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Die Erfindung betrifft eine Fluidmoduleinheit sowie ein Fluid-Modulsystem mit mehreren baugleichen, lösbar aneinander koppelbaren Fluidmoduleinheiten sowie ein Fluidanalysegerät mit einem erfindungsgemäßen Fluid-Modulsystem.
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Insbesondere betrifft die Erfindung eine Mikro-Fluidmoduleinheit und Mikro-Fluid-Modulsysteme, die aus einzelnen Fluidmoduleinheiten aufgebaut sind, welche Abmessungen von kleiner 40 × 40 × 40 mm haben.
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Kompakte und modular aufgebaute Systeme zum Leiten von Fluiden zu verschiedenen Einrichtungen sind im Stand der Technik bekannt, ebenso wie erweiterbare Leitungssysteme, bei denen einzelne Moduleinheiten verschiedene Auslässe haben, die entweder mit einer Leitung bestückt werden oder mit einem Blindstöpsel oder einer Abdeckplatte, um den Anschluss zu schließen. Offene, mit Leitungen versehene Anschlüsse werden zumeist über Ventile geführt, die einzelne Leitungen dann öffnen oder absperren können. Die Ventile sind Zusatzelemente, welche an die erweiterbaren, eigentlich nur Leitungsabschnitte darstellenden Moduleinheiten angesteckt werden können. Ein Beispiel für ein solches Fluid-Modulsystem ist in der
EP 952 359 A1 gezeigt. Hier sind seitlich in einer Linie aneinandersteckbare und erweiterbare Module vorgesehen, die eine in der Anbaurichtung durchgehende Fluidleitung sowie seitlich von der Fluidleitung abzweigende Leitungen enthalten. Es ist eine Seitenfläche vorgesehen, in der sämtliche abzweigenden Leitungen münden. An der entgegengesetzten Seitenfläche des Moduls kann ein elektrisches Modul angeschlossen werden. An die fluidischen Module wiederum können, bei Bedarf, auch Ventile angekoppelt werden. Die Fluidmodule werden auf einer Schiene befestigt, die die Richtung vorgibt, in der das System erweitert werden kann.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine noch variablere Fluidmoduleinheit sowie ein variables Fluid-Modulsystem, insbesondere ein Mikro-Fluidmodulsystem, zu schaffen.
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Die erfindungsgemäße Fluidmoduleinheit ist mit mehreren baugleichen, lösbar aneinander koppelbaren Fluidmoduleinheiten zu einem Fluid-Modulsystem zusammensetzbar, wobei die Fluidmoduleinheit ein, vorzugsweise quaderförmiges, Gehäuse aufweist, das an mehreren Seitenflächen jeweils mindestens einen Fluidanschluss und jeweils zumindest einen elektrischen Anschluss aufweist. Im Inneren der Fluidmoduleinheit sind fluidische und elektrische Verbindungsleitungen vorhanden, welche jeweils die Fluidanschlüsse und die elektrischen Anschlüsse einer Fluidmoduleinheit miteinander koppeln. Elektrisch ansteuerbare Ventile sind innerhalb jeder Fluidmoduleinheit vorgesehen, die wahlweise eine fluidische Verbindung von einem Fluidanschluss zu einem anderen steuern.
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Die erfindungsgemäße Fluidmoduleinheit bildet in sich sozusagen bereits eine geschlossene, voll funktionsfähige Einheit, an die nicht, wie im Stand der Technik, separate Ventile oder elektrische Module angekoppelt werden müssen. Die Fluidmoduleinheit ist bereits mit elektrischen Verbindungsleitungen und elektrisch ansteuerbaren Ventilen ausgestattet, die integriert und innerhalb des Gehäuses positioniert sind. Die Ventile erlauben es, unterschiedliche Strömungswege im Inneren des Gehäuses zu schalten.
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Gemäß der bevorzugten Ausführungsform ist an allen zu einer Schaltungsebene zusammengefassten Seitenflächen zumindest ein Fluidanschluss und zumindest ein elektrischer Anschluss vorhanden. Die Schaltungsebene wird durch Seitenflächen mit Fluidanschluss definiert, was im Folgenden anhand eines Würfels erklärt wird. Ein solcher Würfel hat vier Seitenflächen sowie eine obere und eine untere Seitenfläche. Wenn die vier Seitenflächen jeweils einen Fluidanschluss und zumindest einen elektrischen Anschluss haben, so ist die waagerechte Ebene die Schaltungsebene.
