DE102022134986A1 - Layered fluid filter and filter element with fluid inlet and fluid outlet on the same side - Google Patents
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Abstract
Fluidfilter (100) zum Filtern eines Fluids, insbesondere in einem Analysegerät (10), wobei das Fluidfilter (100) einen Schichtaufbau (102), der mindestens eine mikrofluidische Struktur (104) zum Zuführen und Abführen des Fluids aufweist, und ein Filterelement (106) aufweist, das zum Filtern des mittels der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (104) zugeführten Fluids ausgebildet ist und das an und/oder in dem Schichtaufbau (102) angeordnet ist, wobei eine Fluidzuführung (108) zum Zuführen des zu filternden Fluids und eine Fluidabführung (110) zum Abführen des gefilterten Fluids an derselben Seite des Schichtaufbaus (102) angeordnet sind und mit der mindestens einen mikrofluidischen Struktur (104) fluidisch gekoppelt sind.Fluid filter (100) for filtering a fluid, in particular in an analysis device (10), the fluid filter (100) having a layered structure (102) which has at least one microfluidic structure (104) for supplying and removing the fluid, and a filter element (106 ) which is designed to filter the fluid supplied by means of the at least one microfluidic structure (104) and which is arranged on and/or in the layered structure (102), with a fluid supply (108) for supplying the fluid to be filtered and a fluid discharge (110) for discharging the filtered fluid are arranged on the same side of the layered structure (102) and are fluidically coupled to the at least one microfluidic structure (104).
Description
TECHNISCHER HINTERGRUNDTECHNICAL BACKGROUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidfilter, ein Analysegerät und ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidfilters.The present invention relates to a fluid filter, an analysis device and a method for manufacturing a fluid filter.
In einer HPLC wird typischerweise eine Flüssigkeit (mobile Phase) bei einer sehr genau kontrollierten Flussrate (zum Beispiel im Bereich von Mikrolitern bis Millilitern pro Minute) und bei einem hohen Druck (typischerweise 20 bis 1000 bar und darüber hinausgehend, derzeit bis zu 2000 bar), bei dem die Kompressibilität der Flüssigkeit spürbar ist, durch eine sogenannte stationäre Phase (zum Beispiel in einer chromatografischen Säule), bewegt, um einzelne Komponenten einer in die mobile Phase eingebrachten Probenflüssigkeit voneinander zu trennen. Ein solches HPLC-System ist zum Beispiel aus der
In Analysegeräten, wie einer HPLC, werden Fluidfilter eingesetzt, um Partikel aus Fluiden herauszufiltern. Die Montage von Fluidfiltern an einem Analysegerät, insbesondere zwischen zwei Kapillaren, ist herkömmlich aufwendig und fehleranfällig.Fluid filters are used in analyzers such as HPLC to filter out particles from fluids. The assembly of fluid filters on an analysis device, in particular between two capillaries, is conventionally complex and error-prone.
OFFENBARUNGEPIPHANY
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein in einfacher Weise und fehlerrobust montierbares Fluidfilter bereitzustellen. Die Aufgabe wird mittels der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsbeispiele sind in den abhängigen Ansprüchen gezeigt.It is an object of the invention to provide a fluid filter that can be assembled in a simple manner and is robust against errors. The object is solved by means of the independent claims. Further embodiments are shown in the dependent claims.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist ein Fluidfilter zum Filtern eines Fluids (insbesondere in einem Analysegerät) geschaffen, wobei das Fluidfilter einen Schichtaufbau, der mindestens eine mikrofluidische Struktur (vorzugsweise eine Mehrzahl von mikrofluidischen Strukturen) zum Zuführen und Abführen des Fluids aufweist, und ein Filterelement aufweist, das zum Filtern des mittels der mindestens einen mikrofluidischen Struktur zugeführten Fluids ausgebildet ist und das an und/oder in dem Schichtaufbau angeordnet ist, wobei eine Fluidzuführung zum Zuführen des zu filternden Fluids und eine Fluidabführung zum Abführen des gefilterten Fluids an derselben Seite des Schichtaufbaus angeordnet sind und mit der mindestens einen mikrofluidischen Struktur fluidisch gekoppelt sind.According to an exemplary embodiment of the present invention, a fluid filter for filtering a fluid (in particular in an analysis device) is created, the fluid filter having a layered structure which has at least one microfluidic structure (preferably a plurality of microfluidic structures) for supplying and removing the fluid, and has a filter element which is designed to filter the fluid supplied by means of the at least one microfluidic structure and which is arranged on and/or in the layered structure, with a fluid supply for supplying the fluid to be filtered and a fluid discharge for discharging the filtered fluid on the same side of the layer structure are arranged and are fluidically coupled to the at least one microfluidic structure.
Gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Analysegerät zum Analysieren einer fluidischen Probe bereitgestellt, wobei das Analysegerät mindestens ein Fluidfilter mit den oben beschriebenen Merkmalen aufweist.According to another exemplary embodiment, an analysis device for analyzing a fluidic sample is provided, the analysis device having at least one fluid filter with the features described above.
Gemäß einem weiteren exemplarischen Ausführungsbeispiel ist ein Verfahren zum Herstellen eines Fluidfilters zum Filtern eines Fluids (insbesondere in einem Analysegerät) bereitgestellt, wobei das Verfahren ein Versehen eines Schichtaufbaus mit mindestens einer mikrofluidischen Struktur zum Zuführen und Abführen des Fluids, ein Anordnen eines Filterelements, das zum Filtern des mittels der mindestens einen mikrofluidischen Struktur zugeführten Fluids ausgebildet ist, an und/oder in dem Schichtaufbau, und ein Anordnen einer Fluidzuführung zum Zuführen des zu filternden Fluids und einer Fluidabführung zum Abführen des gefilterten Fluids an derselben Seite des Schichtaufbaus aufweist, wobei die Fluidzuführung und die Fluidabführung mit der mindestens einen mikrofluidischen Struktur fluidisch gekoppelt werden.According to a further exemplary embodiment, a method for producing a fluid filter for filtering a fluid (in particular in an analysis device) is provided, the method including providing a layered structure with at least one microfluidic structure for supplying and removing the fluid, arranging a filter element, which for filtering of the fluid supplied by means of the at least one microfluidic structure is formed on and/or in the layered structure, and arranging a fluid supply for supplying the fluid to be filtered and a fluid discharge for discharging the filtered fluid on the same side of the layered structure, the fluid supply having and the fluid discharge are fluidically coupled to the at least one microfluidic structure.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Fluidfilter“ insbesondere ein Fluidbauteil verstanden, das Feststoffe aus einem Gas- und/oder Flüssigkeitsstrom zurückhält. Ein Fluid, das Feststoffpartikel aufweist, kann in einem Fluidfilter also einer Filtration unterzogen werden, die zum Beispiel durch ein Pressen oder Ziehen des Fluids durch das Fluidfilter hindurch bewirkt werden kann.In the context of the present application, the term “fluid filter” means in particular a fluid component that retains solids from a gas and/or liquid flow. A fluid that has solid particles can therefore be subjected to a filtration in a fluid filter, which can be effected, for example, by pressing or drawing the fluid through the fluid filter.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Fluid“ insbesondere eine Flüssigkeit und/oder ein Gas verstanden, optional aufweisend Festkörperpartikel.In the context of the present application, the term “fluid” means in particular a liquid and/or a gas, optionally having solid particles.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann der Begriff „Analysegerät“ insbesondere ein Gerät bezeichnen, das in der Lage und konfiguriert ist, eine fluidische Probe zu untersuchen, insbesondere zu trennen, weiter insbesondere in verschiedene Fraktionen zu trennen. Beispielsweise kann eine solche Probentrennung mittels Chromatographie oder Elektrophorese erfolgen. Bevorzugt kann das Analysegerät ein Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngerät sein.In the context of the present application, the term “analysis device” can refer in particular to a device that is able and configured to examine a fluidic sample, in particular to separate it, and further in particular to separate it into different fractions. For example, such a sample separation can take place by means of chromatography or electrophoresis. Preferably, the analysis device can be a liquid chromatography sample separation device.
Im Rahmen der vorliegenden Anwendung kann unter dem Begriff „Schichtaufbau“ insbesondere ein Körper oder ein Satz von Körpern verstanden werden, der eine Mehrzahl von insbesondere parallel zueinander angeordneten und vorzugsweise miteinander verbundenen, vorzugsweise ebenen Schichten aufweist, die ein gemeinsames, vorzugsweise einstückiges, Bauteil bilden können. Alternativ können die Schichten aber auch ganz oder teilweise voneinander getrennt bleiben. Der Schichtaufbau kann Schichtstrukturen aufweisen oder kann daraus bestehen. Ein Schichtaufbau kann metallische und/oder nichtmetallische (zum Beispiel keramische) Schichtstrukturen aufweisen.In the context of the present application, the term “layer structure” can be understood in particular to mean a body or a set of bodies which has a plurality of layers which are arranged in particular parallel to one another and are preferably connected to one another and are preferably planar and which form a common, preferably one-piece component can. Alternatively, however, the layers can also remain completely or partially separate from one another. The layer structure may have or consist of layered structures. A layer structure can have metallic and/or non-metallic (for example ceramic) layer structures.
Im Rahmen der vorliegenden Anwendung kann unter dem Begriff „Schichtstruktur“ insbesondere eine insbesondere ebene und flache, vorzugsweise metallische, Struktur verstanden werden, die unter Bildung mindestens einer mikrofluidischen Struktur bearbeitet sein kann. Eine Schichtstruktur kann ein Metall (insbesondere ein elementares Metall) aufweisen oder daraus bestehen. Beispielsweise kann eine Schichtstruktur aus einer nichtrostenden, korrosionsbeständigen Stahllegierung gebildet sein. Eine Schichtstruktur kann eine durchgehende Schicht (vorzugsweise aus Metall) oder kann eine strukturierte Schicht mit einer oder mehreren sich horizontal und/oder vertikal und/oder schräg erstreckenden Ausnehmungen sein. Eine Schichtstruktur kann auch aus mehreren koplanar angeordneten, nicht miteinander verbundenen (vorzugsweise metallischen) Inseln gebildet sein.In the context of the present application, the term “layer structure” can be understood in particular as meaning a planar and flat, preferably metallic, structure that can be processed to form at least one microfluidic structure. A layered structure can include or consist of a metal (in particular an elemental metal). For example, a layered structure may be formed from a stainless, corrosion-resistant steel alloy. A layer structure can be a continuous layer (preferably made of metal) or can be a structured layer with one or more recesses extending horizontally and/or vertically and/or obliquely. A layered structure can also be formed from a plurality of coplanarly arranged islands that are not connected to one another (preferably metallic).
