TW201636753A - 用來設定可預先決定的體積流的流量調節器及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種用來設定一流體(F)之可預先決定的體積流(VS)的流量調節器(1)，其包含一第一感測器(SF1，SP1)，用來決定該流體(F)的一第一流動參數(KF1，KP1)的第一實際數值(IW1)、一預壓力調節器(pre-pressure regulator)(2)，用來設定在該預壓力調節器(2)的一預壓力出口(22)處的一可預先決定的預壓力(PV)、以及一迴轉泵形式的調節泵(3)。就此而言，該流體(F)可在設備壓力(PA)的操作狀態下經由一流入管線(20)及一預壓力入口(21)而被引導至該預壓力調節器(2)且可在該預壓力(PV)下經由一設置在該預壓力出口(22)和該調節泵(3)之間的流動連接管線(4)而被進一步引導至該調節泵(3)。它的特徵在於，該預壓力出口(22)以流動連通的方式經由該流動連接管線(4)被連接至該調節泵(3)的一高壓連接管線(31)，該連接的方式讓該流體(F)可從該預壓力調節器(2)被供應至該調節泵(3)而且可再被引導離開該調節泵(3)經由一低壓連接管線(32)進入一流出管線(5)，其中該調節泵(3)的轉速可在使用一取決於該第一流動參數(KF1，KP1)的該第一實際數值(IW1)的第一所想要的數值(SW1)之下以 一種一抵抗該預壓力(PV)的限制壓力(PB)可被該調節泵(3)產生的方式用一調節控制器(6)來加以設定，該設定的方式讓該流體(F)的該可預先決定的體積流(VS)可被設定於該流出管線(5)內。此外，本發明亦關於一種設定一可預先決定的體積流(VS)的方法。

Description

用來設定可預先決定的體積流的流量調節器及方法
本發明係關於一種依據本案獨立請求項的前言內容之用來在一流動系統內設定一流體之可預先決定的體積流的流量調節器及方法。
用來在一流動系統內設定一可預先決定的體積流的流量調節器在現有技術領域中已知有許多不同的設計。在現有技術領域中經常被使用的構造為了更瞭解本發明而被示意地例示於圖1中。為了要區別本發明和現有技術的解決方案，依據圖1-2的習知的解決方案的元件符號帶有單引號(’)，而依據圖3a-8c之本發明的實施例的特徵的元件符號則沒有單引號。
用來在一流動系統100’內設定一流體F’之可預先決定的體積流VS’的流量調節器1’的習知的構造包含一貫流(through-flow)感測器SF1’形式的感測器SF1’，用來決定該流體F’的流體流KF1’的實際數值IW1’。該流量調節器1’進一步包含一預壓力調節器2’，用來在該預壓 力調節器2’的一預壓力出口22’處設定一可預先決定的壓力PV’、以及一調節泵3’，其中在操作狀態時，該流體F’可經由一流入管線20’及一預壓力入口21’被供應至該預壓力調節器2’且可在該預壓力PV’下經由設置在該預壓力出口22’和該調節泵3’之間的流動連接管線4’被進一步引導至該調節泵3’。該預壓力出口22’以流體連通的方式經由該流動連接管線4’被連接至該調節泵3’的一低壓連接管線32’，該連接的方式讓該流體F’可從該調節泵3’的該預壓力調節器2’被供應且可再被引導離開該調節泵3’經由一高壓連接管線31’進入到流出管線5’。該調節泵3’的轉速可根據該流體流KF1’的第一實際數值IW1’在使用一所想要的數值SW1’及/或使用該調節泵3’的一所想要轉速數值DI’下由一未被示出的調節控制器來加以設定，該設定的方式讓和該預壓力PV’以一類似方式合作的一放大壓力PVST’可被該調節泵3’產生，使得該流體F’的該可預先決定的體積流VS’可被設定在該流出管線5’內。
就此而言，該流體F’在設備壓力PA’下於操作狀態中被供應至該流入管線20’，其中該設備壓力PA’實際上經常或多或少地受到顯著的壓力及/或貫流變動，其應以儘可能地好的方式於一大範圍內被該流量調節器1’調整及/或該體積流VS’應被設定，使得該所想要的預定決定的體積流VS’出現在該流出管線5’內。
就此而言，流量調節器1’的一整個系列的其它實施例實際上是已知的，例如，感測器SF1’是壓力感 測器SF1’的實施例及/或多個感測器可被設置在流路的不同位置的實施例。就此而言，該預壓力調節器2’是一減壓單元且尤其是可以是一手動式壓力調節器、一氣動式壓力調節器、一電動式壓力調節器、一比例閥或一不同的適合的減壓單元。
例如，一阻斷閥SOV’或液壓限制元件HB’可非必要地經常被設置在依據圖1的此構造中，其功能對於熟習此技藝者而言是已知的且在瞭解本發明上幾乎沒有任何重要性。
以舉例的方式被示意地示於圖1中且代表現有技藝的習知流量調節器1’的一個主要的問題在於該預壓力調節器2’通常是被動式的預壓力調節器2’且當單獨對使用時，其主要是以P調節器來實施。
此一習知的被動式預壓力調節器2’係參考圖2被示意地示出。
就此而言，應特別指出的是，依據圖2的該預壓力調節器2’在一特別偏好的方式中亦可被設置在依據圖3a-圖8c的本發明的流量調節器1中，因為除了其它的事情之外，依據本發明的流量調節器1畢竟是首次可靠地去除已知的預壓力調節器2’所產生的缺點，這將在下文中在本發明的詳細描述的架構下予以詳細的說明。
依據圖2的該預壓力調節器2’(它的圖式應被理解為只是示意圖且是用於此類型或類似類型的所有已知預壓力調節器的例子)是所有P調節器的例子且在此例子 中被設計為一P調節器且包含一外殼G’，其具有一控制室SK’和一調節室RK’。該流體F’經由該預壓力入口21’在設備壓力PA’下被供應至該控制室SK’，其中一調節活塞K’被一設置在該控制室SK’內的壓力彈簧F’預先載入。如可從圖2清楚看到的，該供應至該控制室SK’，其中一調節活塞K’透過一調節桿RS’被有效地連接至一彈性薄膜M’，使得該供應至該控制室SK’，其中一調節活塞K’可藉由一作用在該彈性薄膜M’上之可預先決定的調節力RKR’相對於該壓力彈簧F’的彈簧力被放置，致使該控制室SK’的一有效的貫流表面FEF’可被設定，該設定的方式讓該流體F’在該預壓力出口22’處的預壓力PV’及/或該貫流可被設定為該可預先決定的體積流VS’。以此方式，該控制室SK’主要形成一控制器及一調節閥。如果該調節力RKR’被提高，則該預壓力PV’即變得更高，如果該調節力RKR’被降低，則該有效的貫流表面FEF’和該預壓力PV’相同地亦以相應的方式被降低。
除此之外，只要該流體F’是實質不可壓縮的流體(譬如，例如，水、油、漿液、血液或一不同的實質不可壓縮的液體)，該體積流VS’在整個該流動系統中及在該預壓力調節器2’之前及之後都是實質相同的。
此一比例調節器(P調節器)有一連串的缺點，如長久以來為熟習此技藝者所熟知的缺點。作為一道地的P調節器，除了該薄膜M’之可能存在的滯後現象(hysteresis)，該調節器沒有記憶。這表示作為一道地的P 調節器，該調節器永遠都對目前的輸入參數(調節力RKR’)作出反應，而沒有考量到調節路徑先前的歷史或調節偏差的速度。這表示作為一道地的P調節器，該調節器沒有整體部分(integral portion)也沒有差異部分(differential portion)。
此外，該薄膜M’(相對於其彎折行為)在壓力進展(pressure progression)方面經常具有或多或少之極明顯的滯後現象，使得對於一完全相等的調節力RKR’而言，並不能保證一完全相等的力會一直作用在該調節活塞K’上及/或在該壓力彈簧F’上。因為該薄膜M’受到滯後現象，所以例如會發生該薄膜M’會受到和先前的歷史相關的某些與生俱來的張力，該與生俱來的張力例如抵消一部分的該調節力RKR’或添加至該調節力RKR’，這取決於該薄膜M’之剩餘的與生俱來的張力是作用在哪個方向而定。很自然地，這具有極負面的影響，尤其是在調節極小的體積流VS’及/或極小的預壓力PV’時，因為尤其是在此例子中，作用在該調節活塞K’上的力量的小偏差將導致相對大的體積流VS’的偏差。
