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WO1997010435A2 - Rückschlagventillose fluidpumpe - Google Patents

Rückschlagventillose fluidpumpe Download PDF

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Publication number
WO1997010435A2
WO1997010435A2 PCT/EP1996/003863 EP9603863W WO9710435A2 WO 1997010435 A2 WO1997010435 A2 WO 1997010435A2 EP 9603863 W EP9603863 W EP 9603863W WO 9710435 A2 WO9710435 A2 WO 9710435A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
displacer
pump
opening
fluid pump
pump according
Prior art date
Application number
PCT/EP1996/003863
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO1997010435A3 (de
Inventor
Manfred Stehr
Original Assignee
Institut Für Mikro- Und Informationstechnik Hahn-Schickard-Gesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19534378A external-priority patent/DE19534378C1/de
Priority claimed from DE19624271A external-priority patent/DE19624271C1/de
Application filed by Institut Für Mikro- Und Informationstechnik Hahn-Schickard-Gesellschaft filed Critical Institut Für Mikro- Und Informationstechnik Hahn-Schickard-Gesellschaft
Priority to JP09511614A priority Critical patent/JP3035854B2/ja
Priority to DE59600973T priority patent/DE59600973D1/de
Priority to EP96930157A priority patent/EP0826109B1/de
Priority to US09/043,236 priority patent/US6227824B1/en
Publication of WO1997010435A2 publication Critical patent/WO1997010435A2/de
Publication of WO1997010435A3 publication Critical patent/WO1997010435A3/de

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0027—Special features without valves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/04—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving in which the valving is performed by pistons and cylinders coacting to open and close intake or outlet ports

Definitions

  • the present invention relates to fluid pumps.
  • displacement pumps for the transport of liquids and gases, which consist of a periodic displacer, a piston or a membrane, and two passive check valves. Due to the periodic movement of the piston or the membrane, liquid is sucked through the inlet valve into a pumping chamber or displaced out of the pumping chamber through the outlet valve.
  • the transport direction is predetermined by the arrangement of the valves. If the pumping device is to be reversed in such an arrangement, an external reversal of the valves associated with such known pumps is necessary with a high outlay.
  • Such pumps are for example from Jarolav and Monika Ivantysyn; Hydrostatic pumps and motors; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993.
  • micro pumps Corresponding pumps that are small in size and deliver low pump currents are referred to as micro pumps.
  • the displacers of such pumps are typically designed as a membrane, see P. Gravesen, J. Branebjerg, OS Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, pages 143 - 164.
  • the displacers can be driven by different mechanisms.
  • HTG Van Lintel, F.CM. Van de Pol. S. Bouwstra A Piezoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon, Sensors & Actuators, 15, pages 153-167, 1988, S. Shoji, S. Nakagawa and M.
  • either passive check valves or special flow nozzles can be used as valves.
  • the direction of delivery of micropumps can be reversed without a forced control of the valves simply by a control with a frequency above the resonance frequency of the valves.
  • the cause of this effect is a phase shift between the movement of the displacer and the open state of the valves. If the phase difference is greater than 90 °, the opening state of the valves is countercyclical to their state in the normal forward mode and the pump direction is reversed. An external changeover of the valves, as is necessary with macroscopic pumps, is not necessary.
  • the decisive phase difference between the displacer and the valves depends on the one hand on the drive frequency of the pump and on the other hand on the resonance frequency of the movable valve part in the Liquid environment.
  • a disadvantage of this embodiment is that when designing the valves, there is a compromise between their mechanical resonance in the liquid environment, their flow resistance, their fluidic capacity, i.e. the elastic volume deformation, its size and its mechanical stability must be found. These parameters, all of which have an impact on the pump dynamics, cannot therefore be set to an optimum independently of one another and partly conflict with a desired, further miniaturization of the pump dimensions.
  • Another general disadvantage when using pumps with passive check valves is the fact that the pumps do not block the medium to be pumped when switched off. If the inlet pressure exceeds the outlet pressure by the preload of the valves, the medium to be pumped flows through the pump.
  • Micropumps that use special flow nozzles have the disadvantage that they have a very low maximum pumping efficiency in the range of 10-20%.
  • micropump provided with check valves is disclosed in EP 0 568 902 A2.
  • This micropump is operated by the reciprocal movement of a membrane.
  • the movement of the membrane changes the volume of a pumping chamber which is formed by the membrane and a support member.
  • the outlet and inlet of the micropump are provided with an outlet valve and an inlet valve, respectively.
  • the present invention is based on the object of creating efficient fluid pumps with a simple structure and which have no non-return valves.
  • the present invention provides a fluid pump with a pump body, a displacer, which can be positioned in a first and a second end position by means of a drive, the displacer and the pump body being designed in such a way that a pump chamber, which has a first and a second opening, which have no check valves, can be fluidly connected to an inlet and an outlet, and an elastic buffer, which adjoins the pump chamber.
  • the displacer closes the first opening when it is in the first end position and leaves the first opening open when it is in the second end position.
  • the fluid pump according to the present invention no check valves, neither passive nor active, are required. Furthermore, the fluid pump according to the present invention can be used for actively blocking the fluid in both directions. In the pump according to the present invention, a reversal of the delivery direction can be achieved without the use of an external forced control of valves and without the use of a resonance of passive check valves.
  • the pump output achievable with the pump according to the present invention can be optimized by controlling the timing of the driving of the displacer into the first and second end positions, that is to say by controlling the clock ratio. Furthermore, the achievable pumping power can be optimized by adjusting the cross-section of the first and second openings.
  • the present invention is also based on the knowledge that it is possible to create a self-priming fluid pump, for example a self-priming micropump, by creating dead volumes in the micropump, ie the volume that only moves back and forth is and does not provide a pump contribution, dra ⁇ ti ⁇ ch is reduced. This means that self-filling with a simple Control of the pump drive reproducible.
  • the present invention provides a non-return valve-free fluid pump consisting of a pump body and a flexible displacer, the pump body and the flexible displacer defining a pump space which has a first opening and a second opening with an inlet and an outlet is fluidly connectable.
  • the displacer closes the first and the second opening in the first end position, the displacer opening the first opening, while the second opening remains essentially closed when the displacer is driven out of the position by the drive first end position is moved into the second end position.
  • the first and the second opening are spaced apart on different sides of a central axis of the displacer, the displacer closing the first opening when it is in the first end position and leaving the first opening open, if it is in the second end position.
  • the fluid pump according to the second and third aspects of the present invention preferably consists of a pump body in the form of a plate and a displacer in the form of a membrane.
  • the inlet and outlet openings are formed in the plate.
  • the displacer in the form of the membrane can rest directly on a main surface of the plate in the rest position.
  • a capillary gap can be formed between the displacer in the form of the membrane and a main surface of the plate.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional representation of a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows the essential pump parameters of the pump shown in FIG. 1;
  • FIGS. 1 and 2 shows a representation of the transient processes of the individual components of the pump shown in FIGS. 1 and 2;
  • 4a to 4e are graphical representations of the pump from FIG. 1 during a pumping cycle
  • FIG. 5 shows a sectional view of a second exemplary embodiment of the pump according to the present invention.
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of a third exemplary embodiment of a pump according to the present invention.
  • FIG. 7 shows a sectional view of a fourth exemplary embodiment of a pump according to the present invention.
  • FIG. 9 shows a fifth exemplary embodiment of a pump according to the present invention.
  • 10a to 10e are graphic representations of a pump according to a sixth embodiment of the invention during a pumping cycle.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional illustration of a seventh exemplary embodiment of a fluid pump according to the present invention.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional representation of an eighth exemplary embodiment of a fluid pump according to the present invention.
  • FIG. 13 shows a cross-sectional representation of a ninth exemplary embodiment of a fluid pump according to the present invention.
  • 14a to 14e are graphical representations of the pump of FIG. 11 during a pumping cycle.
  • the pump has a pump body 10, which is plate-like, and a displacer 12, which is attached to the pump body via connections 18, which are made depending on the material.
  • a pump chamber 14 is formed by a recess in the pump body 10.
  • In the pump body there are also two openings, a first opening 15 and a second opening 16, to which the fluid lines of the fluid to be pumped can be connected.
  • an elastic buffer 13 is formed as a membrane by thinning the pump body 10, which membrane can be deformed as a function of pressure.
  • the displacer 12 can be periodically moved back and forth between two end positions by a drive (not shown). In the first end position, the displacer 12 closes the first opening 15, which is in normal operation of the pump represents the inlet. In the second end position, the displacer 12 leaves the first opening 15 open. Regardless of the position of the displacer 12, the second opening 16, which represents the outlet in normal operation, is open during an entire pump cycle.
  • the pumping mechanism of the pump shown in FIG. 1 is explained in more detail below.
  • the first opening 15 is regarded as the inlet opening and the second opening 16 as the outlet opening. 2 shows the essential parameters that are necessary to explain the pump mechanism.
  • V buffer A pressure-dependent volume displacement of the elastic buffer
  • the volume of the pumping chamber sets ⁇ ich au ⁇ a base volume V 0 of the pump chamber 14, the displacement of the displacer 12 v V er d knurled q he un ⁇ the volumetric deformation of the Puffervolumen ⁇ v P u ff he g em AESS following equation together:
  • v pumping chamber v 0 + v buffer ( P ) + v displacer U )
  • dv pumping chamber dv o (P) + dv buffer ⁇ P) + dv displacer ( 2 )
  • the first step is a pump chamber which is completely filled with an incompressible medium, for example a liquid with dV Q / dp ⁇ 0.
  • an incompressible medium for example a liquid with dV Q / dp ⁇ 0.
  • the displacer 12 is moved upward by a defined volume dV * from the first end position, ie the end position in which it closes the inlet opening 15, within a very short time, dt ⁇ 0.
  • the inlet opening is now closed.
  • the downward movement of the displacer 12 leads to a corresponding volume deformation of the elastic buffer, ie the membrane 13 in the first exemplary embodiment, out of the pump chamber 14, since the pump chamber content was assumed to be incompressible, and the volume change of the displacer 12 within the can not be compensated for a short time by the fluid flows ⁇ e and ⁇ a through the opening 15, 16.
  • the pump efficiency can be be riied.
  • the efficiency in the no-load case can be optimized to significantly more than 50%.
  • the reason for this is a significantly lower backflow of fluid from the outlet into the pumping chamber during the suction phase.
  • the increase in the flow resistance on the outlet side according to equation (6) results in a corresponding lengthening of the pump housing.
  • Suction and pumping phases of different durations can be taken into account when controlling the displacer by using a pulse ratio different from 50%, i.e. by controlling the timing of the displacement of the displacer into the first and into the second end position. In the case of increased flow resistance on the outlet side, this means that the suction phase is shortened by the actuation of the displacer, while the pump housing is lengthened.
  • FIG. 3 shows the transient processes in the pump according to FIG. 1 in diagram form.
  • Curve "A” shows the course of the displacement movement during a pump cycle in the four sub-steps 1, 2, 3 and 4.
  • step 1 the displacer is very quickly deflected upward and remains in this position during step 2.
  • the inlet opening is open.
  • step 3 the displacer is moved very quickly downward, closes the entrance opening and remains in this state during step 4.
  • Curve "B” represents the reaction of the buffer which, according to the exemplary embodiment in FIG. 1, consists of membrane 13.
  • This elastic buffer element in the form of the membrane 13 can deform in accordance with the pressure ratio.
  • the deformation of the buffer compensates for the change in volume of the displacer.
  • the Step 2 reduces the deformation of the buffer owing to the fluid flows through the inlet or outlet opening.
  • the buffer element deforms downward and thus compensates for the rapid change in volume of the displacer.
  • this deformation is reduced again by the fluid flow through the outlet opening.
  • Curve "C” represents the pump chamber pressure. Since the pump chamber pressure depends on the deformation of the buffer, its course corresponds essentially to the course of the volume change through the buffer.
  • Curve “D” illustrates the flow through the inlet opening. A rectifier effect can be seen from curve “D”, since the inlet is closed in step 3 and remains closed during substep 4, during which there is an overpressure in the pressure chamber. This prevents backflow from the pump chamber into the inlet side.
  • Curve "E” shows the flow through the outlet opening. Since the outlet opening is open in both end positions of the displacer, the fluid flows through the outlet opening in both step 2 and step 4. The net transport of fluid through the inlet and outlet opening results from the integral over one of the two curves "D" or "E". In normal operating mode, the net transport is directed from the inlet to the outlet.
  • the pump according to the first embodiment shown in FIG. 1 is shown during the various sub-steps of a pump cycle.
  • FIGS. 5, 6 and 7 show further exemplary embodiments for a pump according to the present invention.
  • FIG. 5 shows a pump in which a buffer 43 is arranged in a pump body 40.
