DE102008056751A1

DE102008056751A1 - Fluidikvorrichtung mit normal-geschlossener Durchlassöffnung

Info

Publication number: DE102008056751A1
Application number: DE102008056751A
Authority: DE
Inventors: Roland Prof. Dr. Zengerle; Fabian Trenkle; Stefan Dr.-Ing. Häberle
Original assignee: Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Current assignee: Hahn-Schickard-Gesellschaft fur Angewandte Fo De; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-05-12

Abstract

Eine Fluidikvorrichtung umfasst eine normal-geschlossene Durchlassöffnung, eine flexible Wandung, die in einem vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung verschließt und in einem weniger vorgespannten Zustand, in dem die flexible Wandung durch ihre Elastizität zurückkehren kann, die Durchlassöffnung nicht verschließt. Eine mechanische Vorspannungseinrichtung ist vorgesehen, die ausgebildet ist, um die flexible Wandung in den vorgespannten Zustand zu bringen. Eine Aktor-Einheit ist vorgesehen, die betreibbar ist, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zu bringen. Die mechanische Vorspannungseinrichtung kann ausgebildet sein, um von einer der flexiblen Wandung abgewandten Seite der Durchlassöffnung eine Kraft auszuüben, durch welche die flexible Wandung gegen ein Gegenelement gedrückt wird, wodurch die flexible Wandung in den vorgespannten Zustand gebracht wird. Die mechanische Vorspannungseinrichtung kann einen federnden Umlenkbügel aufweisen, der ausgebildet ist, um eine Vorspannungskraft in einer ersten Richtung zu liefern, um eine elastische Wandung in den vorgespannten Zustand vorzuspannen, und um eine durch die Aktor-Einheit bewirkte Bewegung in einer zweiten Richtung in eine Bewegung in der ersten Richtung umzusetzen, so dass die elastische Wandung in den weniger vorgespannten Zustand gebracht wird.

Description

Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf eine Fluidikvorrichtung und insbesondere eine Fluidikvorrichtung mit normal-geschlossener Durchlassöffnung. Unter einer normal-geschlossenen Durchlassöffnung wird dabei eine selbst-blockierende Durchlassöffnung verstanden, die verschlossen ist, wenn keine elektrische Energie zugeführt wird oder die Energiezufuhr z. B. aufgrund eines Störfalls unterbrochen wird.
Beispiele von Fluidikvorrichtungen, die normal-geschlossene Durchlassöffnungen aufweisen können, sind beispielsweise Ventile und Pumpen und hier insbesondere Mikropumpen.
Ein Überblick über bekannte Mikropumpen ist den beiden folgenden Schriften zu entnehmen:

D. J. Laser und J. G. Santiago, „A Review of Micropumps", Journal of Micromechanics and Microengineering, 14 (2004), Seiten 35–64; und
B. D. Iverson und S. V. Garimella, "Recent Avances in Microscale Pumping Technologies: A Review and Evaluation", Microfluidics and Nanofluidics, online first, 2008, DOI 10.1007/s10404-008-0266-8, S. 145–S. 175.

Ein Beispiel bekannter Mikropumpen sind peristaltische Mikropumpen. Um mit einer peristaltischen Mikropumpe einen selbst-blockierenden Zustand zu erreichen, sind verschiedene Möglichkeiten bekannt, von denen jedoch nur wenige auch in nicht-aktiviertem, also stromlosen Zustand, selbst-blockierend sind.
Eine erste Möglichkeit, um eine selbst-blockierende Mikropumpe zu erhalten, besteht im aktiven Betätigen des Aktors. Voraussetzung hierfür ist eine aktive Membran oder ähnliches, die in der Lage ist, den Ein- oder Auslasskanal zu verschließen. Der Aktor wird dann ständig nachgeladen und hält somit die Pumpe im geschlossenen Zustand. Der fortlaufende Energieverbrauch schränkt den Einsatzbereich und die Flexibilität der Pumpen deutlich ein, bzw. macht den Einsatz umständlich und teuer, beispielsweise weil eine Batterie häufig nachgeladen werden muss. Ein selbst-blockierender Zustand ohne Energieaufwand, z. B. weil die Energiezufuhr aufgrund eines Störfalls unterbrochen wird, ist hier nicht möglich. Beispiele für solche Mikropumpen sind in der DE 10 2005 038 483 B3 und der DE 10 2006 028 986 A1 beschrieben.
Eine alternative Möglichkeit, eine selbst-blockierende Pumpe zu schaffen, besteht darin, vor oder nach der Pumpe ein zusätzliches Ventil, beispielsweise in der Form eines Mikroventils, vorzusehen. Viele Pumpen sind selbst durch eine aktive Betätigung der in der Pumpe integrierten Ventile nicht in der Lage, einen geschlossenen Zustand zu erreichen. Daher wird häufig ein zusätzliches Ventil verwendet, um einen blockierten Zustand zu realisieren. Ein Beispiel für eine Mikropumpe mit einem doppelt geschlossenen Ventil ist in der DE 10048376 C2 beschrieben.
Ferner können Mikropumpen mit Klappenventilen als selbst-blockierende Mikropumpen entworfen werden. Die Klappe wird dann so ausgelegt, dass sie im Ruhezustand den Einlasskanal und/oder den Auslasskanal abdeckt, und in dieser Lage ggf. mechanisch vorgespannt ist. Hierbei sind jedoch zahlreiche Probleme zu beachten. Zum einen besteht die Gefahr von Partikeln, die sich schnell zwischen Platte bzw. Ventilmembran und Ventilsitz setzen können, und so bis zum Versagen der kompletten Mikropumpe führen können. Fluidische Leckströme treten aufgrund der bei diesen Pumpentypen verwendeten pas siven Klappenventilen bereits bei geringen Drücken auf, da hier nur geringe Schließkräfte erreichbar sind. Ferner kann eine hohe Gegendruckabhängigkeit vorliegen. Hinsichtlich Mikropumpen mit normal-geschlossenen Klappenventilen kann beispielsweise auf Van Lintel H. T. G., „A Piezoelectric Micropump Based an Micromachining of Silicon", Sensors and Actuators, 15 (1988), Seiten 153–167, verwiesen werden.
