DE102016224446A1 - Housing structure with a cavity and a sample chamber connected thereto and method for their preparation - Google Patents

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Thomas Wiesner
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gehäusestruktur (11) mit einer Kavität (17) und mindestens einer Probenkammer (18). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zwischen der Kavität (17) und der Probenkammer (18), die zur Untersuchung eines Fluids aus der Kavität (17) mittels Sensoren (21) dienen kann, über mikrofluidische Kanalsysteme (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) verbunden sind. Diese können vorteilhaft gemäß der Erfindung durch ein additives Fertigungsverfahren, wie z. B. Laserschmelzen und Lasersintern, hergestellt werden. Die mikrofluidischen Kanalsysteme ermöglichen vorteilhaft eine Untersuchung des in der Kavität (17) befindlichen Fluids, wobei unterschiedliche Kanalgeometrien in den mikrofluidischen Kanalsystemen für unterschiedliche Probenbedingungen in den Probenkammern (18) sorgen können. Beispielsweise können hierdurch Partikel unterschiedlicher Größenklassen voneinander getrennt werden.The invention relates to a housing structure (11) having a cavity (17) and at least one sample chamber (18). According to the invention, it is provided that microfluidic channel systems (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) can be used between the cavity (17) and the sample chamber (18), which can be used to examine a fluid from the cavity (17) by means of sensors (21) ) are connected. These can advantageously according to the invention by an additive manufacturing process such. As laser melting and laser sintering, are produced. The microfluidic channel systems advantageously enable a study of the fluid in the cavity (17), whereby different channel geometries in the microfluidic channel systems can provide for different sample conditions in the sample chambers (18). For example, this allows particles of different size classes to be separated from one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gehäusestruktur mit einer Kavität und einer durch eine Trennwand von der Kavität abgetrennten Probenkammer, wobei zwischen der Probenkammer und der Kavität eine Verbindung besteht. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Gehäusestruktur dieser Art.The invention relates to a housing structure having a cavity and a sample chamber separated from the cavity by a partition wall, wherein a connection exists between the sample chamber and the cavity. Moreover, the invention relates to a method for producing a housing structure of this type.

Gehäusestrukturen mit Kavitäten sind allgemein bekannt, ebenso die Möglichkeit, Probenkammern fluidisch mit der Kavität zu verbinden, um dort beispielsweise Proben zu untersuchen. Notwendige Untersuchungen von Proben, die von einem in der Kavität befindlichen Fluid stammen, können aus unterschiedlichen technischen Motivationen durchgeführt werden. Flüssigkeitsanalysen sind bei mannigfaltigen industriellen Umgebungen von großer Bedeutung. Hierbei geht es häufig darum, Veränderungen in den Eigenschaften der Flüssigkeiten während der Anwendungen in ihrer industriellen Umgebung zu erfassen. Auch Gase können in der betreffenden Gehäusestruktur und der angeschlossenen Probekammer untersucht werden.Casing structures with cavities are generally known, as is the possibility of fluidically connecting sample chambers to the cavity in order to examine samples, for example. Necessary examinations of samples from a fluid in the cavity may be made for a variety of technical reasons. Liquid analysis is of great importance in a variety of industrial environments. This is often about detecting changes in the properties of liquids during applications in their industrial environment. Gases can also be examined in the relevant housing structure and the connected sample chamber.

Ein Beispiel ist die Überwachung von Schmierstoffen, da diese alterungsbedingt ihre Schmiereigenschaften verlieren können. Um dem entgegenzuwirken, können die Schmierstoffe beispielsweise in regelmäßigen Intervallen getauscht werden. In einem Gasturbinenkraftwerk können Schmierstoffanalysen beispielsweise bei Hydrauliksystemen oder bei Turbinenschmiersystemen durchgeführt werden. Bei kleineren Nebensystemen werden solche Analysen jedoch doch nicht durchgeführt, da die damit verbundenen Kosten nicht gerechtfertigt sind. Stattdessen werden regelmäßige Wechselintervalle für die Prozessfluide vorgesehen, wobei diese nach Ablauf des Wechselintervalls häufig noch weiter verwendbar wären.An example is the monitoring of lubricants, as they can lose their lubricating properties due to aging. To counteract this, the lubricants can be exchanged, for example, at regular intervals. In a gas turbine power plant, lubricant analyzes may be performed on, for example, hydraulic systems or turbine lubrication systems. For smaller ancillary systems, however, such analyzes are not carried out because the associated costs are not justified. Instead, regular replacement intervals are provided for the process fluids, and these would frequently still be usable after the replacement interval has expired.

In industriellen Umgebungen kommen häufig Sinterlager zum Einsatz, welche aufgrund ihrer Porenstruktur gute Notlaufeigenschaften besitzen. Lagerwerkstoffe mit guten Notlaufeigenschaften sind z. B. Bronze, Rotguss oder PTFE. Die Notlaufeigenschaften der Lager verhindern größeren Schaden, wenn ein Schmierstoff trotz regelmäßiger Kontrolle versagt.In industrial environments sintered bearings are often used, which have good emergency running properties due to their pore structure. Bearing materials with good emergency running properties are z. As bronze, gunmetal or PTFE. The runflat properties of the bearings prevent more damage if a lubricant fails despite regular inspection.

Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine Gehäusestruktur der eingangs angegebenen Art dahingehend zu verbessern, dass diese kostengünstig in der Herstellung und zuverlässig im Einsatz ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen der eingangs genannten Gehäusestruktur anzugeben, mit dem eine kostengünstige Herstellung der Gehäusestruktur möglich ist und das einen vergleichsweise großen gestalterischen Spielraum für die Konstruktion der Gehäusestruktur zulässt.The object of the invention is to improve a housing structure of the type specified in that it is inexpensive to manufacture and reliable in use. In addition, it is an object of the invention to provide a method for producing the housing structure mentioned above, with which a cost-effective production of the housing structure is possible and which allows a relatively large design scope for the construction of the housing structure.

