DE4433894A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mikropumpe - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Ansteuerung einer MikropumpeInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mikropumpe mittels
eines Treibersignals, derart daß sich eine durch eine
Ventilstruktur definierte Förderrichtung umkehrt.
Mikro-Membranpumpen sind beispielsweise aus der WO-93/05295
bekannt. Eine dort beschriebene Pumpe ist in Fig. 1 darge
stellt.
Diese Mikro-Membranpumpe 100 umfaßt eine aus zwei Teilen
bestehende Verdrängereinheit 102 und eine ebenfalls aus zwei
Teilen bestehende Ventileinheit 104. Bei dieser Mikro-
Membranpumpe umfassen die zwei Teile der Verdrängereinheit
102 eine flexible Pumpmembran 106 und eine starre Ge
genelektrode 108. Zwischen der Pumpmembran 106 und der Ge
genelektrode 108 ist eine sogenannte Antriebskammer 110 ge
bildet. Beim Anlegen einer Betriebsspannung wird die Pump
membran 106 von der Gegenelektrode 108 angezogen. Das Volu
men der Pumpkammer 112 vergrößert sich und ein zu pumpendes
Fluid wird über einen Einlaß angesaugt. Beim Abschalten der
Betriebsspannung relaxiert die Pumpmembran 106 in ihren Aus
gangsbereich und verdrängt das zu pumpende Fluid in den Aus
laß 116. Durch zwei passive Rückschlagventile 118, 120, die
für die Fluidströmung eine Vorzugsrichtung definieren, er
gibt sich bei einer periodischen Ansteuerung der Verdränger
einheit 102 eine gerichtete Pumpwirkung vom Einlaß 114 zum
Auslaß 116 der Pumpe. Bei Betriebsfrequenzen, die weit un
terhalb der Eigenfrequenz der beweglichen Ventilteile lie
gen, ist das Verhalten der Ventile 118, 120 quasi statisch,
d. h. die Stellung des beweglichen Ventilteils ergibt sich zu
jedem Zeitpunkt aus der über das Ventil anliegenden hydro
statischen Druckdifferenz.
Bekannte Verfahren zur Ansteuerung einer solchen Mikro-Mem
branpumpe ermöglichen das Pumpen eines Fluids in die durch
die Ventile 118, 120 definierte Vorzugsrichtung.
Bei technischen Anwendungen der Mikromembranpumpe tritt oft
die Situation ein, in der Fluide beispielsweise sowohl zu
einem Sensorelement hintransportiert als auch wieder ab
transportiert werden müssen. Dies tritt beispielsweise bei
der chemischen Analytik auf, bei der Flüssigkeiten sowohl zu
einem Sensorelement hintransportiert als auch wieder ab
transportiert werden müssen. Sowohl für den Hintransport als
auch für den Abtransport muß bislang jeweils eine Mikro-
Membranpumpe eingesetzt werden, wobei diese Mikro-Membran
pumpen entgegengesetzt angeordnet sind. Die Notwendigkeit
der zwei Mikro-Membranpumpen erhöht die Komplexität solcher
analytischer Systeme und deren Herstellungskosten und
erschwert beim Betrieb dieser Systeme deren Befüllung mit
einem Fluid erheblich.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der vorliegen
den Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mikropumpe zu schaffen,
die eine Umkehr der durch eine Ventilstruktur definierten
Förderrichtung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Ansteuerung einer Mikropumpe nach Anspruch 1 und nach
Anspruch 6 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Ansteu
erung einer Mikro-Membranpumpe mittels eines Treibersignals,
wobei die Mikro-Membranpumpe eine durch eine Ventilstruktur
definierte Förderrichtung hat, mit dem Verfahrensschritt des
Anlegens des Treibersignals mit einer Erregerfrequenz an die
Mikro-Membranpumpe, wobei die Erregerfrequenz im Bereich
einer Resonanz eines aus den beweglichen Teilen der Mikro-
Membranpumpe und dem zu pumpenden Fluid gebildeten Systems
liegt, wodurch sich die durch eine Ventilstruktur definierte
Förderrichtung umkehrt.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zum An
steuern einer Mikro-Membranpumpe mittels eines Treibersig
nals, wobei die Mikro-Membranpumpe eine durch eine Ventil
struktur definierte Förderrichtung hat, mit einer Einrich
tung zum Erzeugen des Treibersignals mit einer Erregerfre
quenz, die im Bereich einer Resonanz eines aus den beweg
lichen Teilen der Mikro-Membranpumpe und dem zu pumpenden
Fluid gebildeten Systems liegt, wodurch sich die durch eine
Ventilstruktur definierte Förderrichtung umkehrt.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß
für praktische Anwendungen, bei denen sowohl ein Hintran
sport als auch ein Abtransport von Fluiden zu einem Element
erforderlich ist, lediglich eine Mikro-Membranpumpe einge
setzt werden muß, wodurch sich der erforderliche Platzauf
wand erniedrigt.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Befüllung sol
cher Systeme mit einem Fluid erleichtert wird.
