DE102004042578A1

DE102004042578A1 - Mikropumpe zur Förderung von Flüssigkeiten mit niedrigen Förderraten im Druck/Saug-Betrieb

Info

Publication number: DE102004042578A1
Application number: DE102004042578A
Authority: DE
Inventors: Herbert Dr. Harttig; Sigrun Schierenbeck
Original assignee: Roche Diagnostics GmbH
Current assignee: Roche Diagnostics GmbH
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-23
Also published as: US20060045766A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe (10) zur Förderung von Flüssigkeiten mit niedrigen Förderraten. Die Mikropumpe (10) umfasst einen Vorratsraum (31), welcher eine zu fördernde Flüssigkeit enthält. Diese ist einer Flüssigkeitssenke zuführbar. Die Mikropumpe (10) umfasst ferner einen Saugraum (16), dem über eine Zuleitung (19) eine weitere Flüssigkeit (19) zuführbar ist. Der Saugraum (16) und eine gesättigte Lösung (29) enthaltender Raum (27) sind über eine für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran (21) voneinander getrennt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe, die Flüssigkeiten, wie z.B. Wasser mit niedrigen Förderraten im Druck-Saug-Betrieb fördert und welche eine eingeschränkte Regelung der Förderrate ermöglicht.

Aus US 6,41,6,294 ist eine Mikrodosierungseinrichtung bekannt, welche eine Druckkammer umfasst, die zumindest zeitweise von einem Verdränger begrenzt ist. Zur Betätigung des Verdrängers ist ein Aktuator vorgesehen. Das Volumen der Druckkammer ist so ausgelegt, dass dieses durch Betätigung des Verdrängers verändert werden kann. Ein Reservoir eines Mediums steht in Fluidverbindung mit der Druckkammer. Eine Auslassöffnung ist in Fluidverbindung mit der Druckkammer und es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen zum Antrieb der Mikrodosier-Einrichtung. Ein erster Wechsel des Volumens der Druckkammer wird pro Zeiteinheit durch eine Bewegung des Verdrängers von einer ersten Position zu einer vorbestimmten zweiten Position bewirkt. Die zweite Position des Verdrängers definiert ein größeres Volumen der Druckkammer als die erste Position, wodurch ein Fluidvolumen in die Druckkammer eingesogen wird. In einer zweiten Phase wird eine zweite Volumenänderung des Druckkammervolumens herbeigeführt, welche größer ist als die erste Volumenänderung. Diese wird pro Zeiteinheit durch eine Bewegung des Verdrängers von einer zweiten zur ersten Position herbeigeführt, wodurch ein definiertes Fluidvolumen durch den Auslass strömt.

US 2002/0071785 A1 bezieht sich auf einen in eine Mikropumpe integrierten Analysechip und ein Herstellungsverfahren dafür. Es wird eine peristaltische Mikropumpe offenbart, zur Förderung eines zu analysierenden Fluids. Die Mikropumpe weist eine elektrisch deformierbare Membran auf. Ein Substrat ist unterhalb der Membran angeordnet und mit dieser gekoppelt. Zwischen der Membran und dem Substrat verläuft ein Mikrokanal im Wesentlichen entlang seiner Längsachse. Eine Elektrodenstruktur ist auf mindestens einer Seite der Membran entlang des Mikrokanals angeordnet. Die auf elektrischem Wege deformierbare Membran wird in eine Krümmung gebogen, deren Symmetrieachse in Richtung der Längsachse des Mikrokanals orientiert verläuft.

Aus US 2002/0081218 A1 ist eine elektrostriktive Mikropumpe bekannt. Mit dieser Mikropumpe können Flüssigkeitsströme bewegt werden, wobei die Mikropumpe einen Pumpenkörper aufweist, der einen Kanal zur Förderung eines Stroms des Fluids aufweist. Ein Pumpelement ist aus einem Stück eines viskoelastischen Materials geformt und befindet sich innerhalb des Kanals. Mittels einer Steueranordnung, die mit dem viskoelastischen Material gekoppelt ist, wird eine elastische Deformation der Gestalt des Materials induziert, die eine Druckdifferenz im Fluid herbeiführt, welches sich im Kanal des Pumpenkörpers befindet.

Aus DE 100 29 453 C2 ist eine Pumpe für sehr niedrige Flussraten bekannt. Diese Pumpe umfasst einen Kanal, der zumindest teilweise mit einer Transportflüssigkeit gefüllt ist. Es ist eine von der Transportflüssigkeit benetzbare Membran vorgesehen, die eine Öffnung des Kanals verschließt. Die Pumpe umfasst ferner einen auf der der Transportflüssigkeit gegenüber liegenden Seite der Membran angeordneten Raum mit im Wesentlichen konstantem Dampfdruck der Transportflüssigkeit. Der Raum kann ein Sorptionsmittel enthalten, das verdampftes Transportfluid sorbiert. Der Raum und die Transportflüssigkeit sind durch die Membran voneinander getrennt. Die den Raum begrenzende Membran kann hydrophil ausgebildet werden, wobei insbesondere der der Transportflüssigkeit zugewandte Bereich der Membran hydrophil ausgebildet ist, sowie ein Bereich der Membran, der dem Sorptionsmittel zugewandt ist, hydrophob beschaffen sein kann. Das Sorptionsmittel steht in Kontakt mit dem hydrophob beschaffenen Bereich der Membran.