Diese Aufgabe wird mit der eingangs angegebenen Gehäusestruktur erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Verbindung durch ein mikrofluidisches Kanalsystem gebildet ist. Als mikrofluidisches Kanalsystem im Sinne dieser Anmeldung soll ein Kanalsystem verstanden werden, welches mit Kanälen ausgestattet ist, die eine Größe von 0,1 µm bis 500 µm aufweisen. Die Kanalgröße gibt dessen Dimension an. Dies ist bei einem runden Kanalquerschnitt beispielsweise der Durchmesser, bei unregelmäßigen Querschnitten der mittlere Durchmesser. Die Kanalgröße kann demnach auch durch den Kanalquerschnitt gegeben werden, dieser liegt bei den oben angegebenen Kanalgrößen in einem Bereich, der von 0,008 µm2 bis 0,196 mm2 reicht.This object is achieved according to the invention with the housing structure specified above in that the connection is formed by a microfluidic channel system. As a microfluidic channel system in the context of this application, a channel system is to be understood, which is equipped with channels having a size of 0.1 microns to 500 microns. The channel size indicates its dimension. This is, for example, the diameter in the case of a round channel cross section, and the average diameter in the case of irregular cross sections. The channel size can therefore also be given by the channel cross-section, this is in the above-mentioned channel sizes in a range that ranges from 0.008 microns 2 to 0.196 mm 2 .

Die mikrofluidische Struktur des Kanalsystems hat den Vorteil, dass die Probenkammer durch das Kanalsystem mit dem zu prüfenden Fluid beaufschlagt werden kann und gleichzeitig geschützt in der Gehäusestruktur untergebracht werden kann. Empfindliche Sensoren in der Probenkammer können dadurch vor schädlichen Einflüssen geschützt werden. Als Sensoren kommen gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung beispielsweise optisehe und elektrische Sensoren zur Messung von Fluiddruck, Viskosität, Verschmutzungsgrad und Flussgeschwindigkeit in Betracht.The microfluidic structure of the channel system has the advantage that the sample chamber can be acted upon by the channel system with the fluid to be tested and at the same time can be accommodated protected in the housing structure. Sensitive sensors in the sample chamber can be protected from harmful influences. As sensors, for example, optical and electrical sensors for measuring fluid pressure, viscosity, degree of contamination and flow rate come into consideration, according to an advantageous embodiment.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass das mikrofluidische Kanalsystem zur direkten Beeinflussung der Messgröße verwendet werden kann. Beispielsweise können Partikel in dem zu messenden Fluid durch geeignet Wahl der Kanalgröße der mikrofluidischen Kanalstuktur klassiert werden, da nur Partikel bis zu einer bestimmten Größe das mikrofluidische Kanalsystem durchtreten können. Dies lässt vorteilhaft verschiedene Messmethoden zu. Beispielsweise lässt eine optische Überwachung des Fluids einen Rückschluss darauf zu, dass Partikel einer bestimmten Größe durch das mikrofluidische Kanalsystem in die Probenkammer gelangt sind. Durch Messen des Drucks in der Probenkammer kann auch auf den Verschmutzungsgrad des Fluids geschlossen werden, wenn Partikel das Kanalsystem zusetzen und auf diesem Weg der Druckverlust in der Probenkammer ansteigt. Diese Messmethoden sind lediglich als Beispiele zu verstehen, die die zur Verfügung stehenden Möglichkeiten von Messungen im Rahmen dieser Erfindung nicht beschränken sollen.Another advantage is that the microfluidic channel system can be used to directly influence the measured variable. For example, particles in the fluid to be measured can be classified by suitably selecting the channel size of the microfluidic channel structure, since only particles up to a certain size can pass through the microfluidic channel system. This advantageously allows different measurement methods. For example, an optical monitoring of the fluid allows a conclusion that particles of a certain size have passed through the microfluidic channel system into the sample chamber. By measuring the pressure in the sample chamber can also be closed on the degree of contamination of the fluid when particles clog the channel system and in this way increases the pressure loss in the sample chamber. These measurement methods are only to be understood as examples which should not limit the available possibilities of measurements within the scope of this invention.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mikrofluidische Kanalsystem in einem Einsatz ausgebildet ist, welcher sich in einer Öffnung der Trennwand befindet. Dies hat den Vorteil, dass das mikrofluidische Kanalsystem beispielsweise, wenn es sich durch Partikel zugesetzt hat, mitsamt dem Einsatz ausgewechselt werden kann. Die Einsätze können in hoher Stückzahl gefertigt werden, so dass ihr Einsatz wirtschaftlich möglich ist. Außerdem kann vorteilhaft ein bestimmter Einsatz auch durch einen Einsatz mit anderen Eigenschaften getauscht werden, wenn sich die Betriebsbedingungen in der Gehäusestruktur ändern (beispielsweise anderer Einsatzort, anderes Schmiermittel usw.).According to an advantageous embodiment of the invention it is provided that the microfluidic channel system is formed in an insert which is located in an opening of the partition. This has the advantage that the microfluidic channel system, for example, when passing through Particles added, can be replaced together with the use. The inserts can be manufactured in large quantities, so that their use is economically possible. In addition, advantageously, a particular insert may also be replaced by an insert with other properties as the operating conditions in the housing structure change (eg, other location, different lubricant, etc.).

