专利名称：用于移动流体中颗粒的装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于移动流体中的特别是雷诺数大于0. 5的颗粒的装置和方法。
背景技术：
这种装置已知为例如在实验室使用转动的离心机对液体溶液中悬浮颗粒执行离 心过程。在离心过程中，颗粒和溶液质量密度之间的差引起作用在质量上的惯性力。特别 地，产生了作用在颗粒上的离心力，颗粒的质量密度高于溶液的并且通过驱使它们离开旋 转中心而将它们从溶液分离。但是，离心机需要昂贵的机械和笨重的设备，这占据了生产或 研究实验室很大的空间，并因此特别在小型的自动化实验室或机器人系统中更难于实施。 而且，当以典型的每分钟几百或几千转旋转时，离心机的转子提供高动能，该转子必须是坚 固的金属结构。由材料缺陷或操作误差引起的可能的操作误差将该动能释放到环境中，因 而造成了对手动控制离心机使用者的高潜在危险性。用于从流体分离颗粒的其它装置使用基于声学分离的技术。US5，164，094的装置 是这种示例，其中流体中的颗粒凝聚在静止声场的节点区域或凸出区域。在凝聚之后，颗粒 通过沉淀从流体中分离。因此，使用两个过程从流体分离颗粒。
发明内容
本发明的目的是提供一种用于移动流体中特别是雷诺数大于0. 5的颗粒的有效 装置和有效方法。本发明的优选改进是从属权利要求的内容。拣设备和根据权利要求37 的检测设备，其实施根据权利要求1的装置、根据权利要求M的计算机代码和根据权利要 求阳的存储用于操作该装置或方法的操作数据的存储介质。本发明的装置，用于移动流体中特别是雷诺数大于0.5的颗粒，包括容器部分， 适于容纳该流体并且适于执行包括该容器部分的多次重复位移的位移过程；包括至少一个 驱动设备，适于产生该位移，该位移包括该容器部分从第一位置到第二位置的第一运动和 该容器部分从该第二位置返回该第一位置的第二运动，其中，在该第一运动中，该容器部分 至少暂时以第一速度移动，并且其中，在该第二运动过程中，该容器部分至少暂时以不同于 该第一速度的第二速度移动，并且其中，通过该位移过程，能够引起该颗粒相对于该容器部 分定向运动的力作用在流体的该颗粒上，其中该容器部分的该第一和第二速度控制，即影 响或确定颗粒的该运动。该装置能够移动该颗粒是基本基于其重复位移该容器部分的特性，其中，在单一 的位移过程中，对包含流体的该容器部分施加两个不同的速度。可以用于移动颗粒以将其 从流体中分离或混合入流体而产生的力是流体中颗粒的流体动态阻力Fip的结果，这将在 下面的描述中得出。在本发明的内容中，术语流体指无论施加的应力有多�。谑┘拥募羟杏αο铝� 续变形的物质。因此，流体优选为液体但不限于液体，并且流体也可以包括具有流体性质的 气体、凝胶以及特别是粉末，和其它可流动的固体材料。优选地，液体流体是生物溶液，例如细胞培养基或血清，或包含溶液的营养物(例如基于牛奶，果汁等)，或化学溶液，基于有机 (例如，包含碳)或无机(例如，水)溶液和混合物，其可以还包括化学品、药物、药品或化妆 品。所述流体也可以是共存相或流体的混合物。根据本发明的装置和方法优选使用基本不 可压缩的流体，例如研究实验室中使用的类似于水的液体或其它液体。本发明内容中的颗粒优选为固体或包括固相。它们也可以至少部分是凝胶状或 液体。这种颗�？梢允腔谒芰�、树脂、玻璃、硅、陶瓷、金属或半导体的颗粒或基于这些材 料的混合物的珠子(bead)。该颗�？梢蕴乇鸫踊芤夯蚱渌烫宀牧匣衔镏谐恋沓� (其必须从溶液中分离或混合入溶液中)，或者可以是特别的材料。优选地，该颗粒是生物 酵母、细菌、细胞、类似人体血细胞、神经元、造骨细胞等。该颗粒的尺寸优选范围从0. 5 μ m 至5μ ，从5μπι至ΙΟΟμ ，以及从100 μ m至1mm，但也可以在1匪至10匪之间或不同的范 围。至少一种流体中的颗粒混合物(特别涉及不同的雷诺数)也可以是适合的。与流体中 的颗粒的系统相关的雷诺数(下面为‘Re/ )应该特别至少暂时大于0.5，其中雷诺数是流 体中的该颗粒的惯性力与粘滞力的比率，并因此对于给定的流动条件量化了这两种类型力 的相对重要性。液体中理想化的球状颗粒的雷诺数一般定义为Rep = Dp*x' /(P1/P1),其中，Dp是颗粒直径，χ' p(也就是'vp')是流体中颗粒的典型速度(特别是相 对于包含伴随流体的颗粒的容器C的位置)，μ工是流体的动态粘滞力并且P！是流体的特 定密度。对于非球形的颗粒，特定形状对速度X' 5有贡献，并因而对该雷诺数有贡献。参考
