EP0826109B1 - Fluid pump without non-return valves - Google Patents
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- EP0826109B1 EP0826109B1 EP96930157A EP96930157A EP0826109B1 EP 0826109 B1 EP0826109 B1 EP 0826109B1 EP 96930157 A EP96930157 A EP 96930157A EP 96930157 A EP96930157 A EP 96930157A EP 0826109 B1 EP0826109 B1 EP 0826109B1
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- European Patent Office
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- pump
- opening
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
- F04B19/006—Micropumps
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/0009—Special features
- F04B43/0027—Special features without valves
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
- F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
- F04B43/04—Pumps having electric drive
- F04B43/043—Micropumps
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
- F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
- F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
- F04B7/04—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving in which the valving is performed by pistons and cylinders coacting to open and close intake or outlet ports
Definitions
- the present invention relates to fluid pumps.
- micropumps Corresponding pumps that are small in size and deliver low pump currents are called micropumps.
- the displacers of such pumps are typical designed as a membrane, see P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, pages 143-164.
- the displacers can are driven by different mechanisms.
- Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing systems Sensors and actuators, A21-A23 (1990) pages 189-192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser / nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159-167, and T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and performance of the dynamic micropump; Proc. MEMS'95; (1995), pages 221-226; Amsterdam, The Netherlands, piezoelectric drive mechanisms are shown. Thermopneumatic mechanisms for driving the displacers are at F.C.M. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J.
- micropumps can be either passive check valves or special flow nozzles can be used.
- the direction of funding of micropumps can be done without forced valve control solely by driving at a frequency above the resonance frequency of the valves are reversed.
- R. Zengerle S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bi-directional Silicone micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Netherlands; Pages 19-24, J. Ulrich, H. Meder, R. Zengerle; Static and dynamic flow simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Sweden, (1995), pages 17-20.
- the cause of this effect is a phase shift between the movement of the Displacer and the opening state of the valves.
- a disadvantage of this embodiment is that the execution of the valves a compromise between their mechanical Resonance in the liquid environment, its flow resistance, their fluidic capacity, i.e. the elastic Volume deformation, their size and their mechanical Stability must be found. These parameters that all can have an impact on the pump dynamics not independently adjusted to an optimum become and stand in part of a desired, further Miniaturization of the pump dimensions counter.
- An exemplary check valve micropump is disclosed in EP 0 568 902 A2. This micropump is operated by the reciprocal movement of a membrane. The volume of a changes due to the movement of the membrane Pump chamber formed by the membrane and a support member is. The outlet and inlet of the micropump are provided with an outlet valve or an inlet valve.
- WO-A-87/07218 is a piezoelectrically operated Pressure generating device known that an electrically controllable Membrane made of a first piezoelectrically excitable Layer and a firm with this stimulable layer connected support layer.
- the membrane has one piezoelectrically excitable peripheral area and a piezoelectric excitable central area, the Areas are controlled such that to generate a Membrane deflection the membrane in its peripheral area shortened by transverse contraction and in its central area is extended.
- WO-A-87/07218 also discloses a fluid pump using three interconnected Membranes of the type described above, one first membrane serves as an inlet valve, a second membrane defines a variable cavity and a third membrane serves as an outlet valve.
- FR-A-2478220 discloses a pump in which two drive devices are intended to be a flexible membrane, which is provided with a movable plate, in different To move end positions.
- the membrane is on attached to a support plate, the middle of an inlet opening having. Outlet openings are provided in the membrane.
- a suitable control can result in a pumping effect are generated from the inlet opening to the outlet openings.
- the present Invention based on the task of efficient fluid pumps with a simple structure that has no check valves have to create.
- the fluid pump according to the present invention no check valves, neither passive nor active, required. Furthermore, the fluid pump according to the present Invention for actively blocking the fluid in both directions be used. With the pump according to the present Invention is a reversal of the conveying direction without use an external positive control of valves and without the Using a resonance of passive check valves reachable.
- achievable pumping capacity can be controlled by the Timing of driving the displacer into the first and in the second end position, i.e. by controlling the clock ratio, be optimized. Furthermore, the achievable Pump power through a cross-sectional adjustment of the first and second opening can be optimized.
- the present invention is also based on the finding that that it is possible to use a self-priming fluid pump, for example a self-priming micropump create by creating the dead volume in the micropump, i.e. the volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution, is drastically reduced. This makes self-filling with simple control of the pump drive reproducible.
- a self-priming fluid pump for example a self-priming micropump create by creating the dead volume in the micropump, i.e. the volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution
- Fig. 1 is a first embodiment of a pump according to of the present invention.
- the pump has one Pump body 10, which is plate-like, and a displacer 12, which has connections 18, which depend on the material are attached to the pump body is on.
- a pump chamber 14 is through a recess in the pump body 10 is formed.
- In the pump body are also two openings, a first opening 15 and a second Opening 16, provided to which the fluid lines of the pumping fluids can be connected.
- An elastic one Buffer 13 is through in the first embodiment a thinning of the pump body 10 in the form of a membrane, which is deformable depending on the pressure.
- the displacer 12 can be driven (not shown) by a drive. periodically to and fro between two end positions will.
- the displacer closes in the first end position 12 the first opening 15, which is in normal operation of the pump represents the inlet.
- the Displacer 12 In the second end position, the Displacer 12, the first opening 15 open.
- the second opening 16, which is the outlet in normal operation, is irrelevant the position of the displacer 12 during an entire Pump cycle open.
- the pump mechanism is that shown in FIG. 1 Pump explained in more detail.
- the first opening 15 as an inlet opening and the second opening 16 considered as an outlet. 2 are the essential ones Parameters used to explain the pumping mechanism are shown.
- V buffer A pressure-dependent volume displacement of the elastic buffer
- dV Pumping chamber dV 0 (p) + dV buffer (p) + dV Displacer
- the displacer 12 is moved from the first end position, that is to say the end position in which it closes the inlet opening 15, upward by a defined volume dV * within a very short time, dt ⁇ 0.
- the deformed buffer volume creates a negative pressure in the pump chamber 14, which can be calculated using the characteristic V buffer (p).
- the inlet opening is now closed.
- the downward movement of the displacer 12 leads to a corresponding volume deformation of the elastic buffer, ie the membrane 13 in the first exemplary embodiment, out of the pump chamber 14, since the pump chamber content was assumed to be incompressible, and the volume change of the displacer 12 within the short time not due to the fluid flows ⁇ e and ⁇ a can be compensated through the opening 15, 16.
- the deformed buffer volume now creates an overpressure in the pump chamber, which can also be calculated from the pressure characteristic V buffer (p) of the buffer.
- the pump efficiency can vary will.
- the efficiency in the no-load case can be clearly seen be optimized more than 50%.
- the reason for this is in a significantly lower backflow of fluid from the outlet into the pumping chamber during the suction phase.
- the Increase in flow resistance on the outlet side according to Equation (6) a corresponding extension of the pumping phase result.
- Suction and pumping phases of different durations can take place at the Control of the displacer can be taken into account by a clock ratio other than 50% is used, i.e. by the timing of driving the displacer into the first and is controlled in the second end position.
- a clock ratio other than 50% is used, i.e. by the timing of driving the displacer into the first and is controlled in the second end position.
- FIG. 3 shows the transient processes in the pump according to Fig. 1 shown in diagram form.
- the curve "A" shows the course of the displacement movement during a pump cycle in the four sub-steps 1, 2, 3 and 4.
- step 1 the displacer quickly adapts deflected above and remains in step 2 during this Position.
- the inlet opening is open.
- step 3 the displacer is moved down very quickly, closes the entrance opening and remains during the Step 4 in this state.
- Curve "B” represents the response of the buffer, which according to the embodiment of FIG. 1 consists of the membrane 13.
- This elastic buffer element in the form of the membrane 13 can deform in accordance with the pressure conditions.
- step 1 the deformation of the Buffer the volume change of the displacer.
- step 2 builds up the deformation of the buffer Fluid flows through the inlet or outlet opening again from.
- step 3 the buffer element deforms downwards and thus compensates for the rapid volume change of the displacer. This deformation builds up during substep 4 due to the fluid flow through the outlet opening.
- the curve "C" represents the pump chamber pressure. Since the pump chamber pressure depends on the deformation of the buffer its course essentially the course of the volume change through the buffer.
- Curve “D” illustrates the flow through the inlet opening. From the curve “D” is a rectifier effect recognizable, since the inlet is closed in step 3 and during substep 4, during which in the pressure chamber there is overpressure, remains closed. In order to is a backflow from the pump chamber to the inlet side prevented.
- Curve "E” shows the flow through the outlet opening. Since the outlet opening in both end positions of the displacer is open, the fluid flows in both step 2 and in step 4 through the outlet opening. The net transportation of Fluid through the inlet and outlet ports results from the integral over one of the two curves "D" or "E". in the normal mode of operation is the net transport from inlet to Outlet directed.
- 4a to 4e is the pump according to the first embodiment, which is shown in Fig. 1 during the various Partial steps of a pump cycle are shown.
- FIGS 5, 6 and 7 show fluid pumps.
- Fig. 5 shows a pump in which a buffer 43 in a pump body 40 is arranged.
- the pump body 40 has one Base plate 40a and side walls 40b, which together form one Form hollow body by the side walls 40b and Base plate 40a is completed and on one side, in Fig. 5 of the upward side is open.
- Base plate has a round shape, the side walls are formed, to define a tubular structure.
- By the base plate extends an inlet opening 45 and Outlet opening 46.
- a displacer is located in the cavity 42, which closes the same towards the open side and by means of a drive (not shown) in the Direction shown by arrow 19 is piston-like in the cavity is movable.
- a pump chamber 44 is through a recess of the displacer 42 and the pump body 40 are formed.
- the elastic Buffer 43 is in the pump body 40, i.e. in the side wall 40b of the base body 40 educated.
- the side wall 40b is in one Area adjacent to pump chamber 44 is thinned by one to result in membrane-like structure.
- a pump body 50 is included constructed in the same way as the pump body 40 the pump shown in Fig. 5, except that the elastic Buffer is not formed in the same.
- the displacer 52 has the shape of an H in cross section, wherein one leg thereof has a protrusion 52a to one To close inlet opening 55 in the pump body 50.
- a Outlet opening 56 in the pump body 50 is always open.
- the displacer 52 is formed around the pump body 50 to close to the open side. He can depending on the shape of the pump body 50, seen from above, any round, polygonal, elliptical, etc., Have shape.
- the shape of the displacer 52 is between the displacer 52 and the pump body 50 in turn a pump chamber 54 Are defined.
- Pump is the elastic one But don't buffer in that Pump body 50 formed, but in the displacer 52 is the elastic buffer as membrane 53 in the displacer 52 trained.
- FIG. 7 is yet another fluid pump shown.
- Fig. 7 are components that are similar to those in Fig. 6, with the the same reference numerals.
- the pump body is identical to the pump body shown in Fig. 6.
- An elastic buffer element 63 is arranged in a displacer 62, such that the elastic buffer element 63 is an interface to one formed by the displacer 62 and the pump body 50 Has pump chamber 64. When this pump is operated, it will elastic buffer element 63 compressed and expanded, which in turn changes the previously explained mode of operation results.
- the function of the elastic buffer element also from an elastic one Medium are taken over in the pump chamber.
- examples are a gas inclusion in a liquid filled Chamber or a rubber-like material in the pump chamber.
- the elastic membrane which is called Part of the displacer or the pump body a section of the pump chamber limitation, can be dispensed with.
- the medium to be pumped is compressible, for example gas
- the buffer function can be taken over by the same itself, with no other mechanical components to be realized of the buffer are necessary.
- the stroke of the displacer in steps 1 and 3 explained above is then first through expansion or compression of the elastic medium in the pumping chamber or the medium to be pumped itself, to be compensated.
- FIG. 8 A representation of the transient processes of the individual components, for example that of the embodiment that is shown in Fig. 1, with a reaction of the pump chamber on the displacer, i.e. without forced control, is in Fig. 8 shown.
- the displacer is in Step 1 does not fully reach its final end position, but only towards the end of sub-step 2.
- the displacer must at the end of substep 3 Do not completely close the inlet opening yet, but only with increasing pressure equalization during the substep 4.
- a very fast control is also required for the pump effect of the displacer within a very short time, dt ⁇ 0, inexpensive, but not absolutely necessary.
- the position of the displacer in the deactivated mode to design the pump without any additional effort, that by blocking the inlet opening by the displacer fluid flow in both directions excluded is.
