DE102012101861A1

DE102012101861A1 - Micropump, has housing with inlet region and outlet region, and electrical operated excitation element for creation of movement of movable membrane, and gas-permeable and liquid-impermeable fabric arranged over inlet region

Info

Publication number: DE102012101861A1
Application number: DE201210101861
Authority: DE
Inventors: Heinrich Probst; Tobias Tyroller; Bert Lindner; Björg Haupt; Thomas Götz
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2012-03-06
Filing date: 2012-03-06
Publication date: 2013-09-12

Abstract

The micropump has a housing including an inlet region (21), an outlet region (23), a cavity (32) with a movable membrane (33) and an electrically operated excitation element (1) for moving the movable membrane. A gas-permeable liquid-impermeable fabric (4) is arranged over the inlet region. The excitation element and the movable membrane are mechanically connected with the fabric. The fabric in the inlet region is arranged parallel to the movable membrane whose angle is smaller than maximum angle. An independent claim is also included for a method for operating a micropump.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb. The invention relates to a micropump according to the preamble of claim 1 and a method for its operation.

Mikropumpe bestehen aus einem Gehäuse mit einem Ansaugbereich und einem Ausströmbereich sowie einem Hohlraum mit einer beweglichen Membran. Zudem ist ein elektrisch betriebenes Anregungselement, beispielsweise ein piezoelektrisches Kristall oder miniaturisierter Elektromagnet, zur Erzeugung einer Bewegung der Membran vorgesehen. Die Bewegung der Membran führt im Inneren des Hohlraums zu einem Wechsel von Unterdruck und Überdruckzuständen und wird durch entsprechende Ausrichtung der Öffnungen im Hohlraum sowie des Ausströmbereichs unter Ausnutzung von Strömungseffekten eine Pumpleistung erreicht, welche für eine Reihe von Anwendungen ausreichend ist. Solche Mikropumpen werden beispielsweise durch die Firma Murata angeboten und in der Anmeldung EP 2090781 A1 oder EP 2306018 A1 beschrieben, ist die Anmeldung jedoch nicht auf diese Mikropumpen beschränkt. Micropumps consist of a housing with a suction area and an outflow area and a cavity with a movable membrane. In addition, an electrically driven excitation element, such as a piezoelectric crystal or miniaturized electromagnet, is provided for generating a movement of the membrane. The movement of the membrane leads to a change of negative pressure and overpressure states in the interior of the cavity and, by appropriate alignment of the openings in the cavity and of the outflow region by utilizing flow effects, a pumping capacity is achieved which is sufficient for a number of applications. Such micropumps are offered for example by the company Murata and in the application EP 2090781 A1 or EP 2306018 A1 However, the application is not limited to these micropumps.

Mikropumpe in sind jedoch aufgrund der miniaturisierten Abmaße störanfällig gegenüber Staub, Flüssigkeiten und ähnlichem, was in den doch relativ kleinen Strömungskanälen und im Hohlraum festsetzen und diese verengen bzw. ganz verschließen kann. However, due to the miniaturized dimensions, micropumps are susceptible to interference with dust, liquids and the like, which can settle in the relatively small flow channels and in the cavity and narrow or completely close them.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Mikropumpe sowie ein Verfahren für dessen Betrieb anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind. The object of the present invention is therefore to provide an improved micropump and a method for its operation. This object is solved by the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims, wherein combinations and developments of individual features are conceivable with each other.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass über dem Ansaugbereich ein gasdurchlässiges, aber flüssigkeitsundurchlässiges Gewebe angeordnet ist. An essential idea of the invention is that a gas-permeable, but liquid-impermeable fabric is arranged above the suction area.

So ist mittlerweile Gewebematerial verfügbar, welches beispielsweise mit einer Dicke von einigen Hundert Mikrometer und einer Porengröße im einstelligen Mikrometer-Bereich luftdurchlässig und zugleich wasserdicht ist, vorzugsweise zudem oleophob und hydrophob (Öl und Wasser abweisend). For example, tissue material is now available which, for example, with a thickness of a few hundred micrometers and a pore size in the single-digit micrometer range is permeable to air and at the same time waterproof, preferably also oleophobic and hydrophobic (oil and water repellent).

