DE102007045136A1

DE102007045136A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeiten

Info

Publication number: DE102007045136A1
Application number: DE102007045136A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Faustmann; Gerhard Lindner; Michael Muench; Stefan Rothballer
Original assignee: Rothballer Stefan Dipl-Ing
Current assignee: SensAction AG
Priority date: 2006-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2008-03-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen von Flüssigkeiten, bei dem (a) eine zu pumpende Flüssigkeit (L) in Kontakt mit einer der Flüssigkeit (L) zugewandten Oberfläche (11, 21) mindestens eines Substrates (1, 2) gebracht wird, (b) an der mit der Flüssigkeit (L) in Kontakt stehenden Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) akustische Oberflächenwellen angeregt werden und (c) aus den akustischen Oberflächenwellen durch Modenkonversion Schallwellen in der zu pumpenden Flüssigkeit erzeugt werden, deren Ausbreitungsrichtung eine Komponente entlang einer Pumprichtung (P) aufweist, entlang der die Flüssigkeit (L) unter der Wirkung der Schallwellen bewegt wird. Dabei wird zur Anregung und Fortleitung der akustischen Oberflächenwellen ein Substrat mit einer solch geringen Dicke verwendet, dass sich auf der der zu pumpenden Flüssigkeit zugewandten inneren Oberfläche des Substrates und auf einer der zu pumpenden Flüssigkeit abgewandten äußeren Oberfläche des Substrates miteinander korrelierte akustische Oberflächenwellen ausbreiten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen von Flüssigkeiten entlang einer vorgebbaren Pumprichtung gemäß Patentanspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens gemäß Patentanspruch 32.
Bei dem Verfahren wird eine zu pumpende Flüssigkeit mit einer Oberfläche eines Substrates in Kontakt gebracht, an der, zum Beispiel mittels eines hierfür vorgesehenen Senders, akustische Oberflächenwellen angeregt werden, die durch Modenkonversion (an der zwischen dem Substrat und der Flüssigkeit gebildeten Grenzfläche) die Erzeugung akustischer Schallwellen (in Form von Volumenschallwellen) in der angrenzenden, zu pumpenden Flüssigkeit bewirken, wobei das Substrat räumlich so ausgerichtet ist, dass die in der Flüssigkeit erzeugten Volumenschallwellen eine Ausbreitungskomponente entlang der Pumprichtung der zu pumpenden Flüssigkeit aufweisen.
Es ist bekannt, dass an der Oberfläche eines Substrates angeregte akustische Oberflächenwellen über so genannte Modenkonversion Volumenschallwellen in einer angrenzenden Flüssigkeit erzeugen können, indem ein Teil der mit den akustischen Oberflächenwellen verbundenen Energie aus dem Substrat in die angrenzende Flüssigkeit eingekoppelt wird, worin hierdurch Schallwellen erzeugt werden, die jene Flüssigkeit durchdringen, vgl. WO 98/57163 A1 , auf die hinsichtlich der Erzeugung von Oberflächenwellen in einem Substrat sowie der Auskopplung hiermit verbundener Energie in eine angrenzende Flüssigkeit zur Erzeugung von Schallwellen in jener Flüssigkeit vollinhaltlich Bezug genommen wird.
Ferner ist es bekannt, dass in eine Flüssigkeit eingekoppelte Schallwellen (Volumenschallwellen) unter bestimmten Voraussetzungen eine beschleunigende Kraftwirkung auf die Flüssigkeit ausüben und damit einen Strömungsvorgang in der Flüssigkeit hervorrufen, vgl. W.L. Nyborg: Acoustic streaming, in Physical Acoustics 2B, Hrsg. W.P. Mason, Academic Press, San Diego, 1965, S. 265–330.; J. Lighthill: Acoustic streaming, in J. Sound and Vibration 61/3 (1978), S. 391–418.; W.L. Nyborg: Acoustic streaming, in Nonlinear Acoustics, Hrsg. M. Hamilton und D. Blackstock, Academic Press, San Diego, 1998, S. 207–231.
Da dieser Pumpeffekt nicht besonders stark ist, können hiermit nur vergleichsweise kleine Flüssigkeitsmengen bewegt werden, vergl. A. Wixforth, Acoustically driven planar microfluids, Superlattices and Microstructures 33 (2003), S. 389–396 sowie US-A 6,010,316 .
Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeiten unter Verwendung in der Flüssigkeit erzeugter Schallwellen weiter zu verbessern.
Hinsichtlich des Verfahrens wird dieses Problem durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Danach wird für die Fortleitung der Oberflächenwellen ein Substrat mit einer solch geringen Dicke verwendet, dass sich auf der der zu pumpenden Flüssigkeiten zugewandten (inneren) Oberfläche des Substrates und auf der der zu pumpenden Flüssigkeit abgewandten (äußeren) Oberfläche des Substrates miteinander korrellierte akustische Oberflächenwellen gemeinsam ausbreiten. Dabei handelt es sich insbesondere um so genannte Lamb-Wellen bzw. um akustische Oberflächenwellen im Zwischenbereich von Lamb- und Rayleighwellen.
Hierzu ist die Dicke des Substrates vorteilhaft kleiner oder von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen, die an den beiden Oberflächen des Substrates angeregt werden. Ist die Dicke des Substrates deutlich kleiner als die besagte Wellenlänge, so handelt es sich bei jenen Wellen in erster Linie um so genannte Lamb-Wellen. Ist die Dicke des Substrates demgegenüber von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen, so werden an den Oberflächen des Substrates akustische Oberflächenwellen in einem Übergangsbereich zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen angeregt.
Unter der Dicke des Substrats wird dabei der Abstand zwischen dessen (innerer) der zu pumpenden Flüssigkeit zugewandter Oberfläche und dessen (äußerer) der zu pumpenden Flüssigkeit abgewandter Oberfläche verstanden (Materialdicke des Substrates). Bei Frequenzen der akustischen Oberflächenwellen im Bereich von 200 kHz bis 200 MHz liegen geeignete maximale Substratdicken beispielsweise in der Größenordnung von etwa 10 μm bis 10 mm.
