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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe zum Fördern eines
Fluids mit mindestens einer Einlassöffnung und mindestens einer Auslassöffnung sowie
mindestens einer Pumpkammer, die eine fluidische Verbindung zwischen
der Einlassöffnung
und der Auslassöffnung
bildet, wobei in der Pumpkammer ein erster Membranbereich angeordnet
ist, der durch einen ersten Antriebsmechanismus betätigbar ist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Fördern eines
Fluids mittels einer derartigen Mikropumpe.
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Mikropumpen
sind seit etwa 25 Jahren Gegenstand intensiver Forschung, wie dies
beispielsweise aus D. J. Laser, J. G. Santiago, A review of micropumps,
J. Micromech. Microeng., 2004, 14, R35–R64, hervorgeht. Die Hauptforschungsrichtung ist
dabei die Entwicklung von Verdrängerpumpen. Diese
weisen hohe Förderraten
auf und sind in der Lage, hohe Gegendrücke zu überwinden. Verdrängerpumpen
werden überwiegend
aus deformierbaren Membranen aufgebaut, die durch äußere Krafteinwirkung
verformt werden. Die Membrananregung kann dabei beispielsweise elektrochemisch,
piezoelektrisch, magnetisch, elektrostatisch, pneumatisch oder thermopneumatisch
erfolgen. Typischerweise werden die benötigten Dichtventile als passive
dichtende Elemente (Klappenventile, Kugelventile, Ventilmembranen),
als Strömungsrichter
mit anisotropem Verhalten (sogenannte Düsen-Diffusor-Elemente) oder
als aktive Elemente (Membranventile) realisiert.
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Diese
bekannten Mikropumpen werden durch externe Steuersignale angetrieben.
Dabei werden pro Pumpzyklus kleine Flüssigkeitsvolumina durch Einsaugen
und Ausstoßen
der Flüssigkeit
in Vorzugsrichtung gefördert. Üblich sind
Ansteuerfrequenzen im Bereich 0,5 Hz bis einige Kilohertz. Die Förderrate
ist dabei üblicherweise
in einem bestimmten Frequenzbereich proportional zur Steuerfrequenz.
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Übliche Mikropumpen
sind in planarer oder vertikaler Chipbauweise aufgebaut. Sie bestehen aus
mindestens zwei strukturierten planaren Gestaltungselementen, die
durch ein geeignetes Fügeverfahren
miteinander verbunden sind. In Siliziumtechnik sind dies beispielsweise
zwei strukturierte Siliziumchips, die durch Kleben oder Silizium-Direktbonden
miteinander verbunden sind. Zwischen den beiden Chips ist ein innerer
Hohlraum, der den fluidischen Durchgangspfad bestehend aus der Pumpkammer,
den Ventilen und allen fluidischen Verbindungskanälen enthält, ausgebildet.
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Die
Pumpkammer ist in der Regel als flache Kammer ausgeführt, dergestalt,
dass eine der flachen Wände
als flexible Membran ausgeführt
ist und durch einen extern angebrachten Mikroaktor in einer vertikalen
Richtung ausgelenkt werden kann. Dadurch entsteht eine Veränderung
des Volumens der Pumpkammer, welche die Grundlage für den Flüssigkeitstransport
darstellt. Einige Beispiele derartiger Mikropumpen mit unterschiedlichen
Antriebsprinzipien sind beispielsweise in P. Woias, "Micropumps – past,
Progress and future prospects",
Sensors and Actuators B 105 (2005) 28–38, gezeigt.
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Der
Energieverbrauch einer mit periodischer Verdrängung arbeitenden Mikromembranpumpe nimmt
proportional zur Steuerfrequenz zu. Verschiedene Mikrosysteme, z.
B. Portable oder dezentrale Systeme in der chemischen Analytik oder
medizinische Implantate, sind in der Regel aus Batterien oder wiederaufladbaren
Stromquellen gespeist. Diese Systeme arbeiten dezentral bzw. sind
schlecht zugänglich,
können
also nicht zu beliebiger Zeit durch Austausch oder Aufladung der
Energiequelle gewartet werden. Für
derartige Applikationen ist in Hinblick auf eine möglichst
lange Betriebszeit der Energieverbrauch der internen Verbraucher
eine entscheidende Größe. Die
Laufzeit hängt
hierbei von der gespeicherten Energie im System (z. B. Batterie)
und der Energieaufnahme des Verbrauchers ab (z. B. Mikropumpe).