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mikrofluidische Struktur“ insbesondere ein verzweigter oder unverzweigter Kanal, eine Mehrzahl solcher Kanäle oder eine andere fluidische Struktur (zum Beispiel eine Nut oder eine Kavität) mit Dimensionen im Bereich von Mikrometern bis Millimetern verstanden, die von einem Fluid durchfließbar ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der mindestens einen mikrofluidischen Struktur in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sein. Die mikrofluidischen Strukturen können von Festkörpermaterial freie Hohlräume aufweisen oder können teilweise ausgefüllt sein, zum Beispiel mit einer stationären Phase als Probentrennmaterial.In the context of the present application, the term "microfluidic structure" is understood in particular to mean a branched or unbranched channel, a plurality of such channels or another fluidic structure (e.g. a groove or a cavity) with dimensions in the range from micrometers to millimeters a fluid can flow through. According to one embodiment, an inner diameter of the at least one microfluidic structure can be in a range between 0.05 mm and 1 mm, in particular in a range between 0.1 mm and 0.5 mm. The microfluidic structures can have cavities free of solid material or can be partially filled, for example with a stationary phase as sample separation material.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Filterelement“ insbesondere ein Element eines Fluidfilters verstanden, an dem der eigentliche Filtrationsprozess des Fluids stattfindet. Beispielsweise kann ein solches Filterelement ein Sinterkörper, ein poröser Körper, eine gestapelte Gitter- bzw. Siebstruktur oder ein Granulat sein, der oder das Zwischenräume aufweist, durch welche fluidische Komponenten fließen können, wohingegen Festkörperpartikel an dem Filterelement festgehalten werden können. Bevorzugt kann das Filterelement als Filterscheibe ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine solche Filterscheibe einen Durchmesser in einem Bereich von 1 mm bis 13 mm haben, beispielsweise 2 mm.In the context of the present application, the term “filter element” is understood to mean, in particular, an element of a fluid filter on which the actual filtration process of the fluid takes place. For example, such a filter element can be a sintered body, a porous body, a stacked lattice or sieve structure or a granulate, which has gaps through which fluidic components can flow, whereas solid particles can be retained on the filter element. The filter element can preferably be designed as a filter disk. For example, such a filter disk can have a diameter in a range from 1 mm to 13 mm, for example 2 mm.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „Zuführen und Abführen von Fluid an derselben Seite des Schichtaufbaus“ insbesondere ein strukturelles Merkmal eines Fluidfilters verstanden, wonach zwei Fluidschnittstellen zum Einführen von zu filterndem Fluid in das Fluidfilter und zum Abführen von gefiltertem Fluid aus dem Fluidfilter an einer gemeinsamen Seite des Schichtaufbaus bzw. des Fluidfilters angeordnet sind. Anders als bei herkömmlichen Fluidfiltern, die an einer Seite mit einer Zuführkapillare und an einer gegenüberliegenden anderen Seite mit einer Abführkapillare fluidisch gekoppelt werden, kann bei einem Fluidfilter gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung Zuführung und Abführung von Fluid durch Ausbilden einer einzigen gemeinsamen Verbindung des Fluidfilters mit einem Analysegerät oder einem anderen fluidverarbeitenden Gerät oder Fluidbauteil bewerkstelligt werden. Beispielsweise können Zuführung und Abführung von Fluid an einer gemeinsamen Stirnfläche des Fluidfilters angeordnet sein.In the context of the present application, the term "supply and discharge of fluid on the same side of the layer structure" is understood in particular as a structural feature of a fluid filter, according to which two fluid interfaces are defined for introducing fluid to be filtered into the fluid filter and for discharging filtered fluid from the fluid filter are arranged on a common side of the layer structure or the fluid filter. In contrast to conventional fluid filters, which are fluidically coupled to a supply capillary on one side and a discharge capillary on an opposite other side, in a fluid filter according to an exemplary embodiment of the invention, fluid can be supplied and discharged by forming a single common connection of the fluid filter with an analyzer or other fluid processing device or fluid component. For example, the supply and discharge of fluid can be arranged on a common end face of the fluid filter.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „fluidische Probe“ insbesondere ein Medium, weiter insbesondere eine Flüssigkeit, verstanden, das bzw. die die eigentlich zu analysierende Materie enthält (zum Beispiel eine biologische Probe), wie zum Beispiel eine Proteinlösung, eine pharmazeutische Probe, etc.In the context of the present application, the term “fluidic sample” is understood to mean in particular a medium, more particularly a liquid, which contains the material to be analyzed (e.g. a biological sample), such as a protein solution, a pharmaceutical sample, etc
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Fluidfilter zum Filtern eines Fluids (insbesondere einer mobilen Phase in einem Analysegerät wie eine HPLC) geschaffen, das einen Schichtaufbau mit einer oder mehreren miteinander fluidisch gekoppelten mikrofluidischen Strukturen aufweist. Letztere dienen zum Zuführen von zu filterndem Fluid sowie zum Abführen von gefiltertem Fluid. Darüber hinaus weist das Fluidfilter ein Filterelement auf, welches das Fluid filtert und zu diesem Zweck fluidisch gekoppelt bzw. koppelbar mit mikrofluidischen Strukturen des Schichtaufbaus ausgebildet ist. Vorteilhaft sind sowohl eine Fluidzuführung zum Zuführen des zu filternden Fluids als auch eine Fluidabführung zum Abführen des gefilterten Fluids an einer gemeinsamen Seite des Schichtaufbaus positioniert und mit der besagten mikrofluidischen Struktur fluidisch gekoppelt. Das Vorsehen von planaren und gestapelten Schichtstrukturen führt zu einer besonders kompakten Ausgestaltung des Fluidfilters und erlaubt dennoch ein frei wählbares Bilden von mikrofluidischen Strukturen für ein wohldefiniertes Fluidmanagement. Ein an bzw. in dem Schichtaufbau montiertes Filterelement kann die eigentliche Filterfunktion wahrnehmen und kann - zum Beispiel allein oder in Kombination mit den Schichtstrukturen - als auswechselbares Verschleißteil vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist die Konfiguration der Fluidzuführung und der Fluidabführung an derselben Seite des Schichtaufbaus. Ein entsprechendes Design wird durch das Vorsehen eines Schichtaufbaus mit darin integrierten mikrofluidischen Strukturen begünstigt und erlaubt eine besonders einfache Handhabung durch einen Benutzer. Es ist nämlich das Ausbilden einer einzigen gemeinsamen Fluidschnittstelle ausreichend, wohingegen das aufwändige Handhaben von zwei Kapillaren unabhängig voneinander entbehrlich werden kann.According to an exemplary embodiment of the invention, a fluid filter for filtering a fluid (in particular a mobile phase in an analysis device such as an HPLC) is created, which has a layered structure with one or more microfluidic structures fluidically coupled to one another. The latter are used for supplying fluid to be filtered and for removing filtered fluid. In addition, the fluid filter has a filter element which filters the fluid and for this purpose is designed to be fluidically coupled or capable of being coupled to microfluidic structures of the layered structure. Both a fluid supply for supplying the fluid to be filtered and a fluid discharge for discharging the filtered fluid are advantageously positioned on a common side of the layered structure and are fluidically coupled to said microfluidic structure. The provision of planar and stacked layer structures leads to a particularly compact configuration of the fluid filter and nevertheless allows a freely selectable formation of microfluidic structures for well-defined fluid management. A filter element mounted on or in the layer structure can perform the actual filter function and—for example alone or in combination with the layer structures—can be provided as a replaceable wearing part. The configuration of the fluid supply and the fluid discharge on the same side of the layer structure is particularly advantageous. A corresponding design is achieved by providing a layered structure with a microfluidic structure integrated therein Ren favors and allows a particularly easy handling by a user. This is because the formation of a single common fluid interface is sufficient, whereas the complicated handling of two capillaries independently of one another can be dispensed with.
Im Weiteren werden zusätzliche Ausgestaltungen des Fluidfilters, des Analysegeräts und des Verfahrens beschrieben.Additional configurations of the fluid filter, the analysis device and the method are described below.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schichtaufbau aus mehreren miteinander verbundenen Schichtstrukturen gebildet sein. Somit kann ein Schichtenstapel gebildet werden, dessen einzelne Schichtstrukturen zueinander korrespondierende und individuell einfach ausbildbare mikrofluidische Strukturen aufweisen können, um ein komplexeres Fluidleitungssystem auf engstem Raum zu bewerkstelligen. Die Schichtstrukturen können hierbei integral miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Ausbilden eines diffusionsgebondeten oder diffusionsgeschweißten Schichtaufbaus. Eine solche Konfiguration ist besonders benutzerfreundlich, da ein Benutzer (zum Beispiel bei einem Austausch des Schichtaufbaus gegebenenfalls samt Filterelement) nur eine einzige Komponente zu handhaben braucht. Es ist allerdings alternativ auch möglich, dass die Schichtstrukturen des Schichtaufbaus ganz oder teilweise lose aufeinander aufliegen. Beispielsweise können die einzelnen Schichtstrukturen dann in einfacher Weise in einen Aufnahmeraum eines Gehäusekörpers aufgenommen werden.According to one exemplary embodiment, the layer structure can be formed from a plurality of layer structures connected to one another. A stack of layers can thus be formed, the individual layer structures of which can have microfluidic structures that correspond to one another and can be individually and easily formed, in order to bring about a more complex fluid line system in a very small space. In this case, the layer structures can be connected to one another integrally, for example by forming a diffusion-bonded or diffusion-welded layer structure. Such a configuration is particularly user-friendly, since a user only needs to handle a single component (for example when replacing the layer structure, possibly including the filter element). Alternatively, however, it is also possible for the layer structures of the layered structure to rest loosely on one another in whole or in part. For example, the individual layer structures can then be easily accommodated in an accommodating space of a housing body.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schichtaufbau aus mehreren Metallschichtstrukturen gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, die einzelnen Schichtstrukturen aus metallischen Schichten auszubilden. Einzelne Metallschichten sind einfach prozessierbar, um darin mikrofluidische Strukturen beliebiger Ausgestaltung zu bilden. Außerdem kann aus einzelnen Metallschichten in einfacher Weise ein miteinander verbundenes Schichtbauteil gebildet werden. Insbesondere kann der Schichtaufbau vorteilhaft als metallische mikrofluidische (Metal MicroFluidic, MMF)-Anordnung ausgebildet sein, zum Beispiel als Diffusion-Bond-Bauteil oder Metalllaminat.According to one embodiment, the layer structure can be formed from a plurality of metal layer structures. It is particularly advantageous to form the individual layer structures from metallic layers. Individual metal layers can be easily processed in order to form microfluidic structures of any configuration therein. In addition, an interconnected layered component can be formed from individual metal layers in a simple manner. In particular, the layer structure can advantageously be embodied as a metallic microfluidic (Metal MicroFluidic, MMF) arrangement, for example as a diffusion bond component or metal laminate.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine mikrofluidische Struktur des Schichtaufbaus direkt angrenzend an das Filterelement, insbesondere fluideingangsseitig (d.h. wo zu filterndes Fluid dem Filterelement zugeführt wird) und/oder fluidausgangsseitig (d.h. wo gefiltertes Fluid vom Filterelement abgeführt wird), mindestens eine flächig aufgeweitete Fluidaustauschfläche bilden. Zum Beispiel kann ein Fluid dem Filterelement zugeführt werden, indem es zunächst durch kapillarartige Durchgangslöcher in einzelnen Schichtstrukturen hindurchgeführt wird, bevor das Fluid dann erst unmittelbar vor dem Filterelement an einer Austauschfläche flächig aufgeweitet wird. Dies kann zum Beispiel durch Ausbilden einer mikrofluidischen Struktur in einer Schichtstruktur in Form einer flächigen Kavität oder bevorzugt als flächige Nutstruktur (d.h. in einer Weise, wie dies im nachfolgenden Absatz beschrieben wird), realisiert werden. Dadurch kann das Fluid zunächst mit geringem Totvolumen dem Filterelement zugeführt werden und erst dort flächig aufgeweitet werden, damit das Fluid vorzugsweise die volle Fläche des Filterelements durchströmen kann. Dies vermeidet ein schnelles Verstopfen des Filterelements und hält den Fluidwiderstand beim Durchfließen des Fluidventils gering.According to one embodiment, a microfluidic structure of the layered construction can form at least one flat, widened fluid exchange surface directly adjacent to the filter element, in particular on the fluid inlet side (i.e. where fluid to be filtered is fed to the filter element) and/or on the fluid outlet side (i.e. where filtered fluid is discharged from the filter element). For example, a fluid can be supplied to the filter element by first being guided through capillary-like through-holes in individual layer structures before the fluid is then expanded flatly at an exchange surface immediately in front of the filter element. This can be realized, for example, by forming a microfluidic structure in a layered structure in the form of a planar cavity or preferably as a planar groove structure (i.e. in a manner as described in the following paragraph). As a result, the fluid can first be fed to the filter element with a small dead volume and only there can it be widened over its surface area, so that the fluid can preferably flow through the full surface of the filter element. This prevents the filter element from clogging quickly and keeps the fluid resistance low when it flows through the fluid valve.
