PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE60309108T2 16.05.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001391611
Titel Fluidisches System mit konstanter Fördermenge
Anmelder Becton, Dickinson and Co., Franklin Lakes, N.J., US
Erfinder Vrane, David R., San Jose, California 95112, US;
Pierce O. Norton, Morgan Hill, California 95037, DE
Vertreter Patentanwälte von Kreisler, Selting, Werner et col., 50667 Köln
DE-Aktenzeichen 60309108
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 23.07.2003
EP-Aktenzeichen 030167746
EP-Offenlegungsdatum 25.02.2004
EP date of grant 18.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.05.2007
IPC-Hauptklasse F04B 49/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse F04B 11/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G01N 1/00(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   G01N 15/14(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Technisches Sachgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein System zum Regulieren einer Fluidströmung und insbesondere ein System, das geeignet ist, Flüssigkeit aus einem belüfteten Behälter zu pumpen und die Flüssigkeit in einer impulslosen Strömung an ein Instrument auszugeben.

Hintergrund der Erfindung

In der klinischen Forschung und in klinischen Anwendungen wird die Durchflussanalyse zum Analysieren der Eigenschaften von Zielpartikeln verwendet. Bei diesem System, wird ein Partikelstrom in die Mitte eines Hüllstroms injiziert. Die resultierende laminare Strömung wird durch eine optische Erkennungsstelle geleitet, an welcher der Strom beleuchtet und die Fluoreszenz der und/oder die Lichtstreuung durch vorbeigeleitete Zielpartikel gemessen wird. In Sortier-Analysatoren kann der Durchflussstrom anschließend in Tröpfchen aufgeteilt werden, wobei die Zielpartikel in die Tröpfchen verteilt sind. Diese Tröpfchen können sodann sortiert werden, um die interessierenden Partikel wiederzugewinnen.

Die Anforderungen an ein robustes Hüllstromausgabesystem sind a) das Bereitstellen einer adäquaten Durchflussleistung und b) eine vernachlässigbar geringe zeitliche Durchflussschwankung. Die Durchflussschwankung ist für Sortieranwendungen besonders wichtig. Während eines Sortiervorgangs wird ein Ziel an einer ersten Stelle analysiert und identifiziert, Tröpfchen werden stromabwärts an einer zweiten Stelle erzeugt, Tröpfchen werden für das Sortieren an einer dritten stromabwärtigen Stelle markiert (im allgemeinen durch Anlegen einer Ladung an das Tröpfchen), und die Tröpfchen werden an einer vierten stromabwärtigen Stelle sortiert (beispielsweise durch Leiten geladener Tröpfchen zwischen geladenen Platten hindurch). Die erste bis vierte Stelle sind entlang einem Strömungsweg verteilt. Das Sortieren der Tröpfchen erfordert eine genaue Übereinstimmung zwischen der Zielerkennung, der Tröpfchenbildung und dem Tröpfchenladen sowie der Ablenkung. Wenn die Wenn die Strömungsgeschwindigkeit in Impulsen variiert, wird eine derartige Koordination der Vorgänge erheblich erschwert.

Bei der in der Durchflusszytometrie verwendeten Hüllstromflüssigkeit handelt es sich im allgemeinen um eine phosphat-gepufferte Salz- oder eine andere isotonische Lösung. Bekannte Durchflussanalysesysteme verwenden einen druckbeaufschlagten Behälter zum Liefern der Durchflussströmung. Ein Regler schafft einen statischen Luftdruck über der freien Fläche des Hüllstromfluids innerhalb eines großen starren Tanks. Bei Hochdrucksystemen handelt es sich bei diesem Tank üblicherweise um einen druckbeaufschlagten Tank aus rostfreiem Stahl. Bei Anwendungen mit geringerem Druck besteht der Tank aus verstärktem Kunststoff. Der Druck in dem Tank treibt das Fluid in dem Tank zu einem Auslassrohr, das zu der Durchflussanalysezelle führt.

Bei derartigen großen Tanksystemen wird die Druckhöhe über der Hüllstromflüssigkeit in einem Tank variiert, um Druckverluste beim Absinken des Fluidpegels im Tank auszugleichen. Da die Durchflussvolumenanforderungen des Zytometers im Vergleich mit dem Volumen des Tanks gering sind, ist die mit der Volumenänderung einhergehende Druckveränderung eine allmähliche. Es ist für den Druckregler verhältnismäßig einfach, den Druck im Tank zu verändern, um den durch den fallenden Fluidpegel im Tank verursachten Druckverlust auszugleichen.

