CN109844311A - 微型阀、流体泵以及操作流体泵的方法 - Google Patents

微型阀、流体泵以及操作流体泵的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于从入口朝向出口泵送流体的流体泵、操作这种流体泵的方法以及微型阀。流体泵包括：泵主体(10)，其至少具有第一开口(13)和第二开口(14)；可偏移泵隔膜(11)，其以在泵主体(10)与隔膜(11)之间形成泵室(12)、并且所述泵室(12)经由所述第一开口(13)流体连接到入口且经由所述第二开口(14)流体连接到出口的方式附接到泵主体(10)；以及阀座(15)，其绕着第二开口(14)配置于泵室(12)内部，并且以未变形高度从第二开口(14)朝向泵隔膜(11)突出到泵室(12)中，使得可偏移隔膜(11)能够操作以分别通过与阀座(15)接触和远离阀座(15)来关闭和打开出口的流体通路。阀座(15)包括弹性主体(16)和具有密封表面的垫片(17)。

Description

微型阀、流体泵以及操作流体泵的方法
技术领域
本发明涉及用于从入口朝向出口泵送流体的流体泵。本发明还涉及操作这种流体泵的方法，并且涉及能够与微型泵一起使用的微型阀。
背景技术
特别地，本发明公开了一种微型阀泵(μVP)装置，其能够应用到用于流体配量、处理和操作的广泛应用。这种装置的应用领域可以例如在生命科学中找到，如化学分析系统中的微型泵和/或微型阀。其它示例性应用包括在高通量喷墨打印机中泵送墨、将润滑剂给送到转动的轴承或者对用于化学气体分析的气体进行取样。在所有应用领域中，该装置能够用作高性能阀，以主动地打开或关闭流或者作为非常高流量的单向微型泵以从入口将流体泵送到出口。
本发明涉及机械往复式容积泵的领域。该领域中的现有技术的详细说明在出版物[1]：P.Woias，Micropumps-past,progress and future prospects,Sensors andActuators B 105,2005,28-38以及出版物[2]：D.J.Laser and J.G.Santiago,A reviewof Micropumps,Journal of Micromechanics and Microengineering 14,2004,R35-R64中找到。
[1]中的图1和[2]中的图2示出往复式微型泵的主要部分的通常、共用的设计原理：至少一个泵隔膜安装于泵室的一侧并且以往复的方式移位以在泵室中产生交替的过压和负压。两个主动或被动阀分别位于泵室的流体入口与泵室的流体出口之间。以如下方式选择这些阀的打开和关闭的时间：泵室中的负压将在出口阀关闭的情况下通过打开的入口阀将流体抽吸到泵室中。泵室中的过压将在入口阀关闭的情况下通过打开的出口阀将流体从泵室分送到出口。
如[1]和[2]中公开的，用于该通常类型的容积微型泵的致动原理各式各样，使用压电、电磁、热气动或静电致动。原则上，能够应用允许隔膜以往复的形式移位的每个致动构思，而无论相应的致动器是泵隔膜的一体部件还是被实现为机械或能量联接到泵隔膜的独立单元。另外，阀能够由非常不同的形状和设计制成。
如文献[1]和[2]中公开的，当前使用三种不同类型的阀。
首先，被动瓣阀通过泵室中的负压和过压而打开和关闭。通常这些被动阀在入口与出口之间产生单向流，这是因为这些被动阀本质上是单向的。然而，出版物[3]：R.Zengerle et al.,A bidirectional Silicon micropump,Sensors and ActuatorsA50，1995，81-86中还示出动态效应还可以在具有瓣阀的微型泵中产生从出口到入口的反向流。背后的物理效应是压力触发的的瓣移动相对于泵隔膜移动的时滞，该时滞经由瓣移动的惯性效应和流体阻尼产生。
第二类型是主动阀，该主动阀配备有它们自己的致动机构并且按需打开或关闭。这种微型泵经常被称为蠕动微型泵，这是因为这种微型泵模仿辊或管式泵的操作。这种微型泵还通过相对于泵隔膜的操作适当选择阀打开和关闭的时间而允许双向流。
第三类型是喷嘴扩散器阀。这些阀与其它两种类型的阀的区别在于这些阀不允许完全关闭的事实。相反地，这些阀由流体通道或孔(orifice)构造，流体通道或孔具有为向前和向后的流提供不同流体阻力的形状。公知的示例是出版物[4]：E.Stemme,G.Stemme,Avalveless diffuser/nozzle-based fluid pump,Sensors and Actuators A 39，1993，159-167中说明的具有圆锥形状的通道。
所说明的微型泵目前使用分离的泵隔膜和阀单元作为共同特征。然而，必须提及的是，采用主动隔膜阀的蠕动泵还将利用这些隔膜的流体移位以推进流体。因此，这些阀参与泵隔膜的功能。这记载于出版物[5]：F.et al.,A genericanalytical model for micro-diaphragm pumps with active valves,Journal ofMicromechanics and Microengineering 15(4)，2005，673-683和图2。
然而，在任何版本中，以上说明的往复微型泵存在多个传统方案的缺点：
尤其地，在以小型化微型泵为目标的情况下，泵隔膜、泵室和两个流体阀的组合导致相对复杂的设计和制造技术。另外，例如通过利用颗粒堵塞阀、流体系统内部的流体气泡截留或归因于仅一个功能部件的故障(一个瓣破裂或隔膜致动器中的损坏)导致微型泵的失效而增加了缺陷和错误来源。
具有主动阀的微型泵比具有被动阀的微型泵复杂得多并且需要具有较高复杂度的电驱动器。
具有喷嘴扩散器阀的微型泵展现入口与出口之间的打开的流体通道。入口与出口之间的任何前压或背压将在该时间阶段产生不期望的寄生流(parasitic flow)，具有潜在的不期望的效果和降低的泵性能。