- the displacer positively controlled and its position due to the pressure prevailing in the pump chamber is affected by the blocking of the fluid line in given both directions without additional effort. If there is a reaction between the displacement position and the pump chamber pressure exists, the drive of the displacer can be interpreted in such a way that the active displacer presses on the inlet opening and thus the fluid flow is active prevents.
- the pumping direction can be one Fluid pump can be reversed according to the present invention. If the displacer is driven with a frequency that above the mechanical resonance of the buffer in that Environment, i.e. in the fluid to be pumped, this results in a phase shift of more than 90 ° between the expansion or compression of the buffer element and the opening condition defined by the displacement position the inlet opening.
- the buffer in the pumping chamber thus increases Pump medium while the inlet opening is closed, and releases pumping medium when the inlet and outlet openings are open are. This results in an inverse to that described above Pump direction. In this case there is a reversal the pumping direction from the outlet opening to the inlet opening.
- the advantage over the existing, bidirectional Micropump lies in the fact that (i) passive Valves can be dispensed with entirely, and (ii) the resonance frequency of the buffer differently than with the resonance of a passive Check valve, regardless of other important Variables such as the flow resistance of the valve, the fluidic capacity, the size of the valve and its mechanical stability can be adjusted.
- the resonance frequencies can range from ⁇ 200 Hertz can be lowered, which means that the effort at electrical and mechanical control of the displacer is significantly reduced.
- passive Valves resonate in the range between 2000 Hertz and 6000 Hertz. By reducing the resonance frequency the inertial forces acting on the displacer are clear less.
- the mechanism cannot be limited to microscopic Pumps that deliver small moving masses but can also be realized in a macroscopic design.
- micropumps can transport both liquids and gases, they are not self-priming throughout, i.e. she are unable to hold a pump chamber filled with gas To be replaced independently by liquid during the pumping process. This makes it difficult to use the pumps in practice quite considerably. The following is the causes of the nonexistent self-priming.
- Capillary forces play in micropumps with passive check valves a major role. As soon as the liquid level reaches the inlet valve and the movable valve part, the valve flap or the valve membrane, wetted, capillary forces occur which severely restrict movement or which the necessary effort to move the enlarge the elastic valve part considerably. Only when that entire movable valve part completely with liquid is washed around, these forces cancel each other out and the pump is in its normal pump mode.
- the actuator directly in the pump according to the invention be used to overcome the capillary forces.
- the direct power transmission of the drive to that of one Liquid wetted parts are subject to much higher forces Overcoming capillary forces available.
- the Work displacer despite wetting.
- Fig. 9 is a second embodiment of a pump according to the present invention.
- the displacer 82 is part of a second pump body 90.
- the second pump body 90 is structured, i.e. it exhibits thickening and thinning 89 to create an elastic suspension for the displacer 82 to deliver.
- the second pump body 90 is via connections 88 attached to a pump body 80.
- the pumping chamber 84 is as a capillary gap between the pump body 80, the displacer 82 and the second pump body 90 educated.
- the pump body 80 has an inlet opening 85 which is closed by the displacer 82 when it is in the first end position.
- the displacer 82 can in turn be moved in the direction of arrow 19.
- the buffer is in this embodiment again designed as a membrane, which is in the pump body 80.
- the buffer could through the dilutions 89, which are called elastic suspensions serve for the displacer 82, be realized, the Buffer in the pump body 80 would then be eliminated. In this Case it would be advantageous if the dilutions 89 opposite 9 would be enlarged.
- the pump chamber 84 fills itself as soon as a fluid meniscus abuts this gap.
- Such a reduction in Pump chamber height is in conventional micropumps with check valves excluded, as this causes the movement of the Valves is restricted.
- For micropumps with flow nozzles provides the pump chamber with a drastic reduction the pump chamber height an additional flow resistance This internal flow resistance of the pump chamber dominates about the flow resistance of the nozzles, so that the Pump effect breaks down based on the preferred direction of the nozzles.
- the second opening, the outlet opening during normal operation of the pump always corresponds to open.
- 10a to 10e is a third embodiment a pump according to the present invention during the different sub-steps of a pump cycle are shown.
- the buffer is in the displacer formed such that the displacer and the Buffer formed as different areas of a membrane which spans the pump body to the pump chamber define.
- the pump body is similar to that of the first Embodiment formed, with the exception that the Buffer is not formed in the same.
- the pump according to the invention enables a further simplified Making the same.
- the present invention thus provides a pump based on is based on a new mechanism, completely without check valves gets along and a reversal of the pump direction without external valve reversal. Consequently the pump according to the present invention has one essential simpler construction. Furthermore, the displacer simultaneously used to flow over a fluid the pump is passive in both directions after it is switched off or actively shut off.
- the present invention also provides a pump that Provides advantages when switching the pump direction.
- the resonance of the mechanical Component which in the conventional case the valve and in the present invention the buffer element is independent the flow resistance of a valve whose Size, its fluidic capacity and its mechanical Stability can be set. This makes it possible on the one hand to further miniaturize the components and on the other hand to lower the resonance frequencies on average. In conventional micropumps, these stand up opposite effects.
- the inventive one Pump that works without check valves, one increased efficiency per pump cycle of more than 50% on.
- the pump can only be structured from a single one Component in which the displacer is implemented, and one Base plate with two openings. These simple ones Structures allow the entire system to be assembled without any problems.
- a basic structure made of Pyrex allows the anodic Bonding the structured silicon component to the Pyrex base body, which serves as a pump body.
- the openings in the basic structure can be as simple holes or any be shaped. This reduces the effort compared to the production of flow nozzles considerably. Further the basic design of the micropump can be round or any have any shape.
- the materials for the micropump come as well almost all other materials are considered, for example metals, Plastics, glasses, ceramics. It is a simple one Production in plastic injection molding technology also possible such as production using metal pressure casting technology or the LIGA process.
- the drive of the micropump i.e. of the displacer, can by all known actuator processes take place, for example piezoelectric, pneumatic, thermopneumatic, thermomechanical, electrostatic, magnetic, magnetostrictive or hydraulic.
- the field of application of the pump according to the invention covers the whole Area of microfluidics and fluidics as the medium both conveyed bidirectionally and blocked in a defined manner can be.
- the minimal size enables the Development of minimal mixing and dosing systems in the medical, Chemical and analysis technology.
- B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij; A silicon integrated miniature chemical analysis system; Sensors and Actuators, B, 6 (1992), pages 57-60, are for such Application uses two pumps, whereas one uses only a pump according to the invention would do.
- the pump principle is suitable for a wide range of sizes, so that in many cases the injection molding technology as inexpensive Manufacturing technology can be used.
- Fig. 11 shows a fourth embodiment of a self-priming Fluid pump according to the present invention.
- the Fluid pump has a pump body 110, on which by means a connecting device 112 a displacer 114 in the Form of a membrane 114 is attached.
- the membrane 114 can on the sections where the displacer on the pump body 110 is attached, be thickened.
- the membrane 114 is by means of a drive device 116, which is a piezoelectric, a pneumatic, a thermopneumatic, a thermomechanical, electrostatic, magnetic, a magnetostrictive or a hydraulic drive arrangement can be from the position shown in Fig. 11 and is referred to below as the first end position, movable into a second end position.
- openings 118 and in the pump body 110 120 are two openings 118 and in the pump body 110 120 arranged, for example, with an inlet or Outlet fluid line (not shown) may be connected.
- the opening is 118 the inlet opening, while opening 120 the outlet opening represents.
- the membrane 114 is preferably directly over the Inlet opening 118 connected to drive device 116, to the operation of the pump, referring to below 14 will be explained.
- To attach the Drive device the membrane 114 in place of the same, at which it is connected to the drive device 116 is thickened.
- the self-priming, self-filling shown in Fig. 11 Micropump differs from known micropumps in that they alternate the first in pump mode Opening 118 opens while second opening 120 closes remains to then open the second opening 120 while the first opening is closed. In the case of Fig. 11 pump is always only one at any time Opening, 118 or 120, opened while the other opening closed is. Both openings 118 are at rest and 120 closed, whereby the pumping medium is shut off in a defined manner becomes.
- the fluid pump has again a pump body 110, on which by means of a Connection device 112 a membrane 124 is attached. In this embodiment, however, is between the membrane and a capillary gap 126 is formed in the pump body.
- a drive device on the membrane 116 attached.
- Structures can be formed on the side of the membrane 124 be the optimal buffer volume adjustment and emptying enable. Structuring, which can be designed, for example, as flow channels, on the top of the pump body, i.e. the top that faces the membrane 124, or the underside of the membrane used for optimal filling or emptying of the pump will.
- openings 118 and 120 made in the pump body 110 are arranged, further surveys, the same surrounded, have.
- the membrane 124 would have to have no thickenings facing the pump body 110, to allow openings 118 and 120 to be closed.
- FIG. 13 is a sixth embodiment of a fluid pump according to the present invention.
- the pump shown in Fig. 13 is between the pump body 110 and a membrane 136 forming a displacer is a capillary Gap formed.
- a membrane 136 forming a displacer is a capillary Gap formed.
- This asymmetrical structure of the invention Pump is a self-priming or self-filling Operation of the micropump according to the present invention possible.
- FIG. 12 illustrated embodiment of the present invention undergoes a similar pump cycle during operation.
- the displacer i.e. the membrane 114
- the inlet opening, opening 118 being opened, while the outlet opening, the opening 120, is closed remains.
- the position shown in Fig. 14b can be second End position of the displacer can be considered.
- Fig. 14c it is shown how by the upward movement the displacer a medium to be pumped through the inlet opening, i.e. the opening 118 into which by the upward movement of the displacer pump chamber is drawn. Subsequently, as shown in Fig. 14d, the displacer suddenly, selectively moved down and closed hence the inlet opening. Due to the displacement deformation, i.e. the deformation of membrane 114 becomes a buffer volume formed between the diaphragm and the pump body, which is the absorbed Fluid volume corresponds to what causes the Exhaust opening is released.
- volume of the medium received through an opening corresponds to the volume dispensed through the second opening of the medium.
- Backflow or dead volume i.e. that volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution, go with this arrangement in contrast to known micropumps towards zero.
- Micropump with simple control of the drive device self-filling in connection with membrane deformation and the sequential opening of the openings reproducible.
- FIG. 15a to 15e is a pump cycle of that in FIG. 13 shown sixth embodiment of a pump according to of the present invention.
- the membrane 136 is initially based on a Rest position moved downwards by means of the drive device 116, such that the opening 118 is closed.
- opening 118 be that Inlet opening referred to as opening 120 as the Exhaust opening is called.
- the one shown in Fig. 15a The position of the membrane 136 can be referred to as the first end position will.
- the membrane 136 becomes subsequently moved jerkily upwards. In this case it is not only one opening is closed while the other is open is. As shown in Figs. 15b and 15c here both openings briefly opened, however a different dimension of the medium through the openings flows because the opening height, i.e. the distance of the membrane above the openings, and thus the flow resistance. Thus flows in through the inlet opening 118 greater fluid flow than through outlet opening 120. This is shown in Fig. 15c by the different strengths Arrows appear.
- the membrane is subsequently moved jerkily downward, closing the opening 118 becomes. Again is between the membrane and the Pump body formed a pump volume that, as in Fig. 15e is shown, then by reshaping the displacer is emptied through the opening 120.
- the micropump according to FIGS. 11 and 12 can be operated with a fill the constant drive frequency yourself. After that too pumping medium has filled the pump chamber or the pump chamber and emerges at the outlet opening, the drive frequency the drive device that drives the displacer, in the case of pumping a liquid medium by a factor 10 can be reduced because air is no longer displaced must, but only the liquid medium.
- the pump mechanism is displacement and the arrangement of the openings.
- the one to be pumped Medium is received through opening 118 and to the opening 120 "shifted" or via a “roll displacement" transported.
- the pump body and displacement devices according to the present Invention can preferably consist of silicon. In addition, they can also be used in plastic injection molding be made. As drive devices can all drives known in the art can be used. The transient waveforms characteristic of the micropump for the stroke, the pump chamber pressure, the displacement volume change and the flow can be derived easily will.
- a capillary Gap between the displacer membrane and the pump body plate also through a recess in the pump body plate be educated.
- the present invention enables according to the second and third aspect of the same, the production for the first time non-return valve, self-priming, i.e. self-filling, Micropumps.
- the field of application of the invention Pumping covers the entire field of microfluidics and Fluidics, since the medium to be pumped is both bidirectional can be promoted as well as blocked. Further are the pumps according to the invention with minimal effort and can be manufactured with minimal sizes. Through this Small sizes, the present invention enables Development of minimal mixing and dosing systems in the medical, Chemical and analytical technology, the ones used Pumps have good efficiency.
