneben sind Komponenten im Miniaturformat gleichzusetzen mit einer Minimierung des Flüssigkeitsverbrauchs sowie der Dosier- und Waschzyklen.

Bürkert hat sich der Herausforderung in einem stetig wachsenden Markt gestellt und mit einer entsprechenden Neuentwicklung reagiert: Gerade mal 7 mm in der Breite und 26 mm in der Höhe misst das 6712-Mikroventil (Litzenvariante) und passt damit in sehr kleine Apparaturen. Mit seinem Anreihenmaß eignet es sich ideal für 9-mm-Titerplatten, kann aber auch auf engerem Raum verbaut werden. Das niedrige Gesamtgewicht bringt enorme Vorteile, gerade für Anwendungen auf bewegten Armen. Eine niedrige Leistungaufnahme zeichnet das Whisper Valve außerdem aus: Sowohl beim Schalten als auch beim Halten verbraucht es weniger als 1 W, es wird keine platzraubende und teure Elektronik zur Leistungsabsenkung benötigt. Der neue Antrieb, der das Ventil so leise macht, erlaubt außerdem ein proportionales Bewegen der Membran, ein bisher eher seltenes Merkmal bei mediengetrennten Ventilen dieser Größe. Die Aktorik ist von der fluidführenden Struktur getrennt. Die Dosierkammer lässt sich einfach wechseln und kann für Ein-Weg-Anwendungen aus preisgünstigen Werkstoffen gefertigt und auch sterilisiert werden.

Das Whisper Valve setzt aber nicht nur in Hinblick auf Größe und Lautstärke Maßstäbe: So verfügt das Mikroventil über ein minimales Innenvolumen bei exzellenter Spülbarkeit unter gleichzeitiger Beibehaltung der Schaltgeschwindigkeit, was vor allem bei der Analyse von Blut und Urin, aber auch bei der Verwendung in Tintenstrahldruckern von Bedeutung ist. Das interne Volumen beträgt nur 5 μl einschließlich des Ventilflansches und fällt damit deutlich geringer aus als das von vergleichbaren Ventilen des Wettbewerbs.

Was bei kleineren Ventilen aufgrund der schlechten Spülbarkeit oft ein Problem ist, nämlich die Akkumulation von Luftblasen, hat Bürkert beim neuen Bauteil wirksam minimiert. Bei 1 bar Druckdifferenz beträgt die längste Verweildauer einer Flüssigkeit 5 ms (s. Bild zum Strömungsverhalten). Im Vergleich zu ähnlich großen Ventilen fällt der Arbeitsbereich des Drucks mit 3 bar (0,3 MPa) schaltend und 8 bar (0,8 MPa) während des Spülungvorgangs bei geöffnetem Ventil sehr hoch aus.

Die Anforderungen an Mikroventile zur Fluidregelung von kleinen Mengen unterscheiden sich grundsätzlich nicht von größeren Ausführungen: Dichtheit, Medientrennung, Schaltgeschwindigkeit und Lebensdauer sind die Merkmale, auf die es ankommt. Gerade bei kleinen Flussmengen ist auch die Forderung nach Genauigkeit geradezu essentiell. Das 6712-Mikroventil verbindet Dosiergenauigkeit und Medientrennung. Es eignet sich daher besonders für Dialyse- oder Beatmungsgeräte, Zahnarztstühle sowie die Verwendung am Pipettierarm, bei denen praktisch alle Flüssigkeiten und Gase in der Medizintechnik dank EPDM- (Ethylen-Propylen-Terpolymer), FKM- (Fluorkautschuk) oder FFKM-Membranen (Perfluorkautschuk) eingesetzt werden können.

Gleichzeitig werden in diagnostischen und anderen Anwendungen immer höhere Durchsatzmengen gewünscht. Für Hersteller von Fluidregelungskomponenten bedeutet das eine Erhöhung der Kraftdichten der Aktorik, damit auch kleinere Ventile noch hohe Drücke schalten können. Das Abfüllen oder Einpipettieren einer bestimmten Flüssigkeitsmenge in ein Gefäß ist solch eine Funktion, die durch das Öffnen und Schließen eines Fluidstrangs mithilfe eines Ventils gesteuert wird. Reproduzierbare Flüssigkeitsmengen lassen sich durch das Öffnen für eine kontrollierte Zeit bei einem festen Druckwert in ein Probengefäß ein- oder auf ein Substrat aufbringen. Dazu wird zusätzlich eine Pumpe mit möglichst konstantem Pumpendruck bzw. ein Druckreservoir benötigt. Bürkert hat in dem immer größer werdenden Miniaturisierungmarkt mit dem Whisper Valve ein Mikroventil vorgestellt, das die Anforderungen an eine kleine, exakte und leise Fluidregelung exakt abbildet.

Die neue Produktserie ist Teil der auf der Hannover Messe 2014 von Bürkert vorgestellten Kampagne Inspiring Answers, die wegweisende Innovationen in der Fluidtechnik präsentiert. I

Christian Bürkert GmbH & Co. KG

Patrick Mohs

Product Manager Microfluidics

Tel.: 07940 10-96978

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