Wiederum ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Her
stellungskosten solcher Systeme erheblich gesenkt werden
können.
Bevorzugte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind
in den Unteransprüchen definiert.
Anhand der beiliegenden Zeichnungen wird nachfolgend ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Querschnittsdarstellung einer Mikro-Membran
pumpe;
Fig. 2 eine maximale Auslenkung und eine Phasenverschie
bung eines beweglichen Ventilteils bei verschie
denen Dämpfungen bzw. Gütefaktoren;
Fig. 3 einen zeitabhängigen Durchfluß durch ein Ventil
abhängig von einer Betriebsfrequenz, einer Ampli
tude der Druckoszillationen und unterschiedlichen
Phasenverschiebungen;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der Pumprate einer Mi
kro-Membranpumpe, die gemäß der vorliegenden Erfin
dung angesteuert ist; und
Fig. 5 ein Blockdiagramm, das die Anordnung der erfin
dungsgemäßen Vorrichtung zur Ansteuerung einer Mi
kro-Membranpumpe darstellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vor
richtung ermöglichen es, die Pumprichtung bei Mikro-Membran
pumpen (siehe Fig. 1) mit sogenannten passiven Rückschlag
ventilen 118, 120 umzukehren. Hierzu wird die Verdränger
einheit 102 mit einem Treibersignal beaufschlagt, das eine
Betriebsfrequenz im Bereich einer Resonanz, die im wesent
lichen durch die beweglichen Ventilteile definiert ist, auf
weist.
Es ist offensichtlich, daß es sich bei dieser Resonanz um
eine Resonanz eines Systems handelt, das aus den beweglichen
Teilen der Mikro-Membranpumpe (106, 118, 120) und aus dem zu
pumpenden Fluid gebildet ist.
Durch die Ansteuerung entstehen in der Pumpkammer 112 Druck
oszillationen, die von der äußeren Erregerfrequenz abhängen.
Durch das Fluidsystem werden diese Druckschwingungen auf die
beweglichen Ventilteile übertragen, wodurch sich das betref
fende Ventil öffnet bzw. schließt.
Im Bereich der Resonanz ergibt sich jedoch eine Phasendif
ferenz zwischen der durch das Fluid übertragenen Kraft auf
die beweglichen Ventilteile und der aktuellen Auslenkung des
beweglichen Ventilteils.
Dieses Verhalten entspricht dem eines schwingungsfähigen,
mechanischen Systems, welches durch eine externe Kraft zu
einer erzwungenen Schwingung angeregt wird. Wie es in Fig.
2a dargestellt ist, weist die Amplitude der Schwingung das
bekannte Resonanzverhalten auf. Ferner ergibt sich eine
Phasenverschiebung zwischen der erregenden Kraft und der
Auslenkung des Schwingers, wie es in Fig. 2b dargestellt
ist.
Die in Fig. 2 dargestellten Kurven 200 und 202 stellen den
Verlauf der Auslenkung und der Phasenverschiebung bei ver
schiedenen Dämpfungen bzw. Gütefaktoren dar. Hierbei ist dem
Verlauf der Kurve 200 ein Gütefaktor von 3 zugeordnet und
dem Verlauf der Kurve 202 ist ein Gütefaktor von 1 zugeord
net.
Die in Fig. 2 dargestellte Auslenkung und Phasenverschiebung
eines beweglichen Ventilteils gilt für eine Resonanz dieses
Teils von 3000 Hz.
In Fig. 3 geben die Verläufe in der ersten Zeile den soge
nannten erregenden Druck an, die Signalverläufe in der mitt
leren Zeile geben den Öffnungszustand des beweglichen Ven
tils an und die Signalverläufe in der unteren Reihe zeigen
den zeitabhängigen Durchfluß, wobei die jeweiligen y-Skalen
in beliebigen Einheiten dargestellt sind.
Die Umkehrung der Pumprichtung wird durch das Zusammenwirken
zweier Effekte ermöglicht.
Einerseits hinkt der Öffnungszustand des Ventils der durch
die Flüssigkeit übertragene Kraft um die Phase θ hinterher,
wie es in Fig. 3 deutlich zu erkennen ist.
Hieraus resultiert eine Verzögerung des Öffnungs- und
Schließvorgangs des Ventils gegenüber der Fluidbewegung.