Dies schließt
bei Mikropumpen aus, eine gewünschte
Förderrate
durch eine beliebige Erhöhung der
Ansteuerfrequenz zu erreichen, da so der Energieverbrauch unter
Umständen
unzulässig
ansteigt. Zusätzlich
ist die Erzeugung von Betriebsspannungen und -strömen mit
hohen Ansteuerfrequenzen bei verschiedenen Antriebsprinzipien (z.
B. piezoelektrisch oder elektrostatisch) schaltungstechnisch aufwendig
und platzintensiv. Es nehmen zudem bei höheren Frequenzen die Leistungsverluste
in der Ansteuerelektronik selbst zu.
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Das
Entwicklungsziel für
eine Mikropumpe, die in einem energiebegrenzten System arbeitet,
besteht somit darin, bei möglichst
geringer Ansteuerfrequenz eine hohe Förderleistung zu erreichen.
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Um
eine Erhöhung
der Steuerfrequenz zu vermeiden, wird die Leistungssteigerung von
Mikropumpen bezüglich
ihrer Flussrate typischerweise durch die Vergrößerung der Membranbereiche
(Seitenlänge)
erzielt. Folglich nimmt die Baugröße der Mikropumpe zu. Wie später gezeigt
wird, nimmt die Flussrate mit zunehmender Baugröße zwar zu, das Gegendruckverhalten
wird jedoch gleichzeitig mit größer werdenden
Membranabmessungen schlechter. Mikropumpen mit großen Pumpmembranen
können
somit nur geringere Gegendrücke
erreichen als Pumpen mit kleinen Membranen, d. h. die Förderleistung
bleibt bei Erhöhung
der Förderrate
durch Größenskalierung
in etwa gleich oder sinkt sogar, da sie durch den sinkenden erreichbaren
Gegendruck kompensiert wird.
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Die
Fähigkeit
einer Mikropumpe zum Pumpen von Gas wird im Wesentlichen durch das
Kompressionsverhältnis
bestimmt. Diese Kennzahl beschreibt das Verhältnis zwischen verdrängtem Volumen
und Gesamtvolumen der Kammer und wurde in dem europäischen Patent
EP 1458977 B1 eingehend beschrieben.
Bedingt durch den planaren Aufbau einer Mikropumpe hat die Pumpkammer
typischerweise eine relativ große
Grundfläche
bei geringer Höhe (flache
Kammer). Indem man nun zusätzlich
zu einer oder mehreren Pumpmembranen auf der Oberseite der Pumpkammer
erfindungsgemäß eine oder
mehrere zusätzliche
Pumpmembranen auf der Unterseite platziert, kann man das Verdrängungsvolumen
vergrößern, ohne
dabei die Grundfläche
vergrößern zu müssen. Dadurch
erhöht
sich folglich das Kompressionsverhältnis. Dies verbessert somit
die Eigenschaften der Pumpe in Bezug auf den Transport von Gasen.
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Zusammenfassend
besitzen die bekannten Lösungen
daher die folgenden Nachteile:
- • Der Energieverbrauch
der Mikropumpen ist zu hoch.
- • Die
Baugröße der Mikropumpen
ist zu groß.
- • Die
Erzeugung von hohen Ansteuerfrequenzen ist aufwändig und energieineffizient.
- • Die
erreichbaren Gegendrücke
sind zu gering.
- • Die
Förderraten
sind zu gering.
- • Die
Kompressionsverhältnisse
sind gering.
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Es
besteht daher das Bedürfnis,
eine verbesserte Mikropumpe anzugeben, welche die im Stand der Technik
bestehenden Nachteile überwindet
und insbesondere eine verbesserte Förderleistung bei geringer Baugröße und reduziertem
Energieverbrauch ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Dabei
basiert die vorliegende Erfindung auf der Idee, bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe mindestens
zwei Membranen an unterschiedlichen, beispielsweise einander gegenüberliegenden,
Wandungen der Pumpkammer anzubringen. Diese Membranen erfüllen eine
Aufgabe, die prinzipiell auch von einer einzigen Membran erfüllt werden
könnte.
