DE102008003020A1

DE102008003020A1 - Fluidikvorrichtung für kontrolliertes Handhaben von Flüssigkeiten und Fluidiksystem mit einer Fluidikvorrichtung

Info

Publication number: DE102008003020A1
Application number: DE200810003020
Authority: DE
Inventors: Heinz KÜCK; Daniel Benz; Frank Wolter; Volker Mayer; Karl-Peter Fritz; Hans-Otto Maier; Rolf Heitmeier; Dominik Niedenzu
Original assignee: B Braun Melsungen AG; Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hahn-Schickard-Gesellschaft fur Angewandte Fo De; Niedenzu Dominik De
Priority date: 2008-01-02
Filing date: 2008-01-02
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2028-01-03
Also published as: DE102008003020B4; WO2009083179A1

Abstract

Eine Fluidikvorrichtung zum Fördern oder Bestimmen der Menge einer von einem Fluidikvorrichtungseingang 2 zu einem Fluidikvorrichtungsausgang 4 entlang eines in einer Strömungsrichtung 6 verlaufenden Fluidweges strömenden Flüssigkeit weist ein Fluidikelement 16, das innerhalb des Fluidwegs zwischen einer ersten Position zu einer in Strömungsrichtung 6 hinter der ersten Position befindlichen zweiten Position bewegbar ist und ein den Fluidweg umschließendes Fluidikvorrichtungsgehäuse 8 auf. Das Fluidikelement (16) weist eine Durchströmungsöffnung (18) auf, die bei einer Bewegung des Fluidikelements (16) von der ersten (22) in die zweite (24) Position einen ersten Strömungswiderstand besitzt und die bei einer Bewegung des Fluidikelements (16) von der zweiten (24) in die erste (22) Position einen zweiten Strömungswiderstand besitzt, der sich von dem ersten Strömungswiderstand unterscheidet. Das Fluidikelement (16) und das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) sind derart ausgebildet, dass das Fluidikelement durch einen berührungslosen Antrieb von der zweiten Position (24) zu der ersten Position (22) bewegbar ist.

Description

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.
Im Stand der Technik sind eine Vielzahl von Pumpen bzw. Fluidiksystemen bekannt, die zum Fördern von Fluiden genutzt 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.
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.
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.
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 Flüssigkeitsvolumen 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.
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 durchströmtes Element lediglich ein einziges Mal verwendet wird, um die Sterilität sicherzustellen.
Es besteht folglich ein Bedarf nach einer Fluidikvorrichtung 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.
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 Fluidikvorrichtungsausgang 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 Fluidikvorrichtungsgehäuse 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.
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 Strömungsrichtung senkrechten Richtung nicht mechanisch mit dem Fluidikvorrichtungsgehäuse verbunden.
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 Öffnungskraft (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 Fluidikelement 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.
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.
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.
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 aufgebracht, 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 Zeiteinheit 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 beispielsweise der Strömungswiderstand hoch, ist die Fördermenge pro Zeiteinheit gering, ein einzelner Förderhub dauert also, bei geringer Fördermenge, eine vergleichsweise lange Zeit.
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 Fluidikvorrichtungseingang größer ist als der Druck der Flüssigkeit am 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.
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.
Bei einigen Ausführungsbeispielen weist das Fluidikvorrichtung bzw. die Antriebsvorrichtung ferner eine Detektionsvorrichtung 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.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1a ein Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung;
1b ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung;
1c eine Schnittansicht der Fluidikvorrichtung von 1b;
2 Ausführungsbeispiele von Fluidikelementen;
3 Ausführungsbeispiele von am Fluidikelement angebrachten Ventilen;
4 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein am Fluidikelement angebrachtes Ventil;
5 weitere Ausführungsbeispiele für am Fluidikelement angebrachte Ventile;
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein am Fluidikelement angebrachtes Ventil;
7a und 7b Ausführungsbeispiele für in der Fluidikvorrich tung angebrachte Rückschlagventile;
8a und 8b weitere Ausführungsbeispiele für in der Fluidik vorrichtung angebrachte Rückschlagventile;
9 Beispiel für die Dimensionierung von Strömungswiderständen zum Erreichen eines vorbestimmten Förderhubs;
10 ein Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem aus einem Fluidikvorrichtung und einer Antriebsvorrichtung;
11 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem;
12 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem; und
13 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidiksystem.