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das mikrofluidische Kanalsystem durch einen porösen Bereich der Trennwand gebildet ist. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das mikrofluidische Kanalsystem selbst einen Teil der Trennwand bildet. Mit anderen Worten ist das mikrofluidische Kanalsystem durch einen einstückig mit der Trennwand hergestellten Bereich ausgebildet. Diese Alternative der Erfindung lässt sich vorteilhaft kostengünstig herstellen. Der poröse Bereich der Trennwand kann beispielsweise durch ein Sintern hergestellt werden.According to an alternative embodiment of the invention, it is provided that the microfluidic channel system is formed by a porous region of the partition wall. In other words, this means that the microfluidic channel system itself forms part of the dividing wall. In other words, the microfluidic channel system is formed by an integrally formed with the partition wall area. This alternative of the invention can be advantageously produced inexpensively. The porous region of the dividing wall can be produced for example by sintering.

Außerdem kann gemäß der Lösung der oben angegebenen Aufgabe erfindungsgemäß das Verfahren zum Herstellen der Gehäusestruktur ein additives Fertigungsverfahren sein, bei dem die Verbindung zwischen Probenkammer und Kavität als mikrofluidisches Kanalsystem gemeinsam mit der Trennwand in einem Fertigungslauf hergestellt wird. Dies wird vorteilhaft dadurch ermöglicht, dass durch additive Fertigungsverfahren auch komplexe Strukturen wie mikrofluidische Kanalsysteme während der Herstellung des Bauteils erzeugt werden können. Die Kanäle des mikrofluidischen Kanalsystems können beispielsweise durch eine poröse Bauteilstruktur im Bereich der Verbindung erzeugt werden. Hierbei ist es möglich, durch Wahl des vorzugsweise pulverförmigen Baumaterials für das additive Herstellungsverfahren die Porosität zu beeinflussen und auf diese Weise auch die gewünschten Kanalgrößen einzustellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das mikrofluidische Kanalsystem durch Gestaltung der Bauteilstruktur zu bestimmen. Die mikrofluidischen Kanäle entstehen dann in Bereichen, in denen das Baumaterial während des additiven Fertigungsverfahrens nicht verfestigt (beispielsweise nicht aufgeschmolzen) wird. Während sich durch Vorsehen poröser Bereiche der additiv hergestellten Trennwand vorteilhaft sehr kleine Kanalgrößen erzeugen lassen, ist die Herstellung von in der Trennwandgeometrie vorgesehenen Kanälen vorzugsweise zur Herstellung größerer Kanalgrößen zu verwenden.Moreover, according to the solution of the above-mentioned object, according to the invention, the method for producing the housing structure may be an additive manufacturing method in which the connection between the sample chamber and the cavity is produced as a microfluidic channel system together with the dividing wall in a production run. This is advantageously made possible by the fact that complex structures such as microfluidic channel systems can be produced during the manufacture of the component by additive manufacturing processes. The channels of the microfluidic channel system can be produced for example by a porous component structure in the region of the connection. In this case, it is possible to influence the porosity by selecting the preferably powdery building material for the additive manufacturing process and in this way also to set the desired channel sizes. Another possibility is to determine the microfluidic channel system by designing the component structure. The microfluidic channels then arise in areas where the building material is not solidified (eg, not melted) during the additive manufacturing process. While it is advantageous to produce very small channel sizes by providing porous regions of the additively produced partition wall, the production of channels provided in the partition wall geometry is preferably to be used for producing larger channel sizes.

Als additive Fertigungsverfahren können je nach Anwendungsfall und Material der Gehäusestruktur bzw. Trennwand unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen. Als additive Fertigungsverfahren im Sinne dieser Anmeldung sollen Verfahren verstanden werden, bei denen das Material, aus dem ein Bauteil hergestellt werden soll, dem Bauteil während der Entstehung hinzugefügt wird. Dabei entsteht das Bauteil bereits in seiner endgültigen Gestalt oder zumindest annähernd in dieser Gestalt. Das Baumaterial kann beispielsweise pulverförmig oder flüssig sein, wobei durch das additive Fertigungsverfahren das Material zur Herstellung des Bauteils chemisch oder physikalisch verfestigt wird.Depending on the application and the material of the housing structure or partition, different methods can be used as additive manufacturing methods. In the context of this application, additive manufacturing processes are to be understood as processes in which the material from which a component is to be produced is added to the component during formation. In this case, the component is already in its final form or at least approximately in this shape. The building material may for example be powdery or liquid, wherein the material for the production of the component is chemically or physically solidified by the additive manufacturing process.

Um das Bauteil herstellen zu können, werden das Bauteil beschreibende Daten (CAD-Modell) für das gewählte additive Fertigungsverfahren aufbereitet. Die Daten werden zur Erstellung von Anweisungen für die Fertigungsanlage in an das Fertigungsverfahren angepasste Daten des Bauteils umgewandelt, damit in der Fertigungsanlage die geeigneten Prozessschritte zur sukzessiven Herstellung des Bauteils ablaufen können. Die Daten werden dafür so aufbereitet, dass die geometrischen Daten für die jeweils herzustellenden Lagen (Slices) des Bauteils zur Verfügung stehen, was auch als Slicen bezeichnet wird.To be able to produce the component, data describing the component (CAD model) are prepared for the selected additive manufacturing process. The data is converted into data of the component adapted to the manufacturing process for the production of instructions for the production plant, so that the suitable process steps for the successive production of the component can take place in the production plant. The data are processed in such a way that the geometric data for the respective layers (slices) of the component to be produced are available, which is also referred to as slicing.

Als Beispiele für das additive Fertigen können das selektive Lasersintern (auch SLS für Selective Laser Sintering), das Selektive Laserschmelzen (auch SLM für Slective Laser Melting), das Elektronenstrahlschmelzen (auch EBM für Electrone Beam Melting), das Laserpulverauftragsschweißen (auch LMD für Laser Metal Deposition), das Kaltgasspritzen (auch GDCS für Gas Dynamic Cold Spray) genannt werden. Diese Verfahren eignen sich insbesondere zur Verarbeitung von metallischen Werkstoffen in Form von Pulvern, mit denen Konstruktionsbauteile hergestellt werden können.Selective laser sintering (also SLS for selective laser sintering), electron beam melting (also EBM for electrone beam melting), laser powder deposition welding (also LMD for laser metal Deposition), the cold gas spraying (also GDCS for gas Dynamic Cold Spray) are called. These methods are particularly suitable for the processing of metallic materials in the form of powders, with which design components can be produced.

