DE19720482C2 - Mikromembranpumpe - Google Patents
MikromembranpumpeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Mikromembranpumpe zum Fördern von Gasen und
Flüssigkeiten.
Mikromembranpumpen finden zunehmend Einsatz u. a. in den Bereichen
chemische Analytik, Mikroreaktionstechnologie, Biochemie, Mikrobiologie und
Medizin.
Vieler dieser Anwendungen stellen an Mikromembranpumpen die Anforderung,
daß Flüssigkeiten problemlos gefördert werden können. Hierzu ist es sehr
vorteilhaft, daß die Pumpen selbstansaugend sind. Um Flüssigkeiten in eine
zunächst nur mit Luft befüllte Pumpe ansaugen zu können, muß beim Betrieb
mit Luft ein ausreichend hoher Unterdruck erzeugt werden. Weiterhin ist es
erforderlich, daß die Pumpen auch selbstbefüllend sind, d. h. daß keine
Gasblasen in der Pumpe verbleiben, die die Pumpleistung herabsetzen
würden. Darüberhinaus werden in der Regel Förderraten für Flüssigkeiten im
Bereich von 1 µl/min bis 1 ml/min gefordert. Hierfür wird häufig ein Förderdruck
von mindestens 500 hPa verlangt. Die mit dem zu fördernden Medium in
Kontakt kommenden Materialien sollten hinreichend chemisch inert oder
biokompatibel sein. Um einen wirtschaftlichen Einsatz zu ermöglichen, sollten
Mikromembranpumpen sich kostengünstig fertigen fassen.
Die von H. T. G. von Lintel et. al. In 'A piezoelectrlc micropump based on
micromachining of silicon' (Sensors and Actuators, 15, 1988, 153-167)
vorgestellte Mikropumpe besteht aus Silizium mit einer Pumpmembran aus
Glas, die von einer Piezokeramik ausgelenkt wird. Nachteilig ist die im
Vergleich zur Größe der Pumpkammer geringe Verbiegung der Glasmembran,
wodurch eine Gasförderung nicht möglich ist. Das Material Silizium ist für viele
Anwendungen, beispielsweise in der Medizin, ungeeignet. Darüberhinaus ist
die Herstellung mittels mikrotechnologischer Bearbeitungsverfahren für Silizium
aufwendig und auf Grund der benötigten relativ großen Grundfläche sehr teuer.
In der DE-A1-44 02 119 wird eine Mikromembranpumpe beschrieben, die aus
einem Gehäuseunterteil, einem Gehäuseoberteil und einer
dazwischenliegenden Pumpmembran besteht, wobei die Membran zusammen
mit in das Gehäuse hineinstrukturierten Ventilsitzen auch eine Ventilfunktion
übernimmt. Die Membran schließt sowohl die in dem Gehäuseunterteil liegende
Pumpkammer als auch die in dem Gehäuseoberteil befindliche Aktorkammer
ab. Als Antrieb wird ein mit der Pumpmembran verbundenes Heizelement
vorgeschlagen. Durch thermische Ausdehnung eines gasförmigen Mediums
bzw. durch einen Phasenübergang eines flüssigen Mediums in seinen
gasförmigen Zustand in der Aktorkammer wird die Pumpmembran ausgelenkt.
Auf Grund der dünnschichttechnologischen Herstellung des Heizwendels ist die
Herstellung aufwendig und damit kostenintensiv. Bei einer Förderung von
Flüssigkeiten ist wegen der deutlich höheren Wärmeabfuhr über die Flüssigkeit
eine höhere Heizleistung erforderlich. Dies führt zu einer besonders im
biochemischen Bereich unerwünschten Erwärmung der Flüssigkeit. Bei einer
Unterbrechung des Flüssigkeitsstromes, beispielsweise durch Gasblasen, kann
es zu einer Überhitzung des Heizwendels kommen. Schließlich ist durch die
geringe Wärmeleitung des Kunststoffgehäuses ein Dauerbetrieb der Pumpe
nicht leicht zu realisieren.
Von J. Döpper et. al. (Development of low-cost injection moulded micropumps,
Proceedings ACTUATOR 96, Bremen, June 26-28, 1996) wurde eine
Mikromembranpumpe aus zwei Gehäuseteilen, die von einer als Pump- und
Ventilmembran dienenden Membran getrennt sind, vorgestellt. In das
Gehäuseunterteil ist eine Pumpkammer hineinstrukturiert, die von der Membran
abgeschlossen wird. Die Pumpkammer ist über Mikrokanäle mit den beiden
Membranventilen verbunden. Als Antrieb dient ein heteromorpher
Piezoaktuator. Die Gehäuseteile sowie die Membran werden mittels
Laserschweißen miteinander verbunden. Wesentlicher Nachteil dieser sowie
der zuvor beschriebenen Pumpen ist, daß sie nicht selbstansaugend und
selbstbefüllend sind. Eine aufwendige manuelle Befüllung macht einen breiten
Einsatz dieser Pumpen für die oben genannten Anwendungen damit nicht
möglich.