Durch die korrelierte Fortleitung von Oberflächenwellen auf beiden Oberflächen des Substrates (selbst bei ursprünglicher Erzeugung von Oberflächenwellen nur auf einer, insbesondere der äußeren Oberfläche der Substrates), also durch eine Fortleitung der Oberflächenwellen sowohl auf der der zu pumpenden Flüssigkeit zugewandten inneren Oberfläche als auch auf der der zu pumpenden Flüssigkeit abgewandten äußeren Oberfläche, können die Oberflächenwellen über eine längere Distanz zur Einkopplung von Energie in eine angrenzende Flüssigkeit beitragen. Denn an der Auskopplung von Energie aus dem Substrat und somit der Einkopplung von Energie in die angrenzende Flüssigkeit sind unmittelbar jeweils nur die Oberflächenwellen beteiligt, die sich an der der zu pumpenden Flüssigkeit zugewandten inneren Oberfläche des Substrates ausbreiten. Die anderen sich an der, äußeren Oberfläche des Substrates ausbreitenden Oberflächenwellen können demgegenüber über größere Distanzen fortgeleitet werden, so dass die mit den Oberflächenwellen verbundene Energie über größere Strecken im Substrat transportiert und dabei jeweils teilweise in eine angrenzende Flüssigkeit eingekoppelt werden kann, um dort Volumenschallwellen zu erzeugen, die ein Pumpwirkung hervorrufen. Die Pumprichtung verläuft hier insbesondere entlang der der zu pumpenden Flüssigkeit zugewandten inneren Oberfläche des Substrates.
Die korrelierte Fortleitung von Oberflächenwellen auf beiden Oberflächen des Substrates bedeutet dabei, dass zwischen Oberflächenwellen an der inneren und äußeren Oberfläche des Substrates z.B. eine Phasenbeziehung und/oder eine energetische Wechselbeziehung besteht, insbesondere im Hinblick darauf, dass die Oberflächenwellen an der inneren und äußeren Oberfläche des Substrates von einem gemeinsamen, an einer Oberfläche des Substrates (vorteilhaft an der äußeren Oberfläche des Substrates) vorgesehenen Sender angeregt werden.
Das Substrat kann insbesondere durch eine Platte gebildet werden, die sowohl auf ihrer inneren als auch auf ihrer äußeren Oberfläche jeweils eben ausgebildet ist.
Gemäß einer Variante der Erfindung bildet das Substrat einen Bestandteil eines akustischen Wellenleiters, der einen Innenraum ringförmig (vollständig) umschließt, in dem die zu pumpende Flüssigkeit aufgenommen wird. Dabei können insbesondere zwei Substrate (z. B. in Form von Platten) der vorstehend genannten Art an einander gegenüberliegenden Wandbereichen des im Querschnitt ringförmigen (z.B. kreisförmigen, elliptischen oder mehreckigen) Wellenleiters vorgesehen sein. Die beiden Substrate müssen dabei nicht zwingend als separate Bauteile in eine Außenwand des Wellenleiters integriert sein, die aus einem anderen Material als die Substrate besteht und zusammen mit diesen den Innenraum des Wellenleiters vollständig umgibt, sondern die ringförmig umlaufende Außenwand des akustischen Wellenleiters kann auch insgesamt aus dem Material der Substrate bestehen, so dass die gesamte Außenwand des Wellenleiters aus Substratmaterial besteht, auf dem sich die Oberflächenwellen ausbreiten können. Im erstgenannten Fall sind die nicht aus Substratmaterial bestehenden Bereiche der Außenwand des Wellenleiters vorteilhaft aus einem Material gefertigt, das einen akustischen Isolator bildet, so dass an jener Außenwand keine Oberflächenwellen vom einen Substrat zum anderen gelangen können.
Nach einem anderen Aspekt der Erfindung bildet das Substrat einen Bestandteil eines Führungskanales, insbesondere des Bodenbereiches eines Führungskanales, auf den eine zu pumpende Flüssigkeit, auch in Form einer Flüssigkeitsschicht bzw. in Form von Flüssigkeitstropfen, aufgebracht werden kann. In diesem Fall wird die zu pumpende Flüssigkeit nicht allseitig (also nicht ringförmig umlaufend) von Begrenzungswänden umschlossen, sondern zur Aufnahme der Flüssigkeit dienen lediglich eine Bodenfläche sowie gegebenenfalls (je nach Höhe der zu pumpenden Flüssigkeit) hiervon abstehende seitliche Begrenzungswände zur Bildung eines (oben offenen) Kanales.
Das mindestens eine Substrat, auf dessen beiden Oberflächen akustische Oberflächenwellen erzeugt werden, die von der inneren Oberfläche des Substrates in die zu pumpende Flüssigkeit eingekoppelt werden, kann sowohl aus einem piezoelektrischen als auch aus einem nicht-piezoelektrischen Material, wie z.B. Glas oder Stahl, bestehen.
Die Anregung von Oberflächenwellen kann in beiden Fällen durch Sender in Form von Interdigitalwandlern oder durch Modenkonversion erfolgen, wobei im letztgenannten Fall Körperschallwellen, die in einem von dem Substrat separaten Körper erzeugt wurden, durch Modenkonversion in jenes Substrat eingekoppelt werden, um dort akustische Oberflächenwellen zu erzeugen.
Die Anregung von Oberflächenwellen in dem Substrat mittels eines geeigneten Senders erfolgt bevorzugt an der der zu pumpenden Flüssigkeit abgewandten äußeren Oberfläche des Substrates; und letztere grenzt wiederum vorteilhaft an eine Kammer, die mit einem Medium, wie z. B. Luft oder einem anderen geeigneten Gas, gefüllt ist, das einer Auskopplung akustischer Oberflächenwellen bzw. hiermit verbundener Wellenenergie aus der äußeren Oberfläche des Substrates entgegenwirkt.
Besteht das Substrat aus einem nicht-piezoelektrischen Material, wie z. B. Glas, so können zur Anregung akustischer Oberflächenwellen keine einfachen Interdigitalelektroden verwendet werden, sondern es sind vielmehr so genannte piezoelektrische Interdigitalwandler erforderlich. Geeignete Methoden zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen in nicht-piezoelektrischen Materialien sind z. B. aus R. M. White, Surface Elastic Waves, Proc. IEEE 58 (1970), S. 1238 to 1276 bekannt.