熟習此技藝者所習知且和剛剛討論的問題有關的一個更嚴重的缺點是圖2的該預壓力調節器2’具有一分辨度(resolution)，其中當被設定的體積流VS’愈小及/或出現在該預壓力入口21’的設備壓力PA’愈小時，該分辨度對於小的體積流VS’及/或小的被導入的設備壓力PA’就會變差。除此之外，如熟習此技藝者所習知的，此等被動 式調節器在整個調節範圍內一直都有一些調節上的偏差。
熟習此技藝者所習知的此一缺點以及其它缺點很自然地負面地影響了由預壓力調節器2’及調節泵3’所構成的該習知的流量調節器1’的調節行為。就此而言，不單單是該預壓力調節器2’要對該習知的流量調節器1’的缺點負責任。依據圖1的組件亦包括某些在原則上無法藉由此一構造來加以避免的缺點。
因此，例如已經提到的，對於相對小的體積流VS’及/或相對小的設備壓力PA’而言，該體積流VS’只能用大的不確定性來調節，且在最差的情形中，對於極小的體積流VS’或對於極小的設備壓力PA’而言，體積流VS’就完全無法被調節。而且，該預壓力PV’及/或該體積流VS’無法被調節至零。尤其是，該體積流VS’的流動方向很自然地亦無法被逆轉。
其原因實際上是很清楚的。該調節泵3’原則上只可能提高該體積流VS’而無法降低體積流VS’，這因而只能用和該預壓力PV’相同的方式進一步提高壓力。這表示，該調節泵3’的轉速愈大，該體積流VS’就愈可被增加至某一可能的最大值。如果與此相反地，該調節泵3’的轉速被進一步降低的話，則該體積流VS’被放大得愈來愈少，直到它在一泵的一定值(standstill)不再被放大為止，且其只取決於該設備壓力PA’及/或該預壓力調節器的設定及影響。
當該相對小的體積流VS’被設定時，依據圖1 的該習知的流量調節器1’的調節行為持續地只受到該預壓力調節器2’的影響以及以此方式亦受到上文討論到的缺點的影響。
但是，對於不是太小也不是太大(這表示是在一中等調節範圍內)的體積流VS’而言，該習知的流量調節器1’具有不利的特性。因此，它只能以一不足的方式來反應快速偏差，尤其是較大的體積流VS’的偏差，因為調節泵3’只能對突然增加的體積流VS’及/或對突然提高的預壓力PV’反應，該調節泵3’的轉速會因此被降低，這表示該體積流VS’的放大被調節泵3’弱化。然而，該調節泵3’不能主動地減小體積流VS’及/或該預壓力PV’。這導致一或多或少的非線性調節行為且經常導致該習知的流量調節器1’的一至少稍微不穩定的調節行為，尤其是在中等程度的體積流VS’範圍(即，不是接近於零也不是接近最大體積流VS’的上限的體積流VS’範圍)內。
綜言之，依據圖1的該習知的流量調節器1’具有顯著的缺點，尤其是在和實際使用相關的調節範圍內，亦即在小的體積流VS’及/或小的設備壓力PA’的範圍內，以及在中等調節範圍內(將被調節的系統多數時間是在此範圍被操作)具有顯著的缺點，這些缺點是原理上的缺點且無法例如藉由簡單的改變及/或校準方式來改正。
因此之故，本發明的目的是要提供一種可以 改正現有技術領域中習知的流量調節器的缺點的流量調節器。該流量調節器特別是在小的體積流或在小的預壓力時可確保在流體系統中一足夠可靠的調節行為，尤其是，藉由此流量調節器，該體積流亦可被精確地調節至零。此外，它亦能夠額外地將該流動系統中的該體積流的流動方向逆轉並確保(亦適用於中程度的體積流)一可靠的及/或實質線性的調節行為。此外，本發明的流量調節器可藉由依據本發明更換流動系統的一些構件來將現存的流動系統翻新改造，使得現存的工廠不必完全地或部分地更新就能享用依據本發明的新的流量調節器的好處。就此而言，該流量調節器在特殊的例子中應被建構成使得化學上或物理上高度侵犯性的液體的體積流或生物上或醫學上高度敏感性的體液的體積流或高純淨的液體的體積流都可在不受該流量調節器的負面影響下毫無問題地被調節。
從製程工程的觀點或從設備觀點來看滿足此目的之本發明的發明主體的特徵在於各範疇之獨立項申請專利範圍所界定的特徵。
各申請專利範圍依附項係關於本發明的特別有利的實施例。
依據本發明，一種用來設定一流體之可預先決定的體積流的流量調節器，包含一第一感測器，用來決定該流體的一第一流動參數的第一實際數值、一預壓力調節器，用來設定在該預壓力調節器的一預壓力出口處的一可預先決定的預壓力、以及一迴轉泵形式的調節泵。該流 體可在設備壓力的操作狀態下經由一流入管線及一預壓力入口而被引導至該預壓力調節器且可在該預壓力下經由一設置在該預壓力出口和該調節泵之間的流動連接管線而被進一步引導至該調節泵。依據本發明，該預壓力出口以流動連通的方式經由該流動連接管線被連接至該調節泵的一高壓連接管線，該連接的方式讓該流體可從該預壓力調節器被供應至該調節泵而且可再被引導離開該調節泵經由一低壓連接管線進入一流出管線，其中該調節泵的轉速可在使用一依據該第一流動參數而定的第一實際數值下以一種一抵抗該預壓力的限制壓力可被該調節泵產生的方式用一調節控制器來加以設定，該設定的方式讓該流體的該可預先決定的體積流可被設定於該流出管線內。
對於本發明而言很重要的是，該預壓力調節器的該預壓力出口係以流體連通的方式經由該流動連接管線被連接至該調節泵的該高壓連接管線，使得該流體可從該預壓力調節器被供應至該高壓連接管線，而不是連接至該調節泵的低壓連接管線。這表示該調節泵不像現有技術一般如同一用來增加體積流及/或提高預壓力的放大器般地作用，而是該調節泵在操作狀態中產生一抵抗該預壓力的限制壓力，使得該流體的該可預先決定的體積流可被設定在該流出管線內、以及該體積流被該調節泵減小而不是像在習知技藝中般地被增加。因此之故，該流體較佳地是在一提高的入口壓力及/或設備壓力下供應至依據本發明的流量調節器及/或該流量調節器，尤其是，該調節泵及/ 或該預壓力調節器為了這些要求而被相應地設計。或者，簡言之，該調節泵係對抗來自該預壓力調節器的體積流來進行抽泵，而不是如同習知技藝的流量調節器般地連同該體積流一起抽泵。
藉此，有史來首次可以充分可靠地確保在一流動系統中的體積流的調節行為，尤其是用於小的體積流或小的預壓力的調節行為，其中該體積流甚至可被調節為接近零，而且，如果有需要的話，原則上甚至可將該流動系統內的該體積流的流動方向逆轉。而，對於中等程度的體積流而言，一可靠的及/或實質線性的調節行為亦可透過使用依據本發明的流量調節器來確保。
此外，原則上可藉由用一不同的適當的調節泵(其可依據本發明在逆流(counter-flow)模式下操作)來取代該調節泵或更換該調節泵來簡易地將現存的流動系統翻新成依據本發明的流動系統，使得現有的工廠無需被完全地更新就可享受依據本發明的新的流量調節器的好處。應被瞭解的是，在此例子中，該調節的控制器在實施時可能必須相對應地被改變，在一些例子中必須被相應地更換。
該預壓力調節器的可能的負面特性可藉由使用依據本發明的調節泵而被儘可能地抵消掉這也是可能的。或者，考慮到依據本發明的流量調節器，預壓力調節器的特性和依據本發明的流量調節器之間的相關性低於和習知技藝的流量調節器的相關性，因為依據本發明的流量調節器不僅僅是被更可靠地穩定，且可被更快速地穩定至 該被預定決定的所想要的數值。這是因為該調節泵對抗該體積流進行抽泵，因此一種以兩個處理參數彼此對抗的系統被建立，其可被更佳地穩定至一想要被穩定的預定數值。上述被提到之兩個彼此對抗的處理參數就此而論是由流入該流量調節器的設備壓力所產生的體積流，其透過該限制壓力被該調節泵抵消，而不是與之合作。