Beim SLM, SLS und EBM werden die Bauteile lagenweise in einem Pulverbett hergestellt. Diese Verfahren werden daher auch als pulverbettbasierte additive Fertigungsverfahren bezeichnet. Es wird jeweils eine Lage des Pulvers in dem Pulverbett erzeugt, die durch die Energiequelle (Laser oder Elektronenstrahl) anschließend in denjenigen Bereichen lokal aufgeschmolzen oder gesintert wird, in denen das Bauteil entstehen soll. So wird das Bauteil sukzessive lagenweise erzeugt und kann nach Fertigstellung dem Pulverbett entnommen werden.With the SLM, SLS and EBM, the components are produced in layers in a powder bed. These processes are therefore also referred to as powder bed-based additive manufacturing processes. In each case, a layer of the powder is produced in the powder bed, which is then locally melted or sintered by the energy source (laser or electron beam) in those areas in which the component is to be formed. Thus, the component is successively produced in layers and can be removed after completion of the powder bed.

Beim LMD und GDCS werden die Pulverteilchen direkt der Oberfläche zugeführt, auf der ein Materialauftrag erfolgen soll. Beim LMD werden die Pulverpartikel durch einen Laser direkt in der Auftreffstelle auf der Oberfläche aufgeschmolzen und bilden dabei eine Lage des zu erzeugenden Bauteils. Beim GDCS werden die Pulverpartikel stark beschleunigt, so dass sie vorrangig aufgrund ihrer kinetischen Energie bei gleichzeitiger Verformung auf der Oberfläche des Bauteils haften bleiben.With the LMD and GDCS, the powder particles are fed directly to the surface on which a material application is to take place. With the LMD, the powder particles are melted by a laser directly in the point of impact on the surface and thereby form a layer of the component to be produced. In the GDCS, the powder particles are strongly accelerated, so that they adhere primarily due to their kinetic energy with simultaneous deformation on the surface of the component.

GDCS und SLS haben das Merkmal gemeinsam, dass die Pulverteilchen bei diesen Verfahren nicht vollständig aufgeschmolzen werden. Beim GDCS erfolgt ein Aufschmelzen höchstens im Randbereich der Pulverpartikel, die aufgrund der starken Verformung an ihrer Oberfläche anschmelzen können. Beim SLS wird bei Wahl der Sintertemperatur darauf geachtet, dass diese unterhalb der Schmelztemperatur der Pulverpartikel liegt. Demgegenüber liegt beim SLM, EBM und LMD der Energieeintrag betragsmäßig bewusst so hoch, dass die Pulverpartikel vollständig aufgeschmolzen werden.GDCS and SLS have the common feature that the powder particles in these Procedures are not completely melted. In the case of the GDCS, melting takes place at most in the edge region of the powder particles, which can melt on their surface due to the strong deformation. With the SLS, care is taken when choosing the sintering temperature that this is below the melting temperature of the powder particles. In contrast, the SLM, EBM and LMD amount of the energy input deliberately so high that the powder particles are completely melted.

Für die mikrofluidischen Kanalstrukturen können beim additiven Herstellen beispielsweise Materialien verwendet werden, wie sie die Firma Stratasys Inc. anbietet. Geeignet sind Materialien aus Edelstahl, Aluminium, Titan, Kobalt oder Inconel-Legierungen.For the microfluidic channel structures, for example, materials such as that offered by Stratasys Inc. can be used in additive manufacturing. Suitable materials are stainless steel, aluminum, titanium, cobalt or inconel alloys.

Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kavität der Gehäusestruktur einen Teil eines Schmiermittelsystems einer Maschine bildet. Das Schmiermittelsystem kann durch Leitungen, Pumpen, Gleitlager für eine Welle oder einen Vorratstank für das Schmiermittel gebildet sein. Alle diese Funktionselemente des Schmiermittelsystems bilden Kavitäten aus, die erfindungsgemäß mit der durch ein mikrofluidisches Kanalsystem verbundenen Probenkammer ausgestattet werden können. Hierdurch ist es möglich, die Qualität des Schmiermittels auch während des Betriebs mit einfachen Mitteln zu überwachen. Drohende Fehlfunktionen, beispielsweise aufgrund der Alterung des Schmiermittels oder aufgrund eines Druckabfalls infolge von Schmiermittelleckagen, können vorteilhaft frühzeitig erkannt werden. Daher können Gegenmaßnahmen (Austausch/Auffüllen von Schmiermittel) bereits vor dem Schadensfall eingeleitet werden, was vorteilhaft notwendige Betriebsunterbrechungen der Maschine auf ein Minimum verringert.According to another embodiment of the invention, it is provided that the cavity of the housing structure forms part of a lubricant system of a machine. The lubricant system may be formed by conduits, pumps, sliding bearings for a shaft or a storage tank for the lubricant. All of these functional elements of the lubricant system form cavities, which according to the invention can be equipped with the sample chamber connected by a microfluidic channel system. This makes it possible to monitor the quality of the lubricant during operation with simple means. Threatening malfunctions, for example due to the aging of the lubricant or due to a pressure drop due to lubricant leakage, can advantageously be detected early. Therefore, countermeasures (replacement / filling of lubricant) can be initiated already before the damage, which advantageously reduces necessary interruptions of operation of the machine to a minimum.