1a zeigt in einer Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung zum Fördern einer Flüssigkeit von einem Fluidikvorrichtungseingang 2 zu einem Fluidikvorrichtungsausgang 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 Fluidikvorrichtungsausgang 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 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 1a gezeigten Fluidikvorrichtung sei darauf hingewiesen, dass in 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.
Die in 1a gezeigte Fluidikvorrichtung weist ein Fluidikvorrichtungsgehäuse 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 Fluidikvorrichtungsgehäuse 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 Fluidikvorrichtung werden die einzelnen Fluidwegsegmente 10a bis 10f jeweils aus konzentrischen, zylindrischen Volumina gebildet, die entlang des Fluidwegs aneinander anschließen. Obwohl im in 1 gezeigten Beispiel und anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele jeweils rotationssymmetrische 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.
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 Querschnitts 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 häusen, 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 gespannt. Das Fluidikelement besteht zumindest teilweise aus magnetisierbarem Material. Das heißt, obwohl in 1 angedeutet ist, dass das Fluidikelement einstückig gefertigt ist, ist es bei weiteren Ausführungsbeispielen möglich, dass das Fluidikelement 16 aus mehreren unterschiedlichen Materialkomponenten besteht. So ist beispielsweise denkbar, dass das Fluidikelement 16 teilweise aus magnetisierbarem Material und teilweise aus dielektrischem Material gebildet ist.
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 Fluidikvorrichtungsgehäuse 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 1a zu entnehmen ist, ist also das Fluidikelement 16 innerhalb des Fluidwegsegments 10d 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.
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 Fluidikvorrichtungsgehäuses 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.
Fluidwegsegment 10e weist gegenüber Fluidwegsegment 10d einen verengten Querschnitt auf und kann, ähnlich wie Fluidwegsegment 10b dazu verwendet werden, die dynamischen Pumpeigenschaften einzustellen.
Der Fluidikvorrichtungsausgang 4 wird durch Fluidwegsegment 10f gebildet.
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 eingangsseitig 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.
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 Rückschlagventil 12, so dass durch den hinter dem Fluidikelement 16 entstehenden Unterdruck neue Flüssigkeit vom Eingang 2 angesaugt wird, die während des Förderhubs das im Fluidwegsegment 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 1a gezeigten Fall ist dies Fluidwegsegment 10b, welches den geringsten Durchmesser aufweist. Da die Federkraft 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.
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 Flüssigkeitskanals 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 Strömungswiderstand 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.
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 Fluidikelements 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.
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.
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 1 dargestellte Fluidikvorrichtung weist die, insbesondere im medizinischen Bereich, vorteilhafte 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.
1b zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluidikvorrichtung, die auf dem bereits anhand von 1a 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 1b in zwei funktional unterschiedliche 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 Fluidikelements 16, weist also alle Vorrichtungen und Mittel auf, die es ermöglichen, das Fluidikelement 16 berührungs los 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.
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 1a 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 wünschenswert, 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 Rückholhub zusätzlich zu verringern, sind bei dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel im Antriebsbereich 16a zusätzliche Kanäle 50a und 50b vorgesehen, wie es der in 1c 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 1c 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.
Durch die Kanäle 50a und 50b kann eine zusätzliche Minimierung des Strömungswiderstands erreicht werden, wie dies für eine schnelle Rückholbewegung vorteilhaft ist.
In 1b 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 beaufschlagt 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 1b 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 Fluidikvorrichtung noch genauer an die Gegebenheiten anzupassen.
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 mitgenommen 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.
2 zeigt zwei Möglichkeiten, wie das Fluidikelement 16 fluidisch dicht innerhalb des Fluidwegsegments 10d angebracht bzw. angeordnet werden kann.
In der oben gezeigten ersten Alternative ist das Fluidikelement mit einem Durchmesser gefertigt, der mit minimaler Toleranz dem Durchmesser des Fluidwegsegments 10d entspricht, so dass zwischen dem zylindrischen Durchmesser des Fluidikelements 16 und der Wand des Fluidwegsegments bzw. des Fluidikvorrichtungsgehäuses 8 kein Spalt entsteht.
Im Hinblick auf eventuell auftretende Fertigungstoleranzen ist das in 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 2 unten gezeigten O-Ring 30 können auch Kolbenringe verwendet werden.
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 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.