除此之外，這亦表示依據本發明的流量調節器不只更可靠及更確實地作用，還可用更簡單的方式組裝且更有成本效益地獲得，例如非常簡單的預壓力調節器、例如簡單的機械式P調節器可被使用且以此方式可以不須要通常使用的很貴的電子式PI或PID調節器，這些調節器不只很貴，而且推論的結果(inference)是它們通常比設計簡單之耐用的機械式P調節器更敏感。
如將於下文中詳細說明的，在實施時，一完全磁化的迴轉式泵可較佳地被用作為一調節泵，藉由該調節泵，該化學上或物理上高度侵犯性的液體或例如生物性或醫療性高度敏感的液體的體積流或高純淨的依液體的體積流可毫無問題地在該流量調節器不會負面地影響此等液體下以有利的方式被調節。
關於依據本發明的流量調節器的一較佳的實施例，該第一感測器是一貫流感測器且該第一流動參數將該流體的流體流特徵化，其中在一額外的或替代的不同的實施例中，該第一感測器是壓力感測器且該第一流動參數將該流體中的一第一流體壓力特徵化。或者，簡言之，特 是在使用壓力感測器或使用貫流感測器或在一些情況下，該調節泵亦在使用一不同的適當感測器下被控制及/或調節；其中在實施時會需要對該等測量參數進行一適當的校準，然而，這通常對於熟習此技藝者不會造成任何特別的困難。
就此而論，該第一感測器例如可被設置在位於該流出管線的該調節泵的低壓連接管線的下游處及/或該第一感測器很自然地亦可例如被設置在介於該預壓力調節器和該調節泵之間的流動連接管線。該等感測器之用於實施的一些可能的變化力將參考附圖以舉例的方式於下文中更詳細地說明。
一額外的泵可根據要求而例如進一步被設置在流出管線，尤其是一用來提高壓力的迴轉式泵可被設置來作為一增壓泵(booster pump)，藉由該增壓泵，該流體的體積流可進一步被提高到必要的程度。然而，該增壓流亦例如可被設置在該預壓力調節器的前方，使得有關該壓力調節器的該設備壓力可在一被提高的壓力下透過該預壓力入口被提供，藉此，不只該體積流可被增加，在某些情況下，該調節特性亦可被進一步改善。
為了進一步改善本發明的流量調節器的調節特徵，至少一第二感測器可被設置在位於該流出管線內的該額外的泵的下游處，用來決定該流體的一第二流動參數的一第二實際數值，使得該額外的泵的轉速可在使用一依據該第二流動參數的該第二實際數值的第二所想要的數值 下被一額外的控制器控制及/或調節，使得該流體的該可被預先決定的體積流可被設定在該流出管線中。就此而論，該第二感測器例如可以是一第二貫流感測器並用來設定該體積流，該調節控制器和該額外的控制器可以訊號導通(signal conducting)的方式被並聯地連接至該第二貫流感測器，用以讀入該第二實際數值，其中該調節控制器和該額外的控制器可被並聯地饋入一共同的所想要的數值。
在另一實施例中，該第二感測器可以是一第二壓力感測器且用來設定該體積流，該調節控制器和該額外的控制器可以訊號導通的方式被並聯地連接至該第二貫流感測器，用以讀入該第二實際數值，使得該調節控制器和該額外的控制器可被並聯地饋入一共同的所想要的數值。
為了設定該預壓力，該預壓力調節器例如可以是一主動式或被動式預壓力調節器，尤其是其亦可以是一受該第一感測器及/或該第二感測器影響的一主動式預壓力調節器。就此而論，該預壓力調節器亦可被設置在流入管線及/或在該流動連接管線及/或在該流出管線，且可以一訊號導通方式被連接至該主動式預壓力調節器，使得該預壓力可被主動地設定。
如在此技術領域中所習知的，該預壓力調節器在實施時可以是一減壓單元，尤其是一手動式壓力調節器、一氣動式壓力調節器、一電動式壓力調節器、比例閥或一不同的適合的減壓單元。
雖然依據本發明的流量調節器的調節泵原則上可用何迴轉式泵來實施，但一特別的迴轉式分泵種類將於下文中加以描述，這些迴轉式泵是被一所謂的無軸承馬達(bearing-free motor)所驅動，無軸承馬達可為極特殊的應用及/或高敏感性液體的輸送提供特殊的好處，這些應用及/或液體將於下文中被參照，這些特殊的迴轉式泵在傳統的迴轉式泵的店家是買不到的。
此一特殊的旋轉泵或迴轉式泵(例如，已分別在EP 0860046 A1及在EP 0819330 A1中揭露者)包含一外殼及一被設置在該外殼內的泵輪，其中該泵輪包含一被動的、有磁性的轉子部分且該外殼被一定子包圍，該定子具有電線圈及齒，其以一種該定子和該轉子部分合作成為一所謂的無軸承馬達的方式被配置、建構及控制。
藉由以本發明的方式使用一無軸承馬達，該泵的轉子部分的三個自由度可被主動地控制，且該轉子部分在一垂直於轉動軸延伸的平面內在x及y方向的位置以及一在圓周方向上作用於該轉子部分上的扭力這兩者可藉由電線圈的一相對應的控制來預先界定。
就此而論，該轉子部分和該定子的齒例如可相對於彼此以一種從幾何形狀的觀點來看相互配合的方式來建構及配置，使得該轉子部分可藉由被動地施加磁阻力(reluctance force)來相對於三個其它不可主動地控制的自由度被保持在該定子內，致使該轉子可在該外殼內被驅動且以飄浮的方被無接觸式地配置。在本文中可看出此配 置的一個好處是，該轉子相對於一垂直該轉動軸延伸的平面的位置可被主動地控制，使得一可控制的扭力可作用在該轉子上且致使該轉子的位置可藉由被動地施加磁力來相對於該三個其它不可主動地控制的自由度被保持在該定子內的一穩定的位置。
就此而論，該迴轉式泵例如係以一軸流泵(axial pump)或一離心式泵的形式被建構，其中該轉子被相應地建構成一軸流泵的軸輪或一離心式泵的離心輪。該磁性地作用的轉子部分(其可以是該軸流泵或該離心式泵的一構件)只藉由該被動地施加的磁力即可被保持在該轉動軸的方向上及/或在該軸方向上。因此之故，該定子和該轉子部分被建構成使得作用在該轉子上的一足夠大之被動地施加的磁力被產生以用於該迴轉式流或轉子泵的操作。這可透過該轉子部分和該定子部分的磁性作用的構件的一相對應的設計及幾何形狀配置來達成，例如，其中該定子部分的齒在軸方向上具有和該轉子部分大致相同的高度以及該轉子部分的直徑被設計成它在軸方向上的高度的至少兩倍大，這表示它是一“扁平的轉子部分”。被動地作用在軸方向上的磁力可被該定子以及該轉部分的一永久磁鐵偏向力(bias)進一步增加。在軸方向上的該保持力可被額外的軸承設備進一步增加，例如一被該抽泵液體形成及/或支撐之流體動力地作用的軸承。此外，被發現是有利但並不是絕對必要的是提供一作用於軸方向上的機械式軸承設備，其係作為一緊急軸承設備，用來在及極大的軸向 力下將該轉子部分保持在一特定的位置。
一已被成功地使用多年的無軸承馬達被熟習此技藝者理解為是一種可電控制的軸承及驅動設備，其包含一轉子，以及一具有電磁線圈的定子。該無軸承馬達的轉子可根據已知的電子機械原理來驅動，這表示係依據一同步馬達、一磁阻馬達或一電感馬達之設定的模式來驅動。該無軸承馬達的轉子至少在一垂直於轉動軸的平面內被磁作用力無接觸式地保持於該定子內。電磁線圈可用一種該轉子在一垂直於該轉子的轉動軸的平面內的位置可被主動地影響的方式來加以控制。該轉子的位置係用感測器來監視且電磁線圈係用一被相應地設計的控制設備以可調整的方式來控制，致使該轉子相對於該垂直於該轉子的轉動軸延伸的平面被無接觸地保持在該定子內。再者，一扭力可透過該定子的電磁線圈的一相對應的控制而被產生在該轉子處，使得轉子經歷繞著其軸方向的軸的轉動。此一俗稱的無軸承馬達因而可控制一轉子的三個自由度，亦即在x及y方向上的位置、以及繞著其自身的軸的轉動。一具有這些特性的無軸承馬達可被建構成不同的結構形狀。
此一無軸承馬達例如可被建構成一磁阻馬達，其中該轉子例如係以交叉的方式被建構，且該定子是由多個延伸在徑向上且被配置在該轉子的周圍的圓周方向上之可電獨立地加以控制的線圈構成。這些線圈較佳地是可控制的，使得該轉子係相對於一垂直於該轉動軸延伸的平面以一飄浮的方式被保持且該轉子可進一步以繞著其轉 動軸轉動的方式被驅動，其中一旋動磁場(magnetic rotary field)是由線圈產生。