Die Abstrahlung der aus der inneren Oberfläche des Substrates in die zu pumpende Flüssigkeit eingekoppelten Volumenschallwellen erfolgt unter einem definierten Winkel bezogen auf die Oberfläche des Substrates oder bezogen auf eine jene Oberfläche schneidende Senkrechte (je nach Definition des Winkels), wobei dieser Winkel von dem Verhältnis der Schallgeschwindigkeiten in der zu pumpenden Flüssigkeit einerseits und dem Substrat andererseits abhängt. Konkret gilt für jenen Winkel δ, sofern er auf eine die innere Oberfläche des Substrates schneidende Vertikale bezogen ist: δ = arcsin(cM/cS),wobei c_M die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen (Schallgeschwindigkeit) in der zu pumpenden Flüssigkeit und c_S die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen (Schallgeschwindigkeit) an den Oberflächen des Substrates bezeichnet.
In der Richtung, entlang der die Volumenschallwellen in die zu pumpende Flüssigkeit eingekoppelt werden und entlang der sich die Volumenschallwellen in der Flüssigkeit ausbreiten (wobei gegebenenfalls auch eine Ausbreitung entlang eines Zick-Zack-Pfades zwischen einander gegenüberliegenden Wänden eines Wellenleiters erfolgen kann), kommt es zu einer Impulsübertragung auf die zu pumpende Flüssigkeit, welche die angestrebte Pumpwirkung auslöst.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung können mehrere Sender, z. B. in Form von Interdigitalwandlern oder in Form von Einrichtungen zur Modenkonversion vorgesehen sein, mittels derer Oberflächenwellen in einem Substrat anregbar sind, die wiederum Volumenschallwellen in einer angrenzenden Flüssigkeit erzeugen. Umfasst beispielsweise ein den mit der zu pumpenden Flüssigkeit gefüllten Hohlraum ringförmig umschließender akustischer Wellenleiter zwei einander gegenüberliegende Substrate mit jeweils einer an die zu pumpende Flüssigkeit angrenzenden (inneren) Oberfläche, so kann jedem dieser beiden Substrate ein Sender zur Anregung akustischer Oberflächenwellen zugeordnet sein, etwa um mittels der einander gegenüberliegenden inneren Oberflächen zweier Substrate eine symmetrische Einkopplung von Volumenschallwellen in die zu pumpenden Flüssigkeit zu erreichen. Die Oberflächenwellen an den beiden Substraten können dabei auch phasenverschoben angeregt werden, wobei über die Phasenverschiebung eine Steuerung der Pumpleistung möglich ist. Weitere Möglichkeiten zur Steuerung der Pumpleistung bestehen etwa in einer Variation der Amplitude, der in einem jeweiligen Substrat erzeugten Oberflächenwellen, sowie in einer Variation der Frequenz der Oberflächenwellen; mit jeweils entsprechender Auswirkung auf die in die zu pumpende Flüssigkeit eingekoppelten Volumenschallwellen. Möglich ist auch eine Modulation, bei der Frequenz und Spannung eines die akustischen Oberflächenwellen erregenden Senders gemeinsam (gleichzeitig) variiert werden.
Durch die Anordnung von mindestens zwei Sendern als Erregern von Oberflächenschallwellen an zwei entlang der Pumprichtung voneinander beabstandeten Stellen eines oder mehrerer Substrate können die Stellen, an denen Volumenschallwellen in die zu pumpende Flüssigkeit eingekoppelt werden, durch entsprechende Ansteuerung der Sender variiert werden und es lässt sich auch die Pumprichtung umkehren.
Zur Verstärkung des auf die zu pumpende Flüssigkeit wirkenden Pumpeffektes kann vorgesehen sein, die der zu pumpenden Flüssigkeit zugewandte innere Oberfläche eines jeweiligen Substrates so auszugestalten, dass die Geometrie der Oberfläche sich an den Bewegungen der Oberflächenatome des Substrates bei Ausbreitung einer akustischen Oberflächenwelle orientiert, um über eine Art Hebelwirkung die Einkopplung von Energie in die zu pumpende Flüssigkeit und die Pumpwirkung zu verstärken. Hierzu können an der inneren Oberfläche eines Substrates Ausformungen, z. B. in Form paddelförmiger Ausstülpungen, ausgebildet sein.
Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch die Merkmale des Anspruchs 32 charakterisiert. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung finden sich in den hiervon abhängigen Patentansprüchen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren deutlich werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines akustischen Wellenleiters, der als Pumpe für eine im Inneren des Wellenleiters aufgenommene Flüssigkeit verwendet wird, im Längsschnitt;
2 eine erste Abwandlung der Anordnung aus 1;
3 eine zweite Abwandlung der Anordnung aus 1;
4 eine dritte Abwandlung der Anordnung aus 1;
5 eine vierte Anordnung der Abwandlung der Anordnung aus 1;
6 eine Pumpe zum Pumpen einer Flüssigkeit mit kanalartigem Querschnitt;
7 eine Erweiterung der Anordnung aus 6.
1 zeigt einen Längsschnitt durch einen im Wesentlichen rohrförmigen akustischen Wellenleiter, der mit seiner entlang einer Längsrichtung R erstreckten Außenwand einen Innenraum 5 ringförmig umgibt.
Die Außenwand des Wellenleiters enthält zwei einander gegenüberliegende Substrate in Form von Platten 1, 2, die jeweils eine dem Innenraum 5 zugewandte (ebene) innere Oberfläche 11, 21 und eine dem Innenraum 5 abgewandte (ebenfalls ebene) äußere Oberfläche 12, 22 aufweisen.
Die beiden Platten 1, 2 erstrecken sich ebenso wie der akustische Wellenleiter bzw. dessen Außenwand insgesamt entlang der Längsrichtung R jeweils zwischen einem ersten Endabschnitt 10a, 20a und einem zweiten Endabschnitt 10b, 20b und sind in einem Gehäuse 6 aufgenommen. Das Gehäuse 6 bildet an den äußeren Oberflächen 12, 22 der beiden Platten 1, 2 jeweils eine Kammer 61 bzw. 62, die mit einem Medium, wie z. B. Luft oder einem anderen geeigneten Gas, gefüllt ist, das der Auskopplung von Oberflächenwellen aus der jeweiligen äußeren Oberfläche 12 bzw. 22 einer Platte entgegenwirkt. An ihren Endabschnitten 10a, 10b bzw. 20a, 20b sind die beiden Platten 1, 2 jeweils gasdicht mit dem Gehäuse 6 verbunden, so dass dort kein Gas aus den Kammern 61, 62 entweichen kann.
