DE102007019433A1

DE102007019433A1 - Peristaltische Pumpe

Info

Publication number: DE102007019433A1
Application number: DE102007019433A
Authority: DE
Inventors: Georg Rixecker; Benjamin Hagemann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2008-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine peristaltische Pumpe (10), aufweisend einen röhrenförmigen Abschnitt (11) mit einer Längserstreckung, einer Wandung, einem Lumen sowie einem ersten (12) und einem zweiten Ende (13) und mindestens einer Anordnung aus einer schwingungsgebenden (14) und - optional - einer absorbierenden (15) Einrichtung (Fig. 1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Peristaltische Pumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Stand der Technik
Zur Förderung von flüssigen und gasförmigen Medien gibt es verschiedenartige Pumpensysteme. Einige Konstruktionen basieren auf rotierenden Teilen, die eine Sogwirkung hervorrufen. Andere beruhen auf Stößeln oder Membranen, die in Kombination mit alternierend schließenden Klappen oder Ventilen einen Druck oder Sog aufbauen. Weiterhin gibt es so genannte Peristaltische Pumpen, die Material durch wandernde Verengungen eines freien Durchmessers fördern.
Allen diesen Pumpen ist in der Regel gemein, dass sie bewegliche Teile besitzen und damit dem Verschleiß unterliegen. Dies trifft insbesondere dann zu, wenn die Pumpe für den Transport abrasiver Medien verwendet wird. Hinzu kommt, dass die auf den beiden erstgenannten Prinzipien basierenden Pumpen nicht kontinuierlich arbeiten, sondern prinzipbedingt eine Ansaug- und eine Ausstoßphase aufweisen, also pulsierend wirken.
Letzteres ist insbesondere bei der Förderung kleiner und kleinster Volumina, wie es z. B. in Mikrofluidik-Anwendungen erforderlich ist, ein großes Problem. Solche Mikrofluidik-Anwendungen kommen z. B. in der molekularen Analytik und Diagnose (sogenanntes „Lab-on-a-Chip") immer häufiger zum Einsatz. Ebenso werden Pumpen für kleine und kleinste Volumina in der Medizintechnik verwendet, und hier insbesondere bei Implantaten, Mikroinfusionsgeräten, Dialysegeräten und Iontophoreseeinrichtungen. Dasselbe gilt für nanoskalige Anwendungen.
Hinzu kommt, dass Pumpen aus dem Stand der Technik in aller Regel eine starre und unflexible Geometrie aufweisen und sich daher häufig nicht oder nur schwer in eine bereits vorhandene Peripherie integrieren lassen. Dies gilt insbesondere für integrierte Konzepte, und auch hier insbesondere für Mikrofluidik-Anwendungen, Medizintechnik-Anwendungen und nanoskalige Anwendungen.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine kostengünstige, kontinuierlich arbeitenden Pumpe bereitzustellen, die insbesondere ohne bewegliche Teile auskommt und hochresistent auch gegenüber abrasiven Medien ist.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpe bereitzustellen, die keine elektromagnetischen Störungen generiert.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpe bereitzustellen, die sich für die Förderung kleiner und kleinster Volumina eignet und/oder für mikrofluidische Anwendungen geeignet ist.
Eine nochmals andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Pumpe bereitzustellen, die eine derartige Formflexibilität aufweist, dass sie sich in verschiedenste Peripherien integrieren lässt, insbesondere dann, wenn nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen des vorliegenden Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen an.
Demnach ist eine peristaltische Pumpe vorgesehen, aufweisend einen röhrenförmigen Abschnitt, mit einer Längserstreckung, einer Wandung, einem Lumen sowie einem ersten und einem zweiten Ende. Die Pumpe weist mindestens eine Anordnung aus einer schwingungsgebenden Einrichtung, sowie – optional – eine Steuereinrichtung auf
Für den Fall, dass die Pumpe nur eine Förderrichtung aufweist, wird das erste Ende des röhrenförmigen Abschnitts auch als "Eintrittseite" und das zweite Ende auch als "Austrittsseite" bezeichnet.
Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass die Pumpe außerdem eine absorbierende Einrichtung aufweist.
Dabei kann weiterhin bevorzugt vorgesehen sein, dass die schwingungsgebende Einrichtung an dem einen Ende (so z. B. an der Eintrittseite) und die absorbierende Einrichtung an dem anderen Ende (so z. B. an der Austrittseite) des röhrenförmigen Abschnitts angeordnet ist.
Durch die schwingungsgebende Einrichtung wird eine radiale Biegewelle – auch als peristaltische Welle bezeichnet – erzeugt. Dabei breiten sich Verdickungen und Verjüngungen des Querschnitts des röhrenförmigen Abschnitts alternierend in axialer Richtung entlang des röhrenförmigen Abschnitts aus, bis sie an dessen anderen Ende von der dort angebrachten absorbierenden Einrichtung absorbiert werden.
Um eine solche Welle zu erzeugen, ist eine schwingungsgebende Einrichtung erforderlich, die sich bei Anregung entweder zusammenzieht oder ausdehnt und dadurch den Querschnitt des röhrenförmigen Abschnitts verändert.
Es wird also erfindungsgemäß eine peristaltikartige Wanderwelle in der Wandung des röhrenförmigen Abschnitts hervorgerufen, durch die eine kontinuierliche Pumpwirkung in dem zu fördernden Medium erzeugt wird.
Soll die Pumpe in nur einer Richtung betrieben werden, so reicht grundsätzlich eine schwingungsgebende Einrichtung auf der Eintrittsseite des Mediums aus.
Die optional einzusetzende absorbierende Einrichtung verhindert, dass Schwingungen am Mediumaustrittsende des röhrenförmigen Abschnitts reflektiert werden und sich der fördernden Wanderwelle überlagern, diese also dämpfen.
Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass der röhrenförmige Abschnitt so lang ist, dass die Wanderwelle bereits vor Erreichen des Mediumaustrittsendes durch die im röhrenförmigen Abschnitt vorhandene "natürliche" Dämpfung weggedämpft ist. Für diesen Fall wird am Austrittsende keine absorbierende Einrichtung benötigt.
Da die schwingungsgebende Einrichtung nicht punktförmig direkt am Ende des röhrenförmigen Abschnitts angeordnet sein kann, wird durch die Schwingungsanregung nicht nur eine Wanderwelle in Förderrichtung – also in Richtung des zweiten Endes des röhrenförmigen Abschnitts – erzeugt, sondern auch eine Wanderwelle in entgegengesetzter Richtung – also in Richtung des ersten Endes des röhrenförmigen Abschnitts – die dort reflektiert würde und sich dann der fördernden Wanderwelle störend überlagern könnte.
Aus diesem Grunde kann in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung auch an dem Ende, das im Bereich der schwingungsgebenden Einrichtung liegt, eine absorbierende Einrichtung vorgesehen sein. Auf eine solche Einrichtung auf der Mediumeintrittsseite kann nur dann verzichtet werden, wenn die Länge des röhrenförmigen Abschnitts vor der schwingungsgebenden Einrichtung ("freie Länge") derartig auf die Wellenlänge der erzeugten Wanderwelle abgestimmt ist, dass bei einer Überlagerung der reflektierten Welle mit der fördernden Wanderwelle keine Phasenauslöschung eintitt.