Die erfindungsgemäße Anordnung
hat jedoch, wie im Folgenden gezeigt wird, signifikante Vorteile
in Hinsicht auf Baugröße, erreichbaren
Gegendruck, Kompressionsverhältnis
und Energieeffizienz.
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Diese
Vorteile werden an einer Dreimembranpumpe und einer Einmembranpumpe
erläutert.
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Bei
Einsatz eines zusätzlichen
zweiten Membranbereichs in einer Anordnung wie sie aus F. Goldschmidtböing, A.
Doll, M. Heinrich, P. Woias, H.J. Schrag, U.T. Hopt: "A generic analytical
model for micro-diaphragm Pumps with active valves" Micromech. Microeng.
2005, 15 No 4, 2005, pp. 673–683, bekannt
ist, erhöht
der erfindungsgemäße zweite Membranbereich,
der im Folgenden auch als Konträrmembran
bezeichnet wird, das von der Membran verdrängte Volumen zwischen der Membran
und einem Gegenstück
(im Folgenden Pumpkammer genannt). Dabei wird die Membranfläche durch
eine der Hauptpumpmembran räumlich
entgegengesetzte weitere Membran vergrößert. Die weitere Membran kann
synchron zur Hauptpumpmembran geschaltet werden. Durch die synchrone
Ansteuerung erhöht sich
das verdrängte
wie auch das angesaugte Volumen in der Pumpkammer, d. h. pro Pumpzyk lus
kann mehr Volumen über
die Ventile in und aus der Pumpkammer umgesetzt werden. Des Weiteren
kann in der Ansaugphase der Unterdruck, in der Ausstoßphase der Überdruck,
in der Pumpkammer erhöht werden.
Durch die erhöhte
Druckdifferenz über
die Ventile kann ein höherer
Massenfluss (durchströmtes Volumen
pro Zeit) erreicht werden.
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So
genannte Einmembranpumpen, bestehend aus passiven Rückschlagventilen
der passiven Strömungsgleichrichtern,
einer Pumpkammer und einer Pumpmembran können durch die erfindungsgemäße Konträrmembran
ebenfalls erweitert werden. Durch die größere Volumenverdrängung in
der Pumpkammer wird, wie oben angesprochen, eine Reduktion der Ansteuerfrequenz
bei gleicher Pumprate erreicht, oder die Pumprate bei gleicher Ansteuerfrequenz
erhöht.
Ebenso kann eine Miniaturisierung einer Einmembranpumpe bei gleichbleibender
Flussrate und maximal erreichbarem Gegendruck durchgeführt werden
bzw. die erzielbaren Gegendrücke
durch die Erweiterung um eine Konträrmembran gesteigert werden.
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Anhand
der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausgestaltungen
wird die Erfindung im Folgenden näher erläutert. Ähnliche oder korrespondierende
Einzelheiten der erfindungsgemäßen Mikropumpe
sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Mikropumpe;
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2 eine
schematische Querschnittansicht einer bekannten Mikropumpe;
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3 eine
vergleichende Darstellung der theoretischen Flussrate ohne angelegten
Gegendruck über
der Ansteuerfrequenz einer bekannten Dreimembranpumpe und einer
Dreimembranpumpe mit Konträrmembran;
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4 eine
vergleichende Darstellung des theoretisch erreichbaren Gegendrucks über der
Ansteuerfrequenz einer Dreimembranpumpe und einer Dreimembranpumpe
mit erfindungsgemäßer Konträrmembran;
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5 eine
graphische Darstellung des Verhältnisses
von verdrängtem
Volumen und fluidischer Kapazität
einer Aktormembran.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Mikropumpe 100 mit
einer Konträrmembran 106 im
direkten Vergleich zu einer bekannten Dreimembranmikropumpe 200 nach
F. Goldschmidtböing,
A. Doll, M. Heinrich, P. Woias, H.J. Schrag, U.T. Hopt: "A generic analytical
model for micro-diaphragm Pumps with active valves" Micromech. Microeng.