Dieses System weist eine Reihe von Nachteilen auf. Zunächst ist das System platzraubend und teuer. Zweitens ist das System relativ schwierig zu benutzen. Die Handhabung der großen, schweren Hüllstromtanks ist umständlich. Drittens fehlt es dem System an Flexibilität. Zum Hinzugeben oder Austauschen von Hüllstromfluid muss der Druck im Tank entspannt werden, die Zuführleitungen müssen getrennt werden, der Tank muss wieder befüllt (oder geleert und befüllt) und neu mit Druck beaufschlagt werden. Dies führt zu Systemstandzeiten und erfordert einige Fachkenntnisse, um die Durchgängigkeit der Systemleistung zu gewährleisten. In zahlreichen bekannten Systemen gleicht der Druckregler Druckschwankungen, die mit Veränderungen des Fluidpegels im Tank einhergehen, nicht automatisch aus. Stattdessen muss der Bediener den Reglerdruck mit der Veränderung des Pegels im Hüllfluidtank periodisch nachstellen. Dies erfordert Benutzerzeit und kann zu Fehlern führen.

Es wurden verschiedene Lösungen vorgeschlagen, die ein Verfahren zum Bewirken eines impulslosen Pumpens aus einem belüfteten Behälter angeben. Das US-Patent 6 227 807 beschreibt eine Einrichtung zum Regeln der Ausgabeströmung einer Pumpe. Die radiale Geschwindigkeit der Pumpe wird innerhalb bestimmter Segmente des radialen Wegs des Motors während der Pumpenumdrehungen geregelt. Dies erfolgt durch einen Speicher, einen Zähler und einen Verstärker. Diese regeln die Geschwindigkeit des Pumpenschrittmotors an bestimmten Punkten in dem Pumpzyklus. Die Abwärtshubdauer wird minimiert und ein Strömungsunterbrechungsfilter unterdrückt die Unterbrechung der Strömung während des Aufwärtshubs.

Die US-Patente 6 017 194 und 6 200 101, auf welches sich der Oberbegriff des Anspruchs 1 bezieht, beschreiben ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bewirken einer konstanten Flüssigkeitsdruckausgabe. Bei dieser Vorrichtung wird Flüssigkeit aus einem belüfteten Behälter durch eine Pumpe in einen Flüssigkeitssammler gepumpt. Ein Volumensensor für die Flüssigkeit in dem Sammler dient zur Regelung der Pumpe, derart dass die Flüssigkeit in dem Sammler auf einer konstanten Höhe gehalten wird. Die negative Federrate des Sammlerkolbens ist gleich der Summe der positiven Federraten der Regelfeder des Sammlers, des Membrankolbens und des Biegungssensorstützhebels. Der Biegungssensorstützhebel bewegt die Sammlermembran, wodurch ein Signal an die Pumpe ausgelöst wird. Diese Rückkopplungsschleife regelt die Pumpengeschwindigkeit, um einen konstanten Flüssigkeitspegel in einem Flüssigkeitssammler beizubehalten.

Zwar ermöglichen diese Lösungen das Pumpen aus einem belüfteten Behälter, jedoch sind alternative Verfahren zum Erzeugen einer gleichmäßigen Pumpenströmung erstrebenswert.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Strömungssystem zu schaffen, das eine konstante Strömung bewirkt. Dieses System sollte aus einem von einem Benutzer gewählten, nicht-druckbeaufschlagten Behälter gespeist werden. Es sollte nicht durch die Höhe des Fluidpegels in diesem nicht-druckbeaufschlagten Behälter beeinflusst sein.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein derartiges System mit geringeren Materialanforderungen zu schaffen. Ein derartiges System ist leichter und erfordert weniger Stellfläche.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, das eine weniger genaue Pumpenregelung erfordert und zur Verwendung mit verfügbaren pulsierenden Pumpen geeignet ist.

Das erfindungsgemäße System ist durch Anspruch 1 definiert.

Das Hüllflüssigkeitszuführsystem der vorliegenden Erfindung verwendet eine Pumpe, um Flüssigkeit aus einem nicht-druckbeaufschlagten Behälter zu ziehen und diese Flüssigkeit in eine Zuführleitung zu pumpen, welche in eine Dämpfungskammer mündet. Flüssigkeit strömt aus einem Auslass in der Dämpfungskammer durch ein Rohr in die Sammelkammer. Mindestens eine Öffnung begrenzt den Strömungsdurchmesser zwischen der Pumpe und der Sammelkammer. Die Kombination aus Sammelkammer und Öffnung wirkt als erster Stoßwellendämpfer für Pumpenimpulse.

Flüssigkeit strömt durch die Öffnung in eine Sammelkammer. Die Flüssigkeit in dieser Kammer wird auf einer bestimmten Höhe in dieser Kammer gehalten. Ein Druckwandler regelt die Druckhöhe über dieser Flüssigkeit. Die durch einen Sensor ermittelte Höhe der Flüssigkeit in der Kammer wird durch Ein- und Ausschalten der Pumpe geregelt. Die Sammelkammer wirkt als zweiter Stoßwellendämpfer, der die Impulse der Fluidströmung weiter dämpft. Am Boden der Sammelkammer befindet sich ein Auslass, der zu einem Analysesystem, beispielsweise einem Durchflusszytometer, einem Blutanalysator, oder einer anderen Vorrichtung führt, die eine konstante Fluidströmung mit einem konstanten Druck erfordert, welche derart behandelt ist, dass sie im wesentlichen impulsfrei ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist eine schematische Darstellung eines Fluidregelsystems.

