WO2009083179A1 - Fluidic device for controlled handling of liquids, and fluidic system with a fluidic device - Google Patents

Fluidic device for controlled handling of liquids, and fluidic system with a fluidic device Download PDF

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WO2009083179A1
WO2009083179A1 PCT/EP2008/010901 EP2008010901W WO2009083179A1 WO 2009083179 A1 WO2009083179 A1 WO 2009083179A1 EP 2008010901 W EP2008010901 W EP 2008010901W WO 2009083179 A1 WO2009083179 A1 WO 2009083179A1
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WO
WIPO (PCT)
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fluidic
valve
flow
fluidic device
fluidic element
Prior art date
Application number
PCT/EP2008/010901
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German (de)
French (fr)
Inventor
Heinz Kueck
Daniel Benz
Frank Wolter
Volker Mayer
Karl-Peter Fritz
Hans-Otto Maier
Rolf Heitmeier
Dominik Niedenzu
Original Assignee
Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
B. Braun Melsungen Ag
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Filing date
Publication date
Application filed by Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V., B. Braun Melsungen Ag filed Critical Hahn-Schickard-Gesellschaft für angewandte Forschung e.V.
Publication of WO2009083179A1 publication Critical patent/WO2009083179A1/en

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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/03Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors
    • F04B17/04Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids
    • F04B17/046Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by electric motors using solenoids the fluid flowing through the moving part of the motor
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1077Flow resistance valves, e.g. without moving parts
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B53/00Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/12Valves; Arrangement of valves arranged in or on pistons

Definitions

  • the present invention relates to a fluidic device and a fluidic system, by means of which a fluid can be conveyed and additionally or alternatively a quantity of fluid flowing through a fluidic device can be determined.
  • the prior art discloses a multiplicity of pumps or fluidic systems which can be used for conveying fluids.
  • the sizes of the pumps vary from micromachined pumps of the lowest flow rate to very large pumps with high pump capacities, which are used, for example, in power plants.
  • the pumps belonging to the state of the art are predominantly complex constructions which contain the structure which causes the liquid transport, a drive and optionally a control or regulating device. Disadvantages of the high complexity of the known pumps are the high production costs, which virtually preclude the use of such pumps for single-use applications. In addition, reliability is reduced when many complex mechanical and electronic components need to work together.
  • auxiliaries such as lubricating oils or greases for their drive or the maintenance of the drive.
  • auxiliaries can either come into contact with the fluid to be delivered during normal operation or in the presence of a slight disturbance, and this thus contaminate.
  • the known in the art pumps are predominantly driven mechanically, such as in a push rod of a conventional piston pump.
  • the mechanical drive is also usually lubricated so that if a seal fails between the mechanical drive and the fluid, the fluid being pumped can be easily contaminated.
  • a fluidic device is used to deliver a liquid which serves to convey fluid along a fluid path from a fluidic device inlet to a fluidic device outlet.
  • the delivery of the liquid is achieved by means of a fluidic element which is movable along the fluid path between a first and a second position.
  • the fluid path is enclosed by a fluidic device housing, which fluidly encloses the fluidic element so that fluid can be delivered when the fluidic element is moved from the first position to the second position.
  • the fluidic element is arranged to be freely movable in the fluid path.
  • the fluidic element is not mechanically connected to the fluidic device housing. Consequently, there is no direct mechanical connection with the fluidic device housing, by which movement of the fluidic element is restricted. In other words, the fluidic element is not mechanically connected to the fluidic device housing in a direction perpendicular to the flow direction.
  • the fluidic element is used to measure or determine a flow rate or volume of a fluid flowing through the fluidic device.
  • the fluidic element can be equipped with a valve which has an opening force
  • valve (For example, because a gasket is mechanically biased) requires greater than a force on the valve caused by the liquid flowing through the fluidic device.
  • the valve thus remains closed when the fluidic element moves in the flow direction from the first position to the second position. If the fluid ment detected at the second position, it is moved from the second position back to the first position.
  • the bias of the valve is selected such that a dynamic pressure caused by the fluid exerts a force on the valve which is greater than the force required to open the valve, so that the fluid element moves relative to the fluid to the first position can. If such movement cycles are performed multiple times, the number of strokes or the movements from the second to the first position is directly a measure of what volume of liquid has flowed through the fluidic device.
  • the fluidic element is at least partially made of a magnetizable material so that the fluidic element can be moved from the first position to the second position or from the second position to the first position by applying an electromagnetically induced force to the fluidic element along the fluid path ,
  • liquid can be delivered without the driving force (the source of the electromagnetic fields) actually causing the driving force coming into direct contact with the fluid or fluid to be delivered.
  • the fluidic element has a bore or fluid passage through which the fluid to be delivered can flow.
  • the liquid channel is secured by a seal which is designed so that liquid through the liquid channel only in a predetermined direction can flow. This is the flow direction, so that when the piston or the fluid element is moved in the flow direction, ie relative to the fluidic device housing located in the fluid against the flow direction, the seal closes and the liquid located in front of the piston is displaced from the fluidic.
  • the valve opens and allows liquid to be newly delivered through the liquid channel to flow into the volume located in front of the fluidic element, so that upon subsequent movement of the fluidic element from the first to the second position, this liquid can be displaced or promoted.
  • the fluidic element only the movement of the fluidic element in the direction opposite to the direction of flow (from the 2nd to the 1st position) is achieved by electromagnetic force. If the relevant electromagnetic force is no longer applied, for example by a magnetic field being switched off, the fluidic element is moved by mechanical components, for example by a prestressed spring, along the fluid path from the first position to the second position.
  • the flow rate ie the amount of liquid delivered per unit time
  • the flow rate ie the amount of liquid delivered per unit time
  • the mechanical force for example the spring force
  • a check valve disposed in the fluid path within the fluidic device or the valve located on the fluidic element is already biased, ie, the force used to open the Valve is required, is increased by appropriate measures, so that liquid can be conveyed reliably even if the pressure of the fluid at Fluidikvor- direction input is greater than the pressure of the fluid at Fluidikvor therapiessausgang.
  • Some embodiments include a fluidic device and a drive device that is configured to be reversibly coupled to the fluidic device, wherein the drive device is configured separately from the fluidic device.
  • the drive device includes means for generating an electromagnetic force or electromagnetic field by which the fluidic element is moved from the second to the first position. Since the drive device, which has the comparatively expensive electromagnetic field generating and electromagnetic field monitoring electronics, is reversibly couplable to the fluidic device, a plurality of fluidic devices can be operated by only one drive device. In this case, the individual fluidic devices can be designed as low-cost, simple components.
  • the drive device or component of the drive device which causes the drive force, is physically separated from the fluid path and thus from the fluid to be delivered.
  • the fluidic device or drive device further comprises a detection device configured to determine the position of the fluidic element within the fluidic device.
  • the delivery rate per unit time can be determined at any time, or it can be detected whether the fluidic device runs within its specification and works without problems.
  • the detection device determines, for example, the per stroke promoted Volume and counting counts the number of strokes.
  • deviation from the normal operation state can be prevented by properly controlling the drive device based on the results of the detection order.
  • Fig. Ia an embodiment of a fluidic device
  • FIG. 1b shows a further embodiment of a fluidic device
  • Fig. Ic is a sectional view of the fluidic device of Fig. Ib;
  • FIG. 2 embodiments of fluidic elements
  • FIG. 3 shows embodiments of valves attached to the fluidic element
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of a valve attached to the fluidic element
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a valve attached to the fluidic element
  • Fig. 7a embodiments for in the Fluidikvorrich- and 7b direction attached check valves
  • FIG. 8a further exemplary embodiments for check valves mounted in the fluidic and 8b devices;
  • FIG. 9 shows an example of the dimensioning of flow resistances for achieving a predetermined delivery stroke;
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a fluidic system comprising a fluidic device and a drive device
  • FIG. 11 shows an alternative embodiment of a fluidic system
  • Fig. 13 shows another embodiment of a fluidic system.
  • FIG. 1 a shows a sectional view of an embodiment of a fluidic device for conveying a fluid from a fluidic device inlet 2 to a fluidic device outlet 4.
  • the fluidic device is shown on the one hand in a hatched representation for ease of understanding and on the other hand in a representation, in which only the contours of the individual elements are visible.
  • the fluidic device serves to convey fluid from the fluidic device inlet 2 to the fluidic device outlet 4, wherein the fluid within the fluidic device is conveyed in a flow direction 6 along a fluid path.
  • the fluid path consists, as explained in more detail in the following sections, of a series of different fluid path sections with varying cross sections. In the case of the fluidic device shown in FIG.
  • the fluidic device shown in Fig. Ia has a fluidic device housing 8, which is formed in several pieces in the example shown, if this is necessary for reasons of the geometry of the housing for assembly. In alternative embodiments, however, the fluidic device housing can also be made in one piece.
  • the fluid path formed by the fluidic device housing 8 is logically subdividable into a plurality of fluid path segments 10a-f. Due to the rotationally symmetric geometry of the fluidic device, the individual fluid path segments 10a to 10f are each formed of concentric cylindrical volumes which adjoin one another along the fluid path.
  • rotationally symmetric geometries are discussed in the example shown in FIG. 1 and with reference to the exemplary embodiments described below, rotational symmetry is not a mandatory prerequisite. Rather, it is also conceivable, for example, to use a fluid path or fluid path segments which have a square or rectangular cross section.
  • the fluid first flows through the fluid path segment 10a, which is adjoined in the flow direction by the fluid path segment 10b, which has a narrowed cross section.
  • the narrowing of the cross-section can be used to suitably dimension the dynamic properties, that is to say the pumping properties of the fluidic device, as will be explained in more detail below.
  • the fluid path segment 10c, which adjoins the fluid path segment 10b in the flow direction, is separated therefrom by a check valve 12, which ensures that fluid can only move in the flow direction 6 through the fluidic device.
  • Fluid path segment 10c has an expanded cross-section and serves to house a spring 14 used as a restoring device, which has a stop on the input side, and which rests on the opposite side of the input side of the fluid element to exert on this acting in the flow direction restoring force.
  • the spring 14 is installed in a prestressed state or is tensioned by movement of the fluidic element 16 counter to the flow direction 6.
  • the fluidic element is at least partially made of magnetizable material. That is, although it is indicated in Fig. 1 that the fluidic element is made in one piece, it is possible in further embodiments that the fluidic element 16 consists of several different lent material components. For example, it is conceivable that the fluidic element 16 is partially formed of magnetizable material and partly of dielectric material.
  • the fluidic element 16 further has a central bore designed as a liquid passage 18 which extends in the flow direction 6 through the entire fluidic 16, so that liquid can flow through the fluidic 16.
  • the fluidic element 16 itself is located in the fluid path segment 10 d, which has a diameter which is dimensioned such that the fluidic device housing 8 terminates fluidically with the outer diameter of the fluidic element 16. In other words, no liquid can flow past at the edges of the fluidic element 16.
  • the fluidic element 16 further has a seal 20, which has the function of a check valve, which allows fluid to flow only in the flow direction 6 through the fluidic 16.
  • the fluidic element 16 is thus freely movable within the fluid path segment 10 d, for example from a first position 22 defined by an input-side stop to a second position 24 defined by a first position output-side stop is defined, can be moved.
  • the fluidic element within the fluid path segment 10d is free to move. This means that it is not necessary to mechanically fix the fluidic element in a direction perpendicular to the fluid path with respect to the fluidic device housing. This considerably simplifies the construction of the fluidic device housing, so that this can be produced inexpensively in large numbers. Further, it thereby becomes possible to adjust the pumping characteristics substantially by the flow resistances along the fluid path within the fluidic device, without having to take into account any mechanical damping that might be generated by a fixation of the fluidic element with respect to the fluidic device housing.
  • Fluid path segment 10e has a restricted cross-section with fluid path segment 10d and, similar to fluid path segment 10b, may be used to adjust the dynamic pumping characteristics.
  • the fluidic device outlet 4 is formed by fluid path segment 10f.
  • the two flow-directionally-permeable valves 12 and 20 cooperate such that fluid can not escape on the inlet side, the fluid passing through the fluid channel 18 of the fluidic element through the fluid particles ment flows.
  • liquid is in a volume of the fluid path segment 10d located in the exit direction in front of the fluidic element 16 when the fluidic element 16 has completed its return movement, ie is at the first position 22. This state defines the beginning of a delivery stroke during which liquid is conveyed through the outlet 4.
  • the conveying speed that is, the liquid volume displaced by the fluidic element 16 per unit of time, is determined by the spring force and the flow resistance of the fluid path segment having the greatest flow resistance. In the case shown in Fig. Ia, this is fluid path segment 10b which has the smallest diameter. Since the spring force of the spring 14 is approximately constant over the entire path, the conveying speed, ie the speed with which the fluidic element 16 is moved, can be easily determined by the dimensioning of the components used, that is to say in particular the spring and set the maximum flow resistance (the smallest used diameter along the fluid path). This can be achieved by a simple geometric dimensioning of the components used, without, for example, a complicated electronic control for a drive motor would be required.
  • the fluidic element 16 is moved from the second position 24 to the first position 22 at the beginning of a delivery stroke. This can be achieved when the fluidic element 16 is at least partially made of a magnetizable material, for example by generating a magnetic field in the fluid path segment 10c and 10d, through which the fluidic element 16 is pulled to the first position 22 while simultaneously biasing the spring 14.
  • the magnitude of the electromagnetic force exerted on the fluidic element is decisive.
  • the flow resistance of the liquid channel 18, through which the displaced liquid must flow counteracts. Consequently, by suitable dimensioning of the flow resistance of the fluid channel 18, the speed of the return movement of the fluidic element 16 can be adjusted. If the flow resistance of the liquid channel 18 is low, an almost continuous operation of the fluidic device can be achieved, because then the return movement of the fluidic 16 is hardly hindered or attenuated so that it takes place extremely fast compared to the forward movement.
  • a conveying action during a delivery stroke can be achieved in an alternative embodiment of the invention even if the fluidic element has no valve 20. This is possible if the flow resistance of the throughflow opening is greater during a movement of the fluid element from the first 22 to the second 24 position than the flow resistance between the fluidic element and the fluidic device output 4. Such a configuration may in alternative embodiments of the invention itself without valve 20 a net pumping action can be achieved.
  • the check valve can be dispensed with if the flow resistance of the throughflow opening is smaller during a movement of the fluidic element from the second (24) to the first (22) position than the flow resistance between the fluidic element and the fluidic device input (4), so that liquid flows through the flow-through opening during the return movement.
  • a magnetic field generating device may be used as a driving device serving to apply the force required for retrieving the fluidic element 16 to the fluidic element 16.
  • These may be, for example, coils which are arranged outside the fluidic device and generate a magnetic field running parallel to the flow direction.
  • the drive device does not come into physical contact with the liquid to be delivered.
  • the drive device may be physically separate from the fluidic device so that a plurality of fluidic devices, possibly only once used, may be operated by only a single drive device. This has the advantage that the existing in the drive device Electronics, which is a costly component of a pumping system or a fluidic system, only needs to be generated once.
  • FIG. 1b shows a further exemplary embodiment of a fluidic device, which is based on the principle already discussed in detail with reference to FIG. 1a.
  • the fluidic element 16 is separated in FIG. 1 b into two functionally different regions (a drive region 16 a and a sealing region 16 b).
  • the two areas can both be formed in multiple pieces, that is, assembled from discrete individual components, as well as manufactured in one piece.
  • the drive region 16a facing the fluidic device inlet 2 serves to drive the fluidic element 16, ie it has all the devices and means which make it possible to drive the fluidic element 16 without contact.
  • the fluidic device outlet 4 facing the sealing region 16b of the fluidic element 16 serves to ensure the fluidic seal upon movement of the fluidic element from the first position 22 to the second position 24.
  • the geometric dimensioning of the sealing region 16 or of the fluid path segment 10g, within which the sealing region 16b of the fluidic element 16 is moved makes it possible to adapt the dynamic properties of the fluidic device to the most varied flow rates, by the Cross section of the sealing portion 16b is selected accordingly.
  • the appropriate dimensioning of the different cross sections along the fluid path reference is here made to the statements made in FIG. 1a.
  • the flow resistance which is initially determined by the flow resistance of the flow opening 18, which serves as a central bore through the drive region 16a and Sealing area 16b is executed.
  • additional channels 50a and 50b are provided in the drive region 16a in the exemplary embodiment shown in FIG. 1b, as can be seen from the sectional view AA 'shown in FIG.
  • the fluidic element 16 has channels or flow-through openings 50a and 50b which extend over the entire length, ie the axial extent, of the cylindrical sealing region 16b.
  • the geometric shape of the throughflow openings or of the channels 50a and 50b shown in FIG. 1c is to be understood merely as an example. These can also have any other geometric shape, for example, rectangular, if they are introduced by means of a milling cutter.
  • FIG. 1b Also shown in FIG. 1b is an active check valve as an alternative to the use of a passive valve.
  • the active valve comprises several functional components. These are on the one hand, the passive valve 12 and a support 80 a, which is arranged along the flow direction after the valve 12 and coupled with this mechanical.
  • the carrier 80a is made of magnetizable material and can be acted upon by an electromagnetic field with a force acting counter to the flow direction 6 force. By adjusting this force, the valve 12 can be biased, the force of the bias being adjustable within wide limits over the magnitude of the electric field.
  • the force on the carrier 80a may be generated from the same field that also serves to move the fluidic element 16.
  • a magnetizable guide member 80b is provided for this purpose, which directs the magnetic flux in the form of a yoke.
  • the support 80a can be pressed against the valve 12 with a predetermined, adjustable force so that it opens only when an adjustable force is reached. This makes it possible to adapt the dynamic properties of the fluidic device even more precisely to the conditions.
  • a fluidic device may also be used as a fluidic sensor.
  • the fluidic element may for example have a smaller diameter than the inner diameter of the housing.
  • FIG. 2 shows two ways in which the fluidic element 16 can be attached or arranged in a fluid-tight manner within the fluid path segment 10d.
  • the fluidic element is made with a diameter corresponding to the diameter of the fluid path segment 10d with minimal tolerance so that no gap is formed between the cylindrical diameter of the fluidic element 16 and the wall of the fluid path segment or fluidic device housing 8.
  • the diameter of the fluidic element 16 is smaller than the diameter of the fluidic device housing 8.
  • a groove 28 is milled into the fluidic element 16 into which an O-ring 30 is inserted, which ensures the seal between the fluidic 16 and the wall of the Fluidikvoriquessgephaseuses 8.
  • piston rings may also be used.
  • the seal can be done by a very precise storage of the piston, in which the remaining, annular gap, between the piston and the housing wall is not greater than, for example, about 10 microns.
  • one or more O-rings may be used, as outlined in FIG. 2 below.
  • O-rings instead of O-rings also piston rings can be used.
  • FIG. 3 shows some embodiments of a seal 20 or of valves 20 that can be used to seal the fluid element 16 during the delivery stroke.
  • the fluidic element 16 is partially shown in a 3-dimensional perspective view and in a sectional view.
  • Fig. 3 above shows the possibility of using a flap cap seal 40 attached to a base of the cylindrical fluidic element 16.
  • The, for example made of rubber, flap cover seal 40 has a central cover portion 42 which is connected via two webs 44a and 44b with an edge region of the flap cover seal 40.
  • the flap lid 42 with the exception of the two webs 44a and 44b from the rest of the flap cover gasket 40 completely separated by a circumferential groove.
  • the flap lid 42 can lift under a force in the direction of flow 6, so that the liquid can flow in the flow direction 6 through the liquid channel 18 of the fluidic.
  • the flexibility of the webs 44a and 44b may be selected, for example, such that only the pressure of the liquid acting on the flap lid 42 by the return movement of the fluidic element 16 is sufficient to open the flap cover gasket 40.
  • the flap cover gasket 40 closes automatically when a pressure against the flow direction 46 acts on the flap cover gasket 40.
  • the contact surface of the flap cover 42 on the fluidic element 16 can be minimized so that a greater contact force is achieved with the same pressure.
  • the cross-diaphragm 50 shown in Fig. 3 bottom left has the same operation as the flap cover seal 40. The only difference is that the central opening membrane part 50 of the cross-membrane of four webs 52a to 52d, which are arranged in a cross shape, with the rest of the cross-membrane 50 is connected.
  • the flap lid seal attached to the end face of the piston forms a valve with the piston, so that the medium can only flow in one direction.
  • This mode of operation is comparable to that of a check valve, so that the medium can only flow in the direction of flow through the liquid channel 18 of the fluidic element 16.
  • the seal is also airtight to ensure good self-priming of the fluidic system when used as a pump.
  • the piston on the front side on small annular grooves, which serve to increase the surface pressure of the sealing part of the flap cover seal and the cross-diaphragm seal.
  • the opening and closing times of the valve can be set in a simple manner via the material thickness, the web width or the Shore hardness of the material used to produce the seal.
  • the seal operated with the function of a check valve serves to increase the flow resistance against the direction of flow when the fluid element moves from the first position 22 into the second position 24 to approximately infinity. hen. When the return movement of the fluidic element, however, this remains small, since the seal used then opens automatically.
  • a cylindrical fluid channel 18 is not a prerequisite for the successful application of the inventive concept. Rather, a liquid channel 18 with a different cross section can also be used.
  • a general advantage of axial bores is that they have a low flow resistance.
  • Fig. 4 shows an alternative embodiment of a fluidic element 16 with integrated valve, which has a check valve corresponding action.
  • the valve is formed by an arrangement of a spring 60 and a ball 62, wherein the ball is loaded by the spring and is pressed against a matched to the diameter of the ball 62 ball seat 64.
  • the spring 60 and the ball 62 are arranged, for example, within a stepped bore 66 in the fluidic element.
  • the spring 60 is supported, for example, by a stop 68 introduced into the fluidic element 16.
  • the valve formed by the ball 62 and the ball seat 64 opens and allows fluid to flow in the direction of flow 6 the fluidic element 16 flows.
  • the force exerted by the spring 60 on the ball 62 force is additionally reinforced by the fluid pressure, so that the sealing effect of the valve shown in Fig. 4 is still improved.
  • the piston shown in FIG. 4 or the fluidic element shown in FIG. 4 has an axial stepped bore, one step serving as a sealing seat or stop for a further movable element located in the bore.
  • the movable element is z. B.
  • the movable sealing element can be significantly smaller in diameter than the bore, in order to achieve the smallest possible flow resistance.