然而，一無軸承馬達例如亦可被建構成類似於一同步馬達，其中該轉子具有一延伸在徑向上的永久磁鐵且該定子具有一旋轉磁場線圈(其亦被稱為一驅動線圈)，用來產生一旋轉磁場，其以轉動方式驅動該轉子繞著其轉動軸旋轉。此外，該定子可具有一分離的控制線圈，用以控制該轉子在一垂直於轉動軸延伸的平面內的位置，其中該轉子及/或該磁通量的位置是用感測器來決定且該控制線圈係透過一控制設備來控制，使得該轉子在垂直於該定子的軸線延伸的平面內係以無接觸的方式被保持在該定子內。
以相應於此一無軸承馬達被建構且被建構成一軸流泵或一離心式泵的一迴轉泵或旋轉泵特別適合用於輸送高純淨的、高侵犯性的、高爆炸性或高毒性的流體及液體且同樣地特別適合作為一血液泵。
因為該無接觸式的貯藏(storage)，所以該轉子可例如以極高的轉速被操作，使得即使是構造尺寸極小，該旋轉泵仍具有高輸送效能。此一旋轉泵的另一應被看到的好處是，該轉子亦可在轉速係隨時間而變的情形下被操作且該流體甚至可以脈衝的方式被輸送，這另一方面也意謂著此一泵可用很快的方式被調整，例如該流動系統中的快速壓力變化可藉由此一包含了依據本發明的流量調節器的泵而毫無困難地被調整。該轉子的轉速可被自由地控制 於靜止和極高轉速之間，致使該旋轉泵相對於被輸送的流體量有很大的機動性且極小力的流體和極大量的流體這兩者都可被輸送，藉此，一依據本發明之具有極高的調節機動性及精確性的流量調節器被額外地正面影響。
然而，透過使用一無軸承馬達，不只依據本發明的流量調節器的調節特性被極正面地影響。如文中提到的，植基於無軸承馬達的原理的圓形泵在特別好的方面特別適合輸送敏感性或高純淨的液體，譬如，例如血液，其和不同種類的生物或科技液體一樣亦是一種以特別敏感的方式和機械特性發生反應。
因此，對於敏感性液體(譬如，血液或高純繼的藥學、生物或化學產品)而言，污染物必須無完全無失誤地被避免。污染物例如可以軸承潤滑劑或機械式磨損的形式發生於傳統的機械式軸承中且會導致該流動系統中的流體的污染。
如果該流動系統例如是用來支援人類或動物血液流路(blood circuit)的心室支援系統的話，這表示是一由血液泵、插管及入口所組成的流動系統，其例如在一形成用於心臟的分流道(bypass)的手術期間或是在一長時期應用中被提供來作為一弱化的心臟的緩解裝置，則貫流的量(這是指血液的體積流)是一極為關鍵的系統參數，它必需被持續地監視且必需藉由適當的控制來很靈敏地調節。關於此一流動系統中的不同面向，血液的一可預先決定的體積流的設定是一特別關鍵的挑戰。
例如，如果阻塞及/或一局部的強大機械負荷發生在該心室支援系統的話(例如，在該流動系統內的一泵的葉輪(impeller)和外殼之間的血液被壓擠)，則會造成紅血球的破壞或壓碎或血液的沉積及/或殘留的結果，在最壞的情況中甚至會發生血液栓塞，這將會對病患造成極度的危險，譬如血栓、血管閉塞甚至是血管破壞，且在最差壞的情況中造成病患的死亡。
使用無軸承馬達作為該泵的驅動器完全排除了此一風險，因為該泵的轉子自由地飄浮於該外殼內，且沒有機械式的軸承存在，因此之故，液體的壓碎實際上被排除掉了。
該調節泵、該額外的泵以及該等連接管線的全部或一部分、該壓力調節器、及甚至可能是依據本發明的流量調節器的該等感測器或其它構件亦可被建構成一次性使用的部件或可拋棄式產品。
在此申請案的架構中的一次性使用的部件或可拋棄式產品被理解為是一種只被使用一次且在單次使用之後不清洗也不消毒或以任何形式回收的部件，而且在其用於一特殊的目標應用之一次性使用之後不會再次被使用，且通常在其一次性使用之後被拋棄。當該流量調節器被用於高純淨的液體或用於敏感性液體(譬如，高純淨的藥學液體、生物液體或醫療液體)時，該流量調節器或該流量調節器的一些構件被特別有利地建構成一次性使用的產品或可拋棄式產品。尤其是，當交叉污染必須被絕對性 地防止時，該流量調節器已用於一第一液體一次的構件不被允許再被使用於一第二流體及/或當清潔、消毒或以一般方式恢復相關構件會導致大量的勞力及成本需求時，這在技術上不明智的及/或在經濟上是不可行的。
如在此技藝中具有一般技術者所習知的，該等一次性使用的部件、一次性使用的產品或可拋棄式產品(這些用語在本申請案的架構中應被理解為同義詞)，因為它們例如經常被使用在生物反應器設備(bioreactor plant)中(如，依據EP 1087010 A1)或不同的設備特別佳地是用便宜的材料(譬如，例如適合的，尤其是生物相容的及/或具成本效益的塑膠)，譬如例如聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯(PVC)、或聚碳酸酯，其可被很便宜地加工，如使用射出模製處理等。較不適合的是昂貴的含氟聚合物，譬如PTFE或PFA。就此而論，不僅僅因為其價高成為其缺點，其為多孔性材料的事實亦是其缺點，譬如例如氟酸會在該等含氟聚合物的珈瑪射線消毒時被產生。除了所有種類的塑膠之外，熟習此技藝者亦知道許多適合製造一次性使用的產品之不同的便宜材料。此外，使一次性使用的產品亦必須經常被消毒，其在實施時經常有利地使用放射性珈瑪射線、熱、化學方法或此技術領域中具有通常知識者已知的不同的方法來實施。這表示所使用的材料很自然地必須能夠在相應的引人入勝的材料處理中至少存活一次次而不受損壞。在另一方面，一次性使用的部件或一次性使用的產品是非必要的，但其特徵經常被描繪成它們對相應 的消毒方法只能存活一次而沒有損壞，使得它們變成不可再此使用。因此，至對於一可拋棄的部件及/或一次性產品亦是一明確的特性。一次性使用的產品亦是用一種消毒過的方師來包裝且以此方式被送交給客戶。與此相反地，用相對較貴的材料製造且被設計用於多次消毒的構件不應被理解為是一次性使用的產品。
在依據本發明的流量調節器(尤其是該調節泵或該額外的泵)被建構成一次性使用的泵及/或其部件被建構成一次性使用的部件。藉此，尤其是需要人力及花費的該消毒工作因為該等部件只被使用一次，未來不會再使用到而被免除掉。
關於一特別有利的實施例，該調節泵或該額外的泵的一次性使用的部件製造成一次性使用的泵的形式且是用塑膠製成，因為該等部件可例如藉由已被廣泛地提到的射出模製處理來便宜地且高度可靠地製造。
就此而論，該一次性使用的泵較佳地包含一泵外殼，其被設置了一泵輪、以及一分開的驅動定子，該泵外殼和設置於其內的該泵輪可一起被導入該驅動定子。就此而言，包含設置於其內泵輪的該泵外殼被建構成一次使用的部件。此實施例在此範圍內是特別有利的，因為所有“被污染的部件”(亦即該泵外殼(內壁)以及設置於其內的該泵輪可根據應用以一種簡單的類型及方式交換且在勞力及成本(驅動器的電力供應等等)方面需求更大的部件可為了下一個應用被保留且可被再使用，且不會有任何既有形 式的污染的風險。此外，該電子驅動器不只代表該泵之科技要求最多的部件，而且從經濟觀點來看也是該泵最關鍵的部件。然而，它並不需要被更換，而是只有較不關鍵的泵外殼及設置於其內的泵輪被更換。
關於此實施例的一進一步有利的發展，永久磁鐵被設置在該泵輪內，該等永久磁鐵和該驅動器定子所產生的電磁場一起確保該泵輪的驅動。
當然，一用來驅動該調節泵或該額外的泵的無軸承馬達不僅僅如使用一次性使用的產品的例子中所建議是有利的。其它的例子可被發現結合特殊的工業處理。例如，在半導體工業中且在晶片製造期間存在該一要求，用以處理基材表面，例如，用於電子構件的製造之晶圓的表面，用受控制的方式使用懸浮液(suspensions)來處理它們的表面。就此而言，一個很重要的例子是化學機械研磨處理(CMP，化學機械平坦化、晶圓的淨化及/或蝕刻或用溶劑去除光阻(fotolack)，亦被稱為聚合物移除)，譬如它們使用在半導體工業中。