Aus EP 1 363 020 A2 ist eine Mikropumpe mit Heizelementen für einen pulsierten Betrieb bekannt. Die Mikropumpe umfasst ein fluidisches Transportelement, das an ein Flüssigkeitsreservoir anschließbar ist und im angeschlossenen Zustand das Flüssigkeitsreservoir mit einem Verdampfungsbereich fluidisch verbindet. Ein Heizelement befindet sich im Bereich eines Transportelementes, wobei das Heizelement mittels einer Steuereinheit gesteuert wird. Die Steuereinheit steuert das Heizelement in der Weise durch Signale, dass das Heizelement sich abwechselnd für einen Zeitraum T1 in einer Ruhephase oder für einen Zeitraum T2 in einer Heizphase befindet und sich die Ruhephase und die Heizphase im Wesentlichen periodisch abwechseln, so dass ein pulsierter Betrieb des Heizelements erzielbar ist. Die Flussrate der Mikropumpe wird durch die Länge der Zeiträume T1, T2 und die Heizleistung des Heizelements bestimmt, wobei mindestens einer der Parameter T1, T2 und Heizleistung durch die Steuereinheit veränderbar ist. Die Mikropumpen gemäß der DE 100 29 453 C2 sowie der EP 1 363 020 A2 sind durch eine relativ hohe Förderleistung gekennzeichnet. Bei diesen Pumpen handelt es sich um Pumpen für Flüssigkeiten.

In vielen anderen Fällen werden mittels Mikropumpen Gase gefördert, bei denen das Flüssigkeits-typische Problem der Luftblasen/Dampfblasenbildung nicht auftritt. Nachteilig an den Fördereinrichtungen, die Gase fördern, bzw. mit einem Gaspuffervolumen arbeiten, ist die ausgeprägte Abhängigkeit eines eingeschlossenen Gasvolumens von Temperatur und Druck. Damit sind solche Pumpen nicht nur von der Außentemperatur, sondern auch vom barometrischen Druck abhängig, soweit sie nicht mit großem Aufwand von der Umwelt gekapselt werden. Die aus dem Stand der Technik bekannten Mikropumpen stellen aufgrund der skizzierten Problematik keinen gangbaren Weg für Mikropumpen dar, die weitgehend konstante Förderraten im Bereich unter 100 nl/min über längere Zeiträume erlauben.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Mikropumpen ist von Nachteil, dass die Mikropumpen bislang nur eine Förderung eines Mediums im Saugbetrieb erlauben. Für die Anwendung in Analysesystemen mit Stoffaustauschapparaten wie z.B. Membranfiltern oder Mikrodialysatoren ist jedoch oftmals ein Druck-/Saug-Betrieb erwünscht. Weiterhin ist von Nachteil das relativ große Bauvolumen, das durch die Verwendung eines Puffervolumens bzw. eines festen Sorbents gemäß DE 100 29 453 C2 bzw. gemäß EP 1 363 020 A2 erforderlich ist.

Darstellung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den oben aufgeführten Nachteilen des Standes des Technik durch eine Mikropumpe abzuhelfen, die Flüssigkeiten mit niedrigen Förderraten im Druck-/Saug-Betrieb fördert, und eine eingeschränkte Regelungsmöglichkeit der Förderrate ermöglicht, darüber hinaus klein baut und niedrige Herstellkosten aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

In vorteilhafter Weise baut die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe deutlich kleiner als die aus DE 100 29 453 C2 bekannte Pumpe für sehr niedrige Flussraten. Dies ist durch den Wegfall des Sorbens und der vollständigen Ausnutzung des vorhandenen Raums möglich. Ferner entfällt ein Pufferbehälter zur Aufnahme von destilliertem H₂O, das für den Betrieb dieser Sorbens-Pumpe erforderlich ist. Da eine Flüssigkeit als Fördermedium eingesetzt wird, ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe hinsichtlich ihrer Pumpgeschwindigkeit unabhängig vom äußeren Druck, d.h. dem Umgebungsdruck.

Die vorgeschlagene Mikropumpe, die als Mikroverdampferpumpe ausgelegt ist, umfasst eine Membran, die durchlässig für Wasserdampf und undurchlässig für Flüssigkeit ist. Auf der Saugseite der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran befindet sich ein Raum mit starren Wänden (Saugraum). Dieser ist mit Flüssigkeit gefüllt und weist eine fluidische Verbindung zu einer Flüssigkeitsquelle auf. Auf der Druckseite der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran befindet sich ein weiterer Raum, der mindestens eine flexible Wandung aufweist. Innerhalb dieses Raums befindet sich eine gesättigte Lösung, so z.B. eine Salzlösung. Ferner befindet sich in diesem Raum ein Kristalldepot; falls es sich um eine gesättigte Salzlösung in diesem Raum handelt, wird das Kristalldepot durch ein Salzkristalldepot dargestellt. Dieser Raum wird nachfolgend als Kondensationsraum bezeichnet.

Die flexible Wandung des Kondensationsraums bildet andererseits eine Wandung eines ansonsten im Wesentlichen starr ausgebildeten Vorratsraums. Diese Wandung ist impermeabel für die Salzlösung und impermeabel für die Flüssigkeit, die sich im Vorratsraum befindet. Der Vorratsraum weist eine fluidische Verbindung zu einer Flüssigkeitssenke auf.