出版物[6]DE 195 46 570 C1示出了作为降低设计复杂度的步骤，微型泵利用单个隔膜阀的组合的泵送效应和阀效应。该装置使用安装于流体室顶部的弹性且致动的隔膜。该室具有流体入口和流体出口。流体出口能够经由隔膜的致动关闭，隔膜的中心带有面向泵室的机械刚性的凸台。当阀隔膜朝向泵室向下移动时，凸台压在出口开口上，由此阻碍泵室与出口之间的流体连接。当隔膜向上移动时，阀凸台移动远离出口开口，因此打开泵室与出口之间的流体管道。因此，出口开口用作阀座，并且主动阀由阀座与位于致动隔膜的阀凸台的相互作用形成。
如文献[6]说明的，该阀的泵送机构由下述事实产生：阀凸台与阀座之间的路径的流体阻力以非线性方式取决于阀凸台与阀座之间的距离h和出口阀处的压差p。在简化的模型中，流与ph3成正比，在更复杂的模型中，流与pxhy成正比，其中x和y为数值模型参数。与此相反，入口开口示出孔的流体特征，其中流量仅与孔处的压差的平方根与入口开口的恒定有效截面面积的乘积成正比。因为这类似于蠕动微型泵的设计，所以可以预期的是，在出版物[5]所示的装置中也将找到相同的泵送机构。
因此，阀凸台的从打开位置到关闭位置的运动将由于参数h3的锐减而产生流体阻力随时间高度非线性的增加。另一方面，阀凸台的从关闭位置到打开位置的移动将产生流体阻力的高度非线性的减小。入口开口的流体阻力仅取决于入口开口处的压差。
因此，如[6]中说明的，在抽吸阶段期间，阀的开口将在流体室中产生高负压，同时几乎关闭的出口阀呈现相对高的流体阻力，而入口开口将呈现较低的流体阻力。结果，流体将优先从入口被抽吸到流体室中，其中流体从出口抽吸回流体室的贡献较小。因为流体室中的负压由于该涌入而最终减小到零，所以净涌入将经由入口发生。
在分送阶段期间，阀的关闭将在流体室中产生高的瞬时过压，同时打开出口阀呈现低的流体阻力，而入口开口必须呈现比出口阀高的流体阻力。结果是与抽吸阶段期间的涌入相比流体较多涌入到出口，因此流体较少回流到入口。在泵循环期间的总净流将朝向出口。
出版物[6]揭示了这里说明的阀式微型泵构思的多个缺点：
微型泵送效应取决于泵室压力的动态变化、阀凸台与阀座之间的间隙高度的动态变化以及通过入口的流的动态变化之间的微妙平衡。这呈现了设计约束，因为只有定制的参数组将产生泵送效果。
入口的流体阻力和打开的出口的流体阻力必须以总体上存在净涌出的方式匹配。为了实现这点，入口开口必须在其尺寸上受限制，这相应限制了抽吸阶段期间的流体的涌入。
泵室压力必须被设定为特定的最大值和最小值，用于抽吸和分送阶段的特定时间段，以实现期望的净涌入和涌出。这对隔膜行程和隔膜致动器性能提出了要求。出版物[6]提出了隔膜冲程的受控变化以定制泵室压力。这将使用于致动器的电驱动器复杂化。
根据[6]的微型泵示出了具有在入口与出口之间的打开的流体通道的大的时间段。入口与出口之间的任何前压或背压将在该时间段期间产生不期望的寄生流，具有潜在的不期望的效果和降低的泵送性能。
在抽吸阶段，根据出版物[6]的图1的泵将仅在出口阀打开时开始在泵室中创建负压。这可从[6]的图1中清晰的观察到，并且也能够从[6]的图8中得出。在[6]的图1中，悬臂式压电致动器不能在阀凸台向上移动之前使泵隔膜变形。在[6]的图8中，刚性阀凸台将显著地阻碍弹性泵隔膜在向上移动中的变形。因此，将仅在两个阀同时打开的情况下运输体积，这具有不期望的回流和往回泵送的缺点。
从出版物[7]US 2013/0186078A1已知一种微型阀，其具有可弹性变形的阀盖。该微型阀由两个稳固连接的基板形成并且优选地具有致动器元件(例如隔膜驱动的致动器元件)，用于受控地打开和关闭第一和/或第二通道。该文献还涉及用于生产这种微型阀的方法和使用至少一个这种微型阀的微型泵。所述微型泵旨在特别地与人造括约肌(sphincter)的开发结合使用。微型阀具有第一基板和第二基板以及至少一个第一通道和至少一个第二通道，第一基板和第二基板不可拆卸地彼此结合以便形成可控的流体流动部。根据本发明，微型阀具有至少一个可弹性变形的密封结构，该密封结构例如能够由光结构有机硅(photostructurable silicone)形成以密封第一和/或第二通道。
然而，文献[7]仅公开了使用相对薄的光刻阀盖，该阀盖不能在竖直方向上伸长以用于实现基于第一开口的泵送动作并且第二开口周围仅一个阀座。
发明内容
本发明的目的在于提供改善的结构，以创建具有简单结构、机械和流体设计的泵送效果。
该目的由独立技术方案的主题解决。本发明的有利实施方式为从属技术方案的主题。
本发明基于引入滞后可变形阀机构的构思，该阀机构基于柔性阀座的变形，使得在阀的交替的关闭和打开期间实现了阀的间隙宽度的有利调整。另外，在阀的打开状态和关闭状态之间的过渡点处产生时间段，在该时间段阀归因于阀座的弹性压缩和拉伸而保持关闭。因此，该阀示出了流体流相对于泵隔膜位置的滞后。
根据本发明，用于从入口朝向出口泵送流体的流体泵包括泵主体，泵主体至少具有第一开口和第二开口。可偏移泵隔膜以在泵主体与隔膜之间形成泵室、并且所述泵室经由所述第一开口流体连接到入口并且经由所述第二开口流体连接到出口的方式附接到泵主体。
阀座绕着第二开口配置于泵室内部，并且以未变形高度从第二开口朝向泵隔膜突出到泵室中，使得可偏移隔膜能够操作以分别通过与阀座接触和远离阀座来关闭和打开出口的流体通路。根据本发明，阀座包括弹性主体和具有密封表面的垫片。
首先可以在特别简单的构造设计中看出该方案的优点。此外，实验已经表明根据本发明的流体泵具有低程度的流体回流，并且因为出口在各泵送循环的相对长时间期间保持关闭而非常稳定地抵抗出口处的反压。