Auf jeder der beiden Platten 1, 2 ist an der äußeren Oberfläche 12 bzw. 22 in einer der Kammern 61, 62 jeweils im Bereich der ersten Stirnseite 10a, 20a sowie im Bereich der zweiten Stirnseite 10b, 20b ein Sender 3, 4 bzw. 3', 4' angeordnet, der zur Erzeugung von akustischen Oberflächenwellen an den Oberflächen 11, 12; 21, 22 der beiden Platten 1, 2 dient, wobei in einem jeweiligen Pump-Fall in der Regel jeweils nur ein Teil der Sender 3, 3', 4, 4' tatsächlich betrieben wird, also mit elektrischer Wechselspannung beaufschlagt wird. Aufgrund ihrer Anordnung auf den äußeren Oberflächen 12, 22 der Platten 1, 2 geraten die Sender 3, 3', 4, 4' nicht in Kontakt mit einer in den Innenraum 5 des Wellenleiters einzulassenden Flüssigkeit L.
Bestehen die beiden Platten 1, 2 aus einem nicht-piezoelektrischen Material, wie z. B. Stahl oder Glas, so werden als Sender 3, 3', 4, 4' z.B. piezoelektrische Senderelemente mit Interdigitalelektroden verwendet.
Eine Besonderheit der Anordnung in 1 besteht darin, dass die Dicke d der Platten 1, 2, also der Abstand zwischen der jeweiligen inneren und äußeren Oberfläche 11, 12 bzw. 21, 22 einer Platte 1, 2 kleiner oder von gleicher Größenordnung ist wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen, die mittels der Senderelemente 3, 3', 4, 4' in den Platten 1, 2 erzeugbar sind. Hierdurch werden in den Platten 1, 2 bei Betrieb mindestens eines der Senderelemente 3, 3', 4, 4' akustische Oberflächenwellen in Form von Lamb-Wellen oder in Form eines Übergangsbereiches zwischen Lamb- und Rayleigh-Wellen erzeugt. Insbesondere breiten sich hierbei auf beiden Oberflächen 11, 12 bzw. 21, 22 einer jeweiligen Platte 1, 2 jeweils miteinander korrelierte akustische Oberflächenwellen aus, wobei die Oberflächenwellen die jeweils eine Longitudinal- und eine Transversal-Komponente aufweisen und mit entsprechenden Schwingungen der oberflächennahen Atome verknüpft sind.
Speziell in dem Fall, dass die Dicke d der Platten 1, 2 deutlich kleiner ist als die Wellenlänge der mittels der Sender 3, 3', 4, 4' erzeugbaren akustischen Oberflächenwellen, handelt es sich bei jenen Oberflächenwellen um Lamb-Wellen. Eine Übergangsform von Rayleigh- und Lamb-Wellen tritt dann auf, wenn die Dicke d der Platten 1, 2 von der gleichen Größenordnung ist wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen.
Ist der Innenraum 5 des akustischen Wellenleiters mit einer Flüssigkeit L gefüllt, wobei die Enden des akustischen Wellenleiters beispielsweise mittels Schall absorbierender Abdichtwände 7 verschlossen sein können, um einen ungewollten Austritt von Flüssigkeit L zu verhindern, so kann an den inneren Oberflächen 11, 21 der beiden Platten 1, 2, die eine Grenzfläche zwischen dem jeweiligen Substrat 1, 2 und der Flüssigkeit L bilden, jeweils eine Einkopplung von Energie aus den Platten 1, 2 in die Flüssigkeit L erfolgen. Konkret wird ein Teil der mit etwaigen, sich an den inneren Oberflächen 11, 21 der beiden Platten 1, 2 ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen verbundenen Energie in die Flüssigkeit L ausgekoppelt, wodurch in der Flüssigkeit L Volumenschallwellen angeregt werden.
Der Winkel δ, unter dem die Volumenschallwellen in die Flüssigkeit L abgestrahlt werden – bezogen auf eine die jeweilige innere Oberfläche 11, 21 schneidende Senkrechte – beträgt δ = arcsin(cM/cS),wobei c_M die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen (Schallgeschwindigkeit) in der zu pumpenden Flüssigkeit L und c_S die Ausbreitungsgeschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen (Schallgeschwindigkeit) an den Oberflächen 11, 12; 21, 22 der jeweiligen Platte 1, 2 bezeichnet.
In 1 ist beispielhaft ein Fall gezeigt, in dem an jeder der beiden Platten 1, 2 jeweils ein Senderelement 3 bzw. 4 durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung betrieben wird, wobei die beiden Sender 3, 4 einander gegenüberliegend im Bereich der selben Stirnseite 10a, 20a des Wellenleiters angeordnet sind. Entsprechende Ausbreitungswege W1, W2 der Volumenschallwellen sind in 1 schematisch in gestrichelter Linie angedeutet.
Die dementsprechend im Bereich jener Stirnseite 10a, 20a in die Flüssigkeit L eingekoppelten Volumenschallwellen breiten sich in der Flüssigkeit L jeweils entlang eines Zick-Zack-Weges aus, wobei sie an den inneren Oberflächen 11, 21 der beiden Platten 1, 2 wiederholt reflektiert werden. Dieser Weg weist insbesondere eine Ausbreitungskomponente parallel zur Erstreckungsrichtung R des Wellenleiters (und somit auch parallel zu den inneren Oberflächen 11, 21 der beiden Platten 1, 2) auf. (Hierbei handelt es sich nicht um Reflexionen im strengen Sinne, sondern vielmehr teilweise um eine mehrfache Modenkonversion. So werden Volumenschallwellen beim Auftreffen auf die innere Oberfläche 11, 21 eines der Substrate 1, 2 in dieses eingekoppelt und zum Teil sofort wieder ausgekoppelt.
Da mit der Einkopplung von Wellenenergie aus den Platten 1, 2 in die Flüssigkeit L und der Anregung von Volumenschallwellen in der Flüssigkeit L auch eine Impulsübertragung in die Flüssigkeit L verbunden ist, führt die Wellenausbreitung mit einer Komponente entlang der Erstreckungsrichtung R zu einer Pumpwirkung in der Flüssigkeit bzw. auf die Flüssigkeit L mit einer Pumprichtung P, die entlang jener Längserstreckungsrichtung R verläuft. Hierdurch kann ein Flüssigkeitstransport entlang der Pumprichtung P bewirkt werden. Die Menge der zu transportierenden Flüssigkeit hängt dabei insbesondere auch von dem Querschnitt des akustischen Wellenleiters, also z. B. dem Abstand a zwischen den einander gegenüberliegenden und als Substrat dienenden Platten 1, 2 ab.