Insbesondere kann die flächig aufgeweitete Austauschfläche als flächige Nutstruktur mit dazwischen angeordneten Stegen ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Spirale, ein Mäander und/oder ein Zickzack eine zweidimensionale oder flächige Austauschfläche zwischen einer Schichtstruktur des Schichtaufbaus und dem Filterelement ausbilden. Hierbei kann die Austauschfläche einer Hauptfläche des Filterelements entsprechen. Mit Vorteil können Stege zwischen aneinander angrenzenden Nutabschnitten der flächig aufgeweiteten Austauschfläche die mechanische Stabilität des Filterelements verbessern und dadurch zu einer Hochdruckstabilität beitragen.In particular, the two-dimensionally widened exchange surface can be designed as a two-dimensional groove structure with webs arranged in between. For example, a spiral, a meander and/or a zigzag can form a two-dimensional or two-dimensional exchange surface between a layered structure of the layered structure and the filter element. In this case, the exchange surface can correspond to a main surface of the filter element. Advantageously, webs between mutually adjoining groove sections of the areally widened exchange surface can improve the mechanical stability of the filter element and thus contribute to high-pressure stability.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine mikrofluidische Struktur mindestens ein Durchgangsloch durch mindestens eine Schichtstruktur des Schichtaufbaus und/oder mindestens eine Nut, insbesondere mindestens eine spiralförmige, mäandrische oder langgestreckte Nut, in einer Hauptoberfläche von mindestens einer Schichtstruktur des Schichtaufbaus aufweisen. Eine solche Nut, welche das zu filternde Fluid zweidimensional auf das Filterelement verteilt, kann in genau definierter Weise eine präzise Fluidverteilung bewerkstelligen.According to one embodiment, the at least one microfluidic structure can have at least one through hole through at least one layer structure of the layered structure and/or at least one groove, in particular at least one spiral, meandering or elongated groove, in a main surface of at least one layered structure of the layered structure. Such a groove, which distributes the fluid to be filtered two-dimensionally onto the filter element, can bring about a precise fluid distribution in a precisely defined manner.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Filterelement einen Sinterkörper oder einen Netzstapel aufweisen. Ein Sinterkörper kann zum Beispiel aus zunächst unverbundenen Metallpartikeln oder keramischen Partikeln gebildet sein, die mittels Sinterns (d.h. durch Temperaturerhöhung und vorzugsweise Druckerhöhung) miteinander zu einem integralen Körper verbunden werden. Zwischen den integral verbundenen Partikeln verbleiben kleine Zwischenräume, die für Fluid passierbar, aber für Festkörperpartikel unpassierbar sein können. Alternativ kann das Filterelement auch durch mehrere übereinandergelegte Netze (zum Beispiel Metallnetze) mit jeweils kleinen Durchgangslöchern gebildet werden, die in Kombination für Festkörperpartikel undurchlässige und für Gase bzw. Flüssigkeiten durchlässige Zwischenräume bilden.According to one embodiment, the filter element may include a sintered body or a mesh stack. A sintered body can, for example, be formed from initially unconnected metal particles or ceramic particles which are connected to one another by means of sintering (i.e. by increasing the temperature and preferably increasing the pressure) to form an integral body. Small interstices remain between the integrally bonded particles, which may be traversable for fluid but impassable for solid particles. Alternatively, the filter element can also be formed by several meshes (for example metal meshes) placed one on top of the other, each with small through-holes, which in combination form intermediate spaces which are impermeable to solid particles and permeable to gases or liquids.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Filterelement vollumfänglich in den Schichtaufbau eingebettet sein. Gemäß einer solchen Ausgestaltung kann das Filterelement entlang seines gesamten lateralen Umfangs von einer oder mehreren Schichtstrukturen des Schichtaufbaus umgeben sein und daher in Position gehalten werden. Ein Positionsverlust des Filterelements durch Verrutschen oder dergleichen kann dadurch in lateraler Umfangsrichtung vermieden werden. Es ist allerdings alternativ oder ergänzend möglich, dass das Filterelement in axialer Richtung bzw. in Stapelrichtung der Schichtstrukturen zwischen den Schichtstrukturen eingebettet ist. Dadurch kann auch eine Positionsveränderung des Filterelements in axialer Richtung verunmöglicht werden. Ein Benutzer kann zudem Filterelement und Schichtaufbau einstückig handhaben, was den Benutzerkomfort zusätzlich verbessert.According to one exemplary embodiment, the filter element can be embedded in the layered structure over its entirety. According to such a configuration, the filter element can be surrounded by one or more layer structures of the layered construction along its entire lateral circumference and can therefore be held in position. A loss of position of the filter element due to slipping or the like can thereby be avoided in the lateral circumferential direction. However, it is alternatively or additionally possible for the filter element to be embedded between the layer structures in the axial direction or in the stacking direction of the layer structures. This also makes it impossible to change the position of the filter element in the axial direction. A user can also handle the filter element and layer structure in one piece, which further improves user comfort.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter einen Gehäusekörper aufweisen, in dem der Schichtaufbau und das Filterelement angeordnet sind. Der Gehäusekörper kann eine Komponente bilden, die einerseits Schichtaufbau und Filterelement aufnimmt und andererseits durch einen Benutzer bei der Montage oder Demontage des Fluidfilters gehandhabt wird. Ein solcher Gehäusekörper kann zum Beispiel als Metallkörper oder als Kunststoffkörper ausgebildet sein.According to one exemplary embodiment, the fluid filter can have a housing body in which the layer structure and the filter element are arranged. The housing body can form a component which, on the one hand, accommodates the layer structure and filter element and, on the other hand, is handled by a user when assembling or disassembling the fluid filter. Such a housing body can be designed, for example, as a metal body or as a plastic body.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Gehäusekörper ein Gewinde, insbesondere ein Außengewinde, zum Verschrauben mit einem mit dem Fluidfilter fluidisch zu koppelnden Fluidbauteil aufweisen. Ferner kann der Gehäusekörper einen Antrieb zum Drehantreiben des Fluidfilters aufweisen. Anschaulich kann der Gehäusekörper eine Hohlschraube sein, in der das Fluidfilter und der Schichtaufbau aufgenommen sein können. Das Gewinde kann vorzugsweise ein Außengewinde sein, das in ein Innengewinde eines Analysegeräts eingeschraubt werden kann (oder umgekehrt), um das Fluidventil mit dem Analysegerät mechanisch zu verbinden und simultan eine Fluidverbindung auszubilden. Der Antrieb kann als nichtrotationssymmetrische Aussparung in einer Stirnfläche des Gehäusekörpers gebildet sein. Zum Beispiel kann der Antrieb ein Innensechskant-Antrieb, ein Innen- oder Außen-Sechsrund-Antrieb, ein Kreuz-Antrieb oder ein Schlitz-Antrieb sein. Mittels des Antriebs kann der Gehäusekörper in das Analysegerät eingeschraubt oder aus dem Analysegerät ausgeschraubt werden, beispielsweise mittels eines Schraubendrehers oder eines motorisch angetriebenen Schraubwerkzeugs (zum Beispiel eines Akkuschraubers). Insbesondere kann durch bloßes Verschrauben des Fluidfilters mit einem Analysegerät oder dergleichen eine fluiddichte Verbindung dazwischen ausgebildet werden, insbesondere eine hochdruckdichte Verbindung (vorzugsweise zumindest bis 1000 bar, besonders bevorzugt bis zu mindestens 2000 bar).According to one exemplary embodiment, the housing body can have a thread, in particular an external thread, for screwing to a fluid component to be fluidically coupled to the fluid filter. Furthermore, the housing body can have a drive for rotating the fluid filter. Clearly, the housing body can be a hollow screw, in which the fluid filter and the layer structure can be accommodated. The thread may preferably be an external thread which can be screwed into an internal thread of an analyzer (or vice versa) in order to mechanically connect the fluid valve to the analyzer and at the same time form a fluid connection. The drive can be formed as a non-rotationally symmetrical recess in an end face of the housing body. For example, the drive can be a hex socket, an internal or external hexalobular drive, a cross drive or a slotted drive. The housing body can be screwed into the analysis device or unscrewed from the analysis device by means of the drive, for example by means of a screwdriver or a motor-driven screwing tool (for example a cordless screwdriver). In particular, by simply screwing the fluid filter to an analysis device or the like, a fluid-tight connection can be formed between them, in particular a high-pressure-tight connection (preferably at least up to 1000 bar, particularly preferably up to at least 2000 bar).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der Schichtaufbau samt Filterelement als einstückig handhabbares Bauteil auswechselbar in den Gehäusekörper eingesetzt sein. Ein Benutzer braucht dann zum Montieren oder Demontieren des Fluidfilters lediglich zwei Komponenten handhaben, nämlich das Bauteil aus Schichtaufbau und Filterelement einerseits und den Gehäusekörper andererseits. Als Verschleißteil kann das Bauteil aus Schichtaufbau und Filterelement separat aus dem Gehäusekörper entnommen werden und durch ein Ersatzbauteil aus einem neuen Schichtaufbau und einem neuen Filterelement ersetzt werden. Der Gehäusekörper kann wiederverwendet werden, was eine effizientere Ressourcennutzung begünstigt.According to one exemplary embodiment, the layered structure together with the filter element can be inserted into the housing body in an exchangeable manner as a one-piece component that can be handled. A user then only needs to handle two components to assemble or disassemble the fluid filter, namely the component made up of the layer structure and filter element on the one hand and the housing body on the other. As a wearing part, the component consisting of the layer structure and the filter element can be removed separately from the housing body and replaced by a replacement component consisting of a new layer structure and a new filter element. The case body can be reused, favoring more efficient use of resources.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Anschluss-Schichtstruktur des Schichtaufbaus die Fluidzuführung und die Fluidabführung aufweisen. Die Anschluss-Schichtstruktur kann die im montierten Zustand einzige nach außen hin zugängliche Schichtstruktur des Schichtaufbaus darstellen, an der mikrofluidische Strukturen zum Zuführen von Fluid zum Filtern und zum Abführen von Fluid nach dem Filtern nach außen hin zugänglich gebildet sein können. Besagte mikrofluidische Strukturen können voneinander fluidisch getrennte Durchgangslöcher aufweisen.According to an exemplary embodiment, a connection layer structure of the layer structure can have the fluid supply and the fluid discharge. The connection layer structure can represent the only layer structure of the layer structure that is externally accessible in the installed state, on which microfluidic structures for supplying fluid for filtering and for removing fluid after filtering can be formed so that it is externally accessible. Said microfluidic structures can have through-holes which are fluidically separated from one another.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Anschluss-Schichtstruktur so ausgebildet sein, dass unabhängig von einer Drehposition des Fluidfilters die Fluidzuführung und die Fluidabführung fluidisch koppelbar zu entsprechenden Fluidanschlüssen eines mit dem Fluidfilter fluidisch zu koppelnden Fluidbauteils ausgerichtet sind. Dies ermöglicht eine besonders fehlerrobuste Handhabung des Fluidfilters durch einen Benutzer. Besonders dann, wenn das Fluidfilter durch Einschrauben eines Gehäusekörpers an einem Analysegerät montiert wird, ist das zufuhrseitige wie abfuhrseitige Ausbilden einer Fluidverbindung unabhängig von einer Winkelstellung des Fluidfilters zu dem Analysegerät vorteilhaft.According to one exemplary embodiment, the connection layer structure can be designed such that the fluid supply and the fluid discharge are aligned such that they can be fluidically coupled to corresponding fluid connections of a fluid component to be fluidly coupled to the fluid filter, regardless of a rotational position of the fluid filter. This enables the fluid filter to be handled by a user in a manner that is particularly robust against errors. Particularly when the fluid filter is mounted on an analysis device by screwing in a housing body, forming a fluid connection on the supply side and discharge side is advantageous regardless of an angular position of the fluid filter relative to the analysis device.