So wird solches Gewebematerial beispielsweise von den Firmen Gore und Schreiner als Druckausgleichselemente für Steuergeräte in Kraftfahrzeugen angeboten. Während jedoch zum Ausgleich von Druckunterschieden zwischen dem Inneren eines Steuergeräts und der Umgebung eine relativ geringe Luftdurchlässigkeit ausreicht, sind für Mikropumpen höhere Luftdurchlässigkeiten erforderlich, um nicht die eh geringe Pumpleistung der Mikropumpe schon beim Ansaugen zu verlieren. Versuche haben jedoch gezeigt, dass mittlerweile das Gewebematerial so luftdurchlässig geworden ist, dass es wie ein Filter im Ansaugbereich verwendet werden kann und zudem die Verluste beim Durchströmen des Gewebes einerseits reduziert, andererseits zudem besonders vorteilhaft zu einer Selbstreinigung des Gewebes genutzt werden können. Aufgrund der geringen Porengröße des Gewebes ist nämlich auch das Gewebe selbst gefährdet, sich durch Staub, insbesondere in Kombination mit den von dem Gewebe zurückgehaltenen Wassertropfen zu verschließen. For example, such fabric material is offered by the companies Gore and Schreiner as pressure compensation elements for control units in motor vehicles. However, while a relatively low air permeability is sufficient to compensate for pressure differences between the interior of a control unit and the environment, higher air permeabilities are required for micropumps so as not to lose the already low pumping power of the micropump when sucking. Experiments have shown, however, that in the meantime the fabric material has become so permeable to air that it can be used as a filter in the intake and also reduces the losses when flowing through the fabric on the one hand, on the other hand also can be used to advantage for self-cleaning of the fabric. Because of the small pore size of the tissue namely the tissue itself is at risk to be closed by dust, especially in combination with the water droplets retained by the tissue.

Aus diesem Grund ist die bevorzugte Ausgestaltung vorgesehen, dass das Gewebe im Ansaugbereich schwingfähig angeordnet ist. Diese schwingfähige Anordnung ermöglicht, dass die maximalen Druckunterschiede im Ansaugbereich durch ein Schwingen des Gewebes, also jeweils eine entsprechende Ausgleichsbewegung dieses Gewebes reduziert werden. Zudem ermöglicht diese schwingfähige Anordnung, dass sich Staub oder Wassertropfen nicht permanent an dem Gewebe festsetzen können, sondern quasi immer wieder abgeschüttelt werden. Dieser selbstreinigende Effekt gleicht die Wirkungsgradverluste aufgrund des Luftwiderstands des Gewebes wieder aus. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen Anregungselement oder Membran einerseits und dem Gewebe andererseits kleiner als ein Sollwert, also wird das Gewebe so nah angeordnet, dass die sich auf der zum Hohlraum abgewandten Seite der Membran bzw. des Anregungselement ausbildenden Druckunterschiede unmittelbar auf das Gewebe einwirken können. Gerade dieses Pulsieren der Luftströmung kann ausgenutzt werden, um das Gewebe schwingen zu lassen. For this reason, the preferred embodiment is provided that the tissue is arranged vibrationally in the intake. This oscillatory arrangement enables the maximum pressure differences in the intake area to be reduced by a swinging of the fabric, that is to say in each case a corresponding compensation movement of this fabric. In addition, this oscillatory arrangement that dust or water droplets can not permanently attach to the tissue, but quasi be shaken off again and again. This self-cleaning effect compensates for the efficiency losses due to the air resistance of the tissue again. Preferably, the distance between the excitation element or membrane on the one hand and the tissue on the other hand is smaller than a desired value, so the tissue is placed so close that the on the side facing away from the cavity of the membrane or the excitation element pressure differences can act directly on the tissue. Just this pulsation of the air flow can be exploited to swing the tissue.