  • the inertia of the movable sealing element reinforces the sealing effect in addition to the spring force when the piston or the fluidic element 16 moves along the flow direction 6.
  • Figures 5a to 5d show further embodiments of seals associated with the fluidic element 16 wherein the seals are biased so that the pressure applied to the seal needed to open the seal is opposite that shown in Figs 4 discussed embodiments is increased.
  • 5 a to c show examples of fluidic elements 16 in a sectional view, while FIG. 5 d shows a possibility of implementation by means of a special sealing element.
  • the seal or the check valve is mechanically biased, so that the opening pressure required for opening the valve or the seal is increased.
  • This can be used to adjust the dynamic properties of the system so as to cause, for example, an extension of the return movement of the fluidic element 16.
  • the fluidic system when used as a pump, can still provide controlled delivery even when the fluid reservoir located at the fluidic device inlet has a higher static pressure than the outlet of the fluidic device.
  • the seal 20 of the fluidic device and / or the check valve 12 of the fluidic device withstand the overpressure at the inlet to ; prevent the valves from opening and the fluid from flowing through the fluidic device regardless of the delivery strokes made by the fluidic element.
  • the diaphragm 50 of the cross-diaphragm seal described in FIG. 3 is prestressed by forming pins 70 projecting from the fluidic element 16 out of the material of the fluidic element 16 which blocks the cross-diaphragm against the restoring action of the cross-diaphragm webs 52 a to 52 d ahead steer.
  • Fig. 5b shows an example of how the opening force for a flap cover gasket can be increased by deflecting the flap cover gasket or flap cover 42 of the flap cover gasket against the restoring force of the webs 44a and 44b. This is achieved by attaching asymmetrically shaped pegs 72a and 72b to the fluidic element 16 which provide for pilot deflection of the flap cap seal.
  • a flap lid seal it must be noted that the elements causing the deflection must be shaped in such a way that the flap lid seal closes tightly with the fluidic element 16 in the pre-steered state. Contrary to the case shown in FIG. 5a, these elements can therefore not be symmetrical.
  • Fig. 5d shows an embodiment of a seal in which the bias is achieved by the shape of the gasket itself by having in the central region a protruding structure 74 which is comparable to a nose and that leads to a forward deflection of the seal when the nose is placed on a solid abutment.
  • the seals presented by way of example in FIG. 3 can thus be biased in different words by various measures. This can be achieved, for example, by means of a pin protruding at the end face of the piston or fluid element 16, which biases the flap cover of the flap cover gasket or the cross-membrane.
  • the preload force can be varied by the pin height, the material thickness, the material hardness and the web widths of the seals.
  • the biasing force of the spring can be selected accordingly, which can be done on the one hand on the variation of the spring stiffness and on the other via the variation of the forward steering.
  • a gasket may be made having a protruding nose from the gasket surface so that the bias is directly generated by the gasket in question itself.
  • FIG. 6 shows, in a cutaway view of the fluidic device shown in FIG. 1, a further possibility of achieving a prestressing of the seal 20 of the fluidic element 16.
  • the bias voltage is achieved in that an additional biasing spring 80 which is mounted on an abutment 82, against the flow direction 6 presses on the sealing element 20 of the fluidic 16.
  • a variation of the bias voltage can, as just discussed with reference to FIG. 5 case, be achieved via a change in the spring hardness or the bias of the spring.
  • an additional mechanical spring which is supported on a stop on the fluidic device outlet, presses against the sealing membrane 20 of the piston valve (for example flap cover or cross-diaphragm).
  • the sealing membrane 20 of the piston valve for example flap cover or cross-diaphragm.
  • the minimum preload force results from the required dynamic boost pressure. Due to the boost pressure, a safe closing of the check valve at the fluidic device inlet is to be achieved during the return movement of the piston, even at negative delivery heights.
  • negative delivery heights mean that the fluid level of the medium flowing through is higher at the inlet of the fluidic device than at the outlet of the fluidic device. For example, up to 0.2 bar pre-pressure can be compensated.
  • the mechanical preloading of the valve 20, as illustrated with reference to FIGS. 5a to 5c and 6, makes it possible, in particular, to use embodiments of fluidic devices for measuring or determining the flow of a fluid through the fluidic device.
  • This can be dispensed with a drive device.
  • the fluidic element 16, or the force required to open the valve 20 of the fluidic element 16 is dimensioned such that when the fluid is flowing through the fluidic device, the seal remains closed and the fluidic element 16 is thus driven by the fluid flow moved first position 22 to the second position 24. If it is detected by an external detector that the fluidic element 16 has arrived at the second position 24, this information can be used to move the fluidic element back from the second position to the first position. If the valve is suitably biased, the additional back pressure of the fluid generates a force high enough to open the valve 20, so that the number of fluid cycles per unit of time, ie, the stroke frequency, is used to calculate the amount of fluid flowing through the fluidic device can.
  • FIGS. 7a and 7b show an enlarged detail of a fluidic device already discussed with reference to FIG. direction and, in particular, the fluidic device inlet 2 with the two first fluid path segments 10a and 10b and the check valve 12 adjoining the fluid path segment 10b.
  • FIGS. 7a and 7b merely show sectional enlargements of the two previously discussed implementations with flap lid gasket 12a (FIG. 7a) and cross-diaphragm seal 12b (FIG. 7b), reference should be made to the explanations of the preceding figures with respect to the operation of the components shown in FIGS. 7a and 7b.
  • the check valve 12 which may be made of rubber, for example, can be inserted, glued or fixed in a recess in the housing.
  • the seal placed over the bore (fluid path segment 10b) in the housing acts like a check valve.
  • This check valve 12 seals in some embodiments, even at very low pressure difference airtight.
  • the opening and closing times of the valve can be adjusted via the material thickness and the web widths of the hinged lid or the cross-diaphragm.
  • the opening and closing pressure can be influenced by the material thickness, the web width of the webs of the seals and the Shore hardness of a possibly used sealing rubber.
  • FIGS. 8a and 8b show in a sectional view the detail enlargements already discussed with reference to FIGS. 7a and 7b in a sectional view, the possibility additionally being illustrated in FIGS. 8a and 8b also of the check valves 12a and 12b at the inlet of the fluidic bias device by means of suitable material tabs 14a and 14b, so that the pressure required to open the valve is increased.
  • suitable material tabs 14a and 14b so that the pressure required to open the valve is increased.
  • the flap-end diskless 12b and the cross-diaphragm 12a are slightly biased by means of a protruding pin 14a and 14b on the fluidic device housing 8, respectively.
  • the pin surface 14b should be inclined in accordance with the setting angle in order to ensure complete seating of the flap lid 12b.
  • the biasing force on the pin height, the material thickness, the material hardness and the web widths of the seals vary.
  • a secure closing of the check valve at the fluidic device inlet can also be achieved at negative delivery heights.
  • the duty cycle is defined as the difference between the duration of a forward movement 80 and a return movement 82 in relation to the sum of the times required for both movements.
  • a duration 80 of the forward movement can be adjusted via the flow resistance of the fluid path segment with maximum flow resistance used (ie via the diameter and the length of the flow channel), assuming that the spring tension remains constant , Due to the approximately constant restoring force of the spring or the approximately constant flow velocity fluidity prevails in the fluidic device during a forward motion, a continuous, nearly constant fluid flow.
  • the fluidic system can be operated in a clocked manner so that a quasi-continuous fluid flow can be realized.
  • a delivery stroke or forward movement of the fluidic element it is often necessary for a delivery stroke or forward movement of the fluidic element to occur at least every ten seconds.
  • the return movement of the fluidic element is very short compared to the delivery stroke due to the low flow resistance of the fluidic element with the fluid channel.
  • FIG. 10 shows an exemplary embodiment of a fluidic system that includes a non-contact driveable fluidic device 100 and a drive device 110.
  • the fluidic device 100 is, for example, the fluidic device described with reference to FIG. 1.
  • the fluidic system further includes the drive device 110, which is configured to move the fluidic element 16 from the second position 24 to the first position 22.
  • the fluidic element 16 is located at the first position 22, ie immediately at the beginning of a delivery stroke.
  • the fluidic device shown in FIG. 10 merely serves to illustrate the interaction between the fluidic device and the drive device 110, so that a further discussion of the fluidic device 100 shown only schematically at this point in favor of a thorough discussion of the drive device 110 is dispensed with.
  • the drive device 110 and the fluidic device 100 are, as can be seen in FIG. 10, configured in such a way that both are constructed separately from each other and reversibly coupled to one another.
  • the drive device 110 consists, for example, of two collapsible halves 112a and 112b which, when folded together, form an internal volume which corresponds to the volume of the fluidic device 110, so that this can also be completely introduced into the drive device 110.
  • the drive device is designed to move the fluidic element 16 from the second position 24 to the first position 22. This is achieved in the embodiment shown in FIG.
  • the fluidic device 100 and the drive device 110 can be coupled to each other in any reversible manner.
  • the more expensive drive device only needs to be manufactured or purchased once.
  • By means of a drive device an arbitrary number of fluidic devices can be successively operated. Complete sterility using sterilized fluidic devices can be readily ensured by the fluidic system as illustrated in FIG. 10.
  • the coil 114 shown schematically in FIG. 10 for generating a magnetic field as a drive or as a cause for the restoring force acting on the fluidic element 16 is only one example of a very wide variety of implementations. Any other restoring force applying drive devices may be used. This may be, for example, an electrostatic force exerted on the fluidic element 16 by electrodes disposed at the position of the coil 114. Further, with sufficient mass of the fluidic element 16, a restoring force or force causing the fluidic element 16 to move from the second position 24 to the first position 22 may also be the inertial force. To achieve this, it is possible to move the drive device with high acceleration in the flow direction 6, so that by the inertia of the fluidic 16 this in the first position 22 is moved, from which a renewed movement in the flow direction can take place.
  • FIG. 10 makes it possible in a simple manner to integrate a detection device into the drive device, which makes it possible to detect the deflection or movement of the fluidic element 16.
  • FIGS. 11 to 13 schematically describe various possibilities for carrying out such a detection.
  • a detection device 116 is formed by an additional coil 118 and an evaluation device 120 connected to the coil, which surrounds the path covered by the fluid element 16 along the fluid path.
  • the at least partially made of a magnetizable or electrically conductive material fluid element 16 induces a voltage in the coil 118 during its movement or changes the inductance of the coil 118.
  • the inductance or voltage change is determined by the evaluation device 120, which also due to a theoretical model or a pre-performed calibration, the position or movement speed of the fluidic element 16, based on the measured quantities, can determine.
  • an additional coil 118 is not necessarily required. Rather, the inductance Change or voltage change to the coil 114, which generates the restoring force are read out directly, so as to be able to dispense with the use of an additional coil 118 if necessary.
  • FIG. 12 shows a further example of how a detection device 116 can be configured which determines a position of the fluidic element 16.
  • the detection device 116 consists of an electrode arrangement consisting of the electrodes 122a and 122b, which form a capacitance, which in turn is detected by a capacitance measuring device located within an evaluation device 120.
  • the capacitance measured between the electrodes changes.
  • This effect can additionally be influenced by the fact that the fluidic element 16 at least partially consists of a dielectric with a high dielectric constant. From the measured capacitance between the electrodes 122a and 122b, a suitable evaluation device can close the position of the fluidic element 16, so that the operation of the fluidic device can be monitored in this way.
  • FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of a detection device 116, which comprises one or more light sources 130 and a spatially resolving light sensor arrangement 132.
  • the light sensor arrangement 132 is connected to the evaluation device 120 so that a change in intensity that results on the light sensor arrangement 132 when the fluid element 16 is moved into the sensitive area of the light sensor arrangement 132 can be used by the evaluation unit 120 to determine the current one Position of the fluidic element 16 and the piston 16 to determine.
  • further measures are conceivable which serve to determine the position of the piston.
  • a small magnetic field can be generated within the yoke via a small coil additionally mounted on the yoke.
  • the changing magnetic field induces a voltage.
  • This voltage Ui n d is dependent inter alia on the magnetic resistance of the magnetic circuit.
  • This magnetic resistance in turn, depends on, among other things, the position of the piston. In this way, could also monitor whether the piston has driven the entire hub and whether he z. B. got stuck.
  • An electronic evaluation unit can be used to calculate the piston speed at any time and to count the number of movements in the flow direction. From this it is possible to calculate directly the amount of fluid that has flowed through the fluidic device.
  • the piston or the material of the piston can be suitably changed in order to simplify the optical detection of the surface of the piston.
  • markings with strong light-dark contrasts can be attached to the outer diameter of the fluidic element 16.
  • the degree of reflection or the degree of absorption of the fluidic element can be influenced by suitable choice of the material.
  • the fluidic device according to the invention or the fluidic system according to the invention can be used in many other technical fields.
  • they are suitable for chemically corrosive or dangerous (explosive, toxic) liquids because the actual drive device is physically separate from the fluidic device. This minimizes the possibility of leaks and ensures maximum safety.
  • the materials used for the fluidic element can be freely adapted to the required conditions within wide limits. If, for example, a magnetic drive is to be used, the fluidic element is at least partially made of magnetizable material, for example of ferromagnetic or paramagnetic material. For an electrostatic drive electrically conductive materials could be used. In addition, the fluidic element may be partially formed of dielectric materials if required to detect the position of the fluidic element 16 along the fluidic path or increase detection accuracy.
  • the restoring force that is, the force that moves the fluidic element 16 during the delivery stroke
  • this type of force generation is not the only one possible.
  • the force which moves the fluidic element 16 can also be generated in the delivery stroke, that is to say during the movement from the first position 22 to the second position 24.
  • the fluidic device housing 8 may be made of a variety of materials. For example, come thermally moldable plastics or chemically resistant materials into consideration. If necessary, it should be ensured that the electrostatic forces or the electromagnetic fields which may be required to drive the fluidic element 16 can penetrate into the fluidic device housing so that they can act on their force acting on the fluidic element 16.

Abstract

A fluidic device for conveying or determining the quantity of a liquid flowing from a fluidic device inlet (2) to a fluidic device outlet (4) along a fluid path running in a direction of flow (6) has a fluidic element (16) which is movable within the fluid path between a first position to a second position located in the direction of flow (6) downstream of the first position, and a fluidic device housing (8) enclosing the fluid path. The fluidic element (16) has a through flow opening (18) which has a first flow resistance when the fluidic element (16) moves from the first position (22) into the second position (24) and which has a second flow resistance differing from the first flow resistance when the fluidic element (16) moves from the second position (24) into the first position (22). The fluidic element (16) and the fluidic device housing (8) are designed in such a manner that the fluidic element is movable from the second position (24) to the first position (22) by means of a contactless drive.

Description

Fluidikvorrichtung für kontrolliertes Handhaben von Flüssigkeiten und Fluidiksystein mit einer Fluidikvorrichtung Fluidic fluid controlled fluid handling device and fluidic fluid device having a fluidic device
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidikvorrichtung und ein Fluidiksystem, mittels dessen ein Fluid gefördert und zusätzlich oder alternativ eine durch eine Fluidikvorrichtung strömende Flüssigkeitsmenge bestimmt werden kann.The present invention relates to a fluidic device and a fluidic system, by means of which a fluid can be conveyed and additionally or alternatively a quantity of fluid flowing through a fluidic device can be determined.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Pumpen bzw. Fluidiksystemen bekannt, die zum Fördern von Fluiden ge- nutzt werden können. Die Baugrößen der Pumpen variieren dabei von mikrotechnisch hergestellten Pumpen geringster Förderleistung bis zu sehr großen Pumpen mit hohen Pumpenleistungen, die beispielsweise in Kraftwerken zum Einsatz kommen .The prior art discloses a multiplicity of pumps or fluidic systems which can be used for conveying fluids. The sizes of the pumps vary from micromachined pumps of the lowest flow rate to very large pumps with high pump capacities, which are used, for example, in power plants.
Bei den zum Stand der Technik gehörigen Pumpen handelt es sich überwiegend um komplexe Konstruktionen, welche die den Flüssigkeitstransport hervorrufende Struktur, einen Antrieb und gegebenenfalls eine Steuer- oder Regeleinrichtung enthalten. Nachteilig an der hohen Komplexität der bekannten Pumpen sind die hohen Herstellungskosten, welche die Anwendung solcher Pumpen für Einmalanwendungen nahezu ausschließen. Darüber hinaus verringert sich die Zuverlässigkeit, wenn viele komplexe mechanische und elektronische Komponenten zusammenwirken müssen.The pumps belonging to the state of the art are predominantly complex constructions which contain the structure which causes the liquid transport, a drive and optionally a control or regulating device. Disadvantages of the high complexity of the known pumps are the high production costs, which virtually preclude the use of such pumps for single-use applications. In addition, reliability is reduced when many complex mechanical and electronic components need to work together.
Ein großes Problem stellt darüber hinaus dar, dass üblicherweise die im Stand der Technik verwendeten Pumpen Hilfsstoffe, wie beispielsweise Schmieröle oder Fette, für deren Antrieb bzw. die Aufrechterhaltung des Antriebs benötigen. Diese Hilfsstoffe können dabei entweder im normalen Betrieb oder bei Vorliegen einer geringen Störung mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt geraten und dieses somit verunreinigen. Die im Stand der Technik bekannten Pumpen werden überwiegend mechanisch angetrieben, wie beispielsweise bei einer Stößelstange einer herkömmlichen Kolbenpumpe. Der mechanische Antrieb ist üblicherweise ebenfalls gefettet bzw. geschmiert, so dass bei Versagen einer Dichtung, die zwischen dem mechanischen Antrieb und dem Fluid angeordnet ist, das zu fördernde Fluid leicht verunreinigt werden kann.In addition, a major problem is that usually the pumps used in the prior art require auxiliaries, such as lubricating oils or greases for their drive or the maintenance of the drive. These auxiliaries can either come into contact with the fluid to be delivered during normal operation or in the presence of a slight disturbance, and this thus contaminate. The known in the art pumps are predominantly driven mechanically, such as in a push rod of a conventional piston pump. The mechanical drive is also usually lubricated so that if a seal fails between the mechanical drive and the fluid, the fluid being pumped can be easily contaminated.
Äquivalente Überlegungen lassen sich anstellen, wenn es darum geht, den Durchfluss einer Flüssigkeit durch einen Durchflussmesser zu bestimmen. Auch dort sind, beispielsweise bei Flügelradzählern oder dergleichen, typischerweise Wellen oder mechanische Elemente von dem Flüssigkeitsvolu- men nach außen geführt, über die sich eine Verunreinigung der Flüssigkeit ergeben kann. Allgemein können Systeme, die sowohl zum Fördern, also zum Pumpen einer Flüssigkeit dienen, als auch Systeme, die zum Nachweis eines Flüssigkeitsstroms bzw. einer Flüssigkeitsmenge, die durch ein Bauelement strömt, unter dem Begriff „Fluidikvorrichtungen" zusammengefasst werden.Equivalent considerations can be made when determining the flow rate of a fluid through a flowmeter. There, too, for example in the case of vane meters or the like, waves or mechanical elements are typically led outward from the volume of liquid over which contamination of the liquid can result. In general, systems which both serve to convey, ie, to pump, a liquid, and systems which are used to detect a flow of liquid or a quantity of liquid flowing through a device can be summarized by the term "fluidic devices."
Insbesondere bei medizinischen Anwendungen verbietet es sich, Pumpen bzw. Pumpelemente oder Durchflussmesser zu verwenden, welche auch nur die geringste Wahrscheinlichkeit der Kontamination der zu fördernden Flüssigkeit, wie beispielsweise eines medizinischen Serums, aufweisen. Bei medizinischen Anwendungen ist aufgrund der hohen Hygiene oft gefordert, dass ein zu verwendendes, vom Fluid durch- strömtes Element lediglich ein einziges Mal verwendet wird, um die Sterilität sicherzustellen.In particular, in medical applications, it is impossible to use pumps or pumping elements or flow meters, which have even the lowest probability of contamination of the liquid to be delivered, such as a medical serum. In medical applications, because of the high level of hygiene, it is often required that a fluid-flow element to be used be used only once to ensure sterility.
Es besteht folglich ein Bedarf nach einer Fluidikvorrich- tung und einem Fluidiksystem, die in medizinischen und verfahrenstechnischen Anwendungen oder in Einmalanwendungen einsetzbar sind. Dieser Bedarf wird durch eine Fluidikvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, einen Fluidiksensor gemäß Anspruch 31 und durch ein Fluidiksystem gemäß Patentanspruch 34 gelöst.There is thus a need for a fluidic device and a fluidic system that can be used in medical and process engineering applications or in single use applications. This need is solved by a fluidic device according to claim 1, a fluidic sensor according to claim 31 and by a fluidic system according to claim 34.
Bei einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Fluidikvorrichtung zum Fördern einer Flüssigkeit verwendet, die dazu dient, entlang eines Fluidweges Flüssigkeit von einem Fluidikvorrichtungseingang zu einem Fluidikvorrich- tungsausgang zu fördern. Das Fördern der Flüssigkeit wird mittels eines Fluidikelements erreicht, das entlang des Fluidweges zwischen einer ersten und einer zweiten Position beweglich ist. Der Fluidweg wird von einem Fluidikvorrich- tungsgehäuse umschlossen, welches das Fluidikelement fluidisch dicht umschließt, so dass Flüssigkeit gefördert werden kann, wenn das Fluidikelement von der ersten Position zu der zweiten Position bewegt wird.In some embodiments of the invention, a fluidic device is used to deliver a liquid which serves to convey fluid along a fluid path from a fluidic device inlet to a fluidic device outlet. The delivery of the liquid is achieved by means of a fluidic element which is movable along the fluid path between a first and a second position. The fluid path is enclosed by a fluidic device housing, which fluidly encloses the fluidic element so that fluid can be delivered when the fluidic element is moved from the first position to the second position.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Fluidikelement im Fluidweg frei beweglich angeordnet. Das Fluidikelement ist mit dem Fluidikvorrichtungsgehäuse mechanisch nicht verbunden. Es besteht folglich keine direkte mechanische Verbindung mit dem Fluidikvorrichtungsgehäuse, durch die eine Bewegung des Fluidikelements eingeschränkt wird. Mit anderen Worten ist das Fluidikelement in einer zur Strömungs- richtung senkrechten Richtung nicht mechanisch mit dem Fluidikvorrichtungsgehäuse verbunden.In some embodiments, the fluidic element is arranged to be freely movable in the fluid path. The fluidic element is not mechanically connected to the fluidic device housing. Consequently, there is no direct mechanical connection with the fluidic device housing, by which movement of the fluidic element is restricted. In other words, the fluidic element is not mechanically connected to the fluidic device housing in a direction perpendicular to the flow direction.