阀被设计为当隔膜在座上向下移动时能够被隔膜压缩，因此减小阀的初始高度。阀还被设计为在与向上移动的泵隔膜接触时能够从阀的初始高度伸长。最终，垫片和密封表面被设计为垫片和密封表面能够由于液压或其它力而附着到隔膜。
本申请中使用的“刚性”意味着坚硬、不屈曲，即刚性结构不适于在结构的正常使用期间变形。
本申请中使用的“柔性”意味着不坚硬、非刚性，即可弯曲但不可伸展。柔性结构适于在结构的正常使用中在特定方向上可变形但是不伸长。长度在弯曲期间不改变。
本申请中使用的“可伸展”意味着弹性，即伸长地弹性变形。可伸展结构适于在正常使用期间(伸长地)弹性变形。
本申请中使用的“可压缩”意味着弹性，即在施加压力的方向上尺寸减小地弹性变形。可伸展结构适于在正常使用期间(尺寸减小地)弹性变形。
根据本发明的第一方面，在打开阶段期间所述泵隔膜能够在移动远离阀时保持附接垫片和密封表面。因此，弹性阀伸长，在与关闭阶段期间泵隔膜与密封表面接触时的高度相比的较高的位置，泵隔膜将与密封表面分离。
根据本发明的第二方面，在分离时所述隔膜足够快地移动远离弹性阀座，以能够借助于在阀座与分离的隔膜之间创建的负压进一步拖动并拉伸垫片和密封表面。因此，当隔膜向上移动并且与阀座分离时，与阀座被考虑为由更刚性材料制成的情况相比，阀座与泵隔膜之间的间隙较小。
两种效果在微型泵的抽吸阶段期间在出口中创建更高的流体阻力，引起了与出版物[6]中的装置相比大得多的有效泵送。
根据提出的本发明的第一和第二方面的流体泵还能够被实现为主动阀，以阻挡或允许在两个方向上的流动。
提出的泵或阀能够被设定为常开，即在隔膜与处于自然位置(natural position)的座之间存在间隙的情况下，在隔膜的非致动状态下入口与出口之间具有流体连接。提出的泵或阀还能够被设定为常闭，即在隔膜置于处于自然位置的座的情况下，在隔膜的非致动状态下入口与出口之间不具有流体连接。
有利地，可偏移泵隔膜具有比阀座的弹性主体高得多的刚性，使得弹性主体不会以显著的方式阻碍可偏移泵隔膜的移动。
保持出口关闭的效果能够通过允许阀座跟随可偏移隔膜的移动、因而展现滞后效应而实现。根据有利实施方式，阀座的所述弹性主体具有如下弹性：当隔膜朝向泵主体偏移时，弹性主体的高度因压缩而减小。此外，阀座的弹性主体可以伸展，使得当隔膜偏移远离泵主体时弹性主体的高度增加。
为了有效地操作泵，弹性主体具有绕着第二开口配置的筒状。
弹性主体可以具有安装凸缘，该安装凸缘绕着第二开口附接到泵主体，并且安装凸缘具有的径向厚度比弹性主体在与可偏移隔膜接触的末端处具有的径向厚度大。这种构造允许弹性主体稳固附接到泵主体的在泵室内的表面。
为了选择一方面对于密封功能另一方面对于阀座的变形来说最优的材料特征，弹性主体和垫片被制造为独立的部件。然而，对于本领域技术人员来说清楚的是，具有这两个部件的阀座还可以被制造为一个一体的部件。
根据本发明的有利实施方式，阀座具有被配置为与可偏移隔膜接触的密封区域以及附接到泵主体的安装区域，密封区域中的孔可以具有比从安装区域处的泵主体通过阀座导向该孔的通道小的直径。由此，流体中的压力分布以如下方式产生：在向上移动期间，密封区域将自身吸靠于可偏移隔膜。
此外，阀座可以具有壁厚减小了的区域。由此，利于压缩和伸展。可选的或附加地，阀座可以包括具有U字轮廓或V字轮廓的波纹状区域。另外，阀座的壁厚可以沿着其长度以台阶或连续的方式改变。
为了防止阀座因施加的压力而与泵主体脱离，阀座可以被安装为部分地接收在在泵主体中形成于第二开口处的凹部内。
当所述第二开口被配置为与泵隔膜同心时，能够实现特别对称的压力分布和平滑的操作。
根据另一有利实施方式，垫片包括磁性材料，并且流体泵包括电磁致动器，电磁致动器能够操作以通过与所述磁性材料相互作用而伸长和/或压缩弹性主体。这允许更精确地调节泵特性。电磁致动器可以在泵室外部位于可偏移隔膜并且靠近垫片以便通过可偏移隔膜与垫片相互作用。可选地，电磁致动器可以位于泵主体内。特别地，泵主体可以包括被配置为与第二开口同心的环形凹部，电磁致动器安装于所述环形凹部内。后一实施方式更稳固并且具有如下优点：电磁致动器不会损坏可偏移隔膜的机械性能。
根据本发明，流体泵系统还可以组合如上所述的多个流体泵。例如，两个泵可以被配置为共用可偏移泵隔膜。因此，通过致动一个隔膜可以泵送双倍量的流体。
本发明还提供了操作流体泵的方法，该流体泵包括：
泵主体，其至少具有第一开口和第二开口，
可偏移泵隔膜，其以在泵主体与隔膜之间形成泵室、并且所述泵室经由所述第一开口流体连接到入口且经由所述第二开口流体连接到出口的方式附接到泵主体，
阀座，其绕着第二开口配置于泵室内部，并且以未变形高度从第二开口朝向泵隔膜突出到泵室中，使得可偏移隔膜能够操作以分别通过与阀座接触和远离阀座来关闭和打开出口的流体通路，其中，阀座包括弹性主体和具有密封表面的垫片，
其中，该方法包括以下步骤：
a)致动可偏移隔膜以朝向阀座移动直到可偏移隔膜与垫片密封接触，进一步致动可偏移隔膜以移动直到阀座被压缩，以便具有与阀座的未变形高度相比减小的高度，
b)致动可偏移隔膜以移动远离阀座直到可偏移隔膜与垫片失去接触，在该移动期间，阀座伸展以便具有与所述未变形高度相比伸长的高度，
c)重复步骤a)和b)以从入口朝向出口泵送流体。
如上所述，来自出口的回流能够保持得低并且泵在出口处还抵抗高的反压。
根据有利实施方式，垫片包括磁性材料，并且流体泵包括电磁致动器，所述电磁致动器能够被操作以通过与所述磁性材料相互作用而伸长和/或压缩弹性主体。
本发明还涉及用于流体泵的微型阀，微型阀包括：主体，其具有流体连接到泵室的开口；阀座，其绕着所述开口配置并且以未变形高度从开口朝向可偏移隔膜突出到泵室中，使得可偏移隔膜能够操作以分别通过与阀座接触和远离阀座来关闭和打开开口的流体通路，其中，阀座包括弹性主体和具有密封表面的垫片，并且阀座包括至少一个致动区域，致动区域用于通过所施加的从开口指向泵室的流体压力而被致动。
