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Title:
FLUID ANALYSIS DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2012/159672
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a fluid analysis device (10) having a base device (12) and a separate replaceable fluidic module (14), having a two-part microfluidic fluid diaphragm pump (20, 21, 22; 80). The fluid analysis device (10) comprises a pump chamber (34) and a pump diaphragm (54) having a ferromagnetic displacement means (40) operatively connected to the pump diaphragm (54). The pump chamber (34), the pump diaphragm (54) and the displacement means (40) are provided on the fluidic module (14). A magnetic element (50) that generates a variable magnetic field is provided on the side of the pump diaphragm (54) facing away from the pump chamber (34). The displacement means (40), and the pump diaphragm (54) moved thereby, is moved between an intake position and a discharge position by the magnetic field in order to generate a pumping movement of the pump diaphragm (54), wherein the magnetic element (50) is provided on the base device (12).

Inventors:
UTHEMANN ROLF (DE)
KUSSMANN MICHAEL (DE)
Application Number:
PCT/EP2011/058544
Publication Date:
November 29, 2012
Filing Date:
May 25, 2011
Export Citation:
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Assignee:
HACH LANGE GMBH (DE)
UTHEMANN ROLF (DE)
KUSSMANN MICHAEL (DE)
International Classes:
F04B17/04; B01L3/00; F04B43/04; F04B53/10; F15C5/00; H02K44/06
Domestic Patent References:
WO2002057744A22002-07-25
WO2005031163A12005-04-07
WO2007114912A22007-10-11
Foreign References:
US20020098122A12002-07-25
US20050069424A12005-03-31
US20050238506A12005-10-27
US6116863A2000-09-12
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
PATENTANWÄLTE TER SMITTEN EBERLEIN RÜTTEN (DE)
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Claims:
A N S P R Ü C H E

1. Fiüssigkeits-Anafysegerät (10) mit einem Basisgerät ( 12) und einem separaten austauschbaren Fiuidikmodui ( 14), mit einer zweigeteilten mikrofluidischen Flüssigkeits-Membranpurnpe (20, 21, 22; 80) mit einer Pumpkammer (34) und einer Pumpmembran (54) mit einem mit der Pumpmembran (54) in Wirkverbindung verbundenen ferromagnetischen Verdrängermittel (40), wobei die Pumpkammer (34), die Pumpmembran (54) und das Verdrängermitte! (40) an dem Fluidikmodu! (14) vorgesehen sind, und

einem Magnetelement (50) an der der Pumpkammer (34) abgewandten Seite der Pumpmembran (54), das ein veränderbares Magnetfeld erzeugt, durch das das Verdrängermittel (40) und die hierdurch bewegte Pumpmembran (54) zur Erzeugung einer

Pumpbewegung der Pumpmembran (54) zwischen einer Saugposition und einer Ausstoßposition bewegt wird, wobei das Magneteiement (50) an dem Basisgerät (12) vorgesehen ist,

2. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach Anspruch 1, wobei das Verdrängermittel (40) ein flüssiges Ferrofiuid in einem Ferrofluidraum (39) des Fluidikmoduis ( 14) an der der Pumpkammer (34) abgewandten Pumpmembran-Seite ist.

3. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach Anspruch 1, wobei das Verdrängermittel (80) ein ferromagnetischer Feststoffkörper ist.

4. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Magnetelement (50) permanentmagnetisch ist und senkrecht zu der Membran-Grundebene beweglich und derart angeordnet ist; dass es bei seiner Bewegung zwischen seinen beiden Endpositionen das Verdrängermittel (40) magnetisch mitnimmt, wobei das Magnetelement (50) durch eine Antriebsanordnung (44) angetrieben wird,

5. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach Anspruch 4, wobei das Magnetelement (50) aus Seltenen Erden besteht,

6. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach Anspruch 4 oder 5, wobei der magnetische Schwerpunkt (41,41') des Ferrofluid- Verdrängermittels (40,40') in seinen beiden Endpositionen zwischen den beiden Positionen des magnetischen Schwerpunktes (51,51') des Magnetelements (50,50') in seinen beiden Endpositionen liegt.

7. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach einem der Ansprüche 4 ~ 6, wobei die Antriebsanordnung (44) einen Elektromagneten (48) aufweist, der das Magnetelement (50) mittelbar oder unmittelbar aktuiert.

8. Flüssigkeits-Anaiysegerät (10) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei das Magnetelement (82) ein Elektromagnet ist, der unmittelbar das Verdrängermittel (80) aktuiert.

9. Flüssigkeits-Anaiysegerät ( 10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei ein Vorspannelement (72; 72') vorgesehen ist, das das Magneteiement (50), das Verdrängermitte! (80) und/oder die Pumpmembran (54) in die Ausstoßposition vorspannt, wobei die Pumpmembran (54) in ihrer Ausstoßposition eine Einiassöffnung (56) und/oder eine Auslassöffnung (58) der Pumpkammer (34) verschließt.

10. Flüssigkeits-Analysegerät (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Membranpumpe (20; 80) ventllfrei ausgebildet ist.

Description:
B E S C H R E I B U N G

Ferrofluid-Mikropumpe

Die Erfindung bezieht sich auf ein zweiteiliges Fiüssigkeits-Analysegerät, das aus einem Basisgerät und einem austauschbaren separaten Fluidikmodu! besteht, in dem mindestens der größte Teil der flüssigen Fluidik angeordnet ist. Das Analysegerät weist eine zweigeteilte mikrofluidische Flüssigkeits-Membranpumpe für den Transport der Flüssigkeit in dem Fluidikmodul auf.

Derartige Fiüssigkeits-Anaiysegeräte können sowohl als Labor- Anafysegeräte zur Durchführung einzelner Messungen als auch als Prozess-Analysegeräte zur quasi-kontinuierlichen Bestimmung eines Anaiyts in einer Flüssigkeit, beispielsweise in Wasser, ausgebildet sein. Das Fluidikmodul weist den größten Teil der flüssigen Fluidik oder die gesamte flüssige Fluidik auf, einschließlich der zum Flüssigkeits-Transport erforderlichen Pumpmimiken. Die zweiteilige Membranpumpe ist in den Pumpenantrieb und die Pumpmimik gegliedert, wobei der Pumpenantrieb an bzw. in dem Basisgerät und die Pumpmimik an bzw. in dem Fluidikmodul angeordnet ist. Problematisch hierbei ist eine störungsunempfindliche und präzise Kopplung des basisgerätseitigen Pumpenantriebs mit der fluidikmodulseitigen Pumpmimik.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein zweiteiliges Fiüssigkeits- Analysegerät mit einer präzisen und zuverlässigen zweiteiligen mikrofluidischen Flüssigkeits-Membranpumpe zu schaffen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit den Merkmalen des Anspruches 1.

Das erfindungsgemäße Anaiysegerät weist eine Membranpumpe auf, die an bzw. in dem Fluidikmodu! eine Pumpkammer, eine Pumpmembran und ein mit der Pumpmembran in Wirkverbindung verbundenes ferromagnetisches Verdrängermittel aufweist. Das Verdrängermittel bewegt die eiastische Pumpmembran zwischen einer Saugposition und einer Ausstoßposition, und drückt die Pumpmembran auf dem Weg in die Ausstoßposition in die Pumpkammer hinein, so dass die Pumpkammer geleert wird. Die Pumpenteile des Fluidikmoduls bilden die Pumpmimik.

Das Basisgerät weist ein Magnetelement auf, das an der der Pumpkammer abgewandten Seite der Pumpmembrane angeordnet ist. Das Magnetelement ist also rückseitig der Pumpmembrane angeordnet und nicht, von der Pumpmembrane aus gesehen, jenseits der Pumpkammer angeordnet. Das Magnetelement erzeugt ein veränderbares Magnetfeld, durch das das ferromagnetische Verdrängermittel und die durch das Verdrängermittel bewegte Pumpmembran zur Erzeugung einer Pumpbewegung der Pumpmembran zwischen einer Saugposition und einer Ausstoßposition bewegt werden. Das veränderbare Magnetfeld kann auf verschiedenen Wegen generiert werden, beispielsweise durch einen schaltbaren stationären Elektromagneten oder durch einen Dauermagneten der mechanisch bewegt wird.

