微計量裝置和用於液體的計量分配的方法
2023-05-25 01:22:36
專利名稱：微計量裝置和用於液體的計量分配的方法
技術領域：
本發明涉及一種微計量裝置、用於液體的計量分配的方法和當使用本發明的微計量裝置時用於調節所需計量容積範圍的方法。
根據現有技術，納公升(10-12m3)量級不使用常規吸液管進行計量，而是需要特殊的方法來確保所要求的精度。
這裡，除了接觸方法、常規分配方法、針印刷方法等，非接觸方法也是非常重要的。
一類已知的方法是基於快速切換閥。因此，將通常是基於磁或壓電裝置的合適的閥通過導管連接到媒體貯液器並在其中形成壓力。通過該閥以小於1ms的切換周期的快速切換，即使是具有高表面張力的流體也可以從分配位置分離出來，並作為自由射流撞擊基板。可以通過壓力和/或閥的切換周期來控制計量。
在上述具有切換閥的概念中，存在不同的方法來產生壓力。
在圖7中表示了展示第一種被稱為注射器螺線管方法的已知方法的示意圖。這裡，流體導管10通過快速切換微螺旋管閥12流體連接到注射器14，其中該導管是可拆卸的。在該注射器14的下端有一個噴嘴開口16。將流體導管10的對應端通過切換閥18連接到注射器泵20。此外，貯液器22也通過另一個流體導管24連接到切換閥18。
該切換閥18具有兩個切換狀態。在第一切換狀態，注射器泵20的泵腔室26通過流體導管24流通連接到貯液器22，使得通過注射器泵的塞子30作相應的移動來增加泵腔室26的容積，能將液體28從貯液器吸入到泵腔室26中。這一操作用於填充注射器泵20。在接下來的計量操作中，對切換閥18進行切換，引起泵腔室26通過流體導管10與微螺旋管閥12的流通連接。通過使用塞子30將壓力施加到泵腔室26內部的液體上，使得通過快速切換微螺旋管閥12(切換周期＜1ms)，能從注射器14的計量口18分配液體。在圖7中所示的這類計量裝置例如可以是Cartesian公司銷售的。
在圖8中示出了一種例如由Delo和Vermes公司實踐的可選原理。在這種可選方法中，提供一種壓力容器40，在壓力下存儲液體42。將壓力容器40的出口孔通過流體導管44連接到快速切換閥46，閥46又通過流體導管48連接到噴嘴開口，這裡僅僅用箭頭在圖8中示意性地示出。在這種配置中，液體還可以通過閥46的快速切換從噴嘴開口以自由射流進行分配。
例如在DE-A-19802367、DE-A-19802368和EP-A-0725267中描述了可選擇的已知微計量裝置。這裡所述的微計量裝置包括與柔性膜相鄰並且通過供給線連接到貯藏室，通過排水管連接到噴嘴開口的泵腔室。下面將參考圖9a至9c對這樣的微計量裝置的例子進行描述。
在圖9a中，表示了這樣的微計量裝置在靜止位置中的示意性截面圖。該計量裝置包括一個計量頭50和一個致動裝置52。在所示例子中，計量頭50由兩個相互連接的基板54和56構成，其中形成相應的凹槽。將第一基板54構使在其中形成貯液器接口58、入口通道60和計量腔62。將下方基板56構使在其中形成噴嘴接口64，具有噴嘴通道和出口孔的噴嘴66和具有比噴嘴66的出口孔橫截面大得多的出口孔區域68。
此外，根據相同的構造在上基板54上形成膜70。
致動裝置52具有置換器(displacer)72，如圖9b所示，通過置換器可以使膜70向下偏離以減少計量腔62的容積。通過這種對計量腔72容積的減少，一方面，導致通過入口通道60和貯液器接口58的回流74。另一方面，導致通過噴嘴接口64和噴嘴66的前向流動，使得配送液體76到達噴嘴66的出口孔端。回流74和配送液體76之間的比率取決於在貯液器和計量腔之間的流體連通的流體阻抗與在計量腔和噴嘴66的出口孔之間的流體阻抗之比。
在計量操作之後，參見圖9c，同時使用致動裝置52，將置換器72向上移動，如圖9a所示，由於彈性置換器最終恢復到初始位置。通過膜70的復位，導致計量腔容積的增加，使得產生從貯液器通過貯液器連通58和入口通道60的再填充流動78。為了防止在該階段中空氣通過噴嘴66的進入，需要足夠慢地進行膜70的復位，使得將液體保持在噴嘴66中的毛細力不會由此被克服。
上述參考圖9a至9c的微計量裝置最初開發用於生物化學中的酶計量。通過使用這種裝置，可以非常獨立於媒介和精確地在1nL到1000nL量級中對具有一直到100mpas粘性的液體進行計量。由此通過移動優選地由矽製成的計量片對要被計量的液體進行計量。但是，這種方法需要相對複雜的微型裝置。
最後，從US-3683212得知一種微滴排出系統，其中管狀壓電轉換器將流體導管連接到噴嘴板，其中在噴嘴板上形成噴嘴開口。將具有短上升時間的電壓脈衝施加到該轉換器上以引起轉換器的收縮。所使的密封容積的突然減少引起少量流體從開口板的開口處被擠出。由此，在無壓或低壓下保持液體。當轉換器不工作時，在開口處的表面張力防止液體流出。被擠出的液體由在導管中毛細向前流動的液體所取代。