Durch die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran verdampft Wasser aus dem Saugraum in die gesättigte Salzlösung innerhalb des Kondensationsraums und vergrößert deren Volumen. Die Vergrößerung der gesättigten Salzlösung innerhalb des Kondensationsraums bewirkt einen Druck auf die flexibel ausgebildete Wand, die impermeabel für die Salzlösung und impermeabel für die Flüssigkeit ist. Durch den Druck auf diese flexibel ausgebildete Wandung wird Flüssigkeit aus dem Vorratsraum getrieben.

Über die Mikropumpe als Gesamtheit gesehen wird einerseits in den Saugraum Flüssigkeit gesaugt, und aus dem Vorratsraum Flüssigkeit gedrückt, wobei die beiden Flüssigkeitsströme in erster Näherung gleich sind. Es handelt sich folglich um eine Saug-/Druckpumpe.

Die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran kann z.B. als PTFE-Flachmembran mit einer Porengröße von 0,2 μm ausgeführt sein. Dabei sind hydrophobe Membranen mit einer kleineren oder größeren Porengröße prinzipiell geeignet, doch ist die mit größerporigen Membranen erreichbare Druckdifferenz kleiner und die Gefahr eines hydraulischen Kurzschlusses durch das Eindringen von Flüssigkeit in die größeren Poren größer.

Anstelle hydrophober Porenmembranen mit größeren Poren können dichte hydrophobe Löslichkeitsmembranen eingesetzt werden. Überraschend wurde gefunden, dass eine dünne Silikonschicht so z.B. aus vernetztem Polydimethylsiloxan, eine ausreichend hohe Wasserdampfpermeabilität aufweist, um in einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mikropumpe zum Einsatz zu kommen. Eine derartige dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran, kann aus einem Film aus Silikon gefertigt werden. Daneben ist es auch möglich eine derartige dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran durch einen Silikonfilm darzustellen, der mit einer mechanischen Verstärkungsstruktur versehen ist. Eine derart mechanische Verstärkungsstruktur kann zum Beispiel ein monofiles Gewebe sein. Bei dem monofilen Gewebe handelt es sich bevorzugt um ein metallisches Gewebe, welches mit einer dünnen Silikonschicht derart überzogen wird, dass die Maschen zwischen den monofilen Fäden mit einem kleinen Silikonfilm überspannt sind. Anstelle von derart gefertigten dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembranen können auch extrem dünne Lochbleche, Vliese, Gitter oder auch makroporöse Membranen eingesetzt werden.

Es hat sich herausgestellt, dass ein metallisches monofiles Gewebe, welches im Zusammenhang mit der Herstellung einer dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembran eingesetzt wird, so geformt werden kann, dass es selbsttragend wird und keine weiteren Stabilisierungselemente zur Verhinderung einer Durchbiegung der Membran erforderlich sind.

In Zusammenhang mit dem Einsatz eines monofilen Gewebes zur Herstellung einer dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembran wurde überraschenderweise gefunden, dass die Förderrate der erfindungsgemäß vorgeschlagenen Mikropumpe dadurch erhöht werden kann, dass ein elektrischer Strom durch das als Stützgewebe fungierende metallische monofile Gewebe einer dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembran geleitet werden kann oder ein Teil dieses elektrischen Stroms durch das monofile Gewebe geleitet wird.

Aufgrund der Temperaturerhöhung in der das monofile Gewebe enthaltenden Silikonmembran wird die Transportrate des Wassers erhöht.

Als Kristalle für die Aufnahme von Wasserdampf im Kondensationsraum der Mikropumpe eignen sich alle Salze, die als gesättigte Lösung einen niedrigeren Dampfdruck aufweisen, als denjenigen, den die angesaugte Lösung, so zum Beispiel eine Kochsalzlösung, entwickelt. Sind in der angesaugten Lösung Substanzen gelöst, dann wird bevorzugt, im Kondensationsraum Salze einzusetzen, bei denen der Dampfdruck einer gesättigten wässrigen Lösung niedriger ist als der Dampfdruck einer bis zur Sättigung aufkonzentrierten angesaugten Lösung. Geeignete Salze sind z.B. NH₄Cl oder LiCl. Eine solche bis zur Sättigung führende Aufkonzentration erfolgt z.B. dann im Saugraum, wenn eine NaCl-Lösung angesaugt wird. Auf der Saugseite der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran bilden sich Kristalle von NaCl. Erfindungsgemäß wurde gefunden, dass es möglich ist, das Pumpenprinzip ohne Störungen durch Kristallbildung zu nutzen, wenn von Anfang an im Saugraum soviel kristallines NaCl vorgelegt wird, dass beim Befüllen des Saugraums eine gesättigte NaCl-Lösung mit verbleibendem Kristalldepot gebildet wird. Durch das Ansaugen antransportiertes NaCl scheidet sich an den vorhandenen Kristallen ab, ohne sich an der Membran anzulagern und deren Poren zu blockieren. Diese Ausführungsvariante hat weiter den großen Vorteil, dass abgesehen von der Anfangsphase die Triebkraft für den Wassertransport durch die Wasserdampfdruckdifferenz zwischen zwei gesättigten Salzlösungen bestimmt ist. Da die Wasserdampfdruckdifferenz konstant ist, bleibt mithin auch die Pump- bzw. Förderrate konstant, solange die Umweltbedingungen wie vor allem die Temperatur konstant bleiben.