Der Pumpenantrieb und die Pumpmimiken der zweiteiligen Membranpumpe sind zur Übertragung der Pumpbewegung von dem Pumpenantrieb zu dem Verdrängermittel ausschließlich magnetisch und berührungslos miteinander gekoppelt. Das Basisgerät und das Fluidikmodul können, jedenfalls in Bezug auf die Membranpumpe, völlig öffnungsfrei ausgebildet sein. Hierdurch werden eine hohe Zuverlässigkeit und Genauigkeit der zweigeteilten Membranpumpe sichergestellt. Das Verdrängermittel kann als ferromagnetischer steifer Feststoffkörper ausgebildet sein. Das Verdrängermittel bildet einen Stempel, der ungefähr die Form der Pumpkammer aufweist und die Pumpmembran in die Pumpkammer hineindrücken kann.

Alternativ ist das Verdrängermittei ein flüssiges Ferrofluid in einem Ferrofluidraum des Fluidikmoduls, der an der der Pumpkammer abgewandten Seite der Pumpmembran angeordnet ist. Die Pumpmembran trennt die Pumpkammer von dem Ferrofiuidraum. Das Volumen des Ferrofluidraums muss mindestens so groß sein wie das Volumen der Pumpkammer, damit das gesamte Ferrofluid in der Saugposition der Pumpmembran in den Ferrofiuidraum geschoben werden kann. Durch die Verwendung eines flüssigen Ferrofiuids als Verdrängermittel wird über die gesamte Fläche der Pumpmembran eine homogene Spannungsverteilung sichergestellt, wodurch der Verschleiß der Pumpmembran verringert und die Langzeitgenauigkeit der Membranpumpe verbessert werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Magnetelement permanentmagnetisch ausgebildet und senkrecht zu der Membran- Grundebene beweglich angeordnet. Bei seiner Bewegung nimmt das permanentmagnetische Magnetelement das Verdrängermittei mit und bewegt das Verdrängermittei auf diese Weise zwischen seiner Saugposition und seiner Ausstoßposition. Das Magnetelement besteht bevorzugt aus Seltenen Erden, beispielsweise aus Neodym. Derartige Magnetelemente können über lange Zeit ein relativ starkes statisches Magnetfeld generieren.

Das permanentmagnetische Magnetelement wird durch eine separate Antriebsanordnung angetrieben. Die Antriebsanordnung kann aus einem elektromotorischen Antrieb bestehen, der das permanentmagnetische Magnetelement über eine entsprechende Mechanik zwischen seinen Endpositionen bewegt. Alternativ kann die Antriebsanordnung einen Elektromagneten aufweisen, der das Magnetelement mittelbar oder unmittelbar zwischen seinen beiden Endpositionen bewegt.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung Ist ein Vorspannelement vorgesehen, das das Magneteiement, das Verdrängermittel und/oder die Pumpmembran in die Ausstoßposition vorspannt. Die Pumpmembran verschließt in ihrer Ausstoßposition eine Einlassöffnung und/oder eine Auslassöffnung der Pumpkammer, Durch das Vorspannelement verschließt die Pumpmembran im energielosen Zustand des Pumpenantriebs die Einiassöffnung bzw. die Auslassöffnung, so dass ein Flüssigkeits-Fiuss im Bereich der Membranpumpe unterbunden wird. Insbesondere wird bei abgeschaltetem Analysegerät auf diese Weise ein Rückfluss vermieden. Die Membranpumpe kann daher vorzugsweise völlig ventilfrei ausgebildet sein,

Im Folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert«

Es zeigen :

Figur 1 eine schematische Darstellung eines Flüssigkeits-Analysegerätes bestehend aus einem Basisgerät und einem separaten austauschbaren Fluidikmodul,

Figur 2 eine zweigeteilte mikrofluidische Fiüssigkeits-Membranpumpe des Analysegerätes der Figur 1, und

Figur 3 eine zweite Ausführungsform einer zweigeteilten mikrofluidischen Fiüssigkeits-Membranpumpe,

In der Figur 1 ist schematisch ein Flüssigkeits-Analysegerät 10 dargestellt, das vorliegend ein als Tauchsonde ausgebildetes Prozess-Analysegerät zur Wasseranalyse ist. Das Analysegerät bestimmt fotometrisch ein Analyt in dem Wasser.