上述提到的處理液體的體積流的可靠的設定在實施該等處理之相應的設備中扮演一重要的角色。
而且，就此而言，使用該被描述的無軸承馬達作為依據本發明的流量調節器的該調節泵及/或該額外的泵的驅動器具有許多重大的好處。因為沒有機械式的軸承存在，所以機械式軸承會被物理或化學侵犯性液體(譬如，漿液、顏料、酸、鹼)或其它侵犯性液體攻擊及/或破 壞的風險亦不存。
然而，該等泵亦特別適合用於上述高純淨的液體，因為不會有磨損出現在軸承中且不會有被潤滑的軸承軸出現，將被抽泵的液體會受到它們的污染。這些只是明顯有利於一被無軸承馬達驅動的泵的一些顯著的例子，其與使用於依據本發明的流量調節器中之習知的、被傳統地支撐的泵相反。
就此而言，該調節泵及/或該額外的泵被建構成一迴轉式泵且特別有利地被建構成一離心式泵或一軸流泵或側通道泵(side passage pump)或斜流泵(diagonal flow pump)或一不同的迴轉式泵。
本發明亦有關於一種用依據本發明的流量調節器來設定可預先決定的體積流的方法。
1‧‧‧流量調節器
100‧‧‧流動系統
F‧‧‧流體
VS‧‧‧體積流
SF1‧‧‧第一(貫流)感測器
IW1‧‧‧第一實際數值
KF1‧‧‧第一流動參數
2‧‧‧預壓力調節器
PV‧‧‧預壓力
22‧‧‧預壓力出口
3‧‧‧調節泵
PA‧‧‧設備壓力
20‧‧‧流入管線
21‧‧‧預壓力入口
4‧‧‧流動連接管線
31‧‧‧高壓連接管線
5‧‧‧流出管線
32‧‧‧低壓連接管線
6‧‧‧調節控制器
SW1‧‧‧第一所想要的數值
PB‧‧‧限制壓力
SP1‧‧‧第一(壓力)感測器
KP1‧‧‧第一流體壓力
7‧‧‧額外的泵
8‧‧‧額外的控制器
SF2‧‧‧第二(貫流)感測器
SP2‧‧‧第二(壓力)感測器
IW2‧‧‧第二實際數值
KF2‧‧‧第二流動參數
KP2‧‧‧第二流動參數
SW2‧‧‧第二所想要的數值
U‧‧‧轉速
303a‧‧‧軸流泵
309‧‧‧外殼部件
307‧‧‧定子
309a‧‧‧縮窄區域
309b‧‧‧縮窄區域
307b‧‧‧齒
307f‧‧‧齒
302‧‧‧轉子
302a‧‧‧軸輪(葉輪)
301‧‧‧環形永久磁鐵(轉子部分)
301a‧‧‧轉子護套
301b‧‧‧葉片
301c‧‧‧中間部件
30A‧‧‧軸方向
308a‧‧‧繞組
308b‧‧‧繞組(線圈)
308c‧‧‧繞組(線圈)
308d‧‧‧繞組(線圈)
308e‧‧‧繞組(線圈)
308f‧‧‧繞組(線圈)
303b‧‧‧離心式泵
302b‧‧‧離心轉子
3099‧‧‧離心泵部件
30101‧‧‧泵入口開口
30102‧‧‧泵出口開口
303a‧‧‧軸流泵
307z‧‧‧迴返核心
307c‧‧‧齒
307d‧‧‧齒
307e‧‧‧齒
1’‧‧‧流量調節器
100’‧‧‧流動系統
F’‧‧‧流體
VS’‧‧‧體積流
SF1’‧‧‧貫流感測器
IW1’‧‧‧實際數值
KF1’‧‧‧液流
2’‧‧‧預壓力調節器
PV’‧‧‧預壓力
22’‧‧‧預壓力出口
3’‧‧‧調節泵
PA’‧‧‧設備壓力
20’‧‧‧流入管線
21‧‧‧預壓力入口
4’‧‧‧流動連接管線
31’‧‧‧高壓連接管線
5’‧‧‧流出管線
32’‧‧‧低壓連接管線
SW1’‧‧‧所想要的數值
PVST’‧‧‧放大壓力
DI1’‧‧‧所想要的轉速值
SOV’‧‧‧阻斷閥
G’‧‧‧外殼
SK’‧‧‧控制室
RK’‧‧‧調節室
K’‧‧‧調節活塞
RD’‧‧‧調節桿
M’‧‧‧彈性薄膜
RKR’‧‧‧調節力
FEF’‧‧‧貫流表面
在下文中，本發明將藉由參靠示意圖來加以詳細的描述。這些圖包含：圖1是現有技術的流量調節器；圖2是習知的一被動式預壓力調節器；圖3a是依據本發明的一具有貫流感測器的流量調節器的第一較佳實施例；圖3b是依據圖3a之具有壓力感測器的第二實施例；圖4a是依據本發明的一流量調節器的一部同的實施例，其具有一在該調節泵前方的貫流感測器； 圖4b是是依據圖4a之具有壓力感測器的另一實施例；圖5a是一具有一增壓泵及兩個壓力感測器的實施例；圖5b是依據圖5a之具有一壓力感測器及一貫流感測器的第二變化例；圖5c是依據圖5b之一不同的變化例；圖6a是一實施例的另一變化例，其具有一增壓泵且調節器被並聯地耦接；圖6b是依據圖6a的實施例的一第二變化例，其具有一壓力感測器；圖7是依據本發明的該流量調節器的貫流vs.轉速的示意圖；圖8a是一穿過一軸流泵的示意縱剖面圖；圖8b是一穿過一離心式泵的示意縱剖面圖；圖8c是一穿過依據圖8a或圖8b的軸流泵或離心式泵的定子及磁作用轉子的剖面圖。
圖1及2係關於習知技術以用來更瞭解本發明且其已被詳細描述，因此不需要在此時此地作進一步的討論。
圖3a示意例示地顯示一流動系統100的一特別佳的且同時是一簡單的實施例，其具有依據本發明的流 量調節器，其整體於下文中以元件符號1來標示。
此技藝中具有通常技術者瞭解的是，在不同的圖中被標示相同的元件符號的所有特徵係分別相關於一類似的技術意涵，因此並非所有功能上或技術上的義意都必須在不同的圖式的描述中分別一再地加以重復。在此技術領域中具有通常知識者當然知道他可以如何將一個圖式中的一個技術細節的描述以類似的方式轉移至另一圖中。
依據圖3a，一用來在一流動系統100內設定一流體F之可預先決定的體積流VS的流量調節器1包含一第一感測器SF1，用來決定該流體F的一第一流動參數KF1的一第一實際數值IW1、一預壓力調節器(pre-pressure regulator)2，用來設定在該預壓力調節器2的一預壓力出口22處的一可預先決定的預壓力PV、以及一迴轉泵形式的調節泵3。就此點而言，該流體F在設備壓力PA的操作狀態下經由一流入管線20及一預壓力入口21而被引導至該預壓力調節器2且在該預壓力PV下經由一設置在該預壓力出口22和該調節泵3之間的流動連接管線4被進一步引導至該調節泵3。依據本發明，該預壓力出口22以流動連通的方式經由該流動連接管線4被連接至該調節泵3的一高壓連接管線31，該連接方式讓該流體F可從該預壓力調節器2被供應至該調節泵3而且可再被引導離開該調節泵3經由一低壓連接管線32進入一流出管線5。
這是本發明和習知技術的流量調節器1’之間 的一重要的差異，這亦是本發明遠優於習知技術的原因，因為藉由依據本發明的流量調節器1可獲得一更高精確度的調節，尤其是，吾人可用一夠精確的方式調節接近於零的體積流VS且如果有必要的話，該體積流VS在該流動系統100內的流動方向甚至可被逆轉。
為了設定該可預先決定的體積流VS，該調節泵3的轉速可在使用一取決於該第一流動參數KF1的該第一實際數值SW1之下以一種一抵抗該預壓力PV的限制壓力PB可被該調節泵3產生的方式用一調節控制器6來加以預先設定(如圖中的調節泵的箭頭PB所標示)，其方式使得該流體F的該可預先決定的體積流VS可被設定於該流出管線5內。關於圖3a的該特定的實施例，該第一感測器SF1是第一貫流感測器且該第一流動參數KF1界定該流體F的流體流KF1。
該預壓力調節器2的調節的一剩餘的偏差主要是透過該調節泵3的貫流調節來加以消除且在該流動系統100的出口的體積流VS可被向下調節至一接近於0l/min的數值。依據本發明的該流量調節器1具有一極高的貫流調節範圍、一高的調節動態(dynamic)且對於該供應系統的設備壓力PA的壓力偏差是極堅固耐用的(robust)。
圖3b的特定實施例只稍微不同於圖3a的實施例，該第一感測器SP1是一第一壓力感測器SP1及該第一流動參數KP1描繪的是流體F的第一流體壓力KP1的 特徵。此領域中具有通常知識者可輕易地理解的是，原則上不同於貫流感測器或壓力感測器的其它感測器亦可被使用，只要其測量參數可被適當地轉換以用於該調節泵3的可靠的控制及/或調節即可。就此點而言，該預壓力調節器2的調節的一剩餘的偏差主要可透過具有依據圖3b的組件之調節泵3的壓力調節來加以消除且在該流動系統100的出口的壓力可被向下調節至一接近於0巴(bar)的數值。一高度動態的調節以及對於該供應系統的設備壓力PA的壓力偏差的高度堅固耐用性額外地描繪了依據圖3b的實施例的特徵。