Zeichnung

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung eingehender beschrieben.

Es zeigt:

1 einen schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe,

2.1 bis 2.4 schematische Querschnitte durch dampfpermeable Membranen und

3 einen Querschnitt durch eine dampfpermeable Membran mit einer mechanischen Verstärkung und

4 eine verformte dampfpermeable Membran.

Ausführungsvarianten
1 zeigt eine erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe 10, die als Mikroverdampferpumpe zur Förderung kleiner Flüssigkeitsströme in gleichzeitigem Druck-Saug-Betrieb ausgelegt ist.
Die Mikropumpe 10 umfasst einen oberen Körper 11, einen mittleren Körper 12 sowie eine unteren Körper 13. Der obere Körper 11 und der mittlere Körper 12 liegen entlang einer ersten Stoßfuge 14 aneinander an, während der mittlere Körper 12 und der untere Körper 13 einander entlang einer zweiten Stoßfuge 15 kontaktieren. In dem unteren Körper 13 ist ein Saugraum 16 ausgebildet. Dem Saugraum 16 ist eine Zuleitung 17 zugeordnet sowie eine ein Ventil 18 enthaltende Entlüftungsleitung. Der Saugraum 16 ist mit einer gesättigten Pumplösung 19 befüllt und enthält ein Depot 20 von Kristallen. Die Wände des Saugraums 16 im unteren Körper 13 sind im Wesentlichen starr ausgeführt, abgesehen von der den Saugraum 16 von einem Kondensationsraum 27 trennenden für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21.
Der Saugraum 16 steht über die Zuleitung 17 mit einer in 1 nicht dargestellten Flüssigkeitsquelle in Verbindung.
Der Saugraum 16 ist über die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 vom Kondensationsraum 27 getrennt. Bei der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 handelt es sich z.B. um eine PTFE-Flachmembran mit einer Porengröße vom 0,2 μm. Anstelle von PTFE-Flachmembranen können zur Trennung des Saugraums 16 und des Kondensationsraums 27 auch dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembranen eingesetzt werden, so z.B. Membranen, die eine dünne Schicht aus Silikon, so z.B. aus vernetztem Polydimethylsiloxan aufweisen, welches eine ausreichend hohe Wasserdampfpermeabilität aufweist, um damit die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe 10 realisieren zu können. Eine Membranoberseite 25 weist dem Kondensationsraum 27, der im mittleren Körper 12 ausgebildet ist, zu, während eine Membranunterseite 26 der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 dem Saugraum 26 zuweist. Der Randbereich der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 sind abdichtende O-Ringe 22, 23 im Bereich der Stoßfuge 15 zwischen dem mittleren Körper 12 und dem unteren Körper 13 eingespannt, wobei der erste O-Ring 22 und der zweite O-Ring 23 die Abdichtung zwischen dem Kondensationsraum 27 und dem Saugraum 16 gewährleisten. Unterhalb der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 befindet sich eine Abstützstruktur 24, die die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 abstützt und an einer Durchbiegung nach unten hindert.
Im Kondensationsraum 27, der von den starren Wänden des mittleren Körpers 12 einerseits, von der Oberseite 25 der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 andererseits sowie von einer impermeablen Membran 28 begrenzt wird, ist eine gesättigte Salzlösung 29 sowie ein Depot von Kristallen 30 enthalten. Im Falle einer gesättigten Salzlösung 29 handelt es sich bei dem Depot 30 um ein Depot von Salzkristallen, hier angedeutet oberhalb der Membranoberseite 25 der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21. Als Kristalle 30, die im Kondensationsraum 27 aufgenommen sind, und die Aufnahme von Wasserdampf durch den Kondensationsraum 27 begünstigen, eignen sich alle Salze, die als gesättigte Lösung einen niedrigeren Dampfdruck aufweisen als die angesaugte Lösung entwickelt. Sind in der angesaugten Lösung Substanzen gelöst, so wird bevorzugt, dass im Kondensationsraum 27 solche Salze eingesetzt werden, bei denen der Dampfdruck einer gesättigten wässrigen Lösung niedriger ist als der Dampfdruck einer bis zur Sättigung aufkonzentrierten angesaugten Lösung. Hierzu geeignete Salze sind z.B. NH₄Cl oder LiCl. Über die impermeable Membran 28, die an Einspannstellen 33 im Bereich der ersten Stoßfuge 14 zwischen dem oberen Körper 11 und dem mittleren Körper 12 eingespannt ist, wird der Kondensationsraum 27 von einem Vorratsraum 31 getrennt. Der Vorratsraum 31 verfügt über einen Ausgang 32 und enthält die zu pumpende Flüssigkeit, welche durch den Ausgang 32 mit einer in 1 nicht dargestellten Flüssigkeitssenke verbunden ist.