Bei weiteren Ausführungsbeispielen wird das Fluidikelement verwendet, um eine Durchflussmenge bzw. ein Volumen einer die Fluidikvorrichtung durchströmenden Flüssigkeit zu messen oder zu bestimmen. Dazu kann das Fluidikelement mit einem Ventil ausgestattet sein, welches eine ÖffnungskraftIn other embodiments, the fluidic element is used to measure or determine a flow rate or volume of a fluid flowing through the fluidic device. For this purpose, the fluidic element can be equipped with a valve which has an opening force
(beispielsweise, weil eine Dichtung mechanisch vorgespannt ist) erfordert, die größer ist, als eine von der durch die Fluidikvorrichtung strömenden Flüssigkeit verursachte Kraft auf das Ventil. Das Ventil bleibt somit geschlossen, wenn sich das Fluidikelement in Strömungsrichtung von der ersten Position zur zweiten Position bewegt. Wird das Fluidikele- ment an der zweiten Position detektiert, wird es von der zweiten Position wieder in die erste Position bewegt. Dabei ist die Vorspannung des Ventils derart gewählt, dass ein durch die Flüssigkeit verursachter Staudruck eine Kraft auf das Ventil ausübt, die größer ist als die zum Öffnen des Ventils erforderliche Kraft, so dass sich das Fluidikele- ment relativ zur Flüssigkeit an die erste Position bewegen kann. Werden solche Bewegungszyklen mehrfach durchgeführt, ist die Anzahl der Hubvorgänge bzw. der Bewegungen von der zweiten zur ersten Position unmittelbar ein Maß dafür, welches Volumen an Flüssigkeit durch die Fluidikvorrichtung geströmt ist.(For example, because a gasket is mechanically biased) requires greater than a force on the valve caused by the liquid flowing through the fluidic device. The valve thus remains closed when the fluidic element moves in the flow direction from the first position to the second position. If the fluid ment detected at the second position, it is moved from the second position back to the first position. The bias of the valve is selected such that a dynamic pressure caused by the fluid exerts a force on the valve which is greater than the force required to open the valve, so that the fluid element moves relative to the fluid to the first position can. If such movement cycles are performed multiple times, the number of strokes or the movements from the second to the first position is directly a measure of what volume of liquid has flowed through the fluidic device.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist das Fluidikelement zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Material hergestellt, so dass das Fluidikelement durch Ausüben einer elektromagnetisch hervorgerufenen Kraft auf das Fluidikelement entlang des Fluidwegs von der ersten Position in die zweite Position oder von der zweiten Position in die erste Position bewegt werden kann. Bei Einsatz einer solchen Fluidikvorrichtung kann Flüssigkeit gefördert werden, ohne dass die eigentlich die Antriebskraft hervorrufende Antriebsquelle (die Quelle der elektromagnetischen Felder) in direktem Kontakt mit dem zu fördernden Fluid bzw. der zu fördernden Flüssigkeit kommt. Weiterhin ist vorstellbar, das Fluidikelement durch eine gezielte beschleunigte Bewegung des Fluidikvorrichtungsgehäuses relativ zu diesem zu bewegen, weil das Fluidikelement aufgrund seiner Massenträgheit in seinem Bewegungszustand verharren will. Dies kann beispielsweise durch eine periodische Bewegung oder durch Stoßvorgänge geschehen.In some embodiments, the fluidic element is at least partially made of a magnetizable material so that the fluidic element can be moved from the first position to the second position or from the second position to the first position by applying an electromagnetically induced force to the fluidic element along the fluid path , With the use of such a fluidic device, liquid can be delivered without the driving force (the source of the electromagnetic fields) actually causing the driving force coming into direct contact with the fluid or fluid to be delivered. Furthermore, it is conceivable to move the fluidic element by means of a targeted accelerated movement of the fluidic device housing relative thereto, because the fluidic element wishes to remain in its state of motion due to its inertia. This can be done for example by a periodic movement or by shock processes.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Fluidikelement eine Bohrung bzw. einen Fluidkanal auf, durch welchen das zu fördernde Fluid strömen kann. Bei weiteren Ausführungsbeispielen ist der Flüssigkeitskanal von einer Dichtung gesichert, die so ausgeführt ist, dass Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal nur in einer vorbestimmten Richtung fließen kann. Dies ist die Strömungsrichtung, so dass, wenn der Kolben bzw. das Fluidikelement in Strömungsrichtung bewegt wird, also relativ zum im Fluidikvorrichtungsgehäuse befindlichen Fluid entgegen der Strömungsrichtung, die Dichtung schließt und die vor dem Kolben befindliche Flüssigkeit von dem Fluidikelement verdrängt wird. Wird der Kolben hingegen entgegen der Strömungsrichtung bewegt, öffnet das Ventil und ermöglicht, dass durch den Flüssigkeitskanal neu zu fördernde Flüssigkeit in das vor dem Fluidikelement befindliche Volumen strömt, so dass bei einer darauf folgenden Bewegung des Fluidikelements von der ersten zu der zweiten Position diese Flüssigkeit verdrängt bzw. gefördert werden kann.In some embodiments, the fluidic element has a bore or fluid passage through which the fluid to be delivered can flow. In further embodiments, the liquid channel is secured by a seal which is designed so that liquid through the liquid channel only in a predetermined direction can flow. This is the flow direction, so that when the piston or the fluid element is moved in the flow direction, ie relative to the fluidic device housing located in the fluid against the flow direction, the seal closes and the liquid located in front of the piston is displaced from the fluidic. On the other hand, when the piston is moved counter to the flow direction, the valve opens and allows liquid to be newly delivered through the liquid channel to flow into the volume located in front of the fluidic element, so that upon subsequent movement of the fluidic element from the first to the second position, this liquid can be displaced or promoted.
Bei einigen Ausführungsbeispielen wird lediglich die Bewegung des Fluidikelements in der Richtung entgegengesetzt der Strömungsrichtung (von der 2. zu der 1. Position) durch elektromagnetische Krafteinwirkung erzielt. Wird die betreffende elektromagnetische Kraft nicht mehr aufge- bracht, indem beispielsweise ein Magnetfeld abgeschaltet wird, wird das Fluidikelement durch mechanische Komponenten, beispielsweise durch eine vorgespannte Feder, entlang des Fluidwegs von der ersten Position zur zweiten Position bewegt. Dabei kann die Fördermenge, also die pro Zeitein- heit geförderte Flüssigkeitsmenge auf einfache Weise eingestellt werden, indem die auf das Fluidikelement wirkende mechanische Kraft (beispielsweise die Federkraft) relativ zu dem Strömungswiderstand am Ausgang oder Eingang der Fluidikvorrichtung geeignet dimensioniert wird. Ist bei- spielsweise der Strömungswiderstand hoch, ist die Fördermenge pro Zeiteinheit gering, ein einzelner Förderhub dauert also, bei geringer Fördermenge, eine vergleichsweise lange Zeit.In some embodiments, only the movement of the fluidic element in the direction opposite to the direction of flow (from the 2nd to the 1st position) is achieved by electromagnetic force. If the relevant electromagnetic force is no longer applied, for example by a magnetic field being switched off, the fluidic element is moved by mechanical components, for example by a prestressed spring, along the fluid path from the first position to the second position. In this case, the flow rate, ie the amount of liquid delivered per unit time, can be adjusted in a simple manner by suitably dimensioning the mechanical force (for example the spring force) acting on the fluidic element relative to the flow resistance at the outlet or inlet of the fluidic device. If, for example, the flow resistance is high, the flow rate per unit time is low, so a single delivery stroke takes a comparatively long time with a small flow rate.
Bei einigen Ausführungsbeispielen ist ein im Fluidweg innerhalb der Fluidikvorrichtung angeordnetes Rückschlagventil bzw. das am Fluidikelement befindliche Ventil bereits vorgespannt, d. h. die Kraft, die zur Öffnung des Ventils erforderlich ist, ist durch geeignete Maßnahmen erhöht, so dass Flüssigkeit auch dann zuverlässig gefördert werden kann, wenn der Druck der Flüssigkeit am Fluidikvor- richtungseingang größer ist als der Druck der Flüssigkeit am Fluidikvorrichtungsausgang.In some embodiments, a check valve disposed in the fluid path within the fluidic device or the valve located on the fluidic element is already biased, ie, the force used to open the Valve is required, is increased by appropriate measures, so that liquid can be conveyed reliably even if the pressure of the fluid at Fluidikvor- direction input is greater than the pressure of the fluid at Fluidikvorrichtungsausgang.
Einige Ausführungsbeispiele umfassen ein Fluidikvorrichtung sowie eine Antriebsvorrichtung, die derart ausgebildet ist, dass sie mit der Fluidikvorrichtung reversibel koppelbar ist, wobei die Antriebsvorrichtung getrennt von der Fluidikvorrichtung aufgebaut ist. Die Antriebsvorrichtung weist bei einigen Ausführungsbeispielen Einrichtungen auf, um eine elektromagnetische Kraft bzw. das elektromagnetische Feld zu erzeugen, mittels dessen das Fluidikelement von der zweiten in die erste Position bewegt wird. Da die Antriebsvorrichtung, die die vergleichsweise kostenintensive Elektronik zur Erzeugung des elektromagnetischen Feldes und zur Überwachung bzw. Steuerung des elektromagnetischen Feldes aufweist, reversibel mit der Fluidikvorrichtung koppelbar ist, kann eine Vielzahl von Fluidikvorrichtungen mittels nur einer Antriebsvorrichtung betrieben werden. Dabei können die einzelnen Fluidikvorrichtungen als kostengünstig herzustellende, einfache Bauelemente ausgeführt werden.Some embodiments include a fluidic device and a drive device that is configured to be reversibly coupled to the fluidic device, wherein the drive device is configured separately from the fluidic device. The drive device, in some embodiments, includes means for generating an electromagnetic force or electromagnetic field by which the fluidic element is moved from the second to the first position. Since the drive device, which has the comparatively expensive electromagnetic field generating and electromagnetic field monitoring electronics, is reversibly couplable to the fluidic device, a plurality of fluidic devices can be operated by only one drive device. In this case, the individual fluidic devices can be designed as low-cost, simple components.
Zusätzlich ist zu jedem Zeitpunkt die Antriebsvorrichtung, bzw. die die Antriebskraft verursachende Komponente der Antriebsvorrichtung physisch vom Fluidweg und somit von der zu fördernden Flüssigkeit getrennt.In addition, at any point in time, the drive device, or component of the drive device which causes the drive force, is physically separated from the fluid path and thus from the fluid to be delivered.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Fluidikvorrichtung bzw. die Antriebsvorrichtung ferner eine Detektions- vorrichtung auf, die ausgebildet ist, um die Position des Fluidikelements innerhalb der Fluidikvorrichtung zu bestimmen. Dabei kann zu jedem Zeitpunkt die Fördermenge pro Zeiteinheit bestimmt werden, bzw. es kann detektiert werden, ob die Fluidikvorrichtung innerhalb ihrer Spezifikation läuft und problemlos funktioniert. Dazu bestimmt die Detektionsvorrichtung beispielsweise das pro Hub geförderte Volumen und eine Zähleinrichtung zählt die Anzahl der Hübe. Darüber hinaus kann ein Abweichen von dem normalen Betriebszustand verhindert werden, indem, basierend auf den Ergebnissen der Detektionsordnung, die Antriebsvorrichtung geeignet nachgeregelt bzw. gesteuert wird.In some embodiments, the fluidic device or drive device further comprises a detection device configured to determine the position of the fluidic element within the fluidic device. In this case, the delivery rate per unit time can be determined at any time, or it can be detected whether the fluidic device runs within its specification and works without problems. For this purpose, the detection device determines, for example, the per stroke promoted Volume and counting counts the number of strokes. Moreover, deviation from the normal operation state can be prevented by properly controlling the drive device based on the results of the detection order.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. Ia ein Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung;Fig. Ia an embodiment of a fluidic device;
Fig. Ib ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung;FIG. 1b shows a further embodiment of a fluidic device; FIG.
Fig. Ic eine Schnittansicht der Fluidikvorrichtung von Fig. Ib;Fig. Ic is a sectional view of the fluidic device of Fig. Ib;
Fig. 2 Ausführungsbeispiele von Fluidikelementen;Fig. 2 embodiments of fluidic elements;
Fig. 3 Ausführungsbeispiele von am Fluidikelement angebrachten Ventilen;3 shows embodiments of valves attached to the fluidic element;
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein am Fluidikelement angebrachtes Ventil;4 shows a further exemplary embodiment of a valve attached to the fluidic element;
Fig. 5 weitere Ausführungsbeispiele für am Fluidikelement angebrachte Ventile;5 shows further embodiments of attached to the fluidic element valves.
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein am Fluidikelement angebrachtes Ventil;6 shows a further exemplary embodiment of a valve attached to the fluidic element;
Fig. 7a Ausführungsbeispiele für in der Fluidikvorrich- und 7b tung angebrachte Rückschlagventile;Fig. 7a embodiments for in the Fluidikvorrich- and 7b direction attached check valves;
Fig. 8a weitere Ausführungsbeispiele für in der Fluidik und 8b Vorrichtung angebrachte Rückschlagventile; Fig. 9 Beispiel für die Dimensionierung von Strömungswiderständen zum Erreichen eines vorbestimmten Förderhubs;8a further exemplary embodiments for check valves mounted in the fluidic and 8b devices; FIG. 9 shows an example of the dimensioning of flow resistances for achieving a predetermined delivery stroke; FIG.
Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem aus einem Fluidikvorrichtung und einer Antriebsvorrichtung;10 shows an exemplary embodiment of a fluidic system comprising a fluidic device and a drive device;
Fig. 11 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Flui- diksystem;11 shows an alternative embodiment of a fluidic system;
Fig. 12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem; und12 shows a further embodiment of a fluidic system; and
Fig. 13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem.Fig. 13 shows another embodiment of a fluidic system.
Fig. Ia zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung zum Fördern einer Flüssig- keit von einem Fluidikvorrichtungseingang 2 zu einem Flui- dikvorrichtungsausgang 4. Dabei ist das Fluidikvorrichtung zur Vereinfachung des Verständnisses zum einen in einer schraffierten Darstellung gezeigt und zum anderen in einer Darstellung, in der lediglich die Konturen der einzelnen Elemente sichtbar sind. Die Fluidikvorrichtung dient dazu, Flüssigkeit von dem Fluidikvorrichtungseingang 2 zum Flui- dikvorrichtungsausgang 4 zu fördern, wobei die Flüssigkeit innerhalb der Fluidikvorrichtung in einer Strömungsrichtung 6 entlang eines Fluidwegs gefördert wird. Der Fluidweg besteht dabei, wie in den nachfolgenden Abschnitten detaillierter ausgeführt, aus einer Reihe von unterschiedlichen Fluidwegsabschnitten mit variierenden Querschnitten. Bei der in Fig. 1 gezeigten Fluidikvorrichtung, die rotationssymmetrisch um eine zentral verlaufende Symmetrieachse ist, bestehen dabei die einzelnen Fluidwegabschnitte insbesondere aus zylindrischen Flüssigkeitskanälen variierenden Durchmessers . Vor einer detaillierteren Diskussion der in Fig. Ia gezeigten Fluidikvorrichtung sei darauf hingewiesen, dass in Fig. 1 sowie in den darauf folgenden Figuren funktionsähnliche bzw. funktionsidentische Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen sind und dass insbesondere die Beschreibung der einzelnen funktionsähnlichen Elemente innerhalb der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele wechselseitig aufeinander anwendbar ist.1 a shows a sectional view of an embodiment of a fluidic device for conveying a fluid from a fluidic device inlet 2 to a fluidic device outlet 4. The fluidic device is shown on the one hand in a hatched representation for ease of understanding and on the other hand in a representation, in which only the contours of the individual elements are visible. The fluidic device serves to convey fluid from the fluidic device inlet 2 to the fluidic device outlet 4, wherein the fluid within the fluidic device is conveyed in a flow direction 6 along a fluid path. The fluid path consists, as explained in more detail in the following sections, of a series of different fluid path sections with varying cross sections. In the case of the fluidic device shown in FIG. 1, which is rotationally symmetrical about a centrally extending axis of symmetry, the individual fluid path sections consist in particular of cylindrical fluid channels of varying diameter. Before a more detailed discussion of the fluidic device shown in Fig. Ia it should be noted that in Fig. 1 and in the following figures functionally similar or functionally identical elements are provided with the same reference numerals and that in particular the description of the individual function-like elements within the different embodiments mutually is applicable to each other.
Die in Fig. Ia gezeigte Fluidikvorrichtung weist ein Flui- dikvorrichtungsgehäuse 8 auf, welches im gezeigten Beispiel mehrstückig gebildet wird, sofern dies aus Gründen der Geometrie des Gehäuses zum Zusammenbau erforderlich ist. In alternativen Ausführungsbeispielen kann das Fluidikvorrich- tungsgehäuse jedoch auch einstückig ausgeführt sein. Innerhalb des Fluidikvorrichtungsgehäuses 8 ist der Fluidweg, der von dem Fluidikvorrichtungsgehäuse 8 gebildet wird, in mehrere Fluidwegsegmente 10a bis f logisch unterteilbar. Aufgrund der rotationssymmetrischen Geometrie der Fluidik- Vorrichtung werden die einzelnen Fluidwegsegmente 10a bis 10f jeweils aus konzentrischen, zylindrischen Volumina gebildet, die entlang des Fluidwegs aneinander anschließen. Obwohl im in Fig. 1 gezeigten Beispiel und anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele jeweils rota- tionssymmetrische Geometrien diskutiert werden, ist die Rotationssymmetrie keine zwingende Voraussetzung. Vielmehr ist es auch denkbar beispielsweise einen Fluidweg bzw. Fluidwegsegmente zu verwenden, die einen quadratischen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen.The fluidic device shown in Fig. Ia has a fluidic device housing 8, which is formed in several pieces in the example shown, if this is necessary for reasons of the geometry of the housing for assembly. In alternative embodiments, however, the fluidic device housing can also be made in one piece. Within the fluidic device housing 8, the fluid path formed by the fluidic device housing 8 is logically subdividable into a plurality of fluid path segments 10a-f. Due to the rotationally symmetric geometry of the fluidic device, the individual fluid path segments 10a to 10f are each formed of concentric cylindrical volumes which adjoin one another along the fluid path. Although rotationally symmetric geometries are discussed in the example shown in FIG. 1 and with reference to the exemplary embodiments described below, rotational symmetry is not a mandatory prerequisite. Rather, it is also conceivable, for example, to use a fluid path or fluid path segments which have a square or rectangular cross section.
Am Fluidikvorrichtungseingang 2 strömt die Flüssigkeit zunächst durch Fluidwegsegment 10a, an das sich in Strömungsrichtung Fluidwegsegment 10b anschließt, welches einen verengten Querschnitt aufweist. Die Verengung des Quer- Schnitts kann dazu verwendet werden, die dynamischen Eigenschaften, d. h. also die Pumpeigenschaften der Fluidikvorrichtung geeignet zu dimensionieren, wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird. Das Fluidwegsegment 10c, das sich in Strömungsrichtung an das Fluidwegsegment 10b anschließt, wird von diesem durch ein Rückschlagventil 12 getrennt, welches sicherstellt, dass sich Flüssigkeit nur in der Strömungsrichtung 6 durch die Fluidikvorrichtung bewegen kann. Fluidwegsegment 10c hat einen erweiterten Querschnitt und dient dazu, eine als Rückstelleinrichtung verwendete Feder 14 zu hausen, die eingangsseitig einen Anschlag besitzt, und die an der der Eingangsseite gegenüberliegenden Seite am Fluidikelement anliegt, um auf dieses eine in Strömungsrichtung wirkende Rückstellkraft auszuüben. Die Feder 14 ist in einem vorgespannten Zustand eingebaut oder wird durch Bewegung des Fluidikelements 16 entgegen der Strömungsrichtung 6 ge- spannt. Das Fluidikelement besteht zumindest teilweise aus magnetisierbarem Material. Das heißt, obwohl in Fig. 1 angedeutet ist, dass das Fluidikelement einstückig gefertigt ist, ist es bei weiteren Ausführungsbeispielen möglich, dass das Fluidikelement 16 aus mehreren unterschied- liehen Materialkomponenten besteht. So ist beispielsweise denkbar, dass das Fluidikelement 16 teilweise aus magnetisierbarem Material und teilweise aus dielektrischem Material gebildet ist.At the fluidic device inlet 2, the fluid first flows through the fluid path segment 10a, which is adjoined in the flow direction by the fluid path segment 10b, which has a narrowed cross section. The narrowing of the cross-section can be used to suitably dimension the dynamic properties, that is to say the pumping properties of the fluidic device, as will be explained in more detail below. The fluid path segment 10c, which adjoins the fluid path segment 10b in the flow direction, is separated therefrom by a check valve 12, which ensures that fluid can only move in the flow direction 6 through the fluidic device. Fluid path segment 10c has an expanded cross-section and serves to house a spring 14 used as a restoring device, which has a stop on the input side, and which rests on the opposite side of the input side of the fluid element to exert on this acting in the flow direction restoring force. The spring 14 is installed in a prestressed state or is tensioned by movement of the fluidic element 16 counter to the flow direction 6. The fluidic element is at least partially made of magnetizable material. That is, although it is indicated in Fig. 1 that the fluidic element is made in one piece, it is possible in further embodiments that the fluidic element 16 consists of several different lent material components. For example, it is conceivable that the fluidic element 16 is partially formed of magnetizable material and partly of dielectric material.