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Anschluss-Schichtstruktur als mikrofluidische Struktur ein, insbesondere zentrales, Durchgangsloch und eine mit mindestens einem weiteren Durchgangsloch, insbesondere mit zwei weiteren Durchgangslöchern, fluidisch gekoppelte Ringnut aufweisen, insbesondere umgebend das zentrale Durchgangsloch. Die winkelunabhängige Ausbildung einer zufuhrseitigen wie abfuhrseitigen Fluidkopplung zwischen Fluidfilter und Analysegerät kann zum Beispiel dadurch bewerkstelligt werden, dass mindestens ein der Fluidzufuhr dienendes Durchgangsloch in der Anschluss-Schichtstruktur und/oder mindestens ein der Fluidabfuhr dienendes Durchgangsloch in der Anschluss-Schichtstruktur mit einer Ringnut in der Anschluss-Schichtstruktur fluidisch gekoppelt sein kann, welche die eigentliche Fluidschnittstelle zum Verbinden des Fluidfilters mit dem Analysegerät bilden kann. Eine solche Ringnut kann vorzugsweise rotationsymmetrisch bzw. kreisförmig ausgebildet sein, um unabhängig von einer Winkelstellung eines Gehäusekörpers nach Einschrauben in ein Analysegerät eine Fluidkopplung zwischen Anschluss-Schichtstruktur und Analysegerät zu ermöglichen. Besonders bevorzugt ist eine Konfiguration, bei der eine von Fluidzufuhr und Fluidabfuhr mittels einer kreisförmigen Ringnut in Kombination mit mindestens einem Durchgangsloch in der Anschluss-Schichtstruktur und die andere von Fluidzufuhr und Fluidabfuhr mittels eines weiteren zentralen Durchgangslochs in der Anschluss-Schichtstruktur ausgebildet ist.According to one exemplary embodiment, the connection layer structure as a microfluidic structure can have a, in particular central, through-hole and an annular groove fluidically coupled to at least one further through-hole, in particular to two further through-holes, in particular surrounding the central through-hole. The angle-independent formation of a supply-side and discharge-side fluid coupling between the fluid filter and the analysis device can be accomplished, for example, by at least one through-hole serving for fluid supply in the connection layer structure and/or at least one through-hole serving for fluid drainage in the connection layer structure can be fluidically coupled to an annular groove in the connection layer structure, which can form the actual fluid interface for connecting the fluid filter to the analysis device. Such an annular groove can preferably be designed to be rotationally symmetrical or circular in order to enable a fluid coupling between the connection layer structure and the analysis device independently of an angular position of a housing body after it has been screwed into an analysis device. A configuration is particularly preferred in which one of the fluid supply and fluid discharge is formed by means of a circular annular groove in combination with at least one through hole in the connection layer structure and the other of the fluid supply and fluid discharge is formed by means of a further central through hole in the connection layer structure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine End-Schichtstruktur des Schichtaufbaus ausgebildet sein, das von der Fluidzuführung her einfließende Fluid, insbesondere vor dem Filtern mittels des Filterelements, einer Flussrichtungsumkehr zu unterziehen und, insbesondere durch das Filterelement hindurch, zurück Richtung Fluidabführung umzuleiten. Bei der End-Schichtstruktur handelt es sich um eine Schichtstruktur des Schichtaufbaus, welche der Fluidzuführung von und der Fluidabführung zu dem Analysegerät abgewandt ist. Anders ausgedrückt kann die End-Schichtstruktur eine der Anschluss-Schichtstruktur gegenüberliegende und von dieser in axialer Richtung abgewandte Schichtstruktur des Schichtaufbaus bilden. An der End-Schichtstruktur kann eine Flussumkehr des Fluids erzwungen werden. Während das Fluid stromaufwärts der End-Schichtstruktur entlang einer ersten Richtung einfließen kann, kann mindestens eine mikrofluidische Struktur der End-Schichtstruktur so ausgebildet sein, dass das Fluid stromabwärts der End-Schichtstruktur entlang einer zu der ersten Richtung inversen zweiten Richtung zurückfließen kann. Insbesondere kann das Fluid unmittelbar nach der Flussumkehr dem Filterelement zugeführt werden und dadurch einem Filtern in dem Filterelement unterzogen werden.According to one embodiment, an end layer structure of the layer structure can be designed to subject the fluid flowing in from the fluid supply, in particular before filtering by means of the filter element, to a flow direction reversal and, in particular through the filter element, to redirect it back in the direction of the fluid discharge. The end layered structure is a layered structure of the layered construction, which faces away from the fluid supply from and the fluid discharge to the analysis device. In other words, the end layer structure can form a layer structure of the layer structure that is opposite the connection layer structure and faces away from it in the axial direction. A flow reversal of the fluid can be forced at the end layer structure. While the fluid can flow in upstream of the end layer structure along a first direction, at least one microfluidic structure of the end layer structure can be configured such that the fluid can flow back downstream of the end layer structure along a second direction inverse to the first direction. In particular, the fluid can be supplied to the filter element immediately after the flow reversal and can thereby be subjected to filtering in the filter element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die End-Schichtstruktur eine mikrofluidische Struktur zum Fördern eines flächigen Fluidaustauschs mit dem Filterelement aufweisen, insbesondere mittels einer als spiralförmige Nut in einer Hauptoberfläche der End-Schichtstruktur ausgebildeten mikrofluidischen Struktur. Während der Fluss des Fluids von der Anschluss-Schichtstruktur aus durch den Schichtaufbau hindurch entlang eines kapillarartigen Flusspfads und somit zumindest überwiegend eindimensional erfolgen kann, kann das Fluid unmittelbar vor Erreichen des Filterelements zweidimensional aufgeweitet werden, um ein gleichmäßiges Durchströmen des Filterelements zu fördern. Auf diese Weise kann ein geringes Totvolumen mit einer effizienten Verwendung des Filterelements kombiniert werden.According to one exemplary embodiment, the end layer structure can have a microfluidic structure for promoting a planar fluid exchange with the filter element, in particular by means of a microfluidic structure designed as a spiral groove in a main surface of the end layer structure. While the fluid can flow from the connection layer structure through the layer structure along a capillary-like flow path and thus at least predominantly one-dimensionally, the fluid can be expanded two-dimensionally immediately before it reaches the filter element in order to promote a uniform flow through the filter element. In this way, a low dead volume can be combined with efficient use of the filter element.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Zwischen-Schichtstruktur des Schichtaufbaus ausgebildet sein, einen Fluidaustausch zwischen dem Filterelement und der Fluidabführung zu fördern. Die Zwischen-Schichtstruktur kann im Inneren des Schichtaufbaus angeordnet sein, insbesondere zwischen Anschluss-Schichtstruktur und End-Schichtstruktur. Die besagte Zwischen-Schichtstruktur kann das gefilterte Fluid ausgehend von dem Filterelement räumlich sammeln und zur Rückleitung Richtung Anschluss-Schichtstruktur führen.According to an exemplary embodiment, an intermediate layer structure of the layer structure can be designed to promote a fluid exchange between the filter element and the fluid discharge. The intermediate layer structure can be arranged inside the layer structure, in particular between the connection layer structure and the end layer structure. Said intermediate layer structure can spatially collect the filtered fluid, starting from the filter element, and lead it back towards the connection layer structure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Zwischen-Schichtstruktur eine mikrofluidische Struktur zum Fördern eines flächigen Fluidaustauschs mit dem Filterelement aufweisen, insbesondere mittels einer als spiralförmige Nut in einer Hauptoberfläche der Zwischen-Schichtstruktur ausgebildeten mikrofluidischen Struktur. Ähnlich wie oben für die End-Schichtstruktur stromaufwärts des Filterelements beschrieben, kann die Zwischen-Schichtstruktur stromabwärts des Filterelements einen zweidimensionalen Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Filterelement und den mikrofluidischen Strukturen fördern. Dadurch wird das gefilterte Fluid gesammelt, insbesondere in eine zweidimensionale Nut eingekoppelt und kann nachfolgend einer eindimensionalen Fluidrückführung hin zu der Anfangs-Schichtstruktur zugeführt werden.According to one exemplary embodiment, the intermediate layer structure can have a microfluidic structure for promoting a planar fluid exchange with the filter element, in particular by means of a microfluidic structure designed as a spiral groove in a main surface of the intermediate layer structure. Similar to that described above for the final layer structure upstream of the filter element, the intermediate layer structure downstream of the filter element can promote a two-dimensional liquid exchange between the filter element and the microfluidic structures. As a result, the filtered fluid is collected, in particular coupled into a two-dimensional groove and can then be fed back to the initial layer structure for a one-dimensional fluid return.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Aufnahme-Schichtstruktur des Schichtaufbaus eine Aufnahmeöffnung zum umfänglichen Aufnehmen des Filterelements aufweisen. Die Aufnahme-Schichtstruktur kann eine zentrale Aufnahmeöffnung aufweisen, in welche das Filterelement eingepasst werden kann. Insbesondere kann das Filterelement (beispielsweise ein Filterpad) in die Aufnahme-Schichtstruktur (insbesondere in deren Aufnahmeraum) eingepresst werden, damit es unverlierbar und in lateral definierter Weise an dem Schichtaufbau aufgenommen ist. Die Aufnahme-Schichtstruktur kann von ihrem zentralen Durchgangsloch zum Aufnehmen des Filterelements abgesehen mindestens eine weitere mikrofluidische Struktur aufweisen, durch die hindurch Fluid an dem Filterelement radial vorbei durch den Schichtaufbau durchgeleitet werden kann. Auf diese Weise kann auch in der Aufnahme-Schichtstruktur zu filterndes Fluid getrennt von gefiltertem Fluid gehandhabt werden.According to an exemplary embodiment, an accommodation layer structure of the layered construction can have an accommodation opening for the peripheral accommodation of the filter element. The receiving layer structure can have a central receiving opening into which the filter element can be fitted. In particular, the filter element (for example a filter pad) can be pressed into the receiving layer structure (in particular into its receiving space) so that it is held captive and in a laterally defined manner on the layer structure. Apart from its central through-hole for receiving the filter element, the receiving layer structure can have at least one further microfluidic structure through which fluid can be conducted radially past the filter element through the layer structure. In this way, fluid to be filtered can also be handled separately from filtered fluid in the receiving layer structure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Lateralumleitungs-Schichtstruktur des Schichtaufbaus eine mikrofluidische Struktur zum, insbesondere geradlinigen, Umleiten eines Flusses des Fluids in lateraler (zum Beispiel radialer) Richtung aufweisen. In der Lateralumleitungs-Schichtstruktur kann also Fluid von einer axialen Strömungsrichtung aus einer abschnittsweise lateralen Strömung unterzogen werden, um das Fluid um das Filterelement herum zu lenken. Dies kann in der Lateralumleitungs-Schichtstruktur zum Beispiel mittels radialer Nuten erreicht werden.According to one embodiment, a lateral deflection layer structure of the layer structure can be a microfluidic structure for, in particular their rectilinear, redirecting a flow of the fluid in a lateral (e.g. radial) direction. Thus, in the lateral bypass layered structure, fluid can be subjected to intermittent lateral flow from an axial flow direction to direct the fluid around the filter element. This can be achieved in the lateral bypass layered structure, for example, by means of radial grooves.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Formgebung des Schichtaufbaus zum Bereitstellen eines Drehschutzes ausgebildet sein. Beispielsweise kann eine Außenkontur des Schichtaufbaus nichtrotationssymmetrisch ausgebildet sein, um den Schichtaufbau nur in einer bestimmten Winkelstellung in einen Gegenkörper (beispielsweise einen Gehäusekörper oder direkt in ein Analysegerät) einlegen zu können. Dann kann auf Maßnahmen verzichtet werden, den Aufbau der mikrofluidischen Struktur in dem Schichtaufbau unabhängig von einer Drehstellung des Fluidfilters in Fluidkopplung mit dem Analysegerät bringen zu können.According to one exemplary embodiment, the layer structure can be shaped to provide rotation protection. For example, an outer contour of the layered structure can be non-rotationally symmetrical in order to be able to insert the layered structure into a counter-body (for example a housing body or directly into an analysis device) only in a specific angular position. It is then possible to dispense with measures to bring the structure of the microfluidic structure in the layered structure into fluid coupling with the analysis device independently of a rotational position of the fluid filter.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter mindestens ein weiteres Filterelement aufweisen, das zum Filtern des mittels der mindestens einen mikrofluidischen Struktur zugeführten Fluids ausgebildet ist und das an und/oder in dem Schichtaufbau anzuordnen ist. Somit können an dem Schichtaufbau mehrere Filterelemente angeordnet sein, von denen jeweils eines selektiv in Fluidkommunikation mit der mikrofluidischen Struktur des Schichtaufbaus gebracht werden kann. Dadurch können nacheinander die einzelnen Filterelemente zum Filtern von Fluid in Stellung gebracht werden, bevor ein Benutzer erschöpfte bzw. beladene Filterelemente auszutauschen hat. Dadurch kann ein Austauschintervall verlängert werden.According to one exemplary embodiment, the fluid filter can have at least one further filter element, which is designed to filter the fluid supplied by means of the at least one microfluidic structure and which is to be arranged on and/or in the layered structure. Thus, a plurality of filter elements can be arranged on the layered structure, one of which can be selectively brought into fluid communication with the microfluidic structure of the layered structure. As a result, the individual filter elements for filtering fluid can be positioned one after the other before a user has to exchange exhausted or loaded filter elements. This allows a replacement interval to be extended.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können das Filterelement und das mindestens eine weitere Filterelement bewegbar, insbesondere drehbar, angebracht sein, so dass wahlweise ein jeweiliges der Filterelemente zum Filtern des zugeführten Fluids in Stellung bringbar ist. Zum Beispiel können die Filterelemente in einem Revolverbauteil angeordnet sein, das gedreht werden kann, um nacheinander die einzelnen Filterelemente in Wirkverbindung mit der mikrofluidischen Struktur des Schichtaufbaus zu bringen.According to an exemplary embodiment, the filter element and the at least one further filter element can be attached so that they can be moved, in particular rotated, so that a respective one of the filter elements can be brought into position for filtering the supplied fluid. For example, the filter elements can be arranged in a turret component which can be rotated in order to sequentially bring the individual filter elements into operative connection with the microfluidic structure of the layered construction.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter für einen druckfesten Betrieb bis mindestens 1000 bar, insbesondere bis mindestens 2000 bar konfiguriert sein. Die beschriebene Konfiguration des Fluidfilters mit Schichtaufbau und mikrofluidischer Struktur sowie eingepasstem Filterelement ist für Hochdruckanwendungen bestens geeignet. Daher kann das Fluidfilter vorteilhaft auch in Hochdruck-Analysegeräten, wie zum Beispiel einer HPLC, eingesetzt werden.According to one exemplary embodiment, the fluid filter can be configured for pressure-tight operation up to at least 1000 bar, in particular up to at least 2000 bar. The described configuration of the fluid filter with layered construction and microfluidic structure as well as a fitted filter element is ideally suited for high-pressure applications. Therefore, the fluid filter can also be used advantageously in high-pressure analysis devices, such as an HPLC.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter zum Filtern einer mobilen Phase ausgebildet sein. Eine mobile Phase kann ein Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelzusammensetzung sein, die beispielsweise in einem Analysegerät eingesetzt werden kann, um eine Analyse zu unterstützen. Zum Beispiel kann eine mobile Phase während eines Gradientenlaufs eines Flüssigkeitschromatografie-Probentrenngeräts eingesetzt werden.According to one embodiment, the fluid filter can be designed to filter a mobile phase. A mobile phase can be a solvent or solvent composition that can be used, for example, in an analyzer to aid in an analysis. For example, a mobile phase can be used during a gradient run of a liquid chromatography sample separator.