Eine weitere Mikromembranpumpe wird in der DE 43 32 720 A1 beschrieben.
Diese Mikromembranpumpe weist zwei Ventilkammern, eine zwischen diesen
angeordnete Pumpkammer und eine Membran auf. In die Membran sind
Ventile integriert, so daß die Membran sowohl eine Pumpfunktion als auch eine
Ventilfunktion übernimmt. Zwar wird die Aufgabe, beide Ventile auf dergleichen
Membranseite zu integrieren, gelöst, jedoch bleibt die Fertigung aufgrund der
einzusetzenden dünnschichttechnologischen Verfahren vergleichsweise
aufwendig und damit kostenintensiv.
Ein entsprechendes Mikroventil wird in der DE 41 39 668 A1 beschrieben, bei
dem der Ventilsitz Teil der Membran ist. Ventilsitz und Ventilkörper weisen
jeweils Öffnungen auf, die derart gegeneinander versetzt sind, daß bei
Berührung von Ventilsitz und Ventilkörper das Ventil geschlossen ist. Nachteilig
ist zum einen der Einsatz dünnschichttechnologischer Verfahren bei der
Fertigung und zum anderen die vergleichsweise große Bauform mit einem
Durchmesser im Bereich mehrerer Millimeter.
Die DE 33 20 443 A1 beschreibt eine Pumpe mit einem einstückigen Gehäuse,
beispielsweise einer planen Metallplatte, auf dem ein mechanisch
schalenförmig vorgespannter piezoelektrischer Wandler befestigt ist. Durch
eine Oberflächenveränderung des Wandlers kann eine Verkleinerung des
Volumens der zwischen dem Wandler und der Metallplatte befindlichen
Pumpkammer erreicht werden, bis der Wandler im entleerten Zustand der
Pumpkammer an der Metallplatte anliegt. In der Metallplatte können sich ein
Einlaßventil und ein Auslaßventil befinden. Zu den Ventilen wird lediglich
ausgeführt, daß einfache Rückschlagventile vorgesehen werden können.
Nachteilig bei einem Einsetzen der Ventile ist, daß sich ein vergleichsweise
komplexer Aufbau ergibt, der eine Miniaturisierung und eine kostengünstige
Massenfertigung kaum zuläßt.
In der DE 40 07 932 C2 wird eine Membranpumpe vorgeschlagen, die eine
Formmembran und ein an der Formmembran angreifendes Verstellmittel,
beispielsweise einen Pleuel aufweisenden Kurbelantrieb, umfaßt. Die
Formmembran sowie die benachbarte Wandung des Pumpraumes sind derart
ausgebildet, daß in der oberen Totpunktlage sich die Formmembran zumindest
im Zentralbereich nahezu vollständig an die Wandung des Pumpraumes
anschmiegt. Es werden keine Hinweise gegeben, mit welcher Art von Ventilen
die Pumpe zu realisieren ist.
Weiterhin wird in der DE 296 15 031 eine Membranpumpe beschrieben, bei der
die Membran und der mit ihr verbundene Pleuelkopf derart ausgestaltet und
miteinander verbunden sind, daß beim Betrieb möglichst wenig Walkarbeit
auftritt. Aufgrund der besonderen Ausgestaltung und des Antriebs ist jedoch bei
dieser sowie der zuvor genannten Membranpumpe eine Miniaturisierung nur
begrenzt möglich.