Das Gewebe ist zudem vorzugsweise im Ansaugbereich in einem Winkel kleiner einem Maximalwinkel, vorzugsweise parallel zu der beweglichen Membran angeordnet, so dass das Gewebe zumindest näherungsweise senkrecht zu der Luftströmung steht und so über die Fläche des Gewebes eine schwingende Ausgleichsbewegung erzeugt wird. In addition, the tissue is preferably arranged in the intake region at an angle smaller than a maximum angle, preferably parallel to the movable membrane, so that the tissue is at least approximately perpendicular to the air flow and thus an oscillating compensatory movement is generated over the surface of the tissue.

Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung das Anregungselement oder die bewegliche Membran mit dem Gewebe mechanisch verbunden sind, also durch deren Bewegung auch das Gewebe bewegt wird. Als mechanischer Verbindungselemente können dabei beispielsweise Federn, Gummiseile oder dergleichen eingesetzt werden. This effect can be enhanced by the excitation element or the movable membrane are mechanically connected to the tissue in a particularly preferred embodiment, so by the movement of which the tissue is moved. As mechanical fasteners, for example, springs, rubber cables or the like can be used.

Zudem ist vorzugsweise vorzusehen, dass der Ansaugbereich und/oder das Gewebe so im Ansaugbereich angeordnet sind, dass von dem schwingenden Gewebe abfallende Partikel nicht in den Ansaugbereich fallen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Neigung in Gewebe oder des gesamten Drucksensors erreicht werden. Zudem sollten Vorsprünge im Gehäuse oder ähnliche Ausformungen, an denen sich im Ansaugbereich vom Gewebe abfallende Partikel sammeln könnten, entsprechend vermieden werden. In addition, it is preferable to provide that the suction area and / or the tissue are arranged in the suction area, that of the Vibrating tissue falling particles do not fall into the intake. This can be achieved for example by a corresponding inclination in tissue or the entire pressure sensor. In addition, projections in the housing or similar formations, which could collect particles falling off the tissue in the suction area, should be avoided accordingly.

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im Folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sein. Es zeigen The invention will now be explained in more detail by means of exemplary embodiments with the aid of the figures. Hereinafter, for functionally identical and / or identical elements may be denoted by the same reference numerals. Show it

1: erstes Ausführungsbeispiel. 1 : first embodiment.

2: zweites Ausführungsbeispiel mit mechanische Kopplung. 2 : second embodiment with mechanical coupling.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Mikropumpe, bestehend aus einem Gehäuse (2) mit einem Ansaugbereich (21) und einem Ausströmbereich (23) sowie einem Hohlraum (32) mit einer beweglichen Membran (33) und einem elektrisch betriebenen Anregungselement (1) zur Erzeugung einer Bewegung der Membran (33). Mit weißen Pfeilen gezeigt ist dabei die Luftströmung vom Ansaugbereich 21 hin durch den Kanal 22 in den Hohlraum 32 und insbesondere zu dem Ausströmbereich 23 hin, wobei für diese Mikropumpen nicht allein dass durch den Hohlraum 32 aus gepresste Luftvolumen entscheidend ist, sondern bei diesem ausbrechen aus dem Hohlraum 32 zusätzliche Luft aus dem Kanal 22 An gesaugt und unmittelbar in den Ausströmbereich 23 geleitet und so das Luftvolumen bzw. der Druck weiter erhöht wird. Für die Funktionsweise solcher Mikropumpen wird ausdrücklich auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen. 1 shows a first embodiment of such a micropump, consisting of a housing ( 2 ) with a suction area ( 21 ) and a discharge area ( 23 ) and a cavity ( 32 ) with a movable membrane ( 33 ) and an electrically driven excitation element ( 1 ) for generating a movement of the membrane ( 33 ). The air flow from the intake area is shown with white arrows 21 through the canal 22 in the cavity 32 and in particular to the outflow area 23 not only for those micropumps that through the cavity 32 From pressed air volume is crucial, but in this break out of the cavity 32 additional air from the canal 22 To be sucked and directly into the outflow area 23 directed and so the air volume and the pressure is further increased. For the operation of such micropumps, reference is expressly made to the prior art mentioned above.