Es ergeben sich also bei einer Pumpe mit nur einer Förderrichtung und einer schwingungsgebenden Einrichtung folgende Kombinationsmöglichkeiten:

Ausführungsform	Eintrittsseite	Austrittsseite
1	Keine absorbierende Einrichtung aber freie Länge wie oben beschrieben abgestimmt	keine absorbierende Einrichtung, aber Länge des röhrenförmigen Abschnitts so groß, dass aufgrund von "natürlicher" Dämpfung keine Reflektion stattfindet
2	Keine absorbierende Einrichtung aber freie Länge wie oben beschrieben abgestimmt	absorbierende Einrichtung
3	absorbierende Einrichtung	keine absorbierende Einrichtung, aber Länge des röhrenförmigen Abschnitts so groß, dass aufgrund von "natürlicher" Dämpfung keine Reflektion stattfindet
4	absorbierende Einrichtung	absorbierende Einrichtung

Bei beidrichtiger Förderung mit zwei schwingungsgebenden Einrichtungen ergeben sich im Wesentlichen die folgenden Möglichkeiten:

Ausführungsform	Erstes Ende	Zweites Ende
1	absorbierende Einrichtung	absorbierende Einrichtung
2	absorbierende Einrichtung	keine absorbierende Einrichtung aber freie Länge wie oben beschrieben abgestimmt und Länge des röhrenförmigen Abschnitts so groß, dass aufgrund von "natürlicher" Dämpfung keine Reflektion stattfindet
3	keine absorbierende Einrichtung aber freie Länge wie oben beschrieben abgestimmt und Länge des röhrenförmigen Abschnitts so groß, dass aufgrund von "natürlicher" Dämpfung keine Reflektion stattfindet	absorbierende Einrichtung
4	keine absorbierende Einrichtung aber freie Länge wie oben beschrieben abgestimmt und Länge des röhrenförmigen Abschnitts so groß, dass aufgrund von "natürlicher" Dämpfung keine Reflektion stattfindet	keine absorbierende Einrichtung aber freie Länge wie oben beschrieben abgestimmt und Länge des röhrenförmigen Abschnitts so groß, dass aufgrund von "natürlicher" Dämpfung keine Reflektion stattfindet

Der röhrenförmige Abschnitt kann insbesondere eine lineare, d. h. gerade Form aufweisen. Es kann jedoch ebenso vorgesehen sein, dass dieser Abschnitt z. B. eine 2- oder 3-dimensional gekrümmte Form aufweist, z. B. eine sigmoide oder eine schraubenförmige Form. Hier ist insbesondere die Verwendung von beliebig formbaren Materialien, wie z. B. Keramik, Metall oder Kunststoff vorteilhaft. Darüber hinaus kann das Material auch plastisch verformbar sein (solange das Material weiter in der Lage ist, Schwingungen zu übertragen), damit der röhrenförmige Abschnitt bei Bedarf in die nach den jeweiligen Umständen (Platzverhältnisse etc.) erforderliche Form gebracht werden kann.
Die optionale Steuereinrichtung ist so ausgestaltet, dass sie die mindestens eine schwingungsgebende Einrichtung koordiniert so ansteuert und/oder kontrolliert, dass diese eine radiale Biegewelle – auch als peristaltische Welle bezeichnet – in dem röhrenförmigen Abschnitt bewirkt. Wichtig dabei ist, dass sowohl die schwingungsgebende Einrichtung als auch die Steuereinrichtung die Genese von peristaltischen Wellen mit unterschiedlichen Wellenlängen (bzw. Frequenzen) und Amplituden erlauben.
Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich im Prinzip für alle fluiden und pseudofluiden Medien. Unter dem Begriff „fluide Medien" werden im Folgenden insbesondere Flüssigkeiten und Gase verstanden. Unter dem Begriff „pseudofluide Medien" werden im folgenden insbesondere Medien bestehend aus mehr oder weniger dicht gepackten Partikeln verstanden, die sich unter Umständen ähnlich wie fluide Medien verhalten.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Material der Wandung des röhrenförmigen Abschnitts Metall, Keramik oder Kunststoff aufweist. Falls Kunststoff als Material gewählt ist, sollte dies bevorzugt ein Kunststoff mit möglichst geringer intrinsischer Dämpfung und dadurch bedingter hoher Schwinggüte sein. All diese Materialien lassen sich beliebig formen, insbesondere dreidimensional krümmen, und erlauben auch die Herstellung von röhrenförmigen Abschnitten mit kleinen und kleinsten Dimensionen.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die schwingungsgebende Einrichtung ein Piezoelement aufweist. Piezoelemente weisen einen sogenannten piezoelektrischen Effekt auf. Dieser beschreibt das Zusammenspiel von mechanischem Druck und elektrischer Spannung in Festkörpern. Er basiert auf dem Phänomen, dass bei der Verformung bestimmter Materialien auf der Oberfläche elektrische Ladungen auftreten. Umgekehrt verformen sich diese (zumeist Kristalle bzw. Keramikbauteile) bei Anlegen einer elektrischen Spannung. Wird an einem piezoelektrischen Kristall eine elektrische Spannung angelegt, reagiert dieser mit einer mechanischen Spannung, die zu einer Formveränderung führt. Wird andererseits eine mechanische Spannung ausgeübt, reagiert der Piezokristall – in der Regel ein keramisches Bauteil – umgekehrt mit Erzeugung einer elektrischen Spannung. Bei Anlegen einer oszillierenden Spannung kann ein Piezoelement in oszillierende Schwingungen versetzt werden, wie dies beispielsweise in bestimmten Lautsprechern geschieht.
Es ist aber auch denkbar, die Schwingungen auf anderem Weg in die Wandung des röhrenförmigen Elementes einzuleiten, beispielsweise mit magnetischen Vorrichtungen, so z. B. einer elektromagnetischen Spule.
Bei der absorbierenden Einrichtung kann es sich bevorzugt um einen circumferential um den röhrenformigen Abschnitt angeordneten Ring handeln, z. B. um eine Art Manschette handeln, die um die/das Ende(n) des röhrenförmigen Elements herum angeordnet sind/ist. Idealerweise handelt es sich hierbei um eine Manschette aus einem Material mit hoher intrinsischer Dämpfung, dass schwingungstechnisch sehr gut auf das Material des röhrenförmigen Elements abgestimmt ist und deswegen die Schwingungen dieses Elements sehr gut einkoppelt.
Diese Material kann bevorzugt ausgewählt sein aus der Gruppe enthaltend Kunstharz, Silikon, Acrylate, Gele, Kautschuk, thermoplastische Kunststoffe, elastomere Kunststoffe und/oder Blei. Ebenso kommen Mischungen dieser Materialien in Frage.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Pumpe ist vorgesehen, dass die Wandung des röhrenförmigen Abschnitts ganz oder teilweise aus Piezokeramik besteht. In dieser Ausgestaltung kann die schwingungsgebende Einrichtung besonders einfach dadurch erzeugt werden, dass eine Interdigitalelektrodenstruktur direkt auf einen röhrenförmigen Abschnitt aus Piezomaterial aufgedruckt wird.
Durch Anlegen einer Polungsspannung werden die Bereiche des piezoröhrenförmigen Abschnitts unter den aufgedruckten Interdigitalstrukturen entsprechend ausgerichtet, so dass dann beim Anlegen einer pulsierenden Wechselspannung im Betrieb die gewünschten Schwingungen angeregt werden.
Besonders vorteilhaft an der Verwendung der beschriebenen Interdigitalelektrodenstruktur zur Schwingungsanregung ist im Hinblick auf Abnutzung die Tatsache, dass diese vollständig außerhalb des röhrenförmigen Elements liegt und damit nicht in Kontakt mit dem zu fördernden Medium kommt. Alternativ zu einer solchen Interdigitalelektrodenstruktur ist es auch möglich, den Bereich des röhrenförmigen Elements, der als schwingungsgebende Einrichtung dienen soll, sowohl von innen als auch von außen mit einer flächigen Elektrode zu versehen. Auch eine solche Elektrodenanordnung führt zu einer gewünschten peristaltischen Welle, muss aber je nach zu förderndem Medium gegen Abrieb geschützt werden.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass mindestens an einem Ende des röhrenförmigen Elementes ein Piezoelement angeordnet ist. Dies kann beispielsweise ein einzelner oder ein aus Elementen zusammengesetzter Piezoring sein, der über das mindestens eine Ende des röhrenförmigen Abschnitts geklebt ist. Alternativ kann ein solcher Ring auch an der Innenseite eines röhrenförmigen Abschnitts befestigt sein. Der Piezoring ist so eingerichtet, dass ein Anlegen einer Spannung zu einer Veränderung des Ringdurchmessers (Zusammenziehen oder Ausdehnen) führt. Zum Schutz vor Umgebungseinflüssen kann das Piezoelement entsprechend beschichtet oder vergossen werden. Es ist jedoch darauf zu achten, dass die Vergussmasse in ihren Eigenschaften auf die Einsatzbedingungen abgestimmt ist, und die Schwingungen des Piezos nicht beeinflusst.