2 ist eine schematische Darstellung eines Modells des Systems.

3 ist die komplexe Phasor-Form des Modells von 2.

4 zeigt eine Kurve der Hüllstromimpulsdämpfung für mit unterschiedlichen Frequenzen arbeitende Pumpen.

5 zeigt eine Kurve der Hüllstromimpulsdämpfung für Öffnungen unterschiedlicher Größe bei unterschiedlichen Pumpenfrequenzen.

6 ist eine Kurve der Hüllstromimpulsdämpfung bei unterschiedlichen Frequenzen für ein System mit einer einzelnen und zwei Tandemöffnungen.

7 ist eine Darstellung einer Ausbildungsform der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Das vorliegende System ermöglicht das Pumpen von Flüssigkeit aus einem nicht-druckbeaufschlagten Versorgungsbehälter und das Zuführen dieser Flüssigkeit frei von sowohl Pumpenimpulsen, als auch Druckschwankungen aufgrund des sich verändernden Flüssigkeitspegels in dem Versorgungsbehälter. Die Flüssigkeit wird einem Analysegerät mit wählbarem Druck zugeführt.

Die pulsierende Natur der Pumpenströmung verhindert, dass eine direkt von der Pumpe kommende Strömung zur Verwendung mit einem Durchflusszytometer geeignet ist, ohne zuvor die Strömung zu behandeln, um das Pulsieren zu dämpfen. Ohne Dämpfung würde das Pulsieren der Flüssigkeit die Leistung des Durchflusszytometers oder einer anderen Analysevorrichtung, welcher die Strömung zugeleitet wird, nachteilig beeinflussen.

Die Ausgabe der Pumpe wird durch die Flüssigkeitsmenge in dem Versorgungsbehälter beeinflusst. Der sich (mit dem durch das Abziehen von Fluid verändernden Flüssigkeitspegel in dem Behälter) verändernde Druck in dem Versorgungsbehälter beeinflusst das Pulsieren der Pumpe. Das Verwenden zweier Impulsdämpfer dämpft das Pulsieren der Pumpe ausreichend, so dass das Pulsieren die Leistung des Analysesystems nicht beeinflusst.

Systemimplementierung

Die schematische Darstellung in 1 zeigt eine pulsierende Pumpe 10 mit einem Einlassrohr 16, das in Hüllstromflüssigkeit 14 in einem belüfteten Versorgungsbehälter 12 angeordnet ist. Diese Pumpe kann eine Verdrängerpumpe sein, die Fluid in einer pulsierenden Strömung liefert. Der Behälter 12 ist nicht druckbeaufschlagt und kann bei laufender Pumpe und aus dem System strömendem druckbeaufschlagtem Fluid befüllt werden. Die Pumpe 10 pumpt Fluid aus dem Versorgungsbehälter 12 durch den Filter 15 in die Pumpenleitung 18. Die Flüssigkeit wird durch die Öffnung 20 in die Dämpfungskammer 28 gepumpt. Das Hüllfluid 14 strömt aus der Dämpfungskammer 28 durch die Öffnung 32 am Dämpfungskammerauslass. Während Flüssigkeit durch die Öffnung 20 in die Dämpfungskammer 28 gepumpt wird, wird Flüssigkeit durch die Öffnung 32 aus der Dämpfungskammer 28 verdrängt.

Das Fluid strömt durch die Öffnung 32 in das Rohr 30. Das Fluid bewegt sich durch das Rohr 30 in die Sammelkammer 40. Die Dämpfungskammer 28 wirkt zusammen mit der Öffnung 20 als erster Impulswellendämpfer und leitet einen großen Teil des Strömungsimpulses der Pumpe 10 ab. Die Sammelkammer 40 und die Öffnung 32 wirken als zweiter Impulswellendämpfer, um den Impuls der Pumpe 10 weiter zu dämpfen.

Das Hüllstromfluid 38 in der Sammelkammer 40 wird auf einer Höhe H1 gehalten, die innerhalb eines bestimmten Bereichs liegt. Wenn der Fluidpegel des Hüllstromfluids 38, wie durch einen Schwimmsensor 52 festgestellt, zu fallen beginnt, wird ein Signal über den Anschluss 56 an die Pumpe 10 ausgesandt. Die Pumpe wird aktiviert und zusätzliches Fluid wird in das Rohr 18 gepumpt. Sobald der Fluidpegel in der Sammelkammer 40 eine ausreichende Höhe erreicht hat, wird über den Anschluss 56 ein Signal ausgesendet, um die Pumpe zu deaktivieren. Der Schwimmsensor 52 und der Anschluss 56 können einen elektronischen Controller 57 aufweisen, der ein Signal von dem Schwimmsensor 52 empfängt und dieses Signal an die Pumpe 10 weiterleitet.