3 zeigt einige Ausführungsbeispiele für eine Dichtung 20 bzw. für Ventile 20, die zur Dichtung des Fluidikelements 16 während des Förderhubs verwendet werden können. Dabei ist das Fluidikelement 16 teilweise in einer 3-dimensionalen perspektivischen Ansicht und in einer Schnittansicht dargestellt. 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 3 im Mittelteil gezeigten Schnittansicht realisiert werden, indem Ringnuten 48 konzentrisch in die der Klappendeckeldichtung 40 zugewandten Seite des Fluidikelements 16 gefräst werden. 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 Fluidikelement 16 sicherzustellen.
Die in 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.
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 lediglich 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.
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.
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.
4 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel eines Fluidikelements 16 mit integriertem Ventil, welches eine einem Rückschlagventil entsprechende Wirkungsweise hat. In dem in 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 4 gezeigten Ventils noch verbessert wird.
Mit anderen Worten verfügt der in 4 gezeigte Kolben bzw. das in 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.
Die 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 3 und 4 diskutierten Ausführungsbeispielen erhöht ist. Dabei zeigen die 5a bis c jeweils beispiele von Fluidikelementen 16 in Schnittansicht, während 5d eine Möglichkeit der Implementierung mittels eines speziellen Dichtungselements zeigt.
Durch die in den 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 Fluidikelement durchgeführten Förderhüben durch die Fluidikvorrichtung strömt.
Im in 5a gezeigten Fall wird die Membran 50 der in 3 beschriebenen Kreuzmembrandichtung dadurch vorgespannt, 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.
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 asymmetrisch geformte Zapfen 72a 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 5a gezeigten Fall können diese Elemente also nicht symmetrisch sein.
Im Fall des federvorbelasteten Kugelelements 62, das in 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.
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.
Die in 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 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.
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.
6 zeigt in einer Ausschnittsdarstellung der in 1 gezeigten Fluidikvorrichtung eine weitere Möglichkeit, eine Vorspannung der Dichtung 20 des Fluidikelements 16 zu erzielen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel, das in 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 5 diskutierten Fall, über eine Änderung der Federhärte bzw. der Vorspannung der Feder erreicht werden.
Wie in 6 dargestellt, drückt also eine zusätzliche mechanische Feder, welche sich am Fluidikvorrichtungsausgang 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 Fluidikvorrichtungseingang 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.
Durch die mechanische Vorbelastung des Ventils 20, wie sie anhand der 5a bis 5c und 6 illustriert wurde, wird es insbesondere ermöglicht, Ausführungsbeispiele von Fluidikvorrichtungen 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 Position 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 Flüssigkeitsmenge errechnet werden kann.
Die 7a und 7b zeigen eine Ausschnittsvergrößerung einer anhand von 1 bereits diskutierten Fluidikvor richtung, und dabei insbesondere den Fluidikvorrichtungseingang 2 mit den beiden ersten Fluidwegsegmenten 10a und 10b und dem an das Fluidwegsegment 10b anschließenden Rückschlagventil 12. Da die 7a und 7b lediglich Ausschnittsvergrößerungen der beiden bereits angesprochenen Implementierungen mit Klappendeckeldichtung 12a (7a) und Kreuzmembrandichtung 12b (7b) zeigen, sei bezüglich der Funktionsweise der in den 7a und 7b gezeigten Komponenten auf die Erläuterungen zu den vorhergehenden Figuren verwiesen.
Das Rückschlagventil 12, das beispielsweise aus Gummi bestehen kann, kann dabei in einer Aussparung im Gehäuse eingelegt, geklebt oder fixiert werden. Die über der Bohrung (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.
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.
Die 8a und 8b zeigen in einer Schnittansicht die bereits anhand der 7a und 7b diskutierten Ausschnittsvergrößerungen in einer Schnittansicht, wobei in den 8a und 8b zusätzlich die Möglichkeit illustriert ist, auch die Rückschlagventile 12a und 12b am Eingang der Fluidikvorrichtung 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.
Genauso wie bei dem Fluidikelement 16 wird der Klappendeckel 12b bzw. die Kreuzmembran 12a mittels eines hervorstehenden Zapfens 14a bzw. 14b an dem Fluidikvorrichtungsgehäuse 8 etwas vorgespannt. Beim Klappendeckel 12b ist die Zapfenfläche 14b entsprechend dem Einstellungswinkel anzuschrägen, 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 8a und 8b beschriebenen Maßname der Vorspannung der Dichtungen kann ein sicheres Schließen des Rückschlagventils am Fluidikvorrichtungseingang auch bei negativen Förderhöhen erzielt werden.