Allgemein können Fluidfilter gemäß exemplarischen Ausführungsbeispielen der Erfindung vorteilhaft überall dort eingesetzt werden, wo (beispielsweise in einem Analysegerät) betriebsbedingter Abrieb von Festkörperpartikeln stattfinden kann, der mittels eines solchen Fluidventils herausgefiltert werden kann. Es sind allerdings auch andere Anwendungen exemplarischer Ausführungsbeispiele der Erfindung möglich, die von Analysegeräten unterschiedlich sind. Beispielsweise kann ein Fluidfilter gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung auch als Benzinfilter in einem Automobil oder als Filter von Lebensmitteln (beispielsweise von Apfelsaft oder Bier) zum Einsatz kommen.In general, fluid filters according to exemplary embodiments of the invention can advantageously be used wherever (for example in an analysis device) operational abrasion of solid particles can take place, which can be filtered out by means of such a fluid valve. However, other applications of exemplary embodiments of the invention other than analyzers are also possible. For example, a fluid filter according to an exemplary embodiment of the invention can also be used as a gasoline filter in an automobile or as a filter for food (for example apple juice or beer).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter an einer analytischen Pumpe eines Probentrenngeräts angebracht sein. Beispielsweise kann das Fluidfilter an einen Pumpenkopf aufgeschraubt sein. In einer HPLC kann eine unerwünschte Erzeugung von Partikeln beispielsweise an einer analytischen Pumpe erfolgen, in der ein Kolben mit hoher Geschwindigkeit in einer Kolbenkammer reziproziert und bei einem schon geringfügigen Versatz Abrieb generieren kann. Das Anbringen eines Fluidfilters kann mobile Phase an einer solchen analytischen Pumpe wirksam von Festkörpartikeln befreien.According to one embodiment, the fluid filter may be attached to an analytical pump of a sample separation device. For example, the fluid filter can be screwed onto a pump head. In an HPLC, undesirable particle generation can occur, for example, at an analytical pump in which a piston reciprocates at high speed in a piston chamber and can generate abrasion at even a small displacement. The attachment of a fluid filter can effectively remove solid particles from the mobile phase on such an analytical pump.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter zum Filtern von Fluid stromaufwärts der Probentrenneinrichtung angebracht sein. Auf diese Weise kann eine Verstopfung einer Probentrenneinrichtung, insbesondere einer chromatografischen Trennsäule, wirksam vermieden werden. Somit kann das Fluidfilter als Vorfilter für eine Probentrenneinrichtung eingesetzt werden, die beispielsweise besonders schmutzempfindlich sein kann.According to one embodiment, the fluid filter for filtering fluid may be mounted upstream of the sample separator. In this way, clogging of a sample separation device, in particular a chromatographic separation column, can be effectively avoided. The fluid filter can thus be used as a pre-filter for a sample separation device, which can be particularly sensitive to dirt, for example.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter zum Filtern von Fluid im Bereich eines rotatorischen Fluidventils angebracht sein. Auch drehende Scherventile, die bei einer HPLC zum Beispiel als Injektionsventil zum Einsatz kommen, können Abrieb generieren, der von einem Fluidfilter gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wirksam herausgefiltert werden kann.According to one embodiment, the fluid filter for filtering fluid can be attached in the area of a rotary fluid valve. Rotating shear valves, which are used in HPLC, for example as injection valves, can also generate abrasion that can be effectively filtered out by a fluid filter according to an exemplary embodiment of the invention.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Fluidfilter zum Filtern von Fluid im Bereich einer Probennadel angebracht sein. Während einer Probenentnahme kann in einer HPLC eine Probennadel zwischen einem Probenbehälter und einem Sitz verfahren werden, wobei es beim Ausbilden einer fluiddichten Verbindung zwischen Probennadel und Sitz ebenfalls zum Generieren von Abrieb kommen kann.According to one embodiment, the fluid filter for filtering fluid can be attached in the area of a sample needle. In an HPLC, a sample needle can be moved between a sample container and a seat while a sample is being taken, and abrasion can also be generated when a fluid-tight connection is formed between the sample needle and seat.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren ein Befestigen des Filterelements an dem Schichtaufbau und/oder ein Befestigen von Metallschichtstrukturen des Schichtaufbaus aneinander mittels Diffusionsbondens aufweisen. Diffusionsbonden oder Diffusionsschweißen ist eine Festkörperverbindungstechnik, die für die Verbindung von als Metallschichtstrukturen ausgebildeten Schichtaufbauten eingesetzt werden kann und ähnliche und ungleiche Metalle verbinden kann. Diffusionsbonden basiert auf dem Prinzip der Festkörperdiffusion, bei der sich die Atome zweier fester, metallischer Oberflächen miteinander verbinden, wenn sie einem erhöhten Druck in Verbindung mit einer erhöhten Temperatur (vorzugsweise unterhalb der Schmelztemperatur der beteiligten Metalle) ausgesetzt werden. Diffusionsbonden kann besonders vorteilhaft eingesetzt werden, wenn metallische Schichtstrukturen in Form von miteinander verbundenen metallischen Dünnschichtfolien ausgebildet werden sollen. Mit Vorteil können bei einer Verbindung von metallischen Schichtstrukturen mittels Diffusionsbondens mikrofluidische Strukturen der Schichtstrukturen erhalten bleiben und sogar in permanente Fluidverbindung miteinander gebracht werden. Alternativ zum Diffusionsbonden ist zum Beispiel auch ein Verkleben von Schichtstrukturen des Schichtaufbaus möglich.According to one embodiment, the method may include attaching the filter element to the layered structure and/or attaching metal layer structures of the layered structure to one another by means of diffusion bonding. Diffusion bonding or diffusion welding is a solid state joining technique that can be used to join layered structures formed as metal layered structures and can join like and dissimilar metals. Diffusion bonding is based on the principle of solid-state diffusion, in which the atoms of two solid, metallic surfaces bond together when subjected to increased pressure in conjunction with increased temperature (preferably below the melting temperature of the metals involved). Diffusion bonding can be used particularly advantageously when metallic layer structures are to be formed in the form of interconnected metallic thin-layer foils. Advantageously, when metallic layer structures are connected by means of diffusion bonding, microfluidic structures of the layer structures can be retained and even brought into permanent fluid connection with one another. As an alternative to diffusion bonding, it is also possible, for example, to glue layer structures of the layered structure together.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Metallschichtstrukturen aus korrosionsbeständigem Stahl ausgebildet sein. Korrosionsbeständiger Stahl hat sich sowohl als Material zum Verbinden mit anderen Metallschichtstrukturen als auch zum Ausbilden von fluidischen Strukturen darin als sehr geeignet erwiesen. Darüber hinaus ist korrosionsbeständiger Stahl ausreichend rostfrei und inert, um selbst aggressive biologische und chemische Substanzen in dessen Inneren führen zu können.According to one embodiment, the metal layer structures may be formed of stainless steel. Corrosion-resistant steel has proven to be very suitable both as a material for joining to other metal layered structures and for forming fluidic structures therein. In addition, corrosion-resistant steel is sufficiently rust-free and inert to be able to carry even aggressive biological and chemical substances inside it.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der mindestens einen mikrofluidischen Struktur in einem Bereich zwischen 0,05 mm und 1 mm, insbesondere in einem Bereich zwischen 0,1 mm und 0,5 mm, sein. Bei solchen Dimensionen kann ein Verengen oder sogar vollständiges Blockieren der mikrofluidischen Strukturen vermieden werden. Gleichzeitig sind diese geringen Strukturgrößen geeignet, mit geforderten niedrigen und gleichzeitig hochpräzisen Flussraten und begrenzten Fluidvolumina moderner Probentrenngeräte zurecht zu kommen. Mikrofluidische Strukturen dieser Dimensionen eignen sich besonders gut für Probentrennaufgaben, zum Beispiel mittels Chromatografie.According to one embodiment, an inner diameter of the at least one microfluidic structure can be in a range between 0.05 mm and 1 mm, in particular in a range between 0.1 mm and 0.5 mm. With such dimensions, narrowing or even complete blocking of the microfluidic structures can be avoided. At the same time, these small structure sizes are suitable for coping with the required low and at the same time highly precise flow rates and limited fluid volumes of modern sample separation devices. Microfluidic structures of these dimensions are particularly suitable for sample separation tasks, for example using chromatography.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die mindestens eine mikrofluidische Struktur mindestens eines aus einer Gruppe aufweisen, die besteht aus einem vollumfänglich begrenzten mikrofluidischen Kanal und einer mikrofluidischen Nut. Unter einer Nut wird in diesem Zusammenhang insbesondere eine längliche rinnenförmige Vertiefung verstanden. Ein Kanal ist in Abgrenzung zu einer Nut ein vollumfänglich begrenzter Hohlraum, der zum Beispiel einen kreisförmigen oder rechteckförmigen Querschnitt haben kann. Es sind allerdings auch andere mikrofluidische Strukturen möglich, zum Beispiel Poren. Solche mikrofluidischen Strukturen können in der Schichtstruktur in horizontaler Richtung und/oder als vertikale fluidische Verbindungstruktur ausgebildet sein.According to one embodiment, the at least one microfluidic structure may include at least one of a group consisting of a fully-constrained microfluidic channel and a microfluidic groove. In this context, a groove is understood to mean, in particular, an elongate channel-shaped depression. A channel, in contrast to a groove, is a cavity which is defined around its entire circumference and which can have a circular or rectangular cross-section, for example. However, other microfluidic structures are also possible, for example pores. Such microfluidic structures can be formed in the layer structure in the horizontal direction and/or as a vertical fluidic connection structure.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren ein Verbinden der mehreren Metallschichtstrukturen mittels Wärmezufuhr und/oder Druckbeaufschlagung aufweisen. Zum Beispiel können die Metallschichtstrukturen zunächst strukturiert werden (zum Beispiel mittels eines Lithographie- und Ätzverfahrens, mittels einer Laserbehandlung und/oder mittels mechanischen Bohrens oder Fräsens) und können nachfolgend miteinander verbunden werden. Dadurch können die Metallschichtstrukturen eine zerstörungsfrei untrennbare Verbindung eingehen, ohne dass fluidische Kanäle in deren Inneren durch das Diffusionsbonden unerwünscht geschlossen werden.According to an exemplary embodiment, the method can include connecting the plurality of metal layer structures by means of supplying heat and/or applying pressure. For example, the metal layer structures can first be structured (for example by means of a lithography and etching process, by means of a laser treatment and/or by means of mechanical drilling or milling) and can subsequently be connected to one another. As a result, the metal layer structures can enter into a non-destructive, inseparable connection without fluidic channels in their interior being undesirably closed by diffusion bonding.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Analysegerät als Probentrenngerät ausgebildet sein und eine analytische Pumpe zum Antreiben einer mobilen Phase und der in die mobile Phase eingeleiteten fluidischen Probe und eine Probentrenneinrichtung zum Trennen der in die mobile Phase eingeleiteten fluidischen Probe aufweisen. Hierbei kann die mobile Phase und/oder die fluidische Probe das besagte Fluid sein. Anschaulich kann das Analysegerät als chromatographisches Probentrenngerät ausgebildet sein, insbesondere zur Flüssigkeitschromatographie oder als HPLC. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „mobile Phase“ insbesondere ein Fluid, weiter insbesondere eine Flüssigkeit verstanden, das zum Beispiel als Trägermedium zum Transportieren der fluidischen Probe dienen kann, insbesondere zwischen einem Fluidantrieb und einer Probentrenneinrichtung. Mobile Phase kann aber auch in einer Fluidfördereinrichtung zum Beeinflussen der fluidischen Probe eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die mobile Phase ein (zum Beispiel organisches und/oder anorganisches) Lösungsmittel oder eine Lösungsmittelzusammensetzung sein (zum Beispiel Wasser und Ethanol). Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „analytische Pumpe“ insbesondere eine Einrichtung zum Fördern und Bewegen von Fluid verstanden werden, der das Fluid optional auf einen erhöhten Druck bringen kann. Beispielsweise kann ein solcher Fluidantrieb eine Pumpe sein, zum Beispiel eine einstufige oder mehrstufige Kolbenpumpe. Zum Beispiel kann der Fluidantrieb als chromatografische Hochdruckpumpe ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung kann unter dem Begriff „Probentrenneinrichtung“ insbesondere ein Bauteil verstanden werden, das eine fluidische Probe trennen kann, insbesondere in Fraktionen auftrennen kann. Beispielsweise kann eine solche Probentrenneinrichtung eine stationäre Phase aufweisen, an der die Probe adsorbiert wird und durch Variation einer Lösungsmittelzusammensetzung (beispielsweise gemäß einem Gradientenprofil) fraktionsweise von der stationären Phase abgelöst bzw. desorbiert wird. Zum Beispiel kann eine Probentrenneinrichtung eine chromatografische Trennsäule sein.According to one embodiment, the analysis device can be designed as a sample separation device and have an analytical pump for driving a mobile phase and the fluidic sample introduced into the mobile phase and a sample separation device for separating the fluidic sample introduced into the mobile phase. In this case, the mobile phase and/or the fluidic sample can be said fluid. Clearly, the analysis device can be designed as a chromatographic sample separation device, in particular for liquid chromatography or as an HPLC. In the context of the present application, the term “mobile phase” means in particular a fluid, further in particular a liquid, which can be used, for example, as a carrier medium for transporting the fluidic sample, in particular between a fluid drive and a sample separation device. However, mobile phase can also be used in a fluid delivery device to influence the fluidic sample. For example, the mobile phase may contain a (e.g. organic and/or inorganic) solvent or solvent composition (e.g. water and ethanol). In the context of the present application, the term “analytical pump” can be understood in particular as a device for conveying and moving fluid, which can optionally bring the fluid to an increased pressure. For example, such a fluid drive can be a pump, for example a single-stage or multi-stage piston pump. For example, the fluid drive can be designed as a high-pressure chromatographic pump. In the context of the present application, the term “sample separation device” can be understood in particular as a component that can separate a fluidic sample, in particular into fractions. For example, such a sample separation device can have a stationary phase on which the sample is adsorbed and is detached or desorbed fractionally from the stationary phase by varying a solvent composition (for example according to a gradient profile). For example, a sample separation device can be a chromatographic separation column.