根據US-3683212，已經發現在類似於壓電噴墨方法的聲學原理的幫助下產生液滴。這裡，在例如剛性玻璃毛細管的剛性流體導管中產生聲學壓力波，其使在出口孔位置的局部高壓力梯度，這引起液滴的分離。致動器的致動時間在此在系統的音響傳輸範圍內，通常是幾個微秒。這樣，在本文中，在致動器上方和下方的流體導管的聲阻對於設計是非常重要的。因此，這是一種產生高聲學脈衝的具有低量排量的脈衝方法。換句話說，在致動位置和處理位置之間產生具有最高壓強和最低壓強的聲波，其中通過在分配位置上的相應壓強使液體的擠出。根據US-3683212，流體導管只有可忽略不計的形變，致動器主要只傳輸聲音，而流體導管的彈性不是非常重要。
從DE 4314343 C2了解到一種用於計量液體的裝置，具有一端連接到貯液器，另一端開口的液體提供管。將該管子提供到相鄰接的套節，在管子與相鄰套節相對的一側提供一個錘子。該錘子可以在與管子軸向橫向的方向上周期性地運動，使得整個管子橫截面被錘子壓褶，即，流動面積基本變為零。由此，脈衝力衝擊作用在管子上，將獨立的液滴推出開口端。
本發明的目的是提供一種具有簡單結構的微計量裝置，優選地其還允許能容易改變要分配的計量。本發明的另一目的在於提供一種用於液體的計量分配的方法。
通過根據權利要求1和9的微計量裝置以及根據權利要求20、29和30的方法來實現本目的。
本發明提供的微計量裝置包括具有柔性管子的流體導管，該流體導管具有第一端和第二端，該第一端用於連接到貯液器上，出口孔位於該第二端，其中柔性管優選為聚合物管；和具有帶有可調節轂的置換器的致動裝置，通過該致動裝置可以改變柔性管子的一部分的容積，由此通過在第一端部位置和第二端部位置之間移動置換器在出口孔處以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體，其中，至少在第一端位置或第二端位置處該管子被部分地壓縮。
此外，本發明提供一種微計量裝置，包括具有第一端和第二端的流體導管，該第一端用於連接到貯液器上，出口孔位於該第二端，該流體導管具有一個部分，沿該部分可以改變流體導管的截面，以使流體導管的容積變化；致動裝置，設置在沿流體導管的所述用於使流體導管的容積變化並由此從出口孔以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體的部分位置上，其中，通過改變致動裝置的位置，在致動裝置的位置和出口孔之間的流體阻抗與在第一端和流體導管和致動裝置的位置之間的流體阻抗的比率是可變的，這樣分配在出口孔處的計量容積可變化至少10％。
這裡，流體阻抗代表由管路長度和流動截面確定的流體電阻(resistance)和流體電感(inductance)的組合。
由此，本申請允許通過調節致動裝置的轂和/或沿容積可變的流體導管調節致動裝置的位置實現計量。
可以優選地通過設計在貯液器和排出口孔之間具有基本上線性結構的流體導管，即其在貯液器和排出口孔之間的截面沒有不穩定變化，實現所述的流體阻抗比率的可變性。在最簡單的情況中，可以通過貯液器和排出口孔之間具有在靜止位置中基本上恆定截面的流體導管來實現這一目的。
本發明不需要象在其它液滴產生器中所需的精密機構或微結構部件，由此可以明顯減少生產成本並增加操作可靠性。此外，流體承載部分可以生產為易處理部件，例如聚醯亞胺的簡單塑料製品，由此可以省去改變媒體時昂貴的清理。
此外，根據本發明，沒有使用限壓的腔室，而是用可變「作用區域」用於產生壓力。由此，通過改變置換器的位置實現不同流體的最佳可能性，該位置，即，順著這部分流體導管的致動裝置的位置，順著該位置可以改變流體導管的截面以引起流體導管容積的變化。通過軸向的不對稱容積變化，可以在出口孔方向上在流體導管中產生流體流動的優選方向。此外，可以通過例如使用更大的置換器來增加「作用區域」引起最大計量的簡單變化，其中這樣的最大計量的變化不需要流體承載部分結構上的改變。最後，可以明確提供在入口和出口孔之間的勢壓差以確保在再填充過程中的優選方向或者防止液體從出口孔洩漏。由此，在流體導管中不能通過毛細力移動的媒體也可以被計量。
此外，本發明提供一種用於液體計量分配的方法，包括以下步驟用要計量的液體填充具有柔性管子的流體導管，其中柔性管優選為聚合物管；通過帶有可調節轂的置換器使柔性管子的一部分的容積變化，由此通過在第一端位置和第二端位置之間移動該置換器在流體導管的出口孔以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體，其中，至少在第一端位置或第二端位置處該管子被部分地壓縮。
此外，本發明提供通過使用本發明的微計量裝置在計量操作中調節所需計量的方法，包括以下步驟沿著流體導管的所述部分在預定位置處設置致動裝置，從而使得由於在使流體導管的容積變化的步驟中產生的流體阻抗比率，可以在出口孔處分配所需的計量。