Aus der US 6736370 B1 ist ein Membranventil bekannt, das eine Membran aufweist, die durch eine Feder in eine Position vorgespannt wird, in der sie einen Ventilsitz schließt. Eine pneumatische Vorrichtung ist vorgesehen, um das Ventil gegen die Vorspannungskraft der Feder zu öffnen.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, eine Fluidikvorrichtung und eine Pumpe zu schaffen, die ohne elektrische Energie zu verbrauchen, zuverlässig selbst-blockierend sind und die auch dann, wenn die Energieversorgung z. B. infolge eines Störfalls ausfällt, automatisch in den geschlossenen Zustand übergeht.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidikvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 10 und eine Pumpe gemäß Anspruch 14 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Fluidikvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer normal-geschlossenen Durchlassöffnung;
einer flexiblen Wandung, die in einem vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung verschließt und in einem weniger vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung nicht verschließt;
einer mechanischen Vorspannungseinrichtung, die ausgebildet ist, um die flexible Wandung in den vorgespannten Zustand zu bringen; und
einer Aktoreinheit, die betreibbar ist, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zu bringen,
wobei die mechanische Vorspannungseinrichtung ausgebildet ist, um von einer der flexiblen Wandung abgewandten Seite der Durchlassöffnung eine Kraft auszuüben, durch welche die flexible Wandung gegen ein Gegenelement gedrückt wird, wodurch die flexible Wandung in den vorgespanntem Zustand gebracht wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Fluidikvorrichtung mit folgenden Merkmalen:
einer normal-geschlossenen Durchlassöffnung;
einer flexiblen Wandung, die in einem vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung verschließt und in einem weniger vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung nicht verschließt;
einer mechanischen Vorspannungseinrichtung, die ausgebildet ist, um die flexible Wandung in den vorgespannten Zustand zu bringen; und
einer Aktoreinheit, die betreibbar ist, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zu bringen,
wobei die flexible Wandung (72a) eine elastische Wandung ist, die durch ihre Elastizität von dem vorgespannten in den weniger vorgespannten Zustand zurückkehren kann, und
wobei die mechanische Vorspannungseinrichtung einen federnden Umlenkbügel (102) aufweist, der ausgebildet ist, um eine Vorspannungskraft in einer ersten Richtung zu liefern, um die elastische Wandung in den vorgespannten Zustand vorzuspannen, und um eine durch die Aktor-Einheit (100) bewirkte Bewegung in einer zweiten Richtung in eine Bewegung in der ersten Richtung umzusetzen, so dass die elastische Wandung in den weniger vorgespannten Zustand gebracht wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Fluidikvorrichtung mit einer Durchlassöffnung, die im Ruhezustand selbst-blockierend ist, ohne elektrische Energie zu verbrauchen und die auch dann, wenn die Energieversorgung z. B. infolge eines Störfalls ausfällt, automatisch in den geschlossenen Zustand übergeht. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Implementierung eines Ventils bzw. Mikroventils, das im Ruhezustand einen Fluidfluss wirksam blockieren kann, ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Implementierung einer Pumpe bzw. Mikropumpe, die im Ruhezustand doppelt selbst-blockierend ist, d. h. einlassseitig und auslassseitig selbst-blockierend ist, ohne elektrische Energie zu verbrauchen. Alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung können auch mehr als zweifach, beispielsweise 6-fach blockierend sein, wenn in einer oder mehreren Kammern ein eingehender und ein ausgehender Kanal vorgesehen sind, die jeweils normal geschlossen sind.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen somit einen geringen Energieverbrauch und damit verbunden eine lange Betriebsdauer, wenn die Energieversorgung beispielsweise über eine Batterie erfolgt, da bei einem Ventil nur im Falle eines tatsächlichen Schaltvorgangs Energie benötigt wird und im Falle einer Pumpe nur für den tatsächlichen Pumpvorgang Energie benötigt wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung, bei der die Fluidikvorrichtung als Pumpe implementiert ist, kann während eines kompletten Pumpvorgangs entweder immer ein Einlasskanal oder ein Auslasskanal der Pumpe verschlossen sein, so dass selbst bei hohen Überdrücken auf der Einlassseite oder der Auslassseite der Fluidtransport in die gewünschte Richtung stattfinden kann.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die flexible Wandung in einem weniger vorgespannten Zustand lediglich durch den eingangsseitig anliegenden Druck geöffnet werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die flexible Wandung eine elastische Wandung, die durch ihre Rückstellkraft in den weniger vorgespannten Zustand zurückkehren kann. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die flexible Wandung an der Aktor-Einheit befestigt sein, so dass eine Elastizität, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zurück zu bringen, nicht erforderlich ist.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine passive mechanische Vorspannungseinrichtung, die keine elektrische Energie verbraucht, verwendet, um den normal-geschlossenen Zustand der Durchlassöffnung zu erreichen. Bei Ausführungsbeispielen ist die Aktoreinheit unter Verbrauch elektrischer Energie betreibbar, um ausgehend von diesem selbst-blockierenden Zustand ein Schalten eines Ventils oder einen Pumpvorgang einer Pumpe zu bewirken bzw. zu initiieren.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist die Durchlassöffnung in einer Fluidkammer angeordnet, wobei die flexible Wandung, die die Durchlassöffnung verschließt, in dem vorgespannten Zustand in die Fluidkammer ausgelenkt ist. Die mechanische Vorspannungseinrichtung ermöglicht bei einer solchen Anordnung bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Verwendung eines Piezostapel-Aktors, der betreibbar ist, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zu bringen. Der Aufbau eines Piezostapel-Aktors ist Fachleuten bekannt, wobei ein Piezostapel-Aktor auf dem Funktionsprinzip basiert, dass sich seine Länge bei Anlegen einer elektrischen Spannung erhöht und bei Abschalten der elektrischen Spannung wieder verringert.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Ventilgehäuse bzw. Pumpengehäuse als Einmalartikel modular ausgelegt sein, während die mechanische Vorspannungseinrichtung und die Aktoreinheit als Mehrwegartikel ausgelegt sein können, mit denen das Ventilgehäuse bzw. Pumpengehäuse austauschbar verbunden werden kann. Alle Komponenten, die mit einem Medium, das durch die Fluidikvorrichtung gehandhabt wird, in Berührung kommen, können als Teil des Einmalartikels implementiert sein, so dass Ausführungsbeispiele der Erfindung ein kostengünstiges und zugleich kontaminationsfreies Fördern von Medien durch einen einfachen Austausch des entsprechenden Moduls ermöglichen. Außerdem können bei einer Mikropumpe durch ein verändertes Design des Pumpengehäuses, beispielsweise von Verbindungskanälen, Pumpkammern und dergleichen, verschiedene Förderraten unter Verwendung derselben Aktoreinheit abgedeckt werden. Beispielsweise kann ein Pumpengehäuse für einen Flussratenbereich von 0 bis 100 μl/min ausgelegt sein, während ein anderes Pumpengehäuse mit einem angepassten Design für einen Flussratenbereich von 0 bis 10 ml/min ausgelegt sein kann.
