DE19718963C1

DE19718963C1 - Fluidmechanisches Steuerglied

Info

Publication number: DE19718963C1
Application number: DE1997118963
Authority: DE
Inventors: Joachim Prof Dr Ing Heinzl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-05-05
Filing date: 1997-05-05
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2017-05-06

Description

Durch die Erfindung soll das Problem gelöst werden, wie ein fluidmechanisches Steuerglied durch ein Magnetfeld gesteuert werden kann. Insbesondere soll es als Mikrodosierpumpe durch ein äußeres Magnetfeld so betrieben werden, daß genau dosierte Flüssigkeitsmengen gezielt gefördert werden können und die Fließverbindung im Ruhezustand unterbrochen ist. Solche Mikropumpen sind beispielsweise in Verbindung mit einem unter der Haut implantierbaren Reser voir wünschenswert, um Medikamente über längere Zeiträume gezielt gesteuert dosieren zu können.

Es sind Mikropumpen bekannt, die aus einem veränderbaren Hohlraum unter einer Membran und zwei passiven Ventilen bestehen. Als Antrieb zur Ver änderung des Hohlraums sind bisher verschiedene Aktoren bekannt: elektro statische Aktoren, piezoelektrische Aktoren und elektrothermische Aktoren. Diese Aktoren benötigen jeweils eine elektrische Energieversorgung mit mehr oder weniger großen Spannungen. Es sind auch bereits magnetostriktive Aktoren als Antrieb für Mikropumpen aus einer Ankündigung in der F 1/1997, S. 6 bekannt, die durch eine äußeres Magnetfeld aktiviert werden können. Die passiven Ventile werden bei diesen Mikropumpen durch Klappen gebildet, die auf einer Öffnung aufliegen. Diese Klappen öffnen sich bei Durchströmung in einer Richtung. Bei der Strömung in der Gegenrichtung wird die Klappe von der Strömung auf die Öffnung gedrückt und verschließt diese. Mikropumpen dieser Bauart benötigen ein zusätzliches steuerbares Absperrventil, wenn sie auch gegen den Druck aus dem Vorratsgefäß die Strömung unterbinden sollen. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Mikropumpen ist darin zu sehen, daß der veränderbare Hohlraum wegen der passiven Ventile nicht beliebig verkleinert werden kann und deshalb immer ein Restvolumen des zu fördernden Fluids enthält. Gasblasen im Hohlraum können deshalb die Inbetriebnahme und die Funktion der Pumpe gefährten.

Aus der Literatur ist eine Vielzahl von aktiven Ventilen bekannt, bei denen der Anker eines Elektromagneten als Sperrglied dient. In DE 195 23 915 A1 ist ein Mikroventil beschrieben, bei dem ein Sperrglied mit einem Anker aus Weicheisen durch eine elektromagnetische Spule bewegt wird. Aus DE 44 26 573 A1 ist ein Ventil bekannt, bei dem das Sperrglied mit einem Permanentmagneten verbunden ist und durch eine elektromagnetische Spule bewegt werden kann, die in das Ventilgehäuse eingebaut ist. In DE 39 10 086 C2 wird ein Ventilsystem beschrieben, bei dem Schläuche durch die Anker von Elektromagneten gesteuert abgequetscht werden können. In DE 41 23 091 C2 wird ein Ventil für eine Infusionspumpe beschrieben, bei dem ein permanentmagne tischer Anker, geführt durch zwei Membranen und gesteuert durch eine Spule als Sperrglied dient. Bei all diesen Ventilen ist die Spule starr mit dem Gehäuse verbunden und es sind elektrische Leitungen zum Zuführen der Schaltenergie in das Ventilgehäuse erforderlich.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein fluidmechanisches Steuerglied zu schaffen, das gesteuerte Ventile enthält, einen eindeutige Ruhezustand aufweist, in ein implantierbares Reservoir integriert werden kann und das steuerbar ist, ohne daß elektrische Leitungen zum implantierten Steuerglied erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Gesteuerte Ventile werden durch Sperrglieder realisiert, die mit einem Permanentmagneten verbunden sind und durch das Magnetfeld eines Elektromagneten betätigt werden können. Die Sperrglieder sind in einer Membran gelagert, die zwei Endstellungen zuläßt: Angehoben von Zu- und Ablauf, so daß ein endliches Kammervolumen entsteht und eine Fließverbindung zwischen Zu- und Ablauf besteht; und angelegt, so daß das Kammervolumen gegen Null geht und die Fließverbindung zwischen Zu- und Ablauf unterbrochen ist.