Die Druckhöhe über dem Fluid in der Sammelkammer 40 wird durch den Druckregler 50 geregelt. Der Druckregler leitet Druck über den Einlass 51 in die Sammelkammer 40. Druckbeaufschlagtes Gas wird durch das Rohr 53 von dem Druckregler 50 in die Sammelkammer 40 geleitet. Das druckbeaufschlagte Gas bewegt sich durch den Filter/Entnebler 55, bevor es in die Sammelkammer 40 eintritt. Die Druckhöhe über dem Fluid in der Sammelkammer 40 wird konstant gehalten. Der aufgebrachte Druck über die flüssigkeitsfreie Fläche treibt das Fluid aus der Sammelkammer durch eine Austrittsöffnung 41 in ein Rohr 42, das zu der Analysevorrichtung führt. Das System ermöglicht somit das Abziehen von Fluid aus einem belüfteten oder nicht-druckbeaufschlagten Behälter und liefert diese Flüssigkeit frei von sowohl Impulsen, als auch von Druckschwankungen aufgrund sich ändernder Fluidpegel in dem Versorgungsbehälter, mit einem spezifizierten Druck an ein Durchflusszytometer oder eine andere Analysevorrichtung. Der Versorgungstank kann sogar ausgewechselt werden, während die Sammelkammer einen Hüllfluidstrom an das System liefert. Dies würde ohne Störung der Strömung geschehen, solange der Flüssigkeitspegel in der Sammelkammer innerhalb der vorgegebenen Höhentoleranz liegt.

Modell des Systems

Es wurde ein Modell des Systems entwickelt, um ein besseres Verständnis des vorliegenden Systems zu ermöglichen. Dieses Modell sagt die Leistung voraus und ist an Unterschiede in Bauteilen, die in dem System verwendet werden, anpassbar. Wenn die Spezifikationen der Pumpe bekannt sind, kann das Modell diese Informationen verwenden, um die Anforderungen an die anderen Bauteile (beispielsweise Kammerabmessungen, Öffnungsabmessungen, etc.) zu bestimmen.

Dieses Modell berücksichtigt die Verwendung einer einzelnen Öffnung. Eine Darstellung des Modells findet sich in 2. Die Pumpe 10 ist als Wechselstromquelle ausgelegt. Der Induktor 60 und der erste Widerstand 62 sind Eigenschaften der Rohrleitung von der Pumpe zur Dämpfungskammer. Die Dämpfungskammer ist als Kondensator 64 ausgebildet. Die Öffnung ist als Widerstand 66 und das Rohr, das die Dämpfungskammer und die Sammelkammer verbindet, ist als Induktor 68 und Widerstand 67 ausgebildet. Die Sammelkammer ist als Kondensator 70 ausgeführt. Das von der Sammelkammer wegführende Rohr ist durch den Induktor 72 und der Widerstand 73 ausgebildet, während die Düse, aus der das Fluid in der Strömungszelle strömt, der Widerstand 74 ist. Der Druckregler 50 ist durch die Schaltungspunkte 84, 86 mit dem System verbunden. Die Rückkopplungsregelung des Druckwandlers 90 ist als Schaltungspunkt 82 angegeben. Mit Hilfe dieses Modells kann die Fluiddämpfung analysiert werden. Die Elemente außerhalb der gestricchelten Linie sind nicht Bestandteil der Modellanalyse.

Das Modell der elektrischen Schaltung kann an fluidische Systeme angepasst werden. Das vorliegende Hüllfluidsystem, das als analoge elektrische Schaltung modelliert ist, ist in 2 dargestellt. In 2 geben die Symbole R, L und C den Widerstand, die Induktanz bzw. die Kapazitanz des Fluidelements des Systems an. Der Widerstand ist der Strömungswiderstand, die Induktanz gibt das Strömungsmoment wieder, und die Kapazitanz ist ein Mass der Veränderung des Drucks in Abhängigkeit von dem Volumen in einem Behälter. Das elektrische und fluidische Modell ist derart ausgebildet, dass elektrische Prinzipien analog auf die Fluidoperationen übertragen werden können. Die Werte jedes Elements (Widerstand, Induktanz und Kapaztianz) sind von den physikalischen Eigenschaften des Fluids (beispielsweise Viskosität) sowie den physischen Abmessungen der einzelnen fluidischen Elemente abhängig.