根据本发明的某些方面，设置可移动阀机构以提高阀和微型阀的阀功能。本发明基于利用阀座将改善和增强出口与入口之间的阀功能的构思，与隔膜相比，该阀座能够在阀的入口处在施加的压力下移动。换言之，在施加的压力下，隔膜与阀座之间的间隙减小。该可移动性能够归因于以如下方式安装的柔性阀座的使用：例如通过使表面区域暴露于施加的压力而能够在施加的压力下变形/偏移。另外，可移动性能够归因于柔性阀保持件(还被称为安装部件)的使用或者通常能够归因于阀座的柔性实施方式的使用或者所有的组合，其中柔性阀保持件能够在施加的压力下变形/偏移，阀座能够在施加的压力下变形/偏移。
因此，在对阀施加较高压力的情况下，阀座与阀的隔膜之间的间隙减小，结果这简化了阀的封闭。利用施加的压力与产生的可变间隙之间的正确关联性，甚至可以实现被动自控压力/流装置(passive self-control-pressure/flow device)。本发明能够应用于科学和技术的各种领域，诸如但不限于微全分析系统(micro-total-analysis-systems)、芯片实验室应用、电子装置的冷却、注射系统、配量和计量设置等。
阀座、阀保持件和阀实施方式的几何形状和材料性质是用于实现期望的压力-偏移曲线或压力-间隙曲线的控制变量。
附图说明
附图被并入并形成说明书的一部分以示出本发明的实施方式。这些附图与说明一起用于解释本发明的原理。附图仅用于示出本发明能够如何做出和使用的优选的和可选的示例的目的，并且不应被解释为将本发明限制为所示出和说明实施方式。此外，所说明的实施方式的多个方面可以独立地或以不同组合形成根据本发明的方案。如附图所示，从以下对本发明的各种实施方式的更具体的说明中，其它特征和优点将变得明显，其中相似的附图标记表示相似的元件，在附图中：
图1示出了泵的示意性截面图；
图2示出了说明图1所示的泵的泵送所需的物理参数的表示；
图3的a至图3的e示出了泵送循环期间关于本发明的第一方面的泵送的图形表示；
图4示出了关于图3的、一个泵循环期间的排出的容积的表格；
图5的a和图5的b示出了关于本发明的第二方面的泵送的图形表示；
图6a-图6b分别示出了针对具有弹性阀座和不具有弹性阀座的泵演示的用于泵循环的间隙高度、泵室压力和通过出口的流量的示意图；
图7的a至图7的h示出了弹性阀座的若干实施方式；
图8示出了包括两个根据图1的微型泵的流体泵系统；
图9示出了根据图1的微型泵的另一变型版本；
图10示出了根据图1的微型泵的另一变型版本；
图11示出了处于第一操作状态的根据另一有利实施方式的微型泵的示意性截面图；
图12示出了处于第二操作状态的根据另一有利实施方式的微型泵的示意性截面图；
图13示出的图示出对于空气作为工作流体在1Hz下相对2巴的阀操作；
图14示出的图示出对于空气作为工作流体相对压力的阀座偏移；
图15示出的图示出对于水作为工作流体在1Hz下相对2巴的阀操作；
图16示出的图示出对于水作为工作流体相对压力的阀座偏移；
图17示出了根据本发明的方面的阀组件的示意性截面图；
图18示出了图17所示的阀组件的另一示意性截面图；
图19示出了处于第一操作状态的根据本发明的另一方面的阀组件的示意性截面图；
图20示出了处于第二操作状态的根据本发明的另一方面的阀组件的示意性截面图；
图21示出了根据本发明的另外的方面的阀组件的示意性截面图。
具体实施方式
现在将参照附图并且特别地首先参照图1更详细地说明本发明。
图1示出了根据本发明的两实施方式的流体泵的第一位置的示意性截面图。泵包括泵主体10和泵隔膜11，泵隔膜11适于以在泵主体10与泵隔膜11之间限定泵室12的方式固定到泵主体。隔膜能够向上和向下移动，换言之，隔膜能够朝向开口13、14或远离开口13、14地偏移。所述泵室经由第一开口13和第二开口14流体连接到入口和出口。在泵主体10中实施由阀座体16和具有密封表面的垫片17制成的弹性阀座15，使得弹性阀座15的至少一部分从第二开口14朝向泵隔膜11突出。泵隔膜11能够分别通过与其座15接触甚至对座15加压以及通过移动远离座15来关闭和打开出口的流体通路14。
图2示出了说明图1所示的泵的泵送所需的重要参数的表示。泵室具有限定于泵主体与隔膜之间的容积V。该容积在隔膜向上移动时增加而在隔膜向下移动时减小。隔膜的移动能够通过限定高度h描述，高度h为泵室的底部与隔膜的中心点之间的距离。该距离h在隔膜向上移动时增加而在隔膜向下移动时减小。室的容积V的该改变引起分别通过入口13和出口14的体积流量q1和q2。如图2所示，当流体离开泵室时，体积流量的符号被认为是正。阀座的密封表面18与可偏移的泵隔膜11之间的距离被表示为间隙宽度g。
图3示意性地表示关于第一泵送概念所提出的泵的工作原理，所述工作原理基于阀的打开状态与关闭状态之间的不同。以下，申请人考虑从隔膜被定位为向上的状态开始的泵送的完整循环。在各状态下，考虑对应于各状态的高度h和容积V。图4中的表格总结了这些定量参数。
为了更易懂的解释并且为了关注所提出的第一效果及其益处，申请人忽略了入口和出口的流体阻力的动态变化以及系统中的压力的动态变化。这将在第二效果的说明中更突出。此外，还忽略当出口阀关闭时(参照图3的c和图3的d)在出口中排出的流体。
忽略阻力的动态变化，当两连接口13和14打开时，排出容积Vup-Vclose将与连接口13和14的阻力成反比地通过连接口13和14转移。如果Ri为入口13的有效流体阻力，Ro为出口14的有效流体阻力，将α定义为Ro/(Ro+Ri)，则室的容积的变化ΔV引起通过入口13的体积流量(ΔV)*α以及通过出口14的体积流量(ΔV)*(1-α)。
作为图3的a所示的开始状态，在室的容积为其最大状态Vup时，认为隔膜相对于泵室的底面向上偏移到hup的高度。