9 verdeutlicht anhand der in 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 9 unten der zeitliche Verlauf des zum Betrieb eines Magneten erforderlichen Stroms 90 dargestellt, welcher das Magnetfeld, das das Rückholen des Fluidikelements 16 bewirkt, erzeugt.
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 1 diskutiert, lässt sich über den Strömungswiderstand des Fluidwegsegments mit maximalem verwendetem Strömungswiderstand (d. h. über den Durchmesser und die Länge des Strömungskanals) 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.
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.
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 gegenüber 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 1 beschriebenen Fluidikvorrichtung erforderlichen Antriebsvorrichtung.
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 Fluidiksystem mit einem insgesamt positiven Duty-Cycle erzeugt. Dies wirkt sich auf den elektrischen Gesamtwirkungsgrad des Fluidiksystems äußerst günstig aus.
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 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 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 10 gezeigte Fluidikvorrichtung dient hier lediglich der Illustration des Zusammenspiels zwischen Fluidikvorrichtung und Antriebsvorrichtung 110, so dass auf eine weitergehende Diskussion der nur schematisch dargestellten Fluidikvorrichtung 100 an dieser Stelle, zugunsten einer eingehenden Diskussion der Antriebsvorrichtung 110, verzichtet wird.
Die Antriebsvorrichtung 110 und die Fluidikvorrichtung 100 sind, wie es 10 zu entnehmen ist, derart ausgebildet, dass beide getrennt voneinander aufgebaut und reversibel miteinander koppelbar sind. Im in 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 Fluidikelement 16 von der zweiten Position 24 in die erste Position 22 zu bewegen. Dies wird im in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine schematisch dargestellte Spule 114 erreicht, die ein Magnetfeld innerhalb der Fluidikvorrichtung 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 Fluidikvorrichtung 100 beginnt. Wie in 10 dargestellt, können Fluidikvorrichtung 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 Fluidikvorrichtungen betrieben werden. Eine vollständige Sterilität bei Verwendung von sterilisierten Fluidikvorrichtungen kann durch das Fluidiksystem, wie es in 10 dargestellt ist, ohne weiteres gewährleistet werden.
Die in 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.
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 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 11 bis 13 beschreiben im Folgenden schematisch verschiedene Möglichkeiten, eine solche Detektion vorzunehmen.
In 11 wird eine Detektionsvorrichtung 116 von einer zusätzlichen Spule 118 und einer mit der Spule verbundenen Auswerteeinrichtung 120 gebildet, die entlang des Fluidweges 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 Fluidikvorrichtung 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.
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.
12 zeigt ein weiteres Beispiel, wie eine Detektionsvorrichtung 116 ausgestaltet sein kann, die eine Position des Fluidikelements 16 bestimmt. Beim in 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 Strömungsrichtung 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.
13 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Detektionsvorrichtung 116, die eine oder mehrere Lichtquellen 130 und eine ortsauflösende Lichtsensoranordnung 132 umfasst. Die Lichtsensoranordnung 132 ist mit der Auswerteeinrichtung 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 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.
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 U_ind 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.
Bei dem in 13 gezeigten Ausführungsbeispiel kann zusätzlich der Kolben bzw. das Material des Kolbens geeignet 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.
Obwohl in den vorhergehenden Absätzen hauptsächlich anhand von medizinischen Anwendungen motiviert, kann die erfindungsgemäße 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.
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 Fluidikelement 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 dielektrischen Materialien gebildet werden, wenn dies zur Detektion der Position des Fluidikelements 16 entlang des Fluidwegs erforderlich ist oder die Detektionsgenauigkeit erhöht.
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.
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.

Claims

Fluidikvorrichtung mit einem in einer Strömungsrichtung (6) von einem Fluidikvorrichtungseingang (2) zu einem Fluidikvorrichtungsausgang (4) verlaufenden Fluidweg, mit folgenden Merkmalen: einem Fluidikelement (16), das entlang des Fluidwegs zwischen einer ersten Position (22) und einer in Strömungsrichtung (6) hinter der ersten Position (22) befindlichen zweiten Position (24) beweglich ist und eine Durchströmungsöffnung (18) aufweist; und ein den Fluidweg umschließendes Fluidikvorrichtungsgehäuse (8), wobei das Fluidikelement (16) und das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) derart ausgebildet sind, dass das Fluidikelement durch einen berührungslosen Antrieb von der zweiten Position (24) zu der ersten Position (22) bewegbar ist.