Widerstand kann entweder aus viskosem Widerstand oder konvektiver Beschleunigung resultieren. Das Verhältnis zwischen dem Druckabfall, dem Volumendurchsatz und dem viskosen Widerstand einer voll entwickelten Strömung durch ein Rohr ist analog zu dem Ohm'schen Gesetz: V = IR : P = QR wobei die Spannung V analog dem Druck P, der Strom I analog dem Durchsatz Q und der elektrische Widerstand R analog dem Fluidwiderstand R ist.

Der viskose Widerstand einer vollständig entwickelten Strömung durch ein Rohr mit kreisförmigem Querschnitt ist angegeben durch: wobei &mgr; die dynamische Viskosität des Fluids, L die Rohrlänge (eines Rohres mit kreisförmigem Querschnitt) und d den Durchmesser des Rohres angibt. Bei einer konvektiven Beschleunigung resultiert der Strömungswiderstand aus einer plötzlichen Veränderung des Fluidmoments. Bei Anwendung dieses Modells auf ein fluidisches Element ist bei einer Öffnung der Druckabfall von einer Seite der Öffnung zu der anderen proportional zu dem Quadrat der Geschwindigkeit der Strömung.

Bei geringen Fluktuationen um eine mittlere Geschwindigkeit (wie bei fluidischen Impulsen) jedoch, wird die Beziehung zwischen der Öffnung und der Geschwindigkeit linearisiert, um die Frequenzanalyse zu vereinfachen. Bei dem vorliegenden Modell sind die linearisierten Widerstandswerte für die Öffnung und die Düse aus Herstellerdaten und empirischen Geschwindigkeitsmessungen abgeleitet.

Induktanz entsteht aus lokaler Beschleunigung von Fluidmasse, die durch ein bestimmtes fluidisches Element (beispielsweise ein Rohr) läuft. Die Beziehung für die Fluidinduktanz durch einen Durchlass mit der Länge L und der Fläche A ist aus dem zweiten Newton'schen Gesetz abgeleitet: wobei F die Kraft, m die Masse, a die Beschleunigung und &rgr; die Dichte des Fluids bezeichnet. Das Verhältnis auf der rechten Seite des Doppelpunkts ist analog zu dem Faraday/Henry-Verhältnis für elektrische Induktanz:

Aus diesem Verhältnis ergibt sich, dass die Induktanz (L) eines kreisrunden Rohres mit der Länge L und dem Durchmesser d angegeben wird durch:

Kapazitanz kann in einem fluidischen Kreislauf kann durch zwei Hauptursachen bewirkt werden: (1) Verformung (oder Nachgiebigkeit) massiver Begrenzungswände oder -rohre; und (2) die Komprimierbarkeit einer Fluidphase. Wenn flüssiges Wasser die einzige Phase ist, ist (1) üblicherweise die Hauptquelle der Kapazitanz. Wenn jedoch auch ein komprimierbares Gas bei relativ geringem Druck vorhanden ist, dominiert der Typ (2) der Kapazitanz über den Effekt der Behälterverformung, insbesondere wenn der Behälter aus einem starren Material besteht. In dem vorliegenden System weist die Dämpfungskammer ein Volumen an komprimierbarem Gas auf und der Effekt der Kapazitanz des Typs (2) überwiegt. Der Ausdruck für die Kapazitanz des Typs (2) ist direkt aus dem Masseerhaltungsgesetz und dem Gesetz des idealen Gases abgeleitet. Dies ist analog zu dem Maxwell-Verhältnis für die elektrische Kapazitanz: wobei das Verhältnis des Gasvolumens v zu dem mittleren Druck P die Fluidkapazitanz C angibt. Bei ausreichend geringen Schwankungen des Drucks gilt dieses Verhältnis als konstant, wodurch eine lineare Behandlung des Systems möglich ist. Bei einem zylindrischen Luftvolumen mit der Höhe H und dem Durchmesser D wird die Fluidkapazitanz ausgedrückt als:

Nachdem die fluidischen Elemente als physikalische Parameter definiert sind, wird der Kreislauf von 1 wie im folgenden gezeigt in Phasor-Form umgewandelt: [Hayt et al., 1986]. Das Ziel dieser Schaltung ist es, bei einem Eingang mit sowohl Gleichstrom-, als auch Wechselstromkomponenten eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen. Bei der gegebenen Linearität der Schaltung ist es lediglich erforderlich, die Verstärkung des zeitabhängigen Teils des Eingangssignals zu berücksichtigen (und zu minimieren). Zu diesem Zweck wird die in 2 dargestellte Schaltung in der komplexen Phasor-Form, der Frequenzdomänen-Form neu geformt, wie in 3 dargestellt. In der Phasor-Form werden die in 3 dargestellten komplexen Impedanzen unter Verwendung der Kirchhoff'schen Strom- und Spannungsgesetze manipuliert, um die folgende Transformationsfunktion für die Systemverstärkung zu bilden:

Analytische Anwendung des Modells

Die physikalischen Werte der Impedanz wurden basierend auf den groben Abmessungen eines Hüllfluidzufuhr-Versuchsaufbaus berechnet. Diese Werte sind in der Tabelle 1 für einen Systemdruck von 5,17 bar angegeben. Zwar ist dies nicht angegeben, jedoch wurden auch Betriebsdrücke von 3,10 bar (45 psi) und 0,83 bar (12 psi) berücksichtigt. Der Öffnungswiderstand basierte auf dem Pumpendurchsatz von ungefähr 80 ml/min bei einem Arbeitstakt von 7%. Die Arbeitsfluide des Modells waren Wasser und Luft (Wasser hat eine Viskosität, die den üblicherweise als Hüllstrom verwendeten gepufferten Salzlösungen ausreichend ähnlich ist, um für dieses Modell zu genügen). Die Dichte und die dynamische Viskosität des Wassers bei 20°C wurden mit 998 kg/m3 und 10,03E-4-Pa·s angesetzt.

4 zeigt die Impulsfilterungsleistung der Sammelkammer-Hüllfluidzufuhr als Funktion des Betriebsdrucks. Das Vorhandensein des Pols ist ein Kennzeichen eines Systems zweiter Ordnung. Bei 5,17 bar (75 psi) tritt dieser Pol, oder Resonanzpunkt, bei ungefähr 1,65 Hz auf. Die niedrigeren Drücken dämpfen der viskose Widerstand und die erhöhte Luftkomprimierbarkeit die Verstärkung und die Resonanzfrequenz des Pols. Dies führt bei einer gegebenen Pumpfrequenz zu einer verbesserten Dämpfungsleistung bei geringeren Drücken.

Bei der aktuellen Pumpfrequenz von 4,36 Hz beträgt die Verstärkung bei 5,17 bar (75 psi) ungefähr 4,96E-3. Dieses System gemäß Tabelle 1 verwendet zwischen der Dämpfungskammer und der Sammelkammer eine Verengung mit einem Öffnungsdurchmesser von 0,012 Inch, erhältlich von Air Logic, San Jose, Kalifornien. Leichte Verbesserungen der Dämpfung lassen sich jedoch durch die Wahl einer kleineren Öffnung erreichen. 5 zeigt den Einfluss der Öffnungsgröße auf die Dämpfungsleistung. Durch Ändern des Öffnungsdurchmessers von 0,31 mm (0,012 Inch) auf 0,254 mm (0,010 Inch) sinkt die Dämpfung auf 2,35E-3 bei 5,17 bar (75 psi). Änderungen der Öffnungsgröße haben die größte Wirkung bei geringen Frequenzen, während bei hohen Frequenzen die Verstärkungskurven asymptotisch auf eine Kurve zusammenfallen, wie in 5 dargestellt. Die schlechte Leistung bei niedrigen Frequenzen weist jedoch allgemein darauf hin, dass Pumpen (oder Pumpenbetrieb) mit niedrigen Frequenzen vermieden werden sollten.

Die Dämpfung des Systems kann ferner durch Untersuchen des Verhältnisses von Vout zu Vin verbessert werden. Erhöhungen von Z1 und Z3 bieten eine direkte Möglichkeit, die Dämpfung zu verbessern, da diese Terme nur in dem Nenner auftreten. Da Z3 (durch R3) bereits die bei weitem größte Impedanz in dem System ist, wird die einfachste Verbesserung der Dämpfung erreicht, indem Z1 durch Erhöhen des Widerstandswerts von 62 erhöht wird. 6 zeigt die Auswirkung des Anordnens einer zweiten Air Logic Öffnung mit einem Durchmesser von 0,254 mm (0,01 Inch) in der Hüllfluidleitung stromaufwärts des Dämpfungstanks. Infolge der zusätzlichen Öffnung sinkt die Verstärkung von 2,35E-3 auf 1,42E-4 bei 4,36 Hz, woraus sich eine Impulsdämpfung von 0,014% ergibt. Eine Impulsdämpfung besser als 1·10–3 gilt als ausreichend für eine Durchflusszytometrieleistung.

Tabelle 1 gibt physikalische Ventile für fluidische Elemente und deren Umwandlung in analoge elektrische Elementparameter für ein Sammelkammer-Hüllfluidzufuhrsystem an, das mit 75 psi bei einem konstanten Volumendurchsatz von 6 ml/min arbeitet.

Systembeispiel

7 zeigt ein System, das für die Implementierung des Modells ausgelegt ist. 7 zeigt eine unabhängige Version des Systems, die bei einigen Ausführungsformen an einem Analysesystem anbringbar ist.