Durch die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 dampft Wasser in die gesättigte Salzlösung 29, die im Kondensationsraum 27 enthalten ist und aufgrund des dort enthaltenen Depots 30 von Salzkristallen stets gesättigt ist. Aufgrund des durch die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 hindurch tretenden Wasserdampfes wird das Volumen der gesättigten Salzlösung 29 vergrößert. Die Volumenvergrößerung der im Kondensationsraum 27 enthaltenen gesättigten Salzlösung 29 bewirkt einen Druck auf die impermeable Membran 28, treibt damit die im Vorratsraum 31 enthaltene Flüssigkeit durch den Ausgang 32 einer Flüssigkeitssenke zu. In der Gesamtbetrachtung der in 1 dargestellten Mikropumpe 10 saugt diese über die Zuleitung 17 kontinuierlich Flüssigkeit in den Saugraum 16 an und gibt über den Ausgang 32 kontinuierlich Flüssigkeit ab. Die die Zuleitung 17 zum Saugraum 16 sowie den Ausgang 32 des Vorratsraums 31 passierenden Flüssigkeitsströme entsprechen in erster Näherung einander.
Anstelle von porösen, hydrophoben PTFE-Flachmembranen, die als für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membranen eingesetzt werden können, können auch hydrophobe Membranen mit größeren Poren eingesetzt werden. Bei diesen ist jedoch die erreichbare Druckdifferenz kleiner und daher die Gefahr eines hydraulischen Kurzschlusses durch das Eindringen von Flüssigkeit in die größeren Poren der hydrophoben Membran größer.
Dieses mit dem Einsatz poröser Membranen verbundene Risiko lässt sich durch die Verwendung von dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembranen vermeiden. Überraschenderweise wurde gefunden, dass eine dünne Schicht aus Silikon, so z.B. von vernetztem Polydimethylsiloxan eine ausreichende hohe Wasserdampfpermeabilität aufweist, um die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe 10 realisieren zu können. Eine dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran kann z.B. auf günstige Weise dadurch erhalten werden, dass ein monofiles Gewebe, bevorzugt ein metallisches monofiles Gewebe mit einer dünnen Silikonschicht so überzogen wird, dass die Maschen mit dem monofilen Gewebe, d.h. den einzelnen Fäden, mit einem kleinen dünnen Silikonfilm überspannt sind. Dies kann in analoger Weise auch durch ein extrem dünnes Lochblech, ein Vlies, ein Gitter oder auch mittels einer porösen Membran realisiert werden.
Das genannte monofile Gewebe, bei dem es sich bevorzugt um ein Drahtgewebe mit metallischen Drähten handelt, kann sphärisch so geformt werden, dass es selbsttragend wird und keine weiteren stabilisierenden Elemente zur Verhinderung einer Durchbiegung einer solcherart beschaffenen Membran notwendig sind (4).
2.1 zeigt eine Ausführungsvariante einer dampfpermeablen Membran. Die in 2.1 dargestellte dampfpermeable Membran 21 ist als makroporöse Membran ausgebildet und weist eine Oberseite 41 sowie eine Unterseite 42 auf. Bezogen auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel weist die Oberseite 41 dem Kondensationsraum 27 zu, während die Unterseite 42 dem Saugraum 16 zuweisend orientiert ist. Die in 2.1 dargestellte dampfpermeable Membran 21 ist hingegen für flüssiges Wasser undurchlässig.
Der Darstellung gemäß 2.2 ist eine Wasserdampf durchlässige, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 zu entnehmen, die an ihrer Unterseite 42 mit einem Silikonfilm 46 versehen ist. Hingegen ist die Oberseite 41 der für Wasserdampf durchlässigen, für flüssiges Wasser jedoch undurchlässigen Membran 21 ohne einen solchen Film ausgebildet. Der Silikonfilm 46 an der Unterseite 42 der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 weist dem Saugraum 16 gemäß der Ausführungsvariante der Mikropumpe 10 gemäß der Darstellung in 1 zu.
2.3 zeigt eine Ausführungsvariante einer für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21, die sowohl an der Unterseite 41 als auch an der Oberseite 42 mit einem Silikonfilm 46 beschichtet ist. Der Silikonfilm 46 an der Oberseite 41 und der Unterseite 42 der für Wasserdampf durchlässigen, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 ist beidseits einer Membranstruktur aufgenommen, die in der Ausführungsvariante gemäß 2.3 großporig beschaffen ist.
Hingegen zeigt die Ausführungsvariante gemäß 2.4 eine für Wasserdampf durchlässige, für flüssiges Wasser jedoch undurchlässige Membran 21, die als Silikonfilm 46 beschaffen ist. Gemäß dieser Ausführungsvariante ist keine grob- oder feinporige Membranstruktur erforderlich, die für Wasserdampf durchlässige, für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 wird lediglich durch den Silikonfilm 46 dargestellt.
Der Darstellung gemäß 3 ist ein Querschnitt durch eine für Wasserdampf durchlässige, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässige Membran mit einer integrierten mechanischen Verstärkung zu entnehmen.