Aufgrund der geringen Dicke der Platten 1, 2 bezogen auf die Wellenlänge hierin erzeugbarer akustischer Oberflächenwellen breiten sich in jenen Platten 1, 2 jeweils miteinander korrelierte akustische Oberflächenwellen an beiden Oberflächen, also sowohl an der jeweiligen inneren Oberfläche 11, 21 als auch an der jeweiligen äußeren Oberfläche 12, 22 aus.
Da die äußere Oberfläche 12, 22 der Platten 1, 2 – im Gegensatz zu der jeweiligen inneren Oberfläche 11, 21 – keinen Kontakt mit der im Innenraum 5 des Wellenleiters befindlichen Flüssigkeit L hat, kann von den äußeren Oberflächen 12, 22 keine unmittelbare Auskopplung der mit den dortigen akustischen Oberflächenwellen verbundene Energie in die Flüssigkeit L erfolgen. Dies geschieht lediglich indirekt wegen der Korrelation zwischen den sich an beiden Oberflächen 11, 12 bzw. 21, 22 einer jeweiligen Platte 1 bzw. 2 ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen. Dementsprechend können sich die auf den äußeren Oberflächen 12, 22 der Platten 1, 2 gebildeten akustischen Oberflächenwellen über einen vergleichsweise großen Weg entlang der Pumprichtung P ausbreiten, vergleiche die entsprechenden Pfeile S1, S2 in 1, wobei über den gesamten Ausbreitungsweg der an den äußeren Oberflächen 12, 22 vorgesehenen akustischen Oberflächenwellen jeweils auch entsprechende, hiermit korrelierte akustische Oberflächenwellen an den inneren Oberflächen 11, 21 vorhanden sind, aus denen jeweils weitere Energie in die zu pumpende Flüssigkeit L eingekoppelt und hiermit die Pumpwirkung erhöht werden kann.
Je nachdem, welche und wie viele der Sender 3, 3', 4, 4' jeweils durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung betrieben werden, lassen sich die Pumpwirkung und auch die Pumprichtung einstellen. Werden etwa bei der Anordnung gemäß 1 anstelle der beiden im Bereich der ersten Stirnseite 10a, 20a des Wellenleiters angeordneten Sender 3, 4 die im Bereich der zweiten Stirnseite 10b, 20b vorgesehenen Sender 3', 4' durch Beaufschlagung mit elektrischer Spannung betrieben, so kommt es zu einer Umkehr der in 1 gezeigten Pumprichtung.
Die jeweils gleichzeitige Aktivierung zweier einander gegenüberliegend angeordneter Sender 3, 4 oder 3', 4' bewirkt dabei eine symmetrische Kraft- bzw. Impuls- und Energieeinleitung in die zu pumpende Flüssigkeit. Selbstverständlich kann aber auch jeweils nur ein Sender betrieben werden, um eine bestimmte Pumpwirkung zu erzielen. Weiterhin können durch phasenverschobenes Betreiben mehrerer Sender, insbesondere einander gegenüberliegender Sender 3, 4 bzw. 3', 4', akustische Oberflächenwellen in den beiden Platten 1, 2 und damit auch Volumenschallwellen in der zu pumpenden Flüssigkeit L phasenverschoben angeregt werden, wobei über die Steuerung der Phasenverschiebung eine Steuerung der Pumpleistung möglich ist. Weitere Steuerungsmöglichkeiten bestehen in der Veränderung der Amplituden der Oberflächenwellen und damit auch der Volumenschallwellen, die von dem Wert der an dem jeweiligen Sender aufgebrachten elektrischen Spannung abhängt, sowie in der Variation der Frequenz der akustischen Oberflächenwellen und damit auch der Volumenschallwellen, die von der Frequenz der besagten Spannung abhängt.
2 zeigt eine Abwandlung der Anordnung aus 1, gemäß der lediglich auf einer der beiden Platten 1, 2, nämlich auf der äußeren Oberfläche 11 einer ersten Platte 1, ein Sender 3 im Bereich einer Stirnseite 10a der Platte 1 vorgesehen ist. Dementsprechend können hier mittels des einen Senders 3 nur in der einen, zugeordneten Platte 1 akustische Oberflächenwellen an beiden Oberflächen 11, 12 angeregt werden. Allerdings ist zu berücksichtigen, dass ein Teil der Energie, der aus der ersten Platte 1 in die zu pumpende Flüssigkeit L eingekoppelt wird, um dort eine Pumpwirkung zu erzielen, wiederum aus jener Flüssigkeit L in die zweite Platte 2 eingekoppelt werden kann, so dass auch dort – wenn auch in reduziertem Umfang – akustische Oberflächenwellen erzeugt werden.
3 zeigt eine Abwandlung der Anordnungen aus den 1 und 2, gemäß der an einer Stirnseite 10a, 20a des Wellenleiters 2 einander gegenüberliegende Sender 3, 4 vorgesehen sind, und zwar der eine an der äußeren Oberfläche 11 der ersten Platte 1 und der andere an der äußeren Oberfläche 21 der gegenüberliegenden zweiten Platte 2. Wie im Fall der 2 kann auch mit dieser Anordnung eine Pumpwirkung nur entlang einer Pumprichtung P erzeugt werden; jedoch ist hier eine symmetrische Impuls- und Energieeinleitung in die zu pumpende Flüssigkeit L durch gleichzeitigen Betrieb der beiden Sender 3, 4 möglich.