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Vorzugsweise in dieser Schaltungsebene können dann auch an die Moduleinheit beliebig viele andere Fluidmoduleinheiten angekoppelt werden, sodass sich eine plattenförmige Struktur des entstehenden Fluid-Modulsystems ergibt. Im Stand der Technik nach der
EP 952 359 A1 war die Erweiterung des Modulsystems nur in einer Richtung, und zwar längs der Schiene möglich. Beim erfindungsgemäßen Modulsystem ist die Erweiterung in einer Ebene möglich, nämlich in der Schaltungsebene, in der dann zahlreiche Fluidmoduleinheiten nebeneinander und aneinander gekoppelt positioniert sind.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Erweiterung des Fluid-Modulsystems nicht nur in einer Ebene, sondern in drei Dimensionen erfolgen kann. Hierzu ist vorgesehen, dass eine außerhalb der Schaltungsebene liegende obere und/oder untere Seitenfläche der Fluidmoduleinheit zumindest wenigstens einen Fluidanschluss hat. Über diesen Fluidanschluss, vorzugsweise auch noch über einen elektrischen Anschluss, kann auf eine Fluidmoduleinheit eine andere Fluidmoduleinheit aufgesetzt und angekoppelt werden oder ein sogenanntes Funktionsmodul. Ein solches Funktionsmodul weist z. B. wenigstens einen Sensor auf, der das durchströmende Fluid in irgendeiner Weise analysiert oder beeinflusst.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn an der oberen oder unteren Seitenfläche nur ein Fluidanschluss vorhanden ist und an der anderen der beiden Seitenflächen, d. h. der oberen oder unteren Seitenfläche, sogar drei Fluidanschlüsse vorhanden sind. In jedem Fall verbinden die fluidischen Verbindungsleitungen in der Fluidmoduleinheit die seitlichen Fluidanschlüsse mit den oberen und/oder unteren Fluidanschlüssen. Wenn auf einer der beiden Seitenflächen (obere oder untere Seitenfläche) drei Anschlüsse vorgesehen sind, so können zwei Anschlüsse davon dazu verwendet werden, die Zuleitung und Rückleitung von einem angekoppelten Fluidmodul oder Funktionsmodul zu bilden. Von einem der beiden Fluidanschlüsse strömt dann das Fluid unmittelbar in das darauf aufgesetzte Modul entlang des dort vorgesehenen Sensors und wieder über den zweiten Fluidanschluss zurück in die Fluidmoduleinheit. Der optional vorgesehene dritte Anschluss ist als Bypassanschluss ausgelegt, der in eine Bypassleitung im Funktionsmodul mündet. Über dieses Bypasssystem soll das Fluid durch das Fluid- oder Funktionsmodul hindurch und entfernt und unabhängig von der am Sensor vorbeiführenden Leitung zu einem anderen Anschluss an einer anderen Seitenfläche geführt werden. Damit kann sozusagen das aufgesetzte Fluid- oder Funktionsmodul überbrückt werden und Fluid direkt zu einem weiteren Modul strömen.
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Die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die fluidischen Verbindungsleitungen alle Fluidanschlüsse einer Fluidmoduleinheit miteinander verbinden. Das bedeutet, das Fluid kann an jedem Fluidanschluss zugeleitet werden und bei entsprechender Freigabe der Ventile an jedem anderen Fluidanschluss ausströmen. Natürlich können auch mehrere Fluidanschlüsse und nicht nur zwei Fluidanschlüsse zueinander offen sein, um beispielsweise Fluide aufzuzweigen, miteinander zu vereinigen oder Fluide zu vermischen.
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Wenn die Ventile so in den fluidischen Verbindungsleitungen positioniert sind, dass sie jeden Fluidanschluss mit wahlweise jedem anderen koppeln oder unterbrechen, kann tatsächlich jeder Fluidanschluss einzeln angesteuert werden und somit jede beliebige Strömungsführung realisiert werden. Somit ist es auch möglich, dass die Verbindungsleitungen je nach Schaltung einmal in der einen und einmal in der Gegenrichtung durchströmt werden.
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Um die Leitungsführung im Inneren der Fluidmoduleinheiten möglichst zu erleichtern, bilden die Verbindungsleitungen eine erste Ringleitung, wobei von der Ringleitung zu den Fluidanschlüssen Stichleitungen vorgesehen sind.
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Darüber hinaus können die Verbindungsleitungen auch noch eine zweite Ringleitung bilden.
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Von beiden Ringleitungen gehen gemäß einer Ausführungsform Stichleitungen zu den Fluidanschlüssen der Seitenflächen einer Schaltungsebene aus, die über eigene Ventile absperrbar sind oder auch bei offenem Ventil freigegeben werden können. Hierbei ist es denkbar, dass von beiden Ringleitungen Stichleitungen zu demselben Fluidanschluss an einer Seitenfläche gehen und jede der Stichleitungen ein eigenes, separat schaltbares Ventil besitzt.
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Wenn die Fluidmoduleinheiten wenigstens einen Fluidanschluss an der oberen Seitenfläche und wenigstens einen Fluidanschluss an der unteren Seitenfläche haben, kann eine Ringleitung einem Fluidanschluss der oberen Seitenfläche und die andere dem anderen Fluidanschluss auf der unteren Seitenfläche zugeordnet sein. Damit ist es möglich, dass über die obere oder untere Seitenfläche einströmendes Fluid in der zugeordneten Ringleitung verteilt wird, um dann über die Stichleitungen zu Fluidanschlüssen an den Seitenflächen gelangen zu können oder umgekehrt. Dasselbe gilt auch für einen Fluidanschluss, der z. B. als Auslass wirkt und an der oberen und unteren Seitenfläche vorgesehen ist.
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Für viele Zwecke reicht es völlig aus, dass an jeder zum Ankoppeln einer Moduleinheit oder eines Funktionsmoduls ausgelegten Seitenfläche zumindest ein Fluidanschluss vorgesehen ist. Für andere Zwecke kann es jedoch notwendig und vorteilhaft sein, dass die Seitenflächen einer Schaltungsebene, wenn sie denn Fluidanschlüsse haben, wenigstens zwei Fluidanschlüsse besitzen und nicht nur einen.
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Bei Vorhandensein eines Ventilanschlusses an einer Seitenfläche sollte in der zugeordneten Stichleitung ein Ventil sitzen. Bei zwei Fluidanschlüssen an einer Seitenfläche sollte zumindest in einer der zugeordneten Stichleitungen ein Ventil positioniert sein. Es ist nicht zwingend notwendig, dass in der zweiten Stichleitung auch ein Ventil sitzt, denn diese Stichleitung lässt sich unter Umständen dadurch absperren, dass alle anderen zur Stichleitung führenden Leitungsabschnitte mit einem Ventil versehen sind. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die ohne Ventil ausgestattete Stichleitung über die unmittelbar angekoppelte Fluidmoduleinheit geschlossen wird, wenn nämlich die Stichleitung ohne Ventil in eine Stichleitung an der benachbarten Moduleinheit mündet, die mit Ventil ausgeführt ist oder durch angrenzende Ventile absperrbar ist.