2005, 15 No 4, 2005, pp. 673–683, wie
sie in 2 skizziert ist, dargestellt. Im Wesentlichen
repräsentiert
die in 1 gezeigte Ausführungsform die Erweiterung
einer Dreimembranpumpe 200 durch die erfindungsgemäße Konträrmembran 106.
Die Konträrmembran 106 befindet
sich dabei auf der gegenüberliegenden
Seite einer Pumpmembran 107 und bildet mit dem Zwischenraum
zwischen Konträr-
und Hauptpumpmembran die Pumpkammer 108.
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Die
erfindungsgemäße Mikropumpe 100 ist auf
einem Substrat 114 aufgebaut und im Wesentlichen durch
zwei geeignet strukturierte Siliziumstrukturen 110 und 112,
einen Pumpenkörper
und ein Membranelement, gebildet, die durch eine geeignete Bondschicht 118 miteinander
verbunden sind. Bei dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel sind insgesamt
vier flexible Membranbereiche vorgesehen, die jeweils durch piezoelektrische
Antriebe betätigt
werden. Neben den Ventilmembranen für die Ansteuerung der Einlassöffnung 102 und
der Auslassöffnung 104 ist
der piezoelektrisch angetriebenen Hauptpumpmembran 107 die
erfindungsgemäße Konträrmembran 106 gegenübergestellt,
die simultan mit der Pumpmembran 107 betätigt wird.
Wie schematisch aus 1 erkennbar, werden die beiden
Membranen 106 und 107 so betätigt, dass sie sich gleichzeitig
in Richtung aufeinander zu oder voneinander weg bewegen, sodass,
wie im Detail noch ausgeführt
wird, das verdrängte
Volumen maximal erhöht
werden kann.
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2 zeigt
zum Vergleich eine bekannten Dreikammermikropumpe 200,
bei der nur eine einzige piezoelektrisch aktuierte Pumpmembran 207 in der
Pumpkammer 208 vorgesehen ist.
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3 zeigt
die theoretisch ermittelten Flussraten der beiden Mikropumpen aus
den 1 und 2 im Vergleich. Die Kurve 301 ist
dabei der Anordnung aus 1, die Kurve 302 der
Pumpe aus 2 zugeordnet. Es ist zu erkennen,
dass die erfindungsgemäße Konträrmembran 106 die
Ansteuerfrequenz der Mikropumpe, bei der die maximale Pumprate (optimale
Flussrate) erzielt wird, mehr als halbiert (hier von 55 Hz auf 25
Hz).
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Ebenso
kann der maximal erzielbare Gegendruck der Mikropumpe bei niedrigen
Frequenzen erhöht
werden, wie dies aus 4 deutlich wird. Hier bedeutet
die Kurve 401 wiederum das Verhalten der Pumpe 100 aus 1 im
Vergleich zu dem Verhalten der Pumpe 200 aus 2 gemäß Kurve 402.
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Die
erfindungsgemäße Konträrmembran
erhöht
das von der Membran verdrängte
Volumen zwischen der Membran und einem Gegenstück (im Folgenden Pumpkammer
genannt). Dabei wird die Membranfläche durch eine der Hauptpumpmembran räumlich entgegengesetzte
weitere Membran vergrößert. Die
weitere Membran kann synchron zur Hauptpumpmembran geschaltet werden.
Durch die synchrone Ansteuerung erhöht sich das verdrängte bzw. angesaugte
Volumen in der Pumpkammer, d.h. pro Pumpzyklus kann mehr Volumen über die
Ventile in und aus der Pumpkammer umgesetzt werden. Des Weiteren
kann in der Ansaugphase der Unterdruck, in der Ausstoßphase der Überdruck,
in der Pumpkammer erhöht
werden. Durch die erhöhte
Druckdifferenz über
die Ventile kann ein höherer
Massenfluss (durchströmtes
Volumen pro Zeit) erreicht werden.
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Die
Leistungsaufnahme einer Mikropumpe soll im Folgenden anhand des
piezoelektrischen Antriebs ohne Ladungsrückgewinnung betrachtet werden.