實際上，該流體F一直都是一實質不可壓縮的流體，譬如例如水、油、用來研磨半導體晶圓的漿液(slurry)、醫療或生物液體，譬如例如血液、或任何其它實質不可壓縮的液體。
原則上，就此點而論，並未排除亦可使用依據本發明的流量調節器1來設定一或多或少可壓縮的流體F的體積流VS。然而，這須要額外的措施、此領域中具通常知識者所習知的措施(譬如，感測器測量值的校正、使用不同的感測器及/或額外的感測器等等)來校正控制及/或調節。除此之外，本發明並不侷限於使用不可壓縮的流體，雖然實際上這將會是本發明的主要應用領域。
尤其是，在實質不可壓縮的流體F的例子中，在流體感測器被設置在該流動系統內時，不可壓縮的流體通常並未扮演重要的角色，因為在不可壓縮的流體位 於一沒有用於流體的額外的入口或出口的封閉式流動系統100內的例子中(例如，用於該流體之中間儲槽或不同的流體源或水池的形式)該體積流必須從頭到尾都一樣。當然，典型的小的效應除外，譬如，導因於快速的壓力偏差或類此者或該系統內不同的相對快的流動的延遲效應，此領域中具通常知識者知道如何設計該調節。
一壓力感應器原則上亦可被設置在該流動系統的不同位置。此領域中具通常知識者必需只考量位置的控制或調節的校準。
因此之故，依據圖4a及/或圖4b的特定實施例實際上亦可在沒有額外的麻煩下被實施。圖4a及/或圖4b和圖3a及/或圖3b只有稍微不同，圖4a的貫流感測器SF1被設置在該預壓力調節器2和該調節泵3之間，而在圖3a中的該貫流感測器SF1則被設置在該調節泵3的下游處。與此類似地，在圖4b中，該第一壓力感測器SP1被設置在該預壓力調節器2和該調節泵3之間，而在圖3b的實施例中，該第一壓力感測器SP1被設置在該調節泵3的下游處。
圖5a、圖5b及圖5c分別顯示一實施例的進一步變化，其具有一額外的泵7，其具有將壓力加大之增加泵的功能，其中該額外的泵7和該調節泵3的控制係分別使用用於該調節泵3的調節控制器6及用於該額外的泵7的額外的控制器8分別透過自己的感測器SP1、SF1及SP2、SF2分開地實施。就此點而言，一各自的第二感測 器SF2、SP2被設置來決定該流體F在該額外的泵7的下游的流出管線5處的第二流體參數KF2，KP2的一第二實際的數值IW2，使得該額外的泵7的轉速可在使用一取決於該第二流動參數KF2，KP2的該第二所想要的數值SW2之下用該額外的控制器8來控制及/或調節使得該流體F的該可預先決定的體積流VS可被設定至該流出管線5內的該被預先決定的數值。
依據圖5a-圖5c的這些及類似的變化實施例係為了實際上的特殊要求而被想出來的。因此，依據圖5a的實施例特別適合在該流動系統100的出口處的壓力必須以極精確的方式被調節的應用，尤其是當很小且快速在0巴附近快速消失中的(vanishing)壓力必需用高分辨度加以可靠地控制及/或調節時。與此相反地，依據圖5b及/或依據圖5c的變化實施例特別適合同時用於一理想的壓力及貫流設定。就此點而論，除了相關於該壓力的一極高分辨度的調節之外，依據圖5b的變化實施例還相關於在該流動系統100的出口處的一消失中或幾乎消失的體積流VS被以一極高的調節精確度予以額外地最佳化。除了相關於體積流VS的一極良好的調節分辨度之外，依據圖5c的變化實施例同時還確保一高分辨度的調節，尤其是相關於在該流動系統100的該出口處的一消失中的或幾乎消失的壓力的調節。
圖6a及圖6b分別顯示具有一增壓泵的實施例的進一步變化，其中在此例子中，用於該調節泵3的該 調節控制器6及用於被建構成一增壓泵的該額外的泵7的該額外的控制器8被並聯地耦接且只有被共同使用的感測器SF2，SP2中的一者的測量資料被饋入，其中在依據圖6a的實施例的例子中，該第二貫流感測器SF2被用作為感測器，其中在依據圖6b的實施例的例子中，該第二壓力感測器SP2被用作為感測器。
同樣關於依據圖6a及圖6b的實施例，如上文中解釋過的，該預壓力調節器2的調節的剩餘偏差可藉由該調節泵3的貫流調節來去除掉。而，尤其是關於依據圖6a的例子，在該流動系統的該出口處的體積流可被調節至一接近於或剛好是零(達到0l/min)的消失中的體積流或甚至是一被逆轉的體積流，依據圖6b的變化實施例特別適合將該流動系統的出口處的壓力向下調節至一接近於或剛好是零(達到0巴)的消失中的壓力。這兩個實施例的變化亦具有一高的調節動態(dynamic)且對於供應系統的設備壓力PA的偏差極度地堅固耐用。
就這點而言，這兩個變化實施例透過和該調節泵3並聯地切換的該額外的泵7而受益於控制變數的擴大，其中關於依據圖6a的變化實施例，一所想要的體積流差異會產生壓力且關於依據圖6b的變化實施例，該供應系統的設備壓力PA的一所想要的值會在該所想要的差異上產生壓力。
參考圖7，依據本發明的流量調節器1的許多好處可用一另人印象深刻的方式被呈現。圖7示意地顯示 貫流vs.結合了預壓力調節器2的調節泵3的轉速的曲線圖，其中依據本發明，該調節泵3受到該預壓力調節器2的設備壓力PV。橫座標是以任意單位(in arbitrary units)被應用的體積流VS，縱座標是以任意單位被應用的該調節泵3的轉速U。三條曲線分別代表在該流動系統100中該流體F的三個不同的預壓力值P1、P2、P3，其中P3>P2>P1為真。圖7的曲線圖顯示出依據本發明的流量調節器1的行為的特徵，且因為橫座標和縱座標是以任意單位來應用且壓力值P1、P2及P3沒有以較詳細的方式界定，因此圖7的圖式對於流量調節器1的所有實施例而言原則上是真的。
可從圖7中清楚地看出來的是，對於一固定的壓力P1、P2或P3而言，體積流VS愈小，則該泵的轉速U愈大。根據期望，該泵必須在最大的壓力P3而不是在較低的壓力P1及P2下以最高的轉速操作，用以將體積流VS降低至零。
應指出的是，在依據圖7的圖中，該調節泵3的零轉速(靜止不動)是在此圖的上邊界處，這和典型的圖式相反，這表示轉速U向下朝向橫座標的方向是增加。
就此點而言，對於圖中以A及B圈出來的區域應特別加以注意。
區域A描繪依據本發明的流量調節器1用於小的體積流及/或一消失中的體積流VS的調節行為特徵。在較小的及/或消失中的體積流VS的範圍內的絕佳的調解 分辨度及動態可被看出來。可清楚地看出來的是，在區域A內需要相對大的調節泵3轉速的改變，用以只發生相對小的體積流VS的改變。這相當於在此體積流範圍內的轉速的一相當高的調節分辨度。這是本發明和此技藝中習知的流量調節器1’(它在小的體積流VS’的範圍內的調節分辨度一直以來都很差)之間的重大差異中的一者，亦即，習知的流量調節器1’在消失中的體積流VS’的範圍內的調節一直都很差且最終完全無法調節。
但在圖7的曲線圖中被標示為區域B的中等體積流VS的範圍內，依據本發明的流量調節器1相對於該習知的流量調節器1’顯示出一顯著優越的行為。可清楚地看出來的是，該體積流VS與該調節泵3的轉速U的改變以一幾近線性的方式反應，這在此範圍內當然是特別想要的，因為以此方式，該調節泵3的轉速U的改變將導致該體積流VS一幾近成正比的改變。
