-
Die
Erfindung betrifft eine Membranpumpe, welche eine zumindest einseitig
von einer Membran begrenzte Pumpenkammer mit einem Einlass und einem
Auslass enthält,
wobei der Einlass und der Auslass mittels zugeordneter Ventile verschließbar sind, sowie
ein Antriebselement, mittels welchem die Membran in Abhängigkeit
von einem elektrischen Signal antreibbar ist. Weiterhin betrifft
die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Membranpumpe.
-
Membranpumpen
der eingangs genannten Art werden beispielsweise in der Mikroanalytik
benutzt, um kleine Mengen unterschiedlicher Flüssigkeiten in oder aus Reservoirs
zu pumpen. Die Pumpen können
dabei beispielsweise in der Wasseranalytik, der Bioanalytik oder
der Sensorik eingesetzt werden.
-
Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, Membranpumpen mit einer näherungsweise
zylindrischen Pumpenkammer bereitzustellen. Mindestens eine Begrenzungsfläche der
Pumpenkammer, beispielsweise der Deckel und/oder der Boden, bestehen
aus einer dünnen,
elastischen Materiallage. In die Pumpenkammer mündet mindestens ein Einlass und
mindestens ein Auslass, welche jeweils mit einem passiven Rückschlagventil
ausgestattet sind.
-
Das
elastische Material an Deckel und/oder Boden wird mit einem Antriebselement
gekoppelt, beispielsweise einem piezoelektrischen Aktor. Wenn der
piezoelektrische Aktor mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt
wird, führt
dies zu einer Ausdehnung oder einer Kontraktion des piezoelektrischen
Materials und dadurch zu einer Wölbung
des Bodens bzw. des Deckels der Pumpenkammer. Bei konvexer Durchwölbung vergrößert sich
das Volumen der Pumpenkammer, bei konkaver Wölbung verringert sich das Volumen.
-
Eine
Vergrößerung des
Volumens der Pumpenkammer führt
zu einem Unterdruck und damit zum Öffnen des Einlassventils bei
gleichzeitigem Schließen
des Auslassventils. Dadurch saugt die Pumpe Flüssigkeit durch den Einlass
an.
-
Durch
Umpolen der an das Antriebselement angelegten Steuerspannung verringert
sich das Volumen der Pumpenkammer. Dadurch steigt der Druck innerhalb
der Pumpenkammer an. Dies führt
zu einem Schließen
des Einlassventils und gleichzeitig zum Öffnen des Auslassventils. Eine
dem Differenzvolumen der Pumpenkammer entsprechende Flüssigkeitsmenge
wird dabei über
den Auslass aus der Pumpenkammer ausgestoßen.
-
Nachteilig
an diesen vorbekannten Membranpumpen ist jedoch die Tatsache, dass
Gasbläschen,
die sich zum Zeitpunkt des Schließvorgangs an den Rückschlagventilen
befinden, eine andere Kompressibilität aufweisen und daher eine
Verzögerung des
Schließvorganges
der Ventile bewirken. Dadurch verursachen Gasbläschen im Flüssigkeitsstrom einen Rückstrom
in den Einlass- und Auslass-Leitungen und somit einen erheblichen
Rückgang
der Förderrate.
-
Die
Förderrate
einer vorbekannten Membranpumpe ergibt sich aus dem Differenzvolumen
der Pumpenkammer bei konvexer und konkaver Wölbung der Pumpmembran und der
Anzahl der pro Zeiteinheit durchgeführten Pumpzyklen. Von dieser
theoretischen Fördermenge
sind die Verluste abzuziehen, welche durch das Zurückströmen des
zu pumpenden Mediums bis zum Schließen der Rückschlagventile entstehen.
Daher verursachen Gasblasen im zu fördernden Flüssigkeitsstrom wechselnde und
damit unbekannte Verluste.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demnach darin, eine Membranpumpe
mit reproduzierbarer Fördermenge
bereitzustellen.
-
Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Membranpumpe, welche eine zumindest einseitig von einer Membran
be grenzte Pumpenkammer mit einem Einlass und einem Auslass enthält, wobei
der Einlass und der Auslass mittels zugeordneter Ventile verschließbar sind,
sowie ein erstes Antriebselement, mittels welchem die Membran in
Abhängigkeit
von einem ersten elektrischen Signal antreibbar ist, wobei das Einlassventil
und/oder das Auslassventil mit je einem weiteren Antriebselement versehen
sind, welches durch ein weiteres elektrisches Steuersignal ansteuerbar
ist.