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 1, bei dem ein Strömungswiderstand der Durchströmungsöffnung bei einer Bewegung des Fluidikelements von der ersten (22) in die zweite (24) Position größer ist, als ein Strömungswiderstand zwischen dem Fluidikelement und dem Fluidikvorrichtungsausgang (4).
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).
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 Strömungswiderstand und bei einer Bewegung des Fluidikelements (16) von der zweiten (24) in die erste (22) Position einen zweiten Strömungswiderstand besitzt, der sich von dem ersten Strömungswiderstand unterscheidet.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fluidikelement (16) ein zylindrischer, mit einer axialen Bohrung als Durchströmungsöffnung (18) versehener Körper ist; und bei der das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) zwischen der ersten (22) und der zweiten Position (24) ein fluidisch dicht mit dem Außendurchmesser des Fluidikelements (16) abschließendes Volumen bildet.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 5, bei dem ein Strömungswiderstand von dem Fluidikvorrichtungseingang (2) zu dem Fluidikelement (16) oder von dem Fluidikelement (16) zu dem Fluidikvorrichtungsausgang (4) größer ist als der zweite Strömungswiderstand.
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 Fluidikvorrichtungseingang (2) oder zwischen der zweiten Position (24) und dem Fluidikvorrichtungsausgang (4).
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 4 bis 7, bei der der erste Strömungswiderstand größer ist als der zweite Strömungswiderstand.
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.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem zusätzlichen Merkmal: einem Rückschlagventil (12) zwischen dem Fluidikelement (16) und dem Fluidikvorrichtungseingang (2), das eine Flüssigkeitsströmung entgegen der Strömungsrichtung (6) verhindert.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem das Ventil (20) und/oder das Rückschlagventil (12) ein Klappendeckelventil, ein Kreuzmembranventil oder ein federbelastetes Element zum Verschließen der Durchströmungsöffnung (18) umfasst.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem das Ventil (20) und/oder das Rückschlagventil (12) mechanisch vorgespannt ist, so dass eine zum Öffnen des Ventils in Strömungsrichtung erforderliche Kraft höher ist als im nicht vorgespannten Zustand.
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.
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.
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 Fluidikvorrichtung strömenden Flüssigkeit verursachte Kraft auf das Ventil (20), sodass bei einer Bewegung des Fluidikelements (16) in Strömungsrichtung das Ventil (20) geschlossen ist.
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 Fluidikelement (16) von der zweiten (24) in die erste (22) Position bewegt wird.
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.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit folgendem zusätzlichen Merkmal: einer Rückstelleinrichtung (14), um eine in Strömungsrichtung (6) wirkende Rückstellkraft auf das Fluidikelement (16) auszuüben, so dass das Fluidikelement (16) von der ersten (22) in die zweite Position (24) bewegt wird.
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 18, bei dem die Rückstelleinrichtung (14) eine Feder ist.
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).
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) derart ausgebildet ist, dass der Fluidweg in Strömungsrichtung (6) nach der zweiten Position (24) einen geringeren Querschnitt aufweist als zwischen der ersten (22) und der zweiten Position (24).
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikelement (16) einen in Strömungsrichtung vor einem Dichtbereich (16a) befindlichen Antriebsbereich (16b) aufweist, wobei der Dichtbereich (16a) fluidisch dicht mit dem Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) abschließt.
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 22, bei der der Antriebsbereich (16b) einen unterschiedlichen Querschnitt besitzt als der Dichtbereich (16a).
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 22 oder 23, bei der der Antriebsbereich (16b) einen sich in Strömungsrichtung durch den Antriebsbereich erstreckenden Flüssigkeitskanal (50a) aufweist.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) eine oder mehrere Joche oder Pohlschuhe zum führen von magnetischen Feldern aufweist.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Fluidikelement zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Material besteht.
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 26, bei dem das magnetisierbare Material ein ferromagnetischer oder ein paramagnetischer Werkstoff ist.
Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 26 oder 27, bei dem das magnetisierbare Material elektrisch leitfähig ist.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Fluidikelement (16) zumindest teilweise aus dielektrischem Material besteht.
Fluidikvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem mindestens ein in Strömungsrichtung (6) vor der ersten Position (22) befindlicher Teil des Fluidikvorrichtungsgehäuses (8) aus einem nichtmagnetisierbaren Material besteht
Fluidiksensor mit einem in einer Strömungsrichtung (6) von einem Fluidikvorrichtungseingang (2) zu einem Fluidikvorrichtungsausgang (4) verlaufenden Fluidweg, mit folgenden Merkmalen: einem Fluidikelement (16), das entlang des Fluidwegs zwischen einer ersten Position (22) und einer in Strömungsrichtung (6) hinter der ersten Position (22) befindlichen zweiten Position (24) beweglich ist; und ein den Fluidweg umschließendes Fluidikvorrichtungsgehäuse (8), wobei das Fluidikelement (16) und das Fluidikvorrichtungsgehäuse (8) derart ausgebildet sind, dass das Fluidikelement durch einen berührungslosen Antrieb von der zweiten Position (24) zu der ersten Position (22) bewegbar ist.
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.
Fluidiksensor gemäß Anspruch 31 oder 32, mit folgendem zusätzlichen Merkmal: einer Antriebsvorrichtung, die ausgebildet ist, um das Fluidikelement (16) von der zweiten (24) in die erste Position (22) zu bewegen.
Fluidiksystem, mit folgenden Merkmalen: einer Fluidikvorrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 30 oder einem Fluidiksensor gemäß einem der Ansprüche 31 bis 33; und einer Antriebsvorrichtung (110), die ausgebildet ist, um das Fluidikelement (16) oder den Fluidiksensor von der zweiten (24) in die erste Position (22) zu bewegen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 34, bei der die Antriebsvorrichtung (110) und die Fluidikvorrichtung (100) oder der Fluidiksensor getrennt aufgebaut und reversibel miteinander koppelbar sind.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 35, bei der die Antriebsvorrichtung (110) und die Fluidikvorrichtung (100) oder der Fluidiksensor derart ausgebildet sind, dass in einem gekoppelten Zustand die Antriebsvorrichtung (110) von dem Fluidweg physisch getrennt ist.
Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 36, bei der die Antriebsvorrichtung (110) und die Fluidikvorrichtung (100) oder der Fluidiksensor derart ausgebildet sind, dass während einer Bewegung des Fluidikelements (16) die Antriebsvorrichtung (110) nicht in physischem Kontakt mit einer durch den Fluidweg strömenden Flüssigkeit steht.
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.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 38, bei dem die Antriebsvorrichtung (110) ausgebildet ist, ein mit dem Träger (80a) koppelndes elektromagnetisches Feld zu erzeugen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 38 oder 39, bei dem die Vorrichtung zum Erzeugen eines magnetischen oder elektrischen Feldes (114) eine oder mehrere Spulen umfasst.
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.
Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 41, bei der die Antriebsvorrichtung (110) eine oder mehrere Joche oder Pohlschuhe zum Führen von magnetischen Feldern aufweist.
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.
Fluidiksystem gemäß einem der Ansprüche 34 bis 43, bei der die Antriebsvorrichtung (110) ferner eine Detektionsvorrichtung (116) umfasst, die ausgebildet ist, eine Position des Fluidikelements (16) zu bestimmen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei der die Detektionsvorrichtung (116) einen Permanentmagneten und einen Magnetfeldsensor umfasst, der ausgebildet ist, das Magnetfeld des Permanentmagneten zu bestimmen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 45, bei der die Detektionsvorrichtung (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.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 46, bei der die Detektionsvorrichtung (120) eine Spule (118) und einen Sensor umfasst, der ausgebildet ist, in der Spule induzierte Spannung und/oder eine Induktivität der Spule zu bestimmen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 47, bei der die Detektionsvorrichtung 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.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei der die Detektionsvorrichtung (116) eine optische Erfassungseinrichtung (132) umfasst, die ausgebildet ist, die Position des Fluidikelements (16) zu erfassen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 49, bei der die optische Erfassungseinrichtung (132) zumindest einen der folgenden Sensortypen umfasst: Lichtschranke, Photodiodenzeile, Bildsensor, Kamera-Chip, CDD CMOS Sensor.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei der die Detektionsvorrichtung (116) eine Elektrodenanordnung (122a, 122b) und eine Kapazitätsmesseinrichtung umfasst, die ausgebildet ist, die Kapazität der Elektrodenanordnung 122a, 122b) zu bestimmen.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 51, bei der die Detektionsvorrichtung (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.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 44, bei dem die Detektionsvorrichtung (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.
Fluidiksystem gemäß Anspruch 53, das ferner eine Auswerteeinrichtung aufweist, um Signale von der Detektionsvorrichtung (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.