圖8a示意地顯示一穿過一軸流泵的縱剖面圖，其中圖8a只是以舉例的方式提出且是此領域中具通常知識者所習知的許多變化的所有類型的軸流泵的代表。圖8a的該調節泵3(它是一被建構成軸流泵303a的迴轉泵)包含一外殼部件309，其具有縮窄的區域309a，309b。一定子307被設置在該外殼309的外面，在圓周方向上包圍該外殼，該定子具有延伸於徑向上的齒307b，307f。這些齒307b，307f以一種一外殼區段位於齒307b，307f的尖端和該外殼309的內部空間之間的方式位 在介於該外殼部件309的護套之間的尖端處，使得該外殼309的內部空間和該定子307完全分開來。具有齒307b，307f的該定子307是由鐵磁材料製成。齒307b，307f被線圈308b環繞，其中線圈308的總數被示出。被建構成一軸輪(其亦被稱為葉輪(impeller))302a的轉子302被設置在該外殼309內。在該被示出的實施例中，該軸輪302a被建構成一在徑向上被磁化之環形的永久磁鐵301，其被一包含塑膠的轉子護套301a包圍。被建構成流體動力地延伸的葉片(vane)301b以及一相對於該軸輪302a延伸於軸方向30A上的中間部件301c被配置在該磁作用的轉子部分301的圓形凹部內。葉片301b在該轉子護套301a上延伸在該軸方向30A上突出至該轉子護套301a面向定子307的外表面。葉片301b和該中間部件1c一起形成一適合產生軸流的葉輪，其中該葉輪有利地具有一儘可能地大的直徑，用以產生一大的抽泵效能。有利地，葉片301b不只被配置成延伸於該轉子部分301的內徑內，而且還如圖1所示地在該轉子護套301a上以突伸出的方式於軸方向30A上延伸至外殼309的壁的附近區域。藉此，幾乎整個外殼309的內部空間的直徑都被用於該葉輪的配置及/或該流體F的輸送。該轉子護套301a以及葉片301b和中間部件301c以及外殼309是用非鐵磁性材料製成的，譬如塑膠、金屬(譬如，鈦)、陶瓷或生物相容材料(譬如，聚碳酸酯)。該軸輪302a藉由磁作用的轉子部分301透過磁作用力被該定子307以無接觸的方式保持在該外殼309 內，一作用在該轉子部分301上的扭力可被產生，用以迴轉地驅動該軸輪302a繞著該轉動軸30A轉動。分別用來決定該軸輪302a和該轉子部分301的位置的位置感測器未被示出。這些位置感測器較佳地被配置在外殼309的外面或在該外殼309的護套內，用以用無接觸的方式來測量該轉子部分301的位置或磁流。例如，一渦電流感測器、一電感式感測器或一具有永久磁鐵的霍爾效應元件皆適合位置感測器的測量原則。該軸輪302a在一大致垂直於該轉動軸30A延伸的平面內的位置可透過配置在該定子307內的繞組308a，308b，308c，308d，308e，308f的一相對應的控制以無接觸的方式來加以控制。該等繞組包含一驅動線圈(其例如具有磁極配對數量為p)及一控制線圈(其具有磁極配對數量例如為p+1或p-1)。
圖8b示意地顯示一通過離心式泵的縱剖面圖，其中圖8b只是以舉例的方式提出且是此領域中具通常知識者所習知的許多變化的所有類型的離心式泵的代表。就此點而言，依據圖8b的例示，圖8b上面的圖式顯示一沿著圖8b的下面的圖式的B-B線通過一離心式泵的縱剖面，而圖8b下面的圖式顯示一沿著圖8b的上面的圖式的A-A線通過一離心式泵的橫剖面。
該離心式泵303b是由一離心泵部件3099(其包含一具有內臥式離心轉子302b的外殼309)以及一驅動及軸承設備(其被標示為該定子307的齒307b，307f)所組成。該定子307可被建構為如依據圖8a或圖8c所示的實 施例。該外殼309可被固定不動地或可拆下地連接至該驅動設備。在該離心式泵303b的一有利的設計中，該外殼309如圖8b的上面的圖式所示地可部分地被導入到該定子307的齒307b，307f之間且鬆鬆地平置於該驅動設備上。該外殼309可藉此以簡單的方式再次從該定子307被取下且例如被更換。如果該離心泵部件3099例如被用作為血液泵的話，則該離心泵部件3099可被建構成一次性使用的產品。以此方式，當該離心泵部件3099在每次使用之後被更換時，該驅動設備可在任意頻繁的時期內被用來驅動設置在該離心泵部件3099內的該離心輪303b。當該離心泵部件3099被設置在該定子307內的預定的位置時，該離心輪302b即被該定子307及磁作用力以飄浮的方式無接處地保持。透過該等被動地且以穩定的及/或恢復的(restoring)方式作用在該轉子302的位置的力，該離心輪可在所有六個自由度上無接觸地被置於該定子307內及該外殼309內。就此點而言，應指出的是，以穩定的方式純粹被動地作用在該轉子部分301的位置上的磁力的力量是很小的，尤其是在軸方向z上的力量是很小的。關於作用於該離心輪302b的z方向上的較大的力，該離心輪將分別相對於該定子307或該轉子302被抬起來且將接觸到該離心泵部件3099的外殼309。離心泵部件3099係以一種在轉子302處作用於z方向上的力被減小的方式被建構，用以在運送流體F的期間亦以無接觸的方式將該轉子302置於該外殼309內。
該轉子部分301可被建構成一環形本體或一圓盤形本體。在多數例子中，“圓盤形本體”一詞的規範(criterion)係指厚度(這表示該轉子的高度)小於一無軸承馬達的轉子的直徑的一半，該轉子的傾斜可被磁性地穩定。
圖8b的下面的圖式顯示沿著依據圖8b的上面的圖式的離心泵部件3099的B-B線的剖面，其包含一延伸於z方向上的泵入口開口30101。該離心泵部件3099的外殼309具有一配置在外殼309內的轉子302。該外殼309較佳地以液密及氣密的方式被封閉且具有一泵入口開口30101，以及一相對於該轉子302延伸於徑向上的泵出口開口30102。該轉子302包含一環狀設計的被永久磁化的轉子部分301、一圍繞該轉子部分301的轉子護套301a，以及多個葉片301b，其被均勻散佈地配置在該轉子302的圓周上，這些葉片形成一葉輪。
在該泵入口開口30101的區域內流動於F1方向上的流體F具有壓力p1。一縮窄部30101被緊接在該泵入口開口30101之後設置，該縮窄部如一噴嘴般地作用，使得流體F在通過該噴嘴之後具有一增加的流速。流體F在F2方向上被輸送通過該泵出口開口30102且在壓力p3下進入後續未示出的引導機構。
圖8c顯示一穿過被建構成依據圖8a的軸流泵303a或依據圖8b的離心式泵303b的定子307以及磁性作用的轉子部分301的剖面的立體圖。關於在此例子中討論的電子式轉動驅動器，它是依據WO 9631934 A1之 完全磁性安裝的電子式轉動驅動器的一特殊的實施例，它只是以舉例的方式被討論且被當作是依據WO 9631934 A1的其它無軸承馬達的代表，這些無軸承馬達同時在許多技術應用中被建立且許多變化對此領域中具有一般技術者而言是習知的且可同樣有利地被使用在依據本發明的流量調節器中。該旋轉泵的非磁性作用部件(譬如，該外殼309或該轉子護套301a及葉片301b)為了讓此配置被更理解而未被示出。該定子307具有一環形部件，其被建構成一迴返核心(return core)307z，延伸於徑向上的齒307b，307c，307d，307e，307f被配置於其上。該迴返核心7z以及齒7b，7c，7d，7e，7f是由鐵磁金屬製成。該環形的磁性作用的轉子部分301是由在徑向上被極化的永久磁鐵製成的。線圈308b，308c，308d，308e，308f具有兩部分的繞組(winding)，其被建構成可彼此獨立地控制，其中一個部分的繞組被建構成一驅動繞組(如，其具有一磁極配對數量p)及另一部分的繞組被建構成一控制繞組(如，其具有一磁極配對數量p+1或p-1)。該驅動繞組及該轉子301的磁活性部分可媲美一同步機器地一起相容地作用，因為藉由該定子307內的驅動繞組被建構成兩相(two phase)，一旋轉磁場被產生，該旋轉磁場跟隨該轉子301，使得該轉子301以繞著其軸30A旋轉的方式被驅動。該轉子301的位置是用未示出的位置感測器來偵測且被建構成三相(three phase)的該控制繞組是在考量被該驅動線圈所產生的磁場之下被控制，使得該轉子301被保持 在一垂直於該軸30A的平面內，且因此之故該轉子301在x及y方向上被無接觸地保持在該定子307內。該轉子301的三個自由度(亦即在x方向上及在y方向上的位置以及繞著軸30A的轉動這三個自由度)因而是可控制的。