Das Fluidikelement 16 weist ferner einen als zentrale Bohrung ausgeführten Flüssigkeitskanal 18 auf, der sich in der Strömungsrichtung 6 durch das gesamte Fluidikelement 16 erstreckt, sodass Flüssigkeit durch das Fluidikelement 16 strömen kann. Das Fluidikelement 16 selbst befindet sich in dem Fluidwegsegment 10d, welches einen Durchmesser aufweist, der derart bemessen ist, dass das Fluidikvorrich- tungsgehäuse 8 mit dem Außendurchmesser des Fluidikelements 16 fluidisch dicht abschließt. Das heißt mit anderen Worten, an den Rändern des Fluidikelements 16 kann keine Flüssigkeit vorbeiströmen. Das Fluidikelement 16 weist ferner eine Dichtung 20 auf, die die Funktion eines Rückschlagventils hat, welches Flüssigkeit lediglich in Strömungsrichtung 6 durch das Fluidikelement 16 fließen lässt. Wie es der Zeichnung in Fig. Ia zu entnehmen ist, ist also das Fluidikelement 16 innerhalb des Fluidwegsegments 1Od frei beweglich, so dass dieses beispielsweise von einer ersten Position 22, die durch einen eingangsseitigen Anschlag definiert wird zu einer zweiten Position 24, die durch einen ausgangsseitigen Anschlag definiert wird, bewegt werden kann.The fluidic element 16 further has a central bore designed as a liquid passage 18 which extends in the flow direction 6 through the entire fluidic 16, so that liquid can flow through the fluidic 16. The fluidic element 16 itself is located in the fluid path segment 10 d, which has a diameter which is dimensioned such that the fluidic device housing 8 terminates fluidically with the outer diameter of the fluidic element 16. In other words, no liquid can flow past at the edges of the fluidic element 16. The fluidic element 16 further has a seal 20, which has the function of a check valve, which allows fluid to flow only in the flow direction 6 through the fluidic 16. As can be seen from the drawing in FIG. 1 a, the fluidic element 16 is thus freely movable within the fluid path segment 10 d, for example from a first position 22 defined by an input-side stop to a second position 24 defined by a first position output-side stop is defined, can be moved.
Wie oben beschrieben, ist das Fluidikelement innerhalb des Fluidwegsegments 10d frei beweglich. Das bedeutet, es ist nicht erforderlich, das Fluidikelement in einer Richtung senkrecht zum Fluidweg mechanisch bezüglich des Fluidikvor- richtungsgehäuses zu fixieren. Dies vereinfacht den Aufbau des Fluidikvorrichtungsgehäuses erheblich, so dass dies kostengünstig in großen Stückzahlen hergestellt werden kann. Ferner wird es dadurch möglich, die Pumpeigenschaften im Wesentlich durch die Strömungswiderstände entlang des Fluidwegs innerhalb der Fluidikvorrichtung einzustellen, ohne auf eventuelle mechanische Dämpfungen, die durch eine Fixierung des Fluidikelements bezüglich des Fluidikvorrichtungsgehäuses erzeugt werden könnten, Rücksicht nehmen zu müssen.As described above, the fluidic element within the fluid path segment 10d is free to move. This means that it is not necessary to mechanically fix the fluidic element in a direction perpendicular to the fluid path with respect to the fluidic device housing. This considerably simplifies the construction of the fluidic device housing, so that this can be produced inexpensively in large numbers. Further, it thereby becomes possible to adjust the pumping characteristics substantially by the flow resistances along the fluid path within the fluidic device, without having to take into account any mechanical damping that might be generated by a fixation of the fluidic element with respect to the fluidic device housing.
Fluidwegsegment 10e weist gegenüber Fluidwegsegment 10d einen verengten Querschnitt auf und kann, ähnlich wie Fluidwegsegment 10b dazu verwendet werden, die dynamischen Pumpeigenschaften einzustellen.Fluid path segment 10e has a restricted cross-section with fluid path segment 10d and, similar to fluid path segment 10b, may be used to adjust the dynamic pumping characteristics.
Der Fluidikvorrichtungsausgang 4 wird durch Fluidwegsegment 10f gebildet.The fluidic device outlet 4 is formed by fluid path segment 10f.
Wird in der Fluidikvorrichtung das Fluidikelement 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 bewegt, wirken die beiden in Flussrichtung durchlässigen Ventile 12 und 20 derart zusammen, dass Flüssigkeit nicht eingangssei- tig entweichen kann, wobei die Flüssigkeit durch den Flüssigkeitskanal 18 des Fluidikelements durch das Fluidikele- ment strömt. Folglich befindet sich Flüssigkeit in einem in Ausgangsrichtung vor dem Fluidikelement 16 befindlichen Volumen des Fluidwegsegments 10d, wenn das Fluidikelement 16 seine Rückholbewegung beendet hat, sich also an der ersten Position 22 befindet. Dieser Zustand definiert den Beginn eines Förderhubs, während dessen Flüssigkeit durch den Ausgang 4 gefördert wird.In the fluidic device, when the fluidic element 16 moves from the second position 24 to the first position 22, the two flow-directionally-permeable valves 12 and 20 cooperate such that fluid can not escape on the inlet side, the fluid passing through the fluid channel 18 of the fluidic element through the fluid particles ment flows. As a result, liquid is in a volume of the fluid path segment 10d located in the exit direction in front of the fluidic element 16 when the fluidic element 16 has completed its return movement, ie is at the first position 22. This state defines the beginning of a delivery stroke during which liquid is conveyed through the outlet 4.
Dies wird dadurch erreicht, dass die Feder, die während der Bewegung des Fluidikelements 16 von der zweiten Position 24 zur ersten Position 22 durch das Fluidikelement 16 vorgespannt wird, in Strömungsrichtung 6 eine Kraft auf das Fluidikelement 16 ausübt, so dass dieses während eines Förderhubes das vor sich befindliche Flüssigkeitsvolumen in Richtung des Fluidikvorrichtungsausgangs 4 verdrängt. Dies wird dadurch möglich, dass das Ventil 20 bei einer Bewegung des Fluidikelements 16 in Strömungsrichtung 6 sperrt, so dass die Flüssigkeit nicht durch den Flüssigkeitskanal 18 zurückströmen kann. Gleichzeitig öffnet das Rückschlagven- til 12, so dass durch den hinter dem Fluidikelement 16 entstehenden Unterdruck neue Flüssigkeit vom Eingang 2 angesaugt wird, die während des Förderhubs das im Fluidweg- segment 10d freiwerdende Volumen füllt. Dabei wird die Fördergeschwindigkeit, also das von dem Fluidikelement 16 pro Zeiteinheit verdrängte Flüssigkeitsvolumen durch die Federkraft und den Strömungswiderstand des den größten Strömungswiderstand aufweisenden Fluidwegsegments bestimmt. Im in Fig. Ia gezeigten Fall ist dies Fluidwegsegment 10b, welches den geringsten Durchmesser aufweist. Da die Feder- kraft der Feder 14 näherungsweise über den gesamten Weg konstant ist, lässt sich die Fördergeschwindigkeit, d. h. die Geschwindigkeit, mit der das Fluidikelement 16 bewegt wird, auf einfache Art und Weise durch die Dimensionierung der verwendeten Komponenten, also insbesondere der Feder und des maximalen Strömungswiderstands (des kleinsten verwendeten Durchmessers entlang des Fluidweges) einstellen. Dies kann durch eine einfache geometrische Dimensionierung der verwendeten Bauteile erreicht werden, ohne dass beispielsweise eine komplizierte elektronische Steuerung für einen Antriebsmotor erforderlich wäre. Voraussetzung ist lediglich, dass das Fluidikelement 16 zu Beginn eines Förderhubs von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 bewegt wird. Dies kann, wenn das Fluidikelement 16 zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Material besteht, beispielsweise durch Erzeugen eines Magnetfelds im Fluidwegsegment 10c und 10d erreicht werden, durch welches das Fluidikelement 16 an die erste Position 22 gezogen wird und dabei gleichzeitig die Feder 14 spannt.This is achieved in that the spring, which is biased during the movement of the fluidic element 16 from the second position 24 to the first position 22 by the fluidic 16, in the flow direction 6 exerts a force on the fluidic 16, so that this during a delivery stroke the displaced in front of the liquid volume in the direction of Fluidikvorrichtungsausgangs 4. This is possible because the valve 20 blocks in the direction of flow 6 during a movement of the fluidic element 16, so that the fluid can not flow back through the fluid channel 18. At the same time, the check valve 12 opens, so that new liquid is sucked in from the inlet 2 by the negative pressure arising behind the fluidic element 16, which during the delivery stroke fills the volume released in the fluid path segment 10d. In this case, the conveying speed, that is, the liquid volume displaced by the fluidic element 16 per unit of time, is determined by the spring force and the flow resistance of the fluid path segment having the greatest flow resistance. In the case shown in Fig. Ia, this is fluid path segment 10b which has the smallest diameter. Since the spring force of the spring 14 is approximately constant over the entire path, the conveying speed, ie the speed with which the fluidic element 16 is moved, can be easily determined by the dimensioning of the components used, that is to say in particular the spring and set the maximum flow resistance (the smallest used diameter along the fluid path). This can be achieved by a simple geometric dimensioning of the components used, without, for example, a complicated electronic control for a drive motor would be required. The only requirement is that the fluidic element 16 is moved from the second position 24 to the first position 22 at the beginning of a delivery stroke. This can be achieved when the fluidic element 16 is at least partially made of a magnetizable material, for example by generating a magnetic field in the fluid path segment 10c and 10d, through which the fluidic element 16 is pulled to the first position 22 while simultaneously biasing the spring 14.
Für die Geschwindigkeit, mit der das Fluidikelement 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 bewegt wird, ist zum einen die Stärke der elektromagnetischen Kraft, die auf das Fluidikelement ausgeübt wird, maßgeblich. Zum anderen wirkt in der Rückholbewegung der elektromagnetischen Kraft der Strömungswiderstand des Flüssig- keitskanals 18, durch den die verdrängte Flüssigkeit strömen muss, entgegen. Folglich kann auch durch geeignete Dimensionierung des Strömungswiderstands des Flüssigkeitskanals 18 die Geschwindigkeit der Rückholbewegung des Fluidikelements 16 eingestellt werden. Wenn der Strömungs- widerstand des Flüssigkeitskanals 18 gering ist, lässt sich ein fast kontinuierlicher Betrieb des Fluidikvorrichtung erreichen, da dann die Rückholbewegung des Fluidikelements 16 kaum behindert bzw. gedämpft wird, so dass diese im Vergleich zur Vorwärtsbewegung äußerst schnell erfolgt. Das heißt, kurze Rückholbewegungen wechseln sich mit lang andauernden Vorwärtsbewegungen ab, so dass in der Fluidikvorrichtung ein quasi kontinuierlicher Durchfluss herrscht. Dies ist insbesondere bei medizinischen Applikationen häufig wünschenswert. Diese vorteilhafte Eigenschaft kann, wie oben beschrieben, dadurch erzielt werden, dass lediglich die geometrischen Dimensionen der verwendeten Fluidikvorrichtung geeignet gewählt werden. Dies macht unter Anderem eine aufwändige elektronische Regelung für einen eine Fluidikvorrichtung antreibenden Motor überflüssig.For the speed with which the fluidic element 16 is moved from the second position 24 to the first position 22, on the one hand, the magnitude of the electromagnetic force exerted on the fluidic element is decisive. On the other hand, in the return movement of the electromagnetic force, the flow resistance of the liquid channel 18, through which the displaced liquid must flow, counteracts. Consequently, by suitable dimensioning of the flow resistance of the fluid channel 18, the speed of the return movement of the fluidic element 16 can be adjusted. If the flow resistance of the liquid channel 18 is low, an almost continuous operation of the fluidic device can be achieved, because then the return movement of the fluidic 16 is hardly hindered or attenuated so that it takes place extremely fast compared to the forward movement. That is, short return movements alternate with long-lasting forward movements, so that there is a quasi-continuous flow in the fluidic device. This is often desirable, especially in medical applications. As described above, this advantageous property can be achieved by suitably selecting only the geometric dimensions of the fluidic device used. This sets Others a complex electronic control for a fluidic device driving motor superfluous.
Eine Förderwirkung während eines Förderhubs kann bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung selbst dann erreicht werden, wenn das Fluidikelement kein Ventil 20 besitzt. Dies ist möglich, wenn der Strömungswiderstand der Durchströmungsöffnung bei einer Bewegung des Fluidikele- ments von der ersten 22 in die zweite 24 Position größer ist, als der Strömungswiderstand zwischen dem Fluidikelement und dem Fluidikvorrichtungsausgang 4. Durch eine solche Konfiguration kann bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung selbst ohne Ventil 20 eine Netto- Pumpwirkung erreicht werden.A conveying action during a delivery stroke can be achieved in an alternative embodiment of the invention even if the fluidic element has no valve 20. This is possible if the flow resistance of the throughflow opening is greater during a movement of the fluid element from the first 22 to the second 24 position than the flow resistance between the fluidic element and the fluidic device output 4. Such a configuration may in alternative embodiments of the invention itself without valve 20 a net pumping action can be achieved.
Ebenso kann bei weiteren Ausführungsbeispielen auf das Rückschlagventil verzichtet werden, wenn der Strömungswiderstand der Durchströmungsöffnung bei einer Bewegung des Fluidikelements von der zweiten (24) in die erste (22) Position kleiner ist, als der Strömungswiderstand zwischen dem Fluidikelement und dem Fluidikvorrichtungseingang (4), so dass während der Rückholbewegung Flüssigkeit durch die Durchströmungsöffnung strömt.Likewise, in further embodiments, the check valve can be dispensed with if the flow resistance of the throughflow opening is smaller during a movement of the fluidic element from the second (24) to the first (22) position than the flow resistance between the fluidic element and the fluidic device input (4), so that liquid flows through the flow-through opening during the return movement.
Als Antriebsvorrichtung, die dazu dient, die zur Rückholung des Fluidikelements 16 erforderliche Kraft auf das Fluidikelement 16 auszuüben, kann, wie bereits oben erwähnt, eine ein Magnetfeld erzeugende Vorrichtung verwendet werden. Dies können beispielsweise Spulen sein, die außerhalb der Fluidikvorrichtung angeordnet sind und ein parallel zur Strömungsrichtung verlaufendes Magnetfeld erzeugen. Dabei gerät die Antriebsvorrichtung nicht in physischen Kontakt mit der zu fördernden Flüssigkeit. Die Antriebsvorrichtung kann physikalisch getrennt von der Fluidikvorrichtung ausgebildet werden, so dass mehrere, eventuell nur einmal verwendete, Fluidikvorrichtungen mittels nur einer einzigen Antriebsvorrichtung betrieben werden können. Dies hat den Vorteil, dass die in der Antriebsvorrichtung vorhandene Elektronik, die eine teuere Komponente eines Pumpsystems bzw. eines Fluidiksystems ist, lediglich einmal erzeugt werden muss. Die in Fig. 1 dargestellte Fluidikvorrichtung weist die, insbesondere im medizinischen Bereich, vorteil- hafte Eigenschaft auf, dass die zum Antrieb erforderlichen Elemente bzw. Bauteile zu keinem Zeitpunkt in direktem Kontakt mit der zu fördernden Flüssigkeit geraten, so dass bei einer einmaligen Verwendung der Fluidikvorrichtung mit einer dazu passenden Antriebsvorrichtung die absolute Sterilität der geförderten Flüssigkeit bzw. des geförderten Fluids sichergestellt werden kann.As a driving device serving to apply the force required for retrieving the fluidic element 16 to the fluidic element 16, as mentioned above, a magnetic field generating device may be used. These may be, for example, coils which are arranged outside the fluidic device and generate a magnetic field running parallel to the flow direction. In this case, the drive device does not come into physical contact with the liquid to be delivered. The drive device may be physically separate from the fluidic device so that a plurality of fluidic devices, possibly only once used, may be operated by only a single drive device. This has the advantage that the existing in the drive device Electronics, which is a costly component of a pumping system or a fluidic system, only needs to be generated once. The fluidic device shown in FIG. 1 has the property, in particular in the medical field, that the elements or components required for the drive do not come into direct contact with the fluid to be delivered at any time, so that in the case of a single use Fluidic device with a matching drive device, the absolute sterility of the pumped liquid or the funded fluid can be ensured.
Fig. Ib zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung, die auf dem bereits anhand von Fig. Ia ausführlich diskutierten Prinzip basiert. Dabei werden im Folgenden lediglich die Komponenten unterschiedlicher Funktion beschrieben, um eine redundante Darstellung der einzelnen Merkmale bzw. Komponenten zu vermeiden. Das Fluidikelement 16 ist in Fig. Ib in zwei funktional unter- schiedliche Bereiche (einen Antriebsbereich 16a und einen Dichtbereich 16b) getrennt. Dabei können die beiden Bereiche sowohl mehrstückig ausgebildet, also aus diskreten einzelnen Bauelementen zusammengefügt, als auch einstückig hergestellt sein. Der dem Fluidikvorrichtungseingang 2 zugewandte Antriebsbereich 16a dient zum Antrieb des Flui- dikelements 16, weist also alle Vorrichtungen und Mittel auf, die es ermöglichen, das Fluidikelement 16 berührungslos anzutreiben. Der dem Fluidikvorrichtungsausgang 4 zugewandte Dichtbereich 16b des Fluidikelements 16 dient dazu, um die fluidische Abdichtung bei einer Bewegung des Fluidikelements von der ersten Position 22 zur zweiten Position 24 zu gewährleisten.FIG. 1b shows a further exemplary embodiment of a fluidic device, which is based on the principle already discussed in detail with reference to FIG. 1a. In the following, only the components of different functions are described in order to avoid a redundant representation of the individual features or components. The fluidic element 16 is separated in FIG. 1 b into two functionally different regions (a drive region 16 a and a sealing region 16 b). In this case, the two areas can both be formed in multiple pieces, that is, assembled from discrete individual components, as well as manufactured in one piece. The drive region 16a facing the fluidic device inlet 2 serves to drive the fluidic element 16, ie it has all the devices and means which make it possible to drive the fluidic element 16 without contact. The fluidic device outlet 4 facing the sealing region 16b of the fluidic element 16 serves to ensure the fluidic seal upon movement of the fluidic element from the first position 22 to the second position 24.
Die geometrische Dimensionierung des Dichtbereichs 16 bzw. des Fluidwegsegments 10g, innerhalb dessen der Dichtbereich 16b des Fluidikelements 16 bewegt wird, erlaubt es, die dynamischen Eigenschaften der Fluidikvorrichtung auf die verschiedensten Durchflussraten zu adaptieren, indem der Querschnitt des Dichtbereichs 16b entsprechend gewählt wird. Bezüglich der geeigneten Dimensionierung der unterschiedlichen Querschnitte entlang des Fluidwegs sei hierbei auf die bei Fig. Ia getroffenen Aussagen verwiesen. Durch die Trennung des Fluidikelements 16 in zwei unterschiedliche funktionale Bereiche kann jedoch der Querschnitt bzw. der Durchmesser des Antriebsbereichs 16a immer konstant bleiben, so dass trotz der hohen erzielbaren Variabilität immer dieselbe Antriebsvorrichtung verwendet werden kann, selbst wenn sich die Durchflussraten stark ändern. Dadurch kann eine erheblich höhere Flexibilität des Gesamtsystems bei gleichzeitiger Reduzierung der Kosten erreicht werden. Bei der Rückholbewegung, d.h. bei der Bewegung von der zweiten Position 24 zur ersten Position 22 ist es wün- sehenswert, den Strömungswiderstand zusätzlich zu verringern, welcher zunächst durch den Strömungswiderstand der Strömungsöffnung 18 bestimmt wird, die als zentrale Bohrung durch den Antriebsbereich 16a und den Dichtbereich 16b ausgeführt ist. Um den Strömungswiderstand für den Rückhol- hub zusätzlich zu verringern, sind bei dem in Fig. Ib gezeigten Ausführungsbeispiel im Antriebsbereich 16a zusätzliche Kanäle 50a und 50b vorgesehen, wie es der in Fig. Ic gezeigten Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A' zu entnehmen ist. Das Fluidikelement 16 weist Kanäle bzw. Durchströmungsöffnungen 50a und 50b auf, die sich über die gesamte Länge, d.h. die axiale Ausdehnung, des zylindrischen Dichtbereichs 16b erstrecken. Dabei ist die in Fig. Ic gezeigte geometrische Form der Durchströmungsöffnungen bzw. der Kanäle 50a und 50b lediglich exemplarisch zu verstehen. Diese können auch jedwede andere geometrische Form haben, beispielsweise rechteckig sein, wenn diese mittels eines Fräsers eingebracht sind.The geometric dimensioning of the sealing region 16 or of the fluid path segment 10g, within which the sealing region 16b of the fluidic element 16 is moved, makes it possible to adapt the dynamic properties of the fluidic device to the most varied flow rates, by the Cross section of the sealing portion 16b is selected accordingly. With regard to the appropriate dimensioning of the different cross sections along the fluid path, reference is here made to the statements made in FIG. 1a. By separating the fluidic element 16 into two different functional regions, however, the cross section or the diameter of the drive region 16a can always remain constant, so that, despite the high variability that can be achieved, the same drive device can always be used, even if the flow rates change greatly. This allows a much higher flexibility of the overall system while reducing costs can be achieved. During the return movement, ie during the movement from the second position 24 to the first position 22, it is desirable to additionally reduce the flow resistance, which is initially determined by the flow resistance of the flow opening 18, which serves as a central bore through the drive region 16a and Sealing area 16b is executed. In order to additionally reduce the flow resistance for the return stroke, additional channels 50a and 50b are provided in the drive region 16a in the exemplary embodiment shown in FIG. 1b, as can be seen from the sectional view AA 'shown in FIG. The fluidic element 16 has channels or flow-through openings 50a and 50b which extend over the entire length, ie the axial extent, of the cylindrical sealing region 16b. In this case, the geometric shape of the throughflow openings or of the channels 50a and 50b shown in FIG. 1c is to be understood merely as an example. These can also have any other geometric shape, for example, rectangular, if they are introduced by means of a milling cutter.
