CN110035811A - 除气装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种装置(100)，所述装置(100)具有压力室(101)和与所述压力室(101)流体连接的微型泵(102)。所述压力室(101)包括气体运送区域(103)和液体运送区域(104)。所述微型泵(102)被构造成在所述气体运送区域(103)内产生气动压力，其中所述气动压力低于流过所述液体运送区域(104)的液体(105)的流体压力。根据本发明，透气且不透液体的分离元件(106)至少按段来分离所述气体运送区域(103)和所述液体运送区域(104)。根据本发明，所述微型泵(102)被设置在所述压力室(101)上。

Description

除气装置
技术领域
本发明涉及一种具有权利要求1的特征的、用于对液体进行除气的装置。
背景技术
气泡是微流体系统中的主要问题之一。气泡可能产生不同的不利影响：
·由于可压缩气体的弹性特性，压力信号可能被减弱，从而例如压力不再到达微型阀门，并且不再打开该微型阀门。
·气泡的自由表面产生毛细作用力，该毛细作用力例如在微型阀门、小的间隙或毛细管中是显著的干扰。这里，毛细作用力越大，几何形状就越小(拉普拉斯方程)。
·这些毛细作用力还会造成如下影响：气泡在角落和死空间中累积，并且不能通过冲洗被消除。
·当在传感器膜处只有气体而没有液体时，气泡的存在可能使液体传感器的测量结果完全被篡改。
因此，在微流体系统中，这种气泡经常导致组件故障或篡改的测量结果。
存在以无气泡方式填充微流体系统的方法。但是，在操作期间中长期不变地保持这种无气泡状态是非常困难的：
·气泡可能通过运输过程而被引入系统中
·气泡可能由通过壁(例如，通过塑料管，特别是硅)扩散到系统中的空气和扩散出系统的水蒸气产生。
·在流体系统中，例如当液体与大气接触时，气泡和气体通常以分解方式位于液体中。在压力变化(压力降低)期间或在温度变化(温度升高)期间，溶解在液体介质中的气体可能过饱和，于是被气化成气泡并可能引起相同的问题。
因此，将期望的是提供从饱和液体中分离气泡并且抽取溶解气体分子的技术。
在标准技术中，无源和有源除气器都是众所周知的。
无源除气器的特征在于将气泡与液体分离的非润湿膜(在水的情况下是疏水的)。当在液体中存在高于大气压力的压力时，通过非润湿膜从液流中去除到来的气泡。这种增加的压力可以利用重力来实施，例如将除气器竖直地设置在导管中。因此，无源除气器仅是“气泡分离器”，并且仅从液体中抽取气泡而不是溶解气体。
有源除气器也包括非润湿膜，用于沉积与液体接触的气体。作为驱动效应的压力差是利用从外部施加的负压而建立的。这可以以真空端口或真空泵的形式进行。
为了以气体特定的方式提高除气速率，可以使用“气提(strip)”气体，例如氮气。如果通过“气提”气体，除气器中的气体成分被改变，则有效地看到较高压力差的其他气体的分压同时降低。
例如，在US 2005/092182A1中描述了有源除气器。US 2007/0012190A1描述了有源除气器与无源除气器的组合。在这两篇参考文献中，其中描述的有源除气器包括具有端口的压力室，其中压力室可以通过该端口连接到外部真空泵。因此，为了使压力室排气，必须始终携带真空泵或必须在相应的位置处存在真空泵，使得有源除气器完全运行。
为了解决这个问题，已经建议将使用超声波进行除气的有源除气器作为产生负压的真空泵的备选方案。这里，在待除气的液体中，产生超声波，该超声波局部地引起压力变化，该压力变化同样在负压区域中产生空穴。这样，溶解气体聚集在气泡中并且可以被去除。然而，通过超声波进行除气是非常昂贵的，并且操作是相对复杂的。另外，超声波源比传统真空泵贵得多。
发明内容
因此，本发明的目的是提供适合于对液体进行除气而不会表现出上述缺点的装置。
根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的装置得到解决。
其中，本发明装置包括压力室和与压力室流体连接的微型泵。微型泵是用微系统技术生产的泵。微型泵的尺寸通常在几百微米的范围内。微型泵可以被构造为由硅制成的微型泵芯片。芯片大小可以是例如7×7mm2或更小。微型泵可以是微型膜泵，其膜可以通过压电致动器来操作。膜也可以由硅制成。也可以使用金属箔作为泵膜。微型泵可以具有每泵冲程例如冲程容积为50μl或更少的输送速率。因此，微型泵处于微流体的范围内。众所周知，微流体中的流体特性可以与宏观流体的特性显著地不同，因为在这种微流体的数量级中，影响可能是明显的，其中该影响在经典的流体动力学中经常可以忽略。根据本发明，压力室分被划分为两个部分，其中压力室包括气体运送区域和液体运送区域。在气体运送区域中，存在气体或气体复合物(例如环境空气)，其大部分可以在气体运送区域内自由移动。在液体运送区域中，存在液体，其中可以通过输送泵将该液体输送通过液体运送区域，即，由于通过输送泵产生的流体压力，液体通常以限定的流速流过液体运送区域。这里，流体压力可能仅与大气压略有不同。一种或若干种气体溶解在液体中(例如，在气体混合物内)，其中该气体可以通过本发明装置至少部分地去除。为此，微型泵被构造成在气体运送区域内建立气动压力，其中该气动压力低于流过液体运送区域的液体的流体压力。这意味着在压力室内，微型泵在压力室的气体运送内部中的大气压力与压力室的液体运送区域内的流体压力之间产生压力差。优选地，微型泵相对于液体运送区域在气体运送区域中产生负压，即，气体运送区域内的气动压力低于液体运送区域内的流体压力。在流体压力与压力室周围的环境的外界空气压力大致相对应的情况下，也可以说微型泵在气体运送区域中相对于大气压力而言产生负压。溶解在液体中的气体包括环境中的特定分压。当液体被引导到压力室的液体运送区域中时，液体被压力室的气体运送区域中普遍存在的负压所包围。