In der nachveröffentlichten DE 196 39 555 C1 älteren Zeitrangs wird eine
Hubkolbenmaschine beschrieben, deren Verdichtungsraum nach dem
Abstellen der Maschine in kurzer Zeit druckentlastet wird. Als Einlaß- und
Auslaßventil weist die Maschine in einer Ausführungsform jeweils eine aus
einem Elastomer bestehende Ventilscheibe mit einem durchgängigen
Kapillarkanal auf. In Schließstellung liegen die in ihrem Zentrum gehaltenen
Ventilscheiben in ihrem umfangsseitigen Randbereich an dem Ventilsitz an. Die
Kapillarkanäle sind derart mittig zwischen der zentralen Halterung und dem
Außenrand der Ventilscheibe angeordnet, daß trotz geschlossenen Ventils eine
selbsttätige Druckentlastung durch den Kapillarkanal stattfinden kann. Wie bei
den beiden zuvor genannten Pumpen ist eine Miniaturisierung nur begrenzt
möglich. Eine Möglichkeit zur Realisierung dieser Hubkolbenmaschine mit
Ventilmembranen unter Verwendung einer Ventilmembran ist nicht erkennbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Mikromembranpumpe kompakter Bauart zur
Verfügung zu stellen, die die oben genannten Anforderungen, insbesondere
des Selbstansaugens und Selbstbefüllens, erfüllt und die unter Einsatz
einfacher Fertigungs- und Verbindungstechniken in großen Stückzahlen
kostengünstig zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die
Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der
erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe.
Dadurch, daß die Pumpmembran im entleerten Zustand der Pumpkammer an
der Pumpkammerwand anliegt, wird die Pumpkammer erst durch eine
Auslenkung der Pumpmembran weg von dieser Position gebildet. Hierdurch ist
das innere Restvolumen der Pumpe bezüglich des Volumens der Pumpkammer
minimiert. Unter innerem Restvolumen wird hier das Volumen zwischen dem
Einlaß- und dem Auslaßventil verstanden, das die beiden der Pumpkammer
zugewandten Bereiche der Ventilkammern, die Pumpkammer im entleerten
Zustand und die beiden die Pumpkammer mit den Ventilkammern
verbindenden Kanäle umfaßt. Bei gleichzeitiger Minimierung des Volumens der
Bereiche zwischen den Ventilen und der Pumpkammer läßt sich somit ein im
Vergleich zum maximalen Volumen der Pumpkammer möglichst kleines inneres
Restvolumen der Pumpe erreichen. Hierdurch können auch bei Gasen trotz
ihrer Kompressibilität hohe Förderdrücke erzielt werden. Dies hat den Vorteil,
daß die Pumpe auch den notwendigen Unterdruck aufbauen kann, um
Flüssigkeiten selbsttätig anzusaugen. Da im entleerten Zustand der
Pumpkammer die Pumpmembran weitgehend bis vollständig an der
Pumpkammerwand anliegt, d. h. das Volumen der Pumpkammer in dieser
Position der Pumpmembran vernachlässigbar klein ist, liegt in der
Pumpkammer kein sogenanntes Totvolumen vor, in dem sich mit dem flüssigen
Medium beförderte Gasblasen ansammeln und so die Funktion der Pumpe
beeinträchtigen könnten. Die Pumpe ist damit selbstbefüllend. Ein
vernachlässigbares Totvolumen ist weiterhin eine Voraussetzung für eine
geringe Vermischung des zu fördernden Mediums. Dies ermöglicht eine
Anwendung der Pumpe beispielsweise in der chemischen Analytik, wo Medien
mit Konzentrationsgradienten zu fördern sind.
Das Gehäuse der Mikromembranpumpe weist ein Gehäuseoberteil und ein
Gehäuseunterteil auf. Das Gehäuseoberteil bildet auf seiner oberen Seite
zusammen mit der auf dieser Seite befestigten Pumpmembran die
Pumpkammer.
Das Einlaßventil und das Auslaßventil werden aus Membranventilen gebildet,
die aus Strukturen des Pumpengehäuses gebildete Ventilsitze aufweisen.
Zwischen den beiden Gehäusehälften befindet sich vorzugsweise eine
Ventilmembran, in die im Bereich der Ventilsitze jeweils mindestens ein Loch
hineinstrukturiert ist. Besonders vorteilhaft liegen die Ventile gegenüber der
Pumpkammer, so daß die Pumpe im Gegensatz zu einer seitlichen Anordnung
der Ventile sehr kompakt gestaltet werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Pumpmembran in ihrer
unausgelenkten Ruheposition eben an der ebenfalls im wesentlichen ebenen
Pumpkammerwand an. In einer anderen Ausführungsform ist die
Pumpkammerwand so konkav gewölbt, beispielsweise halbkugelförmig, daß
die Pumpmembran erst in einer ausgelenkten Position an der
Pumpkammerwand eng anliegt.