Vorteilhaft kann in die Kavität eine poröse Lagerbuchse als Gleitlager eingebaut werden, wobei die Trennwand mit dem mikrofluidischen Kanalsystem eine Aufnahme für die Lagerbuchse bildet. Die poröse Lagerbuchse als solche ist dabei als Teil der Kavität zu verstehen, weil die Kanäle der Lagerbuchse mit dem mikrofluidischen Kanalsystem in der Trennwand in Verbindung stehen. Das mikrofluidische Kanalsystem kann in der bereits beschriebenen Weise mit Unterschieden in seinen Eigenschaften darauf ausgelegt werden, dass in der Probenkammer eine Qualitätsuntersuchung mit einem Sensor durchgeführt werden kann. Gleichzeitig ist es auch möglich, über das mikrofluidische Kanalsystem Schmiermittel in die poröse Lagerbuchse einzuspeisen, wenn in der Probenkammer der Druck erhöht wird. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, die Notlaufeigenschaften der porösen Lagerbuchse zu verbessern, wenn der Hauptkreislauf des Schmiermittelsystems ausfallen sollte.Advantageously, a porous bushing can be installed as a sliding bearing in the cavity, wherein the dividing wall forms a receptacle for the bearing bush with the microfluidic channel system. The porous bushing as such is to be understood as part of the cavity, because the channels of the bearing bush are in communication with the microfluidic channel system in the partition wall. The microfluidic channel system can be designed in the manner already described, with differences in its properties, in that a quality examination with a sensor can be carried out in the sample chamber. At the same time, it is also possible to feed lubricant into the porous bearing bush via the microfluidic channel system when the pressure in the sample chamber is increased. This advantageously makes it possible to improve the emergency running properties of the porous bearing bush if the main circuit of the lubricant system should fail.

Zu diesem Zweck ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Probenkammer über eine Anschlussöffnung zur Beaufschlagung der Probenkammer mit einem Druckgefälle ausgestattet ist. Das Druckgefälle kann den Fluss durch das mikrofluidische Kanalsystem in beiden Richtungen unterstützen. Wird an die Anschlussöffnung ein Unterdruck angelegt, so wird der Durchsatz an Fluid von der Kavität in die Probenkammer unterstützt. Wird ein Überdruck angelegt, so kommt es zu einem Rückspüleffekt, der im Zusammenhang mit der Anwendung der Kavität mit einer porösen Lagerbuchse bereits beschrieben wurde. Der Rückspülprozess kann alternativ auch verwendet werden, um das mikrofluidische Kanalsystem zu reinigen. Durch den Rückspülvorgang werden Partikel abgelöst, die sich auf der Seite der Kavität in den Eingängen des mikrofluidischen Kanalsystems festgesetzt haben.For this purpose, according to one embodiment of the invention, it is provided that the sample chamber is equipped with a pressure gradient via a connection opening for loading the sample chamber. The pressure gradient can assist in the flow through the microfluidic channel system in both directions. If a negative pressure is applied to the connection opening, the throughput of fluid from the cavity into the sample chamber is supported. If an overpressure is applied, then there is a backwashing effect, which has already been described in connection with the use of the cavity with a porous bushing. Alternatively, the backwash process may be used to clean the microfluidic channel system. By the backwashing process particles are detached, which have settled on the side of the cavity in the inputs of the microfluidic channel system.

Vorteilhaft kann die Gehäusestruktur für eine Dampfturbine oder Gasturbine vorgesehen werden. Vorzugsweise kommt die Kavität als Lager für den Turbinenläufer zum Einsatz. Allerdings kann die Kavität auch andere Teile des für die Dampfturbine oder Gasturbine vorgesehenen Schmiermittelsystems ausbilden.Advantageously, the housing structure can be provided for a steam turbine or gas turbine. Preferably, the cavity is used as a bearing for the turbine runner. However, the cavity may also form other parts of the intended for the steam turbine or gas turbine lubricant system.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass in der Trennwand mehrere voneinander getrennte fluidische Kanalsysteme vorgesehen sind. Dies ist z. B. von Vorteil, wenn eine poröse Lagerbuchse, wie bereits erwähnt, zur Gewährleistung von Notlaufeigenschaften über die mikrofluidischen Kanalsysteme mit einem Schmiermittel versorgt werden sollen. Dies kann über die voneinander getrennten mikrofluidischen Kanalsysteme an mehreren Stellen gleichzeitig erfolgen, so dass das Schmiermittel gleichmäßig in der porösen Struktur der Lagerbuchse verteilt wird.According to a further embodiment of the invention, it is provided that a plurality of separate fluidic channel systems are provided in the partition wall. This is z. B. advantageous if a porous bushing, as already mentioned, to be supplied to ensure emergency running properties on the microfluidic channel systems with a lubricant. This can be done at the same time on the separate microfluidic channel systems at several points, so that the lubricant is evenly distributed in the porous structure of the bearing bush.

Gemäß einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die voneinander getrennten mikrofluidischen Kanalsysteme unterschiedliche Kanalquerschnitte und/oder unterschiedliche Strömungswiderstände aufweisen. Hierdurch ist es möglich, die mikrofluidischen Kanalsysteme zur Untersuchung des Fluids hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte zu nutzen. Beispielsweise können unterschiedliche Kanalquerschnitte der mikrofluidischen Kanalsysteme dazu genutzt werden, dass Partikel in unterschiedlicher Größe dem zu prüfenden Fluid von unterschiedlichen mikrofluidischen Kanalsystemen zurückgehalten werden. Dies ermöglicht Aussagen darüber, welche Partikelgrößen in dem zu untersuchenden Fluid vorhanden sind. Werden unterschiedliche Strömungswiderstände durch die mikrofluidischen Kanalsysteme zur Verfügung gestellt, so ist eine verbesserte Aussage darüber möglich, welche Viskosität das zu untersuchende Fluid aufweist.According to another advantageous embodiment of the invention, it is provided that the mutually separate microfluidic channel systems have different channel cross-sections and / or different flow resistances. This makes it possible to use the microfluidic channel systems for the investigation of the fluid with regard to different aspects. For example, different channel cross-sections of the microfluidic channel systems can be used to retain particles of different size from the fluid to be tested by different microfluidic channel systems. This allows statements about which particle sizes are present in the fluid to be examined. If different flow resistances are provided by the microfluidic channel systems, an improved statement as to which viscosity the fluid to be examined has is possible.