當然，被瞭解的是，在本申請案的架構內被討論的實施例應被理解為只是舉例，而且此領域中具有通常技術者所習知的所有適合的組合及簡單的進一步發展亦被涵蓋於本發明內。
1‧‧‧流量調節器
100‧‧‧流動系統
F‧‧‧流體
VS‧‧‧體積流
SF1‧‧‧第一(貫流)感測器
IW1‧‧‧第一實際數值
KF1‧‧‧第一流動參數
2‧‧‧預壓力調節器
PV‧‧‧預壓力
22‧‧‧預壓力出口
3‧‧‧調節泵
PA‧‧‧設備壓力
20‧‧‧流入管線
21‧‧‧預壓力入口
4‧‧‧流動連接管線
31‧‧‧高壓連接管線
5‧‧‧流出管線
32‧‧‧低壓連接管線
6‧‧‧調節控制器
SW1‧‧‧第一所想要的數值
PB‧‧‧限制壓力

Claims (15)

  1. 一種用來設定一流體(F)之可預先決定的體積流(VS)的流量調節器，其包含一第一感測器(SF1，SP1)，用來決定該流體(F)的一第一流動參數(KF1，KP1)的第一實際數值(IW1)、一預壓力調節器(pre-pressure regulator)(2)，用來設定在該預壓力調節器(2)的一預壓力出口(22)處的一可預先決定的預壓力(PV)、以及一迴轉泵形式的調節泵(3)，其中該流體(F)可在設備壓力(PA)的操作狀態下經由一流入管線(20)及一預壓力入口(21)而被引導至該預壓力調節器(2)且可在該預壓力(PV)下經由一設置在該預壓力出口(22)和該調節泵(3)之間的流動連接管線(4)而被進一步引導至該調節泵(3)，其特徵在於，該預壓力出口(22)以流動連通的方式經由該流動連接管線(4)被連接至該調節泵(3)的一高壓連接管線(31)，該連接方式讓該流體(F)可從該調節泵(3)的該預壓力調節器(2)被供應而且可再被引導離開該調節泵(3)經由一低壓連接管線(32)進入一流出管線(5)，其中該調節泵(3)的轉速可在使用一取決於該第一流動參數(KF1，KP1)之第一實際值(IW1)的第一所想要的數值(SW1)之下以一種一抵抗該預壓力(PV)的限制壓力(PB)可被該調節泵(3)產生的方式用一調節控制器(6)來加以設定，該設定方式讓該流體(F)的該可預先決定的體積流(VS)可被設定於該流出管線(5)內。
  2. 如申請專利範圍第1項之流量調節器，其中該第一感測器(SF1，SP1)是一第一貫流(through-flow)感測器 (SF1)且該第一流動參數(KF1，KP1)描繪該流體(F)的流體流(KF1)的特徵。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之流量調節器，其中該第一感測器(SF1，SP1)是一第一壓力感測器(SP1)且該第一流動參數(KF1，KP1)描繪該流體(F)的流體壓力(KP1)的特徵。
  4. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中該第一感測器(SF1，SP1)被設置在該調節泵(3)的該低壓連接管線(32)的下游的該流出管線(5)。
  5. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中該第一感測器(SF1，SP1)被設置在介於該預壓力調節器(2)和該調節泵(3)之間的該流動連接管線(4)。
  6. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中一額外的泵(7)，尤其是一提供加大的壓力(PZ)的迴轉式泵，被設置在該流出管線(5)作為一增壓泵。
  7. 如申請專利範圍第6項之流量調節器，其中一用來決定該流體(F)的一第二流動參數(KF2，KP2)的一第二實際數值(IW2)的第二感測器(SF2，SP2)以一種該額外的泵(7)的轉速可在使用一取決於該第二流動參數(KF2，KP2)之該第二現在實際數值(IW2)的第二所想要的數值(SW2)下由一額外的控制器(8)來加以控制及/或調節的方式被設置在位於該額外的泵(7)的下游的該流出管線(5)，使得該流體(F)的該可預先決定的體積流(VS)可被設定於該流出管線(5)內。
  8. 如申請專利範圍第6或7項之流量調節器，其中該第二感測器(SF2，SP2)是一第二貫流感測器(SF2)且為了設定該體積流(VS)，該調節控制器(6)和該額外的控制器(8)係以訊號導通(signal conducting)的方式被並聯地連接至該第二貫流感測器(SF2)，用以讀入該第二實際數值(IW2)，且該調節控制器(6)和該額外的控制器(8)以並聯的方式被饋入一共同的所想要的數值(SW)。
  9. 如申請專利範圍第6至8項中任一項之流量調節器，其中該第二感測器(SF2，SP2)是一第二壓力感測器(SP2)且為了設定該體積流(VS)，該調節控制器(6)和該額外的控制器(8)係以訊號導通(signal conducting)的方式被並聯地連接至該第二壓力感測器(SP2)，用以讀入該第二實際數值(IW2)，且該調節控制器(6)和該額外的控制器(8)以並聯的方式被饋入一共同的所想要的數值(SW)。
  10. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中為了設定該預壓力(PV)，該預壓力調節器(2)是一主動式預壓力調節器(2)，尤其是一受該第一感測器(SF1，SP1)影響及/或受該第二感測器(SF2，SP2)影響的主動式預壓力調節器(2)；及/或其中一預壓力感測器被設置在該流入管線(20)及/或設置在該流出連接管線(4)及/或設置在該流出管線(5)且以訊號導通(signal conducting)的方式被連接至該主動式預壓力調節器(2)，使得該預壓力(PV)可被主動地設定。
  11. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中 該預壓力調節器(2)是一減壓單元，尤其是一手動式壓力調節器、一氣動式壓力調節器、一電動式壓力調節器、比例閥或一不同的適合的減壓單元。
  12. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中該調節泵(3)及/或該額外的泵(7)是一離心式泵或一軸流泵或側通道泵(side passage pump)或斜流泵(diagonal flow pump)或一不同的迴轉式泵；及/或其中該調節泵(3)及/或該額外的泵(7)的驅動器是一無軸承馬達。
  13. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中該調節泵(3)及/或該額外的泵(3)的轉子包含一永久磁鐵；及/或其中該調節泵(3)及/或該額外的泵(3)的轉子是一扁平的圓盤轉子，尤其是一高度小於或等於直徑的一半的圓盤轉子。
  14. 如前述申請專利範圍任一項之流量調節器，其中該流量調器的一構件是單次使用性產品，尤其是該調節泵(3)或該額外的泵(7)的泵外殼及/或轉子是單次使用性產品。
  15. 一種藉由一流量調節器(1)來設定一流體(F)之可預先決定的體積流(VS)的方法，其特徵在於如前述申請專利範圍任一項之流量調節器(1)被使用，其中特別是一高敏感性液體、一高純淨液體、一物理上高侵犯性的液體或一化學上高侵犯性液體、一醫療液體、一生物液體或一藥學液體(如，血液或漿液)的體積流被該流量調節器(1)調節。
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