由于这种普遍存在的负压，溶解在液体中的气相的分压降低。结果，液体的溶解性或气体吸收能力降低，并且气体分子开始从液体中排出或从液体中溶出。此外，根据本发明，该装置包括透气且不透液体的分离元件，该分离元件至少按段将气体运送区域与液体运送区域隔离开。从液体中排出的气体可以通过该分离元件扩散到外部，即，在压力室的气体运送段的方向上，而液体本身不能通过该分离元件扩散。因此，分离元件形成液体屏障。因此，通过分离元件扩散的气体部分与液体分离。因此，至少部分地通过本发明装置对液体进行了除气。根据本发明，微型泵设置在压力室上。如开始所提及的，现有技术仅知道压力室，其中在压力室中提供用于连接外部真空泵的端口。然而，这些真空泵相对较大且不方便，并且因此难以携带。然而，本发明提出了将微型泵直接设置在压力室上或集成在压力室中。因此，产生了压力室和微型泵的便携式组合单元。由于微型泵的尺寸与传统的微型泵相比非常小，所以压力室和微型泵的整个单元也可以非常紧凑。这显著增加了本发明装置的移动性。另外，本发明装置仅包括用于微型泵的一个电连接，该电连接比通向外部真空泵的厚压缩空气管线明显更易于操作。当微型泵由电池供电时，它甚至更简单。于是，甚至可以省略电源连接，并且本发明的除气装置的移动性得到进一步提高。因此，本发明的除气装置可以以简单的方式在任何地方用作组合单元(压力室加泵)，而已知的除气装置总是依赖于在现场存在用于使压力室排气的外部真空泵。
微型泵可以通过螺钉和/或夹具固定件安装在压力室上。因此，微型泵可以例如直接用螺钉拧到压力室上，其中，当然，将在螺孔处设置相应的密封剂。例如，也可以在微型泵上方安装盖，其中该盖被固定到压力室，并且因此以限定方式将微型泵按压在压力室上。可以例如通过螺钉或通过铰链或弹簧锁来将该盖安装在压力室上。铰链或夹具连接的优点在于，例如假如发生故障，可以容易且简单地更换微型泵。
备选地或附加地，也可以通过接合装置将微型泵安装在压力室上，特别是通过粘合剂或焊料。因此，可以例如通过粘合、焊接或键合(例如，阳极键合、共晶键合)将微型泵安装在压力室上。粘合的密封效果大于夹具的密封效果。另外，粘合较便宜并且不必提供单独的盖。
微型泵可以被构造成在压力室的气体运送区域中相对于大气压产生-30kPa至-55kPa的负压。这种负压对于微型泵来说异常高，并且只能通过精确调整所选择的工艺参数来获得。然而，已经表明，在微流体应用中，在流过压力室的流体的流速相对较高的情况下，所述限制内的负压特别适合于实现高的除气率。从数字上说，即使流速高达100μl/min，仍获得高达54％(绝对值)的除气率，其中液体在压力室的液体运送区域内的平均停留时间为大约48秒。
根据本发明的实施例，分离元件可以是透气且不透液体的膜，其中该膜被设置在气体运送区域与液体运送区域之间。这意味着压力室的气体运送区域和液体运送区域通过这种膜分离。优选地，膜仅在一个方向上可透气。因此，膜被设置在压力室中，使得其渗透侧面向压力室的气体运送区域，并且膜的滞留侧面向压力室的液体运送区域。因此，液体通过膜停留在压力室的液体运送区域内，而从液体中排出的气体可以穿过膜，使得排出的气体可以从压力室的液体运送区域进入到气体运送区域中。
备选地或附加地，液体运送区域可以是在压力室内延伸的管道。该管道的优点在于，该导管可以是柔性的，并且因此可以以任何形式放置在压力室内。有利地，管道可以例如以螺旋或盘旋形状安装在压力室中，使得可以增加流过该管道的液体在压力室内的停留时间。
这里，管道可以至少按段包括形成透气且不透液体的分离元件的材料。这意味着该管道可以完全或部分地由透气且不透液体的材料制成，或者可以包括透气且不透液体的材料。有利地，该管道至少在压力室内延伸的段处包括这种透气且不透液体的材料。溶解在流过管道的液体中的气体可以至少通过管道的这些特定段扩散到压力室的气体运送区域中。管道包含的透气且不透液体的段越多，扩散速率就越大。因此，有利地，整个管道由这种透气且不透液体的材料构成。
根据本发明的实施例，该装置包括流体耦接到气体运送区域的压力传感器和连接到压力传感器的控制器，其中该控制器被构造成根据压力传感器的信号来控制微型泵，使得当压力室的气体运送区域内的压力上升到阈值以上时开启微型泵。当来自液体运送区域的气体扩散到压力室的气体运送区域中时，压力室的气体运送区域中的负压减小或者压力室内的绝对压力增加。压力室内的除气仅在如下情况之前下才发挥作用：压力室中普遍存在的负压被补偿到与待除气的气体的分压不存在差异的程度。因此，在待除气的气体的分压与压力室中普遍存在的压力之间不再存在压力梯度。然后，气体不再扩散到压力室的气体运送区域中。为了在早期阶段检测这种情况，本发明装置可以包括相应的压力传感器。压力传感器检测压力室中普遍存在的压力的特定阈值。当负压例如通过泄漏或通过上述气体扩散下降到该阈值以下时，压力传感器将该压降传送给控制器。控制器再次控制微型泵以再次增加压力室的气体运送区域中的负压。
该装置可以包括输送泵，其中可以通过该输送泵将液体输送通过液体运送区域。备选地或附加地，微型泵也可以被构造成将液体输送通过液体运送区域。因此，输送泵具有将待除气的液体输送通过压力室的作用，而在一方面，微型泵具有在压力室的气体运送区域中产生负压的作用。为了省略输送泵以便使本发明装置更具移动性，微型泵还可以负责待除气的液体的输送。输送泵也可以是另外的或附加的微型泵。