Der zweite Effekt besteht darin, daß eine Öffnung des
Ventils lediglich in positiver Richtung möglich ist (siehe
zweite Zeile der Fig. 3), d. h. während einer halben Perio
dendauer ist das Ventil vollständig geschlossen.
Wie aus Fig. 3 zu sehen ist, fließt mit zunehmender Phasen
differenz ein immer größerer Anteil des Fluids innerhalb
eines Pumpzyklus in die Sperrichtung durch das Ventil.
Dies bedeutet eine Umkehr der Förderrichtung (Φ<0). Bei
einer Phase von -180 Grad wird eine vollständige Umkehr der
Förderrichtung erreicht, wie es in der fünften Spalte in
Fig. 3 dargestellt ist.
In Fig. 4 ist die Frequenzabhängigkeit der Pumprate bei
einer elektrostatisch angetriebenen Mikro-Membranpumpe unter
Verwendung von sogenannten Klappenventilen in einem halblo
garithmischen Maßstab dargestellt.
Im Frequenzbereich von 1 Hz bis 1 kHz befindet sich die Mi
kro-Membranpumpe in ihrem sogenannten Standard-Betriebsbe
reich, der durch den Pfeil 400 dargestellt ist. In diesem
Standard-Betriebsbereich 400 weist die Mikro-Membranpumpe
eine positive Pumprate (Φ<0) auf, was einer vorwärtsgerich
teten Pumpwirkung entspricht.
Im Frequenzbereich von 2 kHz bis 6 kHz, der durch den Pfeil
410 dargestellt ist, weist die Mikro-Membranpumpe eine nega
tive Pumprate (Φ<0) auf, was einer rückwärts gerichteten
Pumpwirkung entspricht.
Es wird darauf hingewiesen, daß nicht nur die Phase, sondern
auch die maximale Öffnung des beweglichen Ventilteils sowie
die Amplitude der erregenden Druckoszillationen von der an
liegenden Erregerfrequenz abhängen. Neben dem Effekt der
Phasenverschiebung zwischen dem Öffnungszustand des be
weglichen Ventils und der erregenden Druckoszillation
besteht auch eine Auswirkung der Frequenzabhängigkeit der
maximalen Amplitude des beweglichen Ventils und die
Frequenzabhängigkeit der Amplitude der erregenden Druck
oszillationen.
Durch eine geeignete Veränderung der Form der verwendeten
Ventile kann die Resonanzfrequenz der in einer Mikro-Mem
branpumpe verwendeten, beweglichen Ventilteile variiert
werden. Hierdurch ist es möglich, den Frequenzbereich 410 zu
beeinflussen, in dem die negative Pumprate auftritt.
Neben der oben beschriebenen sogenannten ersten Resonanz der
beweglichen Ventilteile treten auch Resonanzen höherer Ord
nung auf. Mit jeder neuen Resonanz läßt sich die Förderrich
tung erneut umkehren.
Es wird darauf hingewiesen, daß sich der Frequenzbereich
410, bei dem eine negative Pumprate auftritt, derjenige Fre
quenzbereich ist, bei dem eine Phasendifferenz von etwa 90
Grad bis etwa 180 Grad zwischen dem Treibersignal und der
Auslenkung der Ventile auftritt. Der Frequenzbereich, bei
dem eine positive Pumprate auftritt, ist derjenige Frequenz
bereich, bei dem eine Phasendifferenz von etwa 0 Grad bis 90
Grad zwischen dem Treibersignal und der Auslenkung der Ven
tilstruktur auftritt.
In Fig. 5 ist ein Blockdiagramm der Anordnung einer Vorrich
tung zur Erzeugung eines Treibersignals und einer Mikro-Mem
branpumpe dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum
Ansteuern einer Mikro-Membranpumpe 510 mittels eines Trei
bersignals umfaßt eine Einrichtung 500 zum Erzeugen des
Treibersignals mit einer Erregerfrequenz, die im Bereich
einer Resonanz der aus den beweglichen Teilen der Mikro-Mem
branpumpe 510 und dem zu pumpenden Fluid gebildeten Systems
liegt. Das Treibersignal wird über eine oder mehrere Signal
leitungen 520 an die Mikro-Membranpumpe 510 angelegt.
Ferner erzeugt die Treibersignalerzeugungseinrichtung ein
zweites Treibersignal mit einer zweiten Erregerfrequenz, die
in einem Bereich liegt, bei dem eine Phasendifferenz von et
wa 0 Grad bis 90 Grad zwischen dem Treibersignal und der
Auslenkung der Ventilstruktur auftritt, um das zu pumpende
Fluid in die durch die Ventilstruktur definierte Förderrich
tung zu pumpen.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung sind nicht auf Mikro-Membranpumpen beschränkt,
die Rückschlagventile verwenden. Die Anwendung der Erfindung
auf Mikro-Membranpumpen, die anders ausgebildete passive
Ventile verwenden, ist ohne weiteres möglich.
Weiterhin beschränkt sich die Anwendung der vorliegenden Er
findung nicht auf eine Mikro-Membranpumpe, die zwei Ventile
verwendet. Die Verwendung von Mikro-Membranpumpen, die ein
Ventil oder mehr als zwei Ventile verwenden, ist ohne
weiteres möglich.
Neben der oben beschriebenen elektrostatischen Erregung der
Pumpmembran der Mikro-Membranpumpe sind auch piezoelektri
sche und pneumatische bzw. thermopneumatische Antriebsme
chanismen für die Mikro-Membranpumpe möglich.
In Betracht kommt auch ein thermischer Zweiphasenantrieb,
bei dem eine Flüssigkeit in einer Antriebskammer erhitzt
wird, wodurch sich eine Dampfblase bildet, durch die eine
Pumpmembran durch Verdrängung betätigt wird. Der thermische
Zweiphasenantrieb ermöglicht gegenüber einem rein thermo
pneumatischen Antrieb die Erzeugung höherer Drücke.
In Abweichung von den gezeigten Ausführungsformen der
Antriebe kommt neben einem Membranverdränger auch ein
Kolbenverdränger in Betracht.
Claims (9)
1. Verfahren zur Ansteuerung einer Mikropumpe (100) mittels
eines Treibersignals, wobei die Mikropumpe (100) eine
durch eine Ventilstruktur (118, 120) definierte Förder
richtung hat,
gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
Anlegen des Treibersignals mit einer Erregerfrequenz an die Mikropumpe (100), wobei die Erregerfrequenz im Bereich einer Resonanz eines aus den beweglichen Teilen (106, 118, 120) der Mikropumpe (100) und dem zu pumpenden Fluid gebildeten Systems liegt, wodurch sich die durch eine Ventilstruktur (118, 120) definierte Förderrichtung umkehrt.
gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
Anlegen des Treibersignals mit einer Erregerfrequenz an die Mikropumpe (100), wobei die Erregerfrequenz im Bereich einer Resonanz eines aus den beweglichen Teilen (106, 118, 120) der Mikropumpe (100) und dem zu pumpenden Fluid gebildeten Systems liegt, wodurch sich die durch eine Ventilstruktur (118, 120) definierte Förderrichtung umkehrt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikropumpe als eine Mikro-Membranpumpe (100)
ausgebildet ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net,
daß der Bereich, in dem die Erregerfrequenz liegt, der
jenige Frequenzbereich ist, bei dem eine Phasendifferenz
von etwa 90 Grad bis etwa 180 Grad zwischen dem Treiber
signal und der Auslenkung der Ventilstruktur (118, 120)
auftritt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet,
daß die Resonanz im wesentlichen durch die Ventilstruk
tur (118, 120) bestimmt ist.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet,
daß die Resonanz eine Resonanz erster Ordnung oder eine
Resonanz höherer Ordnung ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner ge
kennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritt:
Anlegen eines zweiten Treibersignals mit einer zweiten
Erregerfrequenz an die Mikropumpe (100), wobei die
zweite Erregerfrequenz in einem Bereich liegt, bei dem
eine Phasendifferenz von etwa 0 Grad bis 90 Grad
zwischen dem Treibersignal und der Auslenkung der Ven
tilstruktur (118, 120) auftritt, um das zu pumpende
Fluid in die durch die Ventilstruktur (118, 120) defi
nierte Förderrichtung zu pumpen.
7. Vorrichtung zum Ansteuern einer Mikropumpe (510) mittels
eines Treibersignals, wobei die Mikropumpe (100) eine
durch eine Ventilstruktur (118, 120) definierte Förder
richtung hat,
gekennzeichnet durch
eine Einrichtung (500) zum Erzeugen des Treibersignals
mit einer Erregerfrequenz, die im Bereich einer Resonanz
eines aus den beweglichen Teilen der Mikropumpe und dem
zu pumpenden Fluid gebildeten Systems liegt, wodurch
sich die durch eine Ventilstruktur (118, 120) definierte
Förderrichtung umkehrt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mikropumpe als eine Mikro-Membranpumpe (100)
ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeich
net,
daß die Treibersignalerzeugungseinrichtung (500) ferner
ein zweites Treibersignal mit einer zweiten Erregerfre
quenz erzeugt, die in einem Bereich liegt, bei dem eine
Phasendifferenz von etwa 0 Grad bis 90 Grad zwischen dem
Treibersignal und der Auslenkung der Ventilstruktur auf
tritt, um das zu pumpende Fluid in die durch die Ventil
struktur definierte Förderrichtung zu pumpen.
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