帶電盒及位于外殼內的其他裝置的制作方法

專利名稱：帶電盒及位于外殼內的其他裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及向位于外殼內的裝置提供電源的系統和方法。
背景技術：
無線通信的使用已經很普遍了，尤其在資產管理中，特別是與庫存
管理相關的那些應用領域。例如，使用RFID標簽允許對生產線以及通 過供應鏈條移動的物件或部件進行監控。
為了進一步說明該概念，當部件進入生產設備中時，制造單位可以 將RFID標簽附著在所述部件上。然后，這些部件插入生產流程中，與 其它部件結合形成子組件，最終得到完整的產品。使用RFID標簽允許 制造單位內的工人追蹤整個制造過程中的個別部件的移動。它還允許該 單位識別包括任意具體部件或己完成產品的特定部件。
此外，已經在藥品和制藥領域中提倡使用RFID標簽。在2004年2
月，美國聯邦政府和藥品管理局發布了一個提倡使用RFID標簽來標記 和監控藥品。這樣做的目的是試圖提供家譜并且限制假冒的處方藥滲透 到市場和消費者中。
根據上述介紹，RFID標簽已經用于多種領域，例如用來識別并提 供用于過濾器產品的處理控制的信息。1997年授權給Den Dekker的美 國專利5674381公開了與過濾裝置和可替換過濾組件結合的"電子標簽" 的使用。尤其是，該專利公開了一種過濾器，該過濾器具有一種電子標 簽，該電子標簽具有讀/寫存儲器以及相關過濾裝置，該過濾裝置具有響 應于該標簽的讀出裝置。該電子標簽適于計算和存儲可替換過濾器的實 際操作小時數。基于該實時數據，該過濾裝置適于允許使用或拒絕使用 該過濾器。該專利還公開了該電子標簽可以用來存儲關于可替換過濾器 的識別信息。
由Baker等人申請的、2005年公開的美國專利申請號為 US2005/0205658的專利申請公開了一種加工設備追蹤系統。該系統包括 使用與加工設備結合的RFID標簽。所描述的該RFID標簽能夠存儲"至 少一個可追蹤事件"。這些可追蹤事件被列舉為清除時間以及批處理時 間。該公開文本還公開了一種RFID讀取器，該RFID讀取器可連接到 其中存在加工設備數據庫的PC或互聯網。該數據庫包含多個可追蹤事 件，并且能夠提供在確定"基于累加數據的加工設備的使用壽命"中有用 的信息。該申請包括使用具有多種加工設備的類型的系統，例如閥、泵、 過濾器以及紫外線燈。
由Jormtz等人提交的、2004年公開的、美國專利申請公開號為 No.2004/0256328的另一件專利申請公開了一種用于監控過濾裝置的完 整性的裝置和方法。該公開文本記載了與過濾器外殼結合的、包含有單 板存儲器芯片和通信裝置的過濾器的使用。該過濾器外殼作為監控和整 體性測試器。該申請還公開了一組步驟，用來確保多圈外殼中使用的過 濾器元件的完整性。這些步驟包括查詢存儲元件，從而核實正在使用的 過濾器的類型、過濾器的極限數據和出廠數據。該申請還記載了一種用 于將信息中繼到外部監控和測試單元的內部發射機應答器。天線設置于 靠近過濾器外殼上的發射機應答器。
許多這些申請都需要由電驅動外殼內的裝置。在一些申請中，使用 小電池足以滿足這些申請的需要，然而在許多申請中，甚至在更多潛在 的將來提交的申請中，由這種電池所提供的小的電量不足以給外殼內的 電子裝置供電。
結合在過濾器元件中的電源連接器連接到外殼中的合適的匹配連接 器是困難的。解決方案是需要能夠忍受極端環境的匹配連接器，上述極 端環境例如溫度(特別是在模制和蒸汽清潔過程中)以及流體流動。因 此，會懷疑例如這些連接器之間密封的質量和完整性的問題。