Die schwingungsgebende Einrichtung kann ebenso auch aus in Kunststoff einlaminierten Piezofasern bestehen, die entweder an den röhrenförmigen Anschnitt appliziert sind, oder – für den Fall, dass die Wandung des röhrenförmigen Abschnitts aus Kunststoff besteht – unter Umständen direkt in den Kunststoff einlaminiert sind. Durch ein solches Einlaminieren sind die Fasern optimal gegen Umgebungseinflüsse geschützt.
Die schwingungsgebenden Einrichtungen sind bevorzugt so gestaltet, ausgewählt und/oder ansteuerbar, dass Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugbar sind. Unter dem Begriff „Ultraschallbereich" soll im Folgenden der Frequenzbereich zwischen 5 und 500 kHz, bevorzugt zwischen 20 und 100 kHz, verstanden werden. Dieser Bereich ist für das menschliche Ohr nicht wahrnehmbar. Auf diese Weise wird einerseits ein lautloser Betrieb der Pumpen gewährleistet, andererseits wird, da das zu fördernde Gut eine gewisse Trägheit aufweist, ein Pulsieren des zu fördernden Gutes unterdrückt.
Die Pumprichtung ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Pumpe aus der Seite des röhrenförmigen Abschnitts, auf der die Schwingungen angeregt werden, und kann bei beidseitig angeordneten absorbierenden und schwingungsgebenden Einrichtungen umgekehrt werden. Soll die Pumpe nur in eine Richtung betrieben werden, so sind nur eine schwingungsgebende Einrichtung auf der Eintrittsseite des Mediums und eine absorbierende Einrichtung auf der Austrittsseite des Mediums nötig.
Die Pumpleistung hängt von der Geometrie des röhrenförmigen Abschnitts, der Schwingungsfrequenz und der Schwingungsamplitude ab und kann zusätzlich auch noch durch Pulsweitenmodulation gesteuert werden.
Idealerweise wird die peristaltische Pumpe in Resonanz betrieben, dass bedeutet, dass die Anregung in ihrer Frequenz auf eine Eigenschwingung des röhrenförmigen Elements (in Kombination mit Kontakt zum zu fördernden Medium) abgestimmt ist. Dadurch entstehen im Betrieb aufgrund der bekannten Resonanzüberhöhung besonders große Schwingungsamplituden, die zu einer sehr guten Förderleistung der Pumpe führen. Um eine sichere Ansteuerung mit der Resonanzfrequenz zu ermöglichen und betriebsbedingte Verschiebungen dieser Frequenz beispielsweise durch thermische Einflüsse abfangen zu können, ist die Steuereinheit optimalerweise in der Lage, die Resonanzfrequenz zu detektieren und die Erregerfrequenz entsprechend nachzuführen. Dies kann im Betrieb beispielsweise durch Impedanzmessungen durchgeführt werden. Andere Messverfahren sind jedoch auch möglich. Eine weitere Verbesserung der Förderleistung ergibt sich durch eine Abstimmung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit im röhrenförmigen Element mit den mechanischen Eigenschaften des zu fördernden Mediums, wie zum Beispiel dessen Viskosität.