Durch das Gewebe 4 wird sichergestellt, dass weder Staub noch Flüssigkeiten in die Mikropumpe eindringen können und sich womöglich noch im Kanal 22 oder im Hohlraum 32 festsetzen können. Allein schon diese Schutzfunktion rechtfertigt die Verwendung eines solchen Gewebes 4. Through the tissue 4 ensures that neither dust nor liquids can penetrate into the micropump and possibly still in the channel 22 or in the cavity 32 can fix. This protective function alone justifies the use of such a tissue 4 ,

In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise eine Membranfolie aus Acrylat-Copolymer vorgesehen mit einer Dicke von beispielsweise 200 μm (±100 μm) und einer Porengröße zwischen 2 und 4 μm. In this embodiment, for example, a membrane sheet of acrylate copolymer is provided with a thickness of for example 200 microns (± 100 microns) and a pore size between 2 and 4 microns.

Dabei kann ein Luftdurchsatz > 3.000 ml/min/cm2 bei einem Druckunterschied von 70 mbar erreicht werden, wobei der Wassereintrittspunkt mit größer 200 mbar hinreichend Sicherheitsabstand lässt, so dass das Gewebe als praktisch flüssigkeitsdicht betrachtet werden kann. Durch die Flächengröße des Gewebes wird also unmittelbar der Luftdurchsatz wesentlich mitbestimmt und eignet sich ein solches Gewebe für den großflächigen Ansaugbereich der hier gezeigten Mikropumpen besonders gut. Gewebe mit solchen Leistungseigenschaften bieten beispielsweise die Firmen Schreiner und Gore mittlerweile serienmäßig an. In this case, an air flow> 3,000 ml / min / cm2 can be achieved at a pressure difference of 70 mbar, with the water entry point with more than 200 mbar sufficient safety distance, so that the tissue can be considered practically liquid-tight. Due to the area size of the tissue, the air flow rate is thus significantly influenced directly and such a tissue is particularly well suited for the large-area intake area of the micropumps shown here. For example, the companies Schreiner and Gore offer fabrics with such performance characteristics as standard.

Dieses Gewebes kann selbstklebend mit einem Klebeband bereits versehen gekauft werden und über den Ansaugbereich 21 der Mikropumpe geklebt werden. This fabric can be bought self-adhesive with a tape already provided and over the intake area 21 be glued to the micropump.

Nachfolgend soll auf den besonderen, selbstreinigenden Effekt näher eingegangen werden, welcher für die besonderen Ausgestaltungen der Erfindung prägend, wenngleich für die in Anspruch 1 geschützte Lehre noch nicht zwingend erforderlich ist. Below is to be discussed in more detail on the special, self-cleaning effect, which is for the particular embodiments of the invention formative, albeit not mandatory for the teaching protected in claim 1.

Durch schwarze Pfeile gekennzeichnet sind die sich mechanisch bewegenden Teile, nämlich die durch das Anregungselement 1 bewegte Membran 33 sowie das sich im Ansaugbereich 21 bewegende Gewebe 4. Marked by black arrows are the mechanically moving parts, namely those through the excitation element 1 moving membrane 33 as well as in the intake area 21 moving tissues 4 ,

Das Gewebe (4) ist im Ansaugbereich (21) schwingfähig angeordnet, das heißt beispielsweise an den umlaufenden Rändern befestigt, aber zugleich über die Fläche hin schwingfähig, wie durch den schwarzen Pfeil F4 skizziert. The tissue ( 4 ) is in the intake area ( 21 ) arranged oscillatory, that is, for example, attached to the peripheral edges, but at the same time oscillating over the surface, as sketched by the black arrow F4.