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Wenigstens eine Seitenfläche, insbesondere die obere Seitenfläche, weist eine Koppelschnittstelle zu wenigstens einem einen Sensor aufweisenden Funktionsmodul auf. Vorzugsweise hat diese Seitenfläche wenigstens drei Fluidanschlüsse, um das Ein- und Ausströmen zum Funktionsmodul zu erlauben, sowie einen Bypass durch das Funktionsmodul selbst, wie zuvor bereits erläutert. Das Vorsehen von drei Fluidanschlüssen an dieser Seitenfläche, die die Koppelschnittstelle bildet, ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn in den Fluidmoduleinheiten auch noch optische Leitungen vorhanden sind, die in optischen Anschlüssen an Seitenflächen enden. Wenigstens eine optische Weiche ist in die Fluidmoduleinheit integriert, welche ankommendes Licht wahlweise an unterschiedliche Leitungen weiterleitet.
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Als optische Weiche sind beispielsweise bewegliche Prismen und/oder bewegliche Spiegel möglich.
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Lichtleitfasern in den Fluidmoduleinheiten, die z. B. bogenförmig verlaufen, können von der optischen Weiche ausgehen und zu Seitenflächen des Gehäuses führen, um dort optische Anschlüsse zu bilden. Die optischen Leitungen erlauben es, eine oder wenige Lichtquellen vorzusehen. Über die Lichtquellen wird das Licht in die Lichtleitfasern geleitet und ggf. dann auch in die Funktionsmodule, wo zum Beispiel das Licht quer durch eine Fluidleitung verläuft und auf einen Sensor trifft, um beispielsweise die Trübung eines Fluids zu bestimmen.
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Die Fluidmoduleinheiten sind insbesondere in Schichten aufgebaut, um ihre Herstellung zu vereinfachen. So ist eine Schicht mit Verbindungsleitungen vorgesehen und eine darüber angeordnete Schicht mit Ventilen, die die Verbindungsleitungen öffnen und schließen. Falls vorhanden, kann auch eine Schicht mit optischen Leitungen und der Weiche vorgesehen sein.
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Die bevorzugte Ausführungsform bezüglich der optischen Leitungen sieht vor, dass jede Seitenfläche mit einem Fluidanschluss auch einen optischen Anschluss besitzt.
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Die Erfindung schafft ferner ein Fluid-Modulsystem mit mehreren Fluidmoduleinheiten, die zur Bildung eines plattenförmigen Fluid-Modulsystems nebeneinander positioniert und miteinander gekoppelt sind, wobei auf wenigstens einer Fluidmoduleinheit ein Funktionsmodul aufsetzbar ist. Durch das erfindungsgemäße Fluid-Modulsystem können somit in der „Platte” beliebige Leitungsführungen erreicht werden und auf die Platte beliebige Funktionsmodule aufgesetzt werden. Von außen wird das gesamte System dann elektrisch und softwaremäßig gesteuert, indem die entsprechenden Ventile angesteuert werden, die die gewünschten Leitungsabschnitte freigeben. Das System kann beliebig erweitert werden, entweder durch weitere Fluidmoduleinheiten oder durch weitere Funktionsmodule, die dann einfach auf eine freie Fluidmoduleinheit aufgesetzt werden.
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Erfindungsgemäß hat ein Funktionsmodul als Teil des erfindungsgemäßen Fluid-Modulsystems eine an einem Sensor entlang verlaufende Leitung, die zwei Fluidanschlüsse an einer einzigen Seitenfläche miteinander verbindet, sowie optional einen dritten Fluidanschluss an der entsprechenden, mit den zuvor erwähnten zwei Fluidanschlüssen versehenen Seitenfläche, der in eine Bypassleitung übergeht, welche an einem Fluidanschluss einer anderen Seitenfläche mündet.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Fluidanalysegerät mit einem Fluid-Modulsystem nach der Erfindung, das mehrere miteinander gekoppelte Fluidmoduleinheiten sowie wenigstens ein Funktionsmodul aufweist, das einen Sensor zur Bestimmung von Fluideigenschaften aufweist. Das Funktionsmodul ist lösbar an einer Fluidmoduleinheit angekoppelt. Das erfindungsgemäße Fluidanalysegerät hat einen oder mehrere Sensoren, die in einem oder mehreren Funktionsmodulen integriert sind und die einfach auf die Fluidmoduleinheiten aufgesteckt werden können. Somit ist es möglich, ein sehr variables Fluidanalysegerät zu schaffen. Beispielsweise kann das Fluidanalysegerät jederzeit durch weitere Funktionsmodule ergänzt oder ersetzt werden, um damit zum Beispiel eine Flüssigkeit oder ein Gas auf verschiedene Eigenschaften hin zu analysieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 ein schematisches Schaltbild der fluidischen Schaltung einer erfindungsgemäßen Fluidmoduleinheit,
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2 eine Perspektivansicht einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fluidmoduleinheit, die gegenüber 1 leicht modifiziert ist,
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3 ein schematisches Schaltbild der Fluidmoduleinheit nach 1 mit einem anderen Fluidweg,
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4 ein schematisches Schaltbild einer anderen Form der erfindungsgemäßen Fluideinheit,
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5 eine schematische Perspektivansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Fluid-Modulsystems, welches als erfindungsgemäßes Fluidanalysegerät eingesetzt ist,
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6 eine schematische Seitenansicht mehrerer übereinandergesetzter erfindungsgemäßer Fluidmoduleinheiten, die ein erfindungsgemäßes Fluid-Modulsystem bilden,
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7 bis 9 verschiedene erfindungsgemäße Fluidmodulsysteme,
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10 und 11 schematische fluidische Schaltungen von erfindungsgemäßenFluidmoduleinheiten,
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12 ein fluidisches Schaltbild einer gegenüber den 10 und 11 geringfügig modifizierten Ausführungsform,
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13 eine perspektivische Schnittansicht durch eine optische Schicht einer erfindungsgemäßen Fluidmoduleinheit,
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14 und 15 Details der optischen Schicht, die in 13 dargestellt ist, und
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16 eine Schnittansicht durch eine weitere Variante einer optischen Schicht.