Bei der in 4 dargestellten Anordnung sind wie im Fall der 3 zwei einander gegenüberliegende Sender 103, 104 an der äußeren Oberfläche 11 bzw. 21 jeder der beiden Platten 1, 2 vorgesehen, wobei jedoch die Sender 103, 104 nicht durch piezoelektrische Senderelemente mit Interdigitalelektroden gebildet werden, sondern vielmehr durch einen piezoelektrischen Schwinger 130, 140 (Dickenschwinger) zur Körperschallerzeugung in einem hieran angrenzenden Verbindungskörper 132 bzw. 142, der wiederum außerdem an die äußere Oberfläche 11 bzw. 21 einer jeweils zugeordneten Platte 1, 2 grenzt. Über die Grenzfläche zwischen den Verbindungskörpern 132, 142 und der jeweils zugeordneten Platte 1, 2 an deren äußerer Oberfläche 12, 22 kann der mittels der piezoelektrischen Schwinger 130, 140 in den Verbindungskörpern 132, 142 erzeugte Körperschall in die Platten 1, 2 eingeleitet werden, wobei die beiden Platten 1, 2 an ihrer jeweiligen inneren Oberfläche 11, 21 im Bereich des jeweiligen Verbindungskörpers 132, 142 ein Modenkonversions-Strukturelement 135, 145 in Form einer gezackten Ausbildung eines Abschnittes der jeweiligen inneren Oberfläche 11 bzw. 21 aufweisen. Hierdurch wird eine Einleitung von Volumenschallwellen in die zu pumpende Flüssigkeit L bewirkt, wenn mittels der piezoelektrischen Schwinger 130, 140 Körperschallwellen in den angrenzenden Verbindungskörpern 132, 142 angeregt werden, welche wiederum auf die Platten 1, 2 übertragen werden.
Die in 5 gezeigte Anordnung basiert ebenfalls auf dem Ausführungsbeispiel der 3, wobei jedoch die inneren Oberflächen 11, 21 der beiden Platten 1, 2 mit in den Innenraum 5 des Wellenleiters erstreckten Erhebungen, z. B. in Form paddelförmiger Ausstülpungen, versehen sind. Diese sind geometrisch so ausgestaltet, dass sie die Bewegung der oberflächennahen Atome bei der Ausbreitung akustischer Oberflächenwellen nachvollziehen und hierdurch die Impuls- und Energieeinleitung in die zu pumpende Flüssigkeit L mit einer Art Hebelwirkung verstärken.
6 zeigt schließlich eine Abwandlung der 2, bei der lediglich eine untere Platte 1 (Bodenplatte) als Substrat für die zu pumpende Flüssigkeit L vorgesehen ist, die obere Platte aus den 1 bis 5 jedoch weggelassen ist. Demnach weist die zu pumpende Flüssigkeit L hier der unteren Platte 1 gegenüberliegend eine offene Flüssigkeitsoberfläche O auf. Weiterhin sind in 6 nicht erkennbare und von der Bodenplatte 1 nach oben abstehende Seitenwände vorgesehen, um die zu pumpende Flüssigkeit L auf der inneren Oberfläche 11 der bodenseitigen Platte 1 halten zu können.
In diesem Fall ist die zu pumpende Flüssigkeit L also nicht in einem die Flüssigkeit L im Querschnitt ringförmig umschließenden Wellenleiter aufgenommen, wie im Fall der 1 bis 5, sondern vielmehr in einem Führungskanal, der nach oben hin offen ist, also die Flüssigkeit L auf der der bodenseitigen Platte 1 gegenüberliegenden Seite nicht verschließt. Mit dieser Anordnung lässt sich also eine Flüssigkeit L in einem Kanal fördern, dessen bodenseitige Platte 1 eine mit der zu fördernden Flüssigkeit L in Kontakt stehende innere Oberfläche 11 und eine der Flüssigkeit L abgewandte Oberfläche 12 aufweist, an der in der bereits anhand der 1 bis 5 beschriebenen Art ein Sender 3 angeordnet ist.
7 zeigt in einer Draufsicht eine Weiterbildung der kanalartigen Anordnung aus 6, wobei der von einer in 7 nicht erkennbaren bodenseitigen Platte 1, vergleiche 6, sowie von aus schallabsorbierendem Material bestehenden seitlichen Abdichtwänden 8 gebildete Kanal mehrfach seine Erstreckungsrichtung wechselt, so dass die zu pumpende Flüssigkeit L nacheinander entlang unterschiedlicher Pumprichtungen P1, P2, P3 gefördert wird, die ihr durch die Form und Erstreckungsrichtung des von der nicht erkennbaren Bodenplatte und den seitlichen Abdichtwänden 8 gebildeten Kanales aufgezwungen werden.
In 7 ist ferner gestrichelt ein Sender 3, z. B. in Form eines piezoelektrischen Senderelementes mit Interdigitalelektroden, angedeutet, der auf der bodenseitigen Platte des Kanales an dessen der Flüssigkeit L abgewandter äußerer Oberfläche angebracht ist, wie in 6 dargestellt, um in der bodenseitigen Platte des Kanales akustische Oberflächenwellen zu erzeugen, die wiederum Schallwellen in der zu pumpenden Flüssigkeit L hervorrufen. Hierdurch wird in der bereits geschilderten Weise eine Pumpwirkung erzielt, um die zu pumpende Flüssigkeit L entlang des Kanales zu fördern.
Sollen mit einer Platte 1 der in 6 dargestellten Art als Substrat nur sehr dünne Flüssigkeitsschichten bzw. einzelne Flüssigkeitstropfen gefördert werden, so kann auf die Seitenwände des Kanales gegebenenfalls verzichtet werden und der Kanal wird dann ausschließlich durch ein Substrat in Form einer Platte 1 gebildet, an deren einer (innerer) Oberfläche 11 die zu fördernde Flüssigkeitsschicht bzw. die zu bewegenden Flüssigkeitstropfen haften.
Den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen ist gemein, dass bei Verwendung geeigneter Sender zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen in den zugeordneten Platten 1, 2 letztere aus einem nicht-piezoelektrischen Material, wie z. B. Glas oder Stahl, bestehen können. Hierdurch werden auch die Anwendungsmöglichkeiten der jeweiligen (Mikro-)Pumpe im Hinblick auf die zu pumpenden bzw. zu fördernden Flüssigkeiten erweitert, z. B. auf chemisch aggressive, besonders heiße oder kalte oder steril zu haltende Medien.