-
Weiterhin
betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb einer Membranpumpe,
aufweisend eine Pumpenkammer mit mindestens einer als Pumpmembran
ausgebildeten beweglichen Wand und mit einem ersten Antriebselement
zur Auslenkung der Pumpmembran , wobei die Pumpenkammer einem Einlass
und einem Auslass enthält,
wobei der Einlass und der Auslass mittels zugeordneter Ventile verschließbar sind
und ein erstes Steuersignal erzeugt wird, um mit dem ersten Antriebselement
die Pumpmembran in Bewegung zu setzen und mindestens ein weiteres
Steuersignal erzeugt wird, mittels welchem mindestens ein weiteres
Antriebselement (12) zum Öffnen und/oder Schließen des
Einlassventils (4) und/oder des Auslassventils (5)
gesteuert werden kann.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
die passiven Rückschlagventile
in konventionellen Membranpumpen durch mindestens ein aktiv gesteuertes Ventil
zu ersetzen. Mittels einer mit der Membranpumpe elektrisch verbundenen
Ansteuerschaltung werden die aktiv gesteuerten Ventile so geschaltet, dass
in der Ansaugphase das Einlassventil geöffnet und das Auslassventil
geschlossen ist. In der nachfolgenden Pumpphase wird das Einlassventil
geschlossen und das Auslassventil geöffnet. Selbstverständlich kann
auch nur ein aktiv gesteuertes Ventil und ein bekanntes, passives
Rückschlagventil
eingesetzt werden.
-
Eine
solche aktive Ventilsteuerung erlaubt das Öffnen bzw. Schließen der
entsprechenden Ventile unabhängig
von einer in der Pumpenkammer aufgebauten Strömung des zu pumpenden Flu ids.
Anders als bei konventionellen Membranpumpen muss somit nicht zunächst eine
Strömung
erzeugt werden, um die Ventile aus einer geöffneten in eine geschlossene
Stellung zu bringen. Somit werden auch die mit dieser Strömung verbundenen
Verluste reduziert.
-
Durch Änderung
der entsprechenden Ansteuerreihenfolge der Ventile ist es möglich, bei
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Membranpumpe den Einlass und den Auslass der Pumpenkammer zu vertauschen.
Auf diese Weise kann die Förderrichtung
der Membranpumpe umgekehrt werden. In einer Weiterbildung der Erfindung
kann der mechanische Aufbau der Pumpe vollständig symmetrisch sein, so dass
sich der Einlass und der Auslass der Pumpenkammer nur aufgrund ihrer
Funktion unterscheiden, d. h. der Ansteuerreihenfolge der Ventile. Die
baulichen Gegebenheiten können
jedoch vollständig
identisch sein.
-
Die
Ansteuerung der Ventile unabhängig vom
in der Pumpenkammer herrschenden Druck bzw. unabhängig von
einer Strömung
des durch die Membranpumpe fließenden
Fluides eröffnet
weiterhin die Möglichkeit
einer Selbstdiagnose der Membranpumpe oder der Bestimmung von Eigenschaften des
zu pumpenden Fluides. Beispielsweise kann die Gashaltigkeit von
Fluiden bzw. das Vorhandensein von Gasblasen aus der Messung der
Dämpfung
bzw. der auf die Membran einwirkenden Gegenkraft oder deren Ableitung
nach der Zeit bestimmt werden, wenn mittels der Pumpmembran auf
das in der Pumpenkammer eingeschlossene Volumen bei geschlossenen
Ventilen eine wechselnde Kraft ausgeübt wird. Aufgrund der unterschiedlichen
Kompressibilität
von Flüssigkeiten
und Gasen kann der Gasgehalt von Fluiden anhand der auf die Pumpmembran
und/oder die Ventile einwirkenden Kräfte oder deren zeitlicher Verlauf
bestimmt werden.
-
Zur
Selbstdiagnose können
beide Ventile geschlossen und mittels der Pumpmembran der Druck erhöht werden.
Sofern sich ein einmal aufgebauter Druck rasch abbaut, kann auf
mindestens ein undichtes Ventil geschlossen werden.