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In 1 ist ein fluidisches Schaltbild einer Fluidmoduleinheit, die auch in 3 dargestellt ist, gezeigt. Die Fluidmoduleinheit hat ein quaderförmiges, in 2 nur leicht angedeutetes Gehäuse 12, wobei in 2 ein Horizontalschnitt durch den oberen Teil des Gehäuses 12 gelegt ist, um besser in das Innere der Fluidmoduleinheit 10 sehen zu können.
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Im Inneren des Gehäuses 12 sind mehrere zum Teil voneinander getrennte Schichten vorhanden, welche unterschiedliche Funktionen erfüllen. Eine Schicht 14, die beispielsweise eine Art Sockelplatte bilden kann, bildet die Elektronikebene und umfasst eine Leiterplatte mit Mikroprozessoren.
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Eine Schicht 16 besteht aus einer oder mehreren Teilschichten 16', 16'' und beinhaltet zahlreiche fluidische Verbindungsleitungen, die in 1 ebenfalls dargestellt sind. Über dieser Schicht 16 sitzt eine Schicht 18 mit Ventilen 48, welche als Blöcke dargestellt sind und die Verbindungsleitungen freigeben oder schließen können. Die Schichten 16 und 18 sind damit Schichten, die für die Fluidik zuständig sind.
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Wenn die Schicht 16 aus Teilschichten 16' und 16'' besteht, ist dies für die Herstellung der später noch erläuterten Verbindungsleitungen einfacher. Die Teilschichten 16' und 16'' werden dann durch Lasertransmissionsschweißen verbunden.
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Darüber kann optional auch noch eine gegebenenfalls aus mehreren Teilschichten zusammengesetzte Schicht 22 vorhanden sein, die eine Optikschicht bildet, auf die später noch näher eingegangen wird.
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Die Fluidmoduleinheit besitzt ein quaderförmiges Gehäuse 12 mit vier Seitenflächen 24, die vorzugsweise komplett eben ausgeführt sind und die eine Schaltungsebene bilden, welche im vorliegenden Fall gemäß 2 die Horizontalebene wäre. In dieser Ebene lassen sich beliebig viele baugleiche Fluidmoduleinheiten ankoppeln. Darüber hinaus hat die Fluidmoduleinheit eine, bezogen auf 2 untere und eine obere Seitenfläche 26 beziehungsweise 28, wobei die obere Seitenfläche 28 hier nur mit einem Bezugszeichen symbolisiert ist, da das Gehäuse in 2 oben abgeschnitten ist.
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An sämtlichen Seitenflächen 24, 26, 28 sind fluidische und elektrische sowie, falls vorhanden, auch optische Anschlüsse vorhanden, die ein unmittelbares Ankoppeln einer baugleichen Fluidmoduleinheit an die Seitenflächen 24 erlauben.
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In 2 hat jede Seitenfläche 24 zwei Fluidanschlüsse 30 sowie wenigstens einen elektrischen Anschluss 32. Mit 34 sind die optischen Anschlüsse bezeichnet.
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Die Fluidmoduleinheiten 10 sind mikrofluidische Komponenten und haben eine Grundfläche von etwa 40 × 40 mm sowie eine Höhe von etwas mehr als 30 mm.
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Im Inneren der Fluidmoduleinheit 10 ist natürlich eine Verbindung zwischen den Schichten vorhanden, beispielsweise sind die elektrischen Schaltungen und Anschlüsse in der Schicht 12 auch mit den Ventilen 48 gekoppelt und mit beweglichen Teilen in der optischen Schicht 22.
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Auch die obere und die untere Seitenfläche 28 beziehungsweise 26 weisen vorzugsweise Fluidanschlüsse 36, 36', elektrische und optische Anschlüsse auf. In 2 sind die Fluidanschlüsse 36, 36' an einer oberen Seitenfläche 28 durch vertikale Verbindungsleitungen, die durch die Schichten 18 und 22 verlaufen, angedeutet.
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In 1 ist ein Schaltbild einer Fluideinheit 10 dargestellt, wobei diese Fluideinheit 10 im Vergleich zu der nach 2 pro Seitenfläche 24 nur einen Fluidanschluss 30 besitzt, ansonsten aber wie in 1 gebaut ist. Zur leichteren Unterscheidung der Fluidanschlüsse werden in der folgenden Beschreibung die Begriffe unterer, oberer, linker und rechter Fluidanschluss gewählt, die sich aber nicht auf die tatsächliche Lage im Raum, sondern auf die Ansicht nach 1 beziehen sollen.
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Die Fluidmoduleinheit 10 nach 1 hat darüber hinaus zwei Fluidanschlüsse 36, 36' an der oberen Seitenfläche 28, die als Kreis dargestellt sind, der entweder mit einem Kreuz oder mit einem kleineren Kreis gefüllt ist, um die Strömungsrichtung bezogen auf die Zeichenebene, zu symbolisieren.
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Die fluidische Schaltung besteht aus zahlreichen Verbindungsleitungen 40, wobei einzelne Teilleitungen eine Ringleitung 42 bilden. In diese Ringleitung 42 ist vorzugsweise, was jedoch nicht einschränkend zu verstehen ist, auch ein Fluidanschluss 36 der oberen Seitenfläche 28 eingeschlossen. Von der Ringleitung 42 zweigen Stichleitungen 44 zu den Anschlüssen 30 ab. Darüber hinaus verlaufen vier innere Stichleitungen 46, von der jede einer Seitenfläche 24 zugeordnet ist, zum Anschluss 36'.