如图3的b所示，当隔膜开始向下移动时，隔膜将首先在hclose的高度处落到弹性阀座的密封表面上，同时室具有容积Vclose。该移动引起流体通过入口13和出口14两者排出泵室。
隔膜进一步向下推动并压缩弹性阀座以到达图3的c所示的状态，其中高度为hdown且室容积为Vdown。因为出口14关闭，所以从泵室排出的所有体积均通过入口13。
如果隔膜再次向上移动，则弹性阀座将归因于其弹性特性而解压缩并伸长并且附接到隔膜。弹性阀座伸长到高度hopen>hclose，在此处阀座的密封表面开始与隔膜分离。因为出口14仍然关闭，所以从泵室排出的所有体积仍通过入口13，在入口13处流体被抽吸进泵室。
参照图3的d，现在隔膜向上移动以到达高度为hup的初始位置从而完成循环。在该阶段，流体从入口13和出口14两者进入泵室，当与图3的b比较时，现在入口13和出口14两者具有相反的流动方向符号。
图4在表格中给出了对于泵循环的所有阶段的通过入口和出口的不同容积排量(displacement)。一个完整的循环从入口到出口分送(Vopen-Vclose)*(1-α)的净流量。在图4的表格中，入口的净流量的负号说明流体通过入口进入，出口的净流量的正号意味着流体通过出口离开。
图5示意性地表示所提出的泵关于第二泵送效果的工作原理，所述工作原理基于泵的抽吸和分送阶段中的弹性座的瞬态变形。
为了说明，在图6中的左方示出了对于具有如[6]中所公开的具有刚性阀座和阀凸台的泵的单个泵循环的致动器行程h、间隙宽度g、泵室压力p和通过出口的流量q2的动态变化。
如[6]中所说明的，抽吸阶段期间在泵室中产生负压，并且阀座的密封表面与隔膜之间的间隙高度g(间隙高度g限定了该口的流体阻力)归因于泵隔膜的向上移动而增加。因此，间隙高度g从零开始到达其最大值，同时负压从其最大值开始到达零。分送阶段期间在泵室中产生过压，间隙高度g从其最大值减小到零，同时过压也处于其最大值并且也降到零。因为室压力p与间隙高度的三次方g3的乘积(即因子pg3)是通过出口的流体流量的测量，所以在抽吸阶段期间较低份额的流将通过出口进入泵室，在分送阶段期间较高份额的流被分配到出口中。结果，净流体流将通过每个泵循环被分配到出口中。
如本发明中使用的，具有滞后特性的弹性阀座的引入将强烈地增强该效果。不同之处如图6的右方所示。在抽吸阶段期间，参照图3的d，阀座仍然被压缩并且将首先膨胀到其未变形高度。在该时间阶段中，在对通过出口进入泵室的流没有影响的情况下在泵室中产生巨大的负压，其中由于阀关闭，通过出口进入泵室的流为零。在解压缩之后，阀座将在泵隔膜向上移动的同时附着到泵隔膜。因此，在泵室中的压力减小的同时，出口保持关闭并且通过出口进入泵室的流仍为零。在阀座与泵隔膜分离之后，泵室中的剩余负压将在阀座的密封表面与泵隔膜之间产生小的流。密封表面和阀垫片能够以如下方式定制(tailor)：密封表面和阀垫片经由抽吸力仍被吸引到隔膜，引起减小的阀间隙gde。作为进一步的结果，如图5的b示意性示出的，弹性阀座的进一步伸长将在隔膜进一步向上移动时发生，并且阀间隙保持较小。该效果将显著地增加该口的流体阻力，并且减小通过该口进入泵室的不期望的流。仅在阀完全打开之后，才将发生从出口到泵室的显著回流。然而，排出的体积与具有刚性阀座的微型泵相比小得多。
在分送阶段开始时，通过泵隔膜的向下移动在泵室中产生高的过压。弹性阀座能够以如下方式设计：虽然泵隔膜尚未与弹性阀座的密封表面接触，但是弹性阀座被压缩并且相对于泵隔膜向下移动。结果，如图5的a示意性示出的，泵隔膜与密封表面之间的间隙g动态增加到值gin。这将减小该口的流体阻力并且增加通过该口离开泵室的期望的流。
通常，因为流过出口的流体与pg3有关，所以具有动态变化的间隙高度的弹性阀座在各泵送循环期间使净流量以三次方增加或减小。
泵隔膜和泵主体能够由适于期望的应用和所使用的致动机构的任何材料制成，例如单独的或组合的金属、聚合物、玻璃、陶瓷、压电陶瓷、铁磁材料或硅。在将与阀座发生机械接触的区域中，泵隔膜的机械刚性必须显著高于弹性阀座的机械刚性。
阀座优选地由例如硅、橡胶或其它弹性体的弹性材料制成。
泵隔膜的形状能够被定制为适合于期望的应用并且适合于所使用的致动机构，例如正方形、八边形、圆形或矩形。
图7示出了弹性阀座的若干优选实施方式并且说明了所使用的设计元件的功能。图7中的图示出了圆形管状体在侧视图中的截面。然而，如果需要，可以想到任何形状的管状体，即在俯视图或仰视图中，阀座还可以具有正方形、矩形或其它形状。
根据图7的a，最简单的版本是弹性材料制成的阀座主体16仅具有在顶部面向泵隔膜的平坦密封表面18以及穿过阀主体16和密封表面18的流体通道19。座主体的基部20可以被制成与阀座的其它部分不同的期望的形状以及几何尺寸。这样做是为了实现例如整个弹性座用的安装凸缘。
图7的b示出了具有阀座主体16、独立垫片17以及在垫片的顶部面向泵隔膜的密封表面18的版本。通道19被制成为具有台阶截面，即通道19的直径在阀主体16中较大而在垫片17中较小。因此，以如下方式在垫片中形成孔21：垫片还形成面朝通道轴线的弹性环形唇22。该唇可以设计为直线形式(参照细节22a)或者展现孔的内部的、变薄的且延长的壁(参照细节22b)。另外，阀座主体中的通道壁被制成较薄，这允许阀座主体的通道壁的较高弹性。
参照图7的c和图3的d，在该实施方式中，在微型泵的抽吸阶段开始期间，出口与泵室之间的压差将使垫片和密封表面压靠泵隔膜。管状阀座主体由于其薄壁而将随着泵隔膜向上移动而伸长，并且由于所提到的负压而允许垫片保持附接到泵隔膜。
参照图5的b，在泵隔膜偏移较大时，阀座表面与泵隔膜分离。现在，将在弹性阀垫片与泵隔膜之间产生小的横向流。该流伴随着由泵隔膜和阀座的密封表面形成的流体通道中的压降(press drop)。再次地，压差将遍及阀垫片地产生，并且将弹性垫片压向泵隔膜，如上所述地产生减小的间隙宽度gde。图7的d示出了该效果的对应的图形表示。相同的效果将在孔的内部的、变薄的且延长的壁23处产生，利用该效果，截面、因而通过孔的流减小。