  • the pump body 40 has one Base plate 40a and side walls 40b, which together form a hollow body which is closed off by the side walls 40b and the base plate 40a and is open on one side, in FIG. 5 the upward side. If the base plate has a round shape, the side walls are formed in order to define a tubular structure.
  • An inlet opening 45 and an outlet opening 46 extend through the base plate.
  • a displacer 42 which closes it off to the open side and by means of a drive (not shown) in the direction through which the arrow 19 is shown, is piston-like movable in the cavity.
  • a pump chamber 44 is formed by a recess in the displacer 42 and the pump body 40.
  • the elastic buffer 43 is in this embodiment in the pump body 40, i.e. formed in the side wall 40b of the base body 40.
  • the side wall 40b is thinned in an area which adjoins the pumping chamber 44 in order to produce a membrane-like structure.
  • the mode of operation of this second embodiment corresponds to that of the first embodiment.
  • a pump body 50 is constructed in the same way as the pump body 40 of the second embodiment, with the exception that the elastic buffer is not formed in the same.
  • a displacer 52 is in turn arranged in the pump body 50 and can be moved like a piston in the direction of the arrow 19.
  • the displacer 52 has the shape of an H in cross section, one leg of which has a projection 52a in order to close an inlet opening 55 in the pump body 50.
  • An outlet opening 56 in the pump body 50 is continuously open.
  • the displacer 52 is designed to close the pump body 50 to the open side.
  • the shape of the displacer 52 in turn defines a pump chamber 54 between the displacer 52 and the pump body 50.
  • the elastic buffer in this exemplary embodiment is not formed in the pump body 50, but in the displacer 52.
  • the elastic buffer as membrane 53 is in the displacer 52 trained.
  • FIG. 7 A fourth embodiment of a fluid pump according to the present invention is shown in FIG. 7.
  • the pump body in the fourth exemplary embodiment of the present invention is identical to the pump body in the third exemplary embodiment.
  • an elastic buffer element 63 is arranged in a displacer 62 such that the elastic buffer element 63 has an interface with a pump chamber 64 formed by the displacer 62 and the pump body 50.
  • the elastic buffer element 63 is compressed and expanded, which in turn results in the previously explained mode of operation.
  • the function of the elastic buffer element can also be performed by an elastic medium in the pump chamber.
  • examples are gas inclusion in a chamber filled with liquid or a rubber-like material in the pump chamber.
  • the elastic membrane which supplies a section of the pump chamber boundary as part of the displacer or the pump body, can be dispensed with. If the medium to be pumped is compressible, for example gas, the buffer function can be taken over by the same itself, no further mechanical components being necessary to implement the buffer. The stroke of the displacer In steps 1 and 3 explained above, the expansion or compression of the elastic medium in the pump chamber or of the medium to be pumped itself is then initially compensated for.
  • steps 2 and 4 the volume deformation of the medium as a result of fluid flows through the openings relaxes, as described above with reference to the first exemplary embodiment.
  • a pure gas pump can therefore only be realized with one displacer and two openings, the displacer periodically closing one of the two openings.
  • FIG. 8 A representation of the transient processes of the individual components, for example that of the exemplary embodiment shown in FIG. 1, when the pump chamber reacts on the displacer, i.e. without a forced control is shown in FIG. 8.
  • the displacer in step 1 does not completely reach its final end position, but only towards the end of sub-step 2. Accordingly, at the end of sub-step 3, the displacer does not yet have to completely close the inlet opening, but only with increasing pressure compensation during of the sub-step 4.
  • very rapid control of the displacer within a very short time, dt ⁇ 0, is also inexpensive, but not absolutely necessary.
  • the position of the displacer in the switched-off mode of the pump without additional effort in such a way that fluid flow in both directions is prevented by the blocking of the inlet opening by the displacer is. If the displacer is positively controlled and its position is not influenced by the pressure prevailing in the pump chamber, the fluid line is blocked in both directions without additional effort. If there is a reaction between the displacer position and the pump chamber pressure, the drive of the displacer can be designed in such a way that it actively presses the displacer onto the inlet opening and thus actively prevents the fluid flow.
  • the pumping direction of a fluid pump according to the present invention can be reversed. If the displacer is driven with a frequency which is above the mechanical resonance of the buffer in the relevant environment, i.e. is in the fluid to be pumped, so there is a phase shift of more than 90 ° between the expansion or compression of the buffer element and the opening state of the inlet opening defined by the displacement position.
  • the buffer in the pumping chamber thus receives pumping medium while the inlet opening is closed and releases pumping medium when the inlet and outlet openings are open. This results in an opposite pumping direction to that described above. In this case there is a reversal of the pumping direction from the outlet opening to the inlet opening.
  • the advantage over the already existing, bidirectional micropump lies in the fact that (i) there is no need for passive valves, and (ii) the resonance frequency of the buffer is different from that of a passive check valve, regardless of other important variables, such as the flow resistance of the valve, the fluidic capacity, the size of the valve and its mechanical stability, can be set.
  • the resonance frequencies can be reduced to a range of ⁇ 200 Hertz, as a result of which the outlay in electrical and mechanical control of the displacer is considerably reduced.
  • the resonance lies in the range between 2000 Hertz and 6000 Hertz.
  • the mechanism can be implemented not only in microscopic pumps that deliver small moving masses, but also in a macroscopic design.
  • micropumps can transport both liquids and gases, they are not self-priming throughout, i.e. They are unable to independently replace a pump chamber filled with gas during the pumping process with liquid. This makes it very difficult to use the pumps in practice.
  • the causes of the non-existing self-priming are discussed in more detail below.
  • Capillary forces play a major role in micropumps with passive check valves. As soon as the liquid level reaches the inlet valve and the movable valve part, the valve flap or the valve membrane, wets, capillary forces occur which restrict the movement, or which considerably increase the effort required to move the elastic valve part. Only when the entire movable valve part has been completely flushed with liquid do these forces cancel each other out and the pump is in its normal pumping mode.
  • the actuator in the pump according to the invention can be used directly to overcome the capillary forces.
  • the direct power transmission of the drive to the part wetted by a liquid means that much higher forces are available for overcoming the capillary forces. This enables the displacer to work despite wetting.
  • FIG. 9 shows a fifth embodiment of a pump according to the present invention.
  • the displacer 82 is part of a second pump body 90.
  • the second pump body 90 is structured, that is to say it has thickened portions and thinnings 89 in order to provide an elastic suspension for the displacer 82.
  • the second pump body 90 is fastened to a pump body 80 via connections 88.
  • the pump chamber 84 is designed as a capillary gap between the pump body 80, the displacer 82 and the second pump body 90.
  • the pump body 80 has an inlet opening 85 which is closed by the displacer 82 when the same is in the first end position.
  • the displacer 82 can in turn be moved in the direction of the arrow 19.
  • the buffer is again designed as a membrane, which is located in the pump body 80.
  • the buffer could be realized by the dilutions 89, which serve as elastic suspensions for the displacer 82, the buffer in the pump body 80 then being omitted. In this case it would be advantageous if the dilutions 89 were enlarged compared to those shown in FIG. 9.
  • the overall height of the pump chamber 84 is designed as a capillary gap, it fills itself as soon as a liquid fluid kiss is applied to this gap.
  • Such a reduction in the pump chamber height is excluded in conventional micropumps with non-return valves, since this limits the movement of the valves.
  • the pump chamber represents an additional flow resistance with a drastic reduction in the pump chamber height. This internal flow resistance of the pump chamber dominates via the flow resistance of the nozzles, so that the pump effect breaks down based on the preferred direction of the nozzles.
  • the second opening which corresponds to the outlet opening during normal operation of the pump, is opened.
  • FIG. 10a shows a sixth exemplary embodiment of a pump according to the present invention during the various sub-steps of a pump cycle.
  • the buffer is formed in the displacer, such that the displacer and the buffer are formed as different regions of a membrane which spans the pump body in order to define the pump chamber.
  • the pump body is constructed similarly to that of the first exemplary embodiment, with the exception that the buffer is not formed in the same. Such a construction of the pump according to the invention enables a further simplified manufacture of the same.
  • the present invention thus creates a pump which is based on a new type of mechanism, does entirely without check valves and enables a reversal of the pumping direction without external control of valves.
  • the pump according to the present invention thus has a considerably simpler construction.
  • the displacer can simultaneously be used to passively or actively shut off fluid flow via the pump after it has been switched off in both directions.
  • the present invention also provides a pump that provides advantages when switching the pump direction.
  • the resonance of the mechanical component which is the valve in the conventional case and the buffer element in the present invention, can be set independently of the flow resistance of a valve, its size, its fluidic capacity and its mechanical stability become. This makes it possible, on the one hand, to further miniaturize the components and to reduce the resonance frequencies on average. In conventional micropumps, these two effects are opposed to each other.
  • the pump according to the invention which does not need check valves, has an increased efficiency per pump cycle of more than 50%.
  • a micromechanical design of the pump can only consist of a single structured component in which the displacer is implemented and a base plate with two openings.
  • These simple structures allow a problem-free assembly of the overall system.
  • a basic structure made of Pyrex allows the anodic bonding of the structured silicon component to the Pyrex basic body, which serves as a pump body.
  • the openings in the basic structure can be designed as simple bores or in any shape. This considerably reduces the effort compared to the production of flow nozzles.
  • the basic design of the micropump can also be round or have any shape.
  • micropump In addition to silicon, all other materials can be considered as materials for the micropump, for example metals, plastics, glasses, ceramics. Simple production in plastic injection molding technology is also possible such as the production in metal pressure casting technology or da ⁇ LIGA process.
  • the drive of the micropump i.e. de ⁇ displacer
  • de ⁇ displacer can be done by all known actuator methods, for example piezoelectric, pneumatic, thermopneumatic, thermomechanical, electrostatic, magnetic, magnetostrictive or hydraulic.
  • a control loop can be set up via integrated sensors, for example in the buffer membrane, which brings the drive of the micropump into the optimum working range in each case.
  • the field of application of the pump according to the invention covers the entire area of microfluidics and fluidics, since the medium can be conveyed bidirectionally as well as blocked in a defined manner.
  • the minimal size enables the construction of minimal mixing and dosing systems in medical, chemical and analysis technology.
  • the pump principle is suitable for a wide range of sizes, so that in many cases the injection molding technique can be used as a cost-effective manufacturing technique.
  • the fluid pump has a pump body 110, to which a displacer 114 in the form of a membrane 114 is attached by means of a connecting device 112.
  • the membrane 114 can be thickened at the sections at which the displacer is attached to the pump body 110.
  • the membrane 114 is by means of a drive device 116, which is a piezoelectric, a pneumatic, a thermopneumatic, a thermomechanical, an electrostatic, a magnetic, a magnetostrictive or a hydraulic drive arrangement can be moved from the position shown in FIG. 11 and referred to below as the first end position into a second end position.
  • two openings 118 and 120 are arranged in the pump body 110, which can be connected, for example, to an inlet or outlet fluid line (not shown).
  • the opening 118 is the inlet opening
  • the opening 120 is the outlet opening.
  • the membrane 114 is preferably connected to the drive device 116 directly above the inlet opening 118 in order to enable the operation of the pump, which will be explained below with reference to FIG. 14.
  • the membrane 114 can have a thickening at the point at which it is connected to the drive device 116.
  • the self-priming, self-filling micropump shown in FIG. 11 differs from known micropumps in that it alternately opens the first opening 118 during pump operation, while the second opening 120 remains closed, and then closes the second opening 120 open while the first opening is closed.
  • only one opening, 118 or 120 is open at any time, while the other opening is closed.
  • both openings 118 and 120 are closed, as a result of which the pump medium is shut off in a defined manner.
  • FIG. 12 shows an eighth embodiment of a fluid pump according to the invention.
  • the fluid pump in turn has a pump body 110, to which a membrane 124 is attached by means of a connecting device 112.
  • a capillary gap 126 is formed between the membrane and the pump body.
  • the membrane In order to close the openings 118 and 120 when the displacer, ie the membrane 124, is in the rest position, the membrane has thickened areas at the locations of the openings the surface of the plate of the pump body facing lio.
  • a drive device 116 is attached to the membrane.
  • structurings can be formed which enable optimal buffer volume adaptation and emptying. Furthermore, structuring, which can be designed as flow channels, on the top of the pump body, i.e. the upper side, which faces the membrane 124, or the lower side of the membrane for optimal filling or emptying of the pump.
  • the openings 118 and 120 which are arranged in the pump body 110 could furthermore have elevations which surround them.
  • the membrane 124 would not have to have any thickenings facing the pump body 110 in order to enable the openings 118 and 120 to be closed.
  • FIG. 13 shows a ninth exemplary embodiment of a fluid pump according to the present invention.