因此，需要可靠地提供電力給密封在外殼內的裝置，而不會影響質 量和安全性，并且不會特別增加包含濕表面的新材料，其中該裝置例如 是過濾器元件。

發明內容
本發明克服了現有技術的缺點，其記載了一種用于向位于外殼內的 裝置提供電源的系統和方法，該裝置例如是過濾器元件或位于其上的電
學元件。在一些情況下，使用外殼內的導線是不切實際的，這是因為內 部條件的問題，例如流體流動、壓力或溫度。本發明在電源和一個或多 個密封電子元件之間不需要物理連接，從而減小了產生不良連接的危 險，并且增加了整個系統的使用壽命。在一個實施例中，提供一種適于
容納呈過濾盒形式的過濾器元件的外殼，例如由Millipore公司制造并且 以名為Filter Cartridge Housing Series3000出售的過濾盒，導電線圈位于 外殼基座中，第二線圈位于過濾器元件中。然后，電流通過外殼基座中 的線圈。通過感應，在過濾器元件中的第二線圈中產生電流，以與變壓 器大體上相同的方式工作。這種電力的傳遞不需要物理電連接，并且不 會對能在過濾器元件線圈中感應的電量起限制作用。在第二個實施例 中，過濾器元件包括切向流過濾(TFF)盒，并且在切向流過濾盒中放 置一個或多個線圈以得到同樣的結果。該感應場會干擾不同的電子功能 的運行，例如通信、感測或其它活動。為了克服該問題，在過濾電子設 備中包含例如電容器的能量存儲元件。通過該方式，可以存儲由感應場 產生的電力，并且當感應場不再存在時使用由該感應場產生的電力。


圖1示出了根據本發明的典型外殼基座和過濾器元件； 圖2示出了根據本發明的在外殼基座和過濾器元件各個位置中的所 述外殼基座和過濾器元件的放大圖3示出了本發明的一個可選實施例；
圖4示出了利用TFF盒的第一實施例；
圖5示出了利用TFF盒的第二實施例；
圖6示出了在感應場和作用時間之間的相互作用的圖形。
具體實施例方式
圖1示出了典型過濾器外殼基座10和相關過濾器元件20。在所示 出的實施例中，該基座和過濾器元件是Millipore公司制造的盒式過濾器 和Series 3000外殼。該過濾器元件具有隔膜(membrane)以及用來支 撐該隔膜的相應的結構或框架，其中材料通過該隔膜。在該組件周圍通 常是外殼圓頂，優選由不銹鋼或一些其它非腐蝕性材料構成。而且，一 般存在入口和出口，但是為了清楚起見，在圖1中將它們省略。外殼基
座IO通常包含一個或多個可匹配部分，例如空腔30，每個空腔30都適 于與過濾器元件匹配并固定住所述過濾器元件。這些空腔通常其中具有 一個或多個入口和輸出端，從而允許流體通過該過濾器元件。在該空腔 30中插入過濾器元件20。該過濾器元件20優選具有可匹配部分，例如 較小端40，其配合在外殼基座10的對應可匹配部分(例如，空腔30) 內。過濾器元件的可匹配部分優選具有一個或多個區域，該一個或多個 區域具有在它們之間限定凹槽50的徑向延伸的部件。每個都優選由橡 膠或其它合適柔性材料構成的一個或多個墊圈或0型環(未示出)優選 位于這些脊形區域50之間產生的凹槽中，從而在過濾器元件和外殼基 座之間實現液體緊密密封。