-
Sofern
unerwünschte
Gasblasen in der Pumpenkammer detektiert wurden, können diese
entweder in Richtung des Fluideinlasses oder des Fluidauslasses
aus der Pumpenkammer ausgetrieben werden. Sofern Gasblasen an der
Wandung anhaften, kann mittels durch die Wahl der Ansteuerung der Pumpmembran
und/oder der Ventile ein Unterdruck und/oder eine Schwingung im
eingeschlossenen Fluid induziert werden, um die anhaftenden Gasblasen zu
lösen.
-
Die
Wahl der Antriebselemente für
die Pumpmembran und/oder für
das Einlass- und/oder das Auslassventil kann der Fachmann entsprechend der
gewünschten
Größe der Pumpe,
der Förderrate und
der gewünschten
Zusatzfunktionen anpassen. In einer Ausführungsform der Erfindung werden
magnetostriktive oder piezoelektrische Antriebselemente eingesetzt.
Ein magnetostriktives Antriebselement ändert dabei seine geometrische
Form bei Anlegen eines Magnetfeldes in Abhängigkeit der Feldstärke. Ein
piezoelektrisches Antriebselement zeigt eine Formänderung
bei Anlegen eines elektrischen Feldes.
-
Ein
elektrisches Feld kann dabei in besonders einfacher Weise durch
zwei Elektroden angelegt werden. Solche Elektroden können beispielsweise als
Dünnschichtelektroden
realisiert werden, welche durch vakuumtechnisches Aufdampfen eines
Metalls oder einer Legierung erhältlich
sind. Ein magnetisches Feld mit wechselnder Polarität und Stärke lässt sich
beispielsweise durch Magnetspulen erzeugen.
-
Um
die Formänderung
eines piezoelektrischen oder magnetostriktiven Antriebselementes
in eine gewünschte
Formänderung
zu konvertieren eignet sich insbesondere ein Aufbau in Form eines
Bimorphs. Ein solcher Bimorph wird dadurch gebildet, dass eine Materiallage
mit induzierbarer Formänderung
mit einer weiteren Materiallage ohne induzierbare Formänderung
schersteif verbunden wird. Die Formänderung der einen Materiallage
bewirkt damit eine mechanische Spannung, welche sich in einer Verbiegung
des Bimorphs äußert. Auf
diese Weise kann beispielsweise eine Pumpmembran von einer konvexen
in eine konkave Form gebracht werden. Weiterhin ist es möglich, ein
in etwa plättchenförmiges Ventil
aus einer planen, am Dichtsitz anliegenden Form in eine gewölbte, sich
vom Dichtsitz abhebende Form zu bringen. Bei höheren Anforderungen an die
Stellkraft können
auch mehrere Materiallagen mit induzierbarer Formänderung
mit mehreren Materiallagen ohne induzierbare Formänderung
schersteif zu einem Stapelaktor verbunden werden.
-
In
einer Weiterbildung der Erfindung wird das Antriebselement, welches
zum Antrieb der Pumpenmembran und/oder des Einlass- und/oder des
Auslassventils verwendet wird, auch zur Messung des auf das jeweilige
Element einwirkenden Kraftverlaufs verwendet. Beispielsweise erzeugt
ein piezoelektrischer Aktor eine Gegenspannung, welche von der Gegenkraft
abhängig
ist, gegen welche der Aktor auslenken muss. Im Falle eines magnetostriktiven Antriebselementes
ist die Stromaufnahme einer Erregerspule von der auf den Aktor einwirkenden
Kraft abhängig.
-
Durch
Messung der auf die Ventile einwirkenden Kräfte können diese beispielsweise als
Differenzdrucksensor verwendet werden. Weiterhin kann der Pumpwiderstand
am Auslass der Membranpumpe bestimmt werden. Auf diese Weise lässt sich
das Zusetzen nachfolgender Fluidigkanäle erkennen, beispielsweise
durch die Bildung eines Biofilms. Weiterhin ergibt sich ein Maß für die Viskosität der durch die
Membranpumpe strömenden
Flüssigkeit.
-
Sofern
die Membranpumpe als mikromechanische Membranpumpe auf einem Halbleitersubstrat, beispielsweise
Silizium, realisiert wird, kann die erforderliche Ansteuerelektronik
oder zumindest Teile davon monolithisch auf demselben Halbleitersubstrat integriert
werden. Alternativ ist es jedoch auch möglich, die Ansteuerschaltung
als separates Bauteil auszuführen
und in an sich bekannter Weise mit der Membranpumpe zu kontaktieren,
beispielsweise mittels einer Leiterplatte oder mit Bonddrähten.