  • a capillary gap is formed between the pump body 110 and a membrane 136 forming a displacer.
  • This asymmetrical structure of the pump according to the invention enables self-priming or self-filling operation of the micropump according to the present invention.
  • FIG. 11 A pump cycle of the pump, which is shown in FIG. 11, is explained below with reference to FIGS. 14a to 14e. It should be noted that this is shown in Fig. 12 illustrated embodiment of the present invention undergoes a similar pump cycle in operation.
  • Fig. 14a the pump is shown in the rest position, which is also shown in Fig. 11. In this position, both connections are closed, as a result of which an absolute media block is generated.
  • the displacer i.e. the membrane 114 is moved selectively upwards from the rest position in the direction of the arrow shown in FIG. 14b, the inlet opening, the opening 118, being opened while the outlet opening, the opening 120, remains closed.
  • the position shown in FIG. 14b can be regarded as the second end position of the displacer.
  • Fig. 14c it is shown how a medium to be pumped by the upward movement of the displacer through the inlet opening, i.e. the opening 118, into which the pump chamber formed by the upward movement of the displacer is drawn. Subsequently, as shown in FIG. 14d, the displacer is suddenly moved downward at certain points and thus closes the inlet opening. Due to the displacement deformation, i.e. the deformation of the membrane 114, a buffer volume is formed between the membrane and the pump body, which corresponds to the fluid volume received, which has the effect that the outlet opening is opened.
  • the buffer volume is discharged through the outlet opening, i.e. the opening 120 is emptied, the medium to be pumped being "shifted" or transported via a "roll displacement".
  • the pump mechanism described above with reference to FIGS. 14a to 14e results in a pumping direction from the inlet opening 118 to the outlet opening 120.
  • a reversal of the pumping direction can be achieved. It is obvious that the inlet or outlet opening then also reverses, ie the inlet opening 118 becomes the outlet opening and the outlet opening 120 becomes the inlet opening.
  • the volume of the medium received by the fluid pump according to the invention through an opening in each pump cycle corresponds to the volume of the medium discharged through the second opening.
  • the backflow occurring in the pump according to the invention or the dead volume, i.e. that volume, which is only moved back and forth and does not make a pump contribution, goes to zero in this arrangement, in contrast to known micro pumps.
  • self-filling in connection with the membrane deformation and the sequential opening of the openings can be reproduced with a simple activation of the drive device.
  • FIG. 15a to 15e show a pump cycle of the ninth embodiment of a pump shown in FIG. 13 according to the present invention.
  • the membrane 136 is first moved downward from a rest position by means of the drive device 116 such that the opening 118 is closed.
  • opening 118 is referred to as the inlet opening
  • opening 120 is referred to as the outlet opening.
  • the position of the membrane 136 shown in FIG. 15a can be referred to as the first end position.
  • the membrane 136 is subsequently moved upwards in a jerky manner.
  • the openings are briefly opened here, but a different dimension of the medium flows through the openings, since the opening height, ie the distance of the membrane, bran above the openings, and thus the flow resistance.
  • a larger fluid flow thus flows through the inlet opening 118 than through the outlet opening 120. This is indicated in FIG. 15c by the arrows, which are shown with different strengths.
  • the membrane is subsequently moved downward in a jerky manner, as a result of which the opening 118 is closed.
  • a pump volume is formed between the membrane and the pump body, which, as shown in FIG. 15e, is subsequently emptied through the opening 120 by the reshaping of the displacer.
  • the micropump according to FIGS. 11 and 12 can be filled itself with a constant drive frequency. After the medium to be pumped has filled the pump chamber or the pumping chamber and emerges at the outlet opening, the drive frequency of the drive device which drives the displacer can be reduced by a factor of 10 in the case of pumping a liquid medium, since now there is no more air must be displaced, but only the liquid medium.
  • a basis for the pump mechanism lies in the displacement deformation and the arrangement of the openings.
  • the medium to be pumped is received through the opening 118 and "shifted" to the opening 120 or transported via a "roll displacement".
  • the pump bodies and displacement devices according to the invention can preferably consist of silicon. In addition, they can also be manufactured using a plastic injection molding technique. All drives known in the art can be used as drive devices.
  • the transient curve shapes characteristic of the micropump for the stroke, the pump chamber pressure, the displacement volume change and the flow can be derived without further ado.
  • a capillary gap between the displacer membrane and the pump body plate could also be formed by a recess in the pump body plate.
  • the present invention thus makes it possible for the first time to produce non-return valves, self-priming, i.e. self-filling, micropumps.
  • the field of application of the pumps according to the invention covers the entire field of microfluidics and fluidics, since the medium to be pumped can be conveyed bidirectionally as well as blocked in a defined manner.
  • the pumps according to the invention can be produced with minimal effort and with minimal overall sizes. Due to these small sizes, the present invention enables the construction of minimal mixing and dosing systems in medical, chemical and analysis technology, the pumps used having a good efficiency.

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Abstract

Eine Fluidpumpe besteht aus einem Pumpenkörper, einem Verdränger und einem elastischen Puffer. Der Verdränger ist mittels eines Antriebs in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar. Der Verdränger und der Pumpenkörper sind derart ausgebildet, daß zwischen denselben eine Pumpkammer, die über eine erste und eine zweite Öffnung mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist, definiert ist. Der elastische Puffer grenzt an die Pumpkammer an. Der Verdränger verschließt die erste Öffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist, und läßt die erste Öffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung ist.

Description

Rückschlagventillose Fluidpumpe
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidpumpen.
Es ist bekannt, zum Transport von Flüssigkeiten und Gasen Verdrängerpumpen zu verwenden, die aus einem periodischen Verdränger, einem Kolben oder einer Membran, und zwei pas¬ siven Rückschlagventilen bestehen. Durch die periodische Be¬ wegung des Kolbens oder der Membran wird Flüssigkeit durch das Einlaßventil in eine Pumpkammer angesaugt, bzw. durch das Auslaßventil auε der Pumpkammer verdrängt. Die Trans¬ portrichtung ist dabei durch die Anordnung der Ventile vor¬ gegeben. Soll bei einer derartigen Anordnung die Pumprich¬ tung umgekehrt werden, ist bei solchen bekannten Pumpen eine mit einem hohen Aufwand verbundene, externe Umsteuerung der Ventile notwendig. Derartige Pumpen sind beispielsweise bei Jarolav und Monika Ivantysyn; Hydrostatische Pumpen und Mo¬ toren; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993, gezeigt.
Entsprechende Pumpen, die eine geringe Baugröße aufweisen und geringe Pumpströme liefern, bezeichnet man als Mikro¬ pumpen. Die Verdränger solcher Pumpen sind typischerweise als Membran ausgeführt, siehe P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, Seiten 143 - 164. Die Verdränger können durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden. Bei H.T.G. Van Lintel, F.CM. Van de Pol. S. Bouwstra, A Pie¬ zoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon, Sensors & Actuators, 15, Seiten 153 - 167, 1988, S. Shoji, S. Nakagawa and M. Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing Systems; Sensors and Actua¬ tors, A21-A23 (1990) Seiten 189 - 192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159 - 167, und T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and Performance of the dynamic micropump; Proc. MEMS'95; (1995) , Seiten 221 - 226; Amsterdam, The Ne¬ therlands, sind piezoelektrische Antriebsmechanismen ge¬ zeigt. Thermopneumatische Mechanismen zum Antreiben der Ver¬ dränger sind bei F.CM. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J. Fluitman, A Thermo-pneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques, Sensors & Actuators, A21-A23, Seiten 198 - 202, 1990, B. Büstgens, W. Bacher, W. Menz, W. K. Schomburg; Micropump manufactored by thermopla¬ stic molding; Proc. MEMS'94; (1994), Seiten 18 - 21, ge¬ zeigt. Ein elektrostatischer Mechanismus ist bei R. Zenger¬ le, W. Geiger, M. Richter, J. Ulrich, S. Kluge, A. Richter; Application of Micro Diaphragm Pumps in Microfluid Systems; Proc. Actuator '94; 15. - 17.6.1994; Bremen, Germany; Seiten 25 - 29, gezeigt. Ferner können die Verdränger thermomecha- nisch oder magnetisch angetrieben werden.
Wie ebenfalls in den oben genannten Schriften gezeigt ist, können als Ventile entweder passive Rückschlagventile oder spezielle Strömungsdüsen verwendet werden. Die Förderrich¬ tung von Mikropumpen kann ohne eine Zwangssteuerung der Ven¬ tile allein durch eine Ansteuerung mit einer Frequenz ober¬ halb der Resonanzfrequenz der Ventile umgekehrt werden. Dazu seien R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bi- directional Silicon Micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Niederlande; Seiten 19-24, J. Ulrich, H. Füller, R. Zenger¬ le; Static and dynamic flow Simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Stockholm, Sweden, (1995) , Seiten 17 - 20, betrachtet. Die Ursache dieses Ef¬ fekts ist eine Phasenverschiebung zwischen der Bewegung des Verdrängers und dem Offnungszustand der Ventile. Ist die Phasendifferenz größer als 90°, so ist der Offnungszustand der Ventile antizyklisch zu deren Zustand im normalen Vor- wärtsmodus und die Pumprichtung ist umgedreht. Eine externe Umsteuerung der Ventile, wie sie bei makroskopischen Pumpen notwendig ist, entfällt. Die entscheidende Phasendifferenz zwischen dem Verdränger und den Ventilen hängt dabei einer¬ seits von der Antriebsfrequenz der Pumpe und andererseits von der Resonanzfrequenz des beweglichen Ventilteils in der Flüssigkeitsumgebung ab.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß bei der Ausführung der Ventile ein Kompromiß zwischen deren me¬ chanischer Resonanz in der Flüssigkeitsumgebung, deren Strö¬ mungswiderstand, deren fluidischer Kapazität, d.h. der ela¬ stischen Volumenverformung, deren Baugröße und deren mecha¬ nischer Stabilität gefunden werden muß. Diese Parameter, die alle jeweils Auswirkungen auf die Pumpdynamik haben, können also nicht unabhängig voneinander auf ein Optimum einge¬ stellt werden und stehen zum Teil einer erwünschten, weite¬ ren Miniaturisierung der Pumpabmessungen entgegen.
Generell nachteilig bei der Verwendung von Pumpen mit pas¬ siven Rückschlagventilen ist ferner die Tatsache, daß die Pumpen im ausgeschalteten Zustand das zu fördernde Medium nicht sperren. Übersteigt der Eingangs- den Ausgangsdruck um die Vorspannung der Ventile, so durchfließt das zu pumpende Medium die Pumpe.
Mikropumpen, die spezielle Strömungsdüsen verwenden, besit¬ zen den Nachteil, daß sie einen sehr geringen maximalen Pumpwirkungsgrad im Bereich von den 10 - 20% aufweisen.
Eine beispielhafte, mit Rückschlagventilen versehene Mikro- pumpe ist in der EP 0 568 902 A2 offenbart. Diese Mikropumpe wird durch die Reziprokbewegung einer Membran betrieben. Durch die Bewegung der Membran ändert sich das Volumen einer Pumpkammer, die durch die Membran und ein Trägerbauglied ge¬ bildet ist. Der Auslaß und der Einlaß der Mikropumpe sind mit einem Auslaßventil bzw. einem Einlaßventil versehen.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor¬ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, effiziente Fluid- pumpen mit einem einfachen Aufbau, die keine Rückschlagven¬ tile aufweisen, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch rückschlagventillose Fluidpumpen gemäß den Patentansprüchen 1, 19 und 25 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Fluidpumpe mit einem Pumpenkörper, einem Verdränger, der mittels eines Antriebs in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, wobei der Verdränger und der Pumpenkörper derart ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pumpkammer, die über eine erste und eine zweite Öff¬ nung, die keine Rückschlagventile aufweisen, mit einem Ein¬ laß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist, definiert ist, und einem elastischen Puffer, der an die Pumpkammer an¬ grenzt. Der Verdränger verschließt die erste Öffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist und läßt die erste Öffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung iεt.
Bei der Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung sind keine Rückεchlagventile, weder passive noch aktive, erfor¬ derlich. Ferner kann die Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zum aktiven Sperren deε Fluidε in beiden Richtun¬ gen verwendet werden. Bei der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung iεt eine Umkehr der Förderrichtung ohne Verwendung einer externen Zwangεεteuerung von Ventilen und ohne die Verwendung einer Resonanz von passiven Rückschlagventilen erreichbar. Die mit der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung erreichbare Pumpleistung kann durch die Steuerung des Zeitablaufε deε Treibenε deε Verdrängerε in die erεte und in die zweite Endpoεition, alεo durch daε Steuern des Taktver¬ hältnisses, optimiert werden. Ferner kann die erreichbare Pumpleistung über eine Querεchnittanpaεεung von erεter und zweiter Öffnung optimiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zu¬ grunde, daß es möglich ist, eine selbstanεaugende Fluidpum¬ pe, beiεpielεweiεe eine εelbstansaugende Mikropumpe, zu εchaffen, indem daε in der Mikropumpe entεtehende Totvolu¬ men, d.h. jenes Volumen, welcheε nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, draεtiεch reduziert wird. Dadurch wird eine Selbstbefullung bei einer einfachen An- Steuerung des Pumpenantriebs reproduzierbar.
Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem zweiten und dritten Aspekt eine rückschlagventillose Fluidpumpe beste¬ hend aus einem Pumpenkörper und einem flexiblen Verdränger, wobei der Pumpenkörper und der flexible Verdränger einen Pumpraum definieren, der über eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist. Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verschließt der Verdränger in der ersten Endstel¬ lung die erste und die zweite Öffnung, wobei der Verdränger die erste Öffnung öffnet, während die zweite Öffnung im we¬ sentlichen geschloεsen bleibt, wenn der Verdränger durch den Antrieb aus der ersten Endεtellung in die zweite Endεtellung bewegt wird. Gemäß dem dritten Aεpekt der vorliegenden Er¬ findung sind die erste und die zweite Öffnung beabεtandet zueinander auf unterschiedlichen Seiten einer Mittelachεe deε Verdrängerε angeordnet, wobei der Verdränger die erεte Öffnung verεchließt, wenn er in der erεten Endεtellung iεt, und die erεte Öffnung offen läßt, wenn er in der zweiten Endεtellung iεt.
Die Fluidpumpe gemäß dem zweiten und dem dritten Aεpekt der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise aus einem Pum¬ penkörper in der Form einer Platte und einem Verdränger in der Form einer Membran. Vorzugsweise sind in der Platte die Einlaß- und die Auslaßöffnung gebildet. Der Verdränger in der Form der Membran kann dabei in der Ruhestellung direkt auf einer Hauptoberfläche der Platte aufliegen. Ferner kann zwischen dem Verdränger in der Form der Membran und einer Hauptoberfläche der Platte ein kapillarer Spalt ausgebildet sein.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab¬ hängigen Anεprüchen dargelegt.
Bevorzugte Auεführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich- nungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente in unter¬ schiedlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeich¬ net sind. Eε zeigen:
Fig. 1 eine εchematiεche Querschnittdarstellung eineε er¬ sten Ausführungsbeiεpiels der vorliegenden Erfin¬ dung;
Fig. 2 eine Darstellung der wesentlichen Pumpparameter der Pumpe, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3 eine Darstellung der tranεienten Vorgänge der ein¬ zelnen Komponenten der in den Figuren 1 und 2 dar- geεtellten Pumpe;
Fig. 4a biε 4e graphiεche Darstellungen der Pumpe von Fig. 1 während eineε Pumpzyklusεes;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbei¬ spiels der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 6 eine Querschnittansicht eines dritten Ausführungs- beispielε einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung;
Fig. 7 eine Schnittanεicht eineε vierten Ausführungsbei¬ spiels einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung;
Fig. 8 eine Darstellung der tranεienten Vorgänge der ein¬ zelnen Komponenten bei einer Rückwirkung der Pump¬ kammer auf den Verdränger;
Fig. 9 ein fünftes Ausfuhrungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 10a bis lOe graphische Darstellungen einer Pumpe gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines Pumpzyklusses.
Fig. 11 eine Querschnittdarstellung eines siebten Ausfüh- rungsbeispielε einer Fluidpumpe gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;
Fig. 12 eine Querεchnittdarεtellung eineε achten Auεfüh- rungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;
Fig. 13 eine Querschnittdarεtellung eines neunten Ausfüh- rungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;
Fig. 14a bis 14e grafische Darstellungen der Pumpe von Fig. 11 während eines Pumpzykluεεeε; und
Fig. 15a biε 15e grafiεche Darstellungen der Pumpe von Fig. 13 während eines Pumpzyklusεeε.
In Fig. 1 iεt ein erstes Ausführungsbeiεpiel einer Pumpe ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Pumpe weist ei¬ nen Pumpenkörper 10, der plattenartig ausgebildet ist, und einen Verdränger 12, der über Verbindungen 18, die material¬ abhängig ausgeführt sind, auf dem Pumpenkörper befeεtigt ist, auf. Eine Pumpkammer 14 ist durch eine Ausnehmung in dem Pumpenkörper 10 gebildet. In dem Pumpenkörper εind fer¬ ner zwei Öffnungen, eine erεte Öffnung 15 und eine zweite Öffnung 16, vorgeεehen, an welche die Fluidleitungen deε zu pumpenden Fluids angeεchloεεen werden können. Ein elaεti- εcher Puffer 13 iεt bei dem erεten Ausfuhrungsbeispiel durch eine Verdünnung des Pumpenkörperε 10 alε eine Membran auεge- bildet, die druckabhängig verformbar iεt.
Der Verdränger 12 kann durch einen Antrieb (nicht gezeigt) periodisch zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegt werden. In der ersten Endstellung verschließt der Verdränger 12 die erste Öffnung 15, die im normalen Betrieb der Pumpe den Einlaß darstellt. In der zweiten Endposition läßt der Verdränger 12 die erste Öffnung 15 offen. Die zweite Öffnung 16, die im normalen Betrieb den Auslaß darstellt, ist unge¬ achtet der Stellung deε Verdrängers 12 während eines gesam¬ ten Pumpzyklus geöffnet.
Nachfolgend wird der Pumpmechaniεmuε der in Fig. 1 darge¬ stellten Pumpe näher erläutert. Für diese Erläuterung wird die erεte Öffnung 15 als Einlaßöffnung und die zweite Öff¬ nung 16 als Auεlaßöffnung betrachtet. In Fig. 2 sind die we¬ sentlichen Parameter, die zur Erklärung des Pumpmechanismuε nötig εind, dargeεtellt.
Eε εei angenommen, daß auf der Einlaßεeite der hydrostati- sche Druck pl herrεcht, auf der Auεlaßseite der hydrosta¬ tische Druck p2 und in der Pumpkammer der Druck p. Die Durchströmung der beiden Öffnungen sei mit φe für die Ein¬ laßöffnung 15 und mit φa für die Auslaßöffnung 16 bezeich¬ net. Der Verdränger, bei dem gemäß dem ersten Ausführungs¬ beispiel die Ruhelage der ersten Endstellung, bei der die Einlaßöffnung verschlossen ist, entεpricht, wird durch die Betätigung deε Antriebs in seine zweite Endstellung bewegt, wodurch eine Änderung des Volumens der Pumpkammer um eine definierte Volumenmenge dV* stattfindet. Eine druckabhängige Volumenverdrängung deε elastischen Puffers wird mit Vpuffer bezeichnet. Sie wird positiv gewertet, wenn εich die Membran 13 aus der Pumpkammer 14 herauswölbt, und negativ, wenn sich dieselbe in die Pumpkammer 14 hineinverformt.
Das Volumen der Pumpkammer setzt εich auε einem Grundvolumen V0 der Pumpkammer 14, der Auslenkung des Verdrängers 12 v Verdränqer un<^ der Volumenverformung des Puffervolumenε v Puffer gemäß folgender Gleichung zusammen:
vPumpkammer = v0 + vPuffer(P) + vVerdränger U)
Eine Änderung deε Pumpkammervolumenε dVpumpjcaιnι-ιer εetzt εich dementεprechend wie folgt zusammen: dvPumpkammer = dvo(P) + dvPuffer<P) + dvVerdränger (2)
Die Kontinuitätεgleichung für daε Volumen der Pumpkammer lautet:
dvPumpkammer/dt = <MPl"P) " 0a(P"P2) (3)
Ein gesamter Pumpzyklus läßt sich in vier Teilschritte zer¬ legen, wobei sich die zeitlichen Abläufe unter einigen ver¬ einfachenden Annahmen auf der Basiε von Gleichung (2) und Gleichung (3) berechnen laεsen. Im folgenden wird daε zeit¬ liche Verhalten der einzelnen Pumpkomponenten in den vier Teilschritten, sowie der sich daraus ergebende Pumpeffekt erläutert. Dabei wird zunächst von einer Pumpkammer ausge¬ gangen, die vollständig mit einem inkompresεiblen Medium ge¬ füllt iεt, beispielsweiεe einer Flüεεigkeit mit dVQ/dp ~ 0. Eε gilt:
dV0(p) = [dV0(p)/dp] dp = 0 (4)
Teilεchritt 1:
Der Verdränger 12 wird von der erεten Endpoεition, alεo der¬ jenigen Endpoεition, in der er die Einlaßöffnung 15 ver¬ schließt, innerhalb einer εehr kurzen Zeit, dt « 0, um ein definiertes Volumen dV* nach oben bewegt. Dies führt zu ei¬ ner entsprechenden Volumenverformung des elastiεchen Puffer- volumenε, d.h. der Membran 13, in die Pumpkammer hinein, da der Pumpkammerinhalt alε inkompreεεibel angenommen wurde, und da innerhalb der kurzen Zeit dt ~ 0 die Volumenverände¬ rung des Verdrängers 12 nicht durch die Fluidströmungen <pe und φa kompensiert werden können. Wenn dt « 0 angenommen wird, folgt aus der Gleichung (3) dVpUIT1p)<;ajrιIner « o und da¬ raus mit den Gleichung (2) und (4) dVPuffer = -dVVerdrän_er = -dV* . Das verformte Puffervolumen erzeugt in der Pumpkam¬ mer 14 einen Unterdruck, der sich über die Charakteristik vPuffer(P) berechnen läßt. Teilschritt 2 (Saugphase. :
Durch den in der Pumpkammer erzeugten Unterdruck treten nun Fluidströmungen durch die Einlaß- und die Auslaßöffnung auf. Entsprechend der in die Pumpkammer geströmten Fluidmenge entspannt sich das Puffervolumen, wobei sich der von demεel- ben erzeugte Unterdruck abbaut. Der zeitliche Verlauf deε Pumpkammerdruckε in dieεer Pumpphaεe ergibt εich auε den Gleichungen (2) und (3) zu:
dp/dt = [Φe(Pι-p) ~ Φa(P-P2)] / tdvPuffer/dPJ (5)
Sind die Strömungεwiderεtände der Einlaß- und Auεlaßöffnung gleich groß und entεprechen die hydroεtatiεchen Drücke p und p2 dem Umgebungεdruck, εo fließen durch die Einlaß- bzw. Auεlaßöffnung jeweils gleich große Fluidmengen in die Pump¬ kammer 14.
Teilschritt 3:
Nun wird der Verdränger auε der zweiten Endposition, d.h. derjenigen Endposition, in der die Einlaßöffnung offen war, innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt « 0, um ein definiertes Volumen dVVerdr.gnqer = -dV* nach unten bewegt. Die Einla߬ öffnung ist nun verschlossen. Die Abwärtsbewegung des Ver¬ drängers 12 führt zu einer entsprechenden Volumenverformung des elastischen Puffers, d.h. der Membran 13 im ersten Aus¬ führungsbeispiel, aus der Pumpkammer 14 heraus, da der Pump¬ kammerinhalt als inkompressibel angenommen wurde, und die Volumenänderung des Verdrängers 12 innerhalb der kurzen Zeit nicht durch die Fluidströmungen φe und φa durch die Öffnung 15, 16 ausgeglichen werden kann. Erfolgt der zeitliche Ab¬ lauf innerhalb dt « 0, dann folgt aus der Gleichung (3) dvPumpkammer ~ ° und daraus mit den Gleichungen (2) und (4) : dvPuffer = ~dv Verdränger = +dv*- DaΞ verformte Puffervolumen erzeugt nun in der Pumpkammer einen Überdruck, der sich ebenfalls aus der Druckcharakteristik Vpuffer(P) deΞ Puffers berechnen läßt.
Teilschritt 4 (Pumpphase) :
Nach dem Teilschritt 3 ist die Einlaßöffnung 15 durch den Verdränger 12 verschlossen. Somit kann die Fluidstromung, die aufgrund des Überdrucks in der Pumpkammer 14 auftritt, die Pumpkammer ausschließlich durch die Auslaßöffnung 16 verlasεen. Entεprechend der auε der Pumpkammer geströmten Fluidmenge entspannt sich das Puffervolumen, wobei εich der von dem Puffervolumen erzeugte Überdruck abbaut. Der zeitli¬ che Verlauf deε Pumpkammerdrucks in dieser Phase ergibt sich wiederum aus den Gleichungen (2) und (3) zu:
dp/dt = [-Φa(p-p2)] / -dVPuffer/dP] <6>
Wie aus der obigen Erläuterung offenεichtlich iεt, wird wäh¬ rend deε Teilεchritts 2 die Fluidmenge dV* durch die Einlaß- und Auslaßöffnung 15, 16 angesaugt, wohingegen sie während des Teilεchrittε 4 allein durch die Auslaßoffnung 16 ver¬ drängt wird. Sind die Strömungswiderεtände von Einlaß- und Auεlaßöffnung gleich groß und arbeitet die Pumpe ohne Laεt, d.h. p2 = Pi = 0, so wird in der Nettobilanz über einen ge¬ samten Zyklus 50% des Verdrängervolumens dV* vom Einlaß 15 in den Auslaß 16 transportiert.