Wie in 7 dargestellt ist eine Basisplatte 31 an einer Stützplatte angebracht. Die Stützplatte ist eine Befestigungsplatte aus Aluminium, während die Basisplatte 31 aus PVC besteht. Die Sammelkammer 40 und die Dämpfungskammer 28 bestehen aus dem gleichen Material wie die Basisplatte 31 und sind mittels Sägegewinden an der Basisplatte 31 angebracht. Ringdichtungen dienen dem dichten Verbinden der Lippe der Sammelkammer 40 und der Dämpfungskammer 28 mit der Aufnahmefläche der Basisplatte. Dies gewährleistet eine sichere Abdichtung jeder Kammer und schafft einen leckfreien Betrieb bei 5,17 bar (75 psi). Es wird ein leckfreier Betrieb bei höheren psi erwartet, jedoch nicht getestet.

In dem System saugt die Pumpe Flüssigkeit aus einem nicht duckbeaufschlagten Behälter 12, der Hüllstromflüssigkeit 14 enthält. Diese Flüssigkeit wird in das Rohr 16 gesogen, das zu dem Pumpeneinlass 11 der Pumpe 10 führt. Bei der für diese Ausführungsform des Systems verwendeten Pumpe handelt es sich um eine KNF NF1.30 Membranpumpe mit modifiziertem Hub. Fluid tritt durch den Auslass 13 aus der Pumpe 10 in das Rohr 16 aus, das mit dem Einlass 17 verbunden ist. Der Einlass 17 leitet das Fluid durch den Filter 15, um sicherzustellen, dass Partikelmaterial vor dem Eintritt des Fluids in die Druckbehandlungselemente und die Analysevorrichtung entfernt wird. Bei einer Ausführungsform der Vorrichtung ist der Filter ein Pall Ultipor N66 0,2 &mgr;m Filter. Nach dem Passieren des Filters 15 strömt das Fluid in das Rohr 18.

Das Rohr 18 führt zu der Dämpfungskammer 28. Der Einlass 20 und der Auslass 32 der Dämpfungskammer 28 weisen Öffnungen auf. Bei einer Ausführungsform werden einstückige Air Logic Öffnungen von 0,254 mm (0,01 Inch) verwendet. Die Kombination der Dämpfungskammer und einer oder mehrerer Öffnungen ermöglicht ein erhebliches Behandeln der Impulse der Pumpe. Die Flüssigkeit fließt aus der Öffnung 32, bevor sie die Sammelkammer 40 erreicht, wodurch die Fluidströmung weiter behandelt wird. Bei einer Ausführungsform sind sämtliche Flüssigkeitsleitungen unter Verwendung von 10–32 Schlauchstutzenverbindungen mit einem Innendurchmesser von 1,59 mm mit dem System verbunden.

Das Fluid fließt aus der Sammelkammer 40 in den Auslassschlauch 42, der mit der Sammelkammer 40 durch den Auslassstutzen 41 verbunden ist. Der Auslassschlauch 42 leitet die Hüllstromflüssigkeit zu einem (nicht dargestellten) Analyseinstrument.

Das System weist ein Luftdruckbeaufschlagungssystem auf, um den Druck in der Sammelkammer 40 innerhalb einer eingestellten Toleranz aufrecht zu halten. Der Gaseinlassschlauch 71 bewirkt den Einlass von Gas in die Gaseinlassöffnung 72 des Luftdruckreglers 50. Gas (beispielsweise Luft) unter geregeltem Druck wird in das Rohr 74 durch die Auslassöffnung 73 eingeleitet. Das druckbeaufschlagte Gas bewegt sich durch das Rohr 74 und in die Filter-/Entnebelungsanordnung 55. Dies gewährleistet, dass das bei der Druckverringerung aus der Sammelkammer austretende Gas keine Flüssigkeit enthält, welche den Regler beschädigen oder die Systemleistung anderweitig beeinflussen könnte. Das System gewährleistet ferner, dass keine Partikel in die Sammelkammer eingebracht werden. Das von dem Filter/Entnebler kommende Auslassrohr 53 ist über die Kupplung 51 mit der Sammelkammer 40 verbunden. Der Druckgeber 90 mist den Druck in der Sammelkammer 40 und überträgt die Messung über eine elektronische Verbindung an den Druckwandler.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird dem System mittels eines Druckreglers vom Typ Control Air 900EX geregelte Luft zugeführt. Ein SMC NAFM/NAF 2000 Entnebler/Luftfilter ist zwischen dem Druckregler und der Sammelkammer angeordnet, um zu verhindern, dass Feuchtigkeit den Regler während Druckentspannungsvorgängen beschädigt. Ein Tescom 100-100-2127 Druckwandler dient dem Messen des momentanen Drucks in der Sammelkammer.