在一個優選實施例中，導電線圈60嵌入外殼基座10中，外接空腔 30。該線圈優選由導電材料構成，該導電材料為導線的形式并且被纏繞 從而形成線圈。根據已知的電磁理論，繞組數量越大，可以傳輸的電量 就越大。線圈優選嵌入在外殼中，以使得其占用對應于空腔表面區域的 區域。換句話說，線圈延伸了空腔壁的整個長度，如圖1所示。可選的 是，占用較少的表面區域并且僅僅通過圓柱體的一部分延伸的線圈也是 可行的，并且落在本發明的范圍之內。
一種類似的線圈也嵌入在過濾器元件中。如上所述，在所示出的實 施例中，過濾器的可匹配部分具有較小端，該較小端插入外殼基座的空 腔中。在優選實施例中，導電線圈嵌入該較小端中，優選沿該較小端的 整個長度方向延伸，如圖1中所示。但是，也可以使用僅僅延伸該較小 端長度的一部分的較小線圈，并且落在本發明的范圍之內。
圖2示出了基座空腔和過濾器元件的放大圖。該圖示出了當外殼基 座中的線圈沿空腔壁的整個長度方向延伸時，所述外殼基座中的線圈的 優選位置。類似地，在過濾器元件中的線圈沿該較小端的長度方向延伸。 當該過濾器元件正確地定位在空腔中時，該兩個線圈將優選彼此同心， 從而優選限定兩個同心圓柱，使能量的傳遞最大化。在這兩個線圈之間 的距離是很重要的，因此優選最小化該間隔。
另一個實施例使用多種方法來延伸或重定向該磁場，例如使用鐵芯。 同軸插入磁性材料或線圈外部的磁屏蔽允許優化本實施例，用于電力的 傳遞和/或減小對外部電元件的干擾。例如，在一個實施例中，在接收線 圈(例如在下面記載的TFF實施例中)中使用鐵棒提高了電力傳遞的效 率。在另一實施例中，磁屏蔽可以用來減小或消除電磁干擾，或者用來 遵照發射標準，例如由政府機構提供的那些標準。
圖2中所示的兩個線圈優選完全由塑料包裝，從而不會暴露在外部 環境下。這樣提高了系統的可靠性，還減小了過濾器系統內污染的可能。
每個線圈的匝數都是一個執行方面的選擇。在一個實施例中，選擇 這些值從而產生過濾器元件內的電壓，該電壓可以直接使用而不用調 節。在另一實施例中，匝數被最大化，從而傳輸最大的能量。本發明不 需要特定的結構，因此匝數的所有組合都落在本發明的范圍內。
配電電路驅動外殼基座內的線圈，對于傳輸線圈來說這也是已知的。 該配電電路提供交流電流或電壓給傳輸線圈。產生這種電流或電壓以及 驅動線圈的方法對于本領域的技術人員來說是公知的，因此這里不再描 述。
過濾器元件可以包含用來調節感應電壓的電路。如前所述，在過濾 器元件的線圈中感應出電壓，這對于接收線圈來說也是已知的。該電壓 取決于接收線圈和傳輸線圈的匝數以及穿過傳輸線圈的電壓。在一個實 施例中，選擇這些值以使得過濾器元件中包含的電路可直接使用在接收 線圈處感應的電壓。在另一實施例中，調節該電壓。電壓調節對于本領 域的技術人員來說是公知的，并且可以通過多種方式實現。例如，可以 利用電源整流器、二極管、電容器或集成電路來實現該功能。
通過提供電力給過濾器元件，可以有多種可能的情況。例如，可以
利用簡單的例如LED的裝置。同樣可以使用其它帶電裝置，其它帶電 裝置例如壓力、溫度和濃度傳感器以及其它傳感裝置。包括網絡元件的 更復雜的元件也可以被用在過濾器元件中，其中網絡元件例如是以太 網、有線局域網或無線局域網元件。結合在過濾器中的標準網絡裝置將 允許其直接連接到網絡。事實上，使用這種網絡元件還將給每個過濾器 元件提供唯一的識別數字。
在另一個實施例中，CPU元件，優選的是堅硬元件可以嵌入該過濾 器元件中。從而允許過濾器元件進行單板計算以及其它操作，并且可以
根據外殼結構例如計算測試規格。其它可能的裝置包括無線局域網裝 置，例如藍牙⑧或Wi-Fi⑧元件。