Ausführungsbeispiele der Erfindung eignen sich insbesondere zur Implementierung einer peristaltischen Pumpe bzw. Mikropumpe, die zumindest zwei entsprechende Fluidikvorrichtungen, die eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung der Pumpe bilden, aufweist. Eine Pumpkammer kann fluidisch zwischen Einlasskammer und Auslasskammer geschaltet sein. Entsprechend betätigbare Membranabschnitte können an die Einlasskammer, die Pumpkammer und die Auslasskammer angrenzen, wobei jeweils zugeordnete Aktoreinheiten betreibbar sein können, um eine peristaltische Pumpwirkung von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung oder in entgegengesetzter Richtung zu bewirken. Bei Ausführungsbeispielen kann die Pumpe dabei so ausgelegt sein, dass jeweils die Entspannung bzw. die Rückstellkraft einer elastischen Membran das Fluid in die zugeordnete Pumpkammer einsaugt.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die mechanische Vorspannungseinrichtung, die auch als passive Aktoreinheit bezeichnet werden kann, durch Federelemente, O-Ringe oder eine elastische Schicht, beispielsweise in Form einer elastischen Matte, realisiert sein. Als passive Aktoreinheit wird dabei die Funktion verstanden, ohne elektri schen Energieverbrauch eine Kraft über einen Stellweg ausüben zu können, wie dies etwa bei einer Feder der Fall ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die mechanische Vorspannungseinrichtung und die Aktoreinheit als separate Einheiten aufgebaut sein, wobei die mechanische Vorspannungseinrichtung von einer der flexiblen Wandung abgewandten Seite der Durchlassöffnung eine Kraft ausübt, durch die die flexible Wandung gegen ein Gegenelement gedrückt wird, wodurch die flexible Wandung in den vorgespannten Zustand gebracht wird, wobei das Gegenelement durch die Aktoreinheit bewegbar sein kann. Dafür können Aktoreinheit und mechanische Vorspannungseinrichtung zum Beispiel in den beiden Gehäusehälften eines aufklappbaren Gehäuses dahingehend angeordnet sein, dass sie sich beim Zuklappen des Gehäuses gegenüber liegen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die mechanische Vorspannungseinrichtung und die Aktoreinheit gekoppelt sein, um eine integrierte Lösung zu implementieren, beispielsweise in Form eines sogenannten Piezo-Federaktors.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren sind gleiche Merkmale mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet, wobei sich wiederholende Beschreibungen der entsprechenden Elemente weggelassen sind. Es zeigen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht einer peristaltischen Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Schnittansicht der peristaltischen Pumpe;
3a eine Vergrößerung des Details A in 2;
3b und 3c Varianten des in 3a dargestellten Details;
4a bis 4c schematische Ansichten zur Erläuterung des peristaltischen Funktionsprinzips;
5 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer alternativen Ausführungsform von Aktoreinheit und mechanischer Vorspannungseinrichtung;
6a und 6b schematische Darstellungen eines Ausführungsbeispiels einer Ventilvorrichtung.
1 zeigt eine peristaltische Mikropumpe mit einem modularen Aufbau, die eine steuerbare Aktoreinheit 10, ein Pumpengehäuse 12 und eine Vorspannungseinrichtung 14, die als passive Aktoreinheit bezeichnet werden kann, aufweist. 1 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht der Komponenten, während 2 eine Schnittansicht im zusammengebauten Zustand zeigt. Wie in 1 gezeigt ist, können die steuerbare Aktoreinheit 10 und die Vorspannungseinrichtung 14 Gehäuseteile 16 und 18 aufweisen, die mit Verbindungsmitteln 20, 22 versehen sein können, um ein Befestigen der Gehäuseteile aneinander zu ermöglichen. Die Verbindungsmittel 20 und 22 können beispielsweise ausgebildet sein, um eine Schraub- oder Klemmverbindung zu implementieren. Beispielsweise können die Verbindungsmittel 20 und 22 Stifte und Löcher aufweisen, die ineinander steckbar sind.
Die Aktoreinheit 10 umfasst drei Linearaktoren 30, 32 und 34 in der Form von Piezostapel-Aktoren. Die Piezostapel-Aktoren 30, 32 und 34 sind entlang einer Linie angeordnet. Ein unteres Ende der Piezostapel-Aktoren 30, 32 und 34 ist in Eingriff mit einem jeweiligen Stößel 36, 38 und 40, die über O-Ringe 42 in zugeordneten Ausnehmungen der steuerbaren Aktoreinheit 10 gelagert sind. Justierschrauben, von denen eine mit dem Bezugszeichen 43 bezeichnet ist, sind über den Linearaktoren 30, 32 und 34 vorgesehen und ermöglichen eine Feineinstellung der vertikalen Position der Linearaktoren.
Das Pumpengehäuse umfasst einen Pumpenkörper 46, in dem drei Fluidkammern 50, 52 und 54 gebildet sind. Die Fluidkammer 50 weist eine Einlassöffnung 60 auf, die mit einem Einlasskanal 62 fluidisch verbunden ist, wie in 3a gezeigt ist. Die Fluidkammer 54 weist eine Auslassöffnung 64 auf, die mit einem Auslasskanal 66 fluidisch verbunden ist. Die Fluidkammer 50 stellt somit eine Einlasskammer dar, während die Fluidkammer 54 eine Auslasskammer darstellt. Die Fluidkammer 52, die als Pumpkammer bezeichnet werden kann, ist fluidisch zwischen die Einlasskammer und die Auslasskammer geschaltet. Die Einlasskammer und die Fluidkammer 52 sind über einen Fluidkanal fluidisch verbunden, wie durch eine gestrichelte Linie 68 in 3a angedeutet ist. Die Fluidkammer 52 und die Fluidkammer 54 sind ebenfalls über einen Fluidkanal miteinander verbunden, wie durch eine gestrichelte Linie 70 in 3a angedeutet ist. Diese beiden Fluidkanäle können auch teilweise innerhalb des Pumpkörpers geführt sein, wie in 3b dargstellt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Pumprichtung abhängig von der Betätigung der Linearaktoren umkehrbar ist, so dass die Fluidkammer 50 eine Auslasskammer und die Pumpkammer 54 eine Einlasskammer darstellen kann.
Auf der Oberseite des Fluidkörpers 46 ist eine elastische Membran 72 vorgesehen, wobei ein Membranabschnitt 72a an die Fluidkammer 50 angrenzt, ein Membranabschnitt 72b an die Fluidkammer 52 angrenzt und ein Membranabschnitt 72c an die Fluidkammer 54 angrenzt. Die Membranabschnitte 72a, 72b und 72c sind durch die Stößel 36, 38 und 40 in die jeweils zugeordnete Fluidkammer 50, 52 und 54 ablenkbar, wie in 3a gezeigt ist. Die Form der Stößel kann dabei so ausgebildet sein, dass bei der Auslenkung der Membranabschnitte ein Formschluss zwischen den Membranabschnitten und den Fluidkammern herbeigeführt werden kann. Alternativ können die Membranabschnitte auf der den Auslassöffnungen zugewandten Seite zusätzliche Vorsprünge aufweisen, welche ein definiertes Verschließen der Auslassöffnungen im ausgelenkten Zustand ermöglicht (siehe 3c). Die Fluidkanäle 68 und 70 bzw. Anschlussleitungen, die den Einlasskanal 62 und den Auslasskanal 66 mit externen Fluidleitungen verbinden, sind in 2 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Obwohl in 3a eine einstückige Membran 72 gezeigt ist, die die einzelnen Membranabschnitte 72a, 72b und 72c bereitstellt, ist klar, dass auch für jede der Fluidkammern eine separate Membran vorgesehen sein könnte. Die Pumpkammern, die durch Fluidkanäle, wie z. B. Mikrokanäle, untereinander verbunden sind, werden somit jeweils auf einer Seite durch eine elastische, verdrängbare Membran begrenzt und auf der anderen Seite durch einen im Vergleich hierzu starren Grundkörper, der durch den Pumpenkörper 46 gebildet ist.