Unterschiedliche Kanalquerschnitte können, wie bereits erwähnt, beispielsweise mit additiven Fertigungsverfahren durch Modifikation der Fertigungsparameter hergestellt werden. Unterschiedliche Strömungswiderstände können ebenfalls durch Einstellung der Konstruktionsparameter der mikrofluidischen Kanalsysteme eingestellt werden. Von Bedeutung ist, ob das Material der mikrofluidischen Kanalsysteme sowie der zu prüfenden Flüssigkeit hydrophob oder hydrophil ist. Weiterhin sind die Kanalquerschnitte der mikrofluidischen Kanäle sowie der Gesamtquerschnitt der mikrofluidischen Kanalstruktur von Bedeutung. As already mentioned, different channel cross sections can be produced, for example using additive manufacturing methods, by modifying the production parameters. Different flow resistances can also be set by adjusting the design parameters of the microfluidic channel systems. Of importance is whether the material of the microfluidic channel systems and the liquid to be tested is hydrophobic or hydrophilic. Furthermore, the channel cross sections of the microfluidic channels and the total cross section of the microfluidic channel structure are of importance.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn mehrere voneinander getrennte Probenkammern vorgesehen sind, die mit jeweils unterschiedlichen mikrofluidischen Kanalsystemen verbunden sind. Dies hat den Vorteil, dass jede der unterschiedlichen mikrofluidischen Kanalsysteme mittels der Probenkammer mit unterschiedlichen Parametern (Druck, Temperatur durch Vorsehen von Heizelementen) ausgestattet werden kann. Hierdurch werden vorteilhaft weitere Möglichkeiten der Untersuchung des Fluids möglich.It is particularly advantageous if a plurality of separate sample chambers are provided which are each connected to different microfluidic channel systems. This has the advantage that each of the different microfluidic channel systems can be equipped by means of the sample chamber with different parameters (pressure, temperature by providing heating elements). As a result, further possibilities for the examination of the fluid are advantageously possible.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:

  • 1 und 2 Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Gehäusestruktur im Querschnitt,
  • 3 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Gehäusestruktur als Anwendungsbeispiele im Schmiermittelsystem einer Gasturbine als Blockschaltbild und
  • 4 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens im Schnitt.
Further details of the invention are described below with reference to the drawing. Identical or corresponding drawing elements are each provided with the same reference numerals and will only be explained several times as far as there are differences between the individual figures. Show it:
  • 1 and 2 Embodiments of the housing structure according to the invention in cross section,
  • 3 an embodiment of the housing structure according to the invention as application examples in the lubricant system of a gas turbine as a block diagram and
  • 4 an embodiment of the method according to the invention in section.

In 1 ist eine Gehäusestruktur 11 dargestellt, welche zur Aufnahme einer porösen Lagerbuchse 12 vorgesehen ist. In der Lagerbuchse 12 ist eine Welle 13 gelagert. Eine Aufnahme 14 in der Gehäusestruktur 11 für die Lagerbuchse 12 ist mit mikrofluidischen Kanalsystemen 15 ausgestattet, die in einer Trennwand 16 vorgesehen sind. Die Trennwand 16 trennt eine Kavität 17, die durch die Gehäusestruktur 11 gebildet ist, von einer Probenkammer 18 ab, welche ebenfalls als Teil der Gehäusestruktur 11 ausgeführt ist. Das mikrofluidische Kanalsystem 15 ist in 1 (und auch in 2) durch eine Sinterstruktur angedeutet.In 1 is a housing structure 11 shown, which for receiving a porous bushing 12 is provided. In the bearing bush 12 is a wave 13 stored. A receptacle 14 in the housing structure 11 for the bearing bush 12 is with microfluidic channel systems 15 equipped in a partition 16 are provided. The partition 16 separates a cavity 17 passing through the housing structure 11 is formed by a sample chamber 18 which also as part of the housing structure 11 is executed. The microfluidic channel system 15 is in 1 (and also in 2 ) indicated by a sintered structure.

Die Gehäusestruktur 11 ist, wie durch eine Bruchlinie 19 angedeutet ist, in zwei Varianten dargestellt. In der Variante oberhalb der Bruchlinie 19 sind die mikrofluidischen Kanalsysteme 15 einstückig mit der Trennwand 16 hergestellt. Dies kann beispielsweise mit einem Verfahren gemäß 4 erreicht werden (hierzu im Folgenden noch mehr). Die mikrofluidischen Kanalsysteme 15 bilden mit anderen Worten jeweils poröse Bereiche 23 der Trennwand 16 aus. Alternativ ist es auch möglich, die mikrofluidischen Kanalsysteme 15 als Einsätze 20 zu fertigen, die in zugehörigen Öffnungen in der Trennwand 16 eingebaut sind. Dies kann beispielsweise durch eine Presspassung erfolgen.The housing structure 11 is like a break line 19 is indicated in two variants. In the variant above the break line 19 are the microfluidic channel systems 15 integral with the partition 16 produced. This can be done, for example, with a method according to 4 achieved (see more below). The microfluidic channel systems 15 in other words form porous areas respectively 23 the partition 16 out. Alternatively, it is also possible to use the microfluidic channel systems 15 as inserts 20 to manufacture in associated openings in the dividing wall 16 are installed. This can be done for example by a press fit.