图1，沿X-轴上下移动的容器(C)中的液体(1)中颗粒(P)的运动受颗粒的 重量Fp、提升力Fa、液体摩擦力!^和加速的容器产生的力Fc的影响。没有容器的运动，重力 将引起溶液中的颗粒向下缓慢沉淀，其中，颗粒具有比溶液更高的质量密度。正在移动的容器中的液体(1)中颗粒(ρ)的运动方程推导为χ" rel/g = I-P1ZPp-Xc" /g-ip./p, ± 3/4 * 1/Dp * 1/g * χ' rel2 * CD)，(方程 1)其中xrel是颗粒相对于容器的位置，χ' rel是颗粒相对于容器的速度，X" rel是颗粒相 对于容器的加速度，g是重力加速度(="9. 81m/s2)，P工是流体的特定密度，P p是颗粒的 特定密度，xe、x'。和χ"。分别是容器关于静止坐标系统的位置、速度和加速度，其中χ表 示向上的方向，Dp是颗粒直径并且Cd是阻力系数，其中对于Itep < 1000, Cd = 24/Rep+4*Rep_1/3 并且对于 1000 < Rep < 2*105(牛顿区(Newton region)), Cd = 0. 44。对于Itep < 0· 5，斯托克斯区(stokes region)，根据 Cd = 24/Rep, Cd 与 Itep 成 反比。在流体中位置X的具有横截面积A的颗粒的流体动态阻值Fn5Og定义为Fip = 1/2* P ^x' 2*A*Cd。对于球状颗粒，横截面积是A= (ji/4*Dp2)。因此对于斯托克斯区，流 体动态阻力FrP(stokes)5与溶液中的颗粒速度成比例，其中，μ是流体 的动态粘滞力。正在移动的容器中溶液(1)中的球形颗粒(P)的替代运动方程可以由下式给定
权利要求
1.一种特别用于移动流体中雷诺数大于0.5的颗粒的装置(1)，包括容器部分O)，适于容纳所述流体，所述装置适于执行位移过程，其包括所述容器部分的多次重复位移，至少一个驱动设备(3)，其适于产生所述位移，所述位移包括所述容器部分从第一位置到第二位置的第一运动和所述容器部分从所 述第二位置到后续位置的后续运动，其中，在所述第一运动过程中，所述容器部分至少暂时以第一速度移动，并且其中，在 所述后续运动过程中，所述容器部分至少暂时以不同于所述第一速度的第二速度运动，并且其中，通过所述位移过程，能够引起所述颗粒关于所述容器部分定向运动的力作 用在该流体中的所述颗粒上，其中，所述容器部分的所述第一和第二速度控制该颗粒的所 述运动。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述后续运动是该第二运动并且所述后续位置是 所述第一位置，以使得所述位移包括所述容器部分从第一位置到第二位置的第一运动和 所述容器部分从所述第二位置返回所述第一位置的第二运动。
3.如权利要求1所述的装置，用于移动流体中雷诺数大于0.5的颗粒。
4.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置适于使得所述力能 够引起所述颗粒相对于所述容器部分的速度χ' rel，其中，所述力依赖于χ' Ml2，特别是Λ rel °
5.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置适于根据位移频率 fc的周期性重复位移执行所述位移过程。
6.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制设备，其适 于控制所述位移过程。
7.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括控制设备，其适 于控制所述位移，即所述第一运动和所述第二运动。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述控制设备适于控制所述第一和/或第二 速度。
9.如权利要求6至8中至少一项所述的装置，其特征在于，所述控制设备适于控制所述 容器部分的位移运动，包括根据由作为时间函数的位移或速度函数ve(t)表达的预定 路径的所述第一和第二运动。
10.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置和驱动设备适于执 行所述容器部分的位移运动，包括根据由作为时间函数的所述位移或所述速度函数 Vc(t)表达的预定路径的所述第一和第二运动。
11.如权利要求9或10所述的装置，其特征在于，v。(t)包括对应于所述第一运动和第 一速度的(th且包括对应于所述第二运动和第二速度的v2e(t)it)
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于， (认的平均值与V2。⑴平均值不同。
13.如权利要求9或10所述的装置，其中，x。(t)是时间的周期函数，具有周期Τ、振幅 A和频率fc。
14.如权利要求13所述的装置，其中，x。(t)是非正弦周期函数。
15.如权利要求13所述的装置，其中，x。(t)是锯齿状函数。
16.如权利要求13所述的装置，其特征在于，每个周期T内的该位移包括作为 增加的斜率的第一斜率的第一侧面部分和作为减少的斜率的第二斜率的第二侧面部分，其 中，所述第一斜率对应于所述容器部分的所述第一速度，并且所述第二斜率对应于所述容 器部分的所述第二速度。
17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，所述第一斜率和所述第二斜率的绝对值 不同，并且因此所述第一速度和所述第二速度的绝对值不同，这造成作用在该流体中的所 述颗粒上的力，该力能够引起所述颗粒关于所述容器部分的运动。