Weiterhin bevorzugt ist eine Ausführungsform, in der das innere Restvolumen,
das vorwiegend von den Bereichen zwischen den beiden Ventilen und der
Pumpkammer bestimmt wird, so minimiert ist, daß das Verhältnis dieses
Volumens zu dem maximal erreichbaren Volumen der Pumpkammer etwa 1 : 1
ist. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform weist ein Verhältnis von 1 : 10
auf. Mit solch einem im Vergleich zum maximalen Volumen der Pumpkammer
kleinen inneren Restvolumen lassen sich besonders hohe Förderdrücke für
Gase realisieren und Flüssigkeiten auch über größere Höhen hinweg mit einer
mit Luft befüllten Pumpe ansaugen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung besteht ein Membranventil
vorzugsweise aus einem Ventilsitz, welcher aus einer erhabenen Mikrostruktur
in der Ventilkammer besteht, und der Ventilmembran, die gegenüber des
Ventilsitzes angeordnet ist und mindestens ein Loch aufweist. Die Höhe des
Ventilsitzes kann so bemessen sein, daß die Membran diesen nicht berührt,
gerade auf dem Ventilsitz aufliegt oder über diesen gespannt wird, je nachdem
bei welcher Druckdifferenz das Ventil öffnen bzw. schließen soll. Möglich ist
jedoch auch die Verwendung von beispielsweise Mikrokugelventilen oder
dynamischen Ventiltypen, wie Düsen bzw. Diffusorstrukturen oder Tesladioden.
Vorzugsweise ist die Pumpkammer über Mikrokanäle mit den in die Unterseite
des Gehäuseoberteils hineinstrukturierten Ventilkammern verbunden. Eine
Ventilkammer weist zur Bildung des Auslaßventils einen Ventilsitz auf. Das
Gehäuseunterteil weist ebenfalls Ausnehmungen zur Führung des
durchströmenden Mediums sowie den Ventilsitz für das Einlaßventil auf.
Vorteilhafterweise ist das Pumpengehäuse außen so gestaltet, daß Zu- und
Ableitungen für das zu fördernde Medium leicht mit der Pumpe verbunden
werden können. Beispielsweise sind hierfür konische, mit Hinterschneidungen
versehene Strukturen zum Anschluß von Schläuchen vorgesehen.
Weiterhin vorteilhaft weist eine Hälfte des Gehäuses Strukturen, beispielsweise
Stifte oder Stege auf, die in komplementäre Strukturen, wie Sacklöcher oder
Rillen, der anderen Gehäusehälfte passen und so eine einfache Relativjustage
der beiden Gehäusehälften zueinander bei der Montage der Pumpe
ermöglichen. Ist zwischen den Gehäusehälften eine Ventilmembran
vorgesehen, so weist diese vorteilhaft im Bereich der Justagestrukturen
entsprechende Ausnehmungen, beispielsweise Löcher oder Schlitze, auf.
Die Gehäuseteile, die Pumpmembran und/oder die Ventilmembran bestehen
vorzugsweise aus Kunststoff, beispielsweise aus Polycarbonat, PFA oder
anderen chemisch inerten und/oder biokompatiblen Materialien. Als
kostengünstiges Herstellungsverfahren für die Gehäuseteile eignen sich
Abformverfahren, wie beispielsweise Mikrospritzguß.
Eine Oberflächenbehandlung der mit dem zu fördernden Medium in Kontakt
tretenden Flächen beispielsweise mittels eines Plasmas kann auf Grund der
Erhöhung der Benetzbarkeit vorteilhaft sein zur Vereinfachung eines
blasenfreien Befüllens der Pumpe mit gewissen Flüssigkeiten.
Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus zusammengeschweißten
Kunststoffkomponenten. Vorteilhaft eignet sich zum Verbinden der
Komponenten das Laserschweißen. Hierzu wird ein Laserstrahl auf die zu
verschweißende Grenzfläche zweier Komponenten fokussiert und entlang der
zu verschweißenden Bahnen geführt. Es kann auch vorteilhaft sein, daß die
Schweißbahnen so eng miteinander benachbart liegen, daß im wesentlichen
die gesamte Grenzfläche zwischen den einzelnen Komponenten mit Ausnahme
der Bereiche der Ventilkammern und der Pumpkammer verschweißt ist.
Vorteilhaft ist eine der Komponenten in dem verwendeten Wellenlängenbereich
des Laserstrahls transparent, während die andere Komponente Licht dieser
Wellenlänge absorbiert. Der Laserstrahl tritt während des Schweißvorgangs
durch das transparente Material hindurch und wird auf die Grenzfläche zum
nicht transparenten Material fokussiert. Durch Absorption an der Grenzfläche
kommt es zur lokalen Erhitzung und einer damit einhergehenden
Verschmelzung der Materialien. Neben einer festen Verbindung der
Komponenten ermöglicht dies eine Abdichtung der einzelnen durchströmten
Bereiche der Mikromembranpumpe untereinander sowie nach außen. Mittels
Strahlaufteilung lassen sich vorteilhaft mehrere Stellen aber auch mehrere
Mikropumpen gleichzeitig schweißen. Die Komponenten können allerdings
auch mittels anderer Verfahren, beispielsweise Kleben, miteinander verbunden
sein.