In der Probenkammer 18 ist ein Sensor 21 vorgesehen. Dieser ist dazu geeignet, das in der Probenkammer befindliche Schmiermittel, welches durch die poröse Lagerbuchse 12 und die mikrofluidischen Kanalstrukturen 15 in die Probenkammer 18 gelangt, beispielsweise optisch zu untersuchen. Dabei kann beispielsweise der Verschmutzungsgrad des Schmiermittels ermittelt werden.In the sample chamber 18 is a sensor 21 intended. This is suitable, located in the sample chamber lubricant, which through the porous bushing 12 and the microfluidic channel structures 15 enters the sample chamber 18, for example, to examine optically. In this case, for example, the degree of contamination of the lubricant can be determined.

Außerdem ist die Probenkammer mit einer Anschlussöffnung 22 versehen. Diese Anschlussöffnung 22 kann beispielsweise dazu genutzt werden, um die Flussrichtung in den mikrofluidischen Kanalsystemen 15 durch Anlegen eines Überdrucks umzukehren. Auf diese Weise kann im Falle des Ausfalls des Schmiermittelsystems für die Welle 13 ein Notlaufbetrieb der Lagerbuchse 12 sichergestellt werden.In addition, the sample chamber is with a connection opening 22 Mistake. This connection opening 22 can for example be used to control the flow direction in the microfluidic channel systems 15 to reverse by applying an overpressure. In this way, in case of failure of the lubricant system for the shaft 13 an emergency operation of the bearing bush 12 can be ensured.

In 2 ist als Gehäusestruktur 11 als Kavität 17 ein Kanalausschnitt dargestellt, wie dieser beispielsweise im Leitungssystem eines Schmiermittelsystems vorgesehen werden kann. Die Gehäusestruktur 11 weist eine Vielzahl von Probenkammern 18 auf, welche jeweils mit Sensoren 21 versehen sind. Hierdurch wird es möglich, unterschiedliche Kanalstrukturen 15a, 15b, 15c, 15d, 15e vorzusehen, die unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich ihrer Kanalgröße aufweisen. Damit können mit den Sensoren 21 auch unterschiedliche Eigenschaften des zu prüfenden Fluids untersucht werden.In 2 is as a housing structure 11 as a cavity 17 a channel cutout shown as this can be provided for example in the piping system of a lubricant system. The housing structure 11 has a variety of sample chambers 18 on, each with sensors 21 are provided. This makes it possible to provide different channel structures 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, which have different characteristics with regard to their channel size. This can be done with the sensors 21 also different properties of the fluid to be tested are investigated.

Die Probenkammern 18 sind alle über jeweils eine zweite Kanalstruktur 24 mit einem Sammelraum 25 verbunden, so dass die Probenkammern 18 die gemeinsame Anschlussöffnung 22, die in den Sammelraum 25 mündet, verbunden sind. Die Anschlussöffnung 22 kann dazu genutzt werden, um das von der Kavität 17 durch die Probenräume 18 geleitete Fluid abzuführen oder durch Anlegen eines Überdrucks in bestimmten Betriebszuständen ein Rückspülen der Probenkammern 18 zu gewährleisten.The sample chambers 18 all are each with a second channel structure 24 with a collection room 25 connected so that the sample chambers 18 the common connection opening 22 in the collection room 25 flows, are connected. The connection opening 22 Can be used to get that from the cavity 17 through the rehearsal rooms 18 discharged fluid or by applying an overpressure in certain operating conditions backwashing the sample chambers 18 to ensure.

In 3 ist schematisch eine Gasturbine 26 dargestellt. Diese weist einen auf der Welle 13 befestigten Läufer 27 auf, der in Gleitlagern 28 gelagert ist. Diese können beispielsweise wie in 1 dargestellt aufgebaut sein.In 3 is schematically a gas turbine 26 shown. This one points to the shaft 13 attached runner 27 on, in plain bearings 28 is stored. These can, for example, as in 1 be constructed shown.

Die Gleitlager 28 bilden einen Teil eines Schmiermittelsystems 29, bestehend aus Leitungen 30, einer Pumpe 31, einem Vorratsbehälter 32 für Schmiermittel und einer Analyseeinheit 33, die wie in 2 dargestellt aufgebaut sein kann. Die Pumpe 31 treibt in den Leitungen 30 einen Schmiermittelkreislauf an, mit dem die Gleitlager 28 mit Schmiermittel versorgt werden. Als Puffer dient der Vorratsbehälter 32.The plain bearings 28 form part of a lubricant system 29 consisting of cables 30 , a pump 31 , a storage container 32 for lubricant and an analysis unit 33, as in 2 can be constructed shown. The pump 31 drives in the pipes 30 a lubricant circuit, with which the plain bearings 28 be supplied with lubricant. As buffer serves the reservoir 32 ,

Außerdem ist für die Gleitlager 28 und die Analyseeinheit 33 eine Rückspülleitung 34 vorgesehen, durch die mittels einer zweiten Pumpe 35 aus einem zweiten Vorratsbehälter 36 (oder aus dem Vorratsbehälter 32, nicht dargestellt) Schmiermittel über nicht dargestellte Anschlussöffnungen 22 (vgl. 1 und 2) in die Gleitlager 28 bzw. die Analyseeinheit 33 gepumpt werden kann. Das Rückspülen ermöglicht wie beschrieben die Reinigung der mikrofluidischen Kanalsysteme bzw. die Gewährleistung von Notlaufeigenschaften der Gleitlager 28.Also, for the plain bearings 28 and the analysis unit 33 a backwash line 34 provided by the means of a second pump 35 from a second reservoir 36 (or from the reservoir 32 , not shown) Lubricant via unillustrated port openings 22 (see. 1 and 2 ) in the plain bearings 28 or the analysis unit 33 can be pumped. Backwashing, as described, makes it possible to clean the microfluidic duct systems or to ensure emergency running properties of the plain bearings 28 ,

In 4 ist dargestellt, wie die Trennwand 16 durch ein selektives Laserschmelzen mit einem Laserstrahl 37 hergestellt werden kann. Hierbei wird eine Pulverlage 38 durch den Laserstrahl 37 verfestigt, wobei die Pulverlage zur Herstellung der Trennwand 16 aufgeschmolzen wird.In 4 is shown as the partition 16 by a selective laser melting with a laser beam 37 can be produced. This is a powder layer 38 through the laser beam 37 solidified, wherein the powder layer for the production of the partition wall 16 is melted.