-
Nachfolgend
soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figuren
ohne Beschränkung
des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
-
1 zeigt
dabei den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Membranpumpe in der Ansaugphase.
-
2 zeigt
einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Membranpumpe in der Pumpphase.
-
3 zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ansteuerschaltung.
-
1 zeigt
einen Querschnitt durch eine Membranpumpe. Die Membranpumpe ist
auf einem Substrat 1 aufgebaut. Das Substrat 1 kann
beispielsweise aus einem Metall oder einer Legierung bestehen. Bevorzugt
besteht das Substrat 1 aus Silizium. Dabei kann das Siliziummaterial
des Substrates weiterhin Dotierstoffe zur Einstellung einer vorgebbaren elektrischen
Leitfähigkeit
enthalten. Weiterhin enthält das
Siliziummaterial unvermeidbare Verunreinigungen mit Fremdatomen,
beispielsweise Wasserstoff.
-
Im
Substrat 1 ist eine Pumpenkammer 9, ein Einlass 2 und
Auslass 3 ausgebildet. Die Pumpenkammer 9, der
Einlass 2 und der Auslass 3 können beispielsweise durch spanende
Bearbeitung wie Fräsen
oder Schleifen im Substrat 1 erzeugt werden. Bevorzugt
werden diese Strukturen in einem oder mehreren nass- oder trockenchemischen Ätzschritten
erzeugt. Die Einwirkung des Ätzmittels
kann dabei in an sich bekannter Weise mittels vorher angebrachten Maskierungsschichten
auf vorgebbare Flächenbereiche
des Substrates 1 beschränkt
werden. Zur Maskierung eignen sich beispielsweise Hartmasken, welche
ein Oxid oder ein Nitrid enthalten oder Polymere, beispielsweise
ein Photolack.
-
Die
Pumpenkammer ist in einer Ausführungsform
der Erfindung im Wesentlichen zylinderförmig. Die Pumpenkammer kann
einen Durchmesser von etwa 2 mm bis etwa 25 mm aufweisen.
-
In
der Einlassleitung 2 ist ein Ventil 4 angeordnet,
dergestalt, dass dieses im Normalbetrieb der Pumpe das Überströmen von
Flüssigkeit
aus der Pumpenkammer 9 in die Einlassleitung 2 minimiert oder
verhindert. Sofern die Pumpenkammer mit Fluid gefüllt werden
soll, kann das Ventil 4 geöffnet werden und den Zulauf
aus der Einlassleitung 2 in die Pumpenkammer 9 freigeben.
-
In
der Auslassleitung 3 befindet sich ein Ventil 5.
Das Ventil 5 ist dazu vorgesehen, ein Rückströmen von bereits gefördertem
Fluid aus der Auslassleitung 3 in die Pumpenkammer 9 zu
verhindern. Dementsprechend wird das Ventil 5 geschlossen, wenn
die Pumpenkammer aus der Einlassleitung 2 gefüllt wird.
In der Pumpphase wird das Ventil 5 geöffnet, um das Ausströmen von
Fluid aus der Pumpenkammer 9 in die Auslassleitung 3 zu
ermöglichen.
-
Zumindest
eines der Ventile 4 und 5 ist erfindungsgemäß mit einem
Antriebselement 12 versehen, so dass das Ventil durch ein
elektrisches Steuersignal geöffnet
und/oder geschlossen werden kann. In einer Weiterbildung der Erfindung
sind beide Ventile 4 und 5 mit einem zugeordneten
Antriebselement 12 versehen.
-
Im
Ausführungsbeispiel
nach 1 und 2 sind die Ventile 4 und 5 mit
einem Piezoaktor als Antriebselement 12 schersteif zu einem
Bimorph verbunden. Der Bimorph ist auf dem Substrat 1 mit einer
Kante befestigt, beispielsweise durch Klebung. Für die jeweilige Dichtfläche der
Ventile 4 und 5 wird bevorzugt ein elastisches
Material gewählt,
beispielsweise ein Polymer. Aufgrund der Elastizität des Polymermaterials
wird eine gute Abdichtung der Ventile 4 und 5 gegen
das Substrat 1 erreicht.