Das Probentrenngerät kann ein mikrofluidisches Messgerät, ein Life-Science-Gerät, ein Flüssigkeitschromatographiegerät, ein Gaschromatographiegerät, eine HPLC (High Performance Liquid Chromatography), eine UHPLC-Anlage oder ein SFC- (superkritische Flüssigkeitschromatographie) Gerät sein. Allerdings sind viele andere Anwendungen möglich.The sample separation device can be a microfluidic measuring device, a life science device, a liquid chromatography device, a gas chromatography device, an HPLC (high performance liquid chromatography), a UHPLC system or an SFC (supercritical liquid chromatography) device. However, many other applications are possible.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Probentrenneinrichtung als chromatographische Trenneinrichtung, insbesondere als Chromatographietrennsäule, ausgebildet sein. Bei einer chromatographischen Trennung kann die Chromatographietrennsäule mit einem Adsorptionsmedium, versehen sein. An diesem kann die fluidische Probe aufgehalten werden und erst nachfolgend bei Anwesenheit einer spezifischen Lösungsmittelzusammensetzung fraktionsweise wieder abgelöst werden, womit die Trennung der Probe in ihre Fraktionen bewerkstelligt wird.According to one exemplary embodiment, the sample separation device can be designed as a chromatographic separation device, in particular as a chromatography separation column. In the case of a chromatographic separation, the chromatographic separation column can be provided with an adsorption medium. The fluidic sample can be stopped at this and only subsequently be detached again in fractions when a specific solvent composition is present, with which the separation of the sample into its fractions is accomplished.
Ein Pumpsystem zum Fördern von Fluid kann zum Beispiel dazu eingerichtet sein, das Fluid bzw. die mobile Phase mit einem hohen Druck, zum Beispiel einige 100 bar bis hin zu 1000 bar und mehr, durch das System hindurchzubefördern.A pumping system for conveying fluid can, for example, be set up to convey the fluid or the mobile phase through the system at a high pressure, for example a few 100 bar up to 1000 bar and more.
Das Probentrenngerät kann einen Probeninjektor zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad aufweisen. Ein solcher Probeninjektor kann eine mit einem Sitz koppelbare Injektionsnadel in einem entsprechenden Flüssigkeitspfad aufweisen, wobei die Nadel aus diesem Sitz herausgefahren werden kann, um Probe aufzunehmen, wobei nach dem Wiedereinführen der Nadel in den Sitz die Probe sich in einem Fluidpfad befindet, der, zum Beispiel durch das Schalten eines Ventils, in den Trennpfad des Systems hineingeschaltet werden kann, was zum Einbringen der Probe in den fluidischen Trennpfad führt. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein Probeninjektor bzw. Sampler mit einer Nadel verwendet werden, die ohne Sitz betrieben wird.The sample separation device can have a sample injector for introducing the sample into the fluidic separation path. Such a sample injector can have an injection needle that can be coupled to a seat in a corresponding fluid path, with the needle being able to be moved out of this seat in order to take up a sample, with the sample being in a fluid path after reinserting the needle into the seat, which, for For example, by switching a valve, it can be switched into the separation path of the system, which leads to the introduction of the sample into the fluidic separation path. In another embodiment of the invention, a sample injector can be used with a needle that operates without a seat.
Das Probentrenngerät kann einen Fraktionssammler zum Sammeln der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Fraktionssammler kann die verschiedenen Komponenten der aufgetrennten Probe zum Beispiel in verschiedene Flüssigkeitsbehälter führen. Die analysierte Probe kann aber auch einem Abflussbehälter zugeführt werden.The sample separation device may include a fraction collector for collecting the separated components. Such a fraction collector can lead the different components of the separated sample into different liquid containers, for example. However, the analyzed sample can also be fed to an outflow container.
Vorzugsweise kann das Probentrenngerät einen Detektor zur Detektion der getrennten Komponenten aufweisen. Ein solcher Detektor kann ein Signal erzeugen, welches beobachtet und/oder aufgezeichnet werden kann, und welches für die Anwesenheit und Menge der Probenkomponenten in dem durch das System fließenden Fluid indikativ ist.The sample separation device can preferably have a detector for detecting the separated components. Such a detector can generate a signal which can be observed and/or recorded and which is indicative of the presence and quantity of the sample components in the fluid flowing through the system.
Figurenlistecharacter list
Andere Ziele und viele der begleitenden Vorteile von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden leicht wahrnehmbar werden und besser verständlich werden unter Bezugnahme auf die folgende detailliertere Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen. Merkmale, die im Wesentlichen oder funktionell gleich oder ähnlich sind, werden mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ein HPLC-System als Probentrenngerät mit mehreren Fluidfiltern gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
2 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Fluidfilters gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
3 zeigt eine andere Explosionsdarstellung des Fluidfilters gemäß2 . -
4 zeigt eine Querschnittsansicht des Fluidfilters gemäß2 und3 in einem montierten Zustand. -
5 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Fluidfilters gemäß einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
6 zeigt eine Draufsicht eines Fluidfilters gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. -
7 zeigt eine räumliche Ansicht eines Fluidfilters gemäß noch einem anderen exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 shows an HPLC system as a sample separation device with multiple fluid filters according to an exemplary embodiment of the invention. -
2 12 shows an exploded view of a fluid filter according to an exemplary embodiment of the invention. -
3 FIG. 12 shows another exploded view of the fluid filter according to FIG2 . -
4 FIG. 12 shows a cross-sectional view of the fluid filter according to FIG2 and3 in an assembled condition. -
5 12 shows an exploded view of a fluid filter according to another exemplary embodiment of the invention. -
6 12 shows a plan view of a fluid filter according to yet another exemplary embodiment of the invention. -
7 12 shows a perspective view of a fluid filter according to yet another exemplary embodiment of the invention.
Die Darstellung in den Zeichnungen ist schematisch.The representation in the drawings is schematic.
Bevor bezugnehmend auf die Figuren exemplarische Ausführungsbeispiele beschrieben werden, sollen einige grundlegende Überlegungen zusammengefasst werden, basierend auf denen exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung abgeleitet worden sind.Before exemplary embodiments are described with reference to the figures, some basic considerations should be summarized, on the basis of which exemplary embodiments of the invention were derived.
Herkömmliche Hochdruckfilter in der HPLC weisen dünnen Scheiben mit meist porösen Sintereinsätzen auf. Diese werden in ein massives, starres Gehäuse eingesetzt und axial durchströmt. Solche herkömmlichen Hochdruckfilter werden zwischen zwei Kapillaren montiert. Dieses ist aufwendig und erfordert ausreichend Arbeitsraum, um diese Montage zu ermöglichen. Bei der delikaten Montage bzw. Demontage besteht außerdem ein erhöhtes Risiko einer mechanischen Beschädigung der Kapillare. Die beschriebene herkömmliche Struktur eines Fluidfilters kann auch ein nicht unerhebliches Totvolumen zur Folge haben.Conventional high-pressure filters in HPLC have thin discs with mostly porous sinter inserts. These are placed in a solid, rigid housing and flowed through axially. Such conventional high-pressure filters are mounted between two capillaries. This is expensive and requires sufficient work space to allow this assembly. There is also an increased risk of mechanical damage to the capillary during delicate assembly and disassembly. The described conventional structure of a fluid filter can also result in a not inconsiderable dead volume.
Somit erfordern herkömmliche Fluidfilter eine komplizierte Montage und Installation sowie einen aufwändigen Austausch. Insbesondere kann hierfür das Handhaben von mindestens zwei Werkzeugen mit offenem Ende (zum Beispiel zwei Schraubenschlüssel) erforderlich sein. Außerdem kommen bei solchen herkömmlichen Ansätzen lange Versorgungskapillaren mit unnötig großem Totvolumen zum Einsatz. Außerdem hat ein Benutzer bei einem solchen Fluidfilter ein griffempfindliches Filterelement zu handhaben. Darüber hinaus droht die Gefahr eines schnellen Verstopfens des Filtermaterials durch ungerichtetes Anströmen. Ferner können solche Fluidfilter unter einer kurzen Lebensdauer und einem häufigen Austausch leiden.Thus, conventional fluid filters require complicated assembly and installation and expensive replacement. In particular, this may require the manipulation of at least two open ended tools (e.g. two wrenches). In addition, long supply capillaries with unnecessarily large dead volumes are used in such conventional approaches. In addition, with such a fluid filter, a user has to handle a filter element that is sensitive to the touch. In addition, there is a risk of the filter material clogging quickly due to undirected flow. Furthermore, such fluid filters can suffer from short life and frequent replacement.
Gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Fluidfilter mit einem Schichtaufbau mit vorzugsweise mehreren mikrofluidischen Strukturen zum Leiten von Fluid durch das Fluidfilter bereitgestellt. Ein an dem Schichtaufbau angeordnetes und vorzugsweise davon in Position gehaltenes Filterelement bewerkstelligt das eigentliche Filtern von Fluid, das mittels der mikrofluidischen Strukturen zu- bzw. abgeführt wird. Mit Vorteil erfolgen Zulauf und Ablauf des Fluids an nur einer gemeinsamen Seite des Schichtaufbaus, zum Beispiel an einer einzigen Stirnfläche desselben. Auf diese Weise kann ein sehr kompaktes, hochdruckstabiles und einfach handhabbares Fluidfilter geschaffen werden, das sich für viele Anwendungen eignet. Ganz besonders vorteilhaft kann ein solches Fluidfilter für ein Analysegerät zum Analysieren einer fluidischen Probe eingesetzt werden, beispielsweise in einer HPLC. Ein Fluidfilter gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel erfüllt nicht nur die anspruchsvollen Druckanforderungen einer solchen Anwendung, sondern erlaubt auch das Filtern eines Fluids (beispielsweise einer mobilen Phase), ohne hierbei die herausfordernden Anforderungen an die Flussratengenauigkeit in einer HPLC infrage zu stellen. Eine komplizierte und fehleranfällige Handhabung mehrerer Kapillaren zum Anschließen an ein Fluidfilter kann vorteilhaft vermieden werden, indem die fluidische Ankopplung des Fluidfilters an das Analysegerät oder eine andere Zielanwendung an einer gemeinsamen Seite sowohl für Zulauf als auch für Ablauf erfolgt.According to an exemplary embodiment of the invention, a fluid filter with a layered structure with preferably a plurality of microfluidic structures for conducting fluid through the fluid filter is provided. A filter element arranged on the layer structure and preferably held in position by it brings about the actual filtering of fluid that is supplied or removed by means of the microfluidic structures. Advantageously, the fluid flows in and out on only one common side of the layer structure, for example on a single end face thereof. In this way, a very compact fluid filter that is stable under high pressure and easy to handle can be created, which is suitable for many applications. Such a fluid filter can be used very particularly advantageously for an analysis device for analyzing a fluid sample, for example in an HPLC. A fluid filter according to an exemplary embodiment not only meets the demanding pressure requirements of such an application, but also allows a fluid (e.g., a mobile phase) to be filtered without compromising the challenging flow rate accuracy requirements of an HPLC. A complicated and error-prone handling of several capillaries for connection to a fluid filter can advantageously be avoided in that the fluidic coupling of the fluid filter to the analysis device or another target application takes place on a common side both for inlet and outlet.
Insbesondere kann gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ein Hochdruckfilter auf Basis einer metallischen mikrofluidischen (MMF)-Anordnung geschaffen werden, bei der das eigentliche Filtermaterial (nämlich das Filterelement) innerhalb des vorzugsweise als MMF-Struktur ausgebildeten Schichtaufbaus geschützt untergebracht ist. Vorteilhaft befinden sich darüber hinaus die Einlass- und Auslassöffnungen auf einer gemeinsamen, d.h. auf der gleichen, Seite des Fluidfilters. Dies ermöglicht eine einfache Montage durch bloßes Ansetzen der Kopplungsfläche mit Einlass- und Auslassöffnungen auf eine ebene Zielfläche eines Analysegeräts oder eines anderen Fluidverarbeitungsgerät.In particular, according to an exemplary embodiment of the invention, a high-pressure filter based on a metallic microfluidic (MMF) arrangement can be created in which the actual filter material (namely the filter element) is housed in a protected manner within the layered structure, which is preferably designed as an MMF structure. In addition, the inlet and outlet openings are advantageously located on a common, i.e. on the same, side of the fluid filter. This allows for easy assembly by merely placing the interface with inlet and outlet ports on a flat target surface of an analyzer or other fluid processing device.
Somit erlaubt ein Fluidfilter gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine besonders einfache Montage und einen ebenso unkomplizierten Austausch. Darüber hinaus kann ein reduziertes Totvolumen in Versorgungskapillaren erreicht werden. Überdies kann das Filterelement durch das MMF-Gehäuse geschützt werden. Mittels der mikrofluidischen Strukturen in dem Schichtaufbau kann eine zuverlässige Verteilung des Flüssigkeitsstroms über die verfügbare Filterfläche hinweg und damit eine längere Lebensdauer und somit ein weniger häufiger Austausch erreicht werden. Auch erlaubt die beschriebene Konstruktion des Fluidfilters eine besonders einfache Integration mit anderen fluidischen Komponenten, wie zum Beispiel Scherventilköpfen oder Pumpenköpfen.A fluid filter according to an exemplary embodiment of the invention thus allows particularly simple assembly and an equally uncomplicated exchange. In addition, a reduced dead volume in supply capillaries can be achieved. In addition, the filter element can be protected by the MMF housing. By means of the microfluidic structures in the layered structure, a reliable distribution of the liquid flow over the available filter area and thus a longer service life and thus less frequent replacement can be achieved. The construction of the fluid filter described also allows a particularly simple integration with other fluidic components, such as shear valve heads or pump heads.