Das Gehäuseteil 18 der passiven Vorspannungseinrichtung 14 weist eine Ausnehmung auf, in der Federelemente 74, 76, 78, 80a und 80b angeordnet sind. Die Federelemente sind als Spiralfederelemente ausgebildet und auf jeweiligen Bolzen gelagert, von denen beispielhaft einer mit dem Bezugszeichen 82 versehen ist.
Die Federelemente 74, 76 und 78 sind derart angeordnet, dass sie im zusammengebauten Zustand mit den Membranabschnitten 72a, 72b und 72c ausgerichtet sind, die wiederum mit den Linearaktoren 30, 32 und 34 ausgerichtet sind. Genauer gesagt sind das Pumpengehäuse 12 und die steuerbare Aktoreinheit 10 derart positioniert, dass die auf die jeweiligen Membranabschnitte wirkenden Teile der Stößel 36, 38 und 40 zentrisch zu den Membranabschnitten 72a, 72b und 72c des Pumpengehäuses 12 angeordnet sind. Der Pumpenkörper 46 weist in der Unterseite desselben Ausnehmungen auf, die es ermöglichen, denselben federnd auf den Federelementen 74, 76, 78, 80a und 80b zu lagern, wobei eine der Ausneh mungen beispielhaft mit dem Bezugszeichen 84 bezeichnet ist.
Im zusammengebauten Zustand üben die steuerbare Aktoreinheit 10 und die Vorspannungseinrichtung von zwei gegenüberliegenden Seiten aus Kräfte auf das dazwischen angeordnete Pumpengehäuse, das als kostengünstiger Einmalartikel ausgeführt sein kann, aus. Wie ausgeführt wurde, umfasst die steuerbare Aktoreinheit 10 drei bevorzugt entlang einer Linie angeordnete Linearaktoren 30, 32 und 34, die jeweils auf einen Stößel 36, 38 und 40 drücken. Die untere Endposition der Stößel 36, 38 und 40 legt zusammen mit einem vierten und einem fünften Auflagepunkt sowie ggf. weiteren Auflagepunkten, die beispielsweise durch eine Kugelkopfschraube in der steuerbaren Aktoreinheit 10 gebildet sein können, eine Ebene fest. Der vierte und der fünfte Auflagepunkt sind an einer Position außerhalb der Linie angeordnet, beispielsweise den durch ein x gekennzeichneten Positionen 86a und 86b, an denen ein schematisch dargestellter vierter Auflagepunkt 88a und ein schematisch dargestellter fünfter Auflagepunkt 88b auf das Pumpengehäuse 46 wirken. Die weiteren Auflagepunkte 86a und 86b können entlang einer Linie angeordnet sein, die parallel zu der Linie ist, entlang der die Linearaktoren 30 bis 34 angeordnet sind. Wie ausgeführt wurde, sind den drei Linearaktoren 30, 32 und 34 sowie dem vierten und fünften Auflagepunkt 88a und 88b gegenüber Federelemente 74, 76, 78, 80a und 80b, die passive Linearaktoren darstellen, als Teil der passiven Aktoreinheit 14 angeordnet.
Anstelle der Federelemente 80a und 80b könnte auch nur ein Federelement vorgesehen sein, dass beispielsweise mittig zwischen den Auflagepunkten 86a und 86b zentriert ist.
Anstelle der beiden weiteren Auflagepunkte 86a und 86b könnte auch nur ein weiterer Auflagepunkt vorgesehen sein, mit nur einem zugeordneten Federelement. Zwei weitere Auflagepunkte können jedoch vorteilhaft sein, um unterdefi nierte Zustände (bezüglich der Positionierung des Pumpenkörpers 46) zu vermeiden.
Die Gehäuse 16 und 18 der steuerbaren Aktoreinheit 10 und der passiven Aktoreinheit 14 können lösbar so miteinander verbunden werden, beispielsweise über eine Schraub- oder Klemmverbindung, dass das Pumpengehäuse 12 federnd auf den Federelementen 74, 76, 78 und 80 gelagert ist, wobei die unteren Ende der Stößel 36, 38 und 40 der vierte Auflagepunkt 88a und der fünfte Auflagepunkt 88b als Gegenhalte-Elemente wirken. Eine Steuereinheit 90 ist vorgesehen, die mit der steuerbaren Aktoreinheit 10 gekoppelt ist, um die Linearaktoren 30, 32 und 34 auf zeitlich gesteuerte Weise zu betätigen, d. h. mit einer geeigneten Spannung zu beaufschlagen, um die beschriebenen Funktionalitäten zu erreichen.
Die Steuerung 90 kann beispielsweise durch eine Mikroprozessor-Schaltung oder eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung implementiert sein.
Die steuerbare Aktoreinheit 10, das Pumpengehäuse 12 und die passive Aktoreinheit 14 sind derart ausgebildet, dass, wenn die Pumpe außer Betrieb ist, also keine Spannung an den Linearaktoren 30, 32 und 34 anliegt, die Membranabschnitte 72a, 72b und 72c durch die Stößel 36, 38 und 40 in die Pumpkammern 50, 52 und 54 ausgelenkt sind. Dabei wird durch die Federelemente 74, 76 und 78 an den elastischen Membranabschnitten 72a, 72b und 72c gegenüberliegenden Stellen eine Kraft auf das Pumpengehäuse 12 ausgeübt, durch das dasselbe gegen die Auflageelemente der steuerbaren Aktoreinheit 10 gedrückt wird. Die Kraft der Federelemente kann dabei so dimensioniert sein, dass die drei elastischen Membranabschnitte 72a, 72b und 72c vollständig in die jeweils zugeordnete Fluidkammer 50, 52 und 54 ausgelenkt sind, wie in 3a gezeigt ist. Dies führt zu einem selbst-blockierenden Zustand der Mikropumpe im ausgeschalteten Zustand. Somit ergibt sich sowohl auf der Einlasssei te als auch auf der Auslassseite ein geschlossenes Ventil, wodurch eine doppelt geschlossene Funktion erreicht werden kann. Im Ruhezustand besteht somit keine fluidische Verbindung zwischen Einlasskanal 62 und Auslasskanal 66, so dass die Mikropumpe ohne Energieverbrauch selbst-blockierend bzw. normal-geschlossen ist. Falls erforderlich kann eine Justierung unter Verwendung der Justierschrauben 43 erfolgen, um den beschriebenen, in 3a gezeigten Zustand zu erreichen.