此外，本發明提供一種通過使用本發明的微計量裝置在計量操作中調節所需計量的方法，包括以下步驟相對於流體導管的所述部分選擇具有軸向長度的置換器，該置換器適於允許在使流體導管的容積變化的步驟中分配所需計量。
由此，當調節所需的計量時，本發明允許附加的自由度。一方面，通過預定轂以及由此預定的致動裝置的置換器，可以通過上述步驟調節所需的計量。如果轂以及進而致動裝置的置換器是可調的，可以通過上述步驟調節所需的計量範圍，其中可以分別通過調節轂或致動裝置的置換器調節在所需的計量範圍內的計量。
當通過本發明實現的容積移動系統的特性和顯著優點表現在那些計量很大程度上取決於要計量液體粘性的系統中。
在上文中，根據本發明，可以設計和流體導管在一起的致動裝置，以允許在容積轉移的極限情況時通過置換器對流體導管的完全壓褶。另外，在這種情況中，還能完成一種閥的功能。和已知方法相比，在貯液器和分配位置之間的完全切斷的可能性還可以表現出另一種優點。
和US-3683212的教導相比，在本發明的微計量裝置中，在整個流體導管中建立一種連續的壓力梯度，其中實際上從置換器開始液體被推出導管。在置換器和出口孔之間的整個流體在出口孔的方向上移動。由於在幾微秒(明顯比採用脈衝方法要慢)的時間級上執行容積轉移，所以聲學現象不會發生。
下面將參考附圖對本發明的優選實施例進行說明。這些附圖為
圖1a至1c是用於說明所發明的計量操作的實施例的示意性截面圖；圖2a至2d是所發明的微計量裝置的實施例的示意圖3是示意性說明液滴形成的順序圖；圖4是表示通過原型產生的液滴量的圖表；圖5a和5b是用於說明在本發明的微計量裝置中是如何能夠調節計量範圍的示意圖；圖6a和6b是用於說明根據本發明是如何二選一地調節計量範圍的示意圖；圖7至9是已知微計量系統的示意圖；圖10a和10b是本發明微計量裝置的備選實施例的示意圖。
參考在圖1a至圖1c的示意性說明，下面將介紹本發明的基本特點及其根本原理。
本發明分別涉及一種裝置或方法，用於主要在納公升到微微公升的範圍內分別產生微液滴或微射流。流體運輸管道是本發明微計量裝置的重要部件，其入口連接到裝有要計量媒體的貯液器。管道的另一端是出口孔，通過出口孔可以分配要計量的液體。優選地流體運輸管道主要由彈性材料製成，這樣在入口和出口孔之間的管道容積可以通過使管道變形而變化，例如壓縮管道。
在圖1a至圖1c中表示了在計量操作的不同階段中，本發明計量裝置的基本部件。
如圖1a所示，在本發明的優選實施例中彈性聚合物管的流體管道100包括入口側端102和出口孔側端104，入口側端用於連接到貯液器，而微液滴或微射流可以分別從出口孔側端進行分配。出口孔側端104由此還可以稱為噴嘴。在圖1a至圖1c中用點劃線表示彈性聚合物管100的各個壁106。
設置置換器形式的致動器108，其具有連接部件110，在那可以將置換器108裝配到用於驅動置換器108的操作部件。
在所示實施例中，彈性聚合物管從其輸入端102到其輸出端104具有基本上恆定的橫截面，其通常是圓形。
在這樣的微計量裝置中，設置在置換器108下方的區域112可以被稱為計量腔區域，其由置換器108關於彈性聚合物管100的位置來確定。基本上從置換器108的右端開始的區域114表示將置換器區域112流控連通到出口孔端104的出口孔通道。區域116在圖中以縮減的形式表示並且從置換器108的左端向左延伸，其表示將置換器區域112流控連通到輸入端102的入口通道。
如在圖1a中進一步所示，置換器108可以包括和聚合物管100的壁106斜向連接的置換器表面120，其允許在微計量裝置的操作過程中通過軸向不對稱的容積變化來產生在朝向出口孔104方向中流體流動的優選方向。
在下面，將介紹本發明微計量裝置的操作模式。
當切換到計量系統上時，通過外部產生的壓差或通過毛細力自動填充流體導管100。
可以例如通過使用在壓力下設置流體的貯液器來應用外部產生的壓差。
當應用相對於出口孔端為正的靜壓(過壓)時，必須認為該壓力沒有毛細力大，其中通過該壓力在導管100中提供液體，通過該毛細力將液體保持在導管中，因為否則在微計量裝置出於非工作狀態時會發生從出口孔端104的液體洩漏。
作為選擇，可以應用相對於輸出端為負的壓力(低壓)以避免在非工作狀態中如果毛細力太弱時液體從出口孔端洩漏。在重填充過程中必須要由毛細力來克服這個相反的壓力。
在計量操作開始時，在第一階段，其可以稱為計量階段，通過在入口和出口孔之間減少導管容積從導管中轉移出液體。這是通過向下，即，在向聚合物管100的方向上移動置換器108來實現的，這樣在置換器區域112中發生聚合物管的壓縮。在圖1b中通過肩頭122來表示這種向下的運動。由此，置換器區域112表示本發明微計量裝置的作用區域。