Die Bewegung F4 des Gewebes 4 entsteht dabei in diesem Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Gewebe 4 nahe an dem Anregungselement 1 wie auch der bewegten Membran 33 angeordnet sind, also der Abstand zwischen Anregungselement oder Membran einerseits und dem Gewebe (4) andererseits kleiner als ein vorgegebener Sollwert ist. The movement F4 of the tissue 4 arises in this embodiment in that the tissue 4 close to the excitation element 1 as well as the moving membrane 33 are arranged, so the distance between the excitation element or membrane on the one hand and the tissue ( 4 ) On the other hand, smaller than a predetermined setpoint.

Die Größe dieser Sollwert hängt natürlich von den jeweiligen Bedingungen der Anwendung ab, wird also beispielsweise in Abhängigkeit des gewählten Gewebes 4 und der Leistung der Mikropumpe angepasst. Of course, the size of this setpoint depends on the particular conditions of the application, for example, depending on the selected fabric 4 and adapted to the performance of the micropump.

Für die Wirkungsweise der Erfindung ist es jedoch unerheblich, ob eventuell auch nur eines der beiden Elemente, also Anregungselement 1 oder die bewegte Membran 33 in der Nähe angeordnet sind. Es geht einzig um die Druckunterschiede im Ansaugbereich 21, welche auf das Gewebe 4 wirken und die Bewegung F4 erzeugen. For the operation of the invention, however, it is irrelevant, if possibly even only one of the two elements, ie excitation element 1 or the moving membrane 33 are arranged nearby. It is only about the pressure differences in the intake 21 , which affect the tissue 4 act and generate the movement F4.

Das Gewebe (4) ist dabei auch im Ansaugbereich (21) in einem Winkel kleiner einem Maximalwinkel, hier parallel zu der beweglichen Membran (33) angeordnet, so dass eine besonders gute Wirkung erreicht wird. The tissue ( 4 ) is also in the intake area ( 21 ) at an angle smaller than a maximum angle, here parallel to the movable membrane ( 33 ), so that a particularly good effect is achieved.

Die 2 zeigt nun noch eine Ausgestaltung, bei der diese Wirkung noch weiter verstärkt wird, indem hier das Anregungselement (1) über ein Federelement 5 mit dem Gewebe (4) mechanisch verbunden ist und so durch das Anregungselement 1 nicht nur die Membran 33, sondern eben auch zusätzlich das Gewebe 4 in Schwingung versetzt wird. Natürlich könnte man auch gleichwirkend eine mechanische Verbindung zwischen der beweglichen Membran (33) und dem Gewebe (4) schaffen. The 2 now shows an embodiment in which this effect is further enhanced by the excitation element ( 1 ) via a spring element 5 with the tissue ( 4 ) is mechanically connected and so by the excitation element 1 not just the membrane 33 but also additionally the tissue 4 is vibrated. Of course, one could also apply a mechanical connection between the movable membrane ( 33 ) and the tissue ( 4 ) create.

Um den Reinigungseffekt durch die Schwingungen des Gewebes weiter zu erhöhen, kann zudem vorgesehen sein, dass zu vorgegebenen Zeitpunkten, also in der Regel kurzzeitig, die Amplitude der elektrischen Anregung des Anregungselements erhöht wird. Dabei könnte man sogar über die Dauerbelastungsgrenze kurzzeitig hinausgehen, d.h. eine Amplitude bzw. Druckpegel verwenden, welcher für den Dauerbetrieb der Mikropumpe nicht zu gelassen ist. In order to further increase the cleaning effect due to the vibrations of the tissue, it can also be provided that the amplitude of the electrical excitation of the excitation element is increased at predetermined times, that is usually for a short time. One could even go beyond the long-term benefit limit, i. E. use an amplitude or pressure level, which is not allowed for the continuous operation of the micropump.

Ergänzend dazu oder auch als Alternative ist ebenfalls denkbar, dass zu vorgegebenen Zeitpunkten die Frequenz der elektrischen Anregung des Anregungselements verändert, vorzugsweise eine gegenüber der üblicher Weise verwendeten Grundschwingungsmode erhöhten Schwingungsmode eingestellt, also eine Oberwellenschwingung der Membran verwendet wird, um einen Reinigungsimpuls auf das Gewebe auszuüben. Die Membran 33 als schwingendes System wird üblicherweise exakt mit deren Grundschwingungsmode angeregt. Wählt man eine andere Frequenz, kommt es zu einer Verstimmung. Wählt man eine Frequenz einer höheren Schwingungsmode, entstehen Oberwellen. Diese Schwingungen werden in der Regel den Druckluftausstoß der Mikropumpe eher reduzieren, können aber evt. das Gewebe 4 deutlich stärker anregen, zumal dessen Resonanzfrequenz ja in der Regel deutlich von jener der Membran abweicht. So könnte die Amplitude der Anregung erhöht werden, ohne dass der Luftdruck der Mikropumpe sich gleichzeitig erhöht. Um diese Anregung von höheren Schwingungsmoden als der Grundschwingungsmode der Membran 33 zu erreichen ist auch denkbar, die elektrischen Kontaktflächen des vorzugsweise als Piezokristall ausgebildeten Anregungselements 1 zu unterteilen und für diese Reinigungszeitpunkte asymmetrisch anzusteuern. In addition to this or as an alternative, it is also conceivable that the frequency of the electrical excitation of the excitation element changes at predetermined times, preferably set an oscillation mode that is higher than the usual mode, ie a harmonic oscillation of the membrane is used to exert a cleaning pulse on the tissue , The membrane 33 as a vibrating system is usually excited exactly with their fundamental mode. If you choose a different frequency, it comes to a mood. If one chooses a frequency of a higher vibration mode, harmonics arise. These vibrations will tend to reduce the compressed air output of the micropump rather, but may be the tissue 4 stimulate much stronger, especially since the resonant frequency yes, in general, deviates significantly from that of the membrane. Thus, the amplitude of the excitation could be increased without the air pressure of the micropump increases simultaneously. To this excitation of higher vibrational modes than the fundamental mode of the membrane 33 It is also conceivable to achieve the electrical contact surfaces of the excitation element, which is preferably designed as a piezoelectric crystal 1 to subdivide and to control asymmetrically for these cleaning times.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

EP 2090781 A1 [0002]
EP 2306018 A1 [0002]

Claims

Micropump consisting of a housing ( 2 ) with a suction area ( 21 ) and a discharge area ( 23 ) and a cavity ( 32 ) with a movable membrane ( 33 ) and an electrically driven excitation element ( 1 ) for generating a movement of the membrane ( 33 ), characterized in that above the intake area ( 21 ) a gas-permeable, but liquid-impervious fabric ( 4 ) is arranged.

Micropump according to claim 1, characterized in that the tissue ( 4 ) in the intake area ( 21 ) is arranged vibrationally.

Micropump according to one of the preceding claims, characterized in that the distance between the excitation element or membrane on the one hand and the tissue ( 4 ) On the other hand, smaller than a target value.

Micropump according to one of the preceding claims, characterized in that the tissue ( 4 ) in the intake area ( 21 ) is arranged at an angle smaller than a maximum angle, preferably parallel to the movable diaphragm.

Micropump according to one of the preceding claims, characterized in that the excitation element ( 1 ) or the movable membrane ( 33 ) with the tissue ( 4 ) are mechanically connected.

Micropump according to one of the preceding claims, characterized in that the intake area ( 21 ) and / or the tissue ( 4 ) are arranged in the suction region that of the vibrating tissue ( 4 ) falling particles are not directly in front of the tissue ( 4 accumulate).

Method for operating a micropump according to one of the preceding claims, characterized in that at predetermined times the amplitude of the electrical excitation of the excitation element is increased in order to exert a cleaning pulse on the tissue.

Method for operating a micropump according to one of the preceding claims, characterized in that at predetermined times the frequency of the electrical excitation of the excitation element ( 1 ), preferably a frequency of one compared to the fundamental mode of the membrane ( 33 ) higher vibrational mode is used to provide a cleaning pulse on the tissue ( 4 ) exercise.