18.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该容器部分的所述第二速度的 绝对值大于所述第一速度的绝对值，这造成作用在该流体中所述颗粒上的力，该力能够引 起所述颗粒在第二方向上关于所述容器部分的运动。
19.如前述权利要求中任一项所述的装置，其特征在于，该容器部分的所述第二速度的 绝对值低于所述第一速度的绝对值，这造成作用在该流体中所述颗粒上的力，该力能够引 起所述颗粒在第一方向上关于所述容器部分的运动。
20.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述驱动设备适于使得所述 容器部分的位移方向是可变的，并且所述容器部分的位移可能在多于一个的方向上，从而 可以控制该流体中所述颗粒的运动方向。
21.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述驱动设备适于使得所述 容器部分的位移方向在空间中的所有方向可变，从而可以控制该流体中所述颗粒的运动方 向。
22.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其中，所述装置包括多个驱动设备，每一 个与所述容器部分连接并且适于有助于所述位移过程。
23.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置适于执行位移过 程，其增加或减小颗粒关于所述容器部分的相对速度χ' relo
24.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置适于执行位移过 程，其将颗粒关于所述容器部分的相对速度χ' rel归零。
25.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置适于执行位移过 程，其将颗粒关于所述容器部分的相对速度χ ‘ 反向，造成所述颗粒关于所述容器部分 的反向运动。
26.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置适于控制位移过 程，以使得所述装置在空间的预定路径上，特别是沿着作为时间函数的任意路径，关于所述 容器部分移动颗粒。
27.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述容器部分包括至少一个 第一部分和至少一个第二部分，所述第二部分与所述第一部分相邻并且与所述第一部分连 接，所述第一和第二部分每一个适于容纳至少一种流体，该流体初始包含至少两种类型颗 粒的混合物，其中，所述混合物包括有关第一雷诺数的至少一种第一类型的颗粒和有关第 二雷诺数的至少一种第二类型的颗粒，所述第二雷诺数与所述第一雷诺数不同，所述装置 适于通过借助所述至少一个驱动设备执行位移过程将所述颗粒的混合物分离，以使得所述 第一类型的颗粒变得集中在所述第一部分内并且所述第二类型的颗粒变得集中在所述第 二部分内。
28.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述容器部分包括至少一 个第一部分和至少一个第二部分，所述第二部分与所述第一部分相邻并且与所述第一部分 连接，所述第一和第二部分适于容纳至少一种流体，该流体包含至少两种类型的颗粒，即关 于第一雷诺数的至少一种第一类型的颗�：凸赜诘诙着凳闹辽僖恢值诙嘈偷目帕＃� 所述第二雷诺数与所述第一雷诺数不同，所述第一部分适于初始容纳高浓度的颗粒，所述 装置适于通过借助所述至少一个驱动设备执行位移过程，将所述颗粒从高浓度的所述第一 部分混合入所述第二部分，以使得所述颗粒在所述第一和第二部分变得以更低的浓度分 布。
29.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述容器部分包括至少一个 容器(7)。
30.如前述权利要求中至少一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括至少一个连接 设备G)，其将所述容器部分与所述驱动设备相连接。
31.如权利要求1至30中至少一项所述的装置，所述装置适于执行所述容器部分的震 动运动，其特别适合于从所述容器部分的壁震落液滴。
32.如权利要求1至32中至少一项所述的装置，所述装置适于运行根据下面权利要求 中至少一项的方法。
33.一种如权利要求1至30中至少一项所述的装置的应用，通过向所述容器部分所包 括的容器的底部移动所述颗粒，从流体分离特别是具有大于0. 5的雷诺数的颗粒。
34.一种权利要求1至30中至少一项所述的装置的应用，通过将所述颗粒移动入该流 体，将集中在所述容器部分中的至少一部分流体内的、具有大于0. 5的雷诺数的颗粒混合。
35.一种如权利要求30所述的装置的应用，用于执行包含所述流体的容器部分的震动 运动。
36.一种用于根据物理参数分拣颗粒的分拣设备(100 ；120 ；130)，包括如权利要求1 至32中至少一项所述的装置，并且还包括分配给该容器部分的、容纳具有该颗粒的该流体 的分布部分(7 ‘)。