如上所述，在優選實施例中，當電子元件嵌入在過濾器元件的閉合 端中時，接收線圈位于過濾器元件的較小的開口端中。優選嵌入在過濾 器元件的塑料外殼中的一個或多個導線從線圈運載功率信號到電子元 件。
雖然之前的實施例假設外殼基座具有嵌入其中的線圈，這并不是本 發明所需要的。也可以實現改進的已有外殼基座。在該實施例中，優選 由塑料構成的小嵌入物位于外殼基座的空腔內。優選空腔的高度是空心 圓筒形。在插入物內是傳輸線圈，其具有一個或多個連接到電源的導線。
該插入物位于如圖3所示的空腔內。在一個實施例中，插入物的尺寸足 夠小，以使得過濾器元件仍然可以位于插入物中。由于過濾器元件具有 柔性的墊圈或O形環，因此空腔直徑的略微減小不會阻礙過濾器元件配 合到空心插口中。在另一個實施例中，改變外殼基座，從而增加了空腔 的直徑。通過該方式，插入物占據了之前為外殼基座一部分的空間。優 選的是，該外殼基座還被改變為包括饋入裝置，以使得傳輸線圈所需的 導線可以通過基座到達合適的電路。
盡管關于圓柱形過濾器進行了上述描述，但是本發明同樣可以應用 于其它類型的過濾器元件。
例如，切向流過濾器(TFF)也可以與本發明相結合。如圖4所示， 一個或多個TFF過濾器或盒100通常平行設置，與支架(未示出)固定 在一起。該支架通常由TFF結構任何一端的板組成，使用緊固機構例如 螺栓或夾具，并通過所述板和盒，從而將整個系統固定在一起。優選的 是，缺口、槽或凹槽110模制到TFF盒中從而將它們固定。
在一個實施例中，該傳輸線圈嵌入在端板中，壓縮并固定TFF盒 100。傳輸線圈優選位于沿板的邊緣設置的凹槽中，其面對盒100的開 口側。該線圈優選由塑料包裝，并模制到凹槽中。給傳輸線圈加電的電 線可以通過端板中的孔或者通過其它方式連接。
接收線圈120被定位，以使得它們的中心軸線優選垂直于端板。線 圈120優選平行于內部隔膜并且圍繞外套的外部邊緣纏繞。優選的是，
接收線圈120十分靠近傳輸線圈設置，從而實現高功率傳輸。圖5示出 了一個這樣的實施例，其中接收線圈120模制在一般的液體通道的外部 位置中的外部過模制(overmolded)外套130中。為了改進線圈之間的 感應，線圈可以設計成為互鎖。換句話說， 一個盒的線圈120可以具有 向盒的端部外延伸的鎖頭(tapered end)。然后，該鎖頭配合在相鄰盒的 線圈內的孔140中。可選的是，線圈可以被模制，從而不朝盒外延伸， 以便于組裝和使用。在另一實施例中，例如棒的磁性部件插入穿過各種 接收線圈的孔140，從而提高能量傳輸。
在另一實施例中，如圖6中所示，接收線圈120嵌入在TFF盒的外 部過模制外套130中。接收線圈120位于外部過模制外套130中，并且 垂直于內部隔膜定向。換句話說，它的中心軸線平行于內部隔膜。可以 看出，在圖6中，即使TFF系統完全組裝好，仍然可以達到該位置。然 后，該傳輸線圈靠近或靠著該外部外套130設置，從而在TFF中感應電 源。優選的，該傳輸線圈嵌入夾具中，該夾具然后靠近或靠著外部外套 設置。在多個TFF盒100堆疊在一起的情況下，可以利用多個傳輸線圈。 可選的是，多個線圈可以位于單個夾具中。最終，每個均包含單個線圈 的多個夾具可以用來給每個盒提供電力。
雖然本申請描述了圓柱形和TFF過濾器元件，但是本發明并不局限 于此。通過將帶電傳輸線圈與過濾器元件中包含的接收線圈相對非常接 近的放置，不論形狀如何，任何過濾器元件都可以自驅動，從而產生感 應。上述兩種過濾器類型僅僅說明了本發明的范圍，但并不意味著僅僅 將本發明限制在這些實施例中。