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Zahlreiche Mikroventile 48 sitzen an den Verbindungsleitungen 40, und zwar vorzugsweise ein Ventil in der Ringleitung 42 zwischen benachbarten Kreuzungsstellen. Darüber hinaus sitzt in jeder inneren Stichleitung 46 ein Ventil 48.
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Bei der Ausführungsform nach den 1 und 3 sind keine Ventile in den Stichleitungen 44 vorgesehen, was deshalb nicht nötig ist, weil zum entsprechenden Anschluss 30 ausschließlich Teilleitungen führen, in denen Ventile 48 sitzen, sodass der Fluidanschluss 30 entsprechend geöffnet oder geschlossen werden kann.
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Im Folgenden wird der mit dicken Linien und Pfeilen symbolisierte Fluidfluss gemäß der Schaltung nach 1 beschrieben.
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Das Fluid strömt über den unteren Anschluss 30 gerade nach oben, über die erste Kreuzungsstelle 50 hinweg, da das entsprechende Ventil 48' geöffnet ist. Die Ventile links und rechts neben dem Ventil 48' sind geschlossen, sodass der Fluidweg im Bereich der Kreuzungsstelle 50 eindeutig vorgegeben ist. Das Fluid strömt weiter zum Anschluss 36' und verlässt die Moduleinheit aus der Zeichenebene nach oben.
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Auf die Fluidmoduleinheit 10 ist, wie später noch gezeigt wird, ein Funktionsmodul aufgesetzt, das einen oder mehrere Sensoren beinhaltet, über die Messungen am eingeleiteten Fluid vorgenommen werden können. Das Funktionsmodul hat eine entsprechende Leitungsführung, sodass das Fluid wieder nach unten über den Fluidanschluss 36 in die Fluidmoduleinheit 10 zurückströmen kann. Von dort strömt das Fluid in der Ringleitung 42 gemäß dem mit Pfeilen versehenen Weg bis zum rechten Fluidanschluss 30. Nachdem, wie hier nicht dargestellt ist, weitere baugleiche Fluidmoduleinheiten 10 links und oben (bezogen auf die Darstellung in 1) an die gezeigte Fluidmoduleinheiteinheit 10 angekoppelt sind, kann das Fluid, welches in der Ringleitung 42 an den Stichleitungen 44 des linken und oberen Anschlusses 30 vorbeiströmt, nicht einfach über den linken und den oberen Anschluss 30 nach außen ins Freie abströmen. Die entsprechenden Ventile in den angrenzenden Fluidmoduleinheiten sind nämlich geschlossen, sodass das Fluid zwar über die Stichleitungen 44 die Verbindungsleitungen des linken und oberen Fluidanschlusses 30 der benachbarten Fluidmoduleinheit 10 gelangen kann, dort aber nicht weiter strömt als bis zum nächsten Ventil, das jedoch geschlossen ist. Das Fluid verlässt die Moduleinheit 10 über den rechten Fluidanschluss 30, um z. B. in die benachbarte Fluideinheit 10 zu strömen, oder, falls diese nicht vorhanden ist, über eine entsprechende Leitung weiterzuströmen.
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Die Verbindungsleitungen 40 sind so positioniert, dass sämtliche Fluidanschlüsse 30, 36, 36' miteinander strömungsmäßig gekoppelt sind, wenn alle Ventile geöffnet sind.
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Es sind darüber hinaus so viele Ventile an entsprechenden Teilleitungen positioniert, dass es möglich ist, jeden Fluidanschluss mit wahlweise jedem anderen Fluidanschluss 30, 36, 36' zu koppeln, und zwar, wenn gewünscht, nur mit dem gewünschten aller anderen Fluidanschluss zu koppeln, oder die Strömungsführung zu diesem Anschluss 30, 36, 36' zu unterbrechen.
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Das Ankoppeln von benachbarten Fluidmoduleinheiten 10 erfolgt zum Beispiel über Steckverbindungen, Magnetverbindungen oder dergleichen. Wichtig ist, dass ein schnelles, zerstörungsfreies Lösen der baukastenartig zusammensetzbaren Fluidmoduleinheiten 10 ermöglicht wird. Die elektrischen Anschlüsse 32 werden üblicherweise über Steck- oder Federverbindungen realisiert.
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Das aufgesetzte Funktionsmodul kann, muss jedoch nicht elektrisch mit der darunterliegenden Fluidmoduleinheit 10 gekoppelt sein. Elektrische Anschlüsse 32 sind jedoch an allen, zu einer Schaltungsebene zusammengefassten Seitenflächen 24, die einen oder mehrere Fluidanschlüsse 30 haben, vorgesehen.
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In 3 ist die Fluidschaltung nach 1 noch einmal dargestellt, wobei jedoch andere Fluidanschlüsse 30 miteinander gekoppelt sind. Entsprechende Ventile sind geöffnet beziehungsweise geschlossen.
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Die Ausführungsform nach 4 ist gegenüber der in den 1 und 2 geringfügig modifiziert. Zwar ist auch hier an jeder Seitenfläche 24 nur ein Fluidanschluss 30 vorgesehen, jedoch gibt es hier zwei Ringleitungen, nämlich eine erste Ringleitung 42 (unterbrochene Linien) und eine zweite Ringleitung 52 (durchgezogene Linien). Zur oberen Seitenfläche führen nicht zwei Fluidanschlüsse 36, 36', sondern drei Fluidanschlüsse 36, 36' und 36''. Die untere Seitenfläche 26 hat nur einen Fluidanschluss 36'''. Die Fluidanschlüsse 36, 36'' und 36''' sind über innere Stichleitungen 46, in denen jeweils ein Ventil 48 sitzt, mit der ersten Ringleitung 42 gekoppelt. Der Fluidanschluss 36' ist über eine innere Stichleitung 46, in der ebenfalls ein Ventil 48 sitzt, mit der zweiten Ringleitung 52 gekoppelt. Von der zweiten Ringleitung 52 verlaufen Stichleitungen 44, in denen stets ein Ventil 48 sitzt, zu den Anschlüssen 30. Darüber hinaus führt von der Ringleitung 42 jeweils eine Stichleitung 44' zu dem entsprechenden Fluidanschluss 30, und zwar vorbei an dem Ventil 48 in der Stichleitung 44. In jeder Stichleitung 44' sitzt ebenfalls ein Ventil 48. Diese Anordnung ist für sämtliche Fluidanschlüsse 30 gleich.
