Flipperventile

Kleinste Abmessungen und ausgezeichnete Spüleigenschaften

Optimierte Ventiltechnologie setzt Maßstäbe bei Größe und Leistung
Schema Flipper-Magnetventil Typ 6650: 2/2-Wege-Ventil mit Druckausgleich.
Immer leistungsstärker und dabei immer kleiner ist ein Motto, das nicht nur für Mobiltelefone und Computer gilt. Diese Forderung stellen auch Anwender und Hersteller (OEM) von Labor-, Medizin- und Analysetechnik an mediengetrennte Miniaturmagnetventile. In der klinischen Diagnostik sind Durchsatz und Zuverlässigkeit wichtige Schlüsselfaktoren, der sichere Umgang mit biologischem Material hat oberste Priorität.

Standardabläufe der automatisierten Analytik wie Titration, definierte Probenentnahme und präzise Reagenziendosierung verlangen nach integrierten fluidischen Systemen und – besonders wenn die Volumen von Proben und Reagenzien im Nano- und Mikroliterbereich liegen – nach höchster, jederzeit reproduzierbarer Präzision. Anwender und Hersteller achten bei der Entscheidung für ein bestimmtes Ventil zusätzlich auch auf den Preis, die Abmessungen, die medienberührten Materialien und besonders auf die Spüleigenschaften eines Ventils. Dabei hängen die Möglichkeiten, die Ventile zu reinigen und mit ihnen zu dosieren, nicht zuletzt von ihrem Konstruktionsprinzip ab.

Flipper- oder Wippenventil

Bisher galt das Wirkprinzip der Anfang der 90er Jahre von Bürkert eingeführten Wippenventile als Nonplusultra der Ventiltechnologie. Es setzte den Standard bei mediengetrennten Kleinstventilen und wurde vielfach kopiert. Durch den Aufbau mit einer Membran erreichen Wippenventile sehr geringe interne Volumina und sind gut spülbar. Für biologische Medien stellten sie deshalb bisher die erste Wahl dar. Die Trägheit der Membran begrenzt allerdings die mögliche Schaltgeschwindigkeit. Daher sind Wippenventile für Anwendungen, wo es auf sehr schnelle und hoch genaue Dosierung ankommt, nur bedingt geeignet.

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Flipperventile erreichen die Medientrennung dagegen ohne Membran. Es müssen nur geringe Massen bewegt werden, um sie zu schalten. Dadurch sind sie schnell und eignen sich hervorragend für Dosieraufgaben. Die geringere Walkarbeit in den Elastomerbauteilen ermöglicht zudem eine sehr hohe Lebensdauer. Ein weiterer Vorteil bei Dosierung kleinster Mengen ist, dass Flipperventile durch den konstruktiven Aufbau praktisch keinen Pumpeffekt beim Schalten aufweisen. Dennoch konnten Flipperventile bisher nicht alle Anwender von ihren Vorteilen überzeugen, was vor allem an ihrer etwas schlechteren Spülbarkeit lag.

Bürkert hat das Flipperprinzip im Ventilbau konsequent weiterentwickelt, um diesen Nachteil zu beheben. Mit Hilfe moderner digitaler Werkzeuge für Entwicklung und Konstruktion wurden Strömungsverhalten und Druckverläufe zunächst am Computer simuliert und mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) optimiert.

Eine Frage der Konstruktion

Flipperventile weisen konstruktionsbedingt ein etwas höheres internes Volumen auf als Ventile vergleichbarer Größe, die mit Membrantechnologie arbeiten. Dieses höhere Volumen wurde bislang als Nachteil der Flipperventil-Technologie betrachtet – vor allem im Hinblick auf seine Reinigungsmöglichkeiten. Doch bei den Flipperventilen der zweiten Generation sind diese Nachteile überwunden. In der Entwicklungsphase zeigten die FEM-Berechnungen, wie das Gehäuse des neuen Ventils gestaltet werden musste, um Rückstände und damit Kontaminationen im Ventil auszuschließen. Verschiedene Geometrien, Kanal- und Ventilsitzpositionen wurden auf ihre Eignung hin simuliert und schrittweise optimiert. Durch die aus diesen Berechnungen und Simulationen resultierende Formgebung erreichen die Strömungslinien des neuen Ventils jeden Ort des Fluidraums und es gibt keine Bereiche, die nicht vom Spülmedium erreicht werden. So wird der Verbrauch teurer Reagenzien minimiert und Kreuzkontamination verhindert, bei gleichzeitiger Steigerung der Prozesssicherheit.

Das Ergebnis der Entwicklungsarbeit ist das neue mediengetrennte Flipperventil 6650 mit nur 4,5 mm Baubreite und hervorragenden Spüleigenschaften. Es vereint sehr kurze und verlässliche Schaltzeiten mit einer hohen Wiederholgenauigkeit und verbesserten Durchflusswerten. Durch die kleinen Abmessungen können Hersteller von Geräten und Anlagen mehr Ventile auf kleinerem Raum platzieren und erreichen so eine höhere Funktionalität. Und durch kleinere Geräte sinken letztendlich auch die Laborkosten bei den Anwendern.

Das neue Flipperventil kombiniert somit die Vorteile beider Konstruktionsprinzipien und empfiehlt sich besonders für den Umgang mit Medien im Zusammenhang mit Mikrotiterplatten, wo das kleine Anreihmaß und genaue Dosierung besonders gefordert sind.

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