在另一實施例中，線圈插入到連接器中，連接器用來互連完全可置 換的過濾器外殼到供給管或其它元件。當接收線圈形成在可置換的過濾 器外殼中時，該傳輸線圈優選形成在外部連接器中。由于可以共同實現 流體和電互連，因此這些連接簡化了將電力傳輸給過濾器的布線方案。 此外，由于不使用導線也可以實現電連接，因此該方法減小了將電學元 件保持在可清除和/或可排出導管中而產生不衛生的污染物的可能性。
該電感耦合允許在過濾器元件和盒中產生電功率。但是，可能的是， 產生功率所需要的感應場產生其它作用，如果可能的話，例如產生無線
通信困難。因此，在一些應用場合，必須在執行其它功能之前禁用感應場。
在一個實施例中，過濾器元件包括能量存儲元件，例如電容器。在 優選實施例中，該電容器與其它電學元件一起密封在過濾器元件中，從 而不會暴露在外殼中的環境下。例如，該電容器可以位于距離可配合部 分最遠的過濾器的端部或者端蓋中。當感應場激活時，不立即使用的能 量由存儲元件儲存，用于之后的使用。能量存儲元件的大小取決于幾個 因素，例如過濾器元件的電子設備的功率損耗以及電子設備單次充電操 作所需的時間量。用來確定能量存儲元件大小的因素對于本領域技術人 員來說是公知的。
因此，根據存儲元件的大小以及電子設備的總功率損耗，可以確定 自主運行時間(A)。在需要另一感應周期以對電容器或另一能量存儲元 件再次充電之前，該時間是過濾器內的電子設備可以操作的時間的最大值。
為了操作該過濾器元件，激活感應場，從而允許能量存儲元件充電。 該感應場然后被禁用，或者產生其它的功能，例如感測或無線通信。這
些活動可以持續少于A (自主運行時間)的時間。產生活動的該時間被 稱為功能時間(F)。因此，為了正確操作，F必須小于A。當計算F時， 還應當結合余量，以使得在進入再次充電模式之前，過濾器系統具有正 確斷開的時間。該時間被稱為安全/轉換時間(S)。
為了傳輸更長的信息流或者進行長時間的工作，必須對能量存儲元 件進行多次充電。例如，該能量存儲元件可以被充電，然后該過濾器元 件可以執行無線處理的第一部分。在時間F之后，無線通信中止，并且 通過激活感應場對存儲元件再次充電。在再次充電周期(R)之后，感 應場可以被禁用，然后過濾器元件能夠恢復無線處理。如果必要，無線 處理可以中止多次，從而允許存儲元件被再次充電。
由于過濾器元件電子設備獨立充電，因此可以使用協議而不是傳統 RFID協議，從而可能允許更快的傳輸速率。可以使用其它已知的無線 協議例如IEEE802.11a、 802.11b、 802.11g、藍牙@，或使用調幅或調頻 的專有協議。
在本發明的一個實施例中，單獨的裝置用來控制和協調各種活動。 例如，當感應場被激活時，該單獨的裝置可以用來維持第一信號。第二 信號(或可選的是，使第一信號失效)表示感應場被禁用。然后，第三 信號告知電子設備其操作或通信是安全的。然后，第四信號(或者可選 的是，使第三信號失效)告知電子設備中止活動，這是因為感應場將被 短暫激活。
因此，從維持第一信號到第二信號(或者使第一信號失效)的時間
必須大于或等于R，其中R在前面被限定為所需的再此充電時間。第二 信號(或者使第一信號失效)與第三信號之間的時間是安全/轉換時間S。 維持第三信號到第四信號(或使第三信號失效)之間的時間被限定為F， 其為功能時間。最終，第四信號(或者使第三信號失效)和下一次維持 第一信號之間的時間也是安全/轉換時間S。因此，完整的順序包括再次 充電周期、兩個安全/轉換周期以及功能周期。如上所述，該順序可以根 據需要重復多次。