當導管具有流動能力的時候，由於流體導管100的這種容積變化導致的從導管轉移出的液體被從導管的端部被壓出或者通過改變導管的橫截面積保存在另一位置。
一方面，通過置換器108的快速移動122引起的流體導管100的容積變化，按照箭頭124的指示，發生流體向出口孔104方向的流動。另一方面，按照箭頭126的指示，發生通過入口通道116進入貯液器的回流。通過前向流動124，在出口孔104處發生分別以微液滴或微射流形式的流體排出。
流體的哪部分將通過出口孔104分別作為噴射或液滴被分配，取決於容積變化的位置、類型和動態。正如上面已經提到的，由置換器108，特別是置換器表面120引起的軸向不對稱容積變化可以影響流體在朝著出口孔104方向上的優選方向。為了在計量階段在出口孔端104上產生射流或液滴，容積變化發生得必須足夠快，得以分別向流體液滴或流體射流傳輸所需的脈衝，這樣它們就可以從出口孔104分離出來。由此，流體特性，例如密度、粘性、表面張力，以及可以存在於入口和出口孔之間的壓差都扮演著重要角色。此外，在出口孔104和執行容積變化的作用區域112之間的流體阻抗(即，出口孔通道114的流體阻抗)以及在作用區域14和入口112之間的導管部分流體阻抗(即，入口通道116的流體阻抗)決定著所分配的計量大小(向前流124)和反饋到貯液器的流量(回流126)之間的比率。例如當在出口孔(104)附近以高動態(例如每毫秒內50nL)執行容積變化時可以獲得較好的計量質量。
通過將置換器定位在接近出口孔(104)的位置，可以使出口孔通道114的流體阻抗低於入口通道116的流體阻抗，這樣大部分分配的流體從出口孔104噴射出來。由此，可以說當入口通道116的長度至少是出口孔通道114長度的兩倍，優選為至少五倍並且更優地為十倍時，將置換器接近出口孔104設置。
在分別排出流體液滴或流體射流之後，在可以稱為再填充階段的第二個階段中，在入口102和出口孔104之間的容積再次增加。如圖1c所示，這可以通過在箭頭132的方向上從流體導管100移走置換器108來實現。由於這種容積變化，如圖1c中的箭頭134所示，液體從貯液器通過入口102和入口通道116流入導管並且特別是流入導管的操作區域112。毛細力以及相當小的導管橫截面防止空氣通過出口孔流入。作為選擇，可以通過在入口和出口孔之間的流體靜力壓差來決定用於從貯液器填充的優選方向。為了這個目的，例如可以再次提供帶有壓力的貯液器。
在再填充階段結束時，再一次出現了圖1a所示的情況，在其之後可以再次執行計量操作。
圖2a至圖2d表示使用分別為流體導管或致動器安裝的本發明的微計量裝置的液滴產生器。圖2a表示該液滴產生器的側視圖，而圖2b表示其底面圖。圖2c表示沿圖2b的線A-A的截面圖，而圖2d表示按5∶1的尺寸放大的部分B。
在圖2a至圖2d中展示的液滴產生器包括聚醯亞胺管150，其可以具有例如200μm的內徑。為了存放該聚醯亞胺管150，提供了存儲塊152和鄰接塊154。在存儲塊152和/或鄰接塊154中提供導向槽，在其中插入聚醯亞胺管，這樣就以一種牢固的方式將聚醯亞胺管緊固存儲在存儲塊和鄰接塊之間。例如，通過使用安裝螺栓156將存儲塊152和鄰接塊154裝配到安裝件162的支架160。此外，形成安裝件162，在與鄰接塊154相反的聚醯亞胺管150一側支持置換器164，幫助可以在管子的操作區域中壓縮該管，藉此可以實現本發明在入口和出口孔之間的容積變化。由此，由壓電堆致動器(未示出)驅動的置換器的移動可以由電子控制，該致動器通過適配器166連接到置換器。為了通過聚醯亞胺管150實現液滴噴射168的優選方向，置換器164再次具有與聚醯亞胺管成斜向關係的移動表面，即與聚醯亞胺管呈一角度延伸。
此外，安裝件162包括用於壓電堆致動器形式的驅動單元的接收器170。而且，安裝件162可以具有允許例如通過使用螺栓連接將安裝件裝配到一同樣具有驅動單元的裝置上的凹槽172，該凹槽172穿透該安裝件。
相對於如圖2a至2d所示的結構，已經建立了原型並成功地進行實驗測試。圖3表示由該原型執行的計量操作的不同階段，其中在每種情況中展示了聚醯亞胺管150的出口孔端180。
圖4表示使用該原型在1800次計量操作的顯微照片中的分配質量，其中使用水作為要計量的液體。中等液滴質量是22.57μg，具有σ0.35μg的標準偏差。聚醯亞胺管具有200μm的直徑。在圖4中所示的再現性的重量測量證明通過本發明的原理可以獲得至少符合常規計量裝置之一，並且甚至優於其的精度。
相對於圖5a、5b、6a和6b，下面將討論如何能在本發明的微計量裝置中分別調節所需要的計量或者所需要的計量範圍。