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Auch bei dieser Ausführungsform, was auch für die späteren Ausführungsformen zutrifft, ist jeder Fluidanschluss 30, 36–36''' mit jedem anderen fluidmäßig miteinander verbunden, wenn die entsprechenden Ventile offen sind. Darüber hinaus, auch dies trifft für alle anderen Ausführungsformen zu, kann, wie zuvor erwähnt, über eine entsprechende Schaltung der Ventile 48 jeder Fluidanschluss 30, 36–36''' wahlweise mit jedem anderen gekoppelt oder von ihm entkoppelt sein. Natürlich können auch mehrere Fluidanschlüsse als Einlässe beziehungsweise mehrere Fluidanschlüsse als Auslässe fungieren, sodass sich Fluidströme verbinden oder ein Fluidstrom in Teilströme aufteilen kann.
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In 5 ist dargestellt, wie die Moduleinheiten 10 zu einem Fluid-Modulsystem zusammengesetzt werden können. Die rechte Fluidmoduleinheit 10 ist symbolisch als Quader mit den drei Schichten 14 (elektrische Schicht), 16, 18 (fluidische Schicht) und 22 (optische Schicht) dargestellt. Mit den drei Pfeilen links und rechts der Moduleinheit 10 sollen die Fluidanschlüsse 30, die elektrischen Anschlüsse 32 und optische Anschlüsse 34 symbolisiert werden.
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Natürlich sind entsprechende Anschlüsse 30 bis 34 auch an allen anderen Seitenflächen 24 vorgesehen. Auf jede Fluidmoduleinheit 10 ist ein zuvor schon einmal erwähntes Funktionsmodul 54 aufgesetzt, und zwar über eine Koppelstelle an der oberen Seitenfläche 28 mit entsprechenden Fluidanschlüssen. Das Funktionsmodul 54 beinhaltet einen oder mehrere Sensoren 56 (siehe 6), zur Analyse des durch das Funktionsmodul 54 hindurchfließenden Fluids. Mit 57 ist der elektrische Anschluss des Sensors 56 bezeichnet.
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Die Fluidmoduleinheiten 10 sind, wie 5 zeigt, über Seitenflächen 24 direkt aneinander gekoppelt, sodass die entsprechenden Anschlüsse und Schnittstellen beim Ankoppeln unmittelbar miteinander verbunden sind. Es ergibt sich somit ein plattenförmiges Fluid-Modulsystem, zusammengesetzt aus an ihren Seitenflächen 24 miteinander gekoppelten Fluidmoduleinheiten.
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Nicht auf jede Fluidmoduleinheit 10 muss ein Funktionsmodul 54 aufgesetzt sein, was in 5 dargestellt ist. Vielmehr kann ein Funktionsmodul 54 auch weggenommen werden oder ergänzt werden, wenn andere Funktionen gewünscht sind. Ferner muss nicht auf jede Baugruppe aus einer Moduleinheit mit aufgesetztem Funktionsmodul eine zweite Baugruppe aufgesetzt sein. 5 zeigt diese zweite Lage nur für zwei aufeinandergesetzte Baugruppen.
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Die Ventile 48 werden von außen softwaremäßig angesteuert, sodass entsprechende Leitungen freigegeben oder geschlossen werden können, um beispielsweise ein Funktionsmodul abtrennen zu können oder eines funktional anzukoppeln.
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Optional kann auch auf eine Baugruppe aus einer Fluidmoduleinheit 10 und einem aufgesetzten Funktionsmodul 54 eine andere derartige Baugruppe oder nur eine andere Fluidmoduleinheit aufgesetzt werden. Dabei hat das darunterliegende Funktionsmodul 54' optische, fluidische und elektrische Anschlüsse an der Oberseite, und das von oben aufgesetzte Fluidmodul besitzt entsprechende Anschlüsse, um die zwei würfelförmigen Baugruppen aneinander zu koppeln.
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In 6 ist zu erkennen, dass eine Leitung 60 im Inneren des Funktionsmoduls 54 von einem Fluidanschluss 36 der Fluidmoduleinheit 10 auf der oberen Seitenfläche 28 entlang des Sensors 56 wieder zurück zur Fluidmoduleinheit 10 führt, und zwar über einen weiteren Fluidanschluss 36. Bei der Ausführungsform nach 6 kommt insbesondere die Fluidmoduleinheit nach 4 zum Einsatz. Die Leitung 60 ist damit stromabwärts mit dem Fluidanschluss 36' und stromabwärts mit dem Fluidanschluss 36 gekoppelt.
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Darüber hinaus gibt es innerhalb des Funktionsmoduls 54 eine Bypassleitung 62, die mit dem Fluidanschluss 36'' gekoppelt ist und über die Fluid sozusagen an dem oder den Sensoren 56 vorbei durch das Funktionsmodul 54 hindurch in eine darüberliegende, von oben angekoppelte Fluidmoduleinheit 10 strömen kann. Auf der Unterseite der darüberliegenden Fluidmoduleinheit 10 ist die Bypassleitung 62 mit dem entsprechenden Fluidanschluss 36''' gekoppelt. Somit sind bei dieser Ausführungsform auf der oberen Seitenfläche 28 drei Fluidanschlüsse 36, 36', 36'' und auf der unteren Seitenfläche 26 ein Fluidanschluss 36''' vorhanden.