Als Vorrichtung zur Auslenkung der Pumpmembran können piezoelektrische,
thermoelektrische oder thermische Elemente mit der Pumpmembran verbunden
sein. Es ist auch möglich, hydraulische, pneumatische, elektromagnetische,
elektrostatische oder auf Formgedächtnislegierungen basierende Antriebe
vorzusehen. Diese können im Gehäuse der Mikropumpe integriert sein oder
von außen angekoppelt sein.
Bevorzugt ist die Verwendung mindestens eines heteromorphen Piezoaktuators
als Vorrichtung zum Auslenken der Pumpmembran. Der gesamte Piezoaktuator
kann beispielsweise durch Kleben mit der Pumpmembran verbunden sein.
Durch eine angelegte Spannung wird eine Verbiegung des Piezoaktuators
induziert. Dies führt zu einer Auslenkung der Pumpmembran und zur
Veränderung des Volumens der Pumpkammer. Hierdurch wird ein
Druckunterschied zwischen dem Einlaßkanal und der Pumpkammer erzeugt. Ist
der Druckunterschied groß genug, öffnet das Einlaßventil, so daß in die
Pumpkammer das zu fördernde Medium hineinströmt. Gegen Ende der
Auslenkung der Pumpmembran nimmt der Druckunterschied ab, so daß das
Einlaßventil schließt. Bei Umkehrung der angelegten Spannung wird das
Volumen der Pumpkammer verkleinert. Ab einer von der Bemessung des
Ventils abhängigen Druckdifferenz zwischen der Pumpkammer und dem
Auslaß öffnet das Auslaßventil und das Medium wird in Richtung des
Ausgangskanals gedrückt. Durch eine periodische Ansteuerung des
Piezoaktuators läßt sich eine quasi-kontinuierliche Förderung erreichen.
Durch einen kompakten Aufbau aus wenigen Komponenten unter Einsatz
einfacher Herstellungs- und Verbindungstechniken lassen sich
erfindungsgemäße Mikromembranpumpen in großer Stückzahl kostengünstig
herstellen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen
Fig. 1 eine Mikromembranpumpe mit ebener Pumpkammerwand im
Querschnitt von der Seite in schematischer Darstellung,
Fig. 2 die Mikromembranpumpe nach Fig. 1 während des Ansaugens,
Fig. 3 die Mikromembranpumpe nach Fig. 2 während des Entleerens,
Fig. 4 das Gehäuseunterteil, die Ventilmembran und das
Gehäuseoberteil einer Mikromembranpumpe in perspektivischer
Darstellung,
Fig. 5 eine Mikromembranpumpe mit gewölbter Pumpkammerwand im
Querschnitt von der Seite in schematischer Darstellung,
Fig. 6 die Mikromembranpumpe nach Fig. 5 während des Ansaugens,
wobei alle Darstellungen nicht maßstabsgetreu sind.
Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Mikromembranpumpe besteht aus
einem Gehäuseunterteil 1, einem Gehäuseoberteil 2, einer zwischen beiden
Gehäusehälften 1, 2 liegenden Ventilmembran 3 sowie aus einer
Pumpmembran 4, auf der ein Piezoaktuator 5 angebracht ist.
Die Gehäusehälften sind auf zwei gegenüberliegenden Seiten so ausgebildet,
daß sie zusammen seitlich an der Pumpe einen Schlauchanschluß 6a, 6b für
den Einlaß und einen Anschluß 7a, 7b für den Auslaß bilden. Beide
Anschlußstücke weisen im Innern einen Einlaßkanal 8 bzw. einen Auslaßkanal
9 auf. In einer Ausnehmung des Gehäuseunterteils 1 ist ein Ventilsitz 10, über
dem sich ein Loch 12 der Ventilmembran 3 befindet, hineinstrukturiert.