这里，该装置可以包括流体耦接到气体运送区域的压力传感器和连接到压力传感器和液体输送泵的控制器，其中该控制器被构造成根据来自压力传感器的信号来控制液体输送泵，使得液体输送泵的输送速率可以增加直到气体运送区域内的压力达到阈值，和/或使得在气体运送区域内的压力超过阈值时液体输送泵的输送速率被降低。通过这种控制器，除气率可以得到优化。如上所述，除气率取决于待除气的液体在压力室中的停留时间等。可以通过增加液体运送区域的表面(例如，螺旋或盘旋缠绕的管道)或通过待除气的液体的流速来影响该停留时间。而且，已经讨论过气体从液体运送区域扩散到气体运送区域导致压力室的气体运送区域中的负压减小(或绝对压力增加)。只要压力传感器确定压力室的气体运送区域中的负压没有下降至预定阈值以下(即，绝对压力没有上升到预定阈值以上)，输送泵的输送速率就可以进一步增加。然而，当压力传感器确定压力室的气体运送区域中的负压已经下降到阈值以下时(即，绝对压力增加，负压减小)，这表明，相比于微型泵能够从压力室中排出的气体而言，更多的气体扩散到气体运送区域中。因此，控制器控制输送泵，使得输送泵降低其输送速率。通过降低输送速率，液体更慢地流过压力室，并且微型泵有更多的时间将扩散的气体排出压力室。由此，压力室中的负压可以保持得足够高。
本发明的实施例提出了该装置包括设置在压力室中的温度调节装置，其中该温度调节装置被构造成冷却气体运送区域和/或加热液体运送区域。温度调节装置例如可以是加热液体运送区域的加热器或冷却气体运送区域的冷却器。通过这两种装置，可以提高除气率。
此外，该装置可以包括流体耦接到气体运送区域的阀门，其中该阀门连接到运送气提气体的导管，以便将气提气体引入到压力室的气体运送区域中。气提气体是适于允许对待除气的液体进行气提的气体。气提是一种物理分离方法，其中使用亨利定律通过解吸过程将来自待除气液体的待去除气体转化成气相。为此，根据逆流原理使待除气的液体与气提气体接触。
另外，可以在压力室内设置气泡检测装置或在压力室前面沿待输送的液体的流动方向设置气泡检测装置，其中该气泡检测装置被构造成检测待输送的液体中的气泡，并且其中该装置还包括控制器，该控制器被构造成根据气泡检测结果来开启微型泵。例如，可以电容性地或光学地执行气泡检测。以这种方式，当检测到气泡时，可以特定地开启微型泵，以从压力室内的液体中精确地去除该气泡。由于微型泵被开启的事实，可以防止压力室内的负压由于气泡的扩散而过度减小。
此外，控制器可以通过气泡检测来调整或降低输送泵的输送速率，其中气泡检测还检测气泡的大小，使得即使在非常大的气泡的情况下，微型泵也可以从流体洪流或流体中去除该气泡，而不会使负压过度减小或使气泡通过负压室。气泡大小检测可以电容性地执行，例如使流体导管设置有多个分段电容性电极。
当大气泡进入除气器时，这可以备选地由压力传感器检测，因为存在负压的明显下降。在这种情况下，控制器还可以调整或降低或暂时停止输送泵的输送速率，直到微型泵吸出气泡并且负压被再次建立。然后，可以将输送泵再次设置为其常规输送速率。
通过这种控制，可以防止大气泡能够通过除气模块。
另外，压力室的液体运送区域可以包括入口和出口，装置可以通过该入口和出口被插入在液体运送系统的液体运送导管中。例如，这种液体运送系统可以是：
·运输液体的所有微流体系统，其中气体被溶解在该液体中或者以气泡形式存在于该液体中。
·流体测量技术
·片上实验室系统
·需要不含气体的液体并且具有尺寸在毫米范围内的管道且输送速率为几毫升/分钟的工业设备。
·处理微升范围内的液体的生物技术和医疗技术应用。
附图说明
本发明的实施例在附图中示出，并将在下文讨论。附图示出了：
图1是本发明的装置的实施例的示意性剖视图，
图2是插入在液体运送系统中的本发明装置的示意图，
图3是本发明装置的另一实施例的示意图，并且
图4是插入在液体运送系统中的本发明装置的另一实施例的示意性剖视图。
具体实施方式
图1示出了本发明装置100。装置100包括压力室101和与压力室101流体连接的微型泵102。
压力室101具有气体运送区域103和液体运送区域104。
微型泵102被构造成在气体运送区域103内产生气动压力，其中该气动压力低于流过液体运送区域104的液体105的流体压力。气体和/或气体混合物可以溶解在液体105中。
透气且不透液体的分离元件106被设置在压力室101内，其中该分离元件106至少按段将气体运送区域103和液体运送区域104彼此分离。
微型泵102设置在压力室101上。
图1中所示的本发明装置100的实施例适合于至少部分地从该液体105中去除溶解在液体105中的气体和/或气体混合物和/或气体混合物的部分。该过程也称为对液体105进行除气。因此，这种装置100也可以称为除气器。
本发明装置100可以被插入在液体运送系统中，其中该液体运送系统中的液体105将被除气。为此，压力室101可以包括液体入口107和液体出口108。于是，待除气的液体105沿箭头所示的方向从入口107流到出口108。
压力室101内待除气的液体105要流过的区域也称为压力室101的液体运送区域104。
分离元件106将压力室101的液体运送区域104与压力室101的其余内部分离开。这里，分离元件106被构造成透气且透液体的膜106。在图1所示的实施例中，膜106被折叠以便获得大的表面。膜也可以不折叠。
气体，特别是环境空气，位于上文提到的压力室101内部的其余区域中。因此，压力室101的该区域也称为气体运送区域103。
微型泵102设置在压力室101的外部。微型泵102也可以设置在压力室101的内部。微型泵102包括气体入口109和气体出口110。气体入口109流体连接到压力室101的气体运送区域103。气体出口110流体连接到压力室101周围的环境。
微型泵102被构造成通过气体入口109吸取气体运送区域103中的气体，并通过气体出口110将气体供应到环境中。由于压力室主要以压力密封的方式来构造，因此与环境压力相比，在压力室101中形成负压。
待除气的液体105在大约环境压力下(或者，例如在高于大气压力约5％-10％的流体压力下)被引入到压力室101中。根据环境压力(或流体压力)以及环境温度，一定量的气体或多种气体被溶解在待除气的液体105中。在环境中，溶解在液体105中的气体或气体混合物具有特定的分压。