在圖5a和5b中，示意性地示出了聚合物管100，其入口102與貯液器200流體連通，其出口孔端104存在一個噴射口。由置換器108的位置確定操作區域112以及出口孔通道114和入口通道116。在圖5a所示的結構中，入口通道116和出口孔通道114具有基本上相同的長度x1和x2，當假設管子100的橫截面恆定的情況下，這樣它們流體阻抗基本上是一致的。由此，在所示的置換器108′的形式中，由置換器108′引起的容積轉移將在出口孔104和入口102方向上引起相同大小的流動，其使沒有優選的流動方向。這樣，當忽略導管100的流體毛細力時，經出口孔104排出的容積是由置換器108′產生的容積轉移的一半。
根據圖5b，置換器靠近出口孔104設置。換句話說，入口通道116的長度x1大約是出口孔通道長度x2的五倍。由此，當管子100具有恆定的橫截面時，入口通道116的流體阻抗是出口孔通道114的五倍，使得由置換器108′使的容積變化的更多部分流向出口孔104方向並通過其排出。
在上述方法中，可以通過改變置換器相對於流體導管100的位置調整所需要的計量。此外，如果置換器的驅動裝置允許置換器轂的選擇性調節，即，按照與流體導管不同的垂直距離實現的置換器運動的選擇性調節，那麼置換器將可以根據其控制引起不同的容積變化，當通過置換器的相應控制在所調節的計量範圍內實現所需的計量的最終調節時，上述位置的調節可以表示所需的計量範圍的調節。
根據本發明，只要可以通過改變置換器的位置明顯改變來自入口通道和出口孔通道的流動阻抗的比率，在出口孔分配的計量通過改變置換器的位置就是可以調節的。這裡，「明顯」應當意味著這種改變至少按10％引起在出口孔分配的計量的變化，由此有效調節範圍將取決於置換器位置可以被調節的範圍。由此，按50％和以上變化的分配的計量可以通過改變置換器的位置來實現。由於分別在計量腔，即操作區域，和入口通道或出口孔通道之間沒有不穩定橫截面出現，根據本發明可以更好地實現入口通道和出口孔通道的流體阻抗比率的發明適應性。在本發明更優選的實施例中，在靜態位置中從移動部分，即操作區域到出口孔，流體導管的橫截面是恆定的。此外，在優選實施例中，在貯液器和出口孔之間的整個流體導管具有基本上恆定的橫截面。
可以從圖6a和圖6b中了解根據本發明如何能分別調節所需的計量或所需的計量範圍的第二種可能性。根據圖6a，置換器108′沿管子100具有長度l1，而根據圖6b，置換器208沿管子100具有長度l2。長度l2比長度l1要長，這樣置換器208在相同的轂下允許流體管道100更大的容積變化。由此，根據本發明，通過沿具有恆定轂的流體管道改變置換器的長度，可以調節所需的計量，或類似於上面的描述，可以調節所需的計量範圍。
這樣，本發明提供一種具有由要計量的媒體填充的流體管道的微計量裝置，其一端可以連接到貯液器，而其另一端存在出口孔，以及可以暫時改變流體導管中間段容積的致動器，這樣通過容積變化，流體以自由飛射的液滴或自由飛射的射流在出口孔被分配。根據本發明，可以由柔性聚合物管形成整個流體導管。可選的，當由剛性流體導管形成來自這部分的流入部分和排出部分時，只有提到的確定部分可以由柔性聚合物管形成。
作為所述的柔性聚合物管的一種替換，本發明的微計量裝置的流體導管也可以由覆蓋膜的基本上剛性的載體構成的通道形成。由此，形成不存在不穩定橫截面變化的通道，優選地在載體中具有恆定橫截面，使得即使在本實施例中可以通過相應的置換器的布置調節來自入口通道和出口孔通道的流體阻抗，以實現在出口孔分配的的計量至少10％的變化。
如上所述，根據本發明，在流體導管的彈性部分發生移動。優選地，在操作後彈性部分可以自動地恢復在例如柔性聚合物管或膜的流體導管中的開始位置，這樣置換器就不必以固定方式連接到流體導管，使得可以將流體導管設計成簡單的可移動部件。
本發明還包括液滴產生器，其中將幾個本發明的微計量裝置平行布置。可以單獨地控制這幾個平行布置的微計量裝置對不同的液體或相同的液體進行計量。作為選擇，液滴產生器可以具有幾個流體導管，可以同時由置換器控制，使得可以由置換器計量配料相同或不同的液體。為了這個目的，可以將不同的流體導管連接到相同或不同的貯液器。
這樣，本發明的微計量裝置可以由一個或幾個微液滴產生器構成，每一個具有由要計量的媒體填充的(彈性的)流體導管，其一端具有連接到貯液器的入口，而其另一端具有出口孔，其中在入口和出口孔之間可以存在壓差，並且可以通過致動裝置暫時改變在貯液器和出口孔之間的導管容積，其中在第一階段，在入口和出口孔之間的流體容積以足夠的速度從其初始容積減少到較小的容積，由此通過出口孔可以分別排出微液滴或微射流，並且轉移的容積部分可以洩漏到入口，其中微液滴或微射流各自的量，加上通過入口回流到貯液器中的量基本上對應於由致動裝置使的容積變化，並且在第二階段中，在入口和出口孔之間的容積再次增加，通過壓力或毛細力驅動流體導管再次被從貯液器填充。
除了參考圖2a至圖2d所述的支架，可以提供一種自動支架，例如響應於分別指示所需計量範圍或計量的信號，可以允許自動調節置換器對於流體導管的位置。