作为第二效果，参照图3的a、图3的b和图5的a，阀座主体的较薄的壁将允许在微型泵的分送阶段期间阀垫片和密封表面的向下移动。在该阶段中，流体泵送通过弹性阀座。遵循已知的流体动力学定律，压降首先跨越阀座垫片中存在的较窄的孔地发生。因此，相对于泵室的较低的压力存在于阀座主体的通道部分。结果，如图7的e所示，阀主体的侧壁将向内横向变形并且阀垫片和密封表面将降低。如上所述，结果是增加的间隙宽度gin。此外，如果泵隔膜靠近阀垫片，则在泵隔膜与阀垫片之间的小间隙中产生局部过压。这还将向下推动阀座。
根据图7的b的阀设计具有如下微小缺点：在抽吸阶段期间，利用泵室中的负压，阀主体的侧壁16将向外偏移，即远离通道19。出于清晰的原因，该效果在图7的c中未示出。因此，阀垫片17还将在该情况下移动远离泵隔膜。如上所述并如图7的d和图7的e所示，这是不利的效果，因为这阻碍了阀垫片对泵隔膜的吸引。
为了解决该问题，如果需要，则图7的f中的阀实施方式具有阀主体16，该阀主体16具有单个波纹(bellow)，即壁为朝向通道19的V字状。在抽吸阶段期间，相对于出口压力的泵室中的负压还将使阀主体远离通道地向外偏移。然而，阀主体的倾斜的壁在垫片处产生竖直向上的力并且将使垫片朝向泵隔膜升高，这是期望的，因为这有助于图7的c和图7的d中说明的效果。在分送阶段期间，泵室中的过压将再次使阀主体朝向通道向内偏移，具有图7的e中说明的效果。
如图7的g所示，阀座主体16的形状能够进一步以合适的方式定制以允许优选的竖直伸长。这里，阀座主体被制成为优选地在竖直方向上伸长的多个波纹的形式。然而，可以想到任何其它形状或形式的壁弯曲，例如可变壁厚、可变壁形状或通道19的可变截面。
如图7的h所示，阀主体的弹性可变形部分能够至少部分地嵌入泵主体中，以实现阀主体的更大的可变形高度。如上所述，这还能够用于防止阀主体16在抽吸阶段期间的不期望的向外偏移。为此目的，泵主体的腔的面向阀主体的嵌入部分的侧壁能够被设计为防止阀主体向外偏移的机械障碍物23。流体通道24设置于阀主体旁边的障碍物23中用于压力平衡。阀主体16自身分成两个区段，其中区段16b具有比区段16a大的壁厚。因此，伸长和压缩将优选地发生于区段16a，防止了区段16a的不期望的向外偏移。
图8示出了包括两个平行的根据图1的微型泵100、100’的流体泵系统的实施方式。这里，同一泵隔膜11用于以交替方式驱动置于隔膜两侧的两个阀单元。
图9示出了根据图1的微型泵的另一实施方式。该实施方式还能够在稍作修改的情况下用于图8中的微型泵。这里，例如通过使用磁性材料、来自位于其它材料的磁性材料的层，或者通过将磁性颗粒或层嵌入由另一种材料制成的垫片而使阀座的垫片17具有磁性。垫片能够以永磁体的形式磁化或者能够被制成为软磁体。在泵隔膜11的顶部上安装有电磁致动器25，例如由线圈和面向阀座的铁芯制成的电磁体。如从通常的电磁体已知的，如果垫片具有软磁体性质，则阀垫片能够被朝向磁致动器吸引。如果垫片具有永磁体性质，则通过改变致动器的线圈中的电流的方向、因而通过改变由致动器发出的磁场的方向，垫片还能够被磁致动器吸引或排斥。在图10所示的另一版本中，磁致动器例如作为在弹性阀座下方围绕出口14的铁芯28和线圈27集成到泵主体中的环形凹部26中。
为了操作微型泵，磁致动器根据需要与隔膜移动同步地打开和关闭。作为效果，能够利用另一自由度改善和/或调节间隙高度g和弹性阀的滞后效应。另外，通过流过磁致动器的电流的相应动态变化，可以使间隙高度动态变化。另外，磁致动器例如通过利用泵隔膜的向下移动以及致动器的激活两者来关闭阀而能够用于提高阀功能的性能。最后，磁致动器通过以所需方式调节操作中的间隙高度g而能够用于调整微型泵的流量。
总之，本发明提供了用作微型泵的装置，该微型泵仅使用单个致动的膜以在入口与出口之间提供单向的流。相同的装置能够采用主动阀功能，主动阀功能具有致动的开关条件以及优先的常开(normally-on)或常关(normally-off)功能。在提出的本发明中，利用简单结构的柔性座构件，创建两个物理效果，该两个物理效果一起创建泵送效果。在第一方面内，柔性座以滞后的方式在不同的位置打开和关闭流体口。在第二方面中，通过柔性阀座的设计和变形增大了阻力的动态变化。该泵能够应用于科学和技术的各种领域，诸如但不限于微全分析系统、芯片实验室应用(lab-on-chipapplication)、电子装置的冷却、注射系统、配量和计量设置等。
图11和图12示出了本发明的另一方面。特别地，图11示出了处于第一操作状态的根据另一有利实施方式的微型泵100的示意性截面图，而图12示出了处于第二操作状态的相同的微型泵100。在图11所示的状态下，没有压差作用于阀座16或隔膜11。
根据本发明的该方面，设置可动阀机构以改善阀和微型阀的阀功能。虽然附图描绘了微型泵100的应用环境中的阀，但是本领域技术人员清楚的是，具有在背压(backpressure)的致动下移动的阀座的阀还能够与任何其它合适的流体流动控制配置一起使用。
如图11和图12所示，与隔膜11(还被称为膜)相比，阀座16能够在施加于阀的开口14的压力32下移动。由此，第一开口13与第二开口14之间的阀功能被改善和增强。在施加的压力32下，隔膜11与阀座15的弹性主体16之间的间隙从g减小到gde。换言之，阀座的密封表面18在从泵主体10朝向隔膜11的方向上移动靠近。
该可移动性能够简单地归因于柔性阀座材料的使用，该柔性阀座材料能够因为在隔膜与阀座之间的窄区域中由于伯努利效应而创建的负压而伸长，或者该可移动性能够归因于以如下方式安装的柔性阀座16的使用：例如通过使表面区域暴露于施加的压力而能够在施加的压力下变形/偏移。如从图11和图12的比较中变得清楚的，阀座15的弹性主体16包括至少一个致动区域34，致动区域34通过所施加的从开口14指向泵室12的流体压力32致动。