Exemplarische Ausführungsbeispiele der Erfindung können eine signifikante Reduzierung der Systemkosten zum Schließen bzw. Anbringen des Fluidfilters bewirken, wenn dessen Filterelement und Schichtaufbau in einem schraubenartigen Gehäusekörper aufgenommen sind. Mit Vorteil können Flüssigkeitseingang und -ausgang an derselben Seite des Fluidfilters angeschlossen sein. Ein vorzugsweise als mehrschichtige Struktur ausgebildeter Schichtaufbau und ein daran montiertes, bevorzugt scheibenförmiges Filterelement dienen zur Bereitstellung der Flüssigkeitskanalisierung. Die Art der Flüssigkeitsverteilung zum Filterelement hin und/oder vom Filterelement weg kann spiralförmig oder in anderer Weise bewerkstelligt werden, um eine zweidimensionale Flussaufweitung des zu filternden Fluids und/oder des gefilterten Fluids zu erreichen. Somit kann ein Fluidfilter geschaffen werden, dessen Filterelement in einen Schichtaufbau (insbesondere eine mehrschichtige Struktur) eingebunden ist und einen Flüssigkeitseingang und - ausgang auf derselben Seite aufweist. Dadurch ist eine Kombination einer mehrschichtigen Anordnung mit Filtereinsatz und einer Stütz- und Verteilerstruktur (beispielsweise in Form des genannten Spiralelements) geschaffen, die mindestens auf einer Seite (vorzugsweise auf beiden gegenüberliegenden Seiten) des Filtereinsatzes angebracht ist.Exemplary embodiments of the invention can provide a significant reduction in the system cost of capping the fluid filter when its filter element and laminated construction are contained within a screw-type housing body. Advantageously, the liquid inlet and outlet can be connected to the same side of the fluid filter. A layer structure preferably designed as a multi-layer structure and a layer structure mounted thereon are preferred disc-shaped filter element are used to provide liquid channeling. The type of liquid distribution towards the filter element and/or away from the filter element can be effected spirally or in some other way in order to achieve a two-dimensional widening of the flow of the fluid to be filtered and/or the filtered fluid. A fluid filter can thus be created whose filter element is integrated into a layered structure (in particular a multi-layered structure) and has a liquid inlet and outlet on the same side. This provides a combination of a multi-layer filter cartridge assembly and a support and distribution structure (e.g. in the form of said spiral element) attached to at least one side (preferably both opposite sides) of the filter cartridge.
Eine in Schraubrichtung axiale Vorderseite eines Fluidfilters gemäß einem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann zum Anbringen des Fluidfilters an einem Analysegerät oder dergleichen ausgebildet sein. Schichtstrukturen (insbesondere Schichten) des Schichtaufbaus, vorzugsweise einschließlich eines Filterelements, können durch Kleben miteinander verbunden sein. Ein Filtereinsatz, der aus dem Schichtaufbau und dem Filterelement gebildet sein kann, kann in ein Gehäuse (zum Beispiel einen einzigen Gehäusekörper oder eine Mehrzahl von Gehäusekörpern) eingesetzt werden. Beispielsweise kann der Filtereinsatz in eine ringförmige Halterung oder einen Ring eingesetzt sein. Das Gehäuse (bzw. ein Gehäusekörper), in welches das Filterelement eingesetzt sein kann, kann durch Verschrauben (zum Beispiel zum Anschließen des Fluidfilters an einen Flusspfad) befestigt werden.A front face, axial in the screwing direction, of a fluid filter according to an exemplary embodiment of the invention may be configured for attaching the fluid filter to an analyzer or the like. Layer structures (in particular layers) of the layer structure, preferably including a filter element, can be connected to one another by gluing. A filter cartridge, which may be formed of the laminated structure and the filter element, may be inserted into a case (e.g., a single case body or a plurality of case bodies). For example, the filter insert can be inserted into an annular holder or a ring. The housing (or a housing body) in which the filter element can be inserted can be fixed by screwing (for example for connecting the fluid filter to a flow path).
Gemäß einer exemplarischen Ausgestaltung des Schichtaufbaus kann die zu filtrierende Flüssigkeit das Filterelement zunächst umgehen. Dann kann die Flussrichtung im Inneren des Schichtaufbaus umgekehrt werden, um ein Abführen des Fluids an derselben Seite des Fluidfilters zu ermöglichen wie das Zuführen des Fluids. Eine Flussverteilungsschicht (zum Beispiel mit spiralförmigen Nuten und seitlichen Einlässen) kann das zugeführte Fluid dann flächig verteilen und somit eine flächige Zuführung des zu fördernden Fluids zu dem Filterelement fördern.According to an exemplary configuration of the layer structure, the liquid to be filtered can initially bypass the filter element. Then the direction of flow can be reversed inside the layered structure to enable the fluid to be drained off on the same side of the fluid filter as the fluid is supplied. A flow distribution layer (for example with spiral-shaped grooves and lateral inlets) can then distribute the supplied fluid over an area and thus promote an areal supply of the fluid to be delivered to the filter element.
Bei dem dargestellten Analysegerät 10 treibt ein als analytische Pumpe ausgebildeter Fluidantrieb 20, der mit Lösungsmitteln aus einer Zuführeinrichtung 25 versorgt wird, eine mobile Phase durch eine Probentrenneinrichtung 30 (wie zum Beispiel eine chromatographische Säule), die eine stationäre Phase beinhaltet. Die Zuführeinrichtung 25 umfasst eine erste Fluidkomponentenquelle 113 zum Bereitstellen eines ersten Fluids bzw. einer ersten Lösungsmittelkomponente A (zum Beispiel Wasser) und eine zweite Fluidkomponentenquelle 115 zum Bereitstellen eines anderen zweiten Fluids bzw. einer zweiten Lösungsmittelkomponente B (zum Beispiel ein organisches Lösungsmittel). Ein optionaler Entgaser 27 kann die mittels der ersten Fluidkomponentenquelle 113 und mittels der zweiten Fluidkomponentenquelle 115 bereitgestellten Lösungsmittel entgasen, bevor diese dem Fluidantrieb 20 zugeführt werden. Eine Probenaufgabeeinheit 40, die auch als Injektor bezeichnet werden kann, ist zwischen dem Fluidantrieb 20 und der Probentrenneinrichtung 30 angeordnet, um eine Probenflüssigkeit oder fluidische Probe in den fluidischen Trennpfad einzubringen. Hierfür kann ein Injektionsventil 90 entsprechend geschaltet werden. Das Injektionsventil 90 kann als rotatorisches Scherventil ausgebildet sein, das eine ortsfeste Statorkomponente 172 und eine, gesteuert mittels einer Steuereinrichtung 70, rotierbare Rotorkomponente 174 aufweist. Beispielsweise kann die Statorkomponente 172 mikrofluidische Strukturen in Form von Ports aufweisen, die an die diversen Komponenten 20, 40 bzw. 30, etc., fluidisch angeschlossen werden können und die sich bis zu einer Kontaktfläche mit der Rotorkomponente 174 erstrecken können. Die Rotorkomponente 174 hat an der Kontaktfläche beispielsweise eine oder mehrere Nuten, d.h. rinnenförmige Vertiefungen, die abhängig von einer gegenwärtigen Relativorientierung zwischen Statorkomponente 172 und Rotorkomponente 174 fluidische Verbindungen zwischen jeweiligen der Ports selektiv ausbilden oder nicht ausbilden können.In the illustrated
Die stationäre Phase der Probentrenneinrichtung 30 ist dazu vorgesehen, Komponenten der Probe zu separieren. Ein Detektor 50, der eine Flusszelle aufweisen kann, detektiert separierte Komponenten der Probe, und ein Fraktionierungsgerät 60 kann dazu vorgesehen werden, separierte Komponenten der Probe in dafür vorgesehene Behälter auszugeben. Nicht mehr benötigte Flüssigkeiten können in einen Abflussbehälter bzw. in ein Waste (nicht gezeigt) ausgegeben werden.The stationary phase of the
Während ein Flüssigkeitspfad zwischen dem Fluidantrieb 20 und der Probentrenneinrichtung 30 typischerweise unter Hochdruck steht, wird die Probenflüssigkeit unter Normaldruck zunächst in einen vom Flüssigkeitspfad getrennten Bereich, eine so genannte Probenschleife (englisch: Sample Loop), der Probenaufgabeeinheit 40 bzw. des Injektors eingegeben, die dann wiederum die Probenflüssigkeit in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad einbringt. Während des Zuschaltens der zunächst unter Normaldruck stehenden Probenflüssigkeit in der Probenschleife in den unter Hochdruck stehenden Flüssigkeitspfad wird der Inhalt der Probenschleife auf den Systemdruck des als HPLC ausgebildeten Analysegeräts 10 gebracht. Steuereinrichtung 70 steuert die einzelnen Komponenten 20, 27, 30, 40, 50, 60, 90 und eine Proportioniereinrichtung 101 des Probentrenngeräts 10.While a liquid path between the
Die Komponenten des Analysegeräts 10 stromaufwärts der Probenaufgabeeinheit 40 in
Ein oder mehrere der Komponenten des Analysegeräts 10 gemäß
- -
Ein Fluidfilter 100 kann an der analytischen Pumpe 20 angebracht sein, beispielsweise auf einen Pumpenkopf der analytischen Pumpe 20 aufgeschraubt sein.Ein solches Fluidfilter 100 kann Festkörperpartikel aus einer mobilen Phase herausfiltern, die durch Abrieb beim Reziprozieren eines jeweiligen Pumpenkolbens entstehen können. - -
Ein Fluidfilter 100 kann zum Filtern von Fluid direkt stromaufwärts der Probentrenneinrichtung 30 angebracht sein.Ein solches Fluidfilter 100 kann als Vorfilter dienen, das Festkörperpartikel aus einer mobilen Phase bzw. aus einer fluidischen Probe herausfiltern kann, um die schmutzempfindliche Probentrenneinrichtung 30 zu schützen. - -
Ein Fluidfilter 100 kann zum Filtern von Fluid im Bereich des rotatorischen Fluidventils, d.h. an Injektionsventil 90 angebracht sein. Beim Schalten des Injektionsventils 90 kann es zum Erzeugen von Festkörperpartikeln kommen, die durch das dort angeordnete Fluidfilter 100 abgefiltert werden können. Mobile Phase bzw. fluidische Probe kann in diesem Bereich dadurch von Festkörperpartikeln freigehalten werden. - -
Ein Fluidfilter 100 kann zum Filtern von Fluid im Bereich einer Probennadel 120der Probenaufgabeeinheit 40 angebracht sein. Wenn die Probennadel 120 zum Aufnehmen von fluidischer Probe zwischen einem Probenbehälter und einem Nadelsitz (nicht gezeigt) verfahren wird, kann insbesondere beim Ausbilden einer fluiddichten Verbindung mit dem Nadelsitz ebenfalls Abrieb erzeugt werden. Dieser kann mittels desFluidfilters 100 abgefiltert werden, sodass mobile Phase bzw. fluidische Probe beim Durchfließen von Probennadel 120 und Nadelsitz vor einer Kontamination mit solchem Abrieb geschützt werden können.
- - A
fluid filter 100 can be attached to theanalytical pump 20, for example screwed onto a pump head of theanalytical pump 20. Such afluid filter 100 can filter out solid particles from a mobile phase, which can be caused by abrasion during reciprocation of a respective pump piston. - A
fluid filter 100 may be mounted directly upstream of thesample separator 30 for filtering fluid. Such afluid filter 100 can serve as a pre-filter which can filter out solid particles from a mobile phase or from a fluid sample in order to protect thesample separation device 30 which is sensitive to dirt. - - A
fluid filter 100 can be attached to theinjection valve 90 for filtering fluid in the area of the rotary fluid valve. When theinjection valve 90 is switched on, solid particles can be produced, which can be filtered out by thefluid filter 100 arranged there. In this way, the mobile phase or fluidic sample can be kept free of solid particles in this area. - - A
fluid filter 100 can be attached to filter fluid in the area of a sample needle 120 of thesample application unit 40 . When the sample needle 120 is moved between a sample container and a needle seat (not shown) to take up fluidic sample, abrasion can also be generated, in particular when a fluid-tight connection is formed with the needle seat. This can be filtered off by means of thefluid filter 100 so that the mobile phase or fluidic sample can be protected against contamination with such abrasion when it flows through the sample needle 120 and needle seat.