根据亨利定律，液体上方的气体的分压与液体中的气体浓度直接成比例。这意味着环境压力越高，气体的分压就越高，并且因此在给定的溶解度下，气体的浓度就越高，即，液体可以吸收的气体就越多。另一方面，随着气体或气体混合物的分压降低，液体中的气体的挥发性增加(或者溶解在液体中的气体的浓度降低)。
本发明装置100使用了该效应。通过借助于微型泵102泵出气体运送区域103内的气体，在气体运送区域103中形成压力，该压力低于溶解在待除气的液体105中的将被去除的气体(或气体成分)的分压。与溶解在液体105中的气体的分压相比，在压力室101的气体运送区域103中形成负压。
在气体运送区域103与液体运送区域104之间形成压力梯度，该压力梯度从具有较高压力的区域(液体运送区域104)指向具有较低压力的区域(气体运送区域103)。
由于不同的气体压力试图相互补偿，因此溶解在待除气的液体105中的气体试图流入到压力室101的气体运送区域103中。
如上所述，分离元件100是透气的。因此，溶解在待除气的液体105中的气体可以通过该分离元件106从液体运送区域104扩散到气体运送区域103中。
由于分离元件106也是不透液体的，因此待除气的液体105本身保留在压力室101的液体运送区域104中。结果，与通过液体入口107流入压力室101中的液体105相比，明显更少的气体被溶解在通过液体出口108流出压力室101的液体105中。
微型泵102被构造成在气体运送区域103中产生相对于大气压力而言-30kPa至-55kPa的负压。该负压特别适合于从待除气的液体105中抽取环境空气，其中该环境空气被溶解在该液体105中。
将示意性地参考图2更详细地讨论通过本发明装置100对液体进行除气所基于的物理原理。
图2示出了液体运送系统200，其中插入了用于对液体105进行除气的本发明装置100。
本发明装置100包括压力室101。微型泵102设置在压力室101上。微型泵102流体连接到压力室101的气体运送区域103。
另外，压力室101包括液体运送区域104。在这种情况下，压力室101包括形成液体运送区域104的管。
另外，该管至少按段包括透气且不透液体的材料。优选地，管壁由这样的材料制成，即，管壁形成透气且不透液体的分离元件106。还可以将非润湿的透气且不透液体的膜插入在管壁中。
另外，液体运送系统200包括输送泵202，其中该输送泵202通过本发明装置100将待除气的液体105从贮存器203输送到容器204。在本发明装置100之前和之后的流动方向上，分别将氧气测量设备205a、205b设置在流体导管中。
在贮存器203内的是水105，其中溶解了给定量的气体(例如，含有21％的氧气的空气)，这是普遍存在的大气压力的特性。输送泵202通过真空室101将液体105泵出贮存器203，其中在真空泵105中对水105进行除气。
由于没有可用于测量溶解在水中的氮气的传感器，因此通过测量氧气浓度来导出溶解在水中的空气的量。两个O2传感器205a、205b测量水105的氧气含量，从中导出溶解的空气的量。
除气效应基于以下事实：液体运送区域104(例如，多孔管)中的液体105被引导通过经受负压的室101(简称为真空室或压力室)。溶解气体使其自身适应其他物理条件(负压)并通过分离元件(例如，管壁)106扩散到室101中。微型泵102产生所需的负压并在操作期间保持该负压。
有利地，输送泵202在流动方向上位于本发明装置(除气器)100的后面。如果输送泵202位于真空室101的前面，则在液体循环中产生正压，使得本发明装置(除气器)100不能最佳地操作，并且在真空室101后面可能出现气泡。
图3示出了本发明装置100的另一实施例。在该实施例中，压力室101包括液体入口107和液体出口108。管道301被设置在入口107与出口108之间。管道301在压力室101内形成液体运送区域104。
管道301的壁可以至少按段包括透气且不透液体的材料。例如，该导管可以是多孔管。以这种方式，管壁至少在这些透气且不透液体的段处形成分离元件106。当管301沿其在压力室101内延伸的整个长度显示出透气且不透液体的特性时，管301在压力室101内形成液体运送区域104，同时管壁在管301的整个长度上形成分离元件106，溶解在待除气的液体105中的气体可以通过该分离元件106扩散到压力室101的气体运送区域103中，以便对液体105进行除气。
为了获得高除气率，有利的是将管301尽可能多地放置在压力室101内。因此，如图3中示意性所示，管301以螺旋或盘旋形状进行缠绕。
与上述实施例相比，图3中所示的实施例附加地包括可选的压力传感器302。压力传感器302流体地耦接到压力室101，即，可以在压力传感器系统302与压力室101之间进行气体交换，以便测量压力室101内的空气压力。更具体地，压力传感器302流体地耦接到压力室101的气体运送部分103。
装置101另外包括控制器303。控制器303经由相应的信号线304a、304b连接到压力传感器302和微型泵102。控制器303被构造成根据压力传感器302的信号来控制微型泵102，使得当压力室101的气体运送区域103内的压力上升到阈值之上时，微型泵102被开启。
例如，除气率在压力室101中普遍存在的-30kPa至-55kPa(相对于大气压力)的负压之间非常良好。因此，控制器303可以将例如更大的值(即，-30kPa)存储作为阈值。
当控制器303在操作期间通过压力传感器302检测到压力室101中的负压降已经变得太大时，即，当压力室101内的压力上升到-30kPa的阈值之上并超过该阈值时，控制器303控制微型泵102使得微型泵102再次开始泵送并再次从气体运送区域103排放气体。因此，压力室101中的负压增加，即，压力室101内的压力再次下降到阈值之下的值，即小于-30kPa。