另外，可移动性能够归因于柔性安装部件(还被称为阀保持件)30的使用或者通常归因于阀座的柔性实施方式的使用或者归因于全部的组合，其中柔性安装部件30能够在施加的压力32下变形/偏移，阀座的柔性实施方式能够在施加的压力下变形/偏移。另外，图7的b至图7的h所示的阀座包括由面向通道轴线的弹性环形唇22形成的致动区域。
归因于致动区域34(和22)的存在，在对阀施加较高压力的情况下，阀座与阀的隔膜之间的间隙将减小，结果这简化了封闭。利用施加的压力与产生的可变间隙之间的正确关联性，甚至可以实现被动自控压力/流动装置。本发明能够应用于科学和技术的各种领域，诸如但不限于微全分析系统、芯片实验室应用、电子装置的冷却、注射系统、配量和计量设置等。阀座、阀保持件和阀实施方式的几何形状和材料性质是用于实现期望的压力-偏移曲线或压力-间隙曲线的控制变量。
现在将说明图11和图12所示的阀配置的实验结果。以下，提供了2巴(200kPa)的空气压力以及作为液体的水压力的情况下阀操作所实现的实验结果。对于两种情况提供了阀座在各种压力下的偏移(单位为μm)。被分析的阀适于处理(打开和关闭)范围为0巴-2巴的压力。对于大于2巴的情况，阀偏移大于膜偏移能够处理的程度，即阀不能打开且保持关闭。
图13和图14相应地分别示出了对于空气作为工作流体在1Hz下相对2巴的阀操作以及对于空气作为工作流体相对压力的阀座偏移。
此外，图15和图16分别示出了对于水作为工作流体在1Hz下相对2巴的阀操作以及对于水作为工作流体相对压力的阀座偏移。
当利用水作业时阀座在压力下的偏移比利用空气作业时大(例如对于空气，在200kPa下的偏移为大约234μm，而对于水，偏移为大约380μm)。这归因于在水的情况下在膜与阀座之间的窄区域中创建的额外的负压。负压源自伯努力效应，并且因为空气的密度可以忽略所以在空气的情况下该负压可以忽略。
考虑到膜11与阀座15之间的初始间隙g，能够调节阀100的工作范围、在压力下的膜的最大偏移和阀座的偏移(其是阀座、阀保持件以及阀的设计的几何形状和材料性质的函数)。也就是，能够使阀100的压力操作窗转移到较高压力，作为示例转移到1巴至3巴，这意味着阀将需要最小压力来操作，在该示例中为1巴。这能够通过对阀座、阀保持件或阀实施方式使用相对较硬的材料或使用较硬的几何形状来实现。相同的效果能够例如通过调节膜11与阀座15之间的初始较大间隙g实现。因此，即使在膜11最大偏移的情况下，阀也如图17所示地仍保持打开。
因此，阀100需要最小压力32，在最小压力32下阀座15充分偏移以到达膜11的操作范围，使得利用膜的激活，剩余的间隙能够如图18所示地封闭。因此，实现具有转移的操作压力窗的阀，其优点是能够在较高压力下关闭，然而，其缺点是需要最小压力以能够关闭。
现在参照图19，其示出了根据本发明的另一方面的阀组件的截面图。特别地，图19示出了用于实现初始压缩的阀座的阀的另一构造，其确保了常闭的阀构造。阀200包括底板202和连接板204。连接板具有第一开口206和第二开口208。弹性阀座210配置于第二开口208并且通过柔性阀保持件212固定。
隔膜214(以下还称为膜)用于致动阀。例如，压电致动器可以配置于隔膜，用于改变隔膜的位置。可选地，还可以施加径向施加的力，这使得膜褶曲。密封固定部件216抵靠底板202和连接板204地密封隔膜214。
利用如图20所示致动，能够打开阀200。根据本实施方式的致动包括隔膜214归因于径向力218(例如施加的压力)的褶曲。如从图20可见的，固定部件216是弹性的并且在径向力218下偏移。阀座210在施加的压力下的偏移产生与减小的间隙相同的优点，因此有益于阀200的关闭。
图21示出了根据本发明的另一方面的阀组件的示意性截面图。根据该实施方式，致动器214(通常称为隔膜)夹在两个阀200、200’之间，以便形成所谓的二位三通阀(2/3wayvlave)。

Claims (21)

1.一种流体泵，其用于从入口朝向出口泵送流体，所述泵包括：
泵主体(10)，其至少具有第一开口(13)和第二开口(14)，
可偏移泵隔膜(11)，其以在所述泵主体(10)与所述隔膜(11)之间形成泵室(12)、并且所述泵室(12)经由所述第一开口(13)流体连接到入口且经由所述第二开口(14)流体连接到出口的方式附接到所述泵主体(10)，
阀座(15)，其绕着所述第二开口(14)配置于所述泵室(12)内部，并且以未变形高度从所述第二开口(14)朝向所述泵隔膜(11)突出到所述泵室(12)中，使得所述可偏移隔膜(11)能够操作以分别通过与所述阀座(15)接触和远离所述阀座(15)来关闭和打开所述出口的流体通路，
其中，所述阀座(15)包括弹性主体(16)和具有密封表面(18)的垫片(17)。
2.根据权利要求1所述的流体泵，其特征在于，所述可偏移泵隔膜(11)具有比所述阀座(15)的所述弹性主体(16)的刚性高的刚性，使得所述弹性主体(16)不会阻碍所述泵隔膜(11)的移动。
3.根据权利要求1或2所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)的弹性主体(16)具有如下弹性：所述弹性主体(16)的高度在所述隔膜(11)朝向所述泵主体(10)偏移时因压缩而减小。
4.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)的弹性主体(16)能够伸展，使得所述弹性主体(16)的高度在所述隔膜(11)远离所述泵主体(10)偏移时增加。