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In den 7 bis 9 sind verschiedene Fluid-Modulsysteme mit unterschiedlichen Fluidmoduleinheiten dargestellt, die alle plattenförmige Einheiten bilden, auf die Funktionsmodule aufgesetzt werden können.
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In 7 sind neun baugleiche Fluidmoduleinheiten 10 seitlich aneinander gekoppelt, um eine Platte aus 3 × 3 Einheiten zu bilden. Die im Inneren jeder Fluidmoduleinheit 10 dargestellte Ringleitung 42 sowie die Stichleitungen 44 sind nur symbolisch dargestellt. Beispielsweise ist in 7 jede Fluidmoduleinheit 10 so ausgeführt, wie dies in 1 dargestellt ist, d. h. mit einem Fluidanschluss pro Seitenfläche 24, wobei natürlich auch andere Fluidmoduleinheiten 10 verwendet werden könnten. Mit unterbrochenen Linien umrahmt ist eine der ansonsten baugleichen Fluidmoduleinheiten 10, die nach rechts aus dem Fluid-Modulsystem bildlich herausgezogen und vergrößert wird, um exemplarisch darzustellen, wie alle einzelnen Fluidmoduleinheiten 10 aufgebaut sind. Bei der Ausführungsform nach 7 hat die jeweilige Fluidmoduleinheit 10 Fluidanschlüsse 36, 36' auf der oberen Seitenfläche 28.
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Die schraffierten Vierecke in der Mitte von zwei Fluidmoduleinheiten 10 in 8 sollen symbolisieren, dass auf diese Fluidmoduleinheiten jeweils ein Funktionsmodul 54 aufgesetzt ist.
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In 7 ist zu erkennen, dass von rechts unten Fluid in das Fluid-Modulsystem einströmt, welches dann über mehrere Fluidmoduleinheiten 10 (siehe Pfeile) zum ersten Funktionsmodul 54 strömt, um wieder in die aus Moduleinheiten zusammengesetzte Platte nach unten zu strömen, um dann zum zweiten Funktionsmodul 54 (links oben dargestellt) zu gelangen und schließlich das Fluid-Modulsystem zu verlassen.
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Das dargestellte Fluid-Modulsystem bildet ein Fluidanalysegerät, das kontinuierlich von Fluid durchströmt wird und dabei Fluideigenschaften über die Sensoren in den Funktionsmodulen 54 bestimmt, z. B. den Chlorgehalt einer Flüssigkeit oder den Schwebstoffgehalt usw.
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Bei der Ausführungsform nach 8 sind andere Fluidmoduleinheiten 10 als bei der nach 7 verwendet, denn diese Fluidmoduleinheiten 10 haben auch Fluidanschlüsse an der unteren Seitenfläche 26. Hier werden zwei aus jeweils neun Fluidmoduleinheiten 10 zusammengesetzte Platten übereinandergestapelt, sodass die unten liegenden Fluidmoduleinheiten mit den darüberliegenden Fluidmoduleinheiten fluidisch, elektrisch und optisch gekoppelt sind. Diese doppelte Platte ist durch die rechts herausgezogene Einheit symbolisiert, bei der zwei nur zeichnerisch versetzte Fluidmoduleinheiten, eine mit unterbrochenen Linien, die andere mit durchgehenden Linien, übereinanderliegende Einheiten bezeichnen. Auf die obere Platte werden dann noch Funktionsmodule 54, hier drei Funktionsmodule 54, aufgesetzt. Das Fluid-Modulsystem sieht entsprechend insgesamt drei Lagen vor und nicht nur zwei Lagen wie beispielsweise bei 5.
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Durch die zwei übereinanderliegenden Platten kreuzen sich Fluidströme in Draufsicht gesehen. In Wirklichkeit sind diese Kreuzungen nicht vorhanden, vielmehr ist eine Leitung über der anderen gelegen, und zwar in den unterschiedlichen Platten.
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Bei der Ausführungsform nach 9 sind Fluidmoduleinheiten gemäß 4 miteinander gekoppelt, und zwar sieben Fluidmoduleinheiten. Die Anzahl der Fluidmoduleinheiten 10 ist aber, ganz allgemein, nicht beschränkt. Bei der Ausführungsform nach 9 sind zwei Fluidanschlüsse 30 pro Seitenfläche 24 vorhanden, sodass über dieselbe Seitenfläche 24 ein Hin- und Rückströmen von Fluid möglich ist, wie dies beispielhaft mit den entgegengesetzten Pfeilen gezeigt ist, die das linke Fluidmodul mit dem mittleren Fluidmodul in der zweiten Reihe koppeln.
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Die Ausführungsform der Fluidmoduleinheit 10 nach den 10 und 11 kann natürlich ebenfalls entsprechend den 7 bis 9 verschaltet werden. Auch hier hat jede Fluidmoduleinheit 10 an ihren Seitenflächen 54 zwei Fluidanschlüsse 30. Im Gegensatz zur Ausführungsform nach 4 sind jedoch nicht zwei Ringleitungen 42, 52 vorgesehen, sondern nur eine Ringleitung 42. Darüber hinaus ist in jeder Stichleitung 44, die zu den Fluidanschlüssen 30 führt, ein eigenes Ventil 48 untergebracht. Ebenso ist zwischen jeder inneren Stichleitung 46 von der Ringleitung 42 zu den Fluidanschlüssen 36, 36' ein Ventil 48 vorhanden.
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In den 10 und 11 sind zwei verschiedene Schaltwege dargestellt, die mit derselben Fluidmoduleinheit realisiert werden. Die Konstruktion mit den Ventilen 48 in den Stichleitungen 44, 46 kann natürlich auch erweitert werden auf eine Ausführungsform, bei der auch die untere Seitenfläche 26 mit einem oder mehreren Fluidanschlüssen versehen ist.