因此，微型泵102可以以定时方式操作或者可以根据需要进行控制，例如以节省能量。
图4中示出了另一实施例。该实施例类似于上面参考图2描述的实施例。另外，提供可选的控制器303和可选的压力传感器302。
这里，装置100被插入在液体运送系统200中。通过输送泵202将待除气的液体105输送通过装置100。输送泵202本身可以构造为微型泵。
然而，流体连接到压力室101的气体运送区域103的微型泵102也可以输送待除气的液体105。在这种情况下，除了所示的气体管路，即气体入口109和气体出口110之外，微型泵102还包括附加的(未示出的)液体管路，即串联地插入在液体运送导管401中的液体入口和液体出口。以这种方式，微型泵102可以将待除气的液体105输送通过液体运送区域104。
根据哪个泵输送液体105，即，是微型泵102还是单独的输送泵202，将相应的液体输送泵102、202连接到控制器303。另外，压力传感器302连接到控制器303。
控制器303被构造成根据压力传感器302的信号来控制液体输送泵102、202，使得液体输送泵102、202的输送速率增加，直到从液体105中排出如此多的气体以至于气体运送区域103内的压力达到阈值。
备选地或附加地，控制器303被构造成根据压力传感器302的信号来控制液体输送泵102、202，使得在气体运送区域103内的压力超过阈值时，液体输送泵102、202的输送速率被降低，以便减小液体105的除气率。
如上所述，对液体105进行除气具有如下作用：从液体运送区域104扩散到气体运送区域103中的气体导致气体运送区域103内的压力增加，即负压降低。
只要压力传感器302确定压力室101的气体运送区域103中的负压没有降低至预定阈值(例如，-30kPa)之下(即绝对压力没有升高到预定阈值之上)，就可以进一步增加液体输送泵102、202的输送速率。
然而，如果压力传感器302确定压力室101的气体运送区域103中的负压已经降至阈值(例如，-30kPa)之下(即绝对压力增加，负压降低)，这表明由于微型泵102可以从压力室101中排气，更多的气体扩散到气体运送区域103中。因此，控制器303控制输送泵102、202，使得输送泵102、202降低其输送速率。通过降低输送速率，液体105更慢地流过压力室101，并且微型泵102有更多的时间将扩散的气体从压力室101排出。由此，可以将压力室101中的负压保持得足够高。
为了进一步提高除气率，装置100可包括温度调节装置402。温度调节装置402被构造成通过冷却元件403来降低压力室101的气体运送区域103内的温度和/或通过加热元件404来增加液体运送区域104中的待除气的液体105的温度。
通常，可以通过几个参数来影响本发明装置100的效率。例如，这些参数是取决于温度和压力的最大溶解气体量、气体在液体中并且通过多孔介质(例如具有透气且不透液体的材料的管301)的扩散时间。本发明装置100的技术参数和特定目标应用的规格一起产生对液体运送区域(例如管)104和压力室101的尺寸的要求。
技术参数：
·输送泵102、202的输送速率
·多孔管104、301的现有直径
·微型泵102可能产生的高达-55κΠα的负压
·由于管长度和内径造成的压降
·真空室101中的停留时间(输送速率和管长度的组合)
规格应用示例：
·除气将发挥作用的最大流速：例如100μλ/μιν。这种输送速率是有利的，因为在便携式分析系统(例如片上实验室)以及便携式药物剂量系统(特别是贴片泵)中，最大输送速率低于该值。
·利用本发明装置100，液体105将从潜在饱和状态(100％溶解的空气)转移到低饱和状态，使得在便携式微剂量系统中，液体不会因压力或温度的变化而进行排气，因为气泡会对剂量准确度或传感器功能产生不利影响。因此，可以通过本发明装置100实现至多30％的除气，即液体105在通过本发明装置100之后具有最大70％的饱和度。
这产生了对管301和压力室101的以下要求：
·管内径0.61μμ
·管长度见表1
流速[μl/min] 管长度[m] 管容积[mm<sup>3</sup>] 压力差[kPa]
50 0.14 58 0.03
100 0.27 116 0.13
150 0.41 174 0.30
200 0.54 232 0.54
表1
对于这些管长度中的每一个，真空室101中的停留时间大致为48秒，在最大可能的除气(55％)下，这对于许多应用而言可能是合适的时间。对于更高的输送速率，除气率降低。
另一个边界条件是真空室101设计得足够大，使得室101中的压力在高除气率下或者在吸出气泡时不会过强地增加。由于多孔管301可以缠绕成(螺旋或盘旋形状)螺旋状，为了不被弯曲，真空室101的形状可以是例如圆柱形。根据管长度，自动产生作为多个管体积的室体积。
在下文中，将以其他词语来总结本发明。
本发明描述了一种装置100，通过该装置可以从液体105中抽取气泡，并且还可以部分地抽出溶解气体，从而确保没有气泡到达装置100的出口108，并且也没有气体饱和的液体到达出口101，并且以这种方式没有气体可以被排出。
因此，系统可以实现在气泡是不利的情况下，而不需要真空泵或真空端口。
该装置100可以以非常小型的方式实现，并且因此即使是在便携式应用(例如，便携式分析系统、膝上型系统、传感器系统、手持式设备等)中也可以提供没有气泡的液体。
应用的技术领域可以是例如：
·输送液体的所有微流体系统，其中该液体中溶解有气体或存在气泡形式的气体。
·流体测量技术
·片上实验室系统
·需要无气体的液体并且具有尺寸在毫米范围内的管并且输送速率为几毫升/分钟(μλ/μιν)的工业设备。
·处理微升范围内的液体的生物技术和医疗技术应用。
作为有源元件，本发明装置100包括具有低功率要求的微型泵102，取决于在5mW和几百mW之间的实施例，使得便携式系统的除气可以在长时间内用电池进行。