Das Analysegerät 10 ist zweiteilig ausgebildet, und besteht aus einem Basisgerät 12 und einem separaten austauschbaren Fluidikmodul 14, das die gesamte flüssige Fiuidik des Analysegerätes aufweist. In dem Basisgerät 12 ist unter anderem eine Steuerung 36 zur Steuerung mehrerer zweigeteilter mikrofiuidische Flüssigkeits-Membranpumpen 20, 21,22 und ein Fotometer 28 ohne die dazugehörige Messstrecke untergebracht, die sich in bzw. an dem Basismodul 14 befindet.

Das Basismodul 14 weist einen Trägerflüssigkeits-Tank 26 auf, von dem aus die Trägerflüssigkeit zu einer Dialysemembran 24 fließt, wo das Anaiyt durch eine ionenselektive Dialysemembran 24 hindurch in die vorbeifließende Trägerflüssigkeit diffundiert. Von der Dialysemembran 24 aus fließt das Dialysat zu einer Peristaitikpumpe 19, die von den drei Membranpumpen 20, 21,22 gebildet wird, die jeweils identisch zueinander ausgebildet sind. Dem Dialysat wird ein Reagenz zugeführt, das beispielsweise durch eine zweite Peristaitikpumpe genau dosiert werden kann. Die Peristaitikpumpe 19 pumpt das Dialysat mit dem Reagenz zu einer Messstrecke 27, in der das Dialysat fotometrisch vermessen wird, Anschließend wird das Dialysat in einen Abfalltank 30 gepumpt.

Das Basismodul 14 enthält ausschließlich verschleißfreie Baugruppen, während das Fluidikmodui die verschleißenden Baugruppen aufweist, insbesondere alle flüssigkeitsführenden Baugruppen und -teile.

Der Aufbau einer ersten Ausführungsform einer zweigeteilten mikrofiuidischen Flüssigkeits-Membranpumpe 20 ist in der Figur 2 dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine Membranpumpe, bei der ein ferromagnetisches Verdrängermittel 40 als flüssiges Ferrofluid ausgebildet ist.

Das Fluidikmodui 14 wird im Wesentlichen von drei Kunststoff- Platten 60, 62,64, einer elastischen Membran 54 und einem Ferrofluidraum- Behälter 66 gebildet. Die drei Platten 60, 62,64 sind miteinander verklebt oder verschweißt. In der mittleren Platte 62 ist eine Pumpkammer 34 ausgebildet, die als konkave Mulde in die mittlere Platte 62 eingelassen ist. Am Kammerboden sind eine Einlassöffnung 56 und eine Auslassöffnung 58 vorgesehen, durch die die zu pumpende Flüssigkeit in die Pumpkammer 34 einfließt bzw, aus dieser wieder herausfließen kann.

In der Öffnungsebene der Pumpkammer 34 ist eine elastische Pumpmembran 54 angeordnet, die in der Figur 2 in der Ausstoßposition mit dem Bezugszeichen 54 und mit dem Bezugszeichen 54' in der Saugposition dargestellt ist.

Die proximale Platte 64 weist eine Öffnung 68 auf, durch die das Ferrofiuid 40 in den rückseitig der Pumpmembran 54 gelegenen Hohlraum einfließen und aus diesem wieder heraus fließen kann, um hierbei die Pumpmembran 54 in ihre Ausstoßposition zu spannen bzw. in ihre Saugposition entspannen zu lassen.