此外，盡管上述實施例假設可重復的順序，但是這不是本發明所需 的。只要能量存儲元件被充分充電，則就可以禁用感應場，允許電子設 備運行自主周期的時間。此外， 一旦能量存儲元件被充電，就不需要在 其之后立即開始功能周期。該元件優選能夠存儲用于延長的周期時間的能量。
權利要求
1、一種過濾器系統，其包括過濾器元件，該過濾器元件包括嵌入的導電線圈。
2、 如權利要求1所述的過濾器系統，還包括具有用于容納所述過 濾器元件的第一可匹配部分的外殼，并且其中所述過濾器元件包括用于 以密封關系插入所述第一可匹配部分中的第二可匹配部分。
3、 如權利要求2所述的過濾器系統，其中所述線圈嵌入所述第二 可匹配部分中。
4、 如權利要求2所述的過濾器系統，其中第二導電線圈嵌入所述 過濾器外殼中。
5、 如權利要求4所述的過濾器系統，其中所述第二線圈由相關電 路加電。
6、 如權利要求4所述的過濾器系統，其中所述第二線圈和所述嵌 入線圈限定同心圓柱。
7、 如權利要求1所述的過濾器系統，其中所述過濾器元件包括TFF 過濾器，該TFF過濾器具有內部隔膜。
8、 如權利要求7所述的過濾器系統，其中所述線圈具有中心軸線， 并且所述軸線平行于所述隔膜。
9、 如權利要求7所述的過濾器系統，其中所述線圈具有中心軸線， 并且所述軸線垂直于所述隔膜。
10、 如權利要求7所述的過濾器系統，其中所述TFF過濾器還包括 位于所述線圈內的磁性部件。
11、 如權利要求10所述的過濾器系統，其中所述部件包括鐵棒。
12、 如權利要求1所述的過濾器系統，其中所述過濾器元件包括電 子元件。
13、 如權利要求12所述的過濾器系統，其中所述過濾器元件還包 括適于存儲由所述線圈容納的能量的能量存儲元件。
14、 如權利要求13所述的過濾器系統，其中所述能量存儲元件包 括電容器。
15、 一種無線提供電力給過濾器元件的方法，包括a. 在所述過濾器元件中提供第一導電線圈；b. 靠近于所述第一線圈提供第二導電線圈；以及 C.利用交流能量源給所述第二線圈加電。
16、 如權利要求15所述的方法，其中所述加電步驟連續執行。
17、 如權利要求15所述的方法，其中所述過濾器元件包括能量存儲元件，并且所述加電步驟斷續執行。
18、 如權利要求15所述的方法，其中所述過濾器元件包括能量存 儲元件，并且所述加電步驟以固定的間隔執行。
19、 如權利要求15所述的方法，其中所述第二線圈嵌入在包含所 述過濾器元件的外殼中。
全文摘要
一種帶電盒及位于外殼內的其他裝置。本發明描述了向位于外殼內的裝置提供電源的系統和方法，該裝置例如過濾器元件。在一個實施例中，導電線圈嵌入外殼基座中，并且第二線圈嵌入過濾器元件中。然后，電流通過外殼基座中的線圈。通過感應，在過濾器元件的第二線圈中產生電流，變壓器也以大體上相同的方式操作。該感應場可以干擾各種電子功能的操作，例如通信、感測或其它活動。為了克服該問題，過濾電子設備中包括有能量存儲元件，例如電容器。通過該方式，可以存儲由感應場產生的電能，并在感應場不再存在時使用。
文檔編號B01D35/14GK101199910SQ20071017017
公開日2008年6月18日 申請日期2007年10月16日 優先權日2006年10月17日
發明者A·伯克, M·T·格榮卡 申請人:米利波爾有限公司