In Vorbereitung auf einen Pumpbetrieb, der nachfolgend Bezug nehmend auf die 4a bis 4c erläutert wird, werden alle drei Linearaktoren 30, 32 und 34 der steuerbaren Aktoreinheit 10 durch die Steuerung 90 betätigt, wodurch sich die Länge der Linearaktoren 30, 32 und 34 um einen definierten Stellweg erhöht. Bei der Verwendung von Piezostapel-Aktoren kann der Stellweg beispielsweise in einem Bereich zwischen 20 μm und 100 μm, wie z. B. 40 μm, liegen. Die Verlängerung der Linearaktoren bewirkt, dass die Stößel 36, 38 und 40 eine Kraft auf das Pumpengehäuse 12 ausüben, durch die das Pumpengehäuse 12 um den Stellweg der steuerbaren Linearaktoren verkippt wird. Der selbst-blockierende Zustand bleibt dabei bestehen. Die Verkippung findet um die Auflagepunkte 86a und 86b (1) statt und ist definiert durch die beiden Ebenen, die jeweils durch die entlang einer Linie angeordneten Endpositionen der steuerbaren Linearaktoren (bzw. der denselben zugeordneten Stößeln) sowie den vierten und fünften, außerhalb dieser Linie befindlichen Auflagepunkte verlaufen. Durch die Verkippung erhöht sich die Gegenkraft der passiven Linearaktoren leicht, was jedoch nur zu einer weiteren Verstärkung der Schließkraft des selbst-blockierten Zustands führt.
Ein peristaltischer Pumpzyklus, der nach der beschriebenen Vorbereitung folgt, wird nun Bezug nehmend auf die 4a bis 4c erläutert, die den Zustand der Pumpe während unterschiedlicher Phasen des Pumpzyklus schematisch darstellen.
In der ersten Phase, die in 4a gezeigt ist, wird der Linearaktor 30 so betätigt, dass er sich zurückzieht, beispielsweise im Falle eines Piezostapel-Aktors durch Reduzierung der an diesem Piezostapel anliegenden elektrischen Spannung. Dadurch kann sich der der Stößel 36, der der Aktoreinheit 30 zugeordnet ist, nach oben bewegen, so dass sich der über der Einlassöffnung 60 angeordnete elastische Membranabschnitt 72a aufgrund der Rückstellkraft der Membran entspannen kann und die Einlassöffnung geöffnet wird. Die den Stößeln 38 und 40 zugeordneten Linearaktoren bleiben weiterhin betätigt, so dass diese zusammen mit den Auflagepunkten 88a und 88b das Pumpengehäuse stabil in Position halten. Da der Auslassbereich durch den dem Stößel 40 zugeordneten Linearaktor 34 immer noch verschlossen ist, saugt der Membranabschnitt 72a auf der Einlassseite hierbei Fluid, d. h. entweder Flüssigkeit oder Gas, in die erste Pumpkammer 50, die die Einlasskammer darstellt, ein. Dieser Zustand ist in 4a gezeigt.
In einer zweiten Phase des Pumpzyklus wird das Fluid von der ersten Pumpkammer in die zweite Pumpkammer 52 umgeladen. Hierzu wird der dem Stößel 38 zugeordnete Linearaktor über der zweiten Pumpkammer 50 derart betätigt, dass er sich zurückzieht, im Fall von Piezostapel-Aktoren wiederum durch Reduzierung der an diesem Piezostapel anliegenden elektrischen Spannung. Gleichzeitig wird der dem Stößel 36 zugeordnete steuerbare Linearaktor 30 wieder ausgefahren, im Falle eines Piezostapel-Aktors durch Anlegen oder Erhöhen einer elektrischen Spannung an diesem Piezostapel. Dieser Zustand ist in 4b gezeigt. Alternativ kann die Bewegung der Stößel 36 und 38 zeitversetzt stattfinden. Zunächst kann sich der dem Stößel 38 zugeordnete Linearaktor 32 zusammenziehen, woraufhin zeitversetzt der Linearaktor 30 wieder ausgelenkt wird.
Ebenso wird in der nächsten Pumpphase mit den den Stößeln 38 und 40 zugeordneten Linearaktoren 32 und 34 verfahren, um das Fluid von der zweiten Pumpkammer 52 in die dritte Pumpkammer 54 umzuladen. Genauer gesagt wird der Linearaktor 34 betätigt, um sich zurückzuziehen, wodurch die Auslassöffnung 64 geöffnet wird, während gleichzeitig der Linearaktor 32 betätigt wird, um auszufahren. Dieser Zustand ist in 4c gezeigt.
Der Abschluss eines Pumpzyklus besteht darin, das Fluid aus der dritten Pumpkammer 54 in den Auslasskanal 66 zu drücken, indem der steuerbare Linearaktor 34 wieder so betätigt wird, dass er ausgefahren wird und mit dem elastischen Membranabschnitt 72c das Fluid aus der dritten Kammer 54 durch die Auslassöffnung 64 in den Auslasskanal 66 schiebt.
Die zyklische Wiederholung der beschriebenen Pumpphasen resultiert somit in einem Nettofluss vom Einlasskanal 62 zum Auslasskanal 66 und ermöglicht eine kontinuierliche Fluidförderung.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Lage des Pumpengehäuses während des gesamten Pumpbetriebes jeweils durch zumindest einen der drei Stößel 36, 38 und 40 sowie den vierten und fünften Auflagepunkt 88a und 88b definiert und stabil ist. Findet ein zeitversetztes Umladen des Fluids zwischen den Fluidkammern (von 4a nach 4b und von 4b nach 4c) durch eine zeitversetzte Bewegung der Stößel statt, so kommt es bei den Umladeschritten zu kurzzeitigen Zuständen, bei denen das Pumpengehäuse nur durch einen Stößel und die beiden Auflagepunkte definiert ist, nämlich wenn sich zunächst der Aktor der zu befüllenden Kammer zurückbewegt, bevor sich der Aktor der zu entleerenden Kammer nach unten bewegt. Hier sind zwei weitere Auflagepunkte 88a und 88b vorteilhaft, um eine stabile Lage des Pumpenkörpers zu erhalten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen das Umladen zwischen den Fluidkammern schneller stattfinden kann als die mechanische Zeitkonstante für ein Verkippen bzw. Wa ckeln des Pumpenkörpers, können mit nur einem weiteren Auflagepunkt, statt der zwei Auflagepunkte 88a und 88b, ein Wackeln des Pumpenkörpers vermeiden.
Aufgrund des symmetrischen Aufbaus der peristaltischen Pumpe kann die Pumprichtung sehr einfach durch eine geänderte Ansteuerung der Piezo-Aktoren in der umgekehrten Reihenfolge erreicht werden. Die Mikropumpe stellt somit eine bidirektionale Mikropumpe dar.
Während des gesamten Pumpzyklus ist immer mindestens eine der beiden äußeren Pumpkammern im selbst-blockierten Zustand, wodurch ein ungewollter Rückfluss vom Auslass zum Einlass, beispielsweise aufgrund eines hohen Gegendrucks an der Auslassseite, verhindert wird. Ist der Pumpvorgang beendet und die Spannung an den Linearaktoren abgeschaltet, so sorgt wiederum die mechanische Vorspannungseinrichtung für den selbst-blockierten Zustand, ohne dass Energie verbraucht wird.