Der Ferrofluidraum-Behälter 66 umschließt einen Ferrofluidraum 39, dessen Volumen ein Vielfaches des Volumens der Pumpkammer 34 beträgt. Der Ferrofluidraum 39 ist mit einem flüssigen Ferrofiuid 40 gefüllt, wobei in dem Ferrofluidraum 39 mindestens ein Luftvolumen vorhanden ist, das mindestens das Volumen der Pumpkammer 34 aufweist. Die Oberseite des Ferrofluidraums 39 ist durch einen gasdurchlässigen jedoch flüssigkeitsdichten Membrankörper 77 verschlossen, beispielsweise durch eine sogenannte Fritte, damit sich das Ferrofiuid-Volumen in dem Ferrofluidraum 39 verändern kann. Das Ferrofiuid 40 ist ferromagnetisch, d.h. es wird von einem äußeren Magnetfeld angezogen. Das Ferrofiuid 40 in dem Ferrofluidraum 39 hat einen magnetischen Schwerpunkt 41,41', der in Abhängigkeit davon, ob die Pumpkammer 34 rückseitig der Pumpmembran 54 mit dem Ferrofiuid gefüllt ist oder nicht, wandert. Wenn die Pumpmembran 54' in ihrer Saugposition steht, nimmt das Ferrofiuid 40' in dem Ferrofluidraum 39 ein größeres Volumen ein, so dass sich auch der magnetische Schwerpunkt 41' des Ferrofluids in dem Ferrofluidraum 39 nach oben verschiebt.

An dem Basisgerät 12 ist als Magnetelement 50 ein ringförmiger Permanentmagnet aus Seltenen Erden, beispielsweise aus Neodym, angeordnet, der axial verschiebbar ist. Der magnetische Schwerpunkt 51,51' des Magnetelements iässt sich auf diese Weise ebenfalls verschieben. Die beiden endpositionsseitigen magnetischen Schwerpunkte 41,41' des Ferrofiuids 40,40' in dem Ferrofiuidraum 39 sind innerhalb des Intervalls angeordnet, das durch die beiden endpositionsseitigen magnetischen Schwerpunkte 51,51' des Magnetelements 50,50' definiert sind. Durch das axiale Verschieben des Magnetelements 50,50' zwischen den beiden Endpositionen kann das Ferrof!uid 40 entweder in die Pumpkammer 34 gedrückt oder aber aus dieser abgesaugt werden. Das Magneteiement 50 ist an einem nicht-ferromagnetischen Haitering 70 fixiert, an dessen anderem Längsende ein ringförmiger Permanentmagnet 46,46' angeordnet ist, der durch einen Elektromagneten 48 in Form einer Ringsspule in beide Richtungen aktiv aktuiert werden kann. Der Elektromagnet 48 und der Permanentmagnet 46 bilden eine Antriebsanordnung 44.

Durch Änderung der Flussrichtung des Spulenstroms in dem Elektromagneten 48 wird der ringförmige Permanentmagnet 46, der axial magnetisiert ist, zwischen seinen beiden Endpositionen verschoben. Hierdurch wird über das Magneteiement 50 auch das ferrofluidische Verdrängermittel 40,40' in dem Ferrofiuidraum 39 zwischen seinem Saugvolumen und seinem Pumpvolumen verändert.

Es ist ein Vorspannelement 72 in Form einer Druckfeder vorgesehen, das das Magneteiement 50 in seine Pumpposition vorspannt, so dass bei elektrisch abgeschaltetem Analysegerät 10 die Pumpmembran 54 ebenfalls in ihrer Pumpposition steht und sowohl die Einlassöffnung 54 als auch die Auslassöffnung 58 verschließt. Ein Rückfluss ist daher auch bei abgeschaltetem Analysegerät 10 ausgeschlossen. Hierdurch kann die Membranpumpe 20 vollständig ventilfrei ausgebildet werden.

In der Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer zweiteiligen mikrofluidischen Flüssigkeits-Membranpumpe 80 dargestellt. Das Verdrängermittel 81 ist vorliegend als ferromagnetischer steifer Feststoffkörper ausgebildet, und weist einen pilzförmigen Verdrängerkörper auf, der ungefähr die komplementäre Außenform zu dem Boden der Pumpkammer 34 aufweist. Als Magnetelement 82 ist vorliegend ein Elektromagnet vorgesehen, der unmittelbar auf das ferromagnetische Verdrängermittel 81 wirkt. Ein als Druckschraubenfeder ausgebildetes Vorspannelement 72' spannt das Verdrängermittel 81 in die Pumpposition vor.