通過使用本發明的微計量裝置，由此在於周圍大氣接觸的出口孔處更好地產生獨立的自由飛射的微液滴，用於在出口孔以自由飛射的液滴或自由飛射的射流分配流體。由此，本發明允許排出已經經過致動裝置一個單獨操作周期的液滴，在該周期中置換器產生一次流體導管容積的減少以由此排出液滴。
本發明允許通過調節致動裝置的轂和/或在預定位置處沿流體導管部分移動致動裝置來調節計量。此外，可以選擇具有適當軸向長度的置換器。
當為了調節計量使用可調轂時，致動裝置或置換器各自的轂h時可變化的並且小於管子的直徑，即，在致動裝置的置換器的運動方向上管子的橫截面尺寸。
如同在DE 4314343 C2中要求的那樣，在將整個管子橫截面壓褶的情況下，即把流體面積基本減少到零時，由沿管子軸向錘子的伸展以及管子直徑來確定液滴容積。通過壓褶管子，將相應管子內的整個容積轉移。近似的，具有其它等效安排，對於此後確定液滴容積的重要的移動量下面提供了V=a4d2]]>這裡，V代表移動量，a是置換器的長度，而d是管子直徑。
與此對比，在具有可調節轂的置換器中，圍繞其移動置換器的轂h，扮演著決定性的角色。這裡，移動量取決於轂h，並且可以通過水平平衡的圓柱體體積來進行近似表示Vda24h[2(d-h)hd2(3d2-4dh+4h2)-3d(d-24h)Arcos(1-2hd)]]]>這裡，h是管子被壓縮的距離。
通過依靠在轂h上的移動量以及所述的其在液滴容積上的影響，本發明允許一種不必連接各自具有不同直徑的管子或具有不同尺寸的置換器的液滴容積的可變調節。
根據本發明，在單獨的計量操作中，分別在容積轉移與液滴產生或液滴容積之間存在聯繫，使得本發明允許非周期致動的計量，例如，當要在基板上印刷特定的非周期圖案時。
在上述實施例中，將致動裝置設計為產生從管子的未壓褶狀態開始的對管子的致動。可選擇的，在備用模式中，實施例還可以是部分或完全壓褶即壓縮管子。在圖10a中表示了這種實施例的示意性截面圖。在管子後方將其提供到背支架300。在管子100的相反一側，將壓電致動器302安裝到致動裝置的支架302上。將置換器306設置在壓電致動器302的前端。
在圖10a所示的結構中，在其備用模式中將管子100完全壓褶。以緩慢拉回壓電致動器302開始計量周期，使得部分釋放管子100的橫截面。在這一階段中，為了補償所增加的管子容積，在原先壓褶的區域，從相對於出口孔104在102端與管子100連接的貯液器中流出流體。然後通過快速延伸壓電致動器302再次減少管子容積，在出口孔端104以液滴形式實現有效的液滴操作。如上面實施例所述，可以由調節壓電致動器302的行進來確定計量，而且可以通過改變操作電壓或者分別改變在壓電致動器上的充電電流或放電電流來進行控制。和常規開放管相比，在圖10a中所示結構的優點在於具有明顯較低的計量材料蒸發率。
由此，本實施例保存整合封閉的機構。但是，其不利之處在於商業可獲得的常規壓電堆致動器的延伸狀態是施加電壓的狀態。當撤去電壓時，壓電堆致動器變短，為縮減狀態。因此，這意味著圖10a中所示的整合封閉機構的實施例會使一個連續但是輕微的能量消耗。為了充分利用該整合封閉機構的優點，即使在計量系統不使用的時候，在圖10a所示的實施例中分別連續施加電壓或對壓電致動器充電是有好處的。
可以通過提供一種帶有偏壓裝置的致動裝置來實現具有減少能耗的整合封閉機構，其中偏壓裝置例如是彈簧，為了獲得在備用模式下管子部分或全部壓褶使置換器壓向聚合物管。然後，致動裝置優選地具有一種致動器，配置為克服偏壓裝置的力移動該置換器以部分或全部釋放管子的橫截面。
在圖10b中表示這樣的一種整合封閉機構的實施例。又一次靠著後支架310提供管子100。在本實施例中，致動裝置包括彈簧312和壓電堆致動器314的組合。此外，致動裝置包括置換器316，其剛性接合到致動板318。在圖10b中，作為連接裝置的例子展示了兩個連接杆320和322。在彈簧312的右側端將其提供給後支架324，並且彈簧使置換器316壓向管子100以在致動器314的非工作狀態中壓褶管子。本實施例允許實現一種計量裝置，在電源電壓切斷時它的管子是被壓褶的，這使得其具有不需要連續能量消耗的整合封閉機構。
在切斷狀態，通過彈簧將置換器316壓在管子100上，把管子壓在後支架310上並被壓褶。如果要執行計量操作，通過施加電源延伸壓電致動器314，由此置換器316克服彈簧力復位。管子鬆開並且要計量的液體從管子與開口104相對的一側102的貯液器中流入。通過快速往回驅動壓電堆致動器318，由彈簧312再次將管子100壓褶，彈力的大小要足夠強。彈簧要有足夠大的剛性使得液體被以自由飛射的射流從出口孔104分配。通過對壓電致動器的行進調節再次確定計量，並且可以通過分別改變操作電壓或通過改變在壓電堆致動器中的充電或放電電流進行控制。
這裡，應當注意的是當管子不是被完全壓褶的時候，針對圖10a和10b討論的實施例也是有作用的。