Durch die geringe Dicke der mindestens einen Platte 1, 2, an deren Oberflächen 11, 12; 21, 22 akustische Oberflächenwellen angeregt werden, um hierdurch Volumenschallwellen an einer angrenzenden, zu pumpenden Flüssigkeit zu erzeugen, so dass sich korrelierte akustische Oberflächenwellen an beiden Oberflächen 11, 12; 21, 22 der Platte 1, 2 ausbreiten, von denen nur eine an die zu pumpende Flüssigkeit grenzt, können sich die akustischen Oberflächenwellen über einen vergleichsweise großen Weg ausbreiten, was zu einer Verbesserung der Pumpwirkung führt. Zudem kann der Querschnitt eines jeweiligen als Pumpe dienenden Wellenleiters bzw. Kanales ohne weiteres variiert und an jeweilige Erfordernisse angepasst werden.
Beispiele für Anwendungen einer solchen (Mikro-)Pumpe sind:

– Fein dosierte Zuführung und Vernebelung von Verdunstungswasser bei Klimaanlagen, z. B. für Kraftfahrzeuge.
– Das Fördern und Dosieren flüssiger Komponenten in der Lebensmitteltechnik.
– Das Fördern und Dosieren chemisch aggressiver flüssiger Komponenten, z. B. in der Halbleitertechnologie.
– Das Fördern und Dosieren von Infusionslösungen in der Medizintechnik sowie das Fördern bzw. Pumpen von Blut zur Unterstützung der Herzfunktion.
– Die Dosierung von Farben und Lacken.
– Das Fördern und Dosieren flüssiger Klebstoffe.
– Die Bildung von Schmierstoff- und Schmierölzuführungen.
– Das Fördern von Flüssigkeit bei erhöhten oder besonders tiefen Temperaturen (z. B. im Fall von Flüssiggas).
– Das Trennen von Flüssigkeitskomponenten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unter der Pumpwirkung, insbesondere durch geeignete geometrische Ausgestaltung eines akustischen Wellenleiters bzw. Flüssigkeitsleitkanals, in dem die Flüssigkeitskomponenten aufgenommen sind.
– Das Entfernen von Flüssigkeitstropfen (z.B. aus Wasser oder wässriger Lösung) von Festkörperoberflächen und das bewegen derselben auf Festkörperoberflächen, indem mehrere Sender zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen an mindestens einer Platte mit (variabel einstellbarer) unterschiedlicher Spannung und/oder unterschiedlicher Phasenlage betrieben werden, insbesondere unter Verwendung einer Platte, deren innere Oberfläche des Substrates durch Mikro- oder Nano-Strukturierung superhydrophobe Eigenschaften aufweist. So konnte in Versuchen gezeigt werden, dass Flüssigkeitstropfen auf nicht-piezoelektrischen Oberflächen unter der Wirkung akustischer Oberflächenwellen in Bewegung versetzt werden können, wobei durch geeignete Strukturierung der Oberfläche bei wässrigen Flüssigkeiten die Benetzung reduziert werden kann (superhydrophobe Oberflächen, Lotus-Effekt), um die zur Beschleunigung und Bewegung der Tropfen erforderlichen Kräfte zu reduzieren.
– Die Flüssigkeitszufuhr bei Geräten der instrumentellen Analytik (HPLC u.a.).

Claims

Verfahren zum Pumpen von Flüssigkeiten, bei dem a) eine zu pumpende Flüssigkeit (L) in Kontakt mit einer der Flüssigkeit (L) zugewandten Oberfläche (11, 21) mindestens eines Substrates (1, 2) gebracht wird, b) an der mit der Flüssigkeit (L) in Kontakt stehenden Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) akustische Oberflächenwellen angeregt werden und c) aus den akustischen Oberflächenwellen durch Modenkonversion Schallwellen in der zu pumpenden Flüssigkeit erzeugt werden, deren Ausbreitungsrichtung eine Komponente entlang einer Pumprichtung (P) aufweist, entlang der die Flüssigkeit (L) unter der Wirkung der Schallwellen bewegt wird, wobei zur Anregung und Fortleitung der akustischen Oberflächenwellen ein Substrat (1, 2) mit einer solch geringen Dicke (d) verwendet wird, dass sich auf der der zu pumpenden Flüssigkeit (L) zugewandten inneren Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) und auf einer der zu pumpenden Flüssigkeit (L) abgewandten äußeren Oberfläche (12, 22) des Substrates (1, 2) miteinander korrelierte akustische Oberflächenwellen ausbreiten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung und Fortleitung der akustischen Oberflächenwellen ein Substrat (1, 2) verwendet wird, dessen Dicke (d) kleiner oder gleich der Wellenlänge der an den Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) erzeugten akustischen Oberflächenwellen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des verwendeten Substrates (1, 2) substantiell kleiner als die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des verwendeten Substrates (1, 2) von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) Lamb-Wellen erzeugt werden und sich ausbreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) akustische Oberflächenwellen im Übergangsbereich von Lamb- und Rayleigh-Wellen angeregt werden und sich ausbreiten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu pumpende Flüssigkeit (L) als dünne Schicht oder in Form einzelner Flüssigkeitstropfen auf der inneren Oberfläche (11) des Substrates (1) aufgebracht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) zusammen mit seitlichen Begrenzungswänden (8) einen Kanal für die zu pumpende Flüssigkeit (L) bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 2) einen Bestandteil einer Außenwand eines akustischen Wellenleiters bildet, der die zu pumpende Flüssigkeit (L) ringförmig umschließt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu pumpende Flüssigkeit (L) durch zwei Substrate (1, 2) begrenzt ist, die jeweils eine der zu pumpenden Flüssigkeit (L) zugewandte und mit dieser in Kontakt stehende innere Oberfläche (11, 21) aufweisen, an der sich akustische Oberflächenwellen ausbreiten können.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbreitungsrichtung der Schallwellen in der Flüssigkeit (L) eine Komponente parallel zur inneren Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) aufweist, so dass die Pumprichtung (P) entlang der inneren Oberfläche (11, 21) verläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und/oder die äußere Oberfläche (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) eine ebene Oberfläche ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Substrat aus einem nicht-piezoelektrischen Material, insbesondere Glas oder Stahl, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Anregung akustischer Oberflächenwellen an den Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) mindestens ein am Substrat (1, 2) angeordneter Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) vorgesehen ist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) auf der äußeren Oberfläche (12, 22) des Substrates (1, 2) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) einen elektro-akustischen Wandler umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3, 3', 4, 4') als ein piezoelektrischer Interdigitalwandler ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (103, 104) zur Erzeugung von Körperschallwellen ausgebildet ist, aus denen durch Modenkonversion akustische Oberflächenwellen in dem Substrat (1, 2) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der beiden Substrate (1, 2) jeweils mindestens ein Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Substrat (1, 2) mindestens zwei Sender (3, 3'; 4, 4') angeordnet sind, die entlang der Erstreckungsrichtung (R) der Oberflächen (11,12; 21, 22) des Substrates (1, 2) voneinander beabstandet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sender (3, 3'; 4, 4'; 103; 104), die einem