-
In 1 sind
die Ventile 4 und 5 so angeordnet, dass sich eine
bevorzugte Förderrichtung
der Membranpumpe dadurch ergibt, dass die Ventile in Sperrrichtung
durch den von der Pumpmembran 6 aufgebauten Fluiddruck
zusätzlich
eine Kraft in Richtung des Dichtsitzes erfahren.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung können
die Ventile jedoch auch so angeordnet werden, dass die mechanische
Ausführung
keine bevorzugte Pumprichtung aufweist. Die Membranpumpe arbeitet
dann in beiden Förderrichtungen
gleich gut, wobei sich die Förderrichtung
durch die Ansteuersignale der Ventile 4 und 5 unterscheidet.
-
Die
der Substratoberseite zugewandte Öffnung der Pumpenkammer 9 ist
mittels einer Pumpmembran 6 verschlossen. Die Pumpmembran 6 kann dabei
beispielsweise aus einem elastischen Material, beispielsweise einem
Polymer bestehen. Die Pumpmembran 6 ist mit einem Antriebselement
versehen, mittels welchem die Pumpmembran wechselweise in eine konkave
und eine konvexe Form gebracht werden kann.
-
Als
Antriebselement für
die Pumpmembran 6 und/oder die Ventile 4, 5 kann
jedes Element verwendet werden, welches elektrische Energie in mechanische
Arbeit wandeln kann. Besonders bevorzugt ist die Verwendung eines
piezoelektrischen oder magnetostriktiven Materials. Das piezoelektrische
Material kann dabei beispielsweise Quarz, Lithiumniobat, Galliumorthophosphat,
Berlinit, Bariumtitanat oder Blei-Zirkonat-Titanat umfassen. Solche piezoelektrischen
Kristalle ändern
bei Anlegen eines elektrischen Feldes ihre geometrische Form.
-
Alternativ
kann auch ein magnetostriktives Material zum Antrieb der Pumpmembran 6 und/oder der
Ventile 4, 5 verwendet werden. Ein solches magnetostriktives
Material ändert
seine geometrische Form durch das Anlegen eines äußeren Magnetfeldes, beispielsweise
mittels einer Spule.
-
Bevorzugt
erfolgt die Kopplung des Antriebselementes 11 und der Pumpmembran 6 bzw.
der Ventile 4, 5 durch vollflächige Verklebung oder Verschweißung beider
Materialien. In diesem Fall ändert das
piezoelektrische oder magnetostriktive Material bei Anlegen eines
elektrischen oder magnetischen Feldes seine geometrische Form, während die Pumpmembran
bei Anlegen einer Spannung bzw. eines Magnetfeldes keine Formänderung
erfährt.
Die dadurch hervorgerufene mechanische Spannung führt zu einer
Wölbung
der Pumpmembran 6, welche je nach Polung des elektrischen
oder magnetischen Feldes konkav oder konvex verläuft. Zur Erhöhung der
Antriebsleistung können
auch mehrere Materiallagen eingesetzt werden, welche jeweils vollflächig miteinander
verbunden sind.
-
Beispielhaft
wird nachfolgend anhand von 1 und 2 erläutert, wie
eine Flüssigkeit
durch die Membranpumpe gefördert
wird. 1 zeigt eine konvexe Verformung der Pumpmembran 6.
Dies bedeutet, dass die Pumpmembran sich entlang der Bewegungsrichtung 8 bis
zur gezeigten Endposition nach außen bewegt. Dabei wird das
Volumen der Pumpenkammer 9 vergrößert. Diese Volumenvergrößerung führt zu einem
Druckabfall in der Pumpenkammer 9. Vor oder mit der Bewegung
der Membran 6 in die in 1 gezeigt
konvexe Form wird das Ventil 5 geschlossen und das Ventil 4 geöffnet. Die Druckdifferenz
der Pumpenkammer 9 zur Einlassleitung 2 bewirkt
dabei einen Flüssigkeitsstrom
aus der Einlassleitung 2 in die Pumpenkammer 9 hinein.
Das geschlossene Ventil 5 verhindert dabei, dass sich ein Flüssigkeitsstrom
von der Auslassleitung 3 in die Pumpenkammer 9 ausbildet.
-
Zusätzlich sind
in 1 exemplarisch noch Gasblasen 7 dargestellt.