Bei diesem Antriebskonzept ist die Leistungsaufnahme hauptsächlich durch
das Umladen der Piezomembranaktoren bestimmt. Um eine Längenänderung
des Piezoaktors zu erreichen, wird eine Ladung Q auf diesen aufgebracht.
Diese Ladung bleibt idealerweise auf dem Piezoaktor gespeichert.
Um die Längenänderung
rückgängig zu
machen, wird die Ladung auf dem Piezoaktor häufig gegen Masse kurzgeschlossen,
d.h. die eingespeiste elektrische Energie geht verloren. Um eine
im Vergleich zu oben umgekehrte Längenänderung zu erreichen, wird
der Aktor mit entgegengesetzter Ladung belegt. Der Anfangszustand
wird durch erneutes Kurzschließen
der Ladung erreicht.
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Die
benötigte
Energie zum Laden eines Piezoaktors hängt hierbei von seiner Kapazität C und der
angelegten Spannung U+ bzw. U- im
Quadrat ab: E+ =
CU2+ und E- = CU2- (Gl. 1)
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Diese
Energie wird durch ohmsche Verluste und den Kurzschluss gegen Masse
vollständig
dissipiert.
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Während eines
Pumpzyklus wird jeder Aktor der Pumpe jeweils einmal mit positiver
Spannung U+ und negativer Spannung U- beaufschlagt. Werden die entsprechenden
Energien addiert und mit der Pumpfrequenz f multipliziert, erhält man die
Leistungsaufnahme der Mikropumpe: P
= Cges(U2+ + U2- )f (Gl. 2)
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Die
elektrische Gesamtkapazität
Cges (Summe aller elektrischen Aktorkapazitäten) einer
Viermembranpumpe (Dreimembranpumpe plus Konträrmembran, wie sie in 1 dargestellt
ist) ist bei typischem Aufbau (mit kleineren Ventilmembranen und größerer Pumpmembran)
geringer als die doppelte Gesamtkapazität einer Dreikammerpumpe. Nach Gleichung
2 kann somit Energie eingespart werden, wenn die Ansteuerfrequenz
mehr als halbiert wird bzw. das Produkt n aus der Gesamtkapazität und Steuerfrequenz
verringert wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Konträrmembran
kann eine Reduktion der Ansteuerfrequenz (siehe 3)
erreicht werden. Hier verringert sich das Produkt n und somit der
Energieverbrauch um 40%.
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Somit
bietet die erfindungsgemäße Anordnung
die folgenden Vorteile:
- • Die Konträrmembran erhöht die Volumenverdrängung.
- • Die
Konträrmembran
erhöht
den erzielbaren Gegendruck.
- • Durch
den Einsatz einer Konträrmembran
wird Energie eingespart (hier 40%.)
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Das
Verhältnis
zwischen der Volumenverdrängung
der Pumpmembran Vp und ihrer fluidischen Kapazität Cp (Volumenauslenkung pro angelegten Druck)
kennzeichnet den erzielbaren maximalen Gegendruck eines in Mikropumpen
vorkommenden Membranaktors. pmax = Vp/Cp (Gl.
3)
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Wie
in 5 zu erkennen ist, verhält sich die Abhängigkeit
des erzielbaren maximalen Gegendrucks und der Membrangröße nicht
konstant, das heißt,
mit kleineren Membranen können
höhere
Gegendrücke
erzielt werden. Somit lässt
sich mit einer einfachen Vergrößerung der
Pumpmembran im Dreimembranpumpenmodell nicht das gleiche Gegendruckverhalten
erzielen, das mit mehreren kleineren Membranen gleicher Gesamtfläche oder
Gesamtverdrängung
erreicht wird.
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Die
erfindungsgemäße Konträrmembran nutzt
diesen Effekt. Dabei werden zwei oder mehrere Pumpmembrananordnungen
auf gegenüberliegenden
Seiten eingesetzt. Das Resultat ist eine Mikropumpe mit vergrößerter Pumpmembran,
bei gleichbleibender Größe, Gegendruckverhalten
und gesteigerter Energie- und Pumpeffizienz.