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Die Ausführungsform nach 12 entspricht im Wesentlichen der nach den 10 und 11, wobei jedoch jeweils ein Ventil pro Seitenfläche 24 in der entsprechenden Stichleitung 44 mit einem Kreis umrahmt ist. Diese umrahmten Ventile 48 könnten weggelassen werden, ohne dass dies funktional zu einer Änderung der Fluidmoduleinheit führen würde. Die entsprechende, dann ohne Ventil 48 ausgeführte Stichleitung 44 kann dann nämlich über ein baugleiches angrenzendes Fluidmodul geschlossen werden, ähnlich wie dies anhand von 1 bereits erläutert wurde.
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Im Folgenden wird die optische Schicht 22 näher erläutert, und zwar anhand der 2.
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In der optischen Schicht 22 sind Lichtwellenleiter 70 (siehe 2) eingebettet, die von einem Zentrum bis zu den Anschlüssen 34 führen. In der Mitte sind die Lichtwellenleiter 70 voneinander beabstandet, hier sitzt eine sogenannte optische Weiche in Form einer beweglichen Spiegeleinheit 72, welche aus Prismen und Spiegeln zusammengesetzt ist, die zum Beispiel vertikal über einen Elektromotor 74 verfahren werden kann. Da das Prisma 72 unterschiedliche Abschnitte hat, die eine unterschiedliche Reflexion oder unterschiedliche Lichtdurchgänge besitzen, sowie eine Oberseite mit einer Pyramide, kann von jedem Lichtwellenleiter 70 ankommendes Licht zu jedem anderen Lichtwellenleiter, je nach Schaltstellung, gelangen. Darüber hinaus ist auch noch ein zentraler, vertikaler, nicht gezeigter Lichtwellenleiter 70 vorgesehen, der eine Koppelung nach oben zulässt. Ferner kann auch noch ein zur unteren Seitenfläche 26 reichender Lichtwellenleiter vorgesehen sein. Dafür würde an der Unterseite der Spiegeleinheit eine weitere Pyramide positioniert.
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Die optische Schicht 22 besteht aus mehreren Teilen, die in einen Spritzgusskörper eingebettet sind, indem sie entweder umspritzt oder in diesen eingeklebt werden. Auch können mehrere Spritzgussteile zur leichteren Fertigung hergestellt und miteinander verbunden werden (siehe z. B. Verbindungsfläche 20 in 13).
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In den 13 bis 15 ist eine weitere Ausführungsform der optischen Schicht 22 zu sehen, bei der die optische Weiche über einen oder mehrere bewegliche Spiegel 80 realisiert wird. Derartige Spiegel, die elektrisch ansteuerbar sind, werden beispielsweise in der Lasertechnik oder Bildschirmtechnik verwendet. Der Spiegel 80, auch Scannerspiegel genannt, sitzt horizontal im Bereich des unteren Endes der optischen Schicht 22. Nach einem gewissen Spaltraum 82 sind oberhalb desselben mehrere Anschlüsse 34 für Lichtwellenleiter 70 vorgesehen. Die Lichtwellenleiter 70 verlaufen bogenförmig zu den jeweiligen Seitenflächen 24 sowie linear zu der oberen Seitenfläche 28. Formschlüssige Koppelungsteile 86 sind in die optische Schicht 22 eingebettet und erlauben eine optische Koppelung an eine benachbarte Fluidmoduleinheit.
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Alternativ zu den gebogenen Lichtwellenleitern 70 können gemäß 16 vier Spiegel 100 vor die vier horizontal verlaufenden Lichtwellenleiter 70 positioniert werden, die das Licht aus der horizontalen Ebene auf den Scannerspiegel 80 ablenken bzw. das Licht vom Scannerspiegel 80 kommend wieder in die horizontale Ebene spiegeln, so dass es in einen anderen Lichtwellenleiter 70 einkoppelt. Dadurch treten zwar höhere Verluste durch die weiteren Spiegelungen auf, allerdings keine Verluste durch die Krümmung der Lichtwellenleiter.
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Zwischen den Anschlüssen 34 und dem Spiegel 80 kann ein optisches Prägeteil 88 vorhanden sein, das mehrere linsenartige Abschnitte aufweist, um das einfallende Licht zu bündeln und durchzulassen. Alternativ können Einzellinsen eingesetzt werden. Die Anschlüsse 34 als separate Teile 86 auszuführen, ist nur eine Option. Alternativ hierzu können die Anschlüsse 34 auch weggelassen werden, sodass das Licht direkt stirnseitig den Lichtwellenleiter 70 verlässt oder in ihn eindringt (siehe 14).
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Über den beweglichen Spiegel 80 wird über einen Lichtwellenleiter 70 ankommendes Licht zu einem anderen Lichtwellenleiter 70 reflektiert (siehe 14). Das Licht kann auch in die darüberliegende Fluidmoduleinheit geleitet werden, siehe 15, wobei die darüberliegende Fluidmoduleinheit natürlich auch durch ein Funktionsmodul 54 ersetzt werden kann.
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Durch die Lichtwellenleiter 70 und die optische Weiche ist es beispielsweise möglich, Licht von einer oder wenigen zentralen Lichtquellen beliebig innerhalb des Fluid-Modulsystems zu lenken. Dieses Licht kann beispielsweise verwendet werden, um in einem Funktionsmodul gegenüberliegend eines Sensors aus einem Anschluss auszutreten, um durch das Fluid hindurchzugehen. Der Sensor erfasst dann das durchtretende Licht, um beispielsweise eine Aussage über die Trübung des Fluids oder dergleichen treffen zu können.
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Durch die Erfindung lassen sich miniaturisierte Fluidanalysegeräte zusammenstellen oder, allgemeiner, Fluid-Modulsysteme, beispielsweise um ein kontinuierliches Durchflussmesssystem zusammenzustellen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 952359 A1 [0003, 0008]