Durch die Kanäle 50a und 50b kann eine zusätzliche Minimie- rung des Strömungswiderstands erreicht werden, wie dies für eine schnelle Rückholbewegung vorteilhaft ist. In Fig. Ib ist ferner ein aktives Rückschlagventil als Alternative zur Verwendung eines passiven Ventils gezeigt. Das aktive Ventil umfasst dabei mehrere funktionale Komponenten. Dies sind zum einen das passive Ventil 12 sowie ein Träger 80a, der entlang der Strömungsrichtung nach dem Ventil 12 angeordnet und mit diesem mechanischen gekoppelt ist. Der Träger 80a besteht aus magnetisierbaren Material und kann durch ein elektromagnetisches Feld mit einer entgegen der Strömungsrichtung 6 wirkenden Kraft beauf- schlagt werden. Durch Einstellen dieser Kraft kann das Ventil 12 vorgespannt bzw. vorbelastet werden, wobei die Kraft der Vorspannung in weiten Grenzen über die Größe des elektrischen Feldes einstellbar ist. Insbesondere kann bei einigen Ausführungsbeispielen die Kraft auf den Träger 80a von demselben Feld erzeugt werden, das auch der Bewegung des Fluidikelements 16 dient. In Fig. Ib ist zu diesem Zweck ein magnetisierbares Führungselement 80b vorgesehen, das in Form eines Jochs den magnetischen Fluss gezielt lenkt. Dadurch kann der Träger 80a mit vorbestimmter, einstellbarer Kraft gegen das Ventil 12 gedrückt werden, so dass dieses erst bei einer einstellbaren Kraft öffnet. Dies erlaubt es, die dynamischen Eigenschaften der Fluidikvor- richtung noch genauer an die Gegebenheiten anzupassen.Through the channels 50a and 50b, an additional minimization of the flow resistance can be achieved, as is advantageous for a quick return movement. Also shown in FIG. 1b is an active check valve as an alternative to the use of a passive valve. The active valve comprises several functional components. These are on the one hand, the passive valve 12 and a support 80 a, which is arranged along the flow direction after the valve 12 and coupled with this mechanical. The carrier 80a is made of magnetizable material and can be acted upon by an electromagnetic field with a force acting counter to the flow direction 6 force. By adjusting this force, the valve 12 can be biased, the force of the bias being adjustable within wide limits over the magnitude of the electric field. In particular, in some embodiments, the force on the carrier 80a may be generated from the same field that also serves to move the fluidic element 16. In Fig. Ib a magnetizable guide member 80b is provided for this purpose, which directs the magnetic flux in the form of a yoke. As a result, the support 80a can be pressed against the valve 12 with a predetermined, adjustable force so that it opens only when an adjustable force is reached. This makes it possible to adapt the dynamic properties of the fluidic device even more precisely to the conditions.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Fluidikvorrichtung auch als Fluidiksensor verwendet werden. Dabei kann auf einen Antrieb des Fluidikelements in Strömungsrichtung verzichtet werden und das Fluidikelement ist so auszugestalten, dass es von der Flüssigkeit mitge- nommen und von der ersten in die zweite Position bewegt wird. Dabei ist es nicht erforderlich, dass das Fluidikelement eine Durchströmungsöffnung aufweist. Bei einigen Ausführungsbeispielen kann das Fluidikelement dabei beispielsweise einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Innendurchmesser des Gehäuses. Wenn das Fluidikelement an der zweiten (24) Position nachgewiesen wird, kann bei Kenntnis der Geometrie eines solchen Fluidiksensors das Flüssigkeitsvolumen berechnet werden, das während einer Bewegung des Fluidikelements von der ersten zur zweiten Position durch den Fluidikssensor geströmt ist. Mittels einer Antriebsvorrichtung kann das Fluidikelement (16) von der zweiten (24) in die erste Position (22) zurückbewegt werden, um einen kontinuierlichen Betrieb des Sensors bzw. eine kontinuierliche Durchflussmessung zu ermöglichen.In alternative embodiments of the invention, a fluidic device may also be used as a fluidic sensor. In this case, it is possible to dispense with a drive of the fluidic element in the flow direction and to design the fluidic element in such a way that it is entrained by the fluid and moved from the first to the second position. It is not necessary for the fluidic element to have a flow-through opening. In some embodiments, the fluidic element may for example have a smaller diameter than the inner diameter of the housing. When the fluidic element is detected at the second (24) position, knowing the geometry of such a fluidic sensor, the volume of fluid that may be calculated during a time period may be calculated Movement of the fluidic element has flowed from the first to the second position by the fluidic sensor. By means of a drive device, the fluidic element (16) can be moved back from the second (24) to the first position (22) in order to enable a continuous operation of the sensor or a continuous flow measurement.
Fig. 2 zeigt zwei Möglichkeiten, wie das Fluidikelement 16 fluidisch dicht innerhalb des Fluidwegsegments 10d ange- bracht bzw. angeordnet werden kann.FIG. 2 shows two ways in which the fluidic element 16 can be attached or arranged in a fluid-tight manner within the fluid path segment 10d.
In der oben gezeigten ersten Alternative ist das Fluidikelement mit einem Durchmesser gefertigt, der mit minimaler Toleranz dem Durchmesser des Fluidwegsegments 10d ent- spricht, so dass zwischen dem zylindrischen Durchmesser des Fluidikelements 16 und der Wand des Fluidwegsegments bzw. des Fluidikvorrichtungsgehäuses 8 kein Spalt entsteht.In the first alternative shown above, the fluidic element is made with a diameter corresponding to the diameter of the fluid path segment 10d with minimal tolerance so that no gap is formed between the cylindrical diameter of the fluidic element 16 and the wall of the fluid path segment or fluidic device housing 8.
Im Hinblick auf eventuell auftretende Fertigungstoleranzen ist das in Fig. 2 unten gezeigte Ausführungsbeispiel verwendbar, bei dem der Durchmesser des Fluidikelements 16 geringer ist als der Durchmesser des Fluidikvorrichtungsgehäuses 8. Um dennoch eine gute Dichtung zu erzielen, ist in das Fluidikelement 16 eine Nut 28 gefräst, in die ein O- Ring 30 eingebracht ist, der die Dichtung zwischen dem Fluidikelement 16 und der Wand des Fluidikvorrichtungsgehäuses 8 sicherstellt. Alternativ zu dem in Fig. 2 unten gezeigten O-Ring 30 können auch Kolbenringe verwendet werden.2, the diameter of the fluidic element 16 is smaller than the diameter of the fluidic device housing 8. In order to nevertheless achieve a good seal, a groove 28 is milled into the fluidic element 16 into which an O-ring 30 is inserted, which ensures the seal between the fluidic 16 and the wall of the Fluidikvorrichtungsgehäuses 8. As an alternative to the O-ring 30 shown in FIG. 2 below, piston rings may also be used.
In anderen Worten kann die Abdichtung zum einen durch eine sehr präzise Lagerung des Kolbens erfolgen, bei der der verbleibende, ringförmige Spalt, zwischen Kolben und Gehäusewand nicht größer als beispielsweise etwa 10 μm ist. Alternativ kann, um den Ringspalt zwischen Kolben und dem Zylinder des Fluidikvorrichtungsgehäuses abzudichten, ein oder mehrere O-Ringe verwendet werden, wie in Fig. 2 unten skizziert. Zur Minimierung der Reibung zwischen Kolben und Gehäuse kann sich zwischen O-Ring und Ringnut auf dem Kolben noch Luft befinden, ohne den O-Ring vorzupressen. Anstelle von O-Ringen können auch Kolbenringe verwendet werden.In other words, the seal can be done by a very precise storage of the piston, in which the remaining, annular gap, between the piston and the housing wall is not greater than, for example, about 10 microns. Alternatively, to seal the annular gap between the piston and the cylinder of the fluidic device housing, one or more O-rings may be used, as outlined in FIG. 2 below. To minimize the friction between the piston and Housing can still be air between O-ring and groove on the piston without pre-pressing the O-ring. Instead of O-rings also piston rings can be used.
Fig. 3 zeigt einige Ausführungsbeispiele für eine Dichtung 20 bzw. für Ventile 20, die zur Dichtung des Fluidikele- ments 16 während des Förderhubs verwendet werden können. Dabei ist das Fluidikelement 16 teilweise in einer 3- dimensionalen perspektivischen Ansicht und in einer Schnittansicht dargestellt. Fig. 3 oben zeigt die Möglichkeit der Verwendung einer Klappendeckeldichtung 40, die an einer Grundfläche des zylinderförmigen Fluidikelements 16 angebracht ist. Die, beispielsweise aus Gummi bestehende, Klappendeckeldichtung 40 weist einen zentralen Deckelbereich 42 auf, der über zwei Stege 44a und 44b mit einem Randbereich der Klappendeckeldichtung 40 verbunden ist. Der Klappendeckel 42 ist, mit Ausnahme der beiden Stege 44a und 44b vom Rest der Klappendeckeldichtung 40 vollständig durch eine umlaufende Nut getrennt. Sofern das Material der Stege 44a und 44b flexibel ist, kann sich unter einer Krafteinwirkung in Strömungsrichtung 6 der Klappendeckel 42 anheben, so dass die Flüssigkeit in Strömungsrichtung 6 durch den Flüssigkeitskanal 18 des Fluidikelements fließen kann. Dabei kann die Flexibilität der Stege 44a und 44b beispielsweise so gewählt sein, dass allein der durch die Rückholbewegung des Fluidikelements 16 auf den Klappendeckel 42 wirkende Druck der Flüssigkeit ausreicht, um die Klappendeckeldichtung 40 zu öffnen. Bei der Förderbewegung schließt die Klappendeckeldichtung 40 automatisch, wenn ein Druck entgegen der Strömungsrichtung 46 auf die Klappendeckeldichtung 40 wirkt. Um das Verschließen der Klappendeckeldichtung 40 noch zu verbessern, kann die Auflagefläche des Klappendeckels 42 auf dem Fluidikelement 16 minimiert werden, so dass bei gleich bleibendem Druck eine größere Anpresskraft erzielt wird. Dies kann, wie beispielsweise in der in Fig. 3 im Mittelteil gezeigten Schnittansicht realisiert werden, indem Ringnuten 48 konzentrisch in die der Klappendeckeldichtung 40 zugewandten Seite des Fluidikele- ments 16 gefräst werden. Fig. 3 unten zeigt, neben einer vergrößerten Darstellung der Klappendeckeldichtung 40, ein alternatives Beispiel für eine Dichtung, die verwendet werden kann, um eine Rückschlagfunktion an dem Fluidikele- ment 16 sicherzustellen.FIG. 3 shows some embodiments of a seal 20 or of valves 20 that can be used to seal the fluid element 16 during the delivery stroke. In this case, the fluidic element 16 is partially shown in a 3-dimensional perspective view and in a sectional view. Fig. 3 above shows the possibility of using a flap cap seal 40 attached to a base of the cylindrical fluidic element 16. The, for example made of rubber, flap cover seal 40 has a central cover portion 42 which is connected via two webs 44a and 44b with an edge region of the flap cover seal 40. The flap lid 42, with the exception of the two webs 44a and 44b from the rest of the flap cover gasket 40 completely separated by a circumferential groove. If the material of the webs 44a and 44b is flexible, the flap lid 42 can lift under a force in the direction of flow 6, so that the liquid can flow in the flow direction 6 through the liquid channel 18 of the fluidic. In this case, the flexibility of the webs 44a and 44b may be selected, for example, such that only the pressure of the liquid acting on the flap lid 42 by the return movement of the fluidic element 16 is sufficient to open the flap cover gasket 40. During the conveying movement, the flap cover gasket 40 closes automatically when a pressure against the flow direction 46 acts on the flap cover gasket 40. In order to improve the closing of the flap cover gasket 40, the contact surface of the flap cover 42 on the fluidic element 16 can be minimized so that a greater contact force is achieved with the same pressure. This can, as for example in the sectional view shown in Fig. 3 in the middle part can be realized by concentric annular grooves 48 in the Flap cover seal 40 facing side of the Fluidikele- element 16 are milled. 3, in addition to an enlarged view of the flap cap seal 40, shows an alternative example of a seal that may be used to ensure a check function on the fluidic element 16.
Die in Fig. 3 unten links gezeigte Kreuzmembran 50 weist dabei dieselbe Funktionsweise wie die Klappendeckeldichtung 40 auf. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass der zentrale öffnende Membranteil 50 der Kreuzmembran von vier Stegen 52a bis 52d, die in Kreuzform angeordnet sind, mit dem Rest der Kreuzmembran 50 verbunden wird.The cross-diaphragm 50 shown in Fig. 3 bottom left has the same operation as the flap cover seal 40. The only difference is that the central opening membrane part 50 of the cross-membrane of four webs 52a to 52d, which are arranged in a cross shape, with the rest of the cross-membrane 50 is connected.
Anders ausgedrückt, bildet die an der Stirnseite des Kolbens befestigte Klappendeckeldichtung bzw. Kreuzmembran mit dem Kolben ein Ventil, so dass das Medium nur in eine Richtung fließen kann. Diese Funktionsweise ist der eines Rückschlagventils vergleichbar, so dass das Medium ledig- lieh in Strömungsrichtung durch den Flüssigkeitskanal 18 des Fluidikelements 16 strömen kann. Bei einigen Ausführungsbeispielen ist die Dichtung auch luftdicht, um eine gute Selbstansaugung des Fluidiksystems bei Verwendung als Pumpe zu gewährleisten. Bei einigen Ausführungsbeispielen weist der Kolben an der Stirnseite kleine Ringnuten auf, die dazu dienen, die Flächenpressung des dichtenden Teils der Klappendeckeldichtung bzw. der Kreuzmembrandichtung zu erhöhen.In other words, the flap lid seal attached to the end face of the piston forms a valve with the piston, so that the medium can only flow in one direction. This mode of operation is comparable to that of a check valve, so that the medium can only flow in the direction of flow through the liquid channel 18 of the fluidic element 16. In some embodiments, the seal is also airtight to ensure good self-priming of the fluidic system when used as a pump. In some embodiments, the piston on the front side on small annular grooves, which serve to increase the surface pressure of the sealing part of the flap cover seal and the cross-diaphragm seal.
Zusammengefasst lassen sich also auf einfache Art und Weise die Öffnungs- bzw. Schließzeiten des Ventils über die Materialstärke, die Stegbreite bzw. über die Shorehärte des zum Herstellen der Dichtung verwendeten Materials einstellen. Abstrakt formuliert dient die mit der Funktionsweise eines Rückschlagventils betriebene Dichtung dazu, beim der Bewegung des Fluidikelements von der ersten Position 22 in die zweite Position 24 den Strömungswiderstand entgegen der Strömungsrichtung bis zu näherungsweise unendlich zu erhö- hen. Beim der Rückholbewegung des Fluidikelements bleibt dieser jedoch klein, da die verwendete Dichtung dann selbstständig öffnet.In summary, therefore, the opening and closing times of the valve can be set in a simple manner via the material thickness, the web width or the Shore hardness of the material used to produce the seal. In terms of abstract terms, the seal operated with the function of a check valve serves to increase the flow resistance against the direction of flow when the fluid element moves from the first position 22 into the second position 24 to approximately infinity. hen. When the return movement of the fluidic element, however, this remains small, since the seal used then opens automatically.
Wie bereits erwähnt, ist ein zylindrischer Flüssigkeitskanal 18 nicht Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung des erfindungsgemäßen Konzepts. Vielmehr kann auch ein Flüssigkeitskanal 18 mit unterschiedlichem Querschnitt verwendet werden. Darüber hinaus kommt auch in Betracht, eine Mehrzahl von axialen Bohrungen zu verwenden, um einen gewünschten Querschnitt der flüssigkeitsführenden Teile innerhalb des Fluidikelements 16 zu erzielen. Ein allgemeiner Vorteil von axialen Bohrungen ist, dass diese einen geringen Strömungswiderstand aufweisen.As already mentioned, a cylindrical fluid channel 18 is not a prerequisite for the successful application of the inventive concept. Rather, a liquid channel 18 with a different cross section can also be used. In addition, it is also possible to use a plurality of axial bores in order to achieve a desired cross section of the liquid-conducting parts within the fluidic element 16. A general advantage of axial bores is that they have a low flow resistance.
Fig. 4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Fluidikelements 16 mit integriertem Ventil, welches eine einem Rückschlagventil entsprechende Wirkungsweise hat. In dem in Fig. 4 gezeigten Fall wird das Ventil durch eine Anordnung aus einer Feder 60 und einer Kugel 62 gebildet, wobei die Kugel von der Feder belastet wird und gegen einen auf den Durchmesser der Kugel 62 angepassten Kugelsitz 64 gepresst wird. Dabei sind die Feder 60 und die Kugel 62 beispielsweise innerhalb einer Stufenbohrung 66 in dem Fluidikelement angeordnet. Auf der dem Kugelsitz 64 abgewandten Seite wird die Feder 60 beispielsweise durch einen in das Fluidikelement 16 eingebrachten Anschlag 68 unterstützt. Wird nun durch die zu verdrängende Flüssigkeit in Strömungsrichtung 6 ein Druck auf die Kugel 62 ausgeübt, der stark genug ist, um die Feder 60 zu komprimieren, öffnet das von Kugel 62 und Kugelsitz 64 gebildete Ventil und erlaubt es, dass Flüssigkeit in Strömungsrichtung 6 durch das Fluidikelement 16 strömt. Bei einer Strömung entgegengesetzt der Strömungsrichtung 6 wird die durch die Feder 60 auf die Kugel 62 ausgeübte Kraft durch den Flüssigkeitsdruck zusätzlich verstärkt, so dass die Dichtwirkung des in Fig. 4 gezeigten Ventils noch verbessert wird. Mit anderen Worten verfügt der in Fig. 4 gezeigte Kolben bzw. das in Fig. 4 gezeigte Fluidikelement über eine axiale Stufenbohrung, wobei eine Stufe als Dichtsitz bzw. Anschlag für ein weiteres bewegliches in der Bohrung befindliches Element dient. Das bewegliche Element wird z. B. von einer Schraubenfeder auf den Dichtsitz bzw. die Stufe gedrückt. Die Feder selbst stützt sich am anderen Ende ebenfalls auf einem Anschlag ab. Das bewegliche Dichtelement kann vom Durchmesser her deutlich kleiner als die Bohrung sein, um einen möglichst kleinen Strömungswiderstand zu erreichen. Die Trägheit des beweglichen Dichtelements verstärkt zusätzlich zur Federkraft die Dichtwirkung, wenn sich der Kolben bzw. das Fluidikelement 16 entlang der Strömungsrichtung 6 bewegt.Fig. 4 shows an alternative embodiment of a fluidic element 16 with integrated valve, which has a check valve corresponding action. In the case shown in Fig. 4, the valve is formed by an arrangement of a spring 60 and a ball 62, wherein the ball is loaded by the spring and is pressed against a matched to the diameter of the ball 62 ball seat 64. In this case, the spring 60 and the ball 62 are arranged, for example, within a stepped bore 66 in the fluidic element. On the side facing away from the ball seat 64, the spring 60 is supported, for example, by a stop 68 introduced into the fluidic element 16. If a pressure is exerted on the ball 62 by the fluid to be displaced in the direction of flow 6 which is strong enough to compress the spring 60, the valve formed by the ball 62 and the ball seat 64 opens and allows fluid to flow in the direction of flow 6 the fluidic element 16 flows. In a flow opposite to the flow direction 6, the force exerted by the spring 60 on the ball 62 force is additionally reinforced by the fluid pressure, so that the sealing effect of the valve shown in Fig. 4 is still improved. In other words, the piston shown in FIG. 4 or the fluidic element shown in FIG. 4 has an axial stepped bore, one step serving as a sealing seat or stop for a further movable element located in the bore. The movable element is z. B. pressed by a coil spring on the sealing seat or the step. The spring itself is also supported on a stop at the other end. The movable sealing element can be significantly smaller in diameter than the bore, in order to achieve the smallest possible flow resistance. The inertia of the movable sealing element reinforces the sealing effect in addition to the spring force when the piston or the fluidic element 16 moves along the flow direction 6.
Die Fig. 5a bis 5d zeigen weitere Ausführungsbeispiele für mit dem Fluidikelement 16 verbundene Dichtungen, wobei die Dichtungen vorgespannt sind, so dass der auf die Dichtung einwirkende Druck, der benötigt wird, um die Dichtung zu öffnen, gegenüber den in den Fig. 3 und 4 diskutierten Ausführungsbeispielen erhöht ist. Dabei zeigen die Fig. 5a bis c jeweils beispiele von Fluidikelementen 16 in Schnittansicht, während Fig. 5d eine Möglichkeit der Implementierung mittels eines speziellen Dichtungselements zeigt.Figures 5a to 5d show further embodiments of seals associated with the fluidic element 16 wherein the seals are biased so that the pressure applied to the seal needed to open the seal is opposite that shown in Figs 4 discussed embodiments is increased. 5 a to c show examples of fluidic elements 16 in a sectional view, while FIG. 5 d shows a possibility of implementation by means of a special sealing element.
Durch die in den Fig. 5a bis 5d gezeigten Maßnahmen, wird die Dichtung bzw. das Rückschlagventil mechanisch vorgespannt, so dass der Öffnungsdruck, der zur Öffnung des Ventils bzw. der Dichtung erforderlich ist, erhöht ist. Dies kann dazu verwendet werden, die dynamischen Eigenschaften des Systems einzustellen, um so beispielsweise eine Verlängerung der Rückholbewegung des Fluidikelements 16 zu bewirken. Darüber hinaus kann, wenn der Öffnungsdruck des Ventils erhöht wird, das Fluidiksystem bei Verwendung als Pumpe selbst dann noch kontrolliert fördern, wenn das am Fluidikvorrichtungseingang befindliche Flüssigkeitsreservoir einen höheren statischen Druck aufweist, als der Ausgang der Fluidikvorrichtung. In einem solchen Fall muss die Dichtung 20 der Fluidikvorrichtung und/oder das Rückschlagventil 12 der Fluidikvorrichtung dem Überdruck am Eingang standhalten, um zu; verhindern, dass die Ventile öffnen und die Flüssigkeit unabhängig von dem vom Fluidike- lement durchgeführten Förderhüben durch die Fluidikvorrichtung strömt.By the measures shown in FIGS. 5a to 5d, the seal or the check valve is mechanically biased, so that the opening pressure required for opening the valve or the seal is increased. This can be used to adjust the dynamic properties of the system so as to cause, for example, an extension of the return movement of the fluidic element 16. Moreover, when the opening pressure of the valve is increased, the fluidic system, when used as a pump, can still provide controlled delivery even when the fluid reservoir located at the fluidic device inlet has a higher static pressure than the outlet of the fluidic device. In such a case must the seal 20 of the fluidic device and / or the check valve 12 of the fluidic device withstand the overpressure at the inlet to ; prevent the valves from opening and the fluid from flowing through the fluidic device regardless of the delivery strokes made by the fluidic element.