本发明将建立有源除气器所需的负压的微型泵102集成在除气器组件中。因此，仅需要单个电源形式的电力。因此，一个很大的优点是移动性。另一个优点是空间要求低。传统的除气器需要单独的泵。另一个优点是节省能量。由于端口和连接管处的泄漏率，外部泵通常表现出涉及附加能量开销的损失。
除气率取决于所建立的负压。在微流体系统领域中，申请人的微型泵102是唯一获知具有足够高的压缩比以建立这种负压的微型泵。
在实践中，通常不需要对液体105进行完全除气。仅应该确保液体105被除气至在共同的温度和压力变化下进行操作期间不出现气泡的程度。
例如，在图1中可以看出，透气且不透液体的(例如非润湿的)膜106放置在负压室101中，其中微型泵102被集成在该负压室101的外壳中。由此在除气器组件中直接产生所需的负压。可以省略真空端口。
除气器100在适当的位置插入到流体系统200中(也参见图2)。系统200的输送驱动待除气液体105通过入口107进入具有非润湿膜(或管)106的流体管路104。微型泵102在负压室101中建立负压。通过流体管路104中的相对于周围的室101的压力差，气体通过非润湿膜106被吸入室101中。这减小了室101中的负压，其中该负压由泵102再次补偿。
正常操作不需要可选的压力传感器302(见图3和4)。为了节能操作，压力传感器302可以用于调节微型泵102。仅当压力上升到阈值以上(或者负压下降到阈值以下)时才开启微型泵102。
在物理上，在该除气器100后面是扩散过程，其中该扩散过程由负压室101与室101外部的环境压力之间的压力差驱动。溶解在液体105中的气体的量取决于环境压力和分压的组成。在负压室100中，较低的压力作用在液体105和溶解气体上，使得该差异通过扩散得到补偿。因此，压力差限制了液体105的最大可获得除气以及每单位时间的除气率。
同时，具有非润湿膜106的液体运送区域104的几何形状和渗透性影响扩散。根据这些影响，产生每单位时间的除气率，使得需要根据应用来协调流体速度和流体管路长度。
当构造微型泵102时，需要考虑是否要对气体饱和的液体105进行除气或者是否还需要吸取较大的气泡。在设计负压室101时，其大小或体积在室101的缓冲效果中起主要作用。如果除气率超过微型泵102的输送速率，则负压室100中的压力增加，这导致较低的除气率。压力增加取决于负压室101的大小。必须在所有组件的相互作用中考虑这些因素。
在下文中，将以关键词概述一些可能的实施例。
·装置100包括流体导管104、透气元件106和压力室101，用于减少导管104中的溶解气体，其中导管104被液体填充，并且液体由于产生负压的微型泵102而流过导管104。
·装置100包括至少一个流体入口107和流体出口108、流体入口107与流体出口108之间的流体区域104、以及压力室101，其中压力室101通过透气且不透液体的分离元件106至少部分地与流体区域104分离，其中可以通过至少一个微型泵102将压力室101中的气动压力降低到流体压力以下。
·具有电力连接或电池供电的便携式设备
·溶解气体也可以作为第二相(气泡)普遍存在
·微型泵102可以集成在负压室101中，或者可以单独地连接
·透气性元件106可以作为管、膜、多孔板或以折叠的方式存在
·透气性材料可以是疏水性的、疏油性的等等。
·负压室101或微型泵导管中的附加阀门，用于防止泄漏率或用于通过通风来补充调节或用于引入“气提”气体或用于引入另一种限定的气体成分
·负压室101或微型泵导管中的附加压力传感器302。与之关联的是用于以下项的智能调节的不同选项：
ο节能，微型泵102仅在负压增加时操作
ο调节输送泵102、202流量优化
·负压保持不变→可以提高输送速率
·尽管微型泵功率最大但负压增加→较低的输送速率
·微型泵102的连续的或基于需求的操作
·连续或间歇地流过流体导管104
·流体输送也可以通过微型泵102进行
·通过加热元件404或冷却元件403在负压室101中进行附加的温度调节。分别冷却负压室101和加热待除气的流体105将增加除气率。
·负压室101中的一个或多个流体导管
·负压室101前面或之中的气泡检测(例如电容性、光学)和取决于气泡检测泵调节，用于开启微型泵102或降低输送速率以便吸走气泡。
·可以规定只有被完全除气的流体105才被进一步输送的情况下，通过增加负压室101中的压力或通过维持压力水平所需的泵功率来检测排气率(＝进一步小型化)
·通过除气特性检测流体特性
本发明装置100的一个特征在于微型泵102设置在压力室101上。基本上，微型泵(例如硅微型泵芯片)102可以以若干种方式集成到本发明装置(除气器)100中。
1)夹具
·微型泵102的入口109和出口110位于微型泵102的底部。它可以以紧密的方式流体连接到除气器壳体101，因为芯片被夹在一个或多个密封元件上。密封元件可以是例如
ο在入口109和出口110中具有相应的开口的软塑料(例如硅)。该塑料可以例如通过热冲压或注塑成型来形成。
ο两个O形环，其中泵芯片102被夹在这两个O形环上(当泵芯片被设计使得O形环具有足够的空间时)
·夹合元件例如是安装在泵芯片102上并以限定方式将芯片102按压在密封元件上的盖。该盖可以通过若干个螺钉或通过铰链和弹簧锁安装到除气器101上
·在密封元件中必须考虑的是，密封相对于可获得的负压是气密的。为此，必须在夹合结构中考虑设计规则。
·例如，存在以下规则：在O形环中需要如何设计接收器以便在负压下确保足够的密封性。这里，在需要时，可以在除气器壳体101和泵芯片102两者中实现相应的结构，其中硅密封件或O形环被插入在该相应的结构中。
·不需要100％的密封性。但是，已有的泄漏率可以不超过用于产生负压的泵容量。或者，当在电池供电的应用期间没有大的能量预算可用时，微型泵102不应该连续地操作以补偿泄漏率并保持负压。
·然而，微型泵112中的无源止回阀也具有泄漏率，使得环境空气通过关闭的微型泵102流回到负压室101中。
·当泄漏率过大时，可能需要进行以下操作：
ο需要设计无源止回阀，使得泄漏率最小，并且在闭合方向上可能不存在残余间隙。
ο对于密封，要使用“反向安全阀”(参见例如WO2014/094879A1)。在这些软密封件中没有残余间隙。
2)粘合或通过接合层接合
·泵芯片102可以通过以下方式直接与除气器壳体100牢固地连接：
ο粘合
ο焊接
ο键合(例如，阳极键、共晶键)
针对夹合所陈述的关于密封性和泄漏率的讨论适用于接合。
优点：粘合在大多数情况下比夹合更紧，另外更便宜并且不需要夹具盖。
关于产品，将微型泵102与具有小的残余泄漏率的瓣阀进行粘合是有利的解决方案，其中对于具有大约-50kPa负压的除气器和电池操作来说，目前的Fraunhofer微型泵的瓣阀已经足够好。
利用本发明装置100，提供了一种除气器。除气器100具有从液体105中抽出溶解气体的作用。到目前为止，为此需要一个真空端口或大型真空泵。在本发明装置100中，所需的负压由集成的微型泵102建立。这确保了增加的移动性并减少了对电力终端的必要供应。
本发明装置100包括用于除气的真空室101，其中在该真空室101的盖中可以集成微型泵102、可选的压力传感器302和流体104以及电端口。多孔透气管301可以插入真空室101内部。通过本发明装置100，可以相对于大气压力建立-55kPa的负压(大约是标准空气压力的一半)，其中通过该负压，水几乎可以被除气50％。这相当于在该负压下理论上可能的除气的约85％。
在本公开中，使用以下术语：
压力单位
1个大气压＝1000毫巴(mbar)＝1000百帕斯卡(hPa)＝100千帕斯卡(kPa)
除气
气体溶解在液体中。这意味着气体不作为气泡存在，而是独立气体分子混合在液体分子之间。如果从液体中去除气体分子，则这称为除气。
溶解度
溶解度涉及溶解特定气体的特定液体的特性。溶解度越高，更多的气体就可以溶解在液体中。溶解度取决于温度。
分压
分压涉及气体混合物中的独立成分的分压。所有分压的总和等于总压力。分压对应于：独立气体成分在相应的容积中单独存在时该气体成分将施加的压力。
另外，本发明可以在以下实施例中实现：
第一实施例是一种装置(100)，具有压力室(101)和与压力室(101)流体连接的微型泵(102)，其中压力室(101)包括气体运送区域(103)和液体运送区域(104)，其中微型泵(102)被构造成在气体运送区域(103)内产生气动压力，该气动压力低于流过液体运送区域(104)的液体(105)的流体压力，并且其中透气且不透液体的分离元件(106)至少按段分离气体运送区域(103)与液体运送区域(104)，其中微型泵(102)设置在压力室(101)上。
根据参考第一实施例的第二实施例，微型泵(102)可以通过螺钉和/或夹具固定件安装在压力室(101)上。
根据参考第一或第二实施例的第三实施例，微型泵(102)可以通过连接装置，特别是通过粘合剂或焊料安装在压力室(101)上。
根据参考上述实施例之一的第四实施例，微型泵(102)可以被构造成在压力室(101)的气体运送区域(103)中产生相对于大气压力而言-30kPa至-55kPa的负压。
根据参考上述实施例之一的第五实施例，分离元件(106)可以是设置在气体运送区域(103)与液体运送区域(104)之间的透气且不透液体的膜。
根据参考上述实施例之一的第六实施例，液体运送区域(104)可以是在压力室(101)内延伸的管道(301)。
根据参考第六实施例的第七实施例，管道(301)可以至少按段包括形成透气且不透液体的分离元件(106)的材料。
根据参考上述实施例之一的第八实施例，装置(100)还可以包括流体耦接到气体运送区域(103)的压力传感器(302)和连接到压力传感器(302)的控制器(303)，其中控制器(303)被构造成根据压力传感器(303)的信号来控制微型泵(102)，使得当压力室(101)的气体运送区域(103)内的压力上升到阈值以上时开启微型泵(102)。
根据参考上述实施例之一的第九实施例，装置(100)可以包括液体输送泵(102、202)，可以通过液体输送泵(102、，202)将液体(105)输送通过液体运送区域(104)，或者其中微型泵(102)被构造成将液体(105)输送通过液体运送区域(104)。
根据参考第九实施例的第十实施例，装置(100)可以包括流体耦接到气体运送区域(103)的压力传感器(302)和连接到压力传感器(302)和液体输送泵(102、202)的控制器(303)，其中控制器(303)被构造成根据压力传感器(302)的信号来控制液体输送泵(102、202)，使得液体输送泵(102、202)的输送速率增加直到气体输送区域(103)内的压力达到阈值，和/或使得在气体运送区域(103)内的压力超过阈值时液体输送泵(102、202)的输送速率降低。
根据参考上述实施例之一的第十一实施例，装置(100)可以包括温度调节装置(402)，该温度调节装置(402)被构造成冷却气体运送区域(103)和/或加热液体运送区域(104)。
根据参考上述实施例之一的第十二实施例，装置(100)可以包括流体耦接到气体运送区域(103)的阀门，其中该阀门连接到气提气体运送导管，以便将气提气体引入到压力室(101)的气体运送区域(103)中。
根据参考上述实施例之一的第十三实施例，气泡检测装置可以设置在压力室(101)内或者在压力室(101)前面沿液体(105)的流动方向设置，其中该气泡检测装置被构造成检测液体(105)中的气泡，并且其中装置(100)还包括控制器(303)，其中该控制器(330)被构造成根据检测到的气泡来开启微型泵(102)。