5.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述弹性主体(16)具有绕着所述第二开口(14)配置的筒状。
6.根据权利要求5所述的流体泵，其特征在于，所述弹性主体(16)包括安装凸缘，所述安装凸缘绕着所述第二开口(14)附接到所述泵主体(10)，并且所述安装凸缘具有的径向厚度比所述弹性主体(16)在与所述可偏移隔膜(11)接触的末端处具有的径向厚度大。
7.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述弹性主体(16)和所述垫片(17)被制造为独立的部件。
8.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)具有被配置为与所述可偏移隔膜(11)接触的密封区域以及附接到所述泵主体(10)的安装区域，并且所述密封区域中的孔(21)具有比从所述安装区域通过所述阀座(15)导向所述孔(21)的通道小的直径。
9.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)具有壁厚减小了的区域。
10.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)包括具有U字轮廓或V字轮廓的波纹状区域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)被安装为部分地接收在第一凹部(29)内，所述第一凹部(29)形成于所述第二开口(14)处，所述第一凹部(29)面向所述泵室(12)。
12.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述第二开口(14)被配置为与所述泵隔膜(11)同心。
13.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述垫片(17)包括磁性材料，并且所述流体泵包括电磁致动器(25；27；28)，所述电磁致动器(25；27；28)能够操作以通过与所述磁性材料相互作用而伸长和/或压缩所述弹性主体(16)。
14.根据权利要求13所述的流体泵，其特征在于，所述泵主体(10)包括环状第二凹部(26)，所述环状第二凹部(26)被配置为与所述第二开口(14)同心，所述电磁致动器(24、25)安装在所述环状第二凹部(26)内。
15.根据前述权利要求中任一项所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)包括至少一个致动区域，所述致动区域用于通过所施加的从所述开口指向所述泵室(12)的流体压力而被致动。
16.根据权利要求15所述的流体泵，其特征在于，所述阀座(15)包括用于将所述阀座(15)附接到所述泵主体(10)的弹性安装部件。
17.一种流体泵系统，其包括根据前述权利要求中任一项所述的第一流体泵(100)和根据前述权利要求中任一项所述的第二流体泵(100’)，其中，所述第一流体泵的泵室(12)和所述第二流体泵的泵室(12’)通过共用的可偏移泵隔膜(11)彼此分开。
18.一种操作流体泵的方法，所述流体泵包括：
泵主体(10)，其至少具有第一开口(13)和第二开口(14)，
可偏移泵隔膜(11)，其以在所述泵主体(10)与所述隔膜(11)之间形成泵室(12)、并且所述泵室(12)经由所述第一开口(13)流体连接到入口且经由所述第二开口(14)流体连接到出口的方式附接到所述泵主体(10)，
阀座(15)，其绕着所述第二开口(14)配置于所述泵室(12)内部，并且以未变形高度从所述第二开口(14)朝向所述泵隔膜(11)突出到所述泵室(12)中，使得所述可偏移隔膜(11)能够操作以分别通过与所述阀座(15)接触和远离所述阀座(15)来关闭和打开所述出口的流体通路，所述阀座(15)包括弹性主体(16)和具有密封表面的垫片(17)，
其中，所述方法包括以下步骤：
d)致动所述可偏移隔膜(11)以朝向所述阀座(15)移动直到所述可偏移隔膜(11)与所述垫片(17)密封接触，进一步致动所述可偏移隔膜(11)以移动直到所述阀座(15)被压缩以便具有与所述未变形高度相比减小的高度，
e)致动所述可偏移隔膜(11)以远离所述阀座移动直到所述可偏移隔膜与所述垫片(17)失去接触，在该移动期间，所述阀座(15)伸展以便具有与所述未变形高度相比伸长的高度，
f)重复步骤a)和b)以从所述入口朝向所述出口泵送流体。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述垫片(17)包括磁性材料，并且所述流体泵包括电磁致动器(25；27；28)，所述电磁致动器(25；27；28)能够被操作以通过与所述磁性材料相互作用而伸长和/或压缩所述弹性主体(16)。
20.一种微型阀，其用于流体泵，所述微型阀包括：
主体(10)，其具有流体连接到泵室(12)的开口(14)，
阀座(15)，其绕着所述开口(14)配置并且以未变形高度从所述开口(14)朝向可偏移隔膜(11)突出到所述泵室(12)中，使得所述可偏移隔膜(11)能够操作以分别通过与所述阀座(15)接触和远离所述阀座(15)来关闭和打开所述开口的流体通路，
其中，所述阀座(15)包括弹性主体(16)和具有密封表面(18)的垫片(17)，并且所述阀座(15)包括至少一个致动区域(34)，所述致动区域(34)用于通过所施加的从所述开口指向所述泵室(12)的流体压力而被致动。
21.根据权利要求20所述的微型阀，其特征在于，所述阀座(15)包括用于将所述阀座(15)附接到所述主体(10)的弹性安装部件(30)。
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