Das fluidmechanische Steuerglied mit einer Kammer kann als Absperrventil benutzt werden, um das Austreten des Fluids aus einem Reservoir mit Überdruck zu kontrollieren, oder als Pumpe mit einer Vorzugsrichtung, wenn zwischen Zu- und Ablauf kein Druckunterschied besteht. Mit zwei Kammern kann als Absperrventil und als Dosierpumpe in beide Richtungen auch bei Druckunterschieden zwischen Zu- und Ablauf dienen. Durch die gesteuerten Ventile und die Gestaltung der Kammern ist diese Dosierpumpe selbstansaugend und selbstentgasend.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein fluidmechanisches Steuerglied mit einer Kammer,

a) einen Schnitt durch Grund- und Deckplatte,
b) die Draufsicht auf die Deckplatte und
c) die Draufsicht auf die Grundplatte;

Fig. 2 ein fluidmechanisches Steuerglied mit zwei Kammern,

Fig. 3 eine implantierbare Dosierpumpe und die Betätigungseinheit.

Die Kammer 1 in Fig. 1 wird durch die Grundplatte 2 und Deckplatte 3 eingeschlossen. Das Kammervolumen ändert sich durch Verformung der Mem bran 8, die das Sperrglied 4 trägt. Zulauf 5 und Ablauf 6 sind in der Grundplatte 2 eingelassen und enden jeweils in der Kammer 1. Sie sind dort durch einen Steg 10 getrennt. Wenn das Sperrglied 4 am Steg 10 anliegt, ist die Fließverbindung zwischen Zulauf 5 und Ablauf 6 unterbrochen. Wenn er dagegen abhebt besteht die Fließverbindung. Das Sperrglied 4 ist mit dem Permanentmagneten 7 verbunden. Solange kein zusätzliches äußeres Magnetfeld auf das Steuerglied einwirkt, überwiegen die magnetischen Anziehungskräfte zwischen Permanentmagnet 7 und dem Weicheisen 9, und der Permanentmagnet 7 hält das Sperrglied 4 in seiner geschlossenen Ruhelage. Durch die Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes, welches beispielsweise durch einen hier nicht dargestellten Elektromagneten erzeugt wird, kann das Sperrglied 4 abgehoben und die Fließverbindung zwischen Zulauf 5 und Ablauf 6 gezielt zugelassen werden.

Das fluidmechanische Steuerglied in Fig. 2 enthält zwei Kammern, 21 und 41. Die Grundplatte 22 und die Deckplatte 23 schließen die beiden Kammern ein. Die beiden Sperrglieder 24 und 44 sind durch die Membranen 28 und 48 mit Rest der Deckplatte 23 verbunden. Der Zulauf 25 ist mit einem Sperrgitter 31 versehen. Der Ablauf 26 der Kammer 21 geht unmittelbar in den Zulauf 45 zu Kammer 41 über. Beide zusammen bilden den Verbindungskanal 36. Der Strömungswiderstand durch den Verbindungskanal 36 ist erheblich niedriger als der Strömungswiderstand durch den Zulauf 25 oder durch den Ablauf 46. Der Ablauf 46 führt durch ein prismatisches Anschlußstück 39 mit vieleckigem Querschnitt, das das Befestigen eines Schlauchendes ermöglicht. Die Permanentmagneten 27 und 47, die mit den Sperrgliedern 24 und 44 verbunden sind, weisen einander entgegengesetzte Magnetisierungsrichtungen auf. In der Ruhestellung, bei der kein äußeres Magnetfeld einwirkt, werden beide Sperrglieder auf die Grundplatte gedrückt und verschließen Zu- und Ablauföffnung. Im Feld eines Elektromagneten wird je nach Flußrichtung das eine oder das andere Sperrglied angehoben. Dadurch kann Fluid gefördert werden. Durch das Anheben des Sperrgliedes 24 füllt sich die Kammer 21 mit Fluid. Da gleichzeitig das Sperrglied 44 anliegt, wird das Fluid nur durch den Zulauf 25 angesaugt. Wird nun das äußere Magnetfeld umgekehrt, so saugt die Kammer 41 die Kammer 21 leer. Wird nun das äußere Feld abgeschaltet, so drückt das Sperrglied 44 das Fluid in den Ablauf 46. Der Hub der beiden Sperrglieder 24 und 44 ist jeweils durch einen mechanischen Anschlag 35 begrenzt, so daß die bei einem solchen Förderzyklus geförderte Fluidmenge klar begrenzt und definiert ist. Der Förderzyklus wird wiederholt, bis die gewünschte Menge gefördert ist. Soll die Förderung in die Gegenrichtung erfolgen, so muß nur die Reihenfolge, in der die Sperrglieder bewegt werden umgekehrt werden. Der Elektromagnet, der das äußere Magnetfeld erzeugt, kann entfernt werden, wenn keine weitere Förderung erfolgen soll. So wird es möglich, das Steuerglied als Dosierpumpe unter der Haut zu implantieren und den Elektromagneten nur dann auf er Haut aufzusetzen, wenn Fluid gefördert werden soll. Die beiden Permanentmagneten 37 und 38 sind so angeordnet, daß beim Betrieb des Elektromagneten keine resultierenden Kräfte und Momente auf das Steuerglied auftreten.