Aus einem Vergleich der Gleichungen (5) und (6) ist dabei ersichtlich, daß der Teilschritt 2, die Saugphase, schneller abläuft, als der Teilschritt 4, die Pumpphase. Die Ursache dafür liegt darin, daß der Unterdruck in der Saugphase durch einen Fluidstrom durch beide Öffnungen ausgeglichen wird. Der Überdruck in der Pumpphase muß dagegen durch eine Fluid¬ stromung durch nur eine Öffnung, die Auslaßöffnung 16, aus¬ geglichen werden.
Durch eine Variation der Strömungswiderstände von Einlaß- und Auslaßöffnung, d.h. eine Änderung der Öffnungsquer¬ schnitte der beiden Öffnungen, kann der Pumpwirkungsgrad va- riiert werden. Insbesondere durch eine Erhöhung des Strö- mungswiderεtandeε auf der Auslaßseite bezüglich zur Ein¬ laßseite kann der Wirkungsgrad im lastfreien Fall auf deut¬ lich mehr als 50% optimiert werden. Der Grund dafür liegt in einer deutlich geringeren Rückströmung von Fluid vom Auslaß in die Pumpkammer während der Saugphase. Allerdingε hat die Erhöhung des Strömungswiderstandes auf der Auslaßεeite gemäß Gleichung (6) eine entεprechende Verlängerung der Pumpphaεe zur Folge.
Saug- und Pumpphasen unterschiedlicher Dauer können bei der Ansteuerung des Verdrängers berückεichtigt werden, indem ein von 50% verεchiedeneε Taktverhältnis verwendet wird, d.h. indem der Zeitablauf des Treibens des Verdrängers in die er¬ ste und in die zweite Endposition gesteuert wird. In dem Fall, deε erhöhten Strömungεwiderstandes auf der Auεlaßεeite bedeutet dies, daß die Saugphase durch die Ansteuerung deε Verdrängerε verkürzt wird, während die Pumpphaεe verlängert wird.
In Fig. 3 sind die transienten Vorgänge in der Pumpe gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargeεtellt.
Die Kurve "A" zeigt den Verlauf der Verdrängerbewegung wäh¬ rend eines Pumpzyklusεeε in den vier Teilschritten 1, 2, 3 und 4. Im Schritt 1 wird der Verdränger sehr schnell nach oben ausgelenkt und verharrt während deε Schritts 2 in die¬ ser Stellung. Dabei iεt die Einlaßöffnung offen. Im Schritt 3 wird der Verdränger sehr schnell nach unten bewegt, ver¬ schließt die Eingangεöffnung und verharrt während deε Schritts 4 in dieεem Zuεtand.
Die Kurve "B" εtellt die Reaktion deε Puffers dar, der gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 aus der Membran 13 be¬ steht. Dieseε elastische Pufferelement in der Form der Mem¬ bran 13 kann sich entsprechend der Druckverhältnisεe verfor¬ men. Während des Schritts 1 kompensiert die Verformung des Puffers die Volumenänderung des Verdrängers. Während des Schritts 2 baut sich die Verformung des Pufferε durch die Fluidströmungen durch die Einlaß- bzw. Auεlaßöffnung wieder ab. Im Schritt 3 verformt sich das Pufferelement nach unten und kompenεiert εo die εchnelle Volumenänderung des Verdrän¬ gers. Während des Teilεchrittε 4 baut εich diese Verformung durch die Fluidstromung durch die Auslaßöffnung wieder ab.
Die Kurve "C" stellt den Pumpkammerdruck dar. Da der Pump- kammerdruck von der Verformung deε Pufferε abhängt, ent¬ spricht sein Verlauf im weεentlichen dem Verlauf der Volu¬ menänderung durch den Puffer.
Die Kurve "D" veranεchaulicht den Durchfluß durch die Ein¬ laßöffnung. Auε der Kurve "D" iεt ein Gleichrichterwirkung zu erkennen, da der Einlaß im Schritt 3 verεchloεεen wird und während deε Teilschritts 4, während dem in der Druck¬ kammer ein Überdruck herrscht, verschlossen bleibt. Damit ist eine Rückströmung von der Pumpkammer in die Einlaßseite verhindert.
Die Kurve "E" zeigt den Durchfluß durch die Auslaßöffnung. Da die Auslaßöffnung in beiden Endstellungen des Verdrängers geöffnet ist, strömt das Fluid sowohl im Schritt 2 als auch im Schritt 4 durch die Auslaßöffnung. Der Nettotransport von Fluid durch die Einlaß- und Auslaßöffnung ergibt sich aus dem Integral über eine der beiden Kurven "D" oder "E". Im normalen Betriebsmodus ist der Nettotransport vom Einlaß zum Auslaß gerichtet.
In den Fig. 4a bis 4e ist die Pumpe gemäß dem erεten Auεfüh¬ rungεbeiεpiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, während der ver¬ schiedenen Teilεchritte eines Pumpzykluεεes dargeεtellt.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 5 zeigt eine Pumpe, bei der ein Puffer 43 in einem Pum¬ penkörper 40 angeordnet iεt. Der Pumpenkörper 40 weist eine Grundplatte 40a und Seitenwände 40b auf, die zusammen einen Hohlkörper bilden, der durch die Seitenwände 40b und die Grundplatte 40a abgeschloεsen ist und auf einer Seite, in Fig. 5 der nach oben gerichteten Seite, offen ist. Weiεt die Grundplatte eine runde Form auf, εind die Seitenwände ausge¬ bildet, um eine rohrformige Struktur zu definieren. Durch die Grundplatte erstreckt sich eine Einlaßöffnung 45 und ei¬ ne Auslaßöffnung 46. In dem Hohlraum befindet sich ein Ver¬ dränger 42, der denεelben zu der offenen Seite hin ab- εchließt und mittelε eines Antriebs (nicht gezeigt) in der Richtung, die durch den Pfeil 19 gezeigt ist, kolbenartig in dem Hohlraum bewegbar ist.
Eine Pumpkammer 44 wird durch eine Ausεparung des Verdrän¬ gers 42 sowie den Pumpenkörper 40 gebildet. Der elastiεche Puffer 43 iεt bei dieεem Auεführungεbeiεpiel in dem Pumpen¬ körper 40, d.h. in der Seitenwand 40b deε Grundkörperε 40 ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Seitenwand 40b in einem Bereich, der an die Pumpkammer 44 angrenzt, verdünnt, um ei¬ ne membranartige Struktur zu ergeben. Die Funktionεweiεe dieεeε zweiten Auεführungbeispiels entspricht der deε erεten Auεführungεbeiεpielε.
Fig. 6 zeigt ein dritteε Auεführungsbeispiel einer Pumpe ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung. Ein Pumpenkörper 50 iεt da¬ bei in gleicher Weise aufgebaut wie der Pumpenkörper 40 des zweiten Ausführungεbeiεpiels, mit der Ausnahme, daß der ela¬ stische Puffer nicht in demselben gebildet ist. In dem Pum¬ penkörper 50 iεt wiederum ein Verdränger 52 angeordnet und in der Richtung des Pfeils 19 kolbenartig bewegbar. Der Ver¬ dränger 52 besitzt im Querschnitt die Form eines H, wobei ein Bein desselben einen Vorsprung 52a aufweist, um eine Einlaßöffnung 55 in dem Pumpenkörper 50 zu verschließen. Ei¬ ne Auslaßöffnung 56 in dem Pumpenkörper 50 ist stetε geöff¬ net. Der Verdränger 52 iεt auεgebildet, um den Pumpenkörper 50 zu der offenen Seite hin zu verεchließen. Dabei kann er abhängig von der Form deε Pumpenkörpers 50, von oben gese¬ hen, eine beliebige runde, mehreckige, elliptische, usw., Form aufweisen.
Durch die Form des Verdrängers 52 wird zwiεchen dem Verdrän¬ ger 52 und dem Pumpenkörper 50 wiederum eine Pumpkammer 54 definiert. Im Gegenεatz zum bezugnehmend auf Fig. 5 be¬ schriebenen, zweiten Ausfuhrungsbeispiel ist der elastiεche Puffer bei diesem Auεführungsbeispiel jedoch nicht in dem Pumpenkörper 50 gebildet, sondern in dem Verdränger 52. Da¬ bei ist der elastische Puffer als Membran 53 in dem Verdrän¬ ger 52 auεgebildet.
In Fig. 7 iεt ein vierteε Auεführungεbeiεpiel einer Fluid¬ pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargeεtellt. In Fig. 7 sind Bauteile, die solchen in Fig. 6 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Pumpenkörper ist bei dem vierten Ausführungεbeiεpiel der vorliegenden Erfindung identiεch dem Pumpenkörper deε dritten Auεführungεbeiεpielε. Bei dem vierten Auεführungεbeiεpiel ist ein elastiεcheε Puf¬ ferelement 63 in einem Verdränger 62 angeordnet, derart, daß daε elaεtiεche Pufferelement 63 eine Grenzfläche zu einer von dem Verdränger 62 und dem Pumpenkörper 50 gebildeten Pumpkammer 64 aufweist. Beim Betrieb dieser Pumpe wird das elastische Pufferelement 63 zusammengedrückt und ausgedehnt, wodurch sich wiederum die vorher erläuterte Funktionsweise ergibt.
Neben den dargestellten elastischen Puffern kann die Funk¬ tion des elastiεchen Pufferelementε auch von einem elasti¬ schen Medium in der Pumpkammer übernommen werden. Beispiele sind ein Gaseinschluß in einer mit Flüsεigkeit gefüllten Kammer oder auch ein gummiartiges Material in der Pumpkam¬ mer. In diesem Fall kann auf die elastische Membran, die als Teil des Verdrängers oder des Pumpenkörpers einen Abschnitt der Pumpkammerbegrenzung liefert, verzichtet werden. Sofern daε zu pumpende Medium kompreεεibel iεt, beiεpielεweiεe Gas, kann die Pufferfunktion von demselben selbεt übernommen wer¬ den, wobei keine weiteren mechaniεchen Bauteile zur Reali- εierung des Puffers notwendig sind. Der Hub des Verdrängers in den oben erläuterten Schritten 1 und 3 wird dann zunächst durch eine Expansion bzw. Kompression des elaεtiεchen Me¬ diums in der Pumpkammer oder des zu pumpenden Mediums selbst, kompensiert werden. In den Schritten 2 bzw. 4 rela¬ xiert die Volumenverformung des Mediumε in Folge von Fluid¬ strömungen durch die Öffnungen, wie oben bezugnehmend auf deε erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Eine reine Gaspumpe kann also lediglich mit einem Verdränger und zwei Öffnungen realisiert werden, wobei der Verdränger jeweilε periodisch eine der beiden Öffnungen verschließt.
Bei der obigen Beschreibung des Pumpmechanismus wurde von einem zwangsgesteuerten Volumen-Verdränger ausgegangen, bei dem keine Rückwirkung zwischen der Verdrängerstellung und dem Pumpkammerdruck besteht. Für eine derartige Realisierung sind Antriebsmechaniεmen mit einer sehr großen Kraftdichte notwendig. Der Pumpmechaniεmuε funktioniert auch, wenn eine derartige Rückwirkung, bzw. Kopplung, vorhanden ist.
Eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Kom¬ ponenten, beispielsweiεe der des Ausführungsbeiεpielε, daε in Fig. 1 gezeigt ist, bei einer Rückwirkung der Pumpkammer auf den Verdränger, d.h. ohne eine Zwangsεteuerung, ist in Fig. 8 dargestellt. In dieεem Fall wird der Verdränger in Schritt 1 εeine endgültige Endpoεition nicht vollεtändig er¬ reichen, sondern erst gegen Ende des Teilschritts 2. Ent¬ sprechend muß der Verdränger am Ende des Teilschritts 3 die Einlaßöffnung noch nicht vollständig verschließen, sondern erst mit zunehmenden Druckausgleich während des Teilschrittε 4. Für den Pumpeffekt ist ferner eine εehr schnelle Ansteue¬ rung des Verdrängers innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ~ 0, günstig, jedoch nicht zwingend erforderlich.