Solche Gasblasen 7 werden beispielsweise bewusst in die
Zufuhrleitung 2 eingelassen, um eine Vermischung von nacheinander
zu pumpenden Flüssigkeiten
zu verhindern oder um eine vorher gepumpte Flüssigkeit aus den Leitungen 2 und 3 auszuspülen. Vereinzelt
treten Gasblasen 7 jedoch auch im Fehlerfall auf, wenn
Flüssigkeitsreservoirs
unbeabsichtigt vollständig
geleert werden.
-
Im
nächsten
Verfahrensschritt wird durch ein entsprechendes Steuersignal das
Antriebselement 12 am Ventil 4 betätigt und
damit das Ventil 4 geschlossen. Danach sind alle Ventile 4, 5 an
der Membranpumpe geschlossen.
-
Nachfolgend
wird die Pumpmembran 6 mittels des Antriebselementes 11 in
die Gegenrichtung verformt. Dadurch baut sich in der Pumpenkammer 9 ein Überdruck
auf. Dieser Überdruck
bewirkt eine Gegenkraft auf das Antriebselement 11 der
Pumpmembran 6. Aufgrund des Verlaufs dieser Gegenkraft
kann das Vorhandensein der Gasblasen 7 in der Pumpenkammer
detektiert werden. Aufgrund der unterschiedlichen Kompressibilität des zu
fördernden Fluides
und der Gasblasen 7 wird durch die Anzahl und Größe der Gasblasen 7 der
zeitliche Verlauf der Gegenkraft auf die Pumpmembran 6 und
das Antriebselement 11 verändert.
-
Zur
Messung des zeitlichen Verlaufs der Gegenkraft wird in einer Ausführungsform
der Erfindung vorgeschlagen, mindestens ein piezoelektrisches oder
magnetostriktives Antriebselement 11 oder 12 einzusetzen.
Beispielsweise liefert ein von einem elektrischen Steuersignal ausgelenkter
Piezoaktor eine Gegenspannung, deren Größe und Signalform von der auftretenden
Gegenkraft abhängt.
Im Falle eines magnetostriktiven Aktors zeigt sich der Sensoreffekt
des Materials in einer Änderung
des zeitlichen Stromaufnahmeverhaltens der Spule.
-
Nachdem
mittels Antriebselement 11 und Pumpmembran 6 in
der Pumpenkammer 9 ein Druck aufgebaut wurde, kann das
Ventil 5 mittels des zugeordneten Antriebselements 12 geöffnet werden.
Dies führt
zum Ausströmen
des Fluides aus der Pumpenkammer 9 in die Auslassleitung 3.
Dabei werden auch Gasblasen 7 zumindest teilweise gefördert und aus
der Pumpenkammer 9 entfernt. Während des Ausstoßes von
Fluid in die Auslassleitung 3 bewegt sich die Pumpmembran 6 entlang
der Bewegungsrichtung 8 aus einer konvexen in eine konkave
Form. Dies führt
zu einer Verringerung des Volumens der Pumpenkammer 9.
-
Nachdem
die Pumpmembran 6 in ihre Endposition gefahren ist, kann
das Ventil 5 mittels des Antriebselementes 12 wieder
geschlossen werden. Nachfolgend kann mit Öffnen des Einlassventils 4 und
Bewegung der Membran 6 in die in 1 gezeigte
Stellung ein erneuter Pumpzyklus durchgeführt werden.
-
Aufgrund
der aktiv gesteuerten Ventile 4 und 5 kann der
Förderdruck
und die Förderrate
frei gewählt
werden. Demgegenüber
weisen passive Rückschlagventile
einen fest eingestellten Öffnungsdruck auf,
welcher durch die Steifigkeit des verwendeten Materials und der
Größe des Ventils
gegeben ist. Weiterhin werden Rückströmverluste
verringert, da passive Ventile zunächst eine Gegenströmung benötigen, welche
das Ventil von einer offenen in eine geschlossene Position bewegt.
Sofern die Ventile in umgekehrter Reihenfolge wie oben dargestellt
angesteuert werden, kann die erfindungsgemäße Pumpe auch mit umgekehrter
Förderrichtung
betrieben werden.
-
In
einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, Ventilrückstände, welche
sich bei fortlaufendem Betrieb an den Ventilen 4 und 5 ansetzen können durch
entsprechende Ansteuerung der Antriebselemente 11 und 12 zu
entfernen. Beispielsweise führen
salzhaltige Flüssigkeitsreste
am Ventilsitz bei ihrem Eintrocknen zum Auskristallisieren des Salzes
am Ventilsitz und damit zum Defekt des Ventils.