Zum Aufbau eines solchen Steuergliedes bietet sich für Grund- und Deckplatte <100<-Silizium an, das durch anisotropes Ätzen strukturiert wird. Die Kanäle in der Grundplatte lassen sich als V-förmige Gräben ausbilden. Die Membran und Sperrglied der Deckplatte lassen sich ebenfalls durch anisotropes Ätzen bis zu einer Ätzstopschicht herstellen. Die konvexen Ecken sind dabei durch Opferstrukturen zu schützen. Das Fügen der beiden Schichten kann durch anodisches Bonden erfolgen.

In Fig. 3 ist die unter die Haut 66 implantierte Dosierpumpe dargestellt. Das fluidmechanische Steuerglied 60 ist in ein Gehäuse 61 eingebaut. Das das Medikamentenreservoir 62 ist durch eine Membran 63 abgeschlossen, die ein veränderliches Volumen einschließen kann. Durch einen Kunststoffpfropfen 64 kann das Reservoir 62 mit einer Injektionsnadel nachgefüllt werden. Vom Ablauf 46 des Steuergliedes 60 führt ein Schlauch 70 durch das Gehäuse 61 zur Einleitungsstelle des Medikaments 71. Die Aktivierungseinheit 65 wird auf die Haut 66 aufgesetzt. Sie enthält den Elektromagneten 67 und wird über die Kabel 68 von einer Steuereinheit 69 mit den nötigen Spannungsimpulsen versorgt. In der Steuereinheit 69 mit Bedienelementen und Anzeigen wird anhand der Stromverläufe kontrolliert, ob das Steuerglied 60 auf die Ansteuerung reagiert.

Bezugszeichenliste

Fig. 1 1 Kammer
2 Grundplatte
3 Deckplatte
4 Sperrglied
5 Zulauf
6 Ablauf
7 Permanantmagnet
8 Membran
9 Weicheisen
10 Steg

Fig. 2 21, 41 Kammern
22 Grundplatte
23 Deckplatte
24, 44 Sperrglieder
25 Zulauf
46 Ablauf
37, 38, 27, 47 Permanentmagneten
28, 48 Membranen
29 Weicheisen
35 Anschlag
36 Verbindungskanal
39 Anschlußstück

Fig. 3 60 Steuerglied
61 Gehäuse
62 Reservoir
63 Membran
64 Kunststoffpfropfen
65 Aktivierungseinheit
66 Haut
67 Elektromagnet
68 Kabel
69 Steuereinheit
70 Schlauch
71 Einleitungsstelle