Gemäß einem Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es mög¬ lich, die Stellung des Verdrängers im abgeschalteten Modus der Pumpe ohne einen zusätzlichen Aufwand derart auszulegen, daß durch das Blockieren der Einlaßöffnung durch den Ver¬ dränger eine Fluidstromung in beide Richtung ausgeschlosεen ist. Ist der Verdränger zwangsgeεteuert und wird εeine Stel¬ lung durch den in der Pumpkammer herrεchenden Druck nicht beeinflußt, ist dadurch die Blockierung der Fluidleitung in beide Richtungen ohne einen zusätzlichen Aufwand gegeben. Falls eine Rückwirkung zwischen der Verdrängerposition und dem Pumpkammerdruck existiert, kann der Antrieb des Verdrän- gerε derart ausgelegt werden, daß er den Verdränger aktiv auf die Einlaßöffnung drückt und εomit die Fluidεtrömung ak¬ tiv unterbindet. Bei einem piezoelektriεch angetriebenen Verdränger, der beiεpielεweiεe mittelε eineε Piezostapelak- torε, einer Piezoεcheibe oder einem Piezobiegewandler betä¬ tigt wird, würde dies lediglich die Umpolung der Betriebs¬ spannung erfordern.
Gemäß einem weiteren Vorteil kann die Pumprichtung einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umgekehrt wer¬ den. Wird der Verdränger mit einer Frequenz angesteuert, die oberhalb der mechaniεchen Reεonanz deε Pufferε in der be¬ treffenden Umgebung, d.h. in dem zu pumpenden Fluid, liegt, εo ergibt εich eine Phasenverschiebung von mehr alε 90° zwi¬ εchen der Expanεion bzw. Kompression des Pufferelementε und dem durch die Verdrängerstellung definierten Öffnungεzuεtand der Einlaßöffnung. Der Puffer in der Pumpkammer nimmt εomit Pumpmedium auf, während die Einlaßöffnung verεchloεεen ist, und gibt Pumpmedium ab, wenn Einlaß- und Auεlaßöffnung offen sind. Damit ergibt sich eine zu der oben beschriebenen umge¬ kehrte Pumprichtung. In diesem Fall kommt es zu einer Um¬ kehrung der Pumprichtung von der Auεlaßöffnung zu der Ein¬ laßöffnung.
Der Vorteil gegenüber der bereits existierenden, bidirek¬ tionalen Mikropumpe liegt dabei darin, daß (i) auf paεsive Ventile ganz verzichtet werden kann, und (ii) die Resonanz¬ frequenz des Puffers anders wie bei der Resonanz eines pas- εiven Rückεchlagventils, unabhängig von weiteren wichtigen Größen, wie beispielεweise dem Strömungεwiderεtand deε Ven¬ tils, der fluidischen Kapazität, der Baugröße des Ventils und dessen mechanischer Stabilität, eingestellt werden kann. Folglich können die Resonanzfrequenzen auf einen Bereich von < 200 Hertz erniedrigt werden, wodurch der Aufwand bei der elektrischen und mechaniεchen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert ist. Im Gegensatz dazu liegt bei pas¬ siven Ventilen die Resonanz im Bereich zwiεchen 2000 Hertz und 6000 Hertz. Durch die Reduzierung der Reεonanzfrequenz sind die auf den Verdränger wirkenden Trägheitskräfte deut¬ lich geringer. Ferner kann der Mechanismus nicht nur bei mi¬ kroskopischen Pumpen, die kleine bewegte Masεen liefern, sondern auch in makroskopiεcher Bauweise realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt εich, wenn dieεelbe alε eine Mikropumpe ausgeführt wird. Obwohl Mikropumpen in konventioneller Bau¬ form sowohl Flüεsigkeiten als auch Gase transportieren kön¬ nen, sind sie durchgehend nicht selbεtanεaugend, d.h. εie εind nicht in der Lage, eine mit Gaε gefüllte Pumpkammer im Laufe des Pumpvorgangs selbständig durch Flüssigkeit zu er¬ setzen. Dieε erschwert den Einsatz der Pumpen in der Praxis ganz erheblich. Nachfolgend wird auf die Ursachen für die nicht vorhandene Selbstansaugung näher eingegangen.
Bei Mikropumpen mit passiven Rückschlagventilen spielen Ka¬ pillarkräfte eine große Rolle. Sobald der Flüεεigkeitεεpie- gel daε Einlaßventil erreicht und daε bewegliche Ventilteil, die Ventilklappe oder die Ventilmembran, benetzt, treten Ka¬ pillarkräfte auf, welche die Bewegung εtark einschränken, bzw. welche den notwendigen Kraftaufwand zur Bewegung des elastischen Ventilteils erheblich vergrößern. Erst wenn das gesamte bewegliche Ventilteil vollständig mit Flüεεigkeit umspült ist, heben sich dieεe Kräfte wieder auf und die Pum¬ pe befindet sich in ihrem normalen Pumpmodus.
Da bei konventionellen Mikropumpen die passiven Rückschlag¬ ventile nicht von außen gesteuert werden, kann man die An¬ triebskraft nicht direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte einsetzen. Mit dem Antrieb ist vielmehr zunächst das Gas in der Pumpkammer zu komprimieren, bzw. zu expandieren, wobei erεt über den Gaεdruck eine Kraft zur Überwindung der Kapil¬ larkräfte auf die Ventile übertragen wird. Dieser indirekte Kraftübertrag über ein kompresεibleε Gaε, verbunden mit der Tatsache, daß die Nettoangriffsfläche des Druckε an dem be¬ weglichen Ventilteil εehr gering iεt, beinhaltet εehr große Verluste bei der Kraftübertragung deε Antriebs auf das Rück¬ schlagventil und verhindert bei den derzeit bekannten Mikro¬ pumpen die Selbstansaugung.
Bei der Realisierung von Mikropumpen mit Düsen anstelle von Rückschlagventilen, um die Pumprichtung zu definieren, tritt ein Pumpeffekt nur ein, wenn der Strömungswiderεtand jeder einzelnen Düse in Pumprichtung geringer ist als entgegenge¬ setzt zur Pumprichtung. Bei der Mittelung über den geεamten Pumpzykluε bedeutet dieε für die Eingangεdüεe, daß der Volu¬ mendurchsatz in die Pumpkammer hinein größer sein muß als aus der Pumpkammer heraus. Sobald jedoch nun der Flüssig- keitεmeniεkuε zur Eingangεdüεe gelangt, ändert εich der Strömungεwiderstand der Düse aufgrund der größeren Dichte der Flüsεigkeit dramatiεch. Wird ein für die Dichteänderung typiεcher Wert von 1.000 angemommen, ändert εich der Strö¬ mungεwiderstand um den Faktor (1000) * x 30. Da in Pumprich¬ tung Flüsεigkeit durch die Düse strömen muß, ist der Volu¬ mendurchsatz deutlich geringer als entgegen der Pumprich¬ tung, da in diesem Fall Gas durch die Düse strömt. In dieser Situation bricht die Pumpwirkung zusammen, wobei aus diesem Grund eine Selbstansaugung nicht gegeben ist.
Im Gegensatz zu den gerade beschriebenen bekannten Mikropum¬ pen kann bei der erfindungsgemäßen Pumpe der Aktor direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte eingesetzt werden. Durch den direkten Kraftübertrag des Antriebε auf daε von einer Flüεεigkeit benetzte Teil εtehen εehr viel höhere Kräfte zur Überwindung der Kapillarkräfte zur Verfügung. Somit kann der Verdränger trotz Benetzung arbeiten.
In Fig. 9 iεt ein fünfteε Auεführungεbeiεpiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargeεtellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verdränger 82 Teil eines zweiten Pumpenkörpers 90. Der zweite Pumpenkörper 90 ist strukturiert, d.h. er weist Verdickungen und Verdünnun¬ gen 89 auf, um eine elastiεche Aufhängung für den Verdränger 82 zu liefern. Der zweite Pumpenkörper 90 ist über Verbin¬ dungen 88 auf einem Pumpenkörper 80 befestigt. Die Pumpkam¬ mer 84 ist als ein kapillarer Spalt zwischen dem Pumpenkör¬ per 80, dem Verdränger 82 und dem zweiten Pumpenkörper 90 ausgebildet. Der Pumpenkörper 80 weist eine Einlaßöffnung 85 auf, die von dem Verdränger 82 verschlossen ist, wenn εich derεelbe in der ersten Endstellung befindet. Der Verdränger 82 kann wiederum in der Richtung des Pfeils 19 bewegt wer¬ den. In dem zweiten Pumpenkörper 90 befinden sich zwei Aus¬ laßöffnungen 86a und 86b. Der Puffer ist bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel wiederum als Membran ausgeführt, die sich in dem Pumpenkörper 80 befindet.
Bei einem alternativen Auεführungsbeispiel könnte der Puffer durch die Verdünnungen 89, die als elastische Aufhängungen für den Verdränger 82 dienen, realisiert sein, wobei der Puffer in dem Pumpenkörper 80 dann entfallen würde. In die¬ sem Fall wäre es vorteilhaft, wenn die Verdünnungen 89 ge¬ genüber den in Fig. 9 dargestellten vergrößert wären.
Wenn die Bauhöhe der Pumpkammer 84, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeiεpiel, alε kapillarer Spalt ausgeführt ist, füllt sich dieselbe von selbεt, εobald ein Flüεεigkeitεme- niεkuε an dieεem Spalt anliegt. Eine derartige Reduktion der Pumpkammerhöhe iεt bei konventionellen Mikropumpen mit Rück¬ schlagventilen ausgeschlossen, da dadurch die Bewegung der Ventile eingeschränkt wird. Bei Mikropumpen mit Strömungsdü- sen εtellt die Pumpkammer bei einer draεtiεchen Reduktion der Pumpkammerhöhe einen zuεätzlichen Strömungεwiderstand dar. Dieser innere Strömungswiderεtand der Pumpkammer domi¬ niert über den Strömungswiderstand der Düsen, so daß der Pumpeffekt basierend auf der Vorzugεrichtung der Düεen zu¬ sammenbricht. Bei den bisher beεchriebenen Auεführungεbeiεpielen iεt die zweite Öffnung, die beim normalen Betrieb der Pumpe der Auε¬ laßöffnung entεpricht εtetε geöffnet.
In den Fig. 10a biε lOe iεt ein εechstes Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während der verschiedenen Teilschritte eines Pumpzykluεseε dargeεtellt.
Bei der Pumpe gemäß den Fig. 10a biε 10b iεt der Puffer in dem Verdränger gebildet, derart, daß der Verdränger und der Puffer alε verschiedene Bereiche einer Membran gebildet sind, welche den Pumpenkörper überspannt, um die Pumpkammer zu definieren. Der Pumpenkörper iεt ähnlich dem des ersten Ausführungεbeispiels ausgebildet, mit der Ausnahme, daß der Puffer nicht in demselben gebildet ist. Ein derartiger Auf¬ bau der erfindungsgemäßen Pumpe ermöglicht eine weiter ver¬ einfachte Herstellung derselben.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Pumpe, die auf einem neuartigen Mechanismuε baεiert, gänzlich ohne Rück- εchlagventile auεkommt und eine Umkehrung der Pumprichtung ohne eine externe Umεteuerung von Ventilen ermöglicht. Somit beεitzt die Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung einen we¬ sentlich einfacheren Aufbau. Ferner kann der Verdränger gleichzeitig dazu verwendet werden, eine Fluidstromung über die Pumpe nach deren Abschalten in beiden Richtungen pasεiv oder aktiv abzuεperren.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Pumpe, die Vorteile bei der Umεchaltung der Pumprichtung liefert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Reεonanz des mechani¬ schen Bauteilε, das im konventionellen Fall das Ventil und bei der vorliegenden Erfindung das Pufferelement ist, unab¬ hängig von dem Strömungswiderεtand eineε Ventilε, deεεen Baugröße, deεsen fluidiεcher Kapazität und deεsen mechani¬ scher Stabilität eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, einerεeitε die Bauteile weiter zu miniaturiεieren und ande- rerεeitε die Reεonanzfrequenzen durchεchnittlich zu ernie¬ drigen. Bei konventionellen Mikropumpen stehen sich diese beiden Effekte gegenläufig gegenüber.
Im Gegensatz zu konventionellen Mikropumpen, bei denen typi¬ sche Resonanzfrequenzen im Bereich von 2000 Hertz biε 3000 Hertz liegen, ist eine Umkehr der Pumprichtung bei einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung schon auf Frequenzen von 40 Hertz möglich. Dadurch wird der Aufwand der elektri¬ schen und mechanischen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert. Außerdem sind die Trägheitskräfte, die auf den Verdränger wirken, deutlich geringer, und der Mechanismus kann nicht nur bei mikroskopischen Pumpen realisiert werden, sondern auch in makroskopischer Bauweiεe.