Substrat (1, 2) oder zwei separaten Substraten (1, 2) zugeordnet sind, zueinander phasenverschobene und/oder in einer festen Phasenbeziehung stehende Oberflächenwellen erzeugen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) elektrisch, insbesondere durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz und/oder die Amplitude und/oder die Spannung, mit der der Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) betrieben wird, im Betrieb des Senders einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21 und Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Sender (3, 3', 4, 4'; 103, 104) gleichzeitig mit unterschiedlicher Amplitude der Spannung und/oder unterschiedlicher Phasenlage der Spannung betrieben werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) derart geformt ist, dass die Pumpwirkung auf die zu pumpende Flüssigkeit (L) verstärkt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche (11, 21) des Substrates in die zu pumpende Flüssigkeit (L) hineinragende Ausformungen (15, 25), insbesondere in Form paddelförmiger Ausstülpungen, aufweist, die wellenförmige Auslenkungen oberflächennaher Atome nachvollziehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die sich auf den Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) ausbreitenden akustischen Oberflächenwellen eine Ausbreitungsgeschwindigkeit aufweisen, die größer ist als die Schallgeschwindigkeit in der zu pumpenden Flüssigkeit (L).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zur Trennung von Flüssigkeitskomponenten mit unterschiedlicher Geschwindigkeit unter der Pumpwirkung angewandt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) superhydrophobe Eigenschaften aufweist, insbesondere durch Mikro- oder Nano-Strukturierung.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24 und Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Entfernen von Flüssigkeitstropfen, insbesondere von Tropfen aus Wasser oder wässriger Lösung, von Festkörper-Oberflächen angewandt wird, indem mehrere Sender zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen in dem Substrat (1, 2) mit unterschiedlicher Spannung und/oder unterschiedlicher Phasenlage und/oder unterschiedlicher Frequenz betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24 und Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zum Bewegen von Flüssigkeitstropfen, insbesondere von Tropfen aus Wasser oder wässriger Lösung, auf Festkörper-Oberflächen angewandt wird, indem mehrere Sender zur Erzeugung akustischer Oberflächenwellen in dem Substrat (1, 2) mit unterschiedlicher Spannung und/oder unterschiedlicher Phasenlage und/oder unterschiedlicher Frequenz betrieben werden.
Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeiten, mit a) mindestens einem Substrat (1, 2), das eine der zu pumpenden Flüssigkeit (L) zugewandte Oberfläche (11, 21) aufweist, mit der die Flüssigkeit (L) in Kontakt gebracht wird, b) Mitteln (3, 3', 4, 4', 103, 104) zur Anregung akustischer Oberflächenwellen an der der Flüssigkeit (L) zugewandten Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) und c) einer an der der Flüssigkeit (L) zugewandten Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) definierten Grenzfläche zwischen Substrat und zu pumpender Flüssigkeit, an der aus den akustischen Oberflächenwellen durch Modenkonversion Schallwellen in der zu pumpenden Flüssigkeit erzeugbar sind, deren Ausbreitungsrichtung eine Komponente entlang einer Pumprichtung (P) aufweist, entlang der die Flüssigkeit (L) unter der Wirkung der Schallwellen bewegt wird, wobei das Substrat (1, 2) eine solch geringe Dicke (d), definiert als Abstand zwischen der inneren und einer äußeren Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2), aufweist, dass sich auf der der zu pumpenden Flüssigkeit (L) zugewandten inneren Oberfläche (11, 21) des Substrates (1, 2) und auf der der zu pumpenden Flüssigkeit (L) abgewandten äußeren Oberfläche (12, 22) des Substrates (1, 2) miteinander korrelierte akustische Oberflächenwellen ausbreiten.
Vorrichtung nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des Substrates (1, 2) kleiner oder gleich der Wellenlänge der an den Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) angeregten akustischen Oberflächenwellen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des Substrates (1, 2) substantiell kleiner als die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (d) des Substrates (1, 2) von der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge der akustischen Oberflächenwellen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 35, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1) zusammen mit seitlichen Begrenzungswänden (8) einen Kanal für die zu pumpende Flüssigkeit (L) bildet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1, 2) einen Bestandteil einer Außenwand eines akustischen Wellenleiters bildet, der die zu pumpende Flüssigkeit (L) ringförmig umschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 37, dadurch gekennzeichnet, dass die zu pumpende Flüssigkeit (L) durch zwei Substrate (1, 2) begrenzt ist, die jeweils eine der zu pumpenden Flüssigkeit (L) zugewandte und mit dieser in Kontakt stehende innere Oberfläche (11, 21) aufweisen, an der sich akustische Oberflächenwellen ausbreiten können.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und/oder die äußere Oberfläche (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) eine ebene Oberfläche ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 39, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem nicht-piezoelektrischen Material, insbesondere Glas oder Stahl, besteht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und/oder die äußere Oberfläche (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) eine ebene Oberfläche ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) auf der äußeren Oberfläche (12, 22) des Substrates (1, 2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 41 oder 42, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) einen elektro-akustischen Wandler umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (3, 3', 4, 4') als ein piezoelektrischer Interdigitalwandler ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 43, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (103, 104) zur Erzeugung von Körperschallwellen ausgebildet ist, aus denen durch Modenkonversion akustische Oberflächenwellen in dem Substrat (1, 2) erzeugt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 38 und einem der Ansprüche 41 bis 45, dadurch gekennzeichnet, dass jedem der beiden Substrate (1, 2) jeweils mindestens ein Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 46, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Substrat (1, 2) mindestens zwei Sender (3, 3'; 4, 4') angeordnet sind, die entlang der Erstreckungsrichtung (R) der Oberflächen (11, 12; 21, 22) des Substrates (1, 2) voneinander beabstandet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 41 bis 47, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sender (3, 3', 4, 4', 103, 104) elektrisch, insbesondere durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, betreibbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 32 bis 48, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eingerichtet ist zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 31.