Im in Fig. 5a gezeigten Fall wird die Membran 50 der in Fig. 3 beschriebenen Kreuzmembrandichtung dadurch vorge- spannt, dass vom Fluidikelement 16 vorstehende Zapfen 70 aus dem Material des Fluidikelements 16 geformt werden, die die Kreuzmembran entgegen der Rückstellwirkung der Kreuzmembranstege 52a bis 52d vorauslenken.In the case shown in FIG. 5 a, the diaphragm 50 of the cross-diaphragm seal described in FIG. 3 is prestressed by forming pins 70 projecting from the fluidic element 16 out of the material of the fluidic element 16 which blocks the cross-diaphragm against the restoring action of the cross-diaphragm webs 52 a to 52 d ahead steer.
Fig. 5b zeigt ein Beispiel, wie die Öffnungskraft für eine Klappendeckeldichtung erhöht werden kann, indem die Klappendeckeldichtung bzw. der Klappendeckel 42 der Klappendeckeldichtung entgegen der Rückstellkraft der Stege 44a und 44b vorausgelenkt wird. Dies wird erreicht, indem asymmet- risch geformte Zapfen 72 a und 72b am Fluidikelement 16 angebracht werden, die eine Vorauslenkung der Klappendeckeldichtung bewirken. Beim Verwenden einer Klappendeckeldichtung muss dabei beachtet werden, dass die die Vorauslenkung bewirkenden Elemente so geformt sein müssen, dass die Klappendeckeldichtung im vorausgelenkten Zustand dicht mit dem Fluidikelement 16 schließt. Entgegen dem in Fig. 5a gezeigten Fall können diese Elemente also nicht symmetrisch sein.Fig. 5b shows an example of how the opening force for a flap cover gasket can be increased by deflecting the flap cover gasket or flap cover 42 of the flap cover gasket against the restoring force of the webs 44a and 44b. This is achieved by attaching asymmetrically shaped pegs 72a and 72b to the fluidic element 16 which provide for pilot deflection of the flap cap seal. When using a flap lid seal, it must be noted that the elements causing the deflection must be shaped in such a way that the flap lid seal closes tightly with the fluidic element 16 in the pre-steered state. Contrary to the case shown in FIG. 5a, these elements can therefore not be symmetrical.
Im Fall des federvorbelasteten Kugelelements 62, das in Fig. 5c erneut dargestellt ist, reicht eine Erhöhung der Federhärte bzw. der Vorspannung der Feder aus, um den zur Öffnung der Dichtung erforderlichen Druck zu erhöhen.In the case of the spring-loaded ball element 62, which is shown again in Fig. 5c, an increase in the spring stiffness or the bias of the spring is sufficient to increase the pressure required to open the seal.
Fig. 5d zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Dichtung, bei dem die Vorspannung durch die Form der Dichtung selbst erzielt wird, indem diese im zentralen Bereich eine hervorstehende Struktur 74 aufweist, die einer Nase vergleichbar ist und die zu einer Vorauslenkung der Dichtung führt, wenn die Nase auf einem soliden Widerlager aufgelegt wird.Fig. 5d shows an embodiment of a seal in which the bias is achieved by the shape of the gasket itself by having in the central region a protruding structure 74 which is comparable to a nose and that leads to a forward deflection of the seal when the nose is placed on a solid abutment.
Die in Fig. 3 beispielhaft vorgestellten Dichtungen können also in anderen Worten durch verschiedene Maßnahmen vorgespannt werden. Dies kann beispielsweise mittels eines an der Stirnseite des Kolbens bzw. Fluidikelements 16 hervorstehenden Zapfens erreicht werden, der den Klappendeckel der Klappendeckeldichtung bzw. die Kreuzmembran vorspannt. Die Vorspannkraft lässt sich über die Zapfenhöhe, die Materialdicke, die Materialhärte und die Stegbreiten der Dichtungen variieren. Im in Fig. 5c gezeigten Fall kann die Vorspannkraft der Feder entsprechend gewählt werden, was zum einen über die Variation der Federhärte und zum anderen über die Variation der Vorauslenkung geschehen kann.The seals presented by way of example in FIG. 3 can thus be biased in different words by various measures. This can be achieved, for example, by means of a pin protruding at the end face of the piston or fluid element 16, which biases the flap cover of the flap cover gasket or the cross-membrane. The preload force can be varied by the pin height, the material thickness, the material hardness and the web widths of the seals. In the case shown in Fig. 5c, the biasing force of the spring can be selected accordingly, which can be done on the one hand on the variation of the spring stiffness and on the other via the variation of the forward steering.
Alternativ kann eine Dichtung mit einer aus der Dichtungsoberfläche hervorstehenden Nase hergestellt werden, so dass die Vorspannung direkt durch die in Frage stehende Dichtung selbst erzeugt wird.Alternatively, a gasket may be made having a protruding nose from the gasket surface so that the bias is directly generated by the gasket in question itself.
Fig. 6 zeigt in einer Ausschnittsdarstellung der in Fig. 1 gezeigten Fluidikvorrichtung eine weitere Möglichkeit, eine Vorspannung der Dichtung 20 des Fluidikelements 16 zu erzielen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in Fig. 6 gezeigt ist, wird die Vorspannung dadurch erreicht, dass eine zusätzliche Vorspannungsfeder 80, die an einem Widerlager 82 gelagert ist, entgegen der Strömungsrichtung 6 auf das Dichtungselement 20 des Fluidikelements 16 drückt. Eine Variation der Vorspannung kann dabei, wie eben anhand von Fig. 5 diskutierten Fall, über eine Änderung der Federhärte bzw. der Vorspannung der Feder erreicht werden.FIG. 6 shows, in a cutaway view of the fluidic device shown in FIG. 1, a further possibility of achieving a prestressing of the seal 20 of the fluidic element 16. According to the embodiment shown in Fig. 6, the bias voltage is achieved in that an additional biasing spring 80 which is mounted on an abutment 82, against the flow direction 6 presses on the sealing element 20 of the fluidic 16. A variation of the bias voltage can, as just discussed with reference to FIG. 5 case, be achieved via a change in the spring hardness or the bias of the spring.
Wie in Fig. 6 dargestellt, drückt also eine zusätzliche mechanische Feder, welche sich am Fluidikvorrichtungsaus- gang auf einem Anschlag abstützt, auf die Dichtmembran 20 des Kolbenventils (beispielsweise Klappendeckel bzw. Kreuzmembran) . Über die Federlänge und die Federkonstante lässt sich der Öffnungsdruck des Kolbenventils bzw. die Ventilvorspannung variieren. Die minimale Vorspannkraft ergibt sich aus dem geforderten dynamischen Ladedruck. Durch den Ladedruck soll während der Rückholbewegung des Kolbens ein sicheres Schließen des Rückschlagventils am Fluidikvorrich- tungseingang auch bei negativen Förderhöhen erzielt werden. Negative Förderhöhen bedeuten, wie bereits weiter oben motiviert, dass der Flüssigkeitspegel des durchströmenden Mediums am Zulauf der Fluidikvorrichtung höher liegt als am Auslauf der Fluidikvorrichtung. So können beispielsweise bis zu 0,2 Bar Vordruck kompensiert werden.As shown in FIG. 6, therefore, an additional mechanical spring, which is supported on a stop on the fluidic device outlet, presses against the sealing membrane 20 of the piston valve (for example flap cover or cross-diaphragm). About the spring length and the spring constant leaves the opening pressure of the piston valve or the valve bias vary. The minimum preload force results from the required dynamic boost pressure. Due to the boost pressure, a safe closing of the check valve at the fluidic device inlet is to be achieved during the return movement of the piston, even at negative delivery heights. As already mentioned above, negative delivery heights mean that the fluid level of the medium flowing through is higher at the inlet of the fluidic device than at the outlet of the fluidic device. For example, up to 0.2 bar pre-pressure can be compensated.
Durch die mechanische Vorbelastung des Ventils 20, wie sie anhand der Figuren 5a bis 5c und 6 illustriert wurde, wird es insbesondere ermöglicht, Ausführungsbeispiele von Flui- dikvorrichtungen dazu zu verwenden, den Durchfluss einer Flüssigkeit durch die Fluidikvorrichtung zu messen bzw. zu bestimmen. Dazu kann auf eine Antriebsvorrichtung verzichtet werden. Das Fluidikelement 16 bzw. die Kraft, die zur Öffnung des Ventils 20 des Fluidikelements 16 erforderlich ist, ist derart dimensioniert, dass bei einer durch die Fluidikvorrichtung strömenden Flüssigkeit die Dichtung geschlossen bleibt, und sich das Fluidikelement 16 somit vom Strom der Flüssigkeit angetrieben von der ersten Posi- tion 22 zur zweiten Position 24 bewegt. Wird von einem externen Detektor nachgewiesen, dass das Fluidikelement 16 an der zweiten Position 24 angekommen ist, kann diese Information dazu verwendet werden, das Fluidikelement von der zweiten Position zur ersten Position zurückzubewegen. Bei geeigneter Vorspannung des Ventils erzeugt der zusätzliche Staudruck der Flüssigkeit eine Kraft, die hoch genug ist, das Ventil 20 zu öffnen, so dass aus der Anzahl der Bewegungszyklen pro Zeiteinheit, also aus der Hubfrequenz, die durch die Fluidikvorrichtung strömende Flüssigkeitsmen- ge errechnet werden kann.The mechanical preloading of the valve 20, as illustrated with reference to FIGS. 5a to 5c and 6, makes it possible, in particular, to use embodiments of fluidic devices for measuring or determining the flow of a fluid through the fluidic device. This can be dispensed with a drive device. The fluidic element 16, or the force required to open the valve 20 of the fluidic element 16, is dimensioned such that when the fluid is flowing through the fluidic device, the seal remains closed and the fluidic element 16 is thus driven by the fluid flow moved first position 22 to the second position 24. If it is detected by an external detector that the fluidic element 16 has arrived at the second position 24, this information can be used to move the fluidic element back from the second position to the first position. If the valve is suitably biased, the additional back pressure of the fluid generates a force high enough to open the valve 20, so that the number of fluid cycles per unit of time, ie, the stroke frequency, is used to calculate the amount of fluid flowing through the fluidic device can.
Die Fig. 7a und 7b zeigen eine Ausschnittsvergrößerung einer anhand von Fig. 1 bereits diskutierten Fluidikvor- richtung, und dabei insbesondere den Fluidikvorrichtung- seingang 2 mit den beiden ersten Fluidwegsegmenten 10a und 10b und dem an das Fluidwegsegment 10b anschließenden Rückschlagventil 12. Da die Fig. 7a und 7b lediglich Aus- Schnittsvergrößerungen der beiden bereits angesprochenen Implementierungen mit Klappendeckeldichtung 12a (Fig. 7a) und Kreuzmembrandichtung 12b (Fig. 7b) zeigen, sei bezüglich der Funktionsweise der in den Fig. 7a und 7b gezeigten Komponenten auf die Erläuterungen zu den vorhergehenden Figuren verwiesen.FIGS. 7a and 7b show an enlarged detail of a fluidic device already discussed with reference to FIG. direction and, in particular, the fluidic device inlet 2 with the two first fluid path segments 10a and 10b and the check valve 12 adjoining the fluid path segment 10b. FIGS. 7a and 7b merely show sectional enlargements of the two previously discussed implementations with flap lid gasket 12a (FIG. 7a) and cross-diaphragm seal 12b (FIG. 7b), reference should be made to the explanations of the preceding figures with respect to the operation of the components shown in FIGS. 7a and 7b.
Das Rückschlagventil 12, das beispielsweise aus Gummi bestehen kann, kann dabei in einer Aussparung im Gehäuse eingelegt, geklebt oder fixiert werden. Die über der Boh- rung (dem Fluidwegsegment 10b) im Gehäuse platzierte Dichtung wirkt wie ein Rückschlagventil. Dieses Rückschlagventil 12 dichtet bei einigen Ausführungsbeispielen bereits bei sehr geringer Druckdifferenz luftdicht ab. Wie bereits anhand des Ventils des Fluidikelements 16 diskutiert, lassen sich die Öffnungs- und Schließzeiten des Ventils über die Materialstärke und die Stegbreiten des Klappdeckels bzw. der Kreuzmembran einstellen.The check valve 12, which may be made of rubber, for example, can be inserted, glued or fixed in a recess in the housing. The seal placed over the bore (fluid path segment 10b) in the housing acts like a check valve. This check valve 12 seals in some embodiments, even at very low pressure difference airtight. As already discussed with reference to the valve of the fluidic element 16, the opening and closing times of the valve can be adjusted via the material thickness and the web widths of the hinged lid or the cross-diaphragm.
Darüber hinaus kann der Öffnungs- und Schließdruck über die Materialstärke, die Stegbreite der Stege der Dichtungen und die Shorehärte eines eventuell verwendeten Dichtungsgummis beeinflusst werden.In addition, the opening and closing pressure can be influenced by the material thickness, the web width of the webs of the seals and the Shore hardness of a possibly used sealing rubber.
Die Fig. 8a und 8b zeigen in einer Schnittansicht die bereits anhand der Fig. 7a und 7b diskutierten Ausschnittsvergrößerungen in einer Schnittansicht, wobei in den Fig. 8a und 8b zusätzlich die Möglichkeit illustriert ist, auch die Rückschlagventile 12a und 12b am Eingang der Fluidik- vorrichtung mittels geeigneter Materialnasen 14a und 14b vorzuspannen, so dass der Druck, der zur Öffnung des Ventils erforderlich ist, erhöht wird. Die daraus sich ergebenden, positiven Konsequenzen für die Gesamtanordnung, wurden bereits im Zusammenhang mit dem Ventil des Fluidike- lements 16 diskutiert, so dass an dieser Stelle auf das zu diesen Ausführungsbeispielen Gesagte verwiesen wird.FIGS. 8a and 8b show in a sectional view the detail enlargements already discussed with reference to FIGS. 7a and 7b in a sectional view, the possibility additionally being illustrated in FIGS. 8a and 8b also of the check valves 12a and 12b at the inlet of the fluidic bias device by means of suitable material tabs 14a and 14b, so that the pressure required to open the valve is increased. The resulting positive consequences for the overall arrangement have already been described in connection with the fluidic valve. Elements 16 is discussed so that reference is made at this point to what has been said for these embodiments.
Genauso wie bei dem Fluidikelement 16 wird der Klappende- ekel 12b bzw. die Kreuzmembran 12a mittels eines hervorstehenden Zapfens 14a bzw. 14b an dem Fluidikvorrichtungsge- häuse 8 etwas vorgespannt. Beim Klappendeckel 12b ist die Zapfenfläche 14b entsprechend dem Einstellungswinkel anzu- schrägen, um ein vollständiges Aufliegen des Klappendeckels 12b sicherzustellen. Auch hier lässt sich die Vorspannkraft über die Zapfenhöhe, die Materialdicke, die Materialhärte und die Stegbreiten der Dichtungen variieren. Mit der in den Fig. 8a und 8b beschriebenen Maßname der Vorspannung der Dichtungen kann ein sicheres Schließen des Rückschlag- ventils am Fluidikvorrichtungseingang auch bei negativen Förderhöhen erzielt werden.As with the fluidic element 16, the flap-end diskless 12b and the cross-diaphragm 12a are slightly biased by means of a protruding pin 14a and 14b on the fluidic device housing 8, respectively. In the flap lid 12b, the pin surface 14b should be inclined in accordance with the setting angle in order to ensure complete seating of the flap lid 12b. Again, the biasing force on the pin height, the material thickness, the material hardness and the web widths of the seals vary. With the measure name of the prestressing of the seals described in FIGS. 8a and 8b, a secure closing of the check valve at the fluidic device inlet can also be achieved at negative delivery heights.
Fig. 9 verdeutlicht anhand der in Fig. 7a diskutierten Ausschnittsvergrößerung des Fluidikvorrichtungsgehäuses 8 den Zusammenhang der Dimensionierung der Strömungswiderstände der Fluidwegsegmente und des sich daraus ergebenden Duty-Cycles der Fluidikvorrichung. Zur Verdeutlichung des Zusammenhangs ist in Fig. 9 unten der zeitliche Verlauf des zum Betrieb eines Magneten erforderlichen Stroms 90 darge- stellt, welcher das Magnetfeld, das das Rückholen des Fluidikelements 16 bewirkt, erzeugt.9 clarifies the relationship between the dimensioning of the flow resistances of the fluid path segments and the resulting duty cycle of the fluidic device on the basis of the detail enlargement of the fluidic device housing 8 discussed in FIG. 7a. To clarify the relationship, the time profile of the current required to operate a magnet 90, which generates the magnetic field which causes the return of the fluidic element 16, is shown in FIG. 9 below.
Der Duty-Cycle ist dabei definiert als die Differenz der Dauer einer Vorwärtsbewegung 80 und einer Rückholbewegung 82 in Relation zur Summe der für beide Bewegungen erforderlichen Zeiten. Wie bereits eingehend anhand von Fig. 1 diskutiert, lässt sich über den Strömungswiderstand des Fluidwegsegments mit maximalem verwendetem Strömungswiderstand (d. h. über den Durchmesser und die Länge des Strö- mungskanals) eine Dauer 80 der Vorwärtsbewegung einstellen, sofern man annimmt, dass die Federspannung konstant bleibt. Aufgrund der näherungsweise konstanten Rückstellkraft der Feder bzw. der näherungsweise konstanten Strömungsgeschwin- digkeit des Fluids herrscht in der Fluidikvorrichtung während einer Vorwärtsbewegung ein kontinuierlicher, nahezu konstanter Fluidstrom.The duty cycle is defined as the difference between the duration of a forward movement 80 and a return movement 82 in relation to the sum of the times required for both movements. As already discussed in detail with reference to FIG. 1, a duration 80 of the forward movement can be adjusted via the flow resistance of the fluid path segment with maximum flow resistance used (ie via the diameter and the length of the flow channel), assuming that the spring tension remains constant , Due to the approximately constant restoring force of the spring or the approximately constant flow velocity fluidity prevails in the fluidic device during a forward motion, a continuous, nearly constant fluid flow.
Kann darüber hinaus erreicht werden, dass die Rückholbewegung, während der das Fluidikelement 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 bewegt wird, nur kurze Zeit dauert, erhält man eine Fluidikvorrichtung, in der ein näherungsweise konstanter Fluidstrom herrscht. Dies kann dadurch erreicht werden, dass der Strömungswiderstand des Flüssigkeitskanals 18 des Fluidikelements 16 gering ist, während der Strömungswiderstand des Fluidwegsegments mit maximalem Strömungswiderstand (Fluidwegsegment 10b) vergleichsweise hoch ist.In addition, if the return movement during which the fluidic element 16 is moved from the second position 24 to the first position 22 takes only a short time, it is possible to obtain a fluidic device in which an approximately constant fluid flow prevails. This can be achieved by the flow resistance of the liquid channel 18 of the fluidic element 16 being low, while the flow resistance of the fluid path segment having the maximum flow resistance (fluid path segment 10b) is comparatively high.
Durch beide Eigenschaften kann das Fluidiksystem so getaktet betrieben werden, dass sich ein quasi kontinuierlicher Fluidstrom realisieren lässt. Für medizinische Anwendungen ist es bei der Verwendung des Fluidiksystems als Pumpe beispielsweise oftmals erforderlich, dass mindestens alle zehn Sekunden ein Förderhub bzw. eine Vorwärtsbewegung des Fluidikelements erfolgt. Die Rückholbewegung des Fluidikelements ist aufgrund des niedrigen Strömungswiderstands des Fluidikelements mit dem Flüssigkeitskanal sehr kurz gegen- über dem Förderhub. Über die Variation des Bohrungsdurchmessers und damit des Strömungswiderstands des Kanals lässt sich somit für eine gewünschte Förderrate (= Pumpfrequenz) ein kontinuierlicher Pumpstrom einstellen. Dies hat auch positive Auswirkungen auf den elektrischen Wirkungsgrad der für den Antrieb der in Fig. 1 beschriebenen Fluidikvorrichtung erforderlichen Antriebsvorrichtung.Due to both properties, the fluidic system can be operated in a clocked manner so that a quasi-continuous fluid flow can be realized. For example, for medical applications, when using the fluidic system as a pump, it is often necessary for a delivery stroke or forward movement of the fluidic element to occur at least every ten seconds. The return movement of the fluidic element is very short compared to the delivery stroke due to the low flow resistance of the fluidic element with the fluid channel. By varying the bore diameter and thus the flow resistance of the channel, a continuous pumping current can thus be set for a desired delivery rate (= pumping frequency). This also has positive effects on the electrical efficiency of the drive device required for driving the fluidic device described in FIG. 1.
Bei der oben beschriebenen Dimensionierung ergibt sich beispielsweise der zeitliche Verlauf des zum Betrieb eines Magneten erforderlichen Stroms 90, welcher das Magnetfeld, das das Rückholen des Fluidikelements 16 bewirkt, erzeugt. Bei einer kurzen Rückholbewegung ist demzufolge auch nur eine geringe Zeit ein Strom in eine eventuell vorhandene Spule bzw. andere elektrische Einrichtung einzuspeisen, da während der darauf folgenden Bewegung in Strömungsrichtung keine elektrische Leistung zugeführt wird. Durch die im Vergleich zur Rückholbewegung sehr lange Bewegung des Fluidikelements in Strömungsrichtung wird also eine Flui- diksystem mit einem insgesamt positiven Duty-Cycle erzeugt. Dies wirkt sich auf den elektrischen Gesamtwirkungsgrad des Fluidiksystems äußerst günstig aus.In the dimensioning described above, for example, results in the time course of the current required for the operation of a magnet current 90, which generates the magnetic field, which causes the retrieval of the fluid element 16. In a short return movement is therefore only a small time a current in any existing To feed coil or other electrical device, since during the subsequent movement in the flow direction no electrical power is supplied. Due to the very long compared to the return movement of the fluidic element in the flow direction so a fluid diksystem is generated with an overall positive duty cycle. This has an extremely favorable effect on the overall electrical efficiency of the fluidic system.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Fluidiksystems, das eine berührungslos antreibbare Fluidikvorrichtung 100 und eine Antriebsvorrichtung 110 umfasst. Bei der Fluidikvorrichtung 100 handelt es sich beispielsweise um das anhand von Fig. 1 beschriebene Fluidikvorrichtung. Das Fluidiksystem umfasst ferner die Antriebsvorrichtung 110, die ausgebildet ist, um das Fluidikelement 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 zu bewegen. Im in Fig. 10 exemplarisch gezeigten Zustand der Fluidikvorrichtung 100 befindet sich das Fluidikelement 16 an der ersten Position 22, also unmittelbar zu Beginn eines Förderhubs. Die in Fig. 10 gezeigte Fluidikvorrichtung dient hier lediglich der Illustration des Zusammenspiels zwischen Fluidikvorrichtung und Antriebsvorrichtung 110, so dass auf eine weitergehende Diskussion der nur schematisch darge- stellten Fluidikvorrichtung 100 an dieser Stelle, zugunsten einer eingehenden Diskussion der Antriebsvorrichtung 110, verzichtet wird.10 shows an exemplary embodiment of a fluidic system that includes a non-contact driveable fluidic device 100 and a drive device 110. The fluidic device 100 is, for example, the fluidic device described with reference to FIG. 1. The fluidic system further includes the drive device 110, which is configured to move the fluidic element 16 from the second position 24 to the first position 22. In the state of the fluidic device 100 shown by way of example in FIG. 10, the fluidic element 16 is located at the first position 22, ie immediately at the beginning of a delivery stroke. The fluidic device shown in FIG. 10 merely serves to illustrate the interaction between the fluidic device and the drive device 110, so that a further discussion of the fluidic device 100 shown only schematically at this point in favor of a thorough discussion of the drive device 110 is dispensed with.