-
Zum
Entfernen solcher salzhaltiger Flüssigkeitsreste kann beispielsweise
die Zufuhrleitung 2 mit einem schaltbaren Luftdepot verbunden
werden, also mit einem Reservoir, aus dem längere Zeit Luft bezogen werden
kann. Durch zyklisches Bewegen der Pumpmembran 6 durch
das Antriebselement 11 wird von der Membranpumpe Luft bezogen.
Dabei werden die Ventile 4 und 5 jedoch in geringerem
Maß geöffnet als
dies bei der Förderung
von Flüssigkeiten üblich ist.
Beispielsweise beträgt
der Öffnungsgrad nur
etwa 1% bis etwa 10%. Durch den geringen Öffnungszustand bildet sich
eine Spaltdüse,
innerhalb welcher sich die Strömungsgeschwindigkeit
stark erhöht.
Diese erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
führt zum
Abblasen von Flüssigkeitsrückständen am
Ventilsitz. In gleicher Weise kann dieses Reinigungsverfahren selbstverständlich nicht
nur mit Luft sondern auch mit Inertgas durchgeführt werden, beispielsweise
mit Stickstoff oder Argon.
-
Weiterhin
kann mit der erfindungsgemäßen Membranpumpe
die Viskosität
der durch die Pumpe strömenden
Flüssigkeit
bestimmt werden. Hierzu ist erforderlich, eventuell in der Pumpenkammer 9 befindliche
Gasblasen 7 aus der Pumpenkammer 9 auszutreiben,
beispielsweise mittels Unterdruck oder angeregten Schwingungen der
Flüssigkeit
in der Pumpenkammer 6. Wenn aufgrund der mit dem Antriebselement 11 gemessenen
Gegenkraft keine Gasblasen mehr in der Pumpenkammer 9 erkannt werden
können,
wird die Pumpenkammer wie in 1 gezeigt
mit dem zu prüfenden
Fluid gefüllt. Nachdem
die Pumpenkammer vollständig
gefüllt
ist, werden beide Ventile 4 und 5 geschlossen.
-
Mittels
des Antriebselementes 11 und der Pumpmembran 6 wird
in der Pumpenkammer 9 ein Überdruck erzeugt. Die Größe dieses
Druckes kann dabei aufgrund der Gegenkraft auf ein Antriebselement 11 oder 12 gemessen
werden. Sodann wird ein Ventil, beispielsweise das Auslassventil 5,
um einen bestimmten, vorgebbaren Wert geöffnet. Dieses Öffnen des
Ventils führt
durch das Ausströmen
von Flüssigkeit
zu einem Druckabfall in der Pumpenkammer 9, welcher wiederum
durch die Antriebselemente 11 und/oder 12 bestimmbar
ist. Die Zeitdauer dieses Druckabfalls ist ein Maß für die Viskosität der in
der Pumpenkammer befindlichen Flüssigkeit.
Nach Kalibrieren des Systems mit einer Flüssigkeit bekannter Viskosität, beispielsweise
Wasser, kann die Viskosität
unbekannter Flüssigkeiten
mit der Membranpumpe während
des Pumpvorgangs bestimmt werden.
-
3 zeigt
nochmals ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen elektronischen Steuerung, mit
welcher das erfindungsgemäße Verfahren
zum Betrieb einer Membranpumpe umsetzbar ist.
-
Zu
Beginn des Betriebes der Membranpumpe wird mittels eines Signalgenerators 10 ein
Steuersignal für
das Antriebselement 11 der Pumpmembran 6 sowie
je ein Steuersignal für
die Antriebselemente 12 der Ventile 4 und 5 erzeugt.
Falls die Antriebselemente 11 und 12 piezoelektrische
Antriebselemente sind, umfasst das Steuersignal eine entsprechende Betriebsspannung
mit einem bestimmten, vorgebbaren zeitlichen Verlauf und einer bestimmten
Periodendauer. Falls das Antriebselement ein magnetostriktiver Aktor
ist, umfasst das Steuersignal einen elektrischen Strom, mit welchem über eine
Magnetspule ein moduliertes Magnetfeld erzeugbar ist.