Bezugnehmend auf
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Das dargestellte Fluidfilter 100 weist einen planaren Schichtaufbau 102 auf, der aus strukturierten und miteinander verbundenen Metallfolien oder Metallplättchen aufgebaut ist. Letztere bilden als Metallschichtstrukturen vorgesehene Schichtstrukturen 112, die mittels Diffusionsbondens miteinander integral verbunden werden können. Wie in
Das besagte Filterelement 106 des Fluidfilters 100 dient zum eigentlichen Filtern des durch die mikrofluidischen Strukturen 104 fließenden Fluids zwischen Fluidzuführung 108 und Fluidabführung 110. Das Filterelement 106 kann als Sinterkörper ausgebildet sein, das aus einem unter Druck und hoher Temperatur verbundenen Metallpulver gebildet ist und Zwischenräume zum Hindurchfließen des Fluids aufweist. Festkörperpartikel hingegen finden keinen durchgehenden Weg durch das Filterelement 106 und werden daher aus dem Fluid herausgefiltert. Das Filterelement 106 kann in den Schichtaufbau 102 eingepresst werden, insbesondere in eine ringförmige Aufnahme-Schichtstruktur 128. Aufgrund seines Aufbaus ist das dargestellte Fluidfilter 100 für einen druckfesten Betrieb bis mindestens 2000 bar geeignet. Daher kann das Fluidfilter 100 vorteilhaft auch in einer HPLC zum Einsatz kommen.Said
Die bereits angesprochene Fluidzuführung 108 zum Zuführen des zu filternden Fluids und die besagte Fluidabführung 110 zum Abführen des gefilterten Fluids sind vorteilhaft an derselben Seite des Schichtaufbaus 102 angeordnet, nämlich an einer Fluidkopplungs-Stirnseite 176 des Schichtaufbaus 102 und somit des Fluidfilters 100. Fluidzuführung 108 und Fluidabführung 110 sind mit den mikrofluidischen Strukturen 104 fluidisch gekoppelt. Da Fluidzuführung 108 und Fluidabführung 110 an derselben Seite des Filterelements 100 vorgesehen sind, ist es ausreichend, zum fluidischen Koppeln des Filterelements 100 dieses an der Fluidkopplungs-Stirnseite 176 flächig mit einem Gegenstück, beispielsweise einem Analysegerät 10, zu verbinden.The
Vorteilhaft weist das Fluidfilter 100 einen beispielsweise aus einem Metall (wie korrosionsbeständigem Stahl) ausgebildeten Gehäusekörper 114 auf, die als Hohlschraube ausgebildet ist. Im Inneren des Gehäusekörpers 114 ist daher ein Hohlraum 178 gebildet, in dem der Schichtaufbau 102 und das Filterelement 106 angeordnet sind. Außenseitig ist der Gehäusekörper 114 mit einem Gewinde 116 versehen, das im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Außengewinde ist. Das Gewinde 116 dient zum Verschrauben des Fluidfilters 100 mit einem mit dem Fluidfilter 100 fluidisch zu koppelnden Fluidbauteil (nicht dargestellt in
Mit Vorteil können der Schichtaufbau 102 samt Filterelement 106 als einstückig handhabbares Bauteil auswechselbar in den Gehäusekörper 114 eingesetzt sein. Ist die Filterkapazität des Filterelements 106 erschöpft, weil das Filterelement 106 eine entsprechend große Menge von Festkörperpartikeln aus dem Fluid herausgefiltert hat, kann es ausreichend sein, das einstückig handhabbare Bauteil als Ganzes aus dem Gehäusekörper 114 zu entnehmen und durch ein unbeladenes neues einstückig handhabbares Bauteil aus Schichtaufbau 102 samt Filterelement 106 zu ersetzen. Der Gehäusekörper 114 kann dann wiederverwendet werden. Alternativ kann nach Erschöpfung der Filterkapazitäten eines Filterelements 106 auch das gesamte Filterelement 106 ausgetauscht werden, d.h. Schichtaufbau 102 samt Filterelement 106 und Gehäusekörper 114.Advantageously, the
Im Weiteren wird der strukturelle und funktionale Aufbau des Schichtaufbaus 102 bezugnehmend auf
Die Fluidkopplungs-Stirnfläche 176 bildet eine Außenseite des Schichtaufbaus 102 und wird durch eine Anschluss-Schichtstruktur 122 des Schichtaufbaus 102 gebildet. An der Anschluss-Schichtstruktur 122 sind die Fluidzuführung 108 und die Fluidabführung 110 als nach außen zugängliche Fluidschnittstellen vorgesehen. Wie am besten in
Nachdem das zu filternde Fluid durch die Fluidzuführung 108 und durch die Anschluss-Schichtstruktur 122 geführt wurde, erreicht dieses eine Lateralumleitungs-Schichtstruktur 132 des Schichtaufbaus 102. Letztere weist eine mikrofluidische Struktur 104 zum Umleiten eines Flusses des Fluids in lateraler Richtung auf, die am besten in
Nachfolgend durchfließt das zu filternde Fluid eine Zwischen-Schichtstruktur 126 des Schichtaufbaus 102. Ausgehend von den Längsnuten der Lateralumleitungs-Schichtstruktur 132 durchfließt das Fluid zwei Durchgangslöcher der Zwischen-Schichtstruktur 126. Eine weitere, in
Nach Durchfließen der radial außen gelegenen beiden Durchgangslöcher der Zwischen-Schichtstruktur 126 fließt das zu filternde Fluid durch zwei mit den besagten beiden Durchgangslöchern fluidisch gekoppelte weitere Durchgangslöcher einer Aufnahme-Schichtstruktur 128 hindurch. Die Aufnahme-Schichtstruktur 128 des Schichtaufbaus 102 weist eine zentrale Aufnahmeöffnung 130 auf, die zum Aufnehmen des Filterelements 106 in Umfangsrichtung ausgebildet ist. Das Filterelement 106 kann in die zentrale Aufnahmeöffnung 130 eingepresst und dadurch vollumfänglich in den Schichtaufbau 102 eingebettet werden. Das zu filternde Fluid umfließt das Filterelement 106 zunächst durch die beiden radial weiter außen gelegenen Durchgangslöcher der Aufnahme-Schichtstruktur 128 hindurch.After flowing through the two radially outer through-holes of the
Danach erreicht das zu filternde Fluid eine End-Schichtstruktur 124 des Schichtaufbaus 102, dessen mikrofluidische Strukturen 104 als einzige der Schichtstrukturen 112 keine Durchgangslöcher aufweisen, sondern eine Spiralnut und zwei damit fluidisch gekoppelte Fluidanschlussstellen in Fluidverbindung mit den besagten Durchgangslöchern der Aufnahme-Schichtstruktur 128. Besagte Spiralnut ist einer Hautoberfläche des porösen oder löchrigen Filterelements 106 in der Aufnahme-Schichtstruktur 128 zugewandt und damit fluidisch gekoppelt. Von der Aufnahme-Schichtstruktur 128 einströmendes, zu filterndes Fluid fließt entlang der Spiralnut radial nach innen und gelangt dadurch in zweidimensionalen Fluidaustausch mit besagter Hautoberfläche des Filterelements 106. Dadurch wird das von der Fluidzuführung 108 her einfließende Fluid vor dem Filtern mittels des Filterelements 106 einer Flussrichtungsumkehr unterzogen, nämlich gemäß
Beim Durchfließen des Filterelements 106 verbleiben etwaige Festkörperpartikel des zu filternden Fluids an dem Filterelement 106, wohingegen flüssige bzw. gasförmige Komponenten das Filterelement 106 passieren können und das gefilterte Fluid bilden. Das gefilterte Fluid fließt dann zurück durch die Zwischen-Schichtstruktur 126. An einer Hauptoberfläche des Filterelements 126, an der das gefilterte Fluid austritt, weist die Zwischen-Schichtstruktur 126 eine weitere mikrofluidische Struktur 104 zum Fördern eines flächigen Fluidaustauschs mit dem Filterelement 106 auf. Diese weitere mikrofluidische Struktur 104 ist gemäß
Das Bereitstellen einer flächig aufgeweiteten Fluidaustauschfläche an einer oder vorzugsweise beiden Hauptflächen des Filterelements 106, wie beschrieben, sorgt für eine optimale Verteilung des Fluids über die Fläche des Filterelements 116 weg. Stege zwischen den benachbarten Nutabschnitten der Flächennut (insbesondere der dargestellten Spiralnut) stützen die Oberfläche des Filterelements 106 ab und sorgen daher für eine besonders gute Druckstabilität.The provision of an areally expanded fluid exchange surface on one or preferably both main surfaces of the
Das gefilterte Fluid fließt dann durch zentrale Durchgangslöcher der Lateralumleitungs-Schichtstruktur 132 und der Anschluss-Schichtstruktur 122 hindurch und wird dadurch zur Fluidabführung 110 hin befördert.The filtered fluid then flows through central through-holes of the
Der als planare Filterbaugruppe ausgebildete Schichtaufbau ist eine MMF-Struktur, die in den als Gewindeteil ausgebildeten Gehäusekörper 114 eingebaut ist. Vorteilhaft hat das Fluidfilter 100 seinen Ein- und Auslass (d.h. Fluidzuführung 108 und Fluidabführung 110) auf einer gemeinsamen, d.h. auf der gleichen Seite. Folglich kann das Fluidfilter 100 mit dem Gewindeteil gegen eine ebene Fläche geschraubt werden kann, die einen korrespondierenden Ein- und Auslass enthält.The layered structure formed as a planar filter assembly is an MMF structure built into the
Die mikrofluidischen Strukturen 104 sind in der Anschluss-Schichtstruktur 122 so ausgelegt, dass das Fluidfilter 100 ohne das Erfordernis einer bestimmten Drehorientierung verschraubt werden kann. Im gezeigten Beispiel wird dies durch einen zentrischen Kanal und einen ihn umgebenden kreisförmigen Kanal erreicht. Zusammen haben diese mikrofluidischen Strukturen 104 ein nur geringes Totvolumen. Natürlich ist auch eine Konstruktion mit einer vorgegebenen Soll-Drehorientierung möglich, beispielsweise Nuten, Bohrungen oder andere geometrisch definierte Formen. Die Lateralumleitungs-Schichtstruktur 132 und die Zwischen-Schichtstruktur 126 bilden eine MMF-Kanalgeometrie, welche die fluidischen Kanäle um das eigentliche Filterpad, d.h. Filterelement 106, herum führt. Das Filterelement 106 kann beispielsweise als Sinterteil oder als gestapeltes Netzteil mit einer bestimmten Porengröße ausgebildet sein. Die Lateralumleitungs-Schichtstruktur 132 und die End-Schichtstruktur 124 berühren die Stirnflächen des Filterelements 106. Ferner kann eine optimale Strömung durch eine Spiral- oder Mäanderkanalstruktur der Schichtstrukturen 132, 124 erreicht werden. Die Aufnahme-Schichtstruktur 128 bildet ein radiales Gehäuse des Filterelements 106 und dient aufgrund ihres etwas größeren Durchmessers auch als mechanischer Herausfallschutz.The
Das Fluidfilter 100 hat den fluidischen Eingang und den fluidischen Ausgang auf der gleichen Seite, vorzugsweise an einer axialen Vorderseite in Schraubrichtung des als Hohlschraube ausgebildeten Gehäusekörpers 114 zum Anbringen und Schließen des Fluidfilters 100. Das funktionale Filter ist vorzugsweise ein Filtereinsatz aus dem dargestellten Schichtaufbau 102 und dem Filterelement 106 und ist aus mehreren Schichten gebildet, die das Filterelement 106) umschließen. Die einzelnen Schichten des Filtereinsatzes können vorzugsweise durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden sein, so dass sich der Filtereinsatz als integrales Teil ergibt. Der Filtereinsatz aus Schichtaufbau 102 und Filterelement 106 kann in Gehäusekörper 114 eingesetzt werden, das durch Verschrauben des Gehäusekörpers an einer Zielposition angebracht werden kann. Der Schichtaufbau 102 kann mittels MMF hergestellt werden.The
Eine nicht gezeigte Dichtungsstruktur, gegen die das Fluidfilter 100 geschraubt wird, kann zum Beispiel mit einer eingepressten Ringdichtung, mit einer adaptiven Dichtung oder mit einer gedruckten Dichtung realisiert werden.A sealing structure, not shown, against which the
Gemäß
Das Fluidfilter 100 gemäß
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Wie dargestellt, kann der Trägerkörper 160 kreuz- oder sternförmig ausgebildet sein, wobei jeder Arm 162 des Trägerkörpers 160 mit einem zugeordneten Filterelement 106 (oder mit mehreren Filterelementen 106) bestückt sein kann. Ist ein Filterelement 106, das bislang in Wirkverbindung mit dem Schichtaufbau 103 befindlich war, hinsichtlich seiner Filterkapazität erschöpft oder vollständig mit Festkörperpartikeln beladen, kann der Trägerkörper 160 gedreht werden, bis ein anderer Arm 162 mit einem anderen Filterelement 106 zu dem Schichtaufbau 102 ausgerichtet ist und somit in Wirkverbindung zu dem Schichtaufbau 102 gebracht ist. Dann kann das Fluidfilter 102 mit diesem anderen Filterelement 106 weiterbetrieben werden. Erst wenn alle Filterelemente 106 des Trägerkörpers 160 hinsichtlich ihrer Filterkapazität erschöpft sind oder vollständig mit Festkörperpartikeln beladen sind, kann der gesamte Trägerkörper 160 ausgetauscht werden oder können dessen Filterelemente 106 erneuert werden.As illustrated, the
Das Ausführungsbeispiel gemäß
Es sollte angemerkt werden, dass der Begriff „aufweisen“ nicht andere Elemente ausschließt und dass das „ein“ nicht eine Mehrzahl ausschließt. Auch können Elemente, die in Zusammenhang mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen beschrieben sind, kombiniert werden. Es sollte auch angemerkt werden, dass Bezugszeichen in den Ansprüchen nicht als den Schutzbereich der Ansprüche beschränkend ausgelegt werden sollen.It should be noted that the term "comprising" does not exclude other elements and that the "a" does not exclude a plural. Elements that are described in connection with different exemplary embodiments can also be combined. It should also be noted that any reference signs in the claims should not be construed as limiting the scope of the claims.
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 0309596 B1 [0002]EP 0309596 B1 [0002]
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-
2022
- 2022-12-29 DE DE102022134986.1A patent/DE102022134986A1/en active Pending
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