CN1835804A - 微计量装置和用于液体的计量分配的方法 - Google Patents

Abstract

一种微计量装置，包括具有柔性管子的流体导管(100)，该流体导管具有第一端(102)和第二端，该第一端用于连接到贮液器上，出口孔(104)位于该第二端。提供带有可调节毂的置换器(108)的致动装置，通过该装置可以改变柔性管子的一部分的容积，由此通过在第一端位置和第二端位置之间移动置换器(108)，在出口孔处以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体(130)，其中，在第一端位置或第二端位置少该管子被部分地压缩。换句话说，一种微计量装置，包括流体导管(100)，该流体导管具有一部分，通过致动装置沿该部分可以改变流体导管的横截面以使流体导管的容积变化。通过改变致动装置的位置，在致动装置位置和出口孔之间的流体阻抗与在流体导管的第一端和致动装置的位置之间的流体阻抗的比率是可以改变的，这样在出口孔处分配的计量容积可变化至少10％。

Description

微计量装置和用于液体的计量分配的方法

本发明涉及一种微计量装置、用于液体的计量分配的方法和当使用本发明的微计量装置时用于调节所需计量容积范围的方法。

根据现有技术，纳公升(10^-12m³)量级不使用常规吸液管进行计量，而是需要特殊的方法来确保所要求的精度。

这里，除了接触方法、常规分配方法、针印刷方法等，非接触方法也是非常重要的。

一类已知的方法是基于快速切换阀。因此，将通常是基于磁或压电装置的合适的阀通过导管连接到媒体贮液器并在其中形成压力。通过该阀以小于1ms的切换周期的快速切换，即使是具有高表面张力的流体也可以从分配位置分离出来，并作为自由射流撞击基板。可以通过压力和/或阀的切换周期来控制计量。

在上述具有切换阀的概念中，存在不同的方法来产生压力。

在图7中表示了展示第一种被称为注射器螺线管方法的已知方法的示意图。这里，流体导管10通过快速切换微螺旋管阀12流体连接到注射器14，其中该导管是可拆卸的。在该注射器14的下端有一个喷嘴开口16。将流体导管10的对应端通过切换阀18连接到注射器泵20。此外，贮液器22也通过另一个流体导管24连接到切换阀18。

该切换阀18具有两个切换状态。在第一切换状态，注射器泵20的泵腔室26通过流体导管24流通连接到贮液器22，使得通过注射器泵的塞子30作相应的移动来增加泵腔室26的容积，能将液体28从贮液器吸入到泵腔室26中。这一操作用于填充注射器泵20。在接下来的计量操作中，对切换阀18进行切换，引起泵腔室26通过流体导管10与微螺旋管阀12的流通连接。通过使用塞子30将压力施加到泵腔室26内部的液体上，使得通过快速切换微螺旋管阀12(切换周期＜1ms)，能从注射器14的计量口18分配液体。在图7中所示的这类计量装置例如可以是Cartesian公司销售的。

在图8中示出了一种例如由Delo和Vermes公司实践的可选原理。在这种可选方法中，提供一种压力容器40，在压力下存储液体42。将压力容器40的出口孔通过流体导管44连接到快速切换阀46，阀46又通过流体导管48连接到喷嘴开口，这里仅仅用箭头在图8中示意性地示出。在这种配置中，液体还可以通过阀46的快速切换从喷嘴开口以自由射流进行分配。

例如在DE-A-19802367、DE-A-19802368和EP-A-0725267中描述了可选择的已知微计量装置。这里所述的微计量装置包括与柔性膜相邻并且通过供给线连接到贮藏室，通过排水管连接到喷嘴开口的泵腔室。下面将参考图9a至9c对这样的微计量装置的例子进行描述。

在图9a中，表示了这样的微计量装置在静止位置中的示意性截面图。该计量装置包括一个计量头50和一个致动装置52。在所示例子中，计量头50由两个相互连接的基板54和56构成，其中形成相应的凹槽。将第一基板54构使在其中形成贮液器接口58、入口通道60和计量腔62。将下方基板56构使在其中形成喷嘴接口64，具有喷嘴通道和出口孔的喷嘴66和具有比喷嘴66的出口孔横截面大得多的出口孔区域68。

此外，根据相同的构造在上基板54上形成膜70。

致动装置52具有置换器(displacer)72，如图9b所示，通过置换器可以使膜70向下偏离以减少计量腔62的容积。通过这种对计量腔72容积的减少，一方面，导致通过入口通道60和贮液器接口58的回流74。另一方面，导致通过喷嘴接口64和喷嘴66的前向流动，使得配送液体76到达喷嘴66的出口孔端。回流74和配送液体76之间的比率取决于在贮液器和计量腔之间的流体连通的流体阻抗与在计量腔和喷嘴66的出口孔之间的流体阻抗之比。

在计量操作之后，参见图9c，同时使用致动装置52，将置换器72向上移动，如图9a所示，由于弹性置换器最终恢复到初始位置。通过膜70的复位，导致计量腔容积的增加，使得产生从贮液器通过贮液器连通58和入口通道60的再填充流动78。为了防止在该阶段中空气通过喷嘴66的进入，需要足够慢地进行膜70的复位，使得将液体保持在喷嘴66中的毛细力不会由此被克服。

上述参考图9a至9c的微计量装置最初开发用于生物化学中的酶计量。通过使用这种装置，可以非常独立于媒介和精确地在1nL到1000nL量级中对具有一直到100mpas粘性的液体进行计量。由此通过移动优选地由硅制成的计量片对要被计量的液体进行计量。但是，这种方法需要相对复杂的微型装置。

最后，从US-3683212得知一种微滴排出系统，其中管状压电转换器将流体导管连接到喷嘴板，其中在喷嘴板上形成喷嘴开口。将具有短上升时间的电压脉冲施加到该转换器上以引起转换器的收缩。所使的密封容积的突然减少引起少量流体从开口板的开口处被挤出。由此，在无压或低压下保持液体。当转换器不工作时，在开口处的表面张力防止液体流出。被挤出的液体由在导管中毛细向前流动的液体所取代。

根据US-3683212，已经发现在类似于压电喷墨方法的声学原理的帮助下产生液滴。这里，在例如刚性玻璃毛细管的刚性流体导管中产生声学压力波，其使在出口孔位置的局部高压力梯度，这引起液滴的分离。致动器的致动时间在此在系统的音响传输范围内，通常是几个微秒。这样，在本文中，在致动器上方和下方的流体导管的声阻对于设计是非常重要的。因此，这是一种产生高声学脉冲的具有低量排量的脉冲方法。换句话说，在致动位置和处理位置之间产生具有最高压强和最低压强的声波，其中通过在分配位置上的相应压强使液体的挤出。根据US-3683212，流体导管只有可忽略不计的形变，致动器主要只传输声音，而流体导管的弹性不是非常重要。

从DE 4314343 C2了解到一种用于计量液体的装置，具有一端连接到贮液器，另一端开口的液体提供管。将该管子提供到相邻接的套节，在管子与相邻套节相对的一侧提供一个锤子。该锤子可以在与管子轴向横向的方向上周期性地运动，使得整个管子横截面被锤子压褶，即，流动面积基本变为零。由此，脉冲力冲击作用在管子上，将独立的液滴推出开口端。

本发明的目的是提供一种具有简单结构的微计量装置，优选地其还允许能容易改变要分配的计量。本发明的另一目的在于提供一种用于液体的计量分配的方法。

通过根据权利要求1和9的微计量装置以及根据权利要求20、29和30的方法来实现本目的。

本发明提供的微计量装置包括：

具有柔性管子的流体导管，该流体导管具有第一端和第二端，该第一端用于连接到贮液器上，出口孔位于该第二端，其中柔性管优选为聚合物管；和

具有带有可调节毂的置换器的致动装置，通过该致动装置可以改变柔性管子的一部分的容积，由此通过在第一端部位置和第二端部位置之间移动置换器在出口孔处以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体，其中，至少在第一端位置或第二端位置处该管子被部分地压缩。

此外，本发明提供一种微计量装置，包括：

具有第一端和第二端的流体导管，该第一端用于连接到贮液器上，出口孔位于该第二端，该流体导管具有一个部分，沿该部分可以改变流体导管的截面，以使流体导管的容积变化；

致动装置，设置在沿流体导管的所述用于使流体导管的容积变化并由此从出口孔以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体的部分位置上，

其中，通过改变致动装置的位置，在致动装置的位置和出口孔之间的流体阻抗与在第一端和流体导管和致动装置的位置之间的流体阻抗的比率是可变的，这样分配在出口孔处的计量容积可变化至少10％。

这里，流体阻抗代表由管路长度和流动截面确定的流体电阻(resistance)和流体电感(inductance)的组合。

由此，本申请允许通过调节致动装置的毂和/或沿容积可变的流体导管调节致动装置的位置实现计量。

可以优选地通过设计在贮液器和排出口孔之间具有基本上线性结构的流体导管，即其在贮液器和排出口孔之间的截面没有不稳定变化，实现所述的流体阻抗比率的可变性。在最简单的情况中，可以通过贮液器和排出口孔之间具有在静止位置中基本上恒定截面的流体导管来实现这一目的。

本发明不需要象在其它液滴产生器中所需的精密机构或微结构部件，由此可以明显减少生产成本并增加操作可靠性。此外，流体承载部分可以生产为易处理部件，例如聚酰亚胺的简单塑料制品，由此可以省去改变媒体时昂贵的清理。

此外，根据本发明，没有使用限压的腔室，而是用可变“作用区域”用于产生压力。由此，通过改变置换器的位置实现不同流体的最佳可能性，该位置，即，顺着这部分流体导管的致动装置的位置，顺着该位置可以改变流体导管的截面以引起流体导管容积的变化。通过轴向的不对称容积变化，可以在出口孔方向上在流体导管中产生流体流动的优选方向。此外，可以通过例如使用更大的置换器来增加“作用区域”引起最大计量的简单变化，其中这样的最大计量的变化不需要流体承载部分结构上的改变。最后，可以明确提供在入口和出口孔之间的势压差以确保在再填充过程中的优选方向或者防止液体从出口孔泄漏。由此，在流体导管中不能通过毛细力移动的媒体也可以被计量。

此外，本发明提供一种用于液体计量分配的方法，包括以下步骤：

用要计量的液体填充具有柔性管子的流体导管，其中柔性管优选为聚合物管；

通过带有可调节毂的置换器使柔性管子的一部分的容积变化，由此通过在第一端位置和第二端位置之间移动该置换器在流体导管的出口孔以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体，其中，至少在第一端位置或第二端位置处该管子被部分地压缩。

此外，本发明提供通过使用本发明的微计量装置在计量操作中调节所需计量的方法，包括以下步骤：

沿着流体导管的所述部分在预定位置处设置致动装置，从而使得由于在使流体导管的容积变化的步骤中产生的流体阻抗比率，可以在出口孔处分配所需的计量。

此外，本发明提供一种通过使用本发明的微计量装置在计量操作中调节所需计量的方法，包括以下步骤：

相对于流体导管的所述部分选择具有轴向长度的置换器，该置换器适于允许在使流体导管的容积变化的步骤中分配所需计量。

由此，当调节所需的计量时，本发明允许附加的自由度。一方面，通过预定毂以及由此预定的致动装置的置换器，可以通过上述步骤调节所需的计量。如果毂以及进而致动装置的置换器是可调的，可以通过上述步骤调节所需的计量范围，其中可以分别通过调节毂或致动装置的置换器调节在所需的计量范围内的计量。

当通过本发明实现的容积移动系统的特性和显著优点表现在那些计量很大程度上取决于要计量液体粘性的系统中。

在上文中，根据本发明，可以设计和流体导管在一起的致动装置，以允许在容积转移的极限情况时通过置换器对流体导管的完全压褶。另外，在这种情况中，还能完成一种阀的功能。和已知方法相比，在贮液器和分配位置之间的完全切断的可能性还可以表现出另一种优点。

和US-3683212的教导相比，在本发明的微计量装置中，在整个流体导管中建立一种连续的压力梯度，其中实际上从置换器开始液体被推出导管。在置换器和出口孔之间的整个流体在出口孔的方向上移动。由于在几微秒(明显比采用脉冲方法要慢)的时间级上执行容积转移，所以声学现象不会发生。

下面将参考附图对本发明的优选实施例进行说明。这些附图为：

图1a至1c是用于说明所发明的计量操作的实施例的示意性截面图；

图2a至2d是所发明的微计量装置的实施例的示意图；

图3是示意性说明液滴形成的顺序图；

图4是表示通过原型产生的液滴量的图表；

图5a和5b是用于说明在本发明的微计量装置中是如何能够调节计量范围的示意图；

图6a和6b是用于说明根据本发明是如何二选一地调节计量范围的示意图；

图7至9是已知微计量系统的示意图；

图10a和10b是本发明微计量装置的备选实施例的示意图。

参考在图1a至图1c的示意性说明，下面将介绍本发明的基本特点及其根本原理。

本发明分别涉及一种装置或方法，用于主要在纳公升到微微公升的范围内分别产生微液滴或微射流。流体运输管道是本发明微计量装置的重要部件，其入口连接到装有要计量媒体的贮液器。管道的另一端是出口孔，通过出口孔可以分配要计量的液体。优选地流体运输管道主要由弹性材料制成，这样在入口和出口孔之间的管道容积可以通过使管道变形而变化，例如压缩管道。

在图1a至图1c中表示了在计量操作的不同阶段中，本发明计量装置的基本部件。

如图1a所示，在本发明的优选实施例中弹性聚合物管的流体管道100包括入口侧端102和出口孔侧端104，入口侧端用于连接到贮液器，而微液滴或微射流可以分别从出口孔侧端进行分配。出口孔侧端104由此还可以称为喷嘴。在图1a至图1c中用点划线表示弹性聚合物管100的各个壁106。

设置置换器形式的致动器108，其具有连接部件110，在那可以将置换器108装配到用于驱动置换器108的操作部件。

在所示实施例中，弹性聚合物管从其输入端102到其输出端104具有基本上恒定的横截面，其通常是圆形。

在这样的微计量装置中，设置在置换器108下方的区域112可以被称为计量腔区域，其由置换器108关于弹性聚合物管100的位置来确定。基本上从置换器108的右端开始的区域114表示将置换器区域112流控连通到出口孔端104的出口孔通道。区域116在图中以缩减的形式表示并且从置换器108的左端向左延伸，其表示将置换器区域112流控连通到输入端102的入口通道。

如在图1a中进一步所示，置换器108可以包括和聚合物管100的壁106斜向连接的置换器表面120，其允许在微计量装置的操作过程中通过轴向不对称的容积变化来产生在朝向出口孔104方向中流体流动的优选方向。

在下面，将介绍本发明微计量装置的操作模式。

当切换到计量系统上时，通过外部产生的压差或通过毛细力自动填充流体导管100。

可以例如通过使用在压力下设置流体的贮液器来应用外部产生的压差。

当应用相对于出口孔端为正的静压(过压)时，必须认为该压力没有毛细力大，其中通过该压力在导管100中提供液体，通过该毛细力将液体保持在导管中，因为否则在微计量装置出于非工作状态时会发生从出口孔端104的液体泄漏。

作为选择，可以应用相对于输出端为负的压力(低压)以避免在非工作状态中如果毛细力太弱时液体从出口孔端泄漏。在重填充过程中必须要由毛细力来克服这个相反的压力。

在计量操作开始时，在第一阶段，其可以称为计量阶段，通过在入口和出口孔之间减少导管容积从导管中转移出液体。这是通过向下，即，在向聚合物管100的方向上移动置换器108来实现的，这样在置换器区域112中发生聚合物管的压缩。在图1b中通过肩头122来表示这种向下的运动。由此，置换器区域112表示本发明微计量装置的作用区域。

当导管具有流动能力的时候，由于流体导管100的这种容积变化导致的从导管转移出的液体被从导管的端部被压出或者通过改变导管的横截面积保存在另一位置。

一方面，通过置换器108的快速移动122引起的流体导管100的容积变化，按照箭头124的指示，发生流体向出口孔104方向的流动。另一方面，按照箭头126的指示，发生通过入口通道116进入贮液器的回流。通过前向流动124，在出口孔104处发生分别以微液滴或微射流形式的流体排出。

流体的哪部分将通过出口孔104分别作为喷射或液滴被分配，取决于容积变化的位置、类型和动态。正如上面已经提到的，由置换器108，特别是置换器表面120引起的轴向不对称容积变化可以影响流体在朝着出口孔104方向上的优选方向。为了在计量阶段在出口孔端104上产生射流或液滴，容积变化发生得必须足够快，得以分别向流体液滴或流体射流传输所需的脉冲，这样它们就可以从出口孔104分离出来。由此，流体特性，例如密度、粘性、表面张力，以及可以存在于入口和出口孔之间的压差都扮演着重要角色。此外，在出口孔104和执行容积变化的作用区域112之间的流体阻抗(即，出口孔通道114的流体阻抗)以及在作用区域14和入口112之间的导管部分流体阻抗(即，入口通道116的流体阻抗)决定着所分配的计量大小(向前流124)和反馈到贮液器的流量(回流126)之间的比率。例如当在出口孔(104)附近以高动态(例如每毫秒内50nL)执行容积变化时可以获得较好的计量质量。

通过将置换器定位在接近出口孔(104)的位置，可以使出口孔通道114的流体阻抗低于入口通道116的流体阻抗，这样大部分分配的流体从出口孔104喷射出来。由此，可以说当入口通道116的长度至少是出口孔通道114长度的两倍，优选为至少五倍并且更优地为十倍时，将置换器接近出口孔104设置。

在分别排出流体液滴或流体射流之后，在可以称为再填充阶段的第二个阶段中，在入口102和出口孔104之间的容积再次增加。如图1c所示，这可以通过在箭头132的方向上从流体导管100移走置换器108来实现。由于这种容积变化，如图1c中的箭头134所示，液体从贮液器通过入口102和入口通道116流入导管并且特别是流入导管的操作区域112。毛细力以及相当小的导管横截面防止空气通过出口孔流入。作为选择，可以通过在入口和出口孔之间的流体静力压差来决定用于从贮液器填充的优选方向。为了这个目的，例如可以再次提供带有压力的贮液器。

在再填充阶段结束时，再一次出现了图1a所示的情况，在其之后可以再次执行计量操作。

图2a至图2d表示使用分别为流体导管或致动器安装的本发明的微计量装置的液滴产生器。图2a表示该液滴产生器的侧视图，而图2b表示其底面图。图2c表示沿图2b的线A-A的截面图，而图2d表示按5∶1的尺寸放大的部分B。

在图2a至图2d中展示的液滴产生器包括聚酰亚胺管150，其可以具有例如200μm的内径。为了存放该聚酰亚胺管150，提供了存储块152和邻接块154。在存储块152和/或邻接块154中提供导向槽，在其中插入聚酰亚胺管，这样就以一种牢固的方式将聚酰亚胺管紧固存储在存储块和邻接块之间。例如，通过使用安装螺栓156将存储块152和邻接块154装配到安装件162的支架160。此外，形成安装件162，在与邻接块154相反的聚酰亚胺管150一侧支持置换器164，帮助可以在管子的操作区域中压缩该管，借此可以实现本发明在入口和出口孔之间的容积变化。由此，由压电堆致动器(未示出)驱动的置换器的移动可以由电子控制，该致动器通过适配器166连接到置换器。为了通过聚酰亚胺管150实现液滴喷射168的优选方向，置换器164再次具有与聚酰亚胺管成斜向关系的移动表面，即与聚酰亚胺管呈一角度延伸。

此外，安装件162包括用于压电堆致动器形式的驱动单元的接收器170。而且，安装件162可以具有允许例如通过使用螺栓连接将安装件装配到一同样具有驱动单元的装置上的凹槽172，该凹槽172穿透该安装件。

相对于如图2a至2d所示的结构，已经建立了原型并成功地进行实验测试。图3表示由该原型执行的计量操作的不同阶段，其中在每种情况中展示了聚酰亚胺管150的出口孔端180。

图4表示使用该原型在1800次计量操作的显微照片中的分配质量，其中使用水作为要计量的液体。中等液滴质量是22.57μg，具有σ0.35μg的标准偏差。聚酰亚胺管具有200μm的直径。在图4中所示的再现性的重量测量证明通过本发明的原理可以获得至少符合常规计量装置之一，并且甚至优于其的精度。

相对于图5a、5b、6a和6b，下面将讨论如何能在本发明的微计量装置中分别调节所需要的计量或者所需要的计量范围。

在图5a和5b中，示意性地示出了聚合物管100，其入口102与贮液器200流体连通，其出口孔端104存在一个喷射口。由置换器108的位置确定操作区域112以及出口孔通道114和入口通道116。在图5a所示的结构中，入口通道116和出口孔通道114具有基本上相同的长度x₁和x₂，当假设管子100的横截面恒定的情况下，这样它们流体阻抗基本上是一致的。由此，在所示的置换器108′的形式中，由置换器108′引起的容积转移将在出口孔104和入口102方向上引起相同大小的流动，其使没有优选的流动方向。这样，当忽略导管100的流体毛细力时，经出口孔104排出的容积是由置换器108′产生的容积转移的一半。

根据图5b，置换器靠近出口孔104设置。换句话说，入口通道116的长度x₁大约是出口孔通道长度x₂的五倍。由此，当管子100具有恒定的横截面时，入口通道116的流体阻抗是出口孔通道114的五倍，使得由置换器108′使的容积变化的更多部分流向出口孔104方向并通过其排出。

在上述方法中，可以通过改变置换器相对于流体导管100的位置调整所需要的计量。此外，如果置换器的驱动装置允许置换器毂的选择性调节，即，按照与流体导管不同的垂直距离实现的置换器运动的选择性调节，那么置换器将可以根据其控制引起不同的容积变化，当通过置换器的相应控制在所调节的计量范围内实现所需的计量的最终调节时，上述位置的调节可以表示所需的计量范围的调节。

根据本发明，只要可以通过改变置换器的位置明显改变来自入口通道和出口孔通道的流动阻抗的比率，在出口孔分配的计量通过改变置换器的位置就是可以调节的。这里，“明显”应当意味着这种改变至少按10％引起在出口孔分配的计量的变化，由此有效调节范围将取决于置换器位置可以被调节的范围。由此，按50％和以上变化的分配的计量可以通过改变置换器的位置来实现。由于分别在计量腔，即操作区域，和入口通道或出口孔通道之间没有不稳定横截面出现，根据本发明可以更好地实现入口通道和出口孔通道的流体阻抗比率的发明适应性。在本发明更优选的实施例中，在静态位置中从移动部分，即操作区域到出口孔，流体导管的横截面是恒定的。此外，在优选实施例中，在贮液器和出口孔之间的整个流体导管具有基本上恒定的横截面。

可以从图6a和图6b中了解根据本发明如何能分别调节所需的计量或所需的计量范围的第二种可能性。根据图6a，置换器108′沿管子100具有长度l₁，而根据图6b，置换器208沿管子100具有长度l₂。长度l2比长度l1要长，这样置换器208在相同的毂下允许流体管道100更大的容积变化。由此，根据本发明，通过沿具有恒定毂的流体管道改变置换器的长度，可以调节所需的计量，或类似于上面的描述，可以调节所需的计量范围。

这样，本发明提供一种具有由要计量的媒体填充的流体管道的微计量装置，其一端可以连接到贮液器，而其另一端存在出口孔，以及可以暂时改变流体导管中间段容积的致动器，这样通过容积变化，流体以自由飞射的液滴或自由飞射的射流在出口孔被分配。根据本发明，可以由柔性聚合物管形成整个流体导管。可选的，当由刚性流体导管形成来自这部分的流入部分和排出部分时，只有提到的确定部分可以由柔性聚合物管形成。

作为所述的柔性聚合物管的一种替换，本发明的微计量装置的流体导管也可以由覆盖膜的基本上刚性的载体构成的通道形成。由此，形成不存在不稳定横截面变化的通道，优选地在载体中具有恒定横截面，使得即使在本实施例中可以通过相应的置换器的布置调节来自入口通道和出口孔通道的流体阻抗，以实现在出口孔分配的的计量至少10％的变化。

如上所述，根据本发明，在流体导管的弹性部分发生移动。优选地，在操作后弹性部分可以自动地恢复在例如柔性聚合物管或膜的流体导管中的开始位置，这样置换器就不必以固定方式连接到流体导管，使得可以将流体导管设计成简单的可移动部件。