Die Durchlassöffnungen des röhrenförmigen Abschnitts können insbesondere im Bereich von 10^–5 m bis 10^–2 m, bevorzugt jedoch im Bereich von 10^–4 m bis 10^–3 m, liegen. Erfindungsgemäße Pumpen mit solchen Dimensionen eignen sich insbesondere für Verwendung in Mikrofluidik-Anwendungen, „Lab-on-a-Chip"-Anwendungen, Implantaten, Mikroinfusionsgeräten, Dialysegeräten, Iontophoreseeinrichtungen und nanoskaligen Anwendungen.
Durch das verwendete Pumpkonzept ist eine ausgezeichnete Mengendosierung erreichbar. Weiterhin bietet dieses Pumpkonzept prinzipbedingt einen besonders schonenden Materialtransport.
Die Innenseite des röhrenförmigen Abschnitts ist bevorzugt mit einer abriebfesten Beschichtung ausgestattet. Auf diese Weise kann eine erhöhte Resistenz gegen abrasive Medien erreicht werden. Auch eine strukturierte Ausgestaltung der dem Medium zugewandten Röhrchenoberfläche ist erfindungsgemäß bevorzugt vorgesehen. Diese kann schwingungseinkoppelnde Eigenschaften aufweisen, um größere Schwingungsamplituden und eine verbesserte Ankopplung zwischen der Pumpe und dem zu transportierenden Medium zu erzielen.
Da Flüssigkeiten und Gase keine Scherkräfte übertragen und die erzeugten Wanderwellen Amplituden im Mikrometerbereich haben, muss der Querschnitt des röhrenförmigen Abschnitts relativ klein gewählt werden, um eine Pumpwirkung zu erzeugen. Optimalerweise wird dieser auf die Viskosität des zu fördernden Mediums abgestimmt. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Lumen des röhrenförmigen Abschnitts koaxial ein Stift angeordnet ist.
Auf diese Weise kann den oben beschriebenen Anforderungen auch in einem röhrenförmigen Abschnitt mit verhältnismäßig großem Querschnitt Genüge getan werden. Der im Lumen koaxial angeordnete Stift führt zur Bildung eines Spalts, durch den das Medium dann mit Hilfe der besagten Wanderwelle hindurchgepumpt werden kann. Der Stift folgt im wesentlichen der Geometrie des röhrenförmigen Abschnitts, d. h. er kann auch 2- oder 3-Dimensional gekrümmt sein.
Eine weitere Verbesserung gegenüber diesem Konzept kann erreicht werden, wenn anstelle eines koaxialen Stifts ein ebenfalls koaxial angeordneter zweiter röhrenförmiger Abschnitt verwendet wird, der gleichfalls zu einem Spalt führt, zusätzlich aber auch noch mit absorbierenden und schwingungsgebenden Einrichtungen ausgestattet sein kann, so dass nun zwei parallele Wanderwellen erzeugt werden können, der Pumpeffekt also verdoppelt wird.
Der innere röhrenförmige Abschnitt folgt im wesentlichen der Geometrie des äußeren röhrenförmigen Abschnitts, d. h. er kann auch 2- oder 3-Dimensional gekrümmt sein.
Werden die notwendigen Strukturen auf der Innenseite des inneren röhrenförmigen Abschnitts angeordnet, und ist dieses an den beiden Stirnseiten verschlossen, so kommen diese Strukturen nicht in direkten Kontakt zu dem transportierten Medium, sind also vor ihm geschützt. Falls dies nicht nötig ist, da z. B. kein aggressives oder abrasives Medium vorliegt, könnte zusätzlich zu dem Spalt zwischen den beiden Röhrchen auch der innere Durchmesser des inneren Röhrchens zum Stofftransport genutzt werden. Weiterhin ist es natürlich auch möglich, mehr als zwei Röhrchen konzentrisch zueinander anzuordnen und so eine weiter verbesserte Pumpleistung zu erhalten.