Im Vergleich zu Pumpen mit Strömungεdüεen weiεt die erfin- dungεgemäße Pumpe, die ohne Rückεchlagventile auεkommt, ei¬ nen erhöhten Wirkungεgrad pro Pumpzykluε von mehr alε 50% auf.
Bei einer mikromechaniεchen Auεführung der erfindungεgemäßen Pumpe kann dieεelbe nur auε einem einzigen εtrukturierten Bauteil, in dem der Verdränger realisiert ist, und einer Grundplatte mit zwei Öffnung bestehen. Diese einfachen Strukturen erlauben einen problemloεen Zuεammenbau deε Ge- samtsyεtemε. Eine Grundstruktur aus Pyrex erlaubt das anodi¬ sche Bonden deε strukturierten Siliziumbauteils auf den Py- rex-Grundkörper, der als Pumpenkörper dient. Die Öffnungen in der Grundstruktur können als einfache Bohrungen oder be¬ liebig geformt ausgeführt sein. Dies reduziert den Aufwand gegenüber der Herεtellung von Strömungsdüsen erheblich. Fer¬ ner kann die Grundbauform der Mikropumpe rund sein oder jede beliebige Form aufweiεen.
Alε Materialien für die Mikropumpe kommen neben Silizium faεt alle anderen Werkεtoffe in Betracht, beispielweise Me¬ talle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken. Dabei ist eine ein¬ fache Fertigung in Kunststoffεpritzgußtechnik ebenεo möglich wie die Fertigung in Metalldruck-Gußtechnik oder daε LIGA- Verfahren.
Der Antrieb der Mikropumpe, d.h. deε Verdrängerε, kann durch alle bekannten Aktorverfahren erfolgen, beiεpielsweiεe pie¬ zoelektrisch, pneumatisch, thermopneumatisch, thermomecha- nisch, elektrostatisch, magnetisch, magnetostriktiv oder hy- drauliεch.
Über integrierte Senεoren, beiεpielεweise in der Puffermem¬ bran, läßt sich ein Regelkreiε aufbauen, der den Antrieb der Mikropumpe in den jeweils optimalen Arbeitsbereich bringt.
Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpe deckt den ge¬ samten Bereich der Mikrofluidik und Fluidik ab, da das Me¬ dium sowohl bidirektional befördert als auch definiert ge¬ sperrt werden kann. Die minimale Baugröße ermöglicht den Aufbau von minimalen Miεch- und Dosiersyεtemen in der Medi¬ zin-, Chemie- und Analysetechnik. Bei B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij ; A Silicon in¬ tegrated miniature chemical analysis system; Sensorε and Actuatorε, B, 6 (1992), Seiten 57-60, werden für eine derar¬ tige Anwendung zwei Pumpen verwendet, wohingegen man mit nur einer erfindungεgemäßen Pumpe auskommen würde. Generell ist das Pumpenprinzip für einen weiten Bereich von Baugrößen ge¬ eignet, so daß in vielen Fällen die Spritzgußtechnik alε ko¬ stengünstige Fertigungstechnik eingesetzt werden kann.
Fig. 11 zeigt ein siebteε Auεführungsbeispiel einer selbεt- anεaugenden Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fluidpumpe weist einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittels einer Verbindungseinrichtung 112 ein Verdränger 114 in der Form einer Membran 114 angebracht ist. Die Membran 114 kann an den Abschnitten, an denen der Verdränger an dem Pumpen¬ körper 110 befestigt ist, verdickt sein. Die Membran 114 ist mittelε einer Antriebsvorrichtung 116, die eine piezoelek¬ trische, eine pneumatiεche, eine thermopneumatische, eine thermomechanische, eine elektroεtatiεche, eine magnetische, eine magnetostriktive oder eine hydraulische Antriebsanord¬ nung sein kann, aus der Stellung, die in Fig. ll dargestellt ist und im folgenden als erste Endstellung bezeichnet wird, in eine zweite Endstellung bewegbar. Bei diesem Ausführungs¬ beispiel sind in dem Pumpenkörper 110 zwei Öffnungen 118 und 120 angeordnet, die beispielsweise mit einer Einlaß- bzw. Auslaß-Fluidleitung (nicht gezeigt) verbunden sein können. Bei der in Fig. 11 dargestellten Pumpe ist die Öffnung 118 die Einlaßöffnung, während die Öffnung 120 die Auslaßöffnung darstellt. Die Membran 114 ist vorzugsweise direkt über der Einlaßöffnung 118 mit der Antriebsvorrichtung 116 verbunden, um den Betrieb der Pumpe, der nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 14 erläutert wird, zu ermöglichen. Zur Befestigung der Antriebsvorrichtung kann die Membran 114 an der Stelle der¬ selben, an der sie mit der Antriebseinrichtung 116 verbunden ist, eine Verdickung aufweisen.
Die in Fig. 11 dargestellte, εelbεtanεaugende, εelbεtbefül- lende Mikropumpe unterscheidet sich von bekannten Mikropum¬ pen dadurch, daß sie im Pumpbetrieb abwechselnd die erste Öffnung 118 öffnet, während die zweite Öffnung 120 ver¬ schlossen bleibt, um dann die zweite Öffnung 120 zu öffnen, während die erste Öffnung geschlosεen ist. Bei der in Fig. 11 dargestellten Pumpe ist zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Öffnung, 118 oder 120, geöffnet, während die andere Öffnung geschlosεen ist. In der Ruhephase sind beide Öffnungen 118 und 120 verschlosεen, wodurch daε Pumpmedium definiert abge¬ sperrt wird.
In Fig. 12 ist ein achtes Ausführungsbeiεpiel einer erfin- dungεgemäßen Fluidpumpe dargeεtellt. Die Fluidpumpe weist wiederum einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittelε einer Verbindungseinrichtung 112 eine Membran 124 angebracht ist. Bei diesem Ausführungεbeiεpiel iεt jedoch zwiεchen der Mem¬ bran und dem Pumpenkörper ein kapillarer Spalt 126 gebildet. Um die Öffnungen 118 und 120 zu verεchließen, wenn der Ver¬ dränger, d.h. die Membran 124, in der Ruhelage iεt, weist die Membran an den Orten der Öffnungen Verdickungen auf, die der Oberfläche der Platte des Pumpenkörpers lio zugewandt sind. Wiederum ist an der Membran eine Antriebseinrichtung 116 angebracht.
Auf der Oberεeite, d.h. der dem Pumpenkörper abgewandten Seite, der Membran 124 können Strukturierungen auεgebildet sein, die eine optimale Puffervolumen-Anpaεεung und -Entlee¬ rung ermöglichen. Ferner können Strukturierungen, welche beispielεweiεe alε Strömungskanäle ausgeführt sein können, auf der Oberseite des Pumpenkörpers, d.h. der Oberseite, die der Membran 124 zugewandt ist, oder der Membranunterεeite zur optimalen Befullung bzw. Entleerung der Pumpe genutzt werden.
Alternativ zu dem in Fig. 12 dargeεtellten Auεführungsbei¬ spiel könnten die Öffnungen 118 und 120, die in dem Pumpen¬ körper 110 angeordnet sind, ferner Erhebungen, die dieselben umgeben, aufweisen. In dieεem Fall müßte die Membran 124 keine dem Pumpenkörper 110 zugewandten Verdickungen aufwei¬ sen, um ein Verschließen der Öffnungen 118 und 120 zu ermög¬ lichen.
In Fig. 13 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel einer Fluid¬ pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der in Fig. 13 dargestellten Pumpe ist zwischen dem Pumpenkörper 110 und einer einen Verdränger bildenden Membran 136 ein ka¬ pillarer Spalt ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es bedeutsam, daß die zwei Öffnungen 118 und 120 beabstandet voneinander auf unter¬ schiedlichen Seiten einer Mittelachse der Membran 136 ange¬ ordnet sind. Durch diesen asymmetrischen Aufbau der erfin¬ dungsgemäßen Pumpe iεt ein εelbεtanεaugender bzw. εelbstbe- füllender Betrieb der Mikropumpe gemäß der vorliegenden Er¬ findung möglich.
Bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e wird nachfolgend ein Pumpzykluε der Pumpe, die in Fig. 11 dargeεtellt iεt, erläu¬ tert. Hierbei εei darauf hingewieεen, daß das in Fig. 12 dargeεtellte Auεführungεbeispiel der vorliegenden Erfindung im Betrieb einen gleichartigen Pumpzyklus durchläuft.
In Fig. 14a ist die Pumpe in der Ruhestellung dargestellt, die auch in Fig. 11 gezeigt ist. In dieεer Stellung εind beide Anεchlüsse verschloεεen, wodurch eine abεolute Medien¬ sperrung erzeugt wird.
Wie in Fig. 14b gezeigt ist, wird dann der Verdränger, d.h. die Membran 114, auε der Ruheεtellung in der Richtung deε in der Fig. 14b gezeigten Pfeilε punktuell nach oben bewegt, wobei die Einlaßöffnung, die Öffnung 118, geöffnet wird, während die Auεlaßöffnung, die Öffnung 120, verschlossen bleibt. Die in Fig. 14b gezeigte Stellung kann als zweite Endεtellung deε Verdrängerε betrachtet werden.
In Fig. 14c ist dargestellt, wie durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängers ein zu pumpendes Medium durch die Einla߬ öffnung, d.h. die Öffnung 118, in die durch die Aufwärtsbe¬ wegung des Verdrängers gebildete Pumpkammer gezogen wird. Nachfolgend wird, wie in Fig. 14d gezeigt ist, der Verdrän¬ ger schlagartig, punktuell nach unten bewegt und verschließt somit die Einlaßöffnung. Durch die Verdrängerverformung, d.h. die Verformung der Membran 114, wird ein Puffervolumen zwischen Membran und Pumpenkörper gebildet, welches dem auf¬ genommenen Fluidvolumen entspricht, was bewirkt, daß die Auslaßöffnung freigegeben wird.
Wie in Fig. 14e dargestellt ist, wird daε Puffervolumen durch die Auεlaßöffnung, d.h. die Öffnung 120, entleert, wo¬ bei das zu pumpende Medium "verschoben" bzw. über eine "Rollverdrängung" transportiert wurde.
Der oben bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e beschriebene Pumpmechanismuε ergibt eine Pumprichtung von der Einlaßöff¬ nung 118 zu der Auεlaßöffnung 120. Durch daε Erhöhen der An- triebεfrequenz auf eine Frequenz oberhalb der Resonanzfre¬ quenz des Gesamtsystems, bestehend aus dem Verdränger und dem Fluidsystem, kann eine Umkehr der Pumprichtung erreicht werden. Es ist offensichtlich, daß sich dann auch die Ein¬ laß- bzw. Auslaß-Öffnung umkehren, d.h. daß die Einlaßöff¬ nung 118 zur Auslaßöffnung wird, und die Auslaßöffnung 120 zur Einlaßöffnung wird.
Das bei jedem Pumpzyklus von der erfindungsgemäßen Fluid¬ pumpe durch eine Öffnung aufgenommene Volumen des Mediums entspricht dem durch die zweite Öffnung abgegebenen Volumen des Mediums. Die bei der erfindungsgemäßen Pumpe auftretende Rückströmung bzw. das Totvolumen, d.h. jenes Volumen, daε nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, gehen bei dieser Anordnung im Gegensatz zu bekannten Mikro¬ pumpen gegen Null. Dadurch wird bei der erfindungεgemäßen Mikropumpe bei einer einfachen Anεteuerung der Antriebεvor- richtung die Selbεtbefüllung in Verbindung mit der Membran¬ verformung und der sequentiellen Öffnung der Öffnungen re¬ produzierbar.
In den Fig. 15a bis 15e ist ein Pumpzyklus des in Fig. 13 dargestellten neunten Ausführungεbeiεpielε einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 15a ge¬ zeigt ist, wird die Membran 136 zunächst ausgehend von einer Ruhelage mittels der Antriebεvorrichtung 116 nach unten be¬ wegt, derart, daß die Öffnung 118 verεchlossen ist. Wiederum sei zur Vereinfachung der Erklärung die Öffnung 118 als die Einlaßöffnung bezeichnet, während die Öffnung 120 als die Auslaßöffnung bezeichnet wird. Die in Fig. 15a dargestellte Stellung der Membran 136 kann als erste Endstellung bezeich¬ net werden.