Nicht aufgeschmolzene Teile eines Pulverbetts 39 sind ebenfalls dargestellt. Aus dem Pulverbett 39 wird der poröse Bereich 23 mit der mikrofluidischen Kanalstruktur dadurch hergestellt, dass für diesen porösen Bereich die Fertigungsparameter so gewählt werden, dass ein selektives Lasersintern stattfindet. Dadurch werden die Partikel 40 im porösen Bereich 23 zwar im Vergleich zum Pulverbett 39 verdichtet, jedoch bleibt das mikrofluidische Kanalsystem 15 als durchgängiger Zwischenraum zwischen den Partikeln 40 bestehen und dient damit bei einer späteren Verwendung des hergestellten Bauteils als Verbindung zwischen der Kavität 17 und der Probenkammer 18 (vgl. 1).Unmelted parts of a powder bed 39 are also shown. From the powder bed 39 becomes the porous area 23 with the microfluidic channel structure produced by selecting the production parameters for this porous region such that a selective laser sintering takes place. This will make the particles 40 in the porous area 23 although in comparison to the powder bed 39 compacted, but remains the microfluidic channel system 15 as a continuous space between the particles 40 exist and thus serves in a later use of the manufactured component as a connection between the cavity 17 and the sample chamber 18 (see. 1 ).

Claims (14)

Gehäusestruktur mit einer Kavität und einer durch eine Trennwand (16) von der Kavität abgetrennten Probenkammer (18), wobei und zwischen der Probenkammer (18) und der Kavität eine Verbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch ein mikrofluidisches Kanalsystem (15) gebildet ist.Housing structure having a cavity and a by a partition (16) separated from the cavity sample chamber (18), and between the sample chamber (18) and the cavity is a compound, characterized in that the compound by a microfluidic channel system (15) is. nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das mikrofluidischen Kanalsystem in einem Einsatz (20) ausgebildet ist, welcher sich in einer Öffnung der Trennwand (16) befindet.to Claim 1 , characterized in that the microfluidic channel system is formed in an insert (20) which is located in an opening of the partition wall (16). nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrofluidische Kanalsystem durch einen porösen Bereich der Trennwand (16) gebildet ist.to Claim 1 , characterized in that the microfluidic channel system is formed by a porous region of the dividing wall (16). nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Probenkammer (18) ein Sensor (21) vorgesehen istaccording to one of the preceding claims, characterized in that in the sample chamber (18) a sensor (21) is provided nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität einen Teil eines Schmiermittelsystems (29) einer Maschine bildet.according to one of the preceding claims, characterized in that the cavity forms part of a lubricant system (29) of a machine. nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kavität durch ein Gleitlager (28) für eine Welle (13) gebildet ist.to Claim 5 , characterized in that the cavity is formed by a sliding bearing (28) for a shaft (13). nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kavität eine poröse Lagerbuchse (12) als Gleitlager vorgesehen ist, wobei die Trennwand (16) mit dem mikrofluidischen Kanalsystem (15) eine Aufnahme für die Lagerbuchse (12) bildet.to Claim 6 , characterized in that in the cavity, a porous bearing bush (12) is provided as a sliding bearing, wherein the partition wall (16) with the microfluidic channel system (15) forms a receptacle for the bearing bush (12). nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehäusestruktur für eine Dampfturbine oder eine Gasturbine (26) vorgesehen ist.after one of the Claims 5 to 7 , characterized in that the housing structure for a steam turbine or a gas turbine (26) is provided. nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probenkammer (18) über eine Anschlussöffnung (22) zur Beaufschlagung der Probenkammer mit einem Druckgefälle aufweist.according to one of the preceding claims, characterized in that the sample chamber (18) via a connection opening (22) for acting on the sample chamber having a pressure gradient. nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussöffnung mit einem Speicherbehälter verbunden ist.according to one of the preceding claims, characterized in that the connection opening is connected to a storage container. nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand (16) mehrere voneinander getrennte mikrofluidische Kanalsysteme vorgesehen sind.according to one of the preceding claims, characterized in that in the partition wall (16) a plurality of mutually separate microfluidic channel systems are provided. nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die voneinander getrennten mikrofluidischen Kanalsysteme unterschiedliche Kanalquerschnitte und/oder unterschiedliche Strömungswiderstände aufweisen.to Claim 11 , characterized in that the mutually separate microfluidic channel systems have different channel cross-sections and / or different flow resistance. nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere voneinander getrennte Probenkammern (18) vorgesehen sind, die mit jeweils unterschiedlichen mikrofluidischen Kanalsystemen (15a, 15b, 15c, 15d, 15e) verbunden sind.after one of the Claims 11 or 12 , characterized in that a plurality of separate sample chambers (18) are provided which are each connected to different microfluidic channel systems (15a, 15b, 15c, 15d, 15e). Verfahren zum Herstellen einer Gehäusestruktur mit einer Kavität und einer durch eine Trennwand (16) von der Kavität abgetrennten Probenkammer (18), wobei zwischen der Probenkammer (18) und der Kavität eine Verbindung besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung durch ein additives Fertigungsverfahren als mikrofluidesches Kanansystem gemeinsam mit der Trennwand hergestellt wird.A method of manufacturing a housing structure having a cavity and by a partition wall (16) of the cavity separated sample chamber (18), there being between the sample chamber (18) and the cavity a connection, characterized in that the connection is produced by an additive manufacturing process as a microfluidic Kanansystem together with the partition wall.
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