本发明还包括液滴产生器，其中将几个本发明的微计量装置平行布置。可以单独地控制这几个平行布置的微计量装置对不同的液体或相同的液体进行计量。作为选择，液滴产生器可以具有几个流体导管，可以同时由置换器控制，使得可以由置换器计量配料相同或不同的液体。为了这个目的，可以将不同的流体导管连接到相同或不同的贮液器。

这样，本发明的微计量装置可以由一个或几个微液滴产生器构成，每一个具有由要计量的媒体填充的(弹性的)流体导管，其一端具有连接到贮液器的入口，而其另一端具有出口孔，其中在入口和出口孔之间可以存在压差，并且可以通过致动装置暂时改变在贮液器和出口孔之间的导管容积，其中在第一阶段，在入口和出口孔之间的流体容积以足够的速度从其初始容积减少到较小的容积，由此通过出口孔可以分别排出微液滴或微射流，并且转移的容积部分可以泄漏到入口，其中微液滴或微射流各自的量，加上通过入口回流到贮液器中的量基本上对应于由致动装置使的容积变化，并且在第二阶段中，在入口和出口孔之间的容积再次增加，通过压力或毛细力驱动流体导管再次被从贮液器填充。

除了参考图2a至图2d所述的支架，可以提供一种自动支架，例如响应于分别指示所需计量范围或计量的信号，可以允许自动调节置换器对于流体导管的位置。

通过使用本发明的微计量装置，由此在于周围大气接触的出口孔处更好地产生独立的自由飞射的微液滴，用于在出口孔以自由飞射的液滴或自由飞射的射流分配流体。由此，本发明允许排出已经经过致动装置一个单独操作周期的液滴，在该周期中置换器产生一次流体导管容积的减少以由此排出液滴。

本发明允许通过调节致动装置的毂和/或在预定位置处沿流体导管部分移动致动装置来调节计量。此外，可以选择具有适当轴向长度的置换器。

当为了调节计量使用可调毂时，致动装置或置换器各自的毂h时可变化的并且小于管子的直径，即，在致动装置的置换器的运动方向上管子的横截面尺寸。

如同在DE 4314343 C2中要求的那样，在将整个管子横截面压褶的情况下，即把流体面积基本减少到零时，由沿管子轴向锤子的伸展以及管子直径来确定液滴容积。通过压褶管子，将相应管子内的整个容积转移。近似的，具有其它等效安排，对于此后确定液滴容积的重要的移动量下面提供了：

$V=\frac{a}{4}\·\mathrm{\π}{d}^2$

这里，V代表移动量，a是置换器的长度，而d是管子直径。

与此对比，在具有可调节毂的置换器中，围绕其移动置换器的毂h，扮演着决定性的角色。这里，移动量取决于毂h，并且可以通过水平平衡的圆柱体体积来进行近似表示：

$V\≈\frac{d\·a}{24\·h}[2\sqrt{\frac{(d-h)h}{d^2}}(3d^2-4d\·h+4h^2)-3d\·(d-24h)\mathrm{Ar}\cos (1-\frac{2h}{d})]$

这里，h是管子被压缩的距离。

通过依靠在毂h上的移动量以及所述的其在液滴容积上的影响，本发明允许一种不必连接各自具有不同直径的管子或具有不同尺寸的置换器的液滴容积的可变调节。

根据本发明，在单独的计量操作中，分别在容积转移与液滴产生或液滴容积之间存在联系，使得本发明允许非周期致动的计量，例如，当要在基板上印刷特定的非周期图案时。

在上述实施例中，将致动装置设计为产生从管子的未压褶状态开始的对管子的致动。可选择的，在备用模式中，实施例还可以是部分或完全压褶即压缩管子。在图10a中表示了这种实施例的示意性截面图。在管子后方将其提供到背支架300。在管子100的相反一侧，将压电致动器302安装到致动装置的支架302上。将置换器306设置在压电致动器302的前端。

在图10a所示的结构中，在其备用模式中将管子100完全压褶。以缓慢拉回压电致动器302开始计量周期，使得部分释放管子100的横截面。在这一阶段中，为了补偿所增加的管子容积，在原先压褶的区域，从相对于出口孔104在102端与管子100连接的贮液器中流出流体。然后通过快速延伸压电致动器302再次减少管子容积，在出口孔端104以液滴形式实现有效的液滴操作。如上面实施例所述，可以由调节压电致动器302的行进来确定计量，而且可以通过改变操作电压或者分别改变在压电致动器上的充电电流或放电电流来进行控制。和常规开放管相比，在图10a中所示结构的优点在于具有明显较低的计量材料蒸发率。

由此，本实施例保存整合封闭的机构。但是，其不利之处在于商业可获得的常规压电堆致动器的延伸状态是施加电压的状态。当撤去电压时，压电堆致动器变短，为缩减状态。因此，这意味着图10a中所示的整合封闭机构的实施例会使一个连续但是轻微的能量消耗。为了充分利用该整合封闭机构的优点，即使在计量系统不使用的时候，在图10a所示的实施例中分别连续施加电压或对压电致动器充电是有好处的。