Wie in Fig. 15b dargestellt ist, wird die Membran 136 nach¬ folgend ruckartig nach oben bewegt. In diesem Fall ist nicht immer nur eine Öffnung verschlosεen, während die andere ge¬ öffnet iεt. Wie in den Fig. 15b und 15c gezeigt iεt, sind hier kurzzeitig auch beide Öffnungen geöffnet, wobei jedoch durch die Öffnungen ein unterschiedliches Maß des Mediums fließt, da sich die Öffnungshöhe, d.h. der Abεtand der Mem- bran über den Öffnungen, unterscheidet und damit der Flußwi¬ derstand. Durch die Einlaßöffnung 118 fließt εomit ein größerer Fluidεtrom als durch die Auslaßöffnung 120. Dies ist in Fig. 15c durch die unterεchiedlich kräftig darge¬ stellten Pfeile angezeigt.
Wie in Fig. 15d gezeigt iεt, wird die Membran nachfolgend ruckartig nach unten bewegt, wodurch die Öffnung 118 ver¬ schlossen wird. Wiederum iεt zwiεchen der Membran und dem Pumpenkörper ein Pumpvolumen gebildet, daε, wie in Fig. 15e gezeigt iεt, anεchließend durch die Rückverformung deε Ver- drängerε durch die Öffnung 120 entleert wird.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Fluidpumpe, deren Betrieb bezüglich Fig. 15 erläutert wurde, existiert ein größeres Totvolumen als bei dem siebten und dem achten Ausführungs¬ beispiel der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 11 und 12 gezeigt sind. Dadurch weiεt daε bezüglich den Fig. 13 und 15 beschriebene dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen geringeren Wirkungsgrad als die bezüglich der Fig. 11 und 12 beschriebenen Auεführungsbeispiele auf.
Die Mikropumpe gemäß den Fig. 11 und 12 läßt εich mit einer konstanten Antriebsfrequenz selbst befüllen. Nachdem daε zu pumpende Medium den Pumpraum oder die Pumpkammer befüllt hat und an der Austrittsoffnung heraustritt, kann die Antriebs¬ frequenz der Antriebsvorrichtung, die den Verdränger treibt, im Falle des Pumpenε eineε flüssigen Mediums um den Faktor 10 gesenkt werden, da nun keine Luft mehr verdrängt werden muß, sondern nur mehr das flüssige Medium.
Eine Basis für den PumpmechanismuΞ liegt in der Verdränger¬ verformung und der Anordnung der Öffnungen. Das zu pumpende Medium wird durch die Öffnung 118 aufgenommen und zur Öff¬ nung 120 "verschoben" oder über eine "Rollverdrängung" transportiert.
Die Pumpenkörper und Verdrängereinrichtungen gemäß der vor- liegenden Erfindung können vorzugεweise aus Silizium beste¬ hen. Daneben können dieselben auch in einer Kunstεtoff- spritztechnik gefertigt sein. Als Antriebsvorrichtungen kön¬ nen alle in der Technik bekannten Antriebe verwendet werden. Die für die Mikropumpe Charakteristiεchen, tranεienten Kur¬ venformen für den Hub, den Pumpkammerdruck, die Verdränger- volumenänderung und den Durchfluß können ohne weiteres her¬ geleitet werden.
Alternativ zu den dargestellten Fluidpumpen könnte ein ka¬ pillarer Spalt zwischen der Verdrängermembran und der Pum- penkörperplatte auch durch eine Ausnehmung in der Pumpenkör- perplatte gebildet εein.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht gemäß dem zweiten und dritten Aspekt derselben somit erstmals die Herstellung rückεchlagventilloεer, selbstansaugender, d.h. selbεtbefül- lender, Mikropumpen. Daε Einεatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpen deckt den gesamten Bereich der Mikrofluidik und der Fluidik ab, da das zu pumpende Medium sowohl bidirektional befördert als auch definiert gesperrt werden kann. Ferner sind die erfindungsgemäßen Pumpen mit einem minimalen Auf¬ wand und mit minimalen Baugrößen herstellbar. Durch diese geringen Baugrößen ermöglicht die vorliegende Erfindung den Aufbau von minimalen Misch- und DosierSystemen in der Medi¬ zin-, Chemie- und Analyse-Technik, wobei die dabei verwende¬ ten Pumpen einen guten Wirkungsgrad aufweisen.

Claims

Patentanεprüche
Fluidpumpe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen Pumpenkörper (10; 40; 50; 80);
einen Verdränger (12; 42; 52; 62; 82), der mittelε eineε Antriebε in eine erεte und eine zweite Endstellung posi¬ tionierbar ist, wobei der Verdränger und der Pumpenkör¬ per derart ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pumpkammer (14; 44; 54; 64; 84) , die über eine erste (15; 45; 55; 85) und eine zweite (16; 46; 56; 86a, 86b) Öffnung, die nicht mit Rückschlagventilen versehen sind, mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist, definiert ist; und
einen elastischen Puffer (13; 43; 53; 63; 83) , der an die Pumpkammer angrenzt;
wobei der Verdränger die erste Öffnung verschließt, wenn er in der ersten Endstellung ist und die erste Öffnung offen läßt, wenn er in der zweiten Endstellung ist.
Fluidpumpe gemäß Anεpruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdränger (12) in der Form einer Platte auεge¬ bildet iεt, die auf dem Pumpenkörper (10) befeεtigt iεt, wobei der Pumpenkörper eine Auεsparung aufweiεt, die die Pumpkammer (14) definiert.
Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Pumpenkörper (40; 50) eine Grundplatte (40a) und von derεelben vorεtehende Seitenwände (40b) aufweiεt, wobei der Verdränger (42; 52; 62) kolbenartig in dem durch die Grundplatte (40a) und die Seitenwände (40b) gebildeten Hohlraum bewegbar iεt.
4. Fluidpumpe gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdränger (42; 52; 62) eine Aussparung auf¬ weist, die zusammen mit der Grundplatte (40a) und/oder den Seitenwänden (40b) deε Pumpenkörperε (40; 50) die Pumpkammer (44; 54; 64) definiert.
5. Fluidpumpe gemäß Anεpruch 3 oder 4, dadurch gekennzeich¬ net,
daß die erεte und die zweite Öffnung (45, 46; 55, 56) in der Grundplatte (40a) deε Pumpenkörperε (40; 50) gebil¬ det εind.
6. Fluidpumpe gemäß einem der Anεprüche 1 biε 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer (13; 43; 83) in den Pumpenkörper (10; 40; 80) angeordnet ist.
7. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer (53; 63) in dem Verdränger (52; 62) ange¬ ordnet iεt.
8. Fluidpumpe gemäß Anεpruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer (13; 43; 83) durch eine Verdünnung einer Wand des Pumpenkörperε alε eine Membran auεgebildet ist.
9. Fluidpumpe gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer (53) durch eine Verdünnung deε Verdrän¬ gers (52) als eine Membran auεgebildet iεt. 10. Fluidpumpe gemäß Anεpruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer (63) als ein elastiεches Pufferelement, das sich in dem Verdränger (62) befindet und eine Grenz¬ fläche zur Pumpkammer (64) aufweist, gebildet ist.
11. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 biε 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer durch ein elaεtiεches Medium in der Pump¬ kammer gebildet ist.
12. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Puffer durch das zu übertragende Medium selbst gebildet ist.
13. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdränger (82) in einen zweiten Pumpenkörper (90) integriert ist, der Verdünnungen (89) aufweist, um eine elaεtiεche Aufhängung für den Verdränger (82) zu liefern.
14. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet,
daß der Verdränger (12; 42; 52; 62; 82) die erεte Öff¬ nung nach dem Abεchalten der Pumpe paεsiv oder aktiv in beide Flußrichtungen verschließt.
15. Fluidpumpe gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
daß das aktive Verschließen der ersten Öffnung durch den Antrieb, der den Verdränger auf die erste Öffnung drückt, bewirkt wird. 16. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 biε 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumprichtung der Pumpe durch ein Betreiben deε Verdrängerε mit einer Frequenz, die oberhalb der Reεo¬ nanzfrequenz deε Pufferε iεt, umkehrbar ist.
17. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich¬ net,
daß die Pumpkammer (84) als ein kapillarer Spalt ausge¬ bildet ist.
18. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2 , dadurch gekennzeich¬ net,
daß der Verdränger und der Puffer als verschiedene Be¬ reiche einer Membran gebildet sind, die den Pumpenkörper zur Bildung der Pumpkammer überspannt.
19. Rückεchlagventillose Fluidpumpe gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen Pumpenkörper (110) ;
einen flexiblen Verdränger (114; 124), der entlang sei- neε Umfangε fluiddicht an dem Pumpenkörper (110) ange¬ bracht iεt und mittels einer Antriebseinrichtung (116) in eine erste und eine zweite Endstellung bewegbar ist;
wobei der Pumpenkörper (110) und der flexible Verdränger (114; 124) einen Pumpenraum definieren, der über eine erste Öffnung (118) und eine zweite Öffnung (120) mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist;
wobei der Verdränger (114; 124) in der ersten Endstel¬ lung die erste und die zweite Öffnung verschließt; und wobei der Verdränger (114; 124) die erεte Öffnung (118) öffnet, während die zweite Öffnung (120) im weεentlichen geεchloεεen ist, wenn der Verdränger (114; 124) durch die Antriebseinrichtung (116) aus der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegt wird.
20. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 19, da¬ durch gekennzeichnet,
daß der Pumpenkörper (110) in der Form einer Platte und der Verdränger (114) in der Form einer Membran ausgebil¬ det ist, derart, daß die Membran auf einer Hauptoberflä¬ che der Platte aufliegt, wenn der Verdränger (114) in der erεten Endεtellung ist.
21. Ruckschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 19, da¬ durch gekennzeichnet,
daß Pumpenkörper (110) in der Form einer Platte und der Verdränger (124) in der Form einer Membran ausgebildet ist, derart, daß zwischen einer Hauptoberfläche der Platte und der Membran ein kapillarer Spalt (126) gebil¬ det ist.
22. Rückschlagventilloεe Fluidpumpe gemäß Anεpruch 21, da¬ durch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite Öffnung (118, 120) in dem Pumpenkörper (110) angeordnet sind, wobei die Membran (124) eine erste und eine zweite zu der Platte (110) hin gerichtete Verdickung aufweist, die die erste und die zweite Öffnung verschließen, wenn der Verdränger (124) in der ersten Endstellung ist.
23. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 21, da¬ durch gekennzeichnet,
daß die erste und die zweite Öffnung (118, 120) in dem Pumpenkörper (110) angeordnet sind, wobei um die erste und die zweite Öffnung (118, 120) Erhebungen vorgesehen sind, derart, daß die Membran die erste und die zweite Öffnung (118, 120) in der ersten Endstellung ver¬ schließt.
24. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 20, da¬ durch gekennzeichnet,
daß der Verdränger (114; 124) nach dem Abschalten der Pumpe die erste und die zweite Öffnung (118, 120) pasεiv und/oder aktiv verεchließt.
25. Rückεchlagventillose Fluidpumpe gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen Pumpenkörper (110) ;
einen flexiblen Verdränger (136) , der entlang seines Um¬ fangs fluiddicht an dem Pumpenkörper (110) angebracht ist und mittelε einer Antriebεeinrichtung (116) in eine erεte und eine zweite Endstellung bewegbar ist;
wobei der Pumpenkörper (110) und der flexible Verdränger (136) einen Pumpenraum definieren, der über eine erste Öffnung (118) und eine zweite Öffnung (120) mit einem Einlaß und einem Auεlaß fluidmäßig verbindbar ist;
wobei die erεte und die zweite Öffnung (118, 120) beab- εtandet zueinander auf unterεchiedlichen Seiten einer Mittelachse des Verdrängers (136) angeordnet sind; und
wobei der Verdränger (136) die erεte Öffnung (118) ver¬ εchließt, wenn er in der erεten Endεtellung iεt, und die erεte Öffnung (118) offen läßt, wenn er in der zweiten Endεtellung iεt.
26. Ruckschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 25, da- durch gekennzeichnet
daß der Pumpenkörper (110) in der Form einer Platte und der Verdränger (136) in der Form einer Membran auεgebil¬ det ist, derart, daß zwischen einer Hauptoberfläche der Platte und der Membran ein kapillarer Spalt gebildet ist.
27. Rückεchlagventilloεe Fluidpumpe gemäß einem der Anεprü¬ che 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet,
daß der Pumpenkörper (110) und der Verdränger (114; 124; 136) auε Silizium hergeεtellt sind.
28. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß einem der Ansprü¬ che 19 bis 27, dadurch gekennzeichnet,
daß der Pumpenkörper (110) und der Verdränger (114; 124; 136) mittels Kunεtεtoffεpritztechnik hergeεtellt εind.
29. Rückschlagventilloεe Fluidpumpe gemäß einem der Anεprü¬ che 19 bis 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumprichtung der Pumpe durch ein Betreiben des Verdrängers (114; 124; 136) mit einer Frequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz ist, umkehrbar ist.
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