Das System weist ferner ein System zum Regeln der Pumpenströmung durch Aktivieren oder Deaktivieren der Pumpe auf, um den Fluidpegel in der Sammelkammer 40 innerhalb einer Höhentoleranz zu halten. Der Schwimmsensor 52 bestimmt den Fluidpegel in der Sammelkammer 40. Das Signal des Sensors 52 wird über die Leitung 56 übertragen. Wie dargestellt, überträgt die Leitung 56 an ein Relais 57. Das Relais 57 ist elektronisch mit einer Pumpe 10 derart verbunden, dass das Relais die Pumpe 10 aktiviert, wenn der Pegel in der Sammelkammer unter einem gewählten Pegel liegt, und die Pumpe 10 deaktiviert, wenn der Fluidpegel über einem gewählten Pegel liegt. Dies hält den Fluidpegel innerhalb einer gegebenen Toleranz. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die der Pumpe zugeführte Energie über ein Relais mittels eines GEMS LS-300 Schwimmerschalters geregelt, um den Flüssigkeitspegel in der Sammelkammer beizubehalten.

Eine Vielzahl alternativer Anordnungen dieses exemplarischen Systems ist möglich. Das System kann eine unabhängige Vorrichtung sein oder als Teil eines Durchflusszytometers oder eines anderen Analysesystems ausgebildet sein. Wenn dieses System als Teil eines größeren Systems ausgebildet ist, können sich sämtliche Elemente des Systems auf einer Seite eines Schaltbretts befinden. Bei einem unabhängigen System können sich die Elemente auf einer oder beiden Seiten des Schaltbretts befinden. Darüber hinaus können die elektronischen Regler in die Elektronik des übrigen Systems eingebunden sein.

Es existiert eine Anzahl von Alternativen für verschiedene Elemente der vorliegenden Vorrichtung. Der als Schwimmersensor dargestellte Fluidpegelsensor kann auch ein optischer Sensor oder eine beliebige andere Vorrichtung zum Bestimmen des Fluidpegels in einem Behälter sein. Die Luftdruckregelung kann auch eine beliebige Kombination von Elementen sein, welche es ermöglichen, die Sammelkammer auf einem konstanten Druck zu halten. Eine Anzahl verschiedener Materialien kann an die vorliegende Vorrichtung angepasst werden. Das Gas in der Sammelkammer kann entweder aus einem Tank geliefertes Gas oder Luft sein. Das Gas und die Hüllstromflüssigkeit können vor dem Einlass durch einen Vorfilter gesogen werden. Andere Alternativen sind möglich, um das vorliegende System an spezifische Anwendungen anzupassen.


Anspruch[de]
System zum Bewirken einer konstanten Fluidströmung aus einem Fluidquellenbehälter (12), wobei das System aufweist:

eine pulsierende Pumpe (10), die Fluid aus dem Behälter (12) pumpt,

eine Sammelkammer (40) mit einem Auslass (42),

einen Volumensensor (52), der das Fluidvolumen in der Sammelkammer (40) erkennt, wobei der Sensor die Pumpe (10) aktiviert, wenn das Fluidvolumen in der Sammelkammer unter einen bestimmten Pegel sinkt, und die Pumpe deaktiviert, wenn das Fluidvolumen in der Sammelkammer über einem bestimmten Pegel liegt;

gekennzeichnet durch

einen in Fluidverbindung mit der Pumpe stehenden Impulsdämpfer (20, 28), wobei der Dämpfer Fluidimpulse dämpft, wobei die Sammelkammer (40) Fluid von dem Dämpfer (20, 28) empfängt, und

eine in Fluidverbindung mit der Sammelkammer (40) stehende Druckquelle (50), die einen Staudruck in der Sammelkammer bewirkt.
System nach Anspruch 1, bei dem der Impulsdämpfer (20, 28) aus einer Dämpfungskammer (28) und einer Öffnung (20) besteht, die derart angeordnet sind, dass von der Pumpe (10) gepumptes Fluid in Verbindung mit der Dämpfungskammer ist, bevor es durch die Öffnung fließt. System nach Anspruch 2, bei dem der Impulsdämpfer zwei Öffnungen (20, 32) in einem Fluidweg von der Pumpe zu der Sammelkammer aufweist. System nach Anspruch 1, bei dem der Volumensensor (52) ein Schwimmsensor ist. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Ansaugfilter (15), der zwischen der Pumpe (10) und dem Impulsdämpfer (20, 28) derart angeordnet ist, dass gepumptes Fluid durch den Filter strömt. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Ansaugfilter (15), der zwischen dem Behälter (12) und der Pumpe (10) derart angeordnet ist, dass gepumptes Fluid durch den Filter strömt. System nach Anspruch 5 oder 6, bei dem der Ansaugfilter (15) ein 0,2 Mikron-Filter ist. System nach Anspruch 1, ferner mit einem Luftstromfilter (55), der von der Druckquelle (50) kommende Luft filtert. System nach Anspruch 1, bei dem die Druckquelle (50) einen Druckregler (90) aufweist. System nach Anspruch 1, bei dem die Druckquelle (50) einen Druckwandler (90) aufweist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com