Gegenüberliegend befindet sich eine Ausnehmung 11 in der Unterseite des
Gehäuseoberteils 2, die über einen Mikrokanal 13 mit der Pumpkammer 14
verbunden ist. Die Pumpkammer 14 wird von der Pumpmembran 4 und der
ebenen, die Pumpkammerwand 22 darstellenden oberen Gehäusewand
begrenzt. Die Pumpmembran 4 mit aufgesetztem Piezoaktuator 5 ist mit dem
Randbereich der Oberseite des Gehäuseoberteils 2 verbunden, wodurch der
Querschnitt von oben der Pumpkammer 14 rund ist. In dieser Figur liegt die
Pumpmembran 4 auf der ebenen Pumpkammerwand 22 auf, so daß das
Volumen der Pumpkammer 14 in dieser unausgelenkten Ruheposition der
Pumpmembran 4 vernachlässigbar klein ist. Ein weiterer Mikrokanal 15
verbindet die Pumpkammer 14 mit einer Ausnehmung in der Unterseite des
Gehäuseoberteils 2, in der sich ein Ventilsitz 16 des Auslaßventils befindet. In
Höhe des Ventilsitzes 16 weist die Ventilmembran 3 ein Loch 18 auf. Über eine
Ausnehmung 17 im Gehäuseunterteil 1 ist das Auslaßventil mit dem
Auslaßkanal 9 verbunden. Die Mikrokanäle 13 und 15 münden in einen
mittleren Bereich der Pumpkammerwand 22. Hierdurch wird verhindert, daß
schon bei einer randseitig an die Pumpkammerwand 22 anliegenden
Pumpmembran 4 die Zufuhr bzw. Abfuhr des zu fördernden Mediums durch
Verdeckung der Öffnungen der Mikrokanäle 13, 15 unterbrochen wird. Der
Übersichtlichkeit halber sind die Abmessungen, insbesondere der Ventile und
der Membranen, im Vergleich zu den Gesamtabmessungen der Pumpe stark
vergrößert dargestellt.
In Fig. 2 ist die Mikromembranpumpe während des Ansaugvorganges
dargestellt. Durch die Verbiegung des Piezoaktuators 5 wird die Pumpmembran
4 mit einer Kraft F ausgelenkt, wodurch die Pumpkammer 14 erst gebildet wird.
Ebenfalls schematisch dargestellt ist das geöffnete Einlaßventil mit vom
Ventilsitz 10 angehobener Ventilmembran 3 mit einem Loch 12.
In Fig. 3 ist der Vorgang des Entleerens der Pumpe schematisch dargestellt.
Durch den Piezoaktuator 5 wirkt auf die Pumpmembran 4 eine Kraft F ein,
wodurch die Pumpkammer 14 verkleinert wird. Ab einem kritischen Druck öffnet
das Auslaßventil. Die Ventilmembran 3 mit einem Loch 18 ist vom Ventilsitz 16
angehoben dargestellt.
In Fig. 4 sind ein Gehäuseunterteil 1, eine Ventilmembran 3 und ein
Gehäuseoberteil 2 einer erfindungsgemäßen Mikromembranpumpe in
perspektivischer Darstellung gezeigt, wobei im Vergleich zu den Fig. 1 bis 3
ein anderer relativer Maßstab gewählt wurde. In das Gehäuseunterteil 1 sind
ein Einlaßkanal 8 und ein Auslaßkanal 9 hineinstrukturiert. Das Einlaßventil
wird aus einem Ventilsitz 10, einer Ventilmembran 3 und einer Ausnehmung 11
gebildet. Das Auslaßventil besteht aus einem Ventilsitz 16, der Ventilmembran
3 und einer Ausnehmung 17. Die für die Ventilfunktion notwendigen
Ausnehmungen in der Membran 3 sind nicht dargestellt. Ebenfalls nicht
dargestellt sind die Mikrokanäle (13, 15), die von den beiden Ausnehmungen
für die Ventile in der gezeigten Unterseite des Gehäuseoberteils 2 zu der auf
der Oberseite des Gehäuseoberteils 2 liegenden Pumpkammer (14) führen.
Beide Gehäuseteile 1, 2 besitzen Strukturen 6a, 6b, 7a, 7b, die
zusammengesetzt Anschlüsse für Schläuche bilden. Das Gehäuseunterteil 1
weist vier Stifte 20 auf, die in entsprechende Sacklöcher 21 des
Gehäuseoberteils 2 passen, und so eine einfache Relativjustage ermöglichen.
Nur angedeutet sind der Piezoaktuator 5 und die Pumpmembran 4 auf der
Oberseite des Gehäuseoberteils 2.
In Fig. 5 ist eine weitere erfindungsgemäße Mikromembranpumpe
schematisch dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie zu den
vorhergehenden Figuren verwendet wurden. Im Gegensatz zu einer in den
Fig. 1 bis 4 dargestellten ebenen Pumpkammerwand 22 ist hier die
Pumpkammerwand 23 konkav gewölbt. Die Pumpmembran 4 mit aufgesetztem
Piezoaktuator 5 ist mit dem Randbereich der Oberseite des Gehäuseoberteils 2
verbunden. Die im Querschnitt von oben runde Pumpkammer 14 ist über
Mikrokanäle 13 und 15 mit dem Ein- und Auslaßventil verbunden. In Fig. 5 ist
die Pumpmembran 4 derart ausgelenkt dargestellt, daß diese an der gewölbten
Pumpkammerwand 23 eng anliegt, wodurch das Volumen der Pumpkammer 14
in dieser ausgelenkten Position vernachlässigbar klein ist. In Fig. 6 ist die
gleiche Mikromembranpumpe mit einer in im Vergleich zu Fig. 5
entgegengesetzter Richtung ausgelenkten Pumpmembran 4 während des
Ansaugens dargestellt. Durch diese Auslenkung der Pumpmembran 4 wird die
Pumpkammer 14 im wesentlichen erst gebildet.
Eine erfindungsgemäße Mikromembranpumpe wurde mit den
Außenabmessungen 10 mm × 10 mm × 3 mm hergestellt, wobei die
Pumpmembran eine Dicke von 50 µm und die Ventilmembran eine Dicke von 2
µm aufwies. Als Antrieb diente ein heteromorpher Piezoaktuator mit einem
Durchmesser von 10 mm, der aus einer mit einem elektrisch leitfähigen Kleber
auf einem Messingblech befestigten Piezokeramik bestand. Das Messingblech
diente als eine Elektrode, eine zweite Elektrode war auf der anderen Seite der
scheibenförmigen Piezokeramik befestigt. Der gesamte Piezoaktuator wurde
auf die Pumpmembran geklebt.
Das maximale Volumen der Pumpkammer (14) betrug etwa 600 nl bei einem
inneren Restvolumen der Pumpe von nur 60 nl. Das innere Restvolumen wurde
im wesentlichen durch die beiden Mikrokanäle (13, 15), die Ausnehmung (11)
des Einlaßventils sowie die Ausnehmung mit dem Ventilsitz (16) des
Auslaßventils bestimmt. Aufgrund dieses günstigen Volumenverhältnisses
konnte mit Luft ein Gasförderdruck von etwa 500 hPa und ein Unterdruck von
etwa 350 hPa erzielt werden, womit die Pumpe selbstansaugend war. Mit
Wasser wurde ein Förderdruck bis zu 1600 hPa und eine Förderrate bis zu 250
µl/min erreicht. Der Piezoaktuator wurde mit einer Frequenz von einigen 10 Hz
betrieben.
Die Komponenten der Mikromembranpumpe bestanden aus Polycarbonat,
wobei die beiden Gehäuseteile (1, 2) im Mikrospritzgußverfahren hergestellt
wurden. Die hierfür notwendigen Formeinsätze wurden in einer Kombination
aus feinwerktechnischen Verfahren, dem LIGA-Verfahren und
Funkenerosionsverfahren hergestellt. Die Löcher (12, 18) in der Ventilmembran
(3) sowie die Mikrokanäle (13, 15) durch das Gehäuseoberteil (2) wurden
mittels Laserablation erhalten. Die Pumpe wurde in zwei Schritten
zusammengefügt. Zuerst wurden die beiden Gehäuseteile (1, 2) mit der
dazwischenliegenden Ventilmembran (3) mittels Laserschweißen verbunden.
Hierzu wurde ein Laserstrahl durch das transparente Gehäuseunterteil (1) auf
die 2 µm dünne Ventilmembran (3) fokussiert, die auf dem eingefärbten, nicht
transparenten Gehäuseoberteil (2) lag. Hierdurch wurden die drei vorher
zusammengeklemmten Komponenten (1, 3, 2) zusammengeschweißt. In einem
zweiten Schritt wurde die transparente Pumpmembran (4) randseitig mit der
Oberseite des nicht transparenten Gehäuseoberteils (2) mittels
Laserschweißen verbunden. Mikromembranpumpen ließen sich so innerhalb
von wenigen Sekunden je Verbindung zusammenfügen.
1
Gehäuseunterteil
2
Gehäuseoberteil
3
Ventilmembran
4
Pumpmembran
5
Piezoaktuator
6
a Anschluß für Einlaß
6
b Anschluß für Einlaß
7
a Anschluß für Auslaß
7
b Anschluß für Auslaß
8
Einlaßkanal
9
Auslaßkanal
10
Ventilsitz des Einlaßventils
11
Ausnehmung
12
Loch in Ventilmembran
13
Mikrokanal
14
Pumpkammer
15
Mikrokanal
16
Ventilsitz des Auslaßventils
17
Ausnehmung
18
Loch in Ventilmembran
20
Positionierstift
21
Sackloch
22
ebene Pumpkammerwand
23
gewölbte Pumpkammerwand
Claims (11)
1. Mikromembranpumpe, die ein Gehäuse, das ein Gehäuseoberteil (2)
und ein Gehäuseunterteil (1) aufweist, eine Pumpmembran (4),
mindestens eine Vorrichtung zum Auslenken der Pumpmembran sowie
mindestens ein Einlaßventil und mindestens ein Auslaßventil umfaßt,
wobei das Einlaßventil und das Auslaßventil Membranventile sind, die aus Strukturen des Pumpengehäuses gebildete Ventilsitze (10, 16) aufweisen,
wobei eine sich zwischen einer eine Pumpkammerwand (22) bildende Gehäusewand und der Pumpmembran (4) befindende Pumpkammer (14) mit den beiden Ventilen verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpmembran (4) auf der Oberseite des Gehäuseoberteils (2) befestigt ist, und
daß die Pumpkammer (14) so ausgebildet ist, daß die Pumpmembran (4) im entleerten Zustand der Pumpkammer an der Pumpkammerwand (22) anliegt, und
daß zwischen dem Gehäuseoberteil (2) und dem Gehäuseunterteil (1) eine Ventilmembran (3) angeordnet ist, die im Bereich der Ventilsitze (10, 16) Löcher (12, 18) aufweist.
wobei das Einlaßventil und das Auslaßventil Membranventile sind, die aus Strukturen des Pumpengehäuses gebildete Ventilsitze (10, 16) aufweisen,
wobei eine sich zwischen einer eine Pumpkammerwand (22) bildende Gehäusewand und der Pumpmembran (4) befindende Pumpkammer (14) mit den beiden Ventilen verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpmembran (4) auf der Oberseite des Gehäuseoberteils (2) befestigt ist, und
daß die Pumpkammer (14) so ausgebildet ist, daß die Pumpmembran (4) im entleerten Zustand der Pumpkammer an der Pumpkammerwand (22) anliegt, und
daß zwischen dem Gehäuseoberteil (2) und dem Gehäuseunterteil (1) eine Ventilmembran (3) angeordnet ist, die im Bereich der Ventilsitze (10, 16) Löcher (12, 18) aufweist.
2. Mikromembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpkammerwand (23) konkav gewölbt ist, wobei die
Pumpmembran (4) in einer ausgelenkten Position an der
Pumpkammerwand (23) anliegt.
3. Mikromembranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Pumpkammerwand (22) eben ist, wobei die Pumpmembran (4)
in ihrer unausgelenkten Ruheposition an der Pumpkammerwand (22)
anliegt.
4. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Volumens der Bereiche
zwischen den beiden Ventilen und der Pumpkammer (14) zu dem
maximalen Volumen der Pumpkammer (14) kleiner gleich 1 : 10 ist.
5. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ventile über Mikrokanäle (13, 15) im
Gehäuseoberteil (2) mit der Pumpkammer (14) verbunden sind, wobei
die Mikrokanäle (13, 15) in einen mittleren Bereich der
Pumpkammerwand (22) münden.
6. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß an das Gehäuse Anschlüsse (6a, 6b, 7a, 7b) für
Zu- und Ableitungen des zu fördernden Mediums integriert sind.
7. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gehäuseoberteil (2) und das
Gehäuseunterteil (1) komplementäre Strukturen (20, 21) aufweisen, die
eine Relativjustage der Gehäuseteile (1, 2) zueinander ermöglichen.
8. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gehäuseteile (1, 2), die Ventilmembran (3)
und/oder die Pumpmembran (4) mit dem Gehäuse mittels Schweißen,
vorzugsweise mittels Laserschweißen, verbunden sind.
9. Mikromembranpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gehäuseteil im beim Laserschweißen verwendeten
Wellenlängenbereich transparent, ein anderes Gehäuseteil nicht
transparent ist.
10. Mikromembranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auslenkvorrichtung mindestens ein
piezoelektrisches oder thermoelektrisches Element aufweist.
11. Mikromembranpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,
daß die Auslenkvorrichtung mindestens einen heteromorphen
Piezoaktuator (5) aufweist.
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