Claims

1. Fluidmechanisches Steuerglied bestehend aus mindestens einer Kammer (1), die durch eine Grundplatte (2) und eine Deckplatte (3) mit einem Sperrglied (4) gebildet wird und mindestens zwei Öffnungen in der Grundplatte für Zu- und Ablauf (5 und 6) hat, wobei die Fließverbindung zwischen Zu- und Ablauf durch das Sperrglied (4) unterbrochen ist, wenn dieses an der Grundplatte (2) anliegt, wobei das Sperrglied (4) mit einen Permanentmagneten (7) verbunden ist, der durch ein Magnetfeld wahl weise angezogen oder abgestoßen werden kann, so daß sich das Sperre glied (4) an die Grundplatte (2) anlegt oder von ihr abhebt, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld zum Betätigen des Steuergliedes durch einen Elektromagneten (67) erzeugt wird, der zur Betätigung in die Nähe des Steuergliedes gebracht wird, der nicht starr mit dem Steuerglied verbunden ist und der entfernt werden kann, wenn keine weitere Förderung erfolgen soll.

2. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerglied unter der Haut (66) implantiert ist und der Elektromagnet (67) auf der Haut (66) aufgesetzt wird, wenn Fluid gefördert werden soll und danach wieder entfernt werden kann.

3. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Grundplatte (2) und Deckplatte (3) aus Silizium sind und das Sperr glied (4) durch eine Membran (8) mit dem Rest der Deckplatte (3) verbunden ist.

4. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (2) und die Deckplatte (3) mit der Membran (8) und dem Sperrglied (4), zumindest soweit sie mit dem Fluid in Kontakt kommen, mit einer Schicht aus Siliziumnitrid überzogen sind.

5. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Weicheisenglied (9) so angeordnet ist, daß es den Permanentmag neten (7) in eine stabile Ruhelage bringt, aus der er durch ein äußeres Magnetfeld ausgelenkt werden kann.

6. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zuläufe (5 und 6) durch Länge und Querschnitt so gestaltet sind, daß sie unterschiedliche Strömungswiderstände aufweisen, und das Steuerglied deshalb als Pumpe betrieben werden kann, wenn das Abheben und Anlegen des Sperrgliedes (4) gesteuert durch das äußere Magnetfeld mit unterschiedlicher Geschwindigkeit erfolgt.

7. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch Grund- und Deckplatte (22 und 23) zwei Kammern (21 und 41) gebildet werden, die jeweils ein Sperrglied (24 und 44) aufweisen, die jeweils mit einem Permantmagneten (27, 47) verbunden sind, wobei die beiden Permanentmagneten (27 und 47) in unterschiedlicher Richtung magnetisiert sind, so daß sich jeweils bei Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes ein Sperrglied (24 oder 44) von der Grundplatte (22) abhebt und das andere (44 bzw. 24) sich anlegt und beim Umkehren des äußeren Magnetfeld beide ihre Lage wechseln und ohne ein äußeres Magnetfeld ihre Ruhelage einnehmen.

8. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (37, 27, 38 und 47) und das Weicheisen (29) so dimensioniert sind, daß ein äußeres Magnetfeld nahezu keine resultierenden Kräfte auf das Steuerglied ausübt.

9. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Kammern ein Verbindungskanal (36) besteht, der im Vergleich zu Zulauf (25) und Ablauf (46) einen erheblich geringeren Strömungswiderstand ausweist.

10. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hub der Sperrglieder durch Anschläge (35) begrenzt ist, so daß das Steuerglied (60) als Dosierpumpe und als Sperrglied eingesetzt werden kann.

11. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es zusammen mit einem Vorratsgefäß (62) in einem Gehäuse (61) als implantierbare Pumpe eingesetzt wird, die durch einen Elektromagneten (67) außerhalb des Körpers gesteuert werden kann.

12. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Grundplatte (2, 22) und Deckplatte (3, 23) der Ablauf durch anisotropisches Atzen geformt werden.

13. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Grund- und Deckplatte (2, 3 oder 22, 23) durch anodisches Bonden verbunden sind.

14. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zulauf (5, 25) mit einem anisotrop geätzten Einlaufgitter (31) versehen ist, das das Eindringen von Fremdkörpern in den Zulauf verhindert.

15. Fluidmechanisches Steuerglied nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ablauf (6, 46) als Prisma mit vieleckigem Querschnitt (39) gestaltet ist, welches das Aufschieben eines Schlauchendes (70) ermöglicht.