在本發明的實施例中，分別通過可調節的置換器轂或致動裝置調節計量，在第一端部位置和第二端部位置之間移動該置換器，其中在第一端部位置和第二端部位置部分壓縮聚合物管。由此，第一端部位置確定一個大於第二端部位置的管子容積，這樣通過將置換器從第一端部位置移入第二端部位置，液體被從排出端配出。由此，第一端位置可以定義管子的完全鬆開狀態或者部分壓縮狀態。第二端部位置可以包括聚合物管的部分壓縮狀態或完全壓縮狀態。換句話說，在本發明的實施例中，通過可調節的致動裝置轂計量是可調節的，經過柔性聚合物管的部分光截面(light cross section)，分別通過致動裝置或者置換器可以移動管壁。相反的，當從非壓褶狀態到完全壓褶狀態的完全壓褶管子時，穿過管子的整個光截面移動管壁。
也可以實施在圖10a和圖10b中所示的實施例，從而使得可以改變致動裝置的位置，由此能夠改變從出口孔分配的計量容積。
權利要求
1.一種微計量裝置，包括具有柔性管子的流體導管(100；150)，該流體導管具有第一端(102)和第二端，該第一端用於連接到貯液器(200)上，出口孔(104)位於該第二端；和具有帶有可調節轂的置換器(108；108′；208；306；316)的致動裝置，通過該致動裝置可以改變柔性管子的一部分的容積，由此通過在第一端部位置和第二端部位置之間移動置換器(108；108′；208；306；316)在出口孔(104)處以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體，其中，至少在第一端位置或第二端位置處該管子被部分地壓縮。
2.根據權利要求1的微計量裝置，其中，所述柔性管子由聚醯亞胺構成。
3.根據權利要求1或2的微計量裝置，其中，所述柔性管子具有至少一沒有不穩定截面變化的部分，從而使得通過沿該部分改變致動裝置(108；108′；164；208)的位置，在致動裝置的位置和出口孔(104)之間的流體阻抗與在第一端(102)和致動裝置的位置之間的流體阻抗的比率是可變的，這樣在出口孔(104)處的計量容積輸出可變化至少10％。
4.根據權利要求1至3中任一項的微計量裝置，其中，所述管子可以通過置換器(108；108′；208；306；316)被壓縮過一預定長度，以使管子的容積改變。
5.根據權利要求4的微計量裝置，其中，置換器(108)具有相對於管子進行軸向不對稱的容積變化的形式。
6.根據權利要求1至5中任一項的微計量裝置，還具有用於沿管子在一個或所述位置上保持置換器(108)的裝置(150，152，162)。
7.根據權利要求1至6中任一項的微計量裝置，具有偏壓裝置(312)，用於使管子偏壓通過置換器(316)到完全或部分壓縮的狀態。
8.根據權利要求7的微計量裝置，其中，致動裝置具有設置用於克服偏壓裝置(312)的偏壓來移動置換器(316)的致動器(314，320，322)。
9.一種微計量裝置，包括具有第一端(102)和第二端的流體導管(100；150)，該第一端用於連接到貯液器(200)上，出口孔(104)位於該第二端，該流體導管(100；150)具有一個部分，沿該部分可以改變流體導管的截面，以使流體導管的容積變化；致動裝置(108；108′；164；208)，設置在沿流體導管的所述用於使流體導管的容積變化以由此從出口孔(104)以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體的部分的位置上，其中，通過改變致動裝置的位置，在致動裝置(108；108′；164；208)的位置和出口孔(104)之間的流體阻抗與在第一端(102)和流體導管(100；150)和致動裝置的位置之間的流體阻抗的比率是可變的，這樣在出口孔(104)處分配的計量容積可變化至少10％。
10.根據權利要求9的微計量裝置，其中，致動裝置具有置換器(108；108′；164；208)，通過該置換器流體導管(100；150)的所述部分可以被壓縮過一預定長度壓縮以使流體導管的所述部分的容積變化。
11.根據權利要求10的微計量裝置，其中，所述置換器(108)具有相對於流體管道(100；150)的所述部分進行軸向不對稱的容積變化的形式。
12.根據權利要求9至11中任一項的微計量裝置，還具有用於沿流體管道的所述部分在所述位置處保持致動裝置的裝置(150，152，162)。
13.根據權利要求1至12中任一項的微計量裝置，其中，在靜止狀態，流體管道(100；150)在第一端(102)和出口孔(104)之間沒有不穩定的截面變化。
14.根據權利要求1至12中任一項的微計量裝置，其中，在靜止狀態，流體管道(100；150)在第一端(102)和出口孔(104)之間具有基本上恆定的截面。
15.根據權利要求1至14中任一項的微計量裝置，還具有用於向流體導管提供壓差的裝置。