可以通过提供一种带有偏压装置的致动装置来实现具有减少能耗的整合封闭机构，其中偏压装置例如是弹簧，为了获得在备用模式下管子部分或全部压褶使置换器压向聚合物管。然后，致动装置优选地具有一种致动器，配置为克服偏压装置的力移动该置换器以部分或全部释放管子的横截面。

在图10b中表示这样的一种整合封闭机构的实施例。又一次靠着后支架310提供管子100。在本实施例中，致动装置包括弹簧312和压电堆致动器314的组合。此外，致动装置包括置换器316，其刚性接合到致动板318。在图10b中，作为连接装置的例子展示了两个连接杆320和322。在弹簧312的右侧端将其提供给后支架324，并且弹簧使置换器316压向管子100以在致动器314的非工作状态中压褶管子。本实施例允许实现一种计量装置，在电源电压切断时它的管子是被压褶的，这使得其具有不需要连续能量消耗的整合封闭机构。

在切断状态，通过弹簧将置换器316压在管子100上，把管子压在后支架310上并被压褶。如果要执行计量操作，通过施加电源延伸压电致动器314，由此置换器316克服弹簧力复位。管子松开并且要计量的液体从管子与开口104相对的一侧102的贮液器中流入。通过快速往回驱动压电堆致动器318，由弹簧312再次将管子100压褶，弹力的大小要足够强。弹簧要有足够大的刚性使得液体被以自由飞射的射流从出口孔104分配。通过对压电致动器的行进调节再次确定计量，并且可以通过分别改变操作电压或通过改变在压电堆致动器中的充电或放电电流进行控制。

这里，应当注意的是当管子不是被完全压褶的时候，针对图10a和10b讨论的实施例也是有作用的。

在本发明的实施例中，分别通过可调节的置换器毂或致动装置调节计量，在第一端部位置和第二端部位置之间移动该置换器，其中在第一端部位置和第二端部位置部分压缩聚合物管。由此，第一端部位置确定一个大于第二端部位置的管子容积，这样通过将置换器从第一端部位置移入第二端部位置，液体被从排出端配出。由此，第一端位置可以定义管子的完全松开状态或者部分压缩状态。第二端部位置可以包括聚合物管的部分压缩状态或完全压缩状态。换句话说，在本发明的实施例中，通过可调节的致动装置毂计量是可调节的，经过柔性聚合物管的部分光截面(light cross section)，分别通过致动装置或者置换器可以移动管壁。相反的，当从非压褶状态到完全压褶状态的完全压褶管子时，穿过管子的整个光截面移动管壁。

也可以实施在图10a和图10b中所示的实施例，从而使得可以改变致动装置的位置，由此能够改变从出口孔分配的计量容积。

Claims (30)

1、一种微计量装置，包括：

具有柔性管子的流体导管(100；150)，该流体导管具有第一端(102)和第二端，该第一端用于连接到贮液器(200)上，出口孔(104)位于该第二端；和

具有带有可调节毂的置换器(108；108′；208；306；316)的致动装置，通过该致动装置可以改变柔性管子的一部分的容积，由此通过在第一端部位置和第二端部位置之间移动置换器(108；108′；208；306；316)在出口孔(104)处以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体，其中，至少在第一端位置或第二端位置处该管子被部分地压缩。

2、根据权利要求1的微计量装置，其中，所述柔性管子由聚酰亚胺构成。

3、根据权利要求1或2的微计量装置，其中，所述柔性管子具有至少一没有不稳定截面变化的部分，从而使得通过沿该部分改变致动装置(108；108′；164；208)的位置，在致动装置的位置和出口孔(104)之间的流体阻抗与在第一端(102)和致动装置的位置之间的流体阻抗的比率是可变的，这样在出口孔(104)处的计量容积输出可变化至少10％。

4、根据权利要求1至3中任一项的微计量装置，其中，所述管子可以通过置换器(108；108′；208；306；316)被压缩过一预定长度，以使管子的容积改变。

5、根据权利要求4的微计量装置，其中，置换器(108)具有相对于管子进行轴向不对称的容积变化的形式。

6、根据权利要求1至5中任一项的微计量装置，还具有用于沿管子在一个或所述位置上保持置换器(108)的装置(150，152，162)。

7、根据权利要求1至6中任一项的微计量装置，具有偏压装置(312)，用于使管子偏压通过置换器(316)到完全或部分压缩的状态。

8、根据权利要求7的微计量装置，其中，致动装置具有设置用于克服偏压装置(312)的偏压来移动置换器(316)的致动器(314，320，322)。

9、一种微计量装置，包括：

具有第一端(102)和第二端的流体导管(100；150)，该第一端用于连接到贮液器(200)上，出口孔(104)位于该第二端，该流体导管(100；150)具有一个部分，沿该部分可以改变流体导管的截面，以使流体导管的容积变化；