Es ist weiterhin denkbar, nicht nur eine gerade Pumpe zu bauen, sondern, wie bereits erwähnt, auch eine Pumpe, die einer komplexen dreidimensionalen Geometrie folgt. Da die Wanderwellen sich entlang der Wände der Pumpe ausbreiten, können diese auch leicht umgelenkt werden. Einzig auf scharfe Knicke sollte verzichtet werden, da es an solchen Stellen unter Umständen zu Reflektionsvorgängen der Wanderwelle kommen könnte, was die Funktionalität einer solchen Pumpe stark beeinträchtigen würde.
Erfindungsgemäß ist ferner ein Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums vorgesehen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass in der Wandung eines röhrenförmigen Abschnitts mit einer schwingungsgebenden Einrichtung eine peristaltische Welle erzeugt wird. Bevorzugt wird in diesem Verfahren eine erfindungsgemäße peristaltische Pumpe verwendet.
Weiterhin ist die Verwendung einer erfindungsgemäßen peristaltischen Pumpe zum Pumpen eines fluiden Mediums vorgesehen, sowie die Verwendung in Mikrofluidik-Anwendungen, „Lab-on-a-Chip"-Anwendungen, Implantaten, Mikroinfusionsgeräten, Dialysegeräten, Iontophoreseeinrichtungen und nanoskaligen Anwendungen.
Zeichnungen
Die vorliegende Erfindung wird durch die im Folgenden gezeigten und diskutierten Figuren genauer erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Peristaltische Pumpe 10, aufweisend einen röhrenförmigen Abschnitt 11, aufweisend eine Längserstreckung, eine Wandung, ein Lumen sowie ein erstes 12 und ein zweites Ende 13. An beiden Enden ist jeweils eine Anordnung aus einer absorbierenden 15 und einer schwingungsgebenden 14 Einrichtung vorgesehen. Bei den schwingungsgebenden Einrichtungen handelt es sich in der dargestellten Ausführungsform um Interdigitalelektroden, die auf einem Röhrchen aus Piezokeramik angeordnet sind. Bei Anlegen einer Wechselspannung an eine der Interdigitalelektrodenstrukturen kann das betreffende Röhrchen aus Piezokeramik in oszillierende Schwingungen versetzt werden, und es erzeugt so eine peristaltikartige Wanderwelle in der Wandung des röhrenförmigen Abschnitts, der durch den wellenartigen Pfeil in 1 symbolisiert ist. Durch diese Wanderwelle wird eine kontinuierliche Pumpwirkung in dem zu fördernden Medium erzeugt. Die Pumprichtung ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Pumpe aus der Seite des röhrenförmigen Abschnitts, auf der die Schwingungen angeregt werden, und kann daher in der gezeigten Ausführungsform umgekehrt werden. Soll die Pumpe nur in eine Richtung betrieben werden, so sind – abweichend von der Darstellung in 1 – nur eine schwingungsgebende Einrichtung auf der Eintrittsseite des Mediums und eine absorbierende Einrichtung auf der Austrittsseite des Mediums nötig.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen peristaltischen Pumpe 20, aufweisend einen röhrenförmigen Abschnitt 21, aufweisend eine Längserstreckung, eine Wandung, ein Lumen sowie ein erstes 22 und ein zweites Ende 23. An beiden Enden ist jeweils eine Anordnung aus einer absorbierenden 25 und einer schwingungsgebenden 24 Einrichtung vorgesehen. Im Lumen des röhrenförmigen Abschnitts 21 ist koaxial ein Stift 26 angeordnet. Der im Lumen koaxial angeordnete Stift führt zur Bildung eines Spalts 27, durch den das Medium dann mit Hilfe der besagten Wanderwelle in oben beschriebener Weise hindurchgepumpt werden kann.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Peristaltischen Pumpe 30, aufweisend einen röhrenförmigen Abschnitt 31, aufweisend eine Längserstreckung, eine Wandung, ein Lumen sowie ein erstes Ende. Hier ist eine Anordnung aus einer absorbierenden 35 und einer schwingungsgebenden 34 Einrichtung vorgesehen. Im Lumen des röhrenförmigen Abschnitts 31 ist koaxial ein zweiter röhrenförmiger Abschnitt 36 mit geringerem Durchmesser angeordnet. Dieser Abschnitt führt gleichfalls zu einem Spalt, kann zusätzlich aber auch noch mit absorbierenden und schwingungsgebenden Einrichtungen ausgestattet sein, so dass nun zwei parallele Wanderwellen erzeugt werden können, der Pumpeffekt also verdoppelt wird.