37.一种探测设备(110)，包括如权利要求36所述的分拣设备，并且还包括检测设备 (12，13)，以检测借助该分拣设备分拣的、该流体中一种类型的颗粒的至少一种物理性质。
38.一种特别用于移动流体中雷诺数大于0. 5的颗粒的方法，包括步骤在容器部分容纳具有所述颗粒的所述流体；执行位移过程，其包括借助所述驱动设备多次重复所述容器部分的位移；通过借助所述驱动设备执行所述容器部分从第一位置到第二位置的第一运动和所述 容器部分从所述第二位置到后续位置的后续运动，来执行所述位移，其中，在所述第一运动过程中，所述容器部分至少暂时以第一速度移动，并且其中，在 所述后续运动过程中，所述容器部分至少暂时以不同于所述第一速度的第二速度移动，借助所述位移过程对该流体中的所述颗粒施加力，其能够引起所述颗粒关于所述容器 部分的定向运动，其中，所述容器部分的所述第一和第二速度控制该颗粒的所述运动。
39.如权利要求38所述的方法，其中，所述后续运动是该第二运动，并且所述后续位置 是所述第一位置，以使得所述位移包括所述容器部分从第一位置到第二位置的第一运动和 所述容器部分从所述第二位置返回所述第一位置的第二运动。
40.如权利要求38所述的方法，用于移动流体中雷诺数大于0.5的颗粒，特别用于至少 暂时移动雷诺数大于0. 5的颗粒。
41.如权利要求38所述的方法，其特征在于，所述颗粒的运动方向依赖于所述第一和 第二速度的方向。
42.如权利要求38至41中任一项所述的方法，其特征在于，所述力能够引起所述颗粒 相对于所述容器部分的速度χ' &，其中，所述力依赖于χ' rel2，特别是Χ" &。
43.如权利要求38至42中任一项所述的方法，其特征在于，包括所述容器部分的第一 和第二运动的位移运动沿着由作为时间函数的位移xc⑴或速度函数ve(t)表达的预定路 径。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于，v。(t)包括对应于所述第一运动和第一速 度的(th并包括对应于所述第二运动和第二速度的v2e(t)it)
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，(t)i的平均值与n2C (t) i的平均值不同。
46.如权利要求43所述的方法，其特征在于，x。(t)是时间的周期函数，具有周期Τ、振 幅A和频率fc。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于，对于相同的预定频率和相同的振幅A， 通过进一步减小速度Vl。(t)和v2e(t)中较小的一个而增加该颗粒的运动。
48.如权利要求46或47所述的方法，其特征在于，对于相同的预定频率和相同的振 幅A，通过进一步增加速度Vl。(t)和v2e(t)中较大的一个而增加该颗粒的运动。
49.如权利要求46至48中任一项所述的方法，其特征在于，对于相同的振幅A，通过增 加频率而增加该颗粒的运动。
50.如权利要求46至49中任一项所述的方法，其特征在于，对于相同的频率fe，通过 增加该振幅A而增加该颗粒的运动。
51.如权利要求38至50中至少一项所述的方法，使用如权利要求1至32中至少一项 所述的装置。
52.一种根据物理参数分拣颗粒的分拣方法，其使用如权利要求40至51中任一项所述 的方法步骤，并且还包括步骤使用该颗粒的运动，以在分布部分中分布该颗粒。
53.一种检测方法，包括如权利要求52所述的分拣方法，并且还包括步骤通过检测构 件检测借助该分拣设备分拣的一种类型颗粒的至少一种物理性质。
54.一种计算机代码，控制如权利要求1至37中任一项所述的装置的容器部分的位移。
55.一种数据存储介质，存储用于操作如权利要求1至37中任一项所述的装置或者运 行如权利要求38至53中任一项所述的方法的数据。
全文摘要
本发明涉及一种装置，特别用于移动流体中雷诺数大于0.5的颗粒，其包括容器部分，适于容纳该流体，并且适于执行包括该容器部分的多次重复位移的位移过程；包括至少一个驱动设备，适于进行该位移；至少一个连接该容器部分和该驱动设备的连接构件，该位移包括该容器部分从第一位置到第二位置的第一运动和该容器部分从该第二位置返回该第一位置的第二运动，其中，在该第一过程中，该容器部分至少暂时以第一速度移动，并且其中，在该第二运动过程中，该容器部分至少暂时以不同于第一速度的第二速度移动，并且其中，通过该位移过程，能够引起该颗粒关于该容器部分定向运动的力作用在流体的该颗粒上，其中该容器部分的该第一和第二速度控制，即影响或确定颗粒的该运动。本发明还涉及一种特别用于移动流体中雷诺数大于0.5的颗粒的方法。
文档编号G01N15/06GK102065970SQ200980119965
公开日2011年5月18日 申请日期2009年5月29日 优先权日2008年5月30日
发明者托马斯·弗里希格赛尔, 沃纳·卢尔茨 申请人:艾本德股份有限公司
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