16.根據權利要求1至15中任一項的微計量裝置，其中，流體導管(100；150)具有通過毛細力使要計量的液體可以移動通過的截面區域。
17.根據權利要求1至16中任一項的微計量裝置，具有多個相應的流體導管，從而使得可以同時地或相繼地分配幾種相同或不同的液體。
18.根據權利要求17的微計量裝置，具有用於同時使多個流體導管的容積變化的致動裝置。
19.根據權利要求18的微計量裝置，其中，所述致動裝置是公用的置換器。
20.一種用於液體的計量分配的方法，包括以下步驟用要計量的液體填充具有柔性管子的流體導管(100；150)；通過帶有可調節轂的置換器(108；108′；208；306；316)使柔性管子的一部分的容積變化，由此通過在第一端位置和第二端位置之間移動該置換器(108；108′；208；306；316)在流體導管的出口孔(104)處以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體，其中，至少在第一端位置或第二端位置處該管子被部分地壓縮。
21.根據權利要求20的方法，還包括步驟沿著管子在一位置上設置置換器(108；108′；164；208)，通過該置換器管子可以被壓縮過一預定長度，以使管子的所述部分的容積變化。
22.根據權利要求21的方法，其中，流體導管(100；150)具有第一端(102)和第二端，該第一端連接到貯液器(200)上，出口孔(104)位於該第二端，該方法還包括以下步驟沿管子選擇置換器的位置以調節在置換器(108；108′；164；208)的位置和出口孔(104)之間的流體阻抗與在第一端(102)和致動裝置的位置之間的流體阻抗的比率，由此通過使容積進行變化在出口孔(104)處分配所需的計量容積。
23.根據權利要求21或22的方法，還包括步驟相對於柔性管子選擇具有軸向長度的置換器(108；108′；164；208)，通過使用該置換器使容積變化並在出口孔(104)處分配所需的計量。
24.根據權利要求22至23中任一項的方法，其中，在使容積變化的步驟中，進行相對於柔性管子的軸向不對稱的容積變化，以使流體在流體導管(100；150)中在優選的朝著出口孔(104)的方向流動。
25.根據權利要求20至24中任一項的方法，還包括提供帶有靜壓的流體導管(100；150)的步驟。
26.根據權利要求25的方法，其中，相對於出口端的靜壓是過壓，以當在流體導管(100；150)中使容積變化時產生具有優選的朝向出口孔(104)的方向的流體流動，和/或在計量過程之後支持再填充。
27.根據權利要求25的方法，其中，相對於出口端的靜壓是負壓，以當沒有進行容積變化時防止液體從出口端洩漏。
28根據權利要求20至27中任一項的方法，還包括在使容積變化的步驟之後返回容積變化的步驟，從而使得管子返回到初始狀態，其中在該步驟中發生流體導管(100；150)的毛細再填充。
29.一種使用根據權利要求9的微計量裝置在計量操作過程中調節所需計量容積的方法，包括以下步驟沿流體導管(100；150)的所述部分在預定位置上設置致動裝置(108；108′；164)，從而使得由於在使流體導管(100；150)的容積變化的步驟中所產生的流體阻抗的比率，可以在出口孔(104)處分配所需的計量容積。
30.一種使用根據權利要求10的微計量裝置在計量操作過程中調節所需計量的方法，包括以下步驟相對於流體導管(100；150)的所述部分選擇帶有徑向長度(l1，l2)的置換器(108；108′；164；208)，該置換器適於允許在使流體導管(100；150)的容積變化的步驟中在出口孔(104)處分配所需的計量容積。
全文摘要
一種微計量裝置，包括具有柔性管子的流體導管(100)，該流體導管具有第一端(102)和第二端，該第一端用於連接到貯液器上，出口孔(104)位於該第二端。提供帶有可調節轂的置換器(108)的致動裝置，通過該裝置可以改變柔性管子的一部分的容積，由此通過在第一端位置和第二端位置之間移動置換器(108)，在出口孔處以自由飛射液滴或自由飛射射流的形式分配液體(130)，其中，在第一端位置或第二端位置少該管子被部分地壓縮。換句話說，一種微計量裝置，包括流體導管(100)，該流體導管具有一部分，通過致動裝置沿該部分可以改變流體導管的橫截面以使流體導管的容積變化。通過改變致動裝置的位置，在致動裝置位置和出口孔之間的流體阻抗與在流體導管的第一端和致動裝置的位置之間的流體阻抗的比率是可以改變的，這樣在出口孔處分配的計量容積可變化至少10％。
文檔編號B01J19/00GK1835804SQ200480023262
公開日2006年9月20日 申請日期2004年8月12日 優先權日2003年8月14日
發明者羅蘭·岑格勒, 彼得·克爾泰, 沃爾夫岡·斯特羅伊勒, 格哈德·比克勒 申請人:赫爾曼·桑德邁爾, 羅蘭·岑格勒