-
Die
Steuersignale, im Beispiel der 3 mit einer
definierten Spannung und Frequenz, werden zu den Antriebselementen 11 und 12,
im Beispiel Piezoaktoren, geleitet. Die Steuersignale führen zur
Verformung der Piezoaktoren. Diese erfahren dabei eine Gegenkraft,
welche von der Viskosität
der Flüssigkeit,
der Anzahl und Größe vorhandener
Gasbläschen 7 und
dem Betriebszustand der Membranpumpe abhängig sind.
-
Die
Gegenkräfte,
welche auf die Piezoaktoren einwirken, erzeugen in diesen eine Gegenspannung,
deren Größe und Signalform
von der Gegenkraft abhängt.
Diese Gegenspannung kann beispielsweise mit einem Eingangsverstärker gemessen
werden, welcher innerhalb der optionalen Regeleinrichtung 13 angeordnet
ist. Die optionale Regeleinrichtung 13 erzeugt im Anschluss
Korrekturwerte, um die Steuersignale der Pumpmembran 6 sowie
der Ventile 4 und 5 zu optimieren. Diese Korrekturwerte
können wiederum
an die Einrichtung 10 zur Erzeugung der Steuersignale weitergeleitet
werden. Dadurch können
nachfolgende Pumpzyklen mit diesen optimierten Steuersignalen durchlaufen
werden.
-
Die
optionale Regeleinrichtung 13 kann vom Fachmann in weiten
Grenzen an den jeweiligen Einsatzzweck der Membranpumpe angepasst
werden. Beispielsweise kann die Regeleinrichtung 13 dazu herangezogen
werden, einen konstanten Durchfluss durch die Membranpumpe zu erzeugen.
In einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung kann die Membranpumpe dazu eingerichtet sein, eine
bestimmte, vorgebbare Flüssigkeitsmenge
bereitzustellen, beispielsweise zu Befüllung einer Messkammer oder
zur Benetzung eines Sensorelementes. Die Regeleinrichtung kann jedoch
auch lediglich die Einhaltung vorgebbarer Signalformen der Ansteuersignale
sicherstellen. Die Regeleinrichtung 13 erfüllt ihre
Aufgabe im Verbund mit dem Signalgenerator 10 mit verschiedenen,
aus dem Stand der Technik prinzipiell bekannten Elementen.
-
Beispielsweise
können
die Signalformen der Steuersignale mittels einer Vorsteuereinrichtung
bereitgestellt werden. Die Signalformen legen dabei die jeweilige
Funktion der Pumpe fest, beispielsweise Vorwärtsförderung, Rückwärtsförderung, Gasblasenerkennung,
Reinigungsprogramm, Eigendiagnose, Differenzdruckmessung oder Viskositätsmessung.
-
Die
Signalform, welche von der Vorsteuereinrichtung bereit gestellt
wird, kann dann bei Abweichungen des tatsächlichen Verhaltens der Membranpumpe
mit Korrekturwerten modifiziert werden, welche beispielsweise mit
einem Komparator oder einem Regler bestimmt werden. Fallweise wird
der Fachmann auch vorsehen, mehrere unterlagerte Regler einzusetzen,
um so die Regelgeschwindigkeit und/oder die Regelgenauigkeit zu
erhöhen.
-
Sofern
die Membranpumpe auf einem Substrat 1 aus einem Siliziummaterial
aufgebaut ist, kann die Regeleinrichtung 13 und/oder der
Signalgenerator 10 in einer Ausführungsform der Erfindung als
integrierter Schaltkreis auf demselben Siliziumsubstrat 1 monolithisch
integrierte werden, welches auch die Membranpumpe umfasst.
-
Die
Regeleinrichtung 13 und/oder der Signalgenerator 10 können in
einer Ausführungsform der
Erfindung auch zumindest teilweise als Software implementiert werden,
welche auf einem Mikroprozessor oder einem Mikrocontroller oder
einem digitalen Signalprozessor ausgeführt wird.
-
Die
erfindungsgemäße Membranpumpe kann
bevorzugt für
die Analytik und Sensorik eingesetzt werden, beispielsweise zur
Bioanalytik, zur medizinischen Analyse oder zur Wasseranalytik.
Fallweise können
auch mehrere erfindungsgemäße Membranpumpen
zusammen mit den zugeordneten Regeleinrichtungen und entsprechenden
Sensoren und/oder Flüssigkeitreservoirs
auf einem einzelnen Halbleitersubstrat angeordnet werden. In diesem
Fall steht ein kostengünstiges,
mechanisch robustes und zuverlässiges
Modul für
die Analytik zur Verfügung.