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Des
Weiteren kann durch eine Adaption der Konträrmembran eine weitere Miniaturisierung
der Pumpmembran, bei gleichen Pumpleistungsdaten durchführt werden.
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Im
Folgenden sollen die erreichbaren Verbesserungen bezüglich der
Miniaturisierung, Erhöhung
der Volumenverdrängung,
Erhöhung
des erzielbaren Gegendrucks und Energieoptimierung anhand von Zahlenbeispielen
illustriert werden.
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Wird
eine Pumpaktormembran mit einem Durchmesser von 12 mm durch eine
Membran der Größe 10 mm
zusammen mit einer Konträrmembran ersetzt,
lässt sich
bei gleicher Volumenverdrängung eine
Drucksteigerung von ca. 40% erzielen bei gleichzeitiger Miniaturisierung
der Pumpengröße. Die
Zahlenbeispiele gelten für
die von den Erfindern entwickelten Mikropumpen und können bei
anderen Mikropumpen abweichen.
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Durch
den Einsatz einer Konträrmembran lässt sich
bei gleicher Baugröße die Volumenverdrängung in
der Pumpkammer verdoppeln, wobei der maximal erreichbare Gegendruck
nicht vermindert wird.
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Der
maximal erreichbare Gegendruck einer Mikropumpe kann durch Reduktion
der Membrangröße erhöht werden.
Der Einsatz einen Konträrmembran
verdoppelt dabei das pro Zyklus verdrängte Volumen.
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Durch
Einsatz einer Konträrmembran
in einer Dreimembranpumpe kann bei gleich bleibender Baugröße und Flussrate
die Ansteuerfrequenz halbiert werden. Dies resultiert in einer Energieersparnis der
Mikropumpe um ca. 40% bei einhergehender Steigerung des erzielbaren
Gegendrucks.
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Einmembranpumpen,
bestehend aus passiven Rückschlagventilen
oder passiven Strömungsgleichrichtern,
einer Pumpkammer und einer Pumpmembran können durch die erfindungsgemäße Konträrmembran
ebenfalls erweitert werden. Durch die größere Volumenverdrängung in
der Pumpkammer wird, wie oben angesprochen, eine Reduktion der Ansteuerfrequenz
bei gleicher Pumprate erreicht, bzw. die Pumprate bei gleicher Ansteuerfrequenz
erhöht.
Ebenso kann eine Miniaturisierung einer Einmembranpumpe bei gleich
bleibender Flussrate und maximal erreichbarem Gegendruck durchgeführt werden
oder die erzielbaren Gegendrücke
durch die Erweiterung um eine Konträrmembran gesteigert werden.
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Wird
die erfindungsgemäße Konträrmembran
im Vergleich zur Hauptpumpmembran geometrisch leicht versetzt angeordnet,
kann eine zusätzliche
Verminderung des Durchflusswiderstandes in der Pumpkammer erzielt
werden.
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Die
parallele oder leicht phasenverschobene Ansteuerung der Pumpmembran
kann ebenfalls eingesetzt werden, um gewünschte Effekte, wie Gasblasentoleranz
und verbesserte Selbstansaugung zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mikropumpen, und insbesondere
auf membranbetriebene Mikropumpen. Derartige Mikropumpen können um
eine weitere auf der gegenüberliegenden Seite
befindliche Membran (Konträrmembran)
erweitert werden. Dabei weist die erfindungsgemäße Konträrmembran je nach Pumpentyp
positive Eigenschaften auf. Einmembranpumpen werden erheblich leistungsfähiger, Dreimembranpumpen
werden insgesamt leistungsfähiger
und energieeffizienter. Allen Pumpen ist gemein, dass die erfindungsgemäße Konträrpumpmembran
die Gegendruckcharakteristik verbessert.
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Bereits
kommerziell verfügbare
Mikropumpen können
somit durch die erfindungsgemäße Konträrmembran
stark verbessert werden. Insbesondere können viele der in P. Woias, "Micropumps – past, Progress
and future prospects",
Sensors and Actuators B 105 (2005) 28–38, dargestellten bekannten
Mikropumpen mit einer solchen Konträrmembran ausgestattet werden.