Bei der in 3 dargestellten Membran handelt es sich um eine alternativ zu hydrophoben Porenmembranen einsetzbare dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran. Diese weist ein monofiles Gewebe auf angedeutet durch die durch Verstärkungsfäden 44 einer mechanischen Verstärkung 43. In der Darstellung gemäß 3 wird die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 von den einzelnen Verstärkungsfäden 44 durchzogen, die sich senkrecht zur in 3 dargestellten Zeichenebene erstrecken. Zwischen den einzelnen Verstärkungsfäden 44 der mechanischen Verstärkung 43 befinden sich jeweils Abschnitte, die mit einem dünnen Silikonfilm 46 überspannt sind. Die mechanische Verstärkung 43, die z.B. als monofiles Drahtgewebe ausgebildet ist, lässt sich sphärisch so verformen, dass sie selbsttragende Eigenschaften annimmt und keine weiteren Elemente zur Verhinderung einer Durchbiegung der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 mehr erforderlich sind (vergleiche Darstellung gemäß 4). Wird an die einzelnen Verstärkungsfäden 44 der mechanischen Verstärkung 43, angedeutet durch eine Versorgungsspannung U_B, ein elektrischer Strom angelegt, oder werden einzelne Verstärkungsfäden 44 mit einer elektrischen Spannung U_B beaufschlagt, kann die Pumprate der Mikropumpe 10 erhöht werden. Aufgrund des Anlegens einer elektrischen Spannung an die Verstärkungsfäden 44 der mechanischen Verstärkung 43 wird die Temperatur lokal erhöht und die Transportrate von Wasser bzw. Wasserdampf durch die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 gesteigert.
Wie vorstehend bereits erwähnt wurde, können in der über die Zuleitung 17 in den Saugraum 16 angesaugte Lösung Substanzen enthalten sein. In diesem Falle werden im Kondensationsraum 27 bevorzugt solche Kristalle 30 wie z.B. Salzkristalle eingesetzt, bei denen der Dampfdruck einer gesättigten wässrigen Lösung niedriger ist, als der Dampfdruck einer bis zur Sättigung aufkonzentrierten angesaugten Lösung. Eine solche bis zur Sättigung führende Aufkonzentration erfolgt z.B. innerhalb des Saugraums 16, wenn eine NaCl-Lösung angesaugt wird. Dabei bilden sich an der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 auf der Saugseite, d.h. an der Unterseite 26 NaCl-Kristalle. Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass es möglich ist, das Pumpprinzip der Mikropumpe 10 gemäß 1 ohne Störungen durch Kristallbildung zu nutzen, wenn von Anfang an im Saugraum 16 soviel kristallines NaCl vorgelegt wird, dass beim Befüllen des Saugraums 16 über die Zuleitung 17 eine gesättigte NaCl-Lösung mit verbleibendem Kristalldepot 20 gebildet wird. Durch das Ansaugen antransportiertes NaCl scheidet sich bevorzugt an den im Saugraum 16 vorhandenen Kristallen des Kristalldepots 20 ab, ohne die Unterseite 26 der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 zu blockieren. Diese Ausführungsvariante bzw. Betriebsvariante hat weiter den großen Vorteil, dass abgesehen von der Anfangsphase, die Triebkraft für den Wassertransport durch die Wasserdampfdruckdifferenz zwischen zwei gesättigten Salzlösungen, d.h. innerhalb des Saugraums 16 und innerhalb des Kondensationsraums 27 bestimmt ist. Da diese Wasserdampfdruckdifferenz zwischen den gesättigten Lösungen 29 bzw. 19 konstant ist, ist die Pumprate konstant, solange die äußeren Einflussbedingungen wie z.B. die Temperatur konstant gehalten werden. Wie vorstehend erwähnt arbeitet die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe 10 gemäß des push/pull Betriebs, das heißt über den Saugraum 16 wird Flüssigkeit gesaugt und aus dem Vorratsraum 30 Flüssigkeit gedrückt, wobei die beiden genannten Flüssigkeitsströme in erster Näherung gleich sind. Die Mikropumpe 10 arbeitet folglich im Saug-/Druckmodus.
In Zusammenhang mit der Darstellung in 3 ist noch zu erwähnen, dass die einzelnen Verstärkungsfäden 44 der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 mit Masse verbunden sind, wie durch Bezugszeichen 45 angedeutet. Die Spannungsversorgung der einzelnen Verstärkungsfäden 44 erfolgt mit einer durch U_B angedeuteten Versorgungsspannung von einer ebenfalls nicht näher dargestellten Spannungsquelle.
In der Darstellung gemäß 1 ist die für Wasserdampf durchlässige, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 mittels zweier O-Ringe 22, 23 im Bereich der Stoßfuge 15 des mittleren Körpers 12 und des unteren Körpers 13 eingespannt. Daneben ist es auch möglich, die für Wasserdampf durchlässige, für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 auch im Bereich der Stoßfuge 15 einzuschweißen, einzugießen oder einzukleben oder auf andere Weise dichtend zwischen dem Saugraum 16 und dem Kondensationsraum 27 anzubringen.
Der Darstellung gemäß 4 ist eine verformte für Wasserdampf durchlässige, für flüssiges Wasser undurchlässige Membran zu entnehmen.
In 4 ist eine Verformung der für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 wiedergegeben. Die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 weist eine mechanische Verstärkungsstruktur 43 auf. Diese ist in der Ausführungsvariante gemäß 4 als eine Anordnung monofiler Verstärkungsfäden 44 ausgebildet, zwischen denen sich einzelne Silikonfilmabschnitte 46 an der Oberseite 41 und an der Unterseite 42 befinden. In der Darstellung gemäß 4 ist die für Wasserdampf durchlässige, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 hutförmig verformt. Dies kann zum Beispiel dadurch herbeigeführt werden, dass eine ebene, plane Fläche der für Wasserdampf durchlässigen, jedoch für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 mittels eines stempelförmig gerundeten Werkzeugs in der in 4 dargestellten Weise verformt wird, so dass die Eigensteifigkeit durch Längen der monofilen Verstärkungsfäden 44 verbessert wird.