3b zeigt eine Variante des in 3a gezeigten Ausführungsbeispiels, das sich lediglich bezüglich der Fluidkanäle zwischen den Fluidkammern von dem in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel unterscheidet. Gemäß 3b sind zwei Fluidkanäle mit jeder Fluidkammer fluidisch verbunden.
Ein erster Fluidkanal 120, der einen Einlasskanal darstellt, und ein erstes Ende eines zweiten Fluidkanals 122 münden in die erste Fluidkammer 50. Ein zweites Ende des zweiten Fluidkanals 122 und ein erstes Ende eines dritten Fluidkanals 124 münden in die Fluidkammer 52. ein zweites Ende des dritten Fluidkanals 124 und ein vierter Fluidkanal 126, der einen Auslasskanal darstellt, münden in die Fluidkammer 54. Die Mündungen der jeweiligen Fluidkanäle in die Fluidkammern stellen Durchlassöffnungen dar, die im vorgespannten Zustand durch die zugeordneten Wandungsabschnitte verschließbar sind. Sind alle Wandungsabschnitte in einem vorgespannten Zustand, kann somit ein sechsfacher (sechs Durchlassöffnungen) erhalten werden.
Im Vergleich zu der Implementierung gemäß 3a ist bei der Variante gemäß 3b der fluidische Widerstand der Fluidkanäle 122 und 124 nicht mehr von der Position der Wandung abhängig.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass 3b eine Prinzipskizze darstellt und dass bei einer praktischen Implementierung die Fluidkanäle 122 und 124 auf einer Rückseite oder einer Stirnseite des Körpers, in dem die Fluidkammern 50 bis 54 gebildet sind, gebildet sein und durch einen entsprechenden Deckel abgedeckt sein können.
3c zeigt eine weitere Alternative, die sich lediglich dadurch von der in 3b gezeigten Alternative unterscheidet, dass die Wandungsabschnitte mit jeweiligen Vorsprüngen 130, 132 und 134 versehen sind, durch die im vorgespannten Zustand der Verschluss der Durchlassöffnungen erreicht wird. Die Vorsprünge 130, 132 und 134 sind ausgestaltet, um einen definierten Auflagepunkt der Wandungsabschnitte und somit einen sicheren Verschluss der Durchlassöffnungen im vorgespannten Zustand zu gewährleisten.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind die Stößel mit der Aktoreinheit fest verbunden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Stößel ferner mit den Wandungsabschnitten, fest verbunden sein, so dass eine Aufwärtsbewegung eines Stößels zwangsweise eine Aufwärtsbewegung des zugeordneten Wandungsabschnitts zur Folge hat. Der Wandungsabschnitt muss dann nicht durch eine eigene Rückstellkraft in den weniger vorgespannten Zustand gebracht werden, so dass es nicht erforderlich ist, dass der Wandungsabschnitt ein elastischer Wandungsabschnitt ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung mit nicht elastischen Wandungsabschnitten kann die Aufwärtsbewegung der Wandungsabschnitte auch lediglich aus einem erhöhten eingangsseitigen Fluid-Druck resultieren.
Alternative Ausführungsbeispiele können statt der oben beschriebenen Spiralfederelemente eine anderweitige rückseitige Federung des Pumpengehäuses liefern, beispielsweise unter Verwendung von O-Ringen oder einer elastischen Schicht, wie z. B. einer durchgehenden Gummimatte. Darüber hinaus können bei alternativen Ausführungsbeispielen statt eines oder mehrerer weiterer stationärer Auflagepunkte ein oder mehrere bewegliche Auflagepunkte vorgesehen sein, denen auf geeignete Weise eine oder mehrere Aktoreinheiten zugeordnet sind, um so ein Verkippen des Pumpkörpers bei der vorbereitenden Bewegung gegen die Kraft der mechanischen Vorspannungseinrichtung zu vermeiden. Bezug nehmend auf die 1 bis 4 wurden separat Aktoreinheiten und zugeordnete Stößel beschrieben. Es ist für Fachleute offensichtlich, dass ein jeweiliger linearer Aktor und ein zugeordneter Stößel zusammen als Aktoreinheit betrachtet werden können. Ferner können Aktoren und Stößel einstückig ausgebaut sein. Alternative Ausführungsbeispiele können ferner derart aufgebaut sein, dass ein unteres Ende eines Aktors, wie z. B. eines Piezostapel-Aktors, direkt auf den zugeordneten elastischen Membranabschnitt wirkt.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung müssen die steuerbare Aktoreinheit und die mechanische Vorspannungseinheit (passive Aktoreinheit) nicht auf gegenüberliegenden Seiten des Pumpenkörpers angeordnet sein. 5 zeigt schematisch einen sogenannten „APA” (Amplified Piezoelectric Actuator), wie er beispielsweise von der Cedrat-Gruppe kommerziell erhältlich ist.
Eine Aktoreinheit, wie sie in 5 gezeigt ist, kann beispielsweise verwendet werden, um die einer Einlassöffnung und Auslassöffnung zugeordnete Membranabschnitte einer Mikropumpe in einem Zustand, in dem keine elektrische Energie zugeführt wird, in einem geschlossenen Zustand vorzuspannen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann eine solche Aktoreinheit verwendet werden, um die Membran eines Ventils, das lediglich einen Membranabschnitt aufweist, vorzuspannen, um eine Durchlassöffnung des Ventils zu schließen. Wiederum alternativ können die Membranabschnitte, die allen drei Fluidkammern einer peristaltischen Pumpe zugeordnet sind, jeweils durch ein entsprechendes Aktor-Element vorgespannt werden.
Das in 5 gezeigte Aktor-Element umfasst einen Piezostapel-Aktor 100, der durch Anlegen einer Spannung ausgefahren werden kann, wie durch entsprechende Pfeile in 5 angezeigt ist. Ein federnder Umlenkbügel 102 ist auf die in 5 gezeigte Weise vorgesehen, der eine Ausdehnung des Piezo-Aktors 100 in x-Richtung in eine Bewegung eines Abschnitts 102a des Umlenkbügels in z-Richtung umsetzt. Das Aktor-Element, das in 5 gezeigt ist, kann derart bezüglich eines zugeordneten Membranabschnitts positioniert werden, das es im unbetätigten Zustand den Membranabschnitt in einen vorgespannten Zustand bringt. Auf das Anlegen einer Spannung an den Piezo-Aktor 110 hin dehnt sich dieser in x-Richtung aus und drückt den federnden Umlenkbügel 102 auseinander, so dass sich dieser in z-Richtung zusammenzieht, was zur Folge hat, dass sich der Abschnitt 102a in 5 nach oben bewegt, wodurch er ermöglicht, dass sich der vorgespannte Membranabschnitt durch seine Elastizität in einen weniger vorgespannten Zustand zurückkehrt, indem die zugeordnete Durchlassöffnung nicht verschlossen ist.