致动装置(108；108′；164；208)，设置在沿流体导管的所述用于使流体导管的容积变化以由此从出口孔(104)以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体的部分的位置上，

其中，通过改变致动装置的位置，在致动装置(108；108′；164；208)的位置和出口孔(104)之间的流体阻抗与在第一端(102)和流体导管(100；150)和致动装置的位置之间的流体阻抗的比率是可变的，这样在出口孔(104)处分配的计量容积可变化至少10％。

10、根据权利要求9的微计量装置，其中，致动装置具有置换器(108；108′；164；208)，通过该置换器流体导管(100；150)的所述部分可以被压缩过一预定长度压缩以使流体导管的所述部分的容积变化。

11、根据权利要求10的微计量装置，其中，所述置换器(108)具有相对于流体管道(100；150)的所述部分进行轴向不对称的容积变化的形式。

12、根据权利要求9至11中任一项的微计量装置，还具有用于沿流体管道的所述部分在所述位置处保持致动装置的装置(150，152，162)。

13、根据权利要求1至12中任一项的微计量装置，其中，在静止状态，流体管道(100；150)在第一端(102)和出口孔(104)之间没有不稳定的截面变化。

14、根据权利要求1至12中任一项的微计量装置，其中，在静止状态，流体管道(100；150)在第一端(102)和出口孔(104)之间具有基本上恒定的截面。

15、根据权利要求1至14中任一项的微计量装置，还具有用于向流体导管提供压差的装置。

16、根据权利要求1至15中任一项的微计量装置，其中，流体导管(100；150)具有通过毛细力使要计量的液体可以移动通过的截面区域。

17、根据权利要求1至16中任一项的微计量装置，具有多个相应的流体导管，从而使得可以同时地或相继地分配几种相同或不同的液体。

18、根据权利要求17的微计量装置，具有用于同时使多个流体导管的容积变化的致动装置。

19、根据权利要求18的微计量装置，其中，所述致动装置是公用的置换器。

20、一种用于液体的计量分配的方法，包括以下步骤：

用要计量的液体填充具有柔性管子的流体导管(100；150)；

通过带有可调节毂的置换器(108；108′；208；306；316)使柔性管子的一部分的容积变化，由此通过在第一端位置和第二端位置之间移动该置换器(108；108′；208；306；316)在流体导管的出口孔(104)处以自由飞射液滴或自由飞射射流的形式分配液体，其中，至少在第一端位置或第二端位置处该管子被部分地压缩。

21、根据权利要求20的方法，还包括步骤：沿着管子在一位置上设置置换器(108；108′；164；208)，通过该置换器管子可以被压缩过一预定长度，以使管子的所述部分的容积变化。

22、根据权利要求21的方法，其中，流体导管(100；150)具有第一端(102)和第二端，该第一端连接到贮液器(200)上，出口孔(104)位于该第二端，该方法还包括以下步骤：

沿管子选择置换器的位置以调节在置换器(108；108′；164；208)的位置和出口孔(104)之间的流体阻抗与在第一端(102)和致动装置的位置之间的流体阻抗的比率，由此通过使容积进行变化在出口孔(104)处分配所需的计量容积。

23、根据权利要求21或22的方法，还包括步骤：相对于柔性管子选择具有轴向长度的置换器(108；108′；164；208)，通过使用该置换器使容积变化并在出口孔(104)处分配所需的计量。

24、根据权利要求22至23中任一项的方法，其中，在使容积变化的步骤中，进行相对于柔性管子的轴向不对称的容积变化，以使流体在流体导管(100；150)中在优选的朝着出口孔(104)的方向流动。

25、根据权利要求20至24中任一项的方法，还包括提供带有静压的流体导管(100；150)的步骤。

26、根据权利要求25的方法，其中，相对于出口端的静压是过压，以当在流体导管(100；150)中使容积变化时产生具有优选的朝向出口孔(104)的方向的流体流动，和/或在计量过程之后支持再填充。

27、根据权利要求25的方法，其中，相对于出口端的静压是负压，以当没有进行容积变化时防止液体从出口端泄漏。

28根据权利要求20至27中任一项的方法，还包括在使容积变化的步骤之后返回容积变化的步骤，从而使得管子返回到初始状态，其中在该步骤中发生流体导管(100；150)的毛细再填充。

29、一种使用根据权利要求9的微计量装置在计量操作过程中调节所需计量容积的方法，包括以下步骤：

沿流体导管(100；150)的所述部分在预定位置上设置致动装置(108；108′；164)，从而使得由于在使流体导管(100；150)的容积变化的步骤中所产生的流体阻抗的比率，可以在出口孔(104)处分配所需的计量容积。

30、一种使用根据权利要求10的微计量装置在计量操作过程中调节所需计量的方法，包括以下步骤：

相对于流体导管(100；150)的所述部分选择带有径向长度(l1，l2)的置换器(108；108′；164；208)，该置换器适于允许在使流体导管(100；150)的容积变化的步骤中在出口孔(104)处分配所需的计量容积。

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