1. Beispiel: Mikropumpe 10 mit PTFE-Membran
Innerhalb eines Referenzbeispiels zur Darstellung der Funktionsweise des vorgeschlagenen Pumpprinzips für eine Mikropumpe 10 für Saug- und Druckbetrieb wurde ein Membranfilterhalter aus Acetal mit einem Durchmesser von 25 mm von der Fa. Novodirect, Kehl, Deutschland, Bestellnr. C13907, mit einer Scheibe von 25 mm einer PTFE-Membran 21 mit 0,2 μm Porengröße bestückt. Auf die eingesetzte Membran 21 wurde ein Dichtring 24 × 2 mm aus Silikon aufgelegt. Eine Aufschlämmung von NH₄Cl in destilliertem Wasser wurde bereitgestellt, wobei 600 μl des Kristallbreis mittig auf die PTFE-Membran 21 appliziert wurde. Das Oberteil des Filterhalters wurde im Inneren mit einer dünnen Polyethylenfolie (Dicke: 15 μm) ausgekleidet und mit dem Unterteil dichtend verschraubt. Über einen angeschlossenen Schlauch wurde die Pumplösung (0,9 % NaCl in H₂O) in das Oberteil gedrückt und der Schlauch wurde abgeklemmt.
Durch die Schlauchöffnung im Unterteil des Filterhalters wurden Salzkristalle (vgl. Position 20) in den Raum 16 unter der Membran 21 eingefüllt. Durch die Schlauchöffnung im Unterteil des Filterhalters wurden Salzkristalle 30 in den Raum oberhalb der Membran 21 eingefüllt. Mit Hilfe einer Spritze wurde gesättigte Kochsalzlösung eingefüllt. Durch Druckwechsel und Vibration wurde überschüssige Luft entfernt. Ein mit 0,9 % NaCl-Lösung gefüllter Schlauch wurde an das Unterteil des vorbereiteten Filterhalters angeschlossen. Der Schlauch mündete in ein Vorratsgefäß mit ca. 2 ml 0,9-%iger NaCl-Lösung, das auf einer Waage mit Auflösung von 0,000 001. μg stand. Der Schlauch, der mit dem Oberteil des Filterhalters verbunden war, wurde in ein weiteres Vorratsgefäß mit ca. 1 ml 0,9 % NaCl in Wasser, welches sich auf einer zweiten Waage befand, geführt. Beide Schläuche waren so platziert, dass sie die Gefäße nicht berührten. zum Schutz vor Verdampfung waren beide Flüssigkeitsvolumina mit ca. 5 mm Mineralöl überschichtet. Die Schlauchklammer wurde entfernt und nach einer Einlaufzeit von ca. 1 h zeigten sich ein kontinuierlicher Gewichtsabfall des ersten Vorratsgefäßes und ein entsprechender Gewichtsanstieg des weiteren, zweiten Vorratsgefäßes. Die Geschwindigkeitsveränderungen wurden in Flussraten umgerechnet, woraus sich ein mittlerer Fluss von 48 nl pro Minute über einen Zeitraum von 3 Tagen errechnete.
Beispiel 2: Herstellung einer Silikonmembran
Ein Metallgewebe, so z.B. die in 3 dargestellte mechanische Verstärkung 43, die einzelne, parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfäden 44 aufwies, umfasste einzelne monofile Drähte mit einem Durchmesser von 40 μm mit einer Maschenweite von 50 μm (Hersteller Carl Beisser GmbH, Magstadt, Deutschland) und wurde in eine Lösung von 50 g Polydimethylsiloxan der Fa. Wacker-Chemie GmbH, Nünchritz, Deutschland) in 500 ml Toluol getaucht. Anschließend wurde das Metallgewebe aus der Lösung gezogen und es tropfte ab. Nach vollständigem Abdampfen des Lösungsmittels bei 60°C und einer Zeitspanne von etwa 12 h war eine für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 gemäß der Darstellung in 3 fertig.
Beispiel 3: Herstellung einer sphärischen Silikonmembran
Ein Metallgewebe, wie in der Darstellung gemäß 3 durch die mechanische Verstärkung 43, einzelne Verstärkungsfäden 44 umfassend, wurde über eine kugelförmige Form von 30 mm Durchmesser gezogen. Resultat war ein hutförmig konfiguriertes Gebilde, das mit einem Durchmesser von 40 mm aus dem Metallgewebe ausgestanzt wurde. Das Metallgewebe wurde analog zu Beispiel 2 in eine Silikonlösung getaucht, danach erfolgten ein Abtropfen sowie eine Trocknung bei einer Temperatur von 60°C über Nacht.
Beispiel 4: Pumpe mit einer verstärkten Silikonmembran
Eine Mikropumpe 10 gemäß des im Zusammenhang mit Beispiel 1 genannten Filteraufbaus wurde gefertigt, jedoch mit dem Unterschied, dass eine Membran gemäß des Beispiels 2 eingesetzt wurde. Es konnte ein mittlerer Fluss durch die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 von 21 nl/min über einen Zeitraum von 5 Tagen festgestellt werden.
Beispiel 5: Pumpe mit beheizter Silikonmembran
Eine Mikropumpe 10 gemäß des Beispiels 4 wurde gefertigt, jedoch mit dem Unterschied, dass an zwei einander gegenüberliegenden Stellen der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran 21 elektrische Kontakte zum mechanischen Verstärkungsgewebe 43 hergestellt wurden. An den mit der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran gebrachten elektrischen Kontakten wurden Stromleiter angeschlossen. Die Stromleiter waren in Form von ummantelten Kupferlitzen ausgebildet und wurden mit Cyanacrylatkleber in Bohrungen innerhalb des Gehäuses flüssigkeitsdicht eingeklebt. Bei 22°C Raumtemperatur zeigte ein derartiger Versuchsaufbau für eine Mikropumpe 10 einen nahezu verdoppelten mittleren Fluss, sobald ein Heizstrom durch die Verstärkungsfäden 44 der mechanischen Verstärkung 43 von 50 mA floss.