Somit kann gemäß dem in 5 gezeigten Aktor-Element der Funktionsmechanismus des selbst-blockierten Zustands über einen federnden Umlenkbügel 102a implementiert werden, in dessen Mitte ein Piezo-Aktor 100 sitzt. Durch die Verwendung eines solchen Aktor-Elements ist eine weitere Reduzierung der Größe der Fluidikvorrichtung, wie z. B. des Ventils oder der Pumpe, möglich. Im Ruhezustand ist der Umlenkbügel 102 in z-Richtung maximal ausgelenkt, da der Piezo-Stapel 100 minimal ausgelenkt ist und kann die Pumpe normal-geschlossen halten. Die Kraft, mit welcher die Durchlassöffnung selbst-blockierend gehalten wird, ist bei der Verwendung eines solchen Aktor-Elements, wie es in 5 gezeigt ist, über eine genaue Justage in z-Richtung einzustellen. Die Kraft, die von dem Umlenkbügel auf den Membranabschnitt zum Selbst-Blockieren aufgebracht wird, geht in potenzierter Form, da der Hebelarm die Auswirkung der Kraft verstärkt, der Maximalkraft des Piezo-Aktors und damit schlussendlich dem maximalen Stellweg verloren.
Oben wurden Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen die Membran im entspannten Zustand einen geraden Verlauf hat. Bei alternativen Ausführungsbeispielen kann die Membran im entspannten Zustand einen krummlinigen Verlauf aufweisen, beispielsweise einen solchen, wie er in 3a (dort jedoch für einen vorgespannten Zustand) gezeigt ist. Ausgehend von einem solchen Verlauf könnte die mechanische Vorspannungseinrichtung vorgesehen sein, um den gebogenen Membranabschnitt zum Schließen einer zugeordneten Durchlassöffnung in eine weniger gebogene Form vorzuspannen.
Neben den beschriebenen peristaltischen Mikropumpen kann die vorliegende Erfindung für jegliche Fluidikvorrichtung verwendet werden, bei der eine Durchlassöffnung normal-geschlossen sein soll, d. h. die ohne Anlegen einer Spannung selbst-blockierend sein soll. Beispiele solcher Fluidikvorrichtungen können beispielsweise Ventile, Mehrwegeschalter oder fluidische Verteiler sein.
Eine mögliche Implementierung eines Ventils mit einem Aufbau, der dem Aufbau der beschriebenen Ausführungsbeispiele einer Mikropumpe ähnlich ist, ist in den 6a und 6b gezeigt, wobei das Ventil gemäß 6a geöffnet und gemäß 6b geschlossen ist. Im Unterschied zu der Mikropumpe, wie sie in 3b gezeigt ist, ist bei dem Ventil gemäß den 6a und 6b lediglich die Pumpkammer 52 mit einem Einlasskanal 140 und einem Auslasskanal 142 fluidisch ver bunden, die in einem Ventilkörper 144 gebildet sind. Die Mündungen des Einlasskanals 140 und des Auslasskanals 142 in die Fluidkammer 52 stellen Durchlassöffnungen dar, die durch den der Fluidkammer 52 zugeordneten Wandungsabschnitt der Membran verschlossen werden können. Im unbetätigten Zustand, also ohne Zufuhr elektrischer Energie, drücken wiederum die Federn den Ventilkörper 144 nach oben, so dass die Wandungsabschnitte der Membran 72 in die zugeordneten Kammern ausgelenkt werden, wodurch die Durchflussöffnungen in der Fluidkammer 52 normal geschlossen sind. Zum Öffnen und Schließen des Ventils ist es hier lediglich notwendig, den Stößel 38 zu betätigen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen eines Ventils können die Stößel 40 und 36 durch stationäre Gegenhalteelemente gebildet sein.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen somit eine selbst-blockierende peristaltische Mikropumpe zur Dosierung flüssiger oder gasförmiger Medien, die eine steuerbare Aktor-Einheit, die aus mindestens zwei entlang einer Linie angeordneten Linearaktoren besteht, eine passiven Aktor-Einheit und ein Pumpengehäuse mit mindestens zwei Pumpkammern, die jeweils durch elastische Pumpmembranen begrenzt sind und zwei Anschlüsse für Einlass und Auslass aufweisen, aufweist, wobei im Ruhezustand die passive Aktor-Einheit gegen die steuerbare Aktor-Einheit gedrückt wird und hierbei die elastische Pumpmembrane derart in die Pumpkammern ausgelenkt werden, dass mindestens einer der Anschlüsse ohne Energieverbrauch verschlossen ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Anordnung von mindestens zwei Kavitäten, welche untereinander und nach außen durch Fluidleitungen verbunden sind und die von mindestens einer Seite durch eine auslenkbare Wandung in ihrem Volumen dahingehend reduziert werden können, dass die Wandung die Fluidleitung nach außen verschließt, wobei die beiden Wandungen im nicht-aktiven Zustand aufgrund einer äußeren Krafteinwirkung immer komplett ausgelenkt sind, und bei einer Abfolge von Verringerungen der Auslenkungen der beiden Wandungen ein gerichteter Fluidstrom von außen durch die beiden Kavitäten resultiert.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Fluidikvorrichtungen sind vorteilhaft dahingehend, dass sie selbst-blockierend sein können, eine Austauschbarkeit der mit den Fluiden kontaminierten Pumpengehäusen ermöglichen können und darüber hinaus eine Adaptierbarkeit der Förderrate durch speziell angepasste Pumpengehäuse in Verbindung mit einem kostengünstigen Betrieb bieten.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen, dass im ausgeschalteten Zustand einer Pumpe ein Volumenstrom in beiden Förderrichtungen unterbunden ist, ohne dass hierbei elektrische Energie verbraucht wird. Ausführungsbeispiele können dies gewährleisten, selbst wenn auf Einlassseite oder Auslassseite ein Überdruck anliegt. Somit eignet sich die vorliegende Erfindung für Anwendungen in einer Vielzahl von Bereichen, beispielsweise im Bereich der Medizintechnik, um eine unkontrollierte Abgabe von Medikamenten aus einem Reservoir im ausgeschalteten Zustand der Mikropumpe oder auch bei einem Störfall, wie beispielsweise einem leeren Akku, zuverlässig verhindern zu können. Bei den erfindungsgemäßen Fluidikvorrichtungen ist der selbst-blockierende Zustand rein passiv und kann durch einen Federmechanismus generiert werden, wodurch im Ruhezustand der Mikropumpe keine elektrische Energie verbraucht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005038483 B3 [0005]
- DE 102006028986 A1 [0005]
- DE 10048376 C2 [0006]
- US 6736370 B1 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- D. J. Laser und J. G. Santiago, „A Review of Micropumps”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 14 (2004), Seiten 35–64 [0003]
- B. D. Iverson und S. V. Garimella, ”Recent Avances in Microscale Pumping Technologies: A Review and Evaluation”, Microfluidics and Nanofluidics, online first, 2008, DOI 10.1007/s10404-008-0266-8, S. 145–S. 175 [0003]