Als äußere schwingungsgebende Einrichtung wird in dieser Ausführungsform eine Interdigitalelektrode 34 und als innere schwingungsgebende Einrichtung ein Piezoring 37 verwendet.
4 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Peristaltischen Pumpe 40, aufweisend einen röhrenförmigen Abschnitt 41, aufweisend eine Längserstreckung, eine Wandung, ein Lumen sowie ein erstes 42 und ein zweites Ende 43. An beiden Enden ist jeweils eine Anordnung aus einer absorbierenden 45 und einer schwingungsgebenden 44 Einrichtung vorgesehen. Als schwingungsgebende Einrichtungen werden in dieser Ausführungsform zwei Piezoringe verwendet.
Der röhrenförmige Abschnitt weist eine 3-dimensional gekrümmte Form auf und kann so bei Bedarf in die nach den jeweiligen Umständen (Platzverhältnisse etc.) erforderliche Form gebracht werden. Aus diesem Grunde eignet sich die gezeigte Ausführungsform besonders für die Verwendung in Mikrofluidik-Anwendungen, „Lab-on-a-Chip"-Anwendungen, Implantaten, Mikroinfusionsgeräten, Dialysegeräten, Iontophoreseeinrichtungen und nanoskaligen Anwendungen.

Claims

Peristaltische Pumpe (10), aufweisend a) einen röhrenförmigen Abschnitt (11) mit einer Längserstreckung, einer Wandung, einem Lumen sowie einem ersten (12) und einem zweiten Ende (13); und b) mindestens eine Anordnung aus einer schwingungsgebenden (14) Einrichtung und – optional – einer absorbierenden (15) Einrichtung.
Peristaltische Pumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Wandung des röhrenförmigen Abschnitts Metall, Keramik, Piezokeramik oder Kunststoff aufweist.
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsgebende Einrichtung ein Piezoelement aufweist.
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsgebende Einrichtung aus auf das röhrenförmige Element aufgebrachte oder in dieses einlaminierte Piezofasern besteht.
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsgebende Einrichtung aus einer auf eine aufgedruckten Elektrodenstruktur besteht
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingungsgebenden Einrichtungen so gestaltet, ausgewählt und/oder ansteuerbar sind, dass Schwingungen im Ultraschallbereich erzeugbar sind.
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenseite des röhrenförmigen Abschnitts mit einer abriebfesten Beschichtung versehen und/oder strukturiert ist.
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Lumen des röhrenförmigen Abschnitts (21) koaxial ein Stift (26) angeordnet ist.
Peristaltische Pumpe gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Lumen des röhremförmigen Abschnitts (31) mindestens ein zweiter röhrenförmiger Abschnitt (36) mit geringerem Durchmesser koaxial angeordnet ist.
Verfahren zum Pumpen eines fluiden Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wandung eines röhrenförmigen Abschnitts mit einer schwingungsgebenden (14) Einrichtung eine Peristaltische Welle erzeugt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für dieses Verfahren eine Peristaltische Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1–9 verwendet wird.
Verwendung einer peristaltischen Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1–9 zum Pumpen eines fluiden Mediums.
Verwendung einer peristaltischen Pumpe gemäß einem der Ansprüche 1–9 in Mikrofluidik-Anwendungen, „Lab-on-a-Chip"- Anwendungen, Implantaten, Mikroinfusionsgeräten, Dialysegeräten, Iontophoreseeinrichtungen und nanoskaligen Anwendungen.