10: Mikropumpe
11: oberer Körper
12: mittlerer Körper
13: unterer Körper
14: 1. Stoßfuge
15: 2. Stoßfuge
16: Saugraum
17: Zuleitung
18: Ventil
19: gesättigte Pumplösung
20: Depot von Kristallen
21: für Wasserdampf durchlässige, für flüssiges Wasser undurchlässige Membran
22: 1. O-Ring
23: 2. O-Ring
24: Abstützstruktur
25: Membranoberseite
26: Membranunterseite
27: Kondensationsraum
28: impermeable Membran
29: gesättigte Salzlösung
30: Salzkristalle
31: Vorratsraum
32: Ausgang
33: Einspannstelle impermeable Membran 28
41: Oberseite
42: Unterseite
43: mechanische Verstärkung
44: Verstärkungsfäden
45: Massenverbindung
46: Silikonfilm
U_B: Verorgungsspannung

Claims

Mikropumpe zur Förderung von Flüssigkeiten mit niedrigen Förderraten, mit einem Vorratsraum (31), welcher eine zu fördernde Flüssigkeit enthält, die einer Flüssigkeitssenke zugeführt wird und einen Saugraum (16), dem über eine Zuleitung (17) eine weitere Flüssigkeit zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugraum (16) und ein eine gesättigte Lösung aufnehmender Raum (27) über eine für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran (21) voneinander getrennt sind.
Mikropumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran (21) im Bereich einer Stoßfuge (15) zwischen Gehäusekörpern (12, 13) der Mikropumpe (10) eingespannt ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran (21) als hydrophobe Mikrofiltrationsflachmembran ausgeführt ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachmembran eine Porengröße im Bereich zwischen 0,05 μm bis 1 μm aufweist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flachmembran eine Porengröße bevorzugt von 0,2 μm aufweist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran (21) als dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran ausgebildet ist.
Mikropumpe gemäß der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die für Wasserdampf durchlässige und für flüssiges Wasser undurchlässige Membran (21) mit einer mechanischen Verstärkung (43) versehen ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran (21) eine mechanische Verstärkung (43) aufweist, die monofile Verstärkungsfäden (44) umfasst.
Mikropumpe gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran (21) an Ober- und Unterseite einen Silikonfilm (46) umfasst.
Mikropumpe gemäß der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran (21) sphärisch verformt als selbsttragende Struktur ausgeführt ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Silikonfilm (46) aus vernetztem Polydimethylsiloxan hergestellt ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Verstärkung (43) an der Ober- und/oder der Unterseite (41, 42) der für Wasserdampf durchlässigen und für flüssiges Wasser undurchlässigen Membran (21) zur Beeinflussung der Förderrate bestrombar ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem als Kondensationsraum dienenden Raum (27) aufgenommene gesättigte Lösung (29) eine Salzlösung ist und in dem Raum (27) im Depot (30) von Salzen aufgenommen ist.
Mikropumpe gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Depot (30) von Salzen im Raum (27) solche Salze umfasst, die als gesättigte Lösung einen niedrigeren Dampfdruck aufweisen als die aus dem Saugraum (16) angesaugte, gesättigte Pumplösung (19).
Mikropumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Vorliegen einer im Saugraum (16) enthaltenen gesättigten Pumplösung (19), die Substanzen enthält, im Raum (27) im Depot (30) Salze eingesetzt werden, bei denen der Dampfdruck einer gesättigten wässrigen Lösung niedriger ist als der Dampfdruck einer bis zur Sättigung aufkonzentrierten Lösung im Saugraum (16).
Mikropumpe gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Depot (30) NH₄Cl- oder LiCl-Salze enthält.
Mikropumpe gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass im Saugraum (16) eine NaCl-Lösung (19) enthalten ist.
Verwendung einer Mikropumpe (10) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 17 als Mikroverdampferpumpe zur Förderung kleiner Flüssigkeitsströme im gleichzeitigen Druck-/Saugbetrieb.
Verwendung einer Mikropumpe (10) gemäß einem oder mehrerer der Ansprüche 1 bis 15 zur Förderung auskristallisierender Lösungen.