Die Antriebsvorrichtung 110 und die Fluidikvorrichtung 100 sind, wie es Fig. 10 zu entnehmen ist, derart ausgebildet, dass beide getrennt voneinander aufgebaut und reversibel miteinander koppelbar sind. Im in Fig. 10 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Antriebsvorrichtung 110 beispielsweise aus zwei zusammenklappbaren Hälften 112a und 112b, die im zusammengeklappten Zustand ein Innenvolumen bilden, das dem Volumen der Fluidikvorrichtung 110 entspricht, so dass dieses auch vollständig in die Antriebsvorrichtung 110 eingebracht werden kann. Die Antriebsvorrichtung ist ausgebildet, um das Fluidikele- ment 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 zu bewegen. Dies wird im in Fig. 10 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel durch eine schematisch dargestellte Spule 114 erreicht, die ein Magnetfeld innerhalb der Fluidikvorrich- tung 100 erzeugt, durch das das Fluidikelement 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 bewegt wird. Dabei wird gleichzeitig die Feder 14 vorgespannt, so dass durch Abschalten des die Spule durchfließenden Stroms die Vorwärtsbewegung des Fluidikelements in der Fluidikvorrich- tung 100 beginnt. Wie in Fig. 10 dargestellt, können Flui- dikvorrichtung 100 und Antriebsvorrichtung 110 beliebig reversibel miteinander gekoppelt werden. Dabei muss die kostenintensivere Antriebsvorrichtung lediglich einmal hergestellt bzw. gekauft werden. Mittels einer Antriebsvorrichtung können sukzessive eine beliebige Anzahl von Flui- dikvorrichtungen betrieben werden. Eine vollständige Sterilität bei Verwendung von sterilisierten Fluidikvorrichtun- gen kann durch das Fluidiksystem, wie es in Fig. 10 dargestellt ist, ohne weiteres gewährleistet werden.The drive device 110 and the fluidic device 100 are, as can be seen in FIG. 10, configured in such a way that both are constructed separately from each other and reversibly coupled to one another. In the exemplary embodiment shown in FIG. 10, the drive device 110 consists, for example, of two collapsible halves 112a and 112b which, when folded together, form an internal volume which corresponds to the volume of the fluidic device 110, so that this can also be completely introduced into the drive device 110. The drive device is designed to move the fluidic element 16 from the second position 24 to the first position 22. This is achieved in the embodiment shown in FIG. 10 by a schematically illustrated coil 114 which generates a magnetic field within the fluidic device 100, by means of which the fluidic element 16 is moved from the second position 24 into the first position 22. At the same time, the spring 14 is pretensioned so that the forward movement of the fluidic element in the fluidic device 100 begins by switching off the current flowing through the coil. As shown in FIG. 10, the fluidic device 100 and the drive device 110 can be coupled to each other in any reversible manner. The more expensive drive device only needs to be manufactured or purchased once. By means of a drive device, an arbitrary number of fluidic devices can be successively operated. Complete sterility using sterilized fluidic devices can be readily ensured by the fluidic system as illustrated in FIG. 10.
Die in Fig. 10 schematisch dargestellte Spule 114 zum Erzeugen eines Magnetfelds als Antrieb bzw. als Ursache für die auf das Fluidikelement 16 wirkende Rückstellkraft ist nur ein Beispiel für unterschiedlichste Implementierungen. Beliebige andere eine Rückstellkraft bewirkende Antriebsvorrichtungen können verwendet werden. Dies kann beispielsweise eine elektrostatische Kraft sein, die durch an der Position der Spule 114 angeordnete Elektroden auf das Fluidikelement 16 ausgeübt wird. Ferner kann, bei ausreichender Masse des Fluidikelements 16, eine rückstellende Kraft bzw. eine Kraft, die ein Bewegen des Fluidikelements 16 von der zweiten Position 24 zur ersten Position 22 bewirkt, auch die Trägheitskraft sein. Um dies zu erreichen, ist es möglich, die Antriebsvorrichtung mit hoher Beschleunigung in Strömungsrichtung 6 zu bewegen, so dass durch die Massenträgheit des Fluidikelements 16 dieses in die erste Position 22 bewegt wird, von der aus eine erneute Bewegung in Strömungsrichtung erfolgen kann.The coil 114 shown schematically in FIG. 10 for generating a magnetic field as a drive or as a cause for the restoring force acting on the fluidic element 16 is only one example of a very wide variety of implementations. Any other restoring force applying drive devices may be used. This may be, for example, an electrostatic force exerted on the fluidic element 16 by electrodes disposed at the position of the coil 114. Further, with sufficient mass of the fluidic element 16, a restoring force or force causing the fluidic element 16 to move from the second position 24 to the first position 22 may also be the inertial force. To achieve this, it is possible to move the drive device with high acceleration in the flow direction 6, so that by the inertia of the fluidic 16 this in the first position 22 is moved, from which a renewed movement in the flow direction can take place.
Es kann auch erforderlich sein, zu überprüfen, ob die Fluidikvorrichtung wie gewünscht funktioniert, bzw. ob es mit der gewünschten Förderleistung arbeitet. Der Aufbau des in Fig. 10 beschriebenen Fluidiksystems erlaubt es auf einfache Art und Weise, eine Detektionsvorrichtung in die Antriebsvorrichtung zu integrieren, die es ermöglicht, die Auslenkung bzw. die Bewegung des Fluidikelements 16 zu detektieren. Die Fig. 11 bis 13 beschreiben im Folgenden schematisch verschiedene Möglichkeiten, eine solche Detek- tion vorzunehmen.It may also be necessary to check if the fluidic device is functioning as desired or if it is operating at the desired delivery rate. The structure of the fluidic system described in FIG. 10 makes it possible in a simple manner to integrate a detection device into the drive device, which makes it possible to detect the deflection or movement of the fluidic element 16. FIGS. 11 to 13 schematically describe various possibilities for carrying out such a detection.
In Fig. 11 wird eine Detektionsvorrichtung 116 von einer zusätzlichen Spule 118 und einer mit der Spule verbundenen Auswerteeinrichtung 120 gebildet, die entlang des Fluidwe- ges den vom Fluidikelement 16 zurückgelegten Weg umgibt. Das zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren bzw. elektrisch leitenden Material bestehende Fluidikelement 16 induziert in der Spule 118 während seiner Bewegung eine Spannung bzw. ändert die Induktivität der Spule 118. Die Induktivität bzw. Spannungsänderung wird von der Auswerteeinrichtung 120 bestimmt, die darüber hinaus aufgrund eines theoretischen Modells bzw. einer vordurchgeführten Eichung die Position bzw. Bewegungsgeschwindigkeit des Fluidikelements 16, basierend auf den gemessenen Größen, bestimmen kann. Somit ist es auf einfache Art und Weise möglich, die Fördermenge bzw. die wunschgemäße Funktionsweise der Flui- dikvorrichtung 100 zu überwachen und gegebenenfalls, beispielsweise durch Regelung des Spulenstroms der Spule 114, korrigierend einzugreifen, sollte das Fluidiksystem bei Verwendung als Pumpe beispielsweise zu langsam arbeiten.In FIG. 11, a detection device 116 is formed by an additional coil 118 and an evaluation device 120 connected to the coil, which surrounds the path covered by the fluid element 16 along the fluid path. The at least partially made of a magnetizable or electrically conductive material fluid element 16 induces a voltage in the coil 118 during its movement or changes the inductance of the coil 118. The inductance or voltage change is determined by the evaluation device 120, which also due to a theoretical model or a pre-performed calibration, the position or movement speed of the fluidic element 16, based on the measured quantities, can determine. Thus, it is possible in a simple manner to monitor the delivery rate or the desired operation of the fluidic device 100 and optionally, for example by controlling the coil current of the coil 114, to intervene to correct the fluidic system when used as a pump, for example, to operate too slowly ,
Um aufgrund einer Induktivitätsänderung bzw. einer induzierten Spannung auf die Bewegung des Kolbens zu schließen ist darüber hinaus nicht notwendigerweise eine zusätzliche Spule 118 erforderlich. Vielmehr kann die Induktivitätsän- derung bzw. Spannungsänderung an der Spule 114, die die Rückstellkraft erzeugt, direkt ausgelesen werden, um so gegebenenfalls auf die Verwendung einer zusätzlichen Spule 118 verzichten zu können.In addition, to close due to an inductance change or an induced voltage on the movement of the piston, moreover, an additional coil 118 is not necessarily required. Rather, the inductance Change or voltage change to the coil 114, which generates the restoring force are read out directly, so as to be able to dispense with the use of an additional coil 118 if necessary.
Fig. 12 zeigt ein weiteres Beispiel, wie eine Detektions- vorrichtung 116 ausgestaltet sein kann, die eine Position des Fluidikelements 16 bestimmt. Beim in Fig. 12 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Detektionsvorrichtung 116 aus einer Elektrodenanordnung bestehend aus den Elektroden 122a und 122b, die eine Kapazität bilden, welche wiederum von einer innerhalb einer Auswerteeinrichtung 120 befindlichen Kapazitätsmesseinrichtung erfasst wird. Bewegt sich das Fluidikelement 16 während einer Bewegung in Strömungs- richtung in den Raum zwischen den Elektroden 122a und 122b, ändert sich die zwischen den Elektroden gemessene Kapazität. Dieser Effekt kann zusätzlich dadurch beeinflusst werden, dass das Fluidikelement 16 zumindest teilweise aus einem Dielektrikum hoher Dielektrizitätszahl besteht. Aus der gemessenen Kapazität zwischen den Elektroden 122a und 122b kann eine geeignete Auswerteeinrichtung auf die Position des Fluidikelements 16 schließen, so dass der Betrieb der Fluidikvorrichtung auf diese Art und Weise überwacht werden kann.FIG. 12 shows a further example of how a detection device 116 can be configured which determines a position of the fluidic element 16. In the embodiment shown in FIG. 12, the detection device 116 consists of an electrode arrangement consisting of the electrodes 122a and 122b, which form a capacitance, which in turn is detected by a capacitance measuring device located within an evaluation device 120. When the fluidic element 16 moves into the space between the electrodes 122a and 122b during a movement in the flow direction, the capacitance measured between the electrodes changes. This effect can additionally be influenced by the fact that the fluidic element 16 at least partially consists of a dielectric with a high dielectric constant. From the measured capacitance between the electrodes 122a and 122b, a suitable evaluation device can close the position of the fluidic element 16, so that the operation of the fluidic device can be monitored in this way.
Fig. 13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Detektionsvorrichtung 116, die eine oder mehrere Lichtquellen 130 und eine ortsauflösende Lichtsensoranordnung 132 um- fasst. Die Lichtsensoranordnung 132 ist mit der Auswerte- einrichtung 120 verbunden, so dass eine Intensitätsänderung, die sich auf der Lichtsensoranordnung 132 ergibt, wenn das Fluidikelement 16 in den sensitiven Bereich der Lichtsensoranordnung 132 bewegt wird, von der Auswerteeinrichtung 120 dazu verwendet werden kann, die aktuelle Position des Fluidikelements 16 bzw. des Kolbens 16 zu bestimmen. Zusätzlich zu den anhand der Fig. 10 bis 13 diskutierten Detektionsmöglichkeiten für eine Bestimmung der Kolbenposition bzw. der Kolbengeschwindigkeit und zur Fördermengenberechnung und -Überwachung sind weitere Maßnahmen denkbar, die dazu dienen, die Position des Kolbens zu bestimmen.FIG. 13 shows a further exemplary embodiment of a detection device 116, which comprises one or more light sources 130 and a spatially resolving light sensor arrangement 132. The light sensor arrangement 132 is connected to the evaluation device 120 so that a change in intensity that results on the light sensor arrangement 132 when the fluid element 16 is moved into the sensitive area of the light sensor arrangement 132 can be used by the evaluation unit 120 to determine the current one Position of the fluidic element 16 and the piston 16 to determine. In addition to the detection options discussed with reference to FIGS. 10 to 13 for a determination of the piston position or the piston speed and for the flow rate calculation and monitoring, further measures are conceivable which serve to determine the position of the piston.
Beispielsweise kann über eine kleine, zusätzlich auf dem Joch angebrachte Spule, ein sich änderndes Magnetfeld innerhalb des Jochs erzeugt werden. Mittels einer weiteren kleinen Erfassungsspule auf dem Joch induziert das sich ändernde Magnetfeld eine Spannung. Diese Spannung Uind ist unter anderem abhängig vom magnetischen Widerstand des Magnetkreises. Dieser magnetische Widerstand wiederum hängt unter anderem von der Position des Kolbens ab. Auf diese Art und Weise ließe sich ebenfalls überwachen, ob der Kolben den ganzen Hub gefahren ist und ob er z. B. stecken geblieben ist. Über eine Auswerteelektronik lässt sich die Kolbengeschwindigkeit zu jeder Zeit berechnen und die Zahl der ausgeführten Bewegungen in Strömungsrichtung zählen. Daraus lässt sich unmittelbar die Fluidmenge berechnen, welche durch die Fluidikvorrichtung geströmt ist.For example, a small magnetic field can be generated within the yoke via a small coil additionally mounted on the yoke. By means of another small detection coil on the yoke, the changing magnetic field induces a voltage. This voltage Ui n d is dependent inter alia on the magnetic resistance of the magnetic circuit. This magnetic resistance, in turn, depends on, among other things, the position of the piston. In this way, could also monitor whether the piston has driven the entire hub and whether he z. B. got stuck. An electronic evaluation unit can be used to calculate the piston speed at any time and to count the number of movements in the flow direction. From this it is possible to calculate directly the amount of fluid that has flowed through the fluidic device.
Bei dem in Fig. 13 gezeigten Ausführungsbeispiel kann zusätzlich der Kolben bzw. das Material des Kolbens geeig- net verändert werden, um die optische Erfassung der Oberfläche des Kolbens zu vereinfachen. Zu diesem Zweck können beispielsweise Markierungen mit starken Hell-Dunkel- Kontrasten an dem Außendurchmesser des Fluidikelements 16 angebracht werden. Darüber hinaus kann durch geeignete Wahl des Materials der Reflexionsgrad bzw. der Absorptionsgrad des Fluidikelements beeinflusst werden.In addition, in the embodiment shown in FIG. 13, the piston or the material of the piston can be suitably changed in order to simplify the optical detection of the surface of the piston. For this purpose, for example, markings with strong light-dark contrasts can be attached to the outer diameter of the fluidic element 16. In addition, the degree of reflection or the degree of absorption of the fluidic element can be influenced by suitable choice of the material.
Obwohl in den vorhergehenden Absätzen hauptsächlich anhand von medizinischen Anwendungen motiviert, kann die erfin- dungsgemäße Fluidikvorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Fluidiksystem in vielen anderen technischen Gebieten Verwendung finden. Beispielsweise eignen sie sich, um chemisch ätzende bzw. gefährliche (explosive, giftige) Flüssigkeiten zu transportieren, da die eigentliche Antriebsvorrichtung von der Fluidikvorrichtung physikalisch getrennt ist. Dadurch ist die Möglichkeit eines Lecks minimiert und es kann eine maximale Sicherheit gewährleistet werden.Although primarily motivated by medical applications in the preceding paragraphs, the fluidic device according to the invention or the fluidic system according to the invention can be used in many other technical fields. For example, they are suitable for chemically corrosive or dangerous (explosive, toxic) liquids because the actual drive device is physically separate from the fluidic device. This minimizes the possibility of leaks and ensures maximum safety.
Die Materialien, die für das Fluidikelement verwendet werden, können an die erforderlichen Gegebenheiten in weiten Grenzen frei angepasst werden. Soll beispielsweise ein magnetischer Antrieb verwendet werden, wird das Fluidi- kelement zumindest teilweise aus magnetisierbarem Material, beispielsweise aus ferromagnetischem oder paramagnetischem Material, gefertigt. Für einen elektrostatischen Antrieb könnten elektrisch leitfähige Materialien verwendet werden. Darüber hinaus kann das Fluidikelement teilweise aus die- lektrischen Materialien gebildet werden, wenn dies zur Detektion der Position des Fluidikelements 16 entlang des Fluidwegs erforderlich ist oder die Detektionsgenauigkeit erhöht.The materials used for the fluidic element can be freely adapted to the required conditions within wide limits. If, for example, a magnetic drive is to be used, the fluidic element is at least partially made of magnetizable material, for example of ferromagnetic or paramagnetic material. For an electrostatic drive electrically conductive materials could be used. In addition, the fluidic element may be partially formed of dielectric materials if required to detect the position of the fluidic element 16 along the fluidic path or increase detection accuracy.
Obwohl in den im Vorhergehenden diskutierten Ausführungsbeispielen die Rückstellkraft, also diejenige Kraft, die das Fluidikelement 16 während des Förderhubs bewegt, durch eine mechanische Feder erzeugt wird, ist diese Art der Krafterzeugung nicht die einzig mögliche. Beispielsweise kann durch eine zweite Spule, ähnlich wie im Fall des Rückstellhubs, auch im Förderhub, also während der Bewegung von der ersten Position 22 zur zweiten Position 24 die Kraft erzeugt werden, die das Fluidikelement 16 bewegt.Although in the embodiments discussed above, the restoring force, that is, the force that moves the fluidic element 16 during the delivery stroke, is generated by a mechanical spring, this type of force generation is not the only one possible. For example, by a second coil, similar to the case of the return stroke, the force which moves the fluidic element 16 can also be generated in the delivery stroke, that is to say during the movement from the first position 22 to the second position 24.
Das Fluidikvorrichtungsgehäuse 8 kann aus einer Vielzahl von Materialien bestehen. Beispielsweise kommen thermisch formbare Kunststoffe oder chemisch resistente Materialen in Betracht. Es sollte gegebenenfalls sichergestellt sein, dass die eventuell zum Antrieb des Fluidikelements 16 erforderlichen elektrostatischen Kräfte bzw. die elektromagnetischen Felder in das Fluidikvorrichtungsgehäuse eindringen können, so dass diese ihre Kraftwirkung am Fluidikelement 16 verhalten können. The fluidic device housing 8 may be made of a variety of materials. For example, come thermally moldable plastics or chemically resistant materials into consideration. If necessary, it should be ensured that the electrostatic forces or the electromagnetic fields which may be required to drive the fluidic element 16 can penetrate into the fluidic device housing so that they can act on their force acting on the fluidic element 16.

Claims

Patentansprüche claims
1. Fluidikvorrichtung mit einem in einer Strömungsrichtung (6) von einem Fluidikvorrichtungseingang (2) zu einem Fluidikvorrichtungsausgang (4) verlaufenden FIu- idweg, mit folgenden Merkmalen:1. Fluidic device with a in a flow direction (6) from a Fluidikvorrichtungseingang (2) to a Fluidikvorrichtungsausgang (4) extending Flu- idweg, comprising the following features:
einem Fluidikelement (16), das entlang des Fluidwegs zwischen einer ersten Position (22) und einer in Strö- mungsrichtung (6) hinter der ersten Position (22) befindlichen zweiten Position (24) beweglich ist und eine Durchströmungsöffnung (18) aufweist; unda fluidic element (16) which is movable along a fluid path between a first position (22) and a second position (24) located behind the first position (22) in the flow direction (6) and has a throughflow opening (18); and
ein den Fluidweg umschließendes Fluidikvorrichtungsge- häuse (8), wobeia Fluidikvorrichtungsge- housing (8) enclosing the fluid path, wherein
das Fluidikelement (16) und das Fluidikvorrichtungsge- häuse (8) derart ausgebildet sind, dass das Fluidikelement durch einen berührungslosen Antrieb von der zweiten Position (24) zu der ersten Position (22) bewegbar ist.the fluidic element (16) and the fluidic device housing (8) are designed such that the fluidic element is movable from the second position (24) to the first position (22) by a non-contact drive.
2. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem ein Strömungswiderstand der Durchströmungsöffnung bei ei- ner Bewegung des Fluidikelements von der ersten (22) in die zweite (24) Position größer ist, als ein Strömungswiderstand zwischen dem Fluidikelement und dem Fluidikvorrichtungsausgang (4).2. Fluidic device according to claim 1, wherein a flow resistance of the flow opening at a movement of the fluidic element from the first (22) to the second (24) position is greater than a flow resistance between the fluidic element and the Fluidikvorrichtungsausgang (4).
3. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem ein Strömungswiderstand der Durchströmungsöffnung bei einer Bewegung des Fluidikelements von der zweiten (24) in die erste (22) Position kleiner ist, als ein Strömungswiderstand zwischen dem Fluidikelement und dem Fluidikvorrichtungseingang (4) .3. Fluidic device according to claim 1 or 2, wherein a flow resistance of the flow opening at a movement of the fluidic element from the second (24) to the first (22) position is smaller than a flow resistance between the fluidic element and the Fluidikvorrichtungseingang (4).
4. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Durchströmungsöffnung (18) bei einer Bewegung des Fluidikelements (16) von der ersten (22) in die zweite (24) Position einen ersten Strö- mungswiderstand und bei einer Bewegung des Fluidikelements (16) von der zweiten (24) in die erste (22) Po- sition einen zweiten Strömungswiderstand besitzt, der sich von dem ersten Strömungswiderstand unterscheidet.4. fluidic device according to one of the preceding claims, wherein the flow opening (18) at a movement of the fluidic element (16) from the first (22) to the second (24) position, a first flow resistance, and a movement of the fluidic element (16) from the second (24) to the first (22) position second flow resistance, which is different from the first flow resistance.
5. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fluidikelement (16) ein zylind- rischer, mit einer axialen Bohrung als Durchströmungsöffnung (18) versehener Körper ist; und5. Fluidic device according to one of the preceding claims, in which the fluidic element (16) is a cylindrical body provided with an axial bore as a throughflow opening (18); and
bei der das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) zwischen der ersten (22) und der zweiten Position (24) ein flu- idisch dicht mit dem Außendurchmesser des Fluidikelements (16) abschließendes Volumen bildet.in which the fluidic device housing (8) forms a volume between the first (22) and the second position (24) that is fluidly close to the outer diameter of the fluidic element (16).
6. Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem ein Strömungswiderstand von dem Fluidikvor- richtungseingang (2) zu dem Fluidikelement (16) oder von dem Fluidikelement (16) zu dem Fluidikvorrichtung- sausgang (4) größer ist als der zweite Strömungswiderstand.6. Fluidic device according to one of claims 4 to 5, wherein a flow resistance from the Fluidikvor- direction input (2) to the fluidic element (16) or from the fluidic element (16) to the Fluidikvorrichtung- sausgang (4) is greater than the second flow resistance ,
7. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Querschnitt der Durchströmungsöffnung (18) des Fluidikelements (16) größer ist als der minimale Querschnitt des Fluidwegs zwischen der ersten Position (22) und dem Fluidikvorrichtungsein- gang (2) oder zwischen der zweiten Position (24) und dem Fluidikvorrichtungsausgang (4) .7. Fluidic device according to one of the preceding claims, wherein a cross section of the flow opening (18) of the fluidic element (16) is greater than the minimum cross section of the fluid path between the first position (22) and the Fluidikvorrichtungsein- gang (2) or between the second Position (24) and the fluidic device outlet (4).
8. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 4 bis 7, bei der der erste Strömungswiderstand größer ist als der zweite Strömungswiderstand.8. fluidic device according to claim 4 to 7, wherein the first flow resistance is greater than the second flow resistance.
9. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikelement (16) ein Ventil (20) aufweist, das eine Strömung durch die Durchströmungsöffnung (18) entgegen der Strömungsrichtung verhindert.9. Fluidic device according to one of the preceding claims, wherein the fluidic element (16) is a valve (20), which prevents a flow through the flow opening (18) against the flow direction.
10. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem zusätzlichen Merkmal:10. Fluidic device according to one of the preceding claims, with the following additional feature:
einem Rückschlagventil (12) zwischen dem Fluidikele- ment (16) und dem Fluidikvorrichtungseingang (2), das eine Flüssigkeitsströmung entgegen der Strömungsrichtung (6) verhindert.a check valve (12) between the Fluidikele- element (16) and the Fluidikvorrichtungseingang (2), which prevents a liquid flow against the flow direction (6).
11. Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Ventil (20) und/oder das Rückschlag- ventil (12) ein Klappendeckelventil, ein Kreuzmembranventil oder ein federbelastetes Element zum Verschließen der Durchströmungsöffnung (18) umfasst.11. Fluidic device according to one of claims 9 or 10, wherein the valve (20) and / or the non-return valve (12) comprises a flap lid valve, a cross-diaphragm valve or a spring-loaded element for closing the flow opening (18).
12. Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das Ventil (20) und/oder das Rückschlagventil12. Fluidic device according to one of claims 9 to 11, wherein the valve (20) and / or the check valve
(12) mechanisch vorgespannt ist, so dass eine zum Öffnen des Ventils in Strömungsrichtung erforderliche Kraft höher ist als im nicht vorgespannten Zustand.(12) is mechanically biased, so that a force required to open the valve in the flow direction is higher than in the non-biased state.
13. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 12, bei dem das Ventil (20) und/oder das Rückschlagventil (12) durch ein mechanisches Element (70; 72a, 72b) vorgespannt wird, das derart geformt ist, dass das Ventil und/oder das Rückschlagventil (12) im vorgespannten Zustand dichtet.13. Fluidic device according to claim 12, wherein the valve (20) and / or the check valve (12) by a mechanical element (70; 72a, 72b) is biased, which is shaped such that the valve and / or the check valve ( 12) in the prestressed state seals.
14. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, bei dem das Ventil (20) und/oder das Rückschlagventil (12) mittels einer Vorspannungsfeder (60) entgegen der Strömungsrichtung (6) mit einer Kraft beaufschlagt wird. 14. Fluidic device according to claim 12 or 13, wherein the valve (20) and / or the check valve (12) by means of a biasing spring (60) counter to the flow direction (6) is acted upon with a force.
15. Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei der das Ventil derart vorgespannt ist, dass die zum Öffnen des Ventils (20) erforderliche Kraft größer ist, als eine von der durch die Fluidikvorrich- tung strömenden Flüssigkeit verursachte Kraft auf das Ventil (20) , sodass bei einer Bewegung des Fluidikele- ments (16) in Strömungsrichtung das Ventil (20) geschlossen ist.15. Fluidic device according to one of claims 11 to 14, wherein the valve is biased such that the force required to open the valve (20) is greater than a force caused by the fluid flowing through the Fluidikvorrich- device force on the valve ( 20), so that upon movement of the fluid element (16) in the flow direction, the valve (20) is closed.
16. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 15, bei der das Ventil derart vorgespannt ist, dass eine durch die Flüssigkeit verursachter Staudruck eine Kraft auf das Ventil (20) ausübt, dir größer ist als die zum Öffnen des Ventils (20) erforderliche Kraft, wenn das Fluidi- kelement (16) von der zweiten (24) in die erste (22) Position bewegt wird.16. A fluidic device according to claim 15, wherein the valve is biased such that a dynamic pressure caused by the fluid exerts a force on the valve (20) is greater than the force required to open the valve (20) force when the fluidi - Kelement (16) from the second (24) is moved to the first (22) position.
17. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 10, bei dem das Rückschlagventil mechanisch mit einem magnetisierbaren Träger gekoppelt ist, sodass das Rückschlagventil über den Träger (80a) mit einer Kraft beaufschlagt werden kann.17. Fluidic device according to claim 10, wherein the check valve is mechanically coupled to a magnetizable carrier, so that the check valve via the carrier (80 a) can be acted upon with a force.
18. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem zusätzlichen Merkmal:18. Fluidic device according to one of the preceding claims, with the following additional feature:
einer Rückstelleinrichtung (14), um eine in Strömungsrichtung (6) wirkende Rückstellkraft auf das Fluidike- lement (16) auszuüben, so dass das Fluidikelement (16) von der ersten (22) in die zweite Position (24) bewegt wird.a restoring device (14) in order to exert on the fluidic element (16) a restoring force acting in the flow direction (6) so that the fluidic element (16) is moved from the first (22) to the second position (24).
19. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 18, bei dem die Rückstelleinrichtung (14) eine Feder ist.19. Fluidic device according to claim 18, wherein the restoring device (14) is a spring.
20. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) derart ausgebildet ist, dass der Fluidweg in Strö- mungsrichtung (6) vor der ersten Position (22) einen geringeren Querschnitt aufweist als zwischen der ersten (22) und der zweiten Position (24) .20. Fluidic device according to one of the preceding claims, wherein the fluidic device housing (8) is designed such that the fluid path in Strö- mung direction (6) before the first position (22) has a smaller cross-section than between the first (22) and the second position (24).
21. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) derart ausgebildet ist, dass der Fl'uidweg in Strö- mungsrichtung (6) nach der zweiten Position (24) einen geringeren Querschnitt aufweist als zwischen der ers- ten (22) und der zweiten Position (24) .21. fluidic device comprises according to one of the preceding claims, wherein the Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) is formed such that the Fl uidweg 'in the direction of flow currents (6) to the second position (24) has a smaller cross section than between the ERS th ( 22) and the second position (24).
22. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikelement (16) einen in Strömungsrichtung vor einem Dichtbereich (16a) befind- liehen Äntriebsbereich (16b) aufweist, wobei der Dichtbereich (16a) fluidisch dicht mit dem Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) abschließt.22. fluidic device according to one of the preceding claims, wherein the fluidic element (16) located in the flow direction in front of a sealing region (16a) lent Äntriebsbereich (16b), wherein the sealing region (16a) fluidly sealed with the Fluidikvorrichtungsgehäuse (8).
23. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 22, bei der der Antriebsbereich (16b) einen unterschiedlichen Querschnitt besitzt als der Dichtbereich (16a) .23. Fluidic device according to claim 22, wherein the drive region (16b) has a different cross section than the sealing region (16a).
24. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 22 oder 23, bei der der Antriebsbereich (16b) einen sich in Strömungsrich- tung durch den Antriebsbereich erstreckenden Flüssigkeitskanal (50a) aufweist.24. Fluidic device according to claim 22 or 23, wherein the drive region (16b) has a flow direction through the drive region extending fluid channel (50a).
25. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) eine oder mehrere Joche oder Pohlschuhe zum führen von magnetischen Feldern aufweist.25. Fluidic device according to one of the preceding claims, wherein the fluidic device housing (8) has one or more yokes or Pohlschuhe for guiding magnetic fields.
26. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fluidikelement zumindest teil- weise aus einem magnetisierbaren Material besteht. 26. Fluidic device according to one of the preceding claims, in which the fluidic element consists at least partially of a magnetizable material.
27. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 26, bei dem das magnetisierbare Material ein ferromagnetischer oder ein paramagnetischer Werkstoff ist.27. Fluidic device according to claim 26, wherein the magnetizable material is a ferromagnetic or a paramagnetic material.
28. Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 26 oder 27, bei dem das magnetisierbare Material elektrisch leitfähig ist.28. Fluidic device according to claim 26 or 27, wherein the magnetizable material is electrically conductive.
29. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikelement (16) zumindest teilweise aus dielektrischem Material besteht.29. Fluidic device according to one of the preceding claims, wherein the fluidic element (16) consists at least partially of dielectric material.
30. Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein in Strömungsrichtung30. Fluidic device according to one of the preceding claims, wherein at least one in the flow direction
(6) vor der ersten Position (22) befindlicher Teil des Fluidikvorrichtungsgehäuses (8) aus einem nichtmagne- tisierbaren Material besteht(6) part of the fluidic device housing (8) located in front of the first position (22) consists of a non-magnetic material
31. Fluidiksensor mit einem in einer Strömungsrichtung (6) von einem Fluidikvorrichtungseingang (2) zu einem FIu- idikvorrichtungsausgang (4) verlaufenden Fluidweg, mit folgenden Merkmalen:31. fluidic sensor having a fluid path extending in a flow direction (6) from a fluidic device inlet (2) to a fluidic device outlet (4), having the following features:
einem Fluidikelement (16), das entlang des Fluidwegs zwischen einer ersten Position (22) und einer in Strö- mungsrichtung (6) hinter der ersten Position (22) befindlichen zweiten Position (24) beweglich ist; unda fluidic element (16) movable along the fluid path between a first position (22) and a second position (24) located downstream of the first position (22) in the flow direction (6); and
ein den Fluidweg umschließendes Fluidikvorrichtungsge- häuse (8) , wobeia Fluidikvorrichtungsge- housing (8) enclosing the fluid path, wherein
das Fluidikelement (16) und das Fluidikvorrichtungsge- häuse (8) derart ausgebildet sind, dass das Fluidikelement durch einen berührungslosen Antrieb von der zweiten Position (24) zu der ersten Position (22) be- wegbar ist.the fluidic element (16) and the fluidic device housing (8) are designed such that the fluidic element can be moved from the second position (24) to the first position (22) by a non-contact drive.
32. Fluidiksensor gemäß Anspruch 31, mit folgendem zusätzlichen Merkmal: einer Auswerteeinrichtung, die ausgebildet ist, die Präsenz des Fluidikelements an der zweiten (24) Position nachzuweisen und bei Präsenz des Fluidikelements an der zweiten Position (24) ein Flüssigkeitsvolumen zu berechnen, das während einer Bewegung des Fluidikelements von der ersten zur zweiten Position durch den Fluidikssensor geströmt ist.32. Fluidic sensor according to claim 31, with the following additional feature: an evaluation device which is configured to detect the presence of the fluidic element at the second (24) position and to calculate a liquid volume during movement of the fluidic element from the first position to the second position through the second element (24) when the fluidic element is present; Fluidic sensor has flowed.
33. Fluidiksensor gemäß Anspruch 31 oder 32, mit folgendem zusätzlichen Merkmal:33. Fluidic sensor according to claim 31 or 32, with the following additional feature:
einer Antriebsvorrichtung, die ausgebildet ist, um das Fluidikelement (16) von der zweiten (24) in die erste Position (22) zu bewegen.a drive device configured to move the fluidic element (16) from the second (24) to the first position (22).
34. Fluidiksystem, mit folgenden Merkmalen:34. Fluidic system, having the following features:
einer Fluidikvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprü- che 1 bis 30 oder einem Fluidiksensor gemäß einem der Ansprüche 31 bis 33; unda fluidic device (100) according to any one of claims 1 to 30 or a fluidic sensor according to one of claims 31 to 33; and
einer Antriebsvorrichtung (110), die ausgebildet ist, um das Fluidikelement (16) oder den Fluidiksensor von der zweiten (24) in die erste Position (22) zu bewegen.a drive device (110) configured to move the fluidic element (16) or the fluidic sensor from the second (24) to the first position (22).
35. Fluidiksystem gemäß Anspruch 34, bei der die Antriebsvorrichtung (110) und die Fluidikvorrichtung (100) o- der der Fluidiksensor getrennt aufgebaut und reversibel miteinander koppelbar sind.35. The fluidic system according to claim 34, in which the drive device (110) and the fluidic device (100) or the fluidic sensor are constructed separately and reversibly coupled to one another.
36. Fluidiksystem gemäß Anspruch 35, bei der die Antriebsvorrichtung (110) und die Fluidikvorrichtung (100) o- der der Fluidiksensor derart ausgebildet sind, dass in einem gekoppelten Zustand die Antriebsvorrichtung (110) von dem Fluidweg physisch getrennt ist. 36. The fluidic system according to claim 35, wherein the drive device (110) and the fluidic device (100) or the fluidic sensor are designed such that in a coupled state, the drive device (110) is physically separated from the fluid path.
37. Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 36, bei der die Antriebsvorrichtung (110) und die Fluidikvor- richtung^ (100) oder der Fluidiksensor derart ausgebildet sind, dass während einer Bewegung des Fluidikele- ments (16) die Antriebsvorrichtung (110) nicht in physischem Kontakt mit einer durch den Fluidweg strömenden Flüssigkeit steht.37. Fluidic system according to one of claims 34 to 36, in which the drive device (110) and the fluidic device (100) or the fluidic sensor are designed such that during a movement of the fluid element (16) the drive device (110) is not in physical contact with a liquid flowing through the fluid path.
38. Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 36, bei der die Antriebsvorrichtung (110) ferner eine Vorrichtung zum Erzeugen eines mit dem Fluidikelement (16) derart koppelnden magnetischen oder elektrischen Feldes (114) umfasst, dass das Fluidikelement (16) von der zweiten (24) in die erste Position (22) bewegt wird.38. The fluidic system of claim 34, wherein the drive device further comprises means for generating a magnetic or electric field coupled to the fluidic element such that the fluidic element is from the second (24) is moved to the first position (22).
39. Fluidiksystem gemäß Anspruch 38, bei dem die Antriebsvorrichtung (110) ausgebildet ist, ein mit dem Träger (80a) koppelndes elektromagnetisches Feld zu erzeugen.39. The fluidic system of claim 38, wherein the drive device (110) is configured to generate an electromagnetic field coupled to the carrier (80a).
40. Fluidiksystem gemäß Anspruch 38 oder 39, bei dem die Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen oder e- lektrischen Feldes (114) eine oder mehrere Spulen umfasst .40. The fluidic system according to claim 38 or 39, wherein the device for generating a magnetic or electrical field (114) comprises one or more coils.
41. Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 38 bis 340, bei dem die Vorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen oder eines magnetischen Feldes (114) eine oder mehrere Elektroden aufweist, um ein elektrisches Feld zu erzeugen.41. A fluidic system according to any one of claims 38 to 340, wherein the means for generating an electric or a magnetic field (114) comprises one or more electrodes to generate an electric field.
42. Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 41, bei der die Antriebsvorrichtung (110) eine oder mehrere Joche oder Pohlschuhe zum Führen von magnetischen FeI- dern aufweist.42. A fluidic system according to any one of claims 34 to 41, wherein the drive device (110) has one or more yokes or Pohlschuhe for guiding magnetic FeI- countries.
43. Fluidiksystem gemäß Anspruch 34, bei der die Antriebsvorrichtung (110) eine Bewegungseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, die Fluidikvorrichtung in der Strömungsrichtung derart zu beschleunigen, dass das Fluidikelement vorbestimmter träger Masse von der zweiten Position in die erste Position bewegt wird.43. The fluidic system according to claim 34, wherein the drive device (110) comprises a movement device, which is configured to accelerate the fluidic device in the flow direction such that the fluidic element of predetermined inertial mass is moved from the second position to the first position.
44. Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 43, bei der die Antriebsvorrichtung (110) ferner eine Detekti- onsvorrichtung (116) umfasst, die ausgebildet ist, eine Position des Fluidikelements (16) zu bestimmen.44. The fluidic system of claim 34, wherein the drive device further comprises a detection device configured to determine a position of the fluidic element.
45. Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei der die Detekti- onsvorrichtung (116) einen Permanentmagneten und einen Magnetfeldsensor umfasst, der ausgebildet ist, das Magnetfeld des Permanentmagneten zu bestimmen.45. The fluidic system according to claim 44, wherein the detection device (116) comprises a permanent magnet and a magnetic field sensor configured to determine the magnetic field of the permanent magnet.
46. Fluidiksystem gemäß Anspruch 45, bei der die Detekti- onsvorrichtung (116) ferner eine Auswerteeinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, aus einer Veränderung des gemessenen Magnetfelds auf einen Ort und/oder eine Bewegung des Fluidikelements (16) zu schließen.46. The fluidic system according to claim 45, wherein the detection device (116) further comprises an evaluation device which is designed to close a change in the measured magnetic field to a location and / or a movement of the fluidic element (16).
47. Fluidiksystem gemäß Anspruch 46, bei der die Detekti- onsvorrichtung (120) eine Spule (118) und einen Sensor umfasst, der ausgebildet ist, in der Spule induzierte Spannung und/oder eine Induktivität der Spule zu bestimmen.47. The fluidic system of claim 46, wherein the detection device (120) comprises a coil (118) and a sensor configured to determine inductance induced in the coil and / or an inductance of the coil.
48. Fluidiksystem gemäß Anspruch 47, bei der die Detekti- onsvorrichtung ferner eine Auswerteeinrichtung (120) umfasst, die ausgebildet ist, aus der von dem Sensor erfassten Spannung und/oder eine Induktivität auf einen Ort und/oder eine Bewegung des Fluidikelements (16) zu schließen.48. The fluidic system according to claim 47, wherein the detection device further comprises an evaluation device (120), which is formed from the voltage detected by the sensor and / or an inductance to a location and / or a movement of the fluidic element (16). close.
49. Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei der die Detekti- onsvorrichtung (116) eine optische Erfassungseinrichtung (132) umfasst, die ausgebildet ist, die Position des Fluidikelements (16) zu erfassen. 49. The fluidic system according to claim 44, wherein the detection device (116) comprises optical detection means (132) adapted to detect the position of the fluidic element (16).
50. Fluidiksystem gemäß Anspruch 49, bei der die optische Erfassungseinrichtung (132) zumindest einen der folgenden Sensortypen umfasst: Lichtschranke, Photodio- denzeile, Bildsensor, Kamera-Chip, CDD CMOS Sensor.50. The fluidic system according to claim 49, wherein the optical detection device (132) comprises at least one of the following sensor types: light barrier, photodiode line, image sensor, camera chip, CDD CMOS sensor.
51. Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei der die Detekti- onsvorrichtung (116) eine Elektrodenanordnung (122a, 122b) und eine Kapazitätsmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, die Kapazität der Elektrodenanordnung 122a, 122b) zu bestimmen.51. The fluidic system according to claim 44, wherein the detection device (116) comprises an electrode assembly (122a, 122b) and a capacitance measuring device configured to determine the capacitance of the electrode assembly 122a, 122b).
52. Fluidiksystem gemäß Anspruch 51, bei der die Detekti- onsvorrichtung (116) ferner eine Auswerteeinrichtung (120) umfasst, die ausgebildet ist, aus der bestimmten Kapazität auf einen Ort und/oder eine Bewegung des Fluidikelements (16) zu schließen.52. The fluidic system according to claim 51, wherein the detection device (116) further comprises an evaluation device (120), which is designed to close from the determined capacity to a location and / or a movement of the fluidic element (16).
53. Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei dem die Detekti- onsvorrichtung (116) ausgebildet ist, zu erkennen, wenn das Fluidikelement (16) sich an der ersten (22) oder der zweiten (24) Position befindet und die Antriebsvorrichtung derart zu steuern, dass das Fluidikelement (16) von der zweiten (24) zu der ersten (22) Position bewegt wird, wenn es an der zweiten Position befindlich ist.53. The fluidic system of claim 44, wherein the detection device (116) is configured to detect when the fluidic element (16) is at the first (22) or second (24) position and to control the drive device such that the fluidic element (16) is moved from the second (24) to the first (22) position when in the second position.
54. Fluidiksystem gemäß Anspruch 53, das ferner eine Auswerteeinrichtung aufweist, um Signale von der De- tektionsvorrichtung (116) und/oder der Antriebsvorrichtung (110) auszuwerten, um aus einer Anzahl der Bewegungen von der zweiten (24) zu der ersten (22) Position auf ein das die Fluidikvorrichtung durchströmendes Flüssigkeitsvolumen zu schließen. 54. The fluidic system according to claim 53, further comprising an evaluation device for evaluating signals from the detection device (116) and / or the drive device (110) in order to determine from a number of movements from the second (24) to the first (22 ) To close position on a liquid volume flowing through the fluidic device.
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