根据参考上述实施例之一的第十四实施例，压力室(101)的液体运送区域(104)可以包括入口(107)和出口(108)，其中装置(100)可以通过该入口(107)和出口(108)插入到液体运送系统(200)的液体运送导管(401)中。
进一步的实施方案提供了一种液体运送系统(200)，其具有根据上述实施例之一所述的装置(100)。

Claims (16)

1.一种装置(100)，包括
压力室(101)和与所述压力室(101)流体连接的微型泵(102)，
其中，所述压力室(101)包括气体运送区域(103)和液体运送区域(104)，
其中，所述微型泵(102)被构造成在所述气体运送区域(103)内产生气动压力，其中所述气动压力低于流过所述液体运送区域(104)的液体(105)的流体压力，
并且其中，透气且不透液体的分离元件(106)至少按段来将所述气体运送区域(103)与所述液体运送区域(104)彼此分离，
其特征在于
所述微型泵(102)被设置在所述压力室(101)上，并且所述液体运送区域(104)是在所述压力室(101)内延伸的管道(301)。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，所述管道(301)至少按段包括形成所述透气且不透液体的分离元件(106)的材料。
3.根据权利要求1或2所述的装置(100)，其中，所述管道(301)以螺旋形状设置在所述压力室(101)中。
4.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述微型泵(102)被构造成在所述压力室(101)的所述气体运送区域(103)中产生相对于大气压力而言-30kPa至-55kPa的负压。
5.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述微型泵(102)包括50μl或更小的每泵冲程冲程容积。
6.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述微型泵(102)通过螺钉和/或夹具固定件安装在所述压力室(101)上。
7.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述微型泵(102)通过接合装置特别是通过粘合剂或焊料安装在所述压力室(101)上。
8.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述分离元件(106)是设置在所述气体运送区域(103)与所述液体运送区域(104)之间的透气且不透液体的膜。
9.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述装置(100)还包括流体耦到所述气体运送区域(103)的压力传感器(302)和连接到所述压力传感器(302)的控制器(303)，其中，所述控制器(303)被构造成根据所述压力传感器(302)的信号来控制所述微型泵(102)，使得当所述压力室(101)的所述气体运送区域(103)内的压力上升到阈值以上时所述微型泵(102)被开启。
10.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述装置(100)包括液体输送泵(102，202)，其中通过所述液体输送泵，液体(105)能够被输送通过所述液体运送区域(104)，或者其中，所述微型泵(102)被构造成将液体(105)输送通过所述液体运送区域(104)。
11.根据权利要求10所述的装置(100)，其中，所述装置(100)包括流体耦接到所述气体运送区域(103)的压力传感器(302)和连接到所述压力传感器(302)和所述液体输送泵(102、202)的所述控制器(303)，其中，所述控制器(303)被构造成根据所述压力传感器(302)的信号来控制所述液体输送泵(102、202)，使得所述液体输送泵(102、202)的输送速率增加直到所述气体运送区域(103)内的压力达到阈值，和/或使得在所述气体运送区域(103)内的压力超过阈值时所述液体输送泵(102、202)的输送速率降低。
12.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述装置(100)包括温度调节装置(402)，所述温度调节装置(402)被构造成冷却所述气体运送区域(103)和/或加热所述液体运送区域(104)。
13.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述装置(100)包括流体耦接到所述气体运送区域(103)的阀门，所述阀门连接到气提气体运送导管，以便将气提气体引入到所述压力室(101)的所述气体运送区域(103)中。
14.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，气泡检测装置被设置在所述压力室(101)内或者在所述压力室(101)前面沿液体(105)的流动方向设置，其中所述气泡检测装置被构造成检测所述液体(105)中的气泡，并且其中，所述装置(100)还包括控制器(303)，其中所述控制器(303)被构造成根据检测到的气泡来开启所述微型泵(102)。
15.根据前述权利要求之一所述的装置(100)，其中，所述压力室(101)的所述液体运送区域(104)包括入口(107)和出口(108)，其中通过所述入口(107)和所述出口(108)，所述装置(100)能够被插入在液体运送系统(200)的液体运送导管(401)中。
16.一种液体运送系统(200)，包括根据前述权利要求之一所述的装置(100)。
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