- Van Lintel H. T. G., „A Piezoelectric Micropump Based an Micromachining of Silicon”, Sensors and Actuators, 15 (1988), Seiten 153–167 [0007]

Claims

Fluidikvorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer normal-geschlossenen Durchlassöffnung (60); einer flexiblen Wandung (72a), die in einem vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung (60) verschließt und in einem weniger vorgespannten Zustand, die Durchlassöffnung (60) nicht verschließt; einer mechanischen Vorspannungseinrichtung (74, 76, 78, 80a, 80b), die ausgebildet ist, um die flexible Wandung (72a) in den vorgespannten Zustand zu bringen; und einer Aktor-Einheit (30, 36), die betreibbar ist, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zu bringen, wobei die mechanische Vorspannungseinrichtung (74, 76, 78, 80a, 80b) ausgebildet ist, um von einer der flexiblen Wandung (72a) abgewandten Seite der Durchlassöffnung (60) eine Kraft auszuüben, durch welche die flexible Wandung (72a) gegen ein Gegenelement (36) gedrückt wird, wodurch die flexible Wandung in den vorgespannten Zustand gebracht wird.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 1, bei der die flexible Wandung (72a) eine elastische Wandung ist, die durch ihre Elastizität von dem vorgespannten in den weniger vorgespannten Zustand zurückkehren kann.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Gegenelement Teil der Aktor-Einheit ist oder durch die Aktor-Einheit bewegbar ist.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 3, bei der das Gegenelement (36) durch die Aktor-Einheit (30) bewegbar ist, um zumindest einen Abschnitt eines Körpers (12), der die Durchlassöffnung (60) und die flexible Wandung (72a) aufweist, gegen die Kraft der Vorspannungseinrichtung (74, 76, 78, 80a, 80b) in eine erste Richtung zu bewegen.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 4, die ferner Rückhaltemittel (38, 40) aufweist, um den Abschnitt des Körpers (12) nach der Bewegung in der ersten Richtung in der dadurch erreichten Position zu halten, wenn das Gegenelement (36) anschließend in eine zu der ersten Richtung entgegengesetzte zweite Richtung bewegt wird.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 5, bei der die Rückhaltemittel zumindest ein weiteres Gegenelement (38, 40) aufweisen, das ausgebildet ist, um mit dem Gegenelement (36) den Abschnitt des Körpers (12) in die erste Richtung zu bewegen.
Fluidikvorrichtung nach Anspruch 6, die zwei weitere Gegenelemente (38, 40) aufweist, die durch weitere Aktoreinheiten (32, 34) bewegbar sind, die ausgebildet sind, um flexible Wandungen (72b, 72c), die einer Pumpkammer (52) einer peristaltischen Pumpe und einer weiteren Durchlassöffnung (64) zugeordnet sind, zu betätigen.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die Rückhaltemittel zumindest ein stationäres Gegenelement (88a, 88b) aufweisen, so dass durch die Bewegung des Abschnitts des Körpers (12) ein Verkippen des Körpers (12) stattfindet.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei dem die mechanische Vorspannungseinrichtung eine Feder, einen O-Ring oder eine elastische Schicht aufweist.
Fluidikvorrichtung mit folgenden Merkmalen: einer normal-geschlossenen Durchlassöffnung (60); einer flexiblen Wandung (72a), die in einem vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung (60) verschließt und in einem weniger vorgespannten Zustand, die Durchlassöffnung (60) nicht verschließt; einer mechanischen Vorspannungseinrichtung (74, 76, 78, 80a, 80b), die ausgebildet ist, um die flexible Wandung (72a) in den vorgespannten Zustand zu bringen; und einer Aktor-Einheit (30, 36), die betreibbar ist, um die flexible Wandung in den weniger vorgespannten Zustand zu bringen, wobei die flexible Wandung (72a) eine elastische Wandung ist, die durch ihre Elastizität von dem vorgespannten in den weniger vorgespannten Zustand zurückkehren kann, und wobei die mechanische Vorspannungseinrichtung einen federnden Umlenkbügel (102) aufweist, der ausgebildet ist, um eine Vorspannungskraft in einer ersten Richtung zu liefern, um die elastische Wandung in den vorgespannten Zustand vorzuspannen, und um eine durch die Aktor-Einheit (100) bewirkte Bewegung in einer zweiten Richtung in eine Bewegung in der ersten Richtung umzusetzen, so dass die elastische Wandung in den weniger vorgespannten Zustand gebracht wird.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Aktor-Einheit (30; 100) ein Piezostapel-Aktor ist.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Durchlassöffnung (60) in einer Fluidkammer (50) angeordnet ist, und bei der die flexible Wandung (72a) in dem vorgespannten Zustand in die Fluidkammer (50) ausgelenkt ist.
Fluidikvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die flexible Wandung einen Vorsprung aufweist, der im vorgespannten Zustand die Durchlassöffnung verschließt.
Pumpe mit zwei Fluidikvorrichtungen nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Durchlassöffnung (60) einer ersten der Fluidikvorrichtungen eine Einlassöffnung der Pumpe ist, und wobei die Durchlassöffnung (64) einer zweiten der Fluidikvorrichtungen eine Auslassöffnung der Pumpe ist.
Pumpe nach Anspruch 14, bei der zwischen der Einlassöffnung (60) und der Auslassöffnung (64) eine Pumpkammer (52) angeordnet ist, an die eine weitere betätigbare flexible Wandung (72b) angrenzt, so dass durch eine zeitlich gesteuerte Betätigung der den Durchlassöffnungen (60, 64) zugeordneten flexiblen Wandungen (72a, 72c) und der der Pumpkammer (52) zugeordneten flexiblen Wandung (72b) eine peristaltische Pumpwirkung von der Einlassöffnung (60) zu der Auslassöffnung (64) bewirkbar ist.
Pumpe nach Anspruch 15, die einen Pumpenkörper (46) mit einer ersten Oberfläche aufweist, in der eine Einlasskammer (50), in der die Einlassöffnung (52) gebildet ist, eine Auslasskammer (54), in der die Auslassöffnung (64) gebildet, und eine Pumpkammer (52) gebil det sind, wobei die Pumpkammer (52) fluidisch zwischen die Einlasskammer (50) und die Auslasskammer (54) geschaltet ist, wobei die flexiblen Wandungen durch die Kammern bedeckende Membranabschnitte (72a, 72b, 72c) gebildet sind.
Pumpe nach einem der Ansprüche 14 bis 16, bei der der Pumpenkörper (46) und die Membranabschnitte (72a, 72b, 72c) ein Einwegpumpenmodul bilden, und wobei die Aktor-Einheiten und die Vorspannungseinrichtungen Teile von Mehrwegeinheiten sind, mit denen das Einwegpumpenmodul austauschbar verbindbar ist.