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidpumpen.The present invention relates to fluid pumps.
Es ist bekannt, zum Transport von Flüssigkeiten und Gasen Verdrängerpumpen zu verwenden, die aus einem periodischen Verdränger, einem Kolben oder einer Membran, und zwei passiven Rückschlagventilen bestehen. Durch die periodische Bewegung des Kolbens oder der Membran wird Flüssigkeit durch das Einlaßventil in eine Pumpkammer angesaugt, bzw. durch das Auslaßventil aus der Pumpkammer verdrängt. Die Transportrichtung ist dabei durch die Anordnung der Ventile vorgegeben. Soll bei einer derartigen Anordnung die Pumprichtung umgekehrt werden, ist bei solchen bekannten Pumpen eine mit einem hohen Aufwand verbundene, externe Umsteuerung der Ventile notwendig. Derartige Pumpen sind beispielsweise bei Jarolav und Monika Ivantysyn; Hydrostatische Pumpen und Motoren; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993, gezeigt.It is known to transport liquids and gases To use positive displacement pumps, which consist of a periodic Displacer, a piston or a membrane, and two passive Check valves exist. Through the periodic movement of the piston or membrane becomes liquid sucked the inlet valve into a pumping chamber, or through the outlet valve is displaced from the pump chamber. The direction of transport is determined by the arrangement of the valves. With such an arrangement, the pumping direction to be reversed is one in such known pumps external reversal of the Valves necessary. Such pumps are for example at Jarolav and Monika Ivantysyn; Hydrostatic pumps and motors; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993.
Entsprechende Pumpen, die eine geringe Baugröße aufweisen und geringe Pumpströme liefern, bezeichnet man als Mikropumpen. Die Verdränger solcher Pumpen sind typischerweise als Membran ausgeführt, siehe P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, Seiten 143 - 164. Die Verdränger können durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden. Bei H.T.G. Van Lintel, F.C.M. Van de Pol. S. Bouwstra, A Piezoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon, Sensors & Actuators, 15, Seiten 153 - 167, 1988, S. Shoji, S. Nakagawa and M. Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing systems; Sensors and Actuators, A21-A23 (1990) Seiten 189 - 192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159 - 167, und T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and performance of the dynamic micropump; Proc. MEMS'95; (1995), Seiten 221 - 226; Amsterdam, The Netherlands, sind piezoelektrische Antriebsmechanismen gezeigt. Thermopneumatische Mechanismen zum Antreiben der Verdränger sind bei F.C.M. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J. Fluitman, A Thermo-pneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques, Sensors & Actuators, A21-A23, Seiten 198 - 202, 1990, B. Büstgens, W. Bacher, W. Menz, W. K. Schomburg; Micropump manufactored by thermoplastic molding; Proc. MEMS'94; (1994), Seiten 18 - 21, gezeigt. Ein elektrostatischer Mechanismus ist bei R. Zengerle, W. Geiger, M. Richter, J. Ulrich, S. Kluge, A. Richter; Application of Micro Diaphragm Pumps in Microfluid Systems; Proc. Actuator '94; 15. - 17.6.1994; Bremen, Germany; Seiten 25 - 29, gezeigt. Ferner können die Verdränger thermomechanisch oder magnetisch angetrieben werden.Corresponding pumps that are small in size and deliver low pump currents are called micropumps. The displacers of such pumps are typical designed as a membrane, see P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, pages 143-164. The displacers can are driven by different mechanisms. At H.T.G. Van Lintel, F.C.M. Van de Pol. S. Bouwstra, A Piezoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon, Sensors & Actuators, 15, pages 153-167, 1988, S. Shoji, S. Nakagawa and M. Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing systems; Sensors and actuators, A21-A23 (1990) pages 189-192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser / nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159-167, and T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and performance of the dynamic micropump; Proc. MEMS'95; (1995), pages 221-226; Amsterdam, The Netherlands, piezoelectric drive mechanisms are shown. Thermopneumatic mechanisms for driving the displacers are at F.C.M. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J. Fluitman, A Thermo-pneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques, Sensors & Actuators, A21-A23, pages 198 - 202, 1990, B. Büstgens, W. Bacher, W. Menz, W.K. Schomburg; Micropump manufactored by thermoplastic molding; Proc. MEMS'94; (1994), pages 18-21. An electrostatic mechanism is at R. Zengerle, W. Geiger, M. Richter, J. Ulrich, S. Kluge, A. Richter; Application of Micro Diaphragm Pumps in Microfluid Systems; Proc. Actuator '94; June 15-17, 1994; Bremen, Germany; pages 25-29. Furthermore, the displacers can be thermomechanical or magnetically driven.
Wie ebenfalls in den oben genannten Schriften gezeigt ist, können als Ventile entweder passive Rückschlagventile oder spezielle Strömungsdüsen verwendet werden. Die Förderrichtung von Mikropumpen kann ohne eine Zwangssteuerung der Ventile allein durch eine Ansteuerung mit einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz der Ventile umgekehrt werden. Dazu seien R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bi-directional Silicon Micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Niederlande; Seiten 19-24, J. Ulrich, H. Füller, R. Zengerle; Static and dynamic flow simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Stockholm, Sweden, (1995), Seiten 17 - 20, betrachtet. Die Ursache dieses Effekts ist eine Phasenverschiebung zwischen der Bewegung des Verdrängers und dem Öffnungszustand der Ventile. Ist die Phasendifferenz größer als 90°, so ist der Öffnungszustand der Ventile antizyklisch zu deren Zustand im normalen Vorwärtsmodus und die Pumprichtung ist umgedreht. Eine externe Umsteuerung der Ventile, wie sie bei makroskopischen Pumpen notwendig ist, entfällt. Die entscheidende Phasendifferenz zwischen dem Verdränger und den Ventilen hängt dabei einerseits von der Antriebsfrequenz der Pumpe und andererseits von der Resonanzfrequenz des beweglichen Ventilteils in der Flüssigkeitsumgebung ab.As also shown in the above writings, can be either passive check valves or special flow nozzles can be used. The direction of funding of micropumps can be done without forced valve control solely by driving at a frequency above the resonance frequency of the valves are reversed. To be R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bi-directional Silicone micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Netherlands; Pages 19-24, J. Ulrich, H. Füller, R. Zengerle; Static and dynamic flow simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Stockholm, Sweden, (1995), pages 17-20. The cause of this effect is a phase shift between the movement of the Displacer and the opening state of the valves. Is the Phase difference greater than 90 °, so is the opening state the valves are counter-cyclical to their state in normal forward mode and the pumping direction is reversed. An external one Reversal of the valves, as in macroscopic pumps is necessary. The crucial phase difference it depends on the one hand between the displacer and the valves on the drive frequency of the pump and on the other hand from the resonance frequency of the movable valve part in the Liquid environment.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß bei der Ausführung der Ventile ein Kompromiß zwischen deren mechanischer Resonanz in der Flüssigkeitsumgebung, deren Strömungswiderstand, deren fluidischer Kapazität, d.h. der elastischen Volumenverformung, deren Baugröße und deren mechanischer Stabilität gefunden werden muß. Diese Parameter, die alle jeweils Auswirkungen auf die Pumpdynamik haben, können also nicht unabhängig voneinander auf ein Optimum eingestellt werden und stehen zum Teil einer erwünschten, weiteren Miniaturisierung der Pumpabmessungen entgegen.A disadvantage of this embodiment is that the execution of the valves a compromise between their mechanical Resonance in the liquid environment, its flow resistance, their fluidic capacity, i.e. the elastic Volume deformation, their size and their mechanical Stability must be found. These parameters that all can have an impact on the pump dynamics not independently adjusted to an optimum become and stand in part of a desired, further Miniaturization of the pump dimensions counter.
Generell nachteilig bei der Verwendung von Pumpen mit passiven Rückschlagventilen ist ferner die Tatsache, daß die Pumpen im ausgeschalteten Zustand das zu fördernde Medium nicht sperren. Übersteigt der Eingangs- den Ausgangsdruck um die Vorspannung der Ventile, so durchfließt das zu pumpende Medium die Pumpe.Generally disadvantageous when using pumps with passive Check valves is also the fact that the Pump the medium to be pumped when switched off do not lock. If the inlet pressure exceeds the outlet pressure the preload of the valves, so the pumped flows through Medium the pump.
Mikropumpen, die spezielle Strömungsdüsen verwenden, besitzen den Nachteil, daß sie einen sehr geringen maximalen Pumpwirkungsgrad im Bereich von den 10 - 20% aufweisen.Have micropumps that use special flow nozzles the disadvantage that they have a very low maximum Have pump efficiency in the range of 10-20%.
Eine beispielhafte, mit Rückschlagventilen versehene Mikropumpe
ist in der EP 0 568 902 A2 offenbart. Diese Mikropumpe
wird durch die Reziprokbewegung einer Membran betrieben.
Durch die Bewegung der Membran ändert sich das Volumen einer
Pumpkammer, die durch die Membran und ein Trägerbauglied gebildet
ist. Der Auslaß und der Einlaß der Mikropumpe sind
mit einem Auslaßventil bzw. einem Einlaßventil versehen.An exemplary check valve micropump
is disclosed in
In der WO-A-87/07218 ist eine piezoelektrisch betriebene Druckerzeugungsvorrichtung bekannt, die eine elektrisch ansteuerbare Membran aus einer ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stützschicht aufweist. Die Membran weist einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Bereich und einen piezoelektrisch anregbaren zentralen Bereich auf, wobei die Bereiche derart angesteuert werden, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich durch Querkontraktion verkürzt und in ihrem zentralen Bereich verlängert wird. Die WO-A-87/07218 offenbart ferner eine Fluidpumpe unter Verwendung von drei miteinander verbundenen Membranen der oben beschriebenen Art, wobei eine erste Membran als Einlaßventil dient, eine zweite Membran einen veränderlichen Hohlraum festlegt und eine dritte Membran als Auslaßventil dient.In WO-A-87/07218 is a piezoelectrically operated Pressure generating device known that an electrically controllable Membrane made of a first piezoelectrically excitable Layer and a firm with this stimulable layer connected support layer. The membrane has one piezoelectrically excitable peripheral area and a piezoelectric excitable central area, the Areas are controlled such that to generate a Membrane deflection the membrane in its peripheral area shortened by transverse contraction and in its central area is extended. WO-A-87/07218 also discloses a fluid pump using three interconnected Membranes of the type described above, one first membrane serves as an inlet valve, a second membrane defines a variable cavity and a third membrane serves as an outlet valve.
Die FR-A-2478220 offenbart eine Pumpe, bei der zwei Antriebsvorrichtungen vorgesehen sind, um eine biegsame Membran, die mit einer beweglichen Platte versehen ist, in unterschiedliche Endstellungen zu bewegen. Die Membran ist auf einer Trägerplatte angebracht, die mittig eine Einlaßöffnung aufweist. In der Membran sind Auslaßöffnungen vorgesehen. Durch eine geeignete Ansteuerung kann dabei eine Pumpwirkung von der Einlaßöffnung zu den Auslaßöffnungen erzeugt werden.FR-A-2478220 discloses a pump in which two drive devices are intended to be a flexible membrane, which is provided with a movable plate, in different To move end positions. The membrane is on attached to a support plate, the middle of an inlet opening having. Outlet openings are provided in the membrane. A suitable control can result in a pumping effect are generated from the inlet opening to the outlet openings.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, effiziente Fluidpumpen mit einem einfachen Aufbau, die keine Rückschlagventile aufweisen, zu schaffen.Based on the prior art mentioned, the present Invention based on the task of efficient fluid pumps with a simple structure that has no check valves have to create.
Diese Aufgabe wird durch rückschlagventillose Fluidpumpen
gemäß den Patentansprüchen 1, 14 und 20 gelöst.This task is accomplished by means of non-return valve fluid pumps
solved according to
Bei der Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung sind keine Rückschlagventile, weder passive noch aktive, erforderlich. Ferner kann die Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zum aktiven Sperren des Fluids in beiden Richtungen verwendet werden. Bei der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Umkehr der Förderrichtung ohne Verwendung einer externen Zwangssteuerung von Ventilen und ohne die Verwendung einer Resonanz von passiven Rückschlagventilen erreichbar. Die mit der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung erreichbare Pumpleistung kann durch die Steuerung des Zeitablaufs des Treibens des Verdrängers in die erste und in die zweite Endposition, also durch das Steuern des Taktverhältnisses, optimiert werden. Ferner kann die erreichbare Pumpleistung über eine Querschnittanpassung von erster und zweiter Öffnung optimiert werden.In the fluid pump according to the present invention no check valves, neither passive nor active, required. Furthermore, the fluid pump according to the present Invention for actively blocking the fluid in both directions be used. With the pump according to the present Invention is a reversal of the conveying direction without use an external positive control of valves and without the Using a resonance of passive check valves reachable. The one with the pump according to the present invention achievable pumping capacity can be controlled by the Timing of driving the displacer into the first and in the second end position, i.e. by controlling the clock ratio, be optimized. Furthermore, the achievable Pump power through a cross-sectional adjustment of the first and second opening can be optimized.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, eine selbstansaugende Fluidpumpe, beispielsweise eine selbstansaugende Mikropumpe, zu schaffen, indem das in der Mikropumpe entstehende Totvolumen, d.h. jenes Volumen, welches nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, drastisch reduziert wird. Dadurch wird eine Selbstbefüllung bei einer einfachen Ansteuerung des Pumpenantriebs reproduzierbar.The present invention is also based on the finding that that it is possible to use a self-priming fluid pump, for example a self-priming micropump create by creating the dead volume in the micropump, i.e. the volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution, is drastically reduced. This makes self-filling with simple control of the pump drive reproducible.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.Further developments of the present invention are in the dependent Claims set out.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente in unterschiedlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Querschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 2
- eine Darstellung der wesentlichen Pumpparameter der Pumpe, die in Fig. 1 gezeigt ist;
- Fig. 3
- eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen
Komponenten der in den
Figuren 1 und 2 dargestellten Pumpe; - Fig. 4a bis 4e
- graphische Darstellungen der Pumpe von Fig. 1 während eines Pumpzyklusses;
- Fig. 5
- eine Schnittansicht einer Fluidpumpe;
- Fig. 6
- eine Querschnittansicht einer weiteren Fluidpumpe;
- Fig. 7
- eine Schnittansicht noch einer weiteren Fluidpumpe;
- Fig. 8
- eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Komponenten bei einer Rückwirkung der Pumpkammer auf den Verdränger;
- Fig. 9
- ein zweites Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
- Fig. 10a bis 10e
- graphische Darstellungen einer Pumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines Pumpzyklusses.
- Fig. 11
- eine Querschnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 12
- eine Querschnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 13
- eine Querschnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Fig. 14a bis 14e
- grafische Darstellungen der Pumpe von Fig. 11 während eines Pumpzyklusses; und
- Fig. 15a bis 15e
- grafische Darstellungen der Pumpe von Fig. 13 während eines Pumpzyklusses.
- Fig. 1
- is a schematic cross-sectional view of a first embodiment of the present invention;
- Fig. 2
- a representation of the essential pumping parameters of the pump, which is shown in Fig. 1;
- Fig. 3
- a representation of the transient processes of the individual components of the pump shown in Figures 1 and 2;
- 4a to 4e
- graphical representations of the pump of FIG. 1 during a pumping cycle;
- Fig. 5
- a sectional view of a fluid pump;
- Fig. 6
- a cross-sectional view of another fluid pump;
- Fig. 7
- a sectional view of yet another fluid pump;
- Fig. 8
- a representation of the transient processes of the individual components in a reaction of the pump chamber on the displacer;
- Fig. 9
- a second embodiment of a pump according to the present invention; and
- 10a to 10e
- graphic representations of a pump according to a third embodiment of the invention during a pumping cycle.
- Fig. 11
- a cross-sectional view of a fourth embodiment of a fluid pump according to the present invention;
- Fig. 12
- a cross-sectional view of a fifth embodiment of a fluid pump according to the present invention;
- Fig. 13
- a cross-sectional view of a sixth embodiment of a fluid pump according to the present invention;
- 14a to 14e
- graphical representations of the pump of FIG. 11 during a pumping cycle; and
- 15a to 15e
- graphical representations of the pump of FIG. 13 during a pumping cycle.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Pumpe weist einen
Pumpenkörper 10, der plattenartig ausgebildet ist, und
einen Verdränger 12, der über Verbindungen 18, die materialabhängig
ausgeführt sind, auf dem Pumpenkörper befestigt
ist, auf. Eine Pumpkammer 14 ist durch eine Ausnehmung in
dem Pumpenkörper 10 gebildet. In dem Pumpenkörper sind ferner
zwei Öffnungen, eine erste Öffnung 15 und eine zweite
Öffnung 16, vorgesehen, an welche die Fluidleitungen des zu
pumpenden Fluids angeschlossen werden können. Ein elastischer
Puffer 13 ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch
eine Verdünnung des Pumpenkörpers 10 als eine Membran ausgebildet,
die druckabhängig verformbar ist.In Fig. 1 is a first embodiment of a pump according to
of the present invention. The pump has one
Der Verdränger 12 kann durch einen Antrieb (nicht gezeigt)
periodisch zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegt
werden. In der ersten Endstellung verschließt der Verdränger
12 die erste Öffnung 15, die im normalen Betrieb der Pumpe
den Einlaß darstellt. In der zweiten Endposition läßt der
Verdränger 12 die erste Öffnung 15 offen. Die zweite Öffnung
16, die im normalen Betrieb den Auslaß darstellt, ist ungeachtet
der Stellung des Verdrängers 12 während eines gesamten
Pumpzyklus geöffnet.The
Nachfolgend wird der Pumpmechanismus der in Fig. 1 dargestellten
Pumpe näher erläutert. Für diese Erläuterung wird
die erste Öffnung 15 als Einlaßöffnung und die zweite Öffnung
16 als Auslaßöffnung betrachtet. In Fig. 2 sind die wesentlichen
Parameter, die zur Erklärung des Pumpmechanismus
nötig sind, dargestellt.In the following, the pump mechanism is that shown in FIG. 1
Pump explained in more detail. For this explanation
the
Es sei angenommen, daß auf der Einlaßseite der hydrostatische
Druck pl herrscht, auf der Auslaßseite der hydrostatische
Druck p2 und in der Pumpkammer der Druck p. Die
Durchströmung der beiden Öffnungen sei mit e für die Einlaßöffnung
15 und mit a für die Auslaßöffnung 16 bezeichnet.
Der Verdränger, bei dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
die Ruhelage der ersten Endstellung, bei der die
Einlaßöffnung verschlossen ist, entspricht, wird durch die
Betätigung des Antriebs in seine zweite Endstellung bewegt,
wodurch eine Änderung des Volumens der Pumpkammer um eine
definierte Volumenmenge dV* stattfindet. Eine druckabhängige
Volumenverdrängung des elastischen Puffers wird mit VPuffer
bezeichnet. Sie wird positiv gewertet, wenn sich die Membran
13 aus der Pumpkammer 14 herauswölbt, und negativ, wenn sich
dieselbe in die Pumpkammer 14 hineinverformt.It is assumed that the hydrostatic pressure pl prevails on the inlet side, the hydrostatic pressure p2 on the outlet side and the pressure p in the pump chamber. The flow through the two openings is denoted by e for the
Das Volumen der Pumpkammer setzt sich aus einem Grundvolumen
V0 der Pumpkammer 14, der Auslenkung des Verdrängers 12
VVerdränger und der Volumenverformung des Puffervolumens
VPuffer gemäß folgender Gleichung zusammen:
Eine Änderung des Pumpkammervolumens dVPumpkammer setzt sich
dementsprechend wie folgt zusammen:
Die Kontinuitätsgleichung für das Volumen der Pumpkammer
lautet:
Ein gesamter Pumpzyklus läßt sich in vier Teilschritte zerlegen,
wobei sich die zeitlichen Abläufe unter einigen vereinfachenden
Annahmen auf der Basis von Gleichung (2) und
Gleichung (3) berechnen lassen. Im folgenden wird das zeitliche
Verhalten der einzelnen Pumpkomponenten in den vier
Teilschritten, sowie der sich daraus ergebende Pumpeffekt
erläutert. Dabei wird zunächst von einer Pumpkammer ausgegangen,
die vollständig mit einem inkompressiblen Medium gefüllt
ist, beispielsweise einer Flüssigkeit mit dV0/dp ≈ 0.
Es gilt:
Der Verdränger 12 wird von der ersten Endposition, also derjenigen
Endposition, in der er die Einlaßöffnung 15 verschließt,
innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ≈ 0, um ein
definiertes Volumen dV* nach oben bewegt. Dies führt zu einer
entsprechenden Volumenverformung des elastischen Puffervolumens,
d.h. der Membran 13, in die Pumpkammer hinein, da
der Pumpkammerinhalt als inkompressibel angenommen wurde,
und da innerhalb der kurzen Zeit dt ≈ 0 die Volumenveränderung
des Verdrängers 12 nicht durch die Fluidströmungen e
und a kompensiert werden können. Wenn dt ≈ 0 angenommen
wird, folgt aus der Gleichung (3) dVPumpkammer ≈ 0 und daraus
mit den Gleichung (2) und (4) dVPuffer = -dVVerdränger
= -dV*. Das verformte Puffervolumen erzeugt in der Pumpkammer
14 einen Unterdruck, der sich über die Charakteristik
VPuffer(p) berechnen läßt. The
Durch den in der Pumpkammer erzeugten Unterdruck treten nun
Fluidströmungen durch die Einlaß- und die Auslaßöffnung auf.
Entsprechend der in die Pumpkammer geströmten Fluidmenge
entspannt sich das Puffervolumen, wobei sich der von demselben
erzeugte Unterdruck abbaut. Der zeitliche Verlauf des
Pumpkammerdrucks in dieser Pumpphase ergibt sich aus den
Gleichungen (2) und (3) zu:
Sind die Strömungswiderstände der Einlaß- und Auslaßöffnung
gleich groß und entsprechen die hydrostatischen Drücke p1
und p2 dem Umgebungsdruck, so fließen durch die Einlaß- bzw.
Auslaßöffnung jeweils gleich große Fluidmengen in die Pumpkammer
14.If the flow resistances of the inlet and outlet openings are the same and the hydrostatic pressures p 1 and p 2 correspond to the ambient pressure, the same amount of fluid flows into the
Nun wird der Verdränger aus der zweiten Endposition, d.h.
derjenigen Endposition, in der die Einlaßöffnung offen war,
innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ≈ 0, um ein definiertes
Volumen dVVerdränger = -dV* nach unten bewegt. Die Einlaßöffnung
ist nun verschlossen. Die Abwärtsbewegung des Verdrängers
12 führt zu einer entsprechenden Volumenverformung
des elastischen Puffers, d.h. der Membran 13 im ersten Ausführungsbeispiel,
aus der Pumpkammer 14 heraus, da der Pumpkammerinhalt
als inkompressibel angenommen wurde, und die
Volumenänderung des Verdrängers 12 innerhalb der kurzen Zeit
nicht durch die Fluidströmungen e und a durch die Öffnung
15, 16 ausgeglichen werden kann. Erfolgt der zeitliche Ablauf
innerhalb dt ≈ 0, dann folgt aus der Gleichung (3)
dVPumpkammer ≈ 0 und daraus mit den Gleichungen (2) und (4) :
dVPuffer = -dVVerdränger = +dV*. Das verformte Puffervolumen
erzeugt nun in der Pumpkammer einen Überdruck, der sich
ebenfalls aus der Druckcharakteristik VPuffer(p) des Puffers
berechnen läßt.Now the displacer is moved from the second end position, ie the end position in which the inlet opening was open, downward within a very short time, dt ≈ 0, by a defined volume dV displacer = -dV *. The inlet opening is now closed. The downward movement of the
Nach dem Teilschritt 3 ist die Einlaßöffnung 15 durch den
Verdränger 12 verschlossen. Somit kann die Fluidströmung,
die aufgrund des Überdrucks in der Pumpkammer 14 auftritt,
die Pumpkammer ausschließlich durch die Auslaßöffnung 16
verlassen. Entsprechend der aus der Pumpkammer geströmten
Fluidmenge entspannt sich das Puffervolumen, wobei sich der
von dem Puffervolumen erzeugte Überdruck abbaut. Der zeitliche
Verlauf des Pumpkammerdrucks in dieser Phase ergibt sich
wiederum aus den Gleichungen (2) und (3) zu:
Wie aus der obigen Erläuterung offensichtlich ist, wird während
des Teilschritts 2 die Fluidmenge dV* durch die Einlaß-
und Auslaßöffnung 15, 16 angesaugt, wohingegen sie während
des Teilschritts 4 allein durch die Auslaßöffnung 16 verdrängt
wird. Sind die Strömungswiderstände von Einlaß- und
Auslaßöffnung gleich groß und arbeitet die Pumpe ohne Last,
d.h. p2 = p1 = 0, so wird in der Nettobilanz über einen gesamten
Zyklus 50% des Verdrängervolumens dV* vom Einlaß 15
in den Auslaß 16 transportiert.As is evident from the above explanation, the fluid quantity dV * is sucked through the inlet and
Aus einem Vergleich der Gleichungen (5) und (6) ist dabei
ersichtlich, daß der Teilschritt 2, die Saugphase, schneller
abläuft, als der Teilschritt 4, die Pumpphase. Die Ursache
dafür liegt darin, daß der Unterdruck in der Saugphase durch
einen Fluidstrom durch beide Öffnungen ausgeglichen wird.
Der Überdruck in der Pumpphase muß dagegen durch eine Fluidströmung
durch nur eine Öffnung, die Auslaßöffnung 16, ausgeglichen
werden.From a comparison of equations (5) and (6)
it can be seen that
Durch eine Variation der Strömungswiderstände von Einlaß- und Auslaßöffnung, d.h. eine Änderung der Öffnungsquerschnitte der beiden Öffnungen, kann der Pumpwirkungsgrad variiert werden. Insbesondere durch eine Erhöhung des Strömungswiderstandes auf der Auslaßseite bezüglich zur Einlaßseite kann der Wirkungsgrad im lastfreien Fall auf deutlich mehr als 50% optimiert werden. Der Grund dafür liegt in einer deutlich geringeren Rückströmung von Fluid vom Auslaß in die Pumpkammer während der Saugphase. Allerdings hat die Erhöhung des Strömungswiderstandes auf der Auslaßseite gemäß Gleichung (6) eine entsprechende Verlängerung der Pumpphase zur Folge.By varying the flow resistances of intake and outlet opening, i.e. a change in the opening cross-sections of the two openings, the pump efficiency can vary will. In particular by increasing the flow resistance on the outlet side with respect to the inlet side the efficiency in the no-load case can be clearly seen be optimized more than 50%. The reason for this is in a significantly lower backflow of fluid from the outlet into the pumping chamber during the suction phase. However, the Increase in flow resistance on the outlet side according to Equation (6) a corresponding extension of the pumping phase result.
Saug- und Pumpphasen unterschiedlicher Dauer können bei der Ansteuerung des Verdrängers berücksichtigt werden, indem ein von 50% verschiedenes Taktverhältnis verwendet wird, d.h. indem der Zeitablauf des Treibens des Verdrängers in die erste und in die zweite Endposition gesteuert wird. In dem Fall, des erhöhten Strömungswiderstandes auf der Auslaßseite bedeutet dies, daß die Saugphase durch die Ansteuerung des Verdrängers verkürzt wird, während die Pumpphase verlängert wird.Suction and pumping phases of different durations can take place at the Control of the displacer can be taken into account by a clock ratio other than 50% is used, i.e. by the timing of driving the displacer into the first and is controlled in the second end position. By doing Case, the increased flow resistance on the outlet side this means that the suction phase by controlling the Displacer is shortened while the pumping phase is extended becomes.
In Fig. 3 sind die transienten Vorgänge in der Pumpe gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargestellt.3 shows the transient processes in the pump according to Fig. 1 shown in diagram form.
Die Kurve "A" zeigt den Verlauf der Verdrängerbewegung während
eines Pumpzyklusses in den vier Teilschritten 1, 2, 3
und 4. Im Schritt 1 wird der Verdränger sehr schnell nach
oben ausgelenkt und verharrt während des Schritts 2 in dieser
Stellung. Dabei ist die Einlaßöffnung offen. Im Schritt
3 wird der Verdränger sehr schnell nach unten bewegt, verschließt
die Eingangsöffnung und verharrt während des
Schritts 4 in diesem Zustand.The curve "A" shows the course of the displacement movement during
a pump cycle in the four
Die Kurve "B" stellt die Reaktion des Puffers dar, der gemäß
dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 aus der Membran 13 besteht.
Dieses elastische Pufferelement in der Form der Membran
13 kann sich entsprechend der Druckverhältnisse verformen.
Während des Schritts 1 kompensiert die Verformung des
Puffers die Volumenänderung des Verdrängers. Während des
Schritts 2 baut sich die Verformung des Puffers durch die
Fluidströmungen durch die Einlaß- bzw. Auslaßöffnung wieder
ab. Im Schritt 3 verformt sich das Pufferelement nach unten
und kompensiert so die schnelle Volumenänderung des Verdrängers.
Während des Teilschritts 4 baut sich diese Verformung
durch die Fluidströmung durch die Auslaßöffnung wieder ab.Curve "B" represents the response of the buffer, which according to
the embodiment of FIG. 1 consists of the
Die Kurve "C" stellt den Pumpkammerdruck dar. Da der Pumpkammerdruck von der Verformung des Puffers abhängt, entspricht sein Verlauf im wesentlichen dem Verlauf der Volumenänderung durch den Puffer.The curve "C" represents the pump chamber pressure. Since the pump chamber pressure depends on the deformation of the buffer its course essentially the course of the volume change through the buffer.
Die Kurve "D" veranschaulicht den Durchfluß durch die Einlaßöffnung.
Aus der Kurve "D" ist ein Gleichrichterwirkung
zu erkennen, da der Einlaß im Schritt 3 verschlossen wird
und während des Teilschritts 4, während dem in der Druckkammer
ein Überdruck herrscht, verschlossen bleibt. Damit
ist eine Rückströmung von der Pumpkammer in die Einlaßseite
verhindert.Curve "D" illustrates the flow through the inlet opening.
From the curve "D" is a rectifier effect
recognizable, since the inlet is closed in
Die Kurve "E" zeigt den Durchfluß durch die Auslaßöffnung.
Da die Auslaßöffnung in beiden Endstellungen des Verdrängers
geöffnet ist, strömt das Fluid sowohl im Schritt 2 als auch
im Schritt 4 durch die Auslaßöffnung. Der Nettotransport von
Fluid durch die Einlaß- und Auslaßöffnung ergibt sich aus
dem Integral Über eine der beiden Kurven "D" oder "E". Im
normalen Betriebsmodus ist der Nettotransport vom Einlaß zum
Auslaß gerichtet.Curve "E" shows the flow through the outlet opening.
Since the outlet opening in both end positions of the displacer
is open, the fluid flows in both
In den Fig. 4a bis 4e ist die Pumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, während der verschiedenen Teilschritte eines Pumpzyklusses dargestellt.4a to 4e is the pump according to the first embodiment, which is shown in Fig. 1 during the various Partial steps of a pump cycle are shown.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen Fluidpumpen.Figures 5, 6 and 7 show fluid pumps.
Fig. 5 zeigt eine Pumpe, bei der ein Puffer 43 in einem Pumpenkörper
40 angeordnet ist. Der Pumpenkörper 40 weist eine
Grundplatte 40a und Seitenwände 40b auf, die zusammen einen
Hohlkörper bilden, der durch die Seitenwände 40b und die
Grundplatte 40a abgeschlossen ist und auf einer Seite, in
Fig. 5 der nach oben gerichteten Seite, offen ist. Weist die
Grundplatte eine runde Form auf, sind die Seitenwände ausgebildet,
um eine rohrförmige Struktur zu definieren. Durch
die Grundplatte erstreckt sich eine Einlaßöffnung 45 und eine
Auslaßöffnung 46. In dem Hohlraum befindet sich ein Verdränger
42, der denselben zu der offenen Seite hin abschließt
und mittels eines Antriebs (nicht gezeigt) in der
Richtung, die durch den Pfeil 19 gezeigt ist, kolbenartig in
dem Hohlraum bewegbar ist.Fig. 5 shows a pump in which a
Eine Pumpkammer 44 wird durch eine Aussparung des Verdrängers
42 sowie den Pumpenkörper 40 gebildet. Der elastische
Puffer 43 ist in dem Pumpenkörper
40, d.h. in der Seitenwand 40b des Grundkörpers 40
ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Seitenwand 40b in einem
Bereich, der an die Pumpkammer 44 angrenzt, verdünnt, um eine
membranartige Struktur zu ergeben.A
Fig. 6 zeigt eine weitere Fluidpumpe.
Ein Pumpenkörper 50 ist dabei
in gleicher Weise aufgebaut wie der Pumpenkörper 40
der in Fig. 5 gezeigten Pumpe, mit der Ausnahme, daß der elastische
Puffer nicht in demselben gebildet ist. In dem Pumpenkörper
50 ist wiederum ein Verdränger 52 angeordnet und
in der Richtung des Pfeils 19 kolbenartig bewegbar. Der Verdränger
52 besitzt im Querschnitt die Form eines H, wobei
ein Bein desselben einen Vorsprung 52a aufweist, um eine
Einlaßöffnung 55 in dem Pumpenkörper 50 zu verschließen. Eine
Auslaßöffnung 56 in dem Pumpenkörper 50 ist stets geöffnet.
Der Verdränger 52 ist ausgebildet, um den Pumpenkörper
50 zu der offenen Seite hin zu verschließen. Dabei kann er
abhängig von der Form des Pumpenkörpers 50, von oben gesehen,
eine beliebige runde, mehreckige, elliptische, usw.,
Form aufweisen.6 shows a further fluid pump.
A
Durch die Form des Verdrängers 52 wird zwischen dem Verdränger
52 und dem Pumpenkörper 50 wiederum eine Pumpkammer 54
definiert. Im Gegensatz zu der bezugnehmend auf Fig. 5 beschriebenen,
Pumpe ist der elastische
Puffer jedoch nicht in dem
Pumpenkörper 50 gebildet, sondern in dem Verdränger 52. Dabei
ist der elastische Puffer als Membran 53 in dem Verdränger
52 ausgebildet.The shape of the
In Fig. 7 ist noch eine weitere Fluidpumpe
dargestellt. In Fig.
7 sind Bauteile, die solchen in Fig. 6 gleichen, mit den
gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Pumpenkörper ist
identisch dem Pumpenkörper, der in Fig. 6 gezeigt ist.
Ein elastisches Pufferelement
63 ist in einem Verdränger 62 angeordnet, derart, daß
das elastische Pufferelement 63 eine Grenzfläche zu einer
von dem Verdränger 62 und dem Pumpenkörper 50 gebildeten
Pumpkammer 64 aufweist. Beim Betrieb dieser Pumpe wird das
elastische Pufferelement 63 zusammengedrückt und ausgedehnt,
wodurch sich wiederum die vorher erläuterte Funktionsweise
ergibt.7 is yet another fluid pump
shown. In Fig.
7 are components that are similar to those in Fig. 6, with the
the same reference numerals. The pump body is
identical to the pump body shown in Fig. 6.
An
Neben den dargestellten elastischen Puffern kann die Funktion
des elastischen Pufferelements auch von einem elastischen
Medium in der Pumpkammer übernommen werden. Beispiele
sind ein Gaseinschluß in einer mit Flüssigkeit gefüllten
Kammer oder auch ein gummiartiges Material in der Pumpkammer.
In diesem Fall kann auf die elastische Membran, die als
Teil des Verdrängers oder des Pumpenkörpers einen Abschnitt
der Pumpkammerbegrenzung liefert, verzichtet werden. Sofern
das zu pumpende Medium kompressibel ist, beispielsweise Gas,
kann die Pufferfunktion von demselben selbst übernommen werden,
wobei keine weiteren mechanischen Bauteile zur Realisierung
des Puffers notwendig sind. Der Hub des Verdrängers
in den oben erläuterten Schritten 1 und 3 wird dann zunächst
durch eine Expansion bzw. Kompression des elastischen Mediums
in der Pumpkammer oder des zu pumpenden Mediums
selbst, kompensiert werden. In den Schritten 2 bzw. 4 relaxiert
die Volumenverformung des Mediums in Folge von Fluidströmungen
durch die Öffnungen, wie oben bezugnehmend auf
des erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Eine reine
Gaspumpe kann also lediglich mit einem Verdränger und zwei
Öffnungen realisiert werden, wobei der Verdränger jeweils
periodisch eine der beiden Öffnungen verschließt.In addition to the elastic buffers shown, the function
of the elastic buffer element also from an elastic one
Medium are taken over in the pump chamber. Examples
are a gas inclusion in a liquid filled
Chamber or a rubber-like material in the pump chamber.
In this case, the elastic membrane, which is called
Part of the displacer or the pump body a section
of the pump chamber limitation, can be dispensed with. Provided
the medium to be pumped is compressible, for example gas,
the buffer function can be taken over by the same itself,
with no other mechanical components to be realized
of the buffer are necessary. The stroke of the displacer
in
Bei der obigen Beschreibung des Pumpmechanismus wurde von einem zwangsgesteuerten Volumen-Verdränger ausgegangen, bei dem keine Rückwirkung zwischen der Verdrängerstellung und dem Pumpkammerdruck besteht. Für eine derartige Realisierung sind Antriebsmechanismen mit einer sehr großen Kraftdichte notwendig. Der Pumpmechanismus funktioniert auch, wenn eine derartige Rückwirkung, bzw. Kopplung, vorhanden ist.In the description of the pumping mechanism above, a positively controlled volume displacer, at which has no retroactive effect between the displacement position and the pump chamber pressure. For such a realization are drive mechanisms with a very large force density necessary. The pump mechanism also works when one such retroactivity, or coupling, is present.
Eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Komponenten,
beispielsweise der des Ausführungsbeispiels, das
in Fig. 1 gezeigt ist, bei einer Rückwirkung der Pumpkammer
auf den Verdränger, d.h. ohne eine Zwangssteuerung, ist in
Fig. 8 dargestellt. In diesem Fall wird der Verdränger in
Schritt 1 seine endgültige Endposition nicht vollständig erreichen,
sondern erst gegen Ende des Teilschritts 2. Entsprechend
muß der Verdränger am Ende des Teilschritts 3 die
Einlaßöffnung noch nicht vollständig verschließen, sondern
erst mit zunehmenden Druckausgleich während des Teilschritts
4. Für den Pumpeffekt ist ferner eine sehr schnelle Ansteuerung
des Verdrängers innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ≈
0, günstig, jedoch nicht zwingend erforderlich.A representation of the transient processes of the individual components,
for example that of the embodiment that
is shown in Fig. 1, with a reaction of the pump chamber
on the displacer, i.e. without forced control, is in
Fig. 8 shown. In this case the displacer is in
Gemäß einem Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Stellung des Verdrängers im abgeschalteten Modus der Pumpe ohne einen zusätzlichen Aufwand derart auszulegen, daß durch das Blockieren der Einlaßöffnung durch den Verdränger eine Fluidströmung in beide Richtung ausgeschlossen ist. Ist der Verdränger zwangsgesteuert und wird seine Stellung durch den in der Pumpkammer herrschenden Druck nicht beeinflußt, ist dadurch die Blockierung der Fluidleitung in beide Richtungen ohne einen zusätzlichen Aufwand gegeben. Falls eine Rückwirkung zwischen der Verdrängerposition und dem Pumpkammerdruck existiert, kann der Antrieb des Verdrängers derart ausgelegt werden, daß er den Verdränger aktiv auf die Einlaßöffnung drückt und somit die Fluidströmung aktiv unterbindet. Bei einem piezoelektrisch angetriebenen Verdränger, der beispielsweise mittels eines Piezostapelaktors, einer Piezoscheibe oder einem Piezobiegewandler betätigt wird, würde dies lediglich die Umpolung der Betriebsspannung erfordern.According to an advantage of the present invention, it is possible the position of the displacer in the deactivated mode to design the pump without any additional effort, that by blocking the inlet opening by the displacer fluid flow in both directions excluded is. Is the displacer positively controlled and its position due to the pressure prevailing in the pump chamber is affected by the blocking of the fluid line in given both directions without additional effort. If there is a reaction between the displacement position and the pump chamber pressure exists, the drive of the displacer can be interpreted in such a way that the active displacer presses on the inlet opening and thus the fluid flow is active prevents. With a piezoelectrically driven one Displacer, for example by means of a piezo stack actuator, a piezo disk or a piezo bending transducer , this would only be the polarity reversal of the operating voltage require.
Gemäß einem weiteren Vorteil kann die Pumprichtung einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umgekehrt werden. Wird der Verdränger mit einer Frequenz angesteuert, die oberhalb der mechanischen Resonanz des Puffers in der betreffenden Umgebung, d.h. in dem zu pumpenden Fluid, liegt, so ergibt sich eine Phasenverschiebung von mehr als 90° zwischen der Expansion bzw. Kompression des Pufferelements und dem durch die Verdrängerstellung definierten Öffnungszustand der Einlaßöffnung. Der Puffer in der Pumpkammer nimmt somit Pumpmedium auf, während die Einlaßöffnung verschlossen ist, und gibt Pumpmedium ab, wenn Einlaß- und Auslaßöffnung offen sind. Damit ergibt sich eine zu der oben beschriebenen umgekehrte Pumprichtung. In diesem Fall kommt es zu einer Umkehrung der Pumprichtung von der Auslaßöffnung zu der Einlaßöffnung.According to a further advantage, the pumping direction can be one Fluid pump can be reversed according to the present invention. If the displacer is driven with a frequency that above the mechanical resonance of the buffer in that Environment, i.e. in the fluid to be pumped, this results in a phase shift of more than 90 ° between the expansion or compression of the buffer element and the opening condition defined by the displacement position the inlet opening. The buffer in the pumping chamber thus increases Pump medium while the inlet opening is closed, and releases pumping medium when the inlet and outlet openings are open are. This results in an inverse to that described above Pump direction. In this case there is a reversal the pumping direction from the outlet opening to the inlet opening.
Der Vorteil gegenüber der bereits existierenden, bidirektionalen Mikropumpe liegt dabei darin, daß (i) auf passive Ventile ganz verzichtet werden kann, und (ii) die Resonanzfrequenz des Puffers anders wie bei der Resonanz eines passiven Rückschlagventils, unabhängig von weiteren wichtigen Größen, wie beispielsweise dem Strömungswiderstand des Ventils, der fluidischen Kapazität, der Baugröße des Ventils und dessen mechanischer Stabilität, eingestellt werden kann. Folglich können die Resonanzfrequenzen auf einen Bereich von < 200 Hertz erniedrigt werden, wodurch der Aufwand bei der elektrischen und mechanischen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert ist. Im Gegensatz dazu liegt bei passiven Ventilen die Resonanz im Bereich zwischen 2000 Hertz und 6000 Hertz. Durch die Reduzierung der Resonanzfrequenz sind die auf den Verdränger wirkenden Trägheitskräfte deutlich geringer. Ferner kann der Mechanismus nicht nur bei mikroskopischen Pumpen, die kleine bewegte Massen liefern, sondern auch in makroskopischer Bauweise realisiert werden.The advantage over the existing, bidirectional Micropump lies in the fact that (i) passive Valves can be dispensed with entirely, and (ii) the resonance frequency of the buffer differently than with the resonance of a passive Check valve, regardless of other important Variables such as the flow resistance of the valve, the fluidic capacity, the size of the valve and its mechanical stability can be adjusted. As a result, the resonance frequencies can range from <200 Hertz can be lowered, which means that the effort at electrical and mechanical control of the displacer is significantly reduced. In contrast, passive Valves resonate in the range between 2000 Hertz and 6000 Hertz. By reducing the resonance frequency the inertial forces acting on the displacer are clear less. Furthermore, the mechanism cannot be limited to microscopic Pumps that deliver small moving masses but can also be realized in a macroscopic design.
Ein weiterer Vorteil einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn dieselbe als eine Mikropumpe ausgeführt wird. Obwohl Mikropumpen in konventioneller Bauform sowohl Flüssigkeiten als auch Gase transportieren können, sind sie durchgehend nicht selbstansaugend, d.h. sie sind nicht in der Lage, eine mit Gas gefüllte Pumpkammer im Laufe des Pumpvorgangs selbständig durch Flüssigkeit zu ersetzen. Dies erschwert den Einsatz der Pumpen in der Praxis ganz erheblich. Nachfolgend wird auf die Ursachen für die nicht vorhandene Selbstansaugung näher eingegangen.Another advantage of a fluid pump according to the present Invention arises when the same as a micropump is performed. Although conventional micropumps can transport both liquids and gases, they are not self-priming throughout, i.e. she are unable to hold a pump chamber filled with gas To be replaced independently by liquid during the pumping process. This makes it difficult to use the pumps in practice quite considerably. The following is the causes of the nonexistent self-priming.
Bei Mikropumpen mit passiven Rückschlagventilen spielen Kapillarkräfte eine große Rolle. Sobald der Flüssigkeitsspiegel das Einlaßventil erreicht und das bewegliche Ventilteil, die Ventilklappe oder die Ventilmembran, benetzt, treten Kapillarkräfte auf, welche die Bewegung stark einschränken, bzw. welche den notwendigen Kraftaufwand zur Bewegung des elastischen Ventilteils erheblich vergrößern. Erst wenn das gesamte bewegliche Ventilteil vollständig mit Flüssigkeit umspült ist, heben sich diese Kräfte wieder auf und die Pumpe befindet sich in ihrem normalen Pumpmodus.Capillary forces play in micropumps with passive check valves a major role. As soon as the liquid level reaches the inlet valve and the movable valve part, the valve flap or the valve membrane, wetted, capillary forces occur which severely restrict movement or which the necessary effort to move the enlarge the elastic valve part considerably. Only when that entire movable valve part completely with liquid is washed around, these forces cancel each other out and the pump is in its normal pump mode.
Da bei konventionellen Mikropumpen die passiven Rückschlagventile nicht von außen gesteuert werden, kann man die Antriebskraft nicht direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte einsetzen. Mit dem Antrieb ist vielmehr zunächst das Gas in der Pumpkammer zu komprimieren, bzw. zu expandieren, wobei erst über den Gasdruck eine Kraft zur Überwindung der Kapillarkräfte auf die Ventile übertragen wird. Dieser indirekte Kraftübertrag über ein kompressibles Gas, verbunden mit der Tatsache, daß die Nettoangriffsfläche des Drucks an dem beweglichen Ventilteil sehr gering ist, beinhaltet sehr große Verluste bei der Kraftübertragung des Antriebs auf das Rückschlagventil und verhindert bei den derzeit bekannten Mikropumpen die Selbstansaugung.Because with conventional micropumps, the passive check valves can not be controlled from the outside, you can drive not directly to overcome capillary forces deploy. Rather, with the drive, the gas is in first to compress or expand the pumping chamber, wherein a force to overcome the capillary forces only via the gas pressure is transferred to the valves. This indirect Power transmission via a compressible gas connected to the Fact that the net surface of the pressure on the movable Valve part is very small, contains very large ones Losses in power transmission from the actuator to the check valve and prevents in the currently known micropumps the self-priming.
Bei der Realisierung von Mikropumpen mit Düsen anstelle von Rückschlagventilen, um die Pumprichtung zu definieren, tritt ein Pumpeffekt nur ein, wenn der Strömungswiderstand jeder einzelnen Düse in Pumprichtung geringer ist als entgegengesetzt zur Pumprichtung. Bei der Mittelung über den gesamten Pumpzyklus bedeutet dies für die Eingangsdüse, daß der Volumendurchsatz in die Pumpkammer hinein größer sein muß als aus der Pumpkammer heraus. Sobald jedoch nun der Flüssigkeitsmeniskus zur Eingangsdüse gelangt, ändert sich der Strömungswiderstand der Düse aufgrund der größeren Dichte der Flüssigkeit dramatisch. Wird ein für die Dichteänderung typischer Wert von 1.000 angemommen, ändert sich der Strömungswiderstand um den Faktor (1000)½ ≈ 30. Da in Pumprichtung Flüssigkeit durch die Düse strömen muß, ist der Volumendurchsatz deutlich geringer als entgegen der Pumprichtung, da in diesem Fall Gas durch die Düse strömt. In dieser Situation bricht die Pumpwirkung zusammen, wobei aus diesem Grund eine Selbstansaugung nicht gegeben ist.When realizing micropumps with nozzles instead of Check valves to define the pumping direction occurs a pumping effect only when the flow resistance everyone individual nozzle in the pumping direction is lower than the opposite for pumping direction. When averaging over the whole Pump cycle, this means for the inlet nozzle that the volume flow into the pumping chamber must be greater than out of the pumping chamber. However, as soon as the fluid meniscus reaches the inlet nozzle, the changes Flow resistance of the nozzle due to the greater density the liquid dramatically. Becomes a for density change typical value of 1,000, the flow resistance changes by the factor (1000) ½ ≈ 30. Since in pumping direction Liquid flow through the nozzle is the volume flow significantly less than contrary to the pump direction, because in this case gas flows through the nozzle. In this Situation breaks down the pumping action, being from this There is no self-priming.
Im Gegensatz zu den gerade beschriebenen bekannten Mikropumpen kann bei der erfindungsgemäßen Pumpe der Aktor direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte eingesetzt werden. Durch den direkten Kraftübertrag des Antriebs auf das von einer Flüssigkeit benetzte Teil stehen sehr viel höhere Kräfte zur Überwindung der Kapillarkräfte zur Verfügung. Somit kann der Verdränger trotz Benetzung arbeiten.In contrast to the known micropumps just described can the actuator directly in the pump according to the invention be used to overcome the capillary forces. By the direct power transmission of the drive to that of one Liquid wetted parts are subject to much higher forces Overcoming capillary forces available. Thus, the Work displacer despite wetting.
In Fig. 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. In Fig. 9 is a second embodiment of a pump according to the present invention.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verdränger 82 Teil
eines zweiten Pumpenkörpers 90. Der zweite Pumpenkörper 90
ist strukturiert, d.h. er weist Verdickungen und Verdünnungen
89 auf, um eine elastische Aufhängung für den Verdränger
82 zu liefern. Der zweite Pumpenkörper 90 ist über Verbindungen
88 auf einem Pumpenkörper 80 befestigt. Die Pumpkammer
84 ist als ein kapillarer Spalt zwischen dem Pumpenkörper
80, dem Verdränger 82 und dem zweiten Pumpenkörper 90
ausgebildet. Der Pumpenkörper 80 weist eine Einlaßöffnung 85
auf, die von dem Verdränger 82 verschlossen ist, wenn sich
derselbe in der ersten Endstellung befindet. Der Verdränger
82 kann wiederum in der Richtung des Pfeils 19 bewegt werden.
In dem zweiten Pumpenkörper 90 befinden sich zwei Auslaßöffnungen
86a und 86b. Der Puffer ist bei diesem Ausführungsbeispiel
wiederum als Membran ausgeführt, die sich in
dem Pumpenkörper 80 befindet.In this embodiment, the
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte der Puffer
durch die Verdünnungen 89, die als elastische Aufhängungen
für den Verdränger 82 dienen, realisiert sein, wobei der
Puffer in dem Pumpenkörper 80 dann entfallen würde. In diesem
Fall wäre es vorteilhaft, wenn die Verdünnungen 89 gegenüber
den in Fig. 9 dargestellten vergrößert wären.In an alternative embodiment, the buffer could
through the
Wenn die Bauhöhe der Pumpkammer 84, wie bei dem vorliegenden
Ausführungsbeispiel, als kapillarer Spalt ausgeführt ist,
füllt sich dieselbe von selbst, sobald ein Flüssigkeitsmeniskus
an diesem Spalt anliegt. Eine derartige Reduktion der
Pumpkammerhöhe ist bei konventionellen Mikropumpen mit Rückschlagventilen
ausgeschlossen, da dadurch die Bewegung der
Ventile eingeschränkt wird. Bei Mikropumpen mit Strömungsdüsen
stellt die Pumpkammer bei einer drastischen Reduktion
der Pumpkammerhöhe einen zusätzlichen Strömungswiderstand
dar. Dieser innere Strömungswiderstand der Pumpkammer dominiert
über den Strömungswiderstand der Düsen, so daß der
Pumpeffekt basierend auf der Vorzugsrichtung der Düsen zusammenbricht. If the overall height of the
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die zweite Öffnung, die beim normalen Betrieb der Pumpe der Auslaßöffnung entspricht stets geöffnet.In the exemplary embodiments described so far, the second opening, the outlet opening during normal operation of the pump always corresponds to open.
In den Fig. 10a bis 10e ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während der verschiedenen Teilschritte eines Pumpzyklusses dargestellt.10a to 10e is a third embodiment a pump according to the present invention during the different sub-steps of a pump cycle are shown.
Bei der Pumpe gemäß den Fig. 10a bis 10b ist der Puffer in dem Verdränger gebildet, derart, daß der Verdränger und der Puffer als verschiedene Bereiche einer Membran gebildet sind, welche den Pumpenkörper überspannt, um die Pumpkammer zu definieren. Der Pumpenkörper ist ähnlich dem des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet, mit der Ausnahme, daß der Puffer nicht in demselben gebildet ist. Ein derartiger Aufbau der erfindungsgemäßen Pumpe ermöglicht eine weiter vereinfachte Herstellung derselben.In the pump according to FIGS. 10a to 10b, the buffer is in the displacer formed such that the displacer and the Buffer formed as different areas of a membrane which spans the pump body to the pump chamber define. The pump body is similar to that of the first Embodiment formed, with the exception that the Buffer is not formed in the same. Such a structure the pump according to the invention enables a further simplified Making the same.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Pumpe, die auf einem neuartigen Mechanismus basiert, gänzlich ohne Rückschlagventile auskommt und eine Umkehrung der Pumprichtung ohne eine externe Umsteuerung von Ventilen ermöglicht. Somit besitzt die Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung einen wesentlich einfacheren Aufbau. Ferner kann der Verdränger gleichzeitig dazu verwendet werden, eine Fluidströmung über die Pumpe nach deren Abschalten in beiden Richtungen passiv oder aktiv abzusperren.The present invention thus provides a pump based on is based on a new mechanism, completely without check valves gets along and a reversal of the pump direction without external valve reversal. Consequently the pump according to the present invention has one essential simpler construction. Furthermore, the displacer simultaneously used to flow over a fluid the pump is passive in both directions after it is switched off or actively shut off.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Pumpe, die Vorteile bei der Umschaltung der Pumprichtung liefert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Resonanz des mechanischen Bauteils, das im konventionellen Fall das Ventil und bei der vorliegenden Erfindung das Pufferelement ist, unabhängig von dem Strömungswiderstand eines Ventils, dessen Baugröße, dessen fluidischer Kapazität und dessen mechanischer Stabilität eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, einerseits die Bauteile weiter zu miniaturisieren und andererseits die Resonanzfrequenzen durchschnittlich zu erniedrigen. Bei konventionellen Mikropumpen stehen sich diese beiden Effekte gegenläufig gegenüber.The present invention also provides a pump that Provides advantages when switching the pump direction. According to of the present invention, the resonance of the mechanical Component, which in the conventional case the valve and in the present invention the buffer element is independent the flow resistance of a valve whose Size, its fluidic capacity and its mechanical Stability can be set. This makes it possible on the one hand to further miniaturize the components and on the other hand to lower the resonance frequencies on average. In conventional micropumps, these stand up opposite effects.
Im Gegensatz zu konventionellen Mikropumpen, bei denen typische Resonanzfrequenzen im Bereich von 2000 Hertz bis 3000 Hertz liegen, ist eine Umkehr der Pumprichtung bei einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung schon auf Frequenzen von 40 Hertz möglich. Dadurch wird der Aufwand der elektrischen und mechanischen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert. Außerdem sind die Trägheitskräfte, die auf den Verdränger wirken, deutlich geringer, und der Mechanismus kann nicht nur bei mikroskopischen Pumpen realisiert werden, sondern auch in makroskopischer Bauweise.In contrast to conventional micropumps, where typical Resonance frequencies in the range from 2000 Hertz to 3000 Hertz is a reversal of the pumping direction at one Pump according to the present invention already on frequencies of 40 Hertz possible. This will reduce the effort of the electrical and mechanical control of the displacer considerably reduced. In addition, the inertial forces on the Displacers work, significantly less, and the mechanism can not only be realized with microscopic pumps, but also in a macroscopic design.
Im Vergleich zu Pumpen mit Strömungsdüsen weist die erfindungsgemäße Pumpe, die ohne Rückschlagventile auskommt, einen erhöhten Wirkungsgrad pro Pumpzyklus von mehr als 50% auf.Compared to pumps with flow nozzles, the inventive one Pump that works without check valves, one increased efficiency per pump cycle of more than 50% on.
Bei einer mikromechanischen Ausführung der erfindungsgemäßen Pumpe kann dieselbe nur aus einem einzigen strukturierten Bauteil, in dem der Verdränger realisiert ist, und einer Grundplatte mit zwei Öffnung bestehen. Diese einfachen Strukturen erlauben einen problemlosen Zusammenbau des Gesamtsystems. Eine Grundstruktur aus Pyrex erlaubt das anodische Bonden des strukturierten Siliziumbauteils auf den Pyrex-Grundkörper, der als Pumpenkörper dient. Die Öffnungen in der Grundstruktur können als einfache Bohrungen oder beliebig geformt ausgeführt sein. Dies reduziert den Aufwand gegenüber der Herstellung von Strömungsdüsen erheblich. Ferner kann die Grundbauform der Mikropumpe rund sein oder jede beliebige Form aufweisen.In a micromechanical embodiment of the invention The pump can only be structured from a single one Component in which the displacer is implemented, and one Base plate with two openings. These simple ones Structures allow the entire system to be assembled without any problems. A basic structure made of Pyrex allows the anodic Bonding the structured silicon component to the Pyrex base body, which serves as a pump body. The openings in the basic structure can be as simple holes or any be shaped. This reduces the effort compared to the production of flow nozzles considerably. Further the basic design of the micropump can be round or any have any shape.
Als Materialien für die Mikropumpe kommen neben Silizium fast alle anderen Werkstoffe in Betracht, beispielweise Metalle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken. Dabei ist eine einfache Fertigung in Kunststoffspritzgußtechnik ebenso möglich wie die Fertigung in Metalldruck-Gußtechnik oder das LIGA-Verfahren.In addition to silicon, the materials for the micropump come as well almost all other materials are considered, for example metals, Plastics, glasses, ceramics. It is a simple one Production in plastic injection molding technology also possible such as production using metal pressure casting technology or the LIGA process.
Der Antrieb der Mikropumpe, d.h. des Verdrängers, kann durch alle bekannten Aktorverfahren erfolgen, beispielsweise piezoelektrisch, pneumatisch, thermopneumatisch, thermomechanisch, elektrostatisch, magnetisch, magnetostriktiv oder hydraulisch.The drive of the micropump, i.e. of the displacer, can by all known actuator processes take place, for example piezoelectric, pneumatic, thermopneumatic, thermomechanical, electrostatic, magnetic, magnetostrictive or hydraulic.
Über integrierte Sensoren, beispielsweise in der Puffermembran, läßt sich ein Regelkreis aufbauen, der den Antrieb der Mikropumpe in den jeweils optimalen Arbeitsbereich bringt.Via integrated sensors, for example in the buffer membrane can be built a control loop that drives the Brings the micropump into the optimal working range.
Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpe deckt den gesamten Bereich der Mikrofluidik und Fluidik ab, da das Medium sowohl bidirektional befördert als auch definiert gesperrt werden kann. Die minimale Baugröße ermöglicht den Aufbau von minimalen Misch- und Dosiersystemen in der Medizin-, Chemie- und Analysetechnik. Bei B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij; A silicon integrated miniature chemical analysis system; Sensors and Actuators, B, 6 (1992), Seiten 57-60, werden für eine derartige Anwendung zwei Pumpen verwendet, wohingegen man mit nur einer erfindungsgemäßen Pumpe auskommen würde. Generell ist das Pumpenprinzip für einen weiten Bereich von Baugrößen geeignet, so daß in vielen Fällen die Spritzgußtechnik als kostengünstige Fertigungstechnik eingesetzt werden kann.The field of application of the pump according to the invention covers the whole Area of microfluidics and fluidics as the medium both conveyed bidirectionally and blocked in a defined manner can be. The minimal size enables the Development of minimal mixing and dosing systems in the medical, Chemical and analysis technology. At B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij; A silicon integrated miniature chemical analysis system; Sensors and Actuators, B, 6 (1992), pages 57-60, are for such Application uses two pumps, whereas one uses only a pump according to the invention would do. Generally is the pump principle is suitable for a wide range of sizes, so that in many cases the injection molding technology as inexpensive Manufacturing technology can be used.
Fig. 11 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer selbstansaugenden
Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung. Die
Fluidpumpe weist einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittels
einer Verbindungseinrichtung 112 ein Verdränger 114 in der
Form einer Membran 114 angebracht ist. Die Membran 114 kann
an den Abschnitten, an denen der Verdränger an dem Pumpenkörper
110 befestigt ist, verdickt sein. Die Membran 114 ist
mittels einer Antriebsvorrichtung 116, die eine piezoelektrische,
eine pneumatische, eine thermopneumatische, eine
thermomechanische, eine elektrostatische, eine magnetische,
eine magnetostriktive oder eine hydraulische Antriebsanordnung
sein kann, aus der Stellung, die in Fig. 11 dargestellt
ist und im folgenden als erste Endstellung bezeichnet wird,
in eine zweite Endstellung bewegbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel
sind in dem Pumpenkörper 110 zwei Öffnungen 118 und
120 angeordnet, die beispielsweise mit einer Einlaß- bzw.
Auslaß-Fluidleitung (nicht gezeigt) verbunden sein können.
Bei der in Fig. 11 dargestellten Pumpe ist die Öffnung 118
die Einlaßöffnung, während die Öffnung 120 die Auslaßöffnung
darstellt. Die Membran 114 ist vorzugsweise direkt über der
Einlaßöffnung 118 mit der Antriebsvorrichtung 116 verbunden,
um den Betrieb der Pumpe, der nachfolgend bezugnehmend auf
Fig. 14 erläutert wird, zu ermöglichen. Zur Befestigung der
Antriebsvorrichtung kann die Membran 114 an der Stelle derselben,
an der sie mit der Antriebseinrichtung 116 verbunden
ist, eine Verdickung aufweisen.Fig. 11 shows a fourth embodiment of a self-priming
Fluid pump according to the present invention. The
Fluid pump has a
Die in Fig. 11 dargestellte, selbstansaugende, selbstbefüllende
Mikropumpe unterscheidet sich von bekannten Mikropumpen
dadurch, daß sie im Pumpbetrieb abwechselnd die erste
Öffnung 118 öffnet, während die zweite Öffnung 120 verschlossen
bleibt, um dann die zweite Öffnung 120 zu öffnen,
während die erste Öffnung geschlossen ist. Bei der in Fig.
11 dargestellten Pumpe ist zu jedem Zeitpunkt immer nur eine
Öffnung, 118 oder 120, geöffnet, während die andere Öffnung
geschlossen ist. In der Ruhephase sind beide Öffnungen 118
und 120 verschlossen, wodurch das Pumpmedium definiert abgesperrt
wird.The self-priming, self-filling shown in Fig. 11
Micropump differs from known micropumps
in that they alternate the first in
In Fig. 12 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Fluidpumpe dargestellt. Die Fluidpumpe weist
wiederum einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittels einer
Verbindungseinrichtung 112 eine Membran 124 angebracht ist.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch zwischen der Membran
und dem Pumpenkörper ein kapillarer Spalt 126 gebildet.
Um die Öffnungen 118 und 120 zu verschließen, wenn der Verdränger,
d.h. die Membran 124, in der Ruhelage ist, weist
die Membran an den Orten der Öffnungen Verdickungen auf, die
der Oberfläche der Platte des Pumpenkörpers 110 zugewandt
sind. Wiederum ist an der Membran eine Antriebseinrichtung
116 angebracht.12 is a fifth embodiment of an inventive one
Fluid pump shown. The fluid pump has
again a
Auf der Oberseite, d.h. der dem Pumpenkörper abgewandten
Seite, der Membran 124 können Strukturierungen ausgebildet
sein, die eine optimale Puffervolumen-Anpassung und -Entleerung
ermöglichen. Ferner können Strukturierungen, welche
beispielsweise als Strömungskanäle ausgeführt sein können,
auf der Oberseite des Pumpenkörpers, d.h. der Oberseite, die
der Membran 124 zugewandt ist, oder der Membranunterseite
zur optimalen Befüllung bzw. Entleerung der Pumpe genutzt
werden.On the top, i.e. the one facing away from the pump body
Structures can be formed on the side of the
Alternativ zu dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel
könnten die Öffnungen 118 und 120, die in dem Pumpenkörper
110 angeordnet sind, ferner Erhebungen, die dieselben
umgeben, aufweisen. In diesem Fall müßte die Membran 124
keine dem Pumpenkörper 110 zugewandten Verdickungen aufweisen,
um ein Verschließen der Öffnungen 118 und 120 zu ermöglichen.As an alternative to the exemplary embodiment shown in FIG. 12
could be
In Fig. 13 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Fluidpumpe
gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der
in Fig. 13 dargestellten Pumpe ist zwischen dem Pumpenkörper
110 und einer einen Verdränger bildenden Membran 136 ein kapillarer
Spalt ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist es bedeutsam, daß die zwei
Öffnungen 118 und 120 beabstandet voneinander auf unterschiedlichen
Seiten einer Mittelachse der Membran 136 angeordnet
sind. Durch diesen asymmetrischen Aufbau der erfindungsgemäßen
Pumpe ist ein selbstansaugender bzw. selbstbefüllender
Betrieb der Mikropumpe gemäß der vorliegenden Erfindung
möglich.13 is a sixth embodiment of a fluid pump
according to the present invention. In the
The pump shown in Fig. 13 is between the
Bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e wird nachfolgend ein Pumpzyklus der Pumpe, die in Fig. 11 dargestellt ist, erläutert. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Betrieb einen gleichartigen Pumpzyklus durchläuft.14a to 14e, a Pump cycle of the pump shown in Fig. 11 explained. It should be pointed out here that in FIG. 12 illustrated embodiment of the present invention undergoes a similar pump cycle during operation.
In Fig. 14a ist die Pumpe in der Ruhestellung dargestellt, die auch in Fig. 11 gezeigt ist. In dieser Stellung sind beide Anschlüsse verschlossen, wodurch eine absolute Mediensperrung erzeugt wird.14a the pump is shown in the rest position, which is also shown in Fig. 11. Are in this position both connections closed, which means an absolute media lock is produced.
Wie in Fig. 14b gezeigt ist, wird dann der Verdränger, d.h.
die Membran 114, aus der Ruhestellung in der Richtung des in
der Fig. 14b gezeigten Pfeils punktuell nach oben bewegt,
wobei die Einlaßöffnung, die Öffnung 118, geöffnet wird,
während die Auslaßöffnung, die Öffnung 120, verschlossen
bleibt. Die in Fig. 14b gezeigte Stellung kann als zweite
Endstellung des Verdrängers betrachtet werden.Then, as shown in Fig. 14b, the displacer, i.e.
the
In Fig. 14c ist dargestellt, wie durch die Aufwärtsbewegung
des Verdrängers ein zu pumpendes Medium durch die Einlaßöffnung,
d.h. die Öffnung 118, in die durch die Aufwärtsbewegung
des Verdrängers gebildete Pumpkammer gezogen wird.
Nachfolgend wird, wie in Fig. 14d gezeigt ist, der Verdränger
schlagartig, punktuell nach unten bewegt und verschließt
somit die Einlaßöffnung. Durch die Verdrängerverformung,
d.h. die Verformung der Membran 114, wird ein Puffervolumen
zwischen Membran und Pumpenkörper gebildet, welches dem aufgenommenen
Fluidvolumen entspricht, was bewirkt, daß die
Auslaßöffnung freigegeben wird.In Fig. 14c it is shown how by the upward movement
the displacer a medium to be pumped through the inlet opening,
i.e. the
Wie in Fig. 14e dargestellt ist, wird das Puffervolumen
durch die Auslaßöffnung, d.h. die Öffnung 120, entleert, wobei
das zu pumpende Medium "verschoben" bzw. über eine
"Rollverdrängung" transportiert wurde.As shown in Fig. 14e, the buffer volume
through the outlet opening, i.e. the
Der oben bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e beschriebene
Pumpmechanismus ergibt eine Pumprichtung von der Einlaßöffnung
118 zu der Auslaßöffnung 120. Durch das Erhöhen der Antriebsfrequenz
auf eine Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz
des Gesamtsystems, bestehend aus dem Verdränger und
dem Fluidsystem, kann eine Umkehr der Pumprichtung erreicht
werden. Es ist offensichtlich, daß sich dann auch die Einlaß-
bzw. Auslaß-Öffnung umkehren, d.h. daß die Einlaßöffnung
118 zur Auslaßöffnung wird, und die Auslaßöffnung 120
zur Einlaßöffnung wird.The one described above with reference to FIGS. 14a to 14e
Pump mechanism gives a pumping direction from the inlet opening
118 to the
Das bei jedem Pumpzyklus von der erfindungsgemäßen Fluidpumpe durch eine Öffnung aufgenommene Volumen des Mediums entspricht dem durch die zweite Öffnung abgegebenen Volumen des Mediums. Die bei der erfindungsgemäßen Pumpe auftretende Rückströmung bzw. das Totvolumen, d.h. jenes Volumen, das nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, gehen bei dieser Anordnung im Gegensatz zu bekannten Mikropumpen gegen Null. Dadurch wird bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe bei einer einfachen Ansteuerung der Antriebsvorrichtung die Selbstbefüllung in Verbindung mit der Membranverformung und der sequentiellen Öffnung der Öffnungen reproduzierbar.That with every pump cycle of the fluid pump according to the invention volume of the medium received through an opening corresponds to the volume dispensed through the second opening of the medium. The occurring in the pump according to the invention Backflow or dead volume, i.e. that volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution, go with this arrangement in contrast to known micropumps towards zero. This is in the case of the invention Micropump with simple control of the drive device self-filling in connection with membrane deformation and the sequential opening of the openings reproducible.
In den Fig. 15a bis 15e ist ein Pumpzyklus des in Fig. 13
dargestellten sechsten Ausführungsbeispiels einer Pumpe gemäß
der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 15a gezeigt
ist, wird die Membran 136 zunächst ausgehend von einer
Ruhelage mittels der Antriebsvorrichtung 116 nach unten bewegt,
derart, daß die Öffnung 118 verschlossen ist. Wiederum
sei zur Vereinfachung der Erklärung die Öffnung 118 als die
Einlaßöffnung bezeichnet, während die Öffnung 120 als die
Auslaßöffnung bezeichnet wird. Die in Fig. 15a dargestellte
Stellung der Membran 136 kann als erste Endstellung bezeichnet
werden.15a to 15e is a pump cycle of that in FIG. 13
shown sixth embodiment of a pump according to
of the present invention. As shown in Fig. 15a
is, the
Wie in Fig. 15b dargestellt ist, wird die Membran 136 nachfolgend
ruckartig nach oben bewegt. In diesem Fall ist nicht
immer nur eine Öffnung verschlossen, während die andere geöffnet
ist. Wie in den Fig. 15b und 15c gezeigt ist, sind
hier kurzzeitig auch beide Öffnungen geöffnet, wobei jedoch
durch die Öffnungen ein unterschiedliches Maß des Mediums
fließt, da sich die Öffnungshöhe, d.h. der Abstand der Membran
über den Öffnungen, unterscheidet und damit der Flußwiderstand.
Durch die Einlaßöffnung 118 fließt somit ein
größerer Fluidstrom als durch die Auslaßöffnung 120. Dies
ist in Fig. 15c durch die unterschiedlich kräftig dargestellten
Pfeile angezeigt.As shown in Fig. 15b, the
Wie in Fig. 15d gezeigt ist, wird die Membran nachfolgend
ruckartig nach unten bewegt, wodurch die Öffnung 118 verschlossen
wird. Wiederum ist zwischen der Membran und dem
Pumpenkörper ein Pumpvolumen gebildet, das, wie in Fig. 15e
gezeigt ist, anschließend durch die Rückverformung des Verdrängers
durch die Öffnung 120 entleert wird.As shown in Figure 15d, the membrane is subsequently
moved jerkily downward, closing the
Bei der in Fig. 13 dargestellten Fluidpumpe, deren Betrieb
bezüglich Fig. 15 erläutert wurde, existiert ein größeres
Totvolumen als bei dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 11 und
12 gezeigt sind. Dadurch weist das bezüglich den Fig. 13 und
15 beschriebene sechste Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung einen geringeren Wirkungsgrad als die bezüglich
der Fig. 11 und 12 beschriebenen Ausführungsbeispiele auf.In the fluid pump shown in Fig. 13, its
Die Mikropumpe gemäß den Fig. 11 und 12 läßt sich mit einer
konstanten Antriebsfrequenz selbst befüllen. Nachdem das zu
pumpende Medium den Pumpraum oder die Pumpkammer befüllt hat
und an der Austrittsöffnung heraustritt, kann die Antriebsfrequenz
der Antriebsvorrichtung, die den Verdränger treibt,
im Falle des Pumpens eines flüssigen Mediums um den Faktor
10 gesenkt werden, da nun keine Luft mehr verdrängt werden
muß, sondern nur mehr das flüssige Medium.The micropump according to FIGS. 11 and 12 can be operated with a
fill the constant drive frequency yourself. After that too
pumping medium has filled the pump chamber or the pump chamber
and emerges at the outlet opening, the drive frequency
the drive device that drives the displacer,
in the case of pumping a liquid medium by a
Eine Basis für den Pumpmechanismus liegt in der Verdrängerverformung
und der Anordnung der Öffnungen. Das zu pumpende
Medium wird durch die Öffnung 118 aufgenommen und zur Öffnung
120 "verschoben" oder über eine "Rollverdrängung"
transportiert.One basis for the pump mechanism is displacement
and the arrangement of the openings. The one to be pumped
Medium is received through
Die Pumpenkörper und Verdrängereinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise aus Silizium bestehen. Daneben können dieselben auch in einer Kunststoffspritztechnik gefertigt sein. Als Antriebsvorrichtungen können alle in der Technik bekannten Antriebe verwendet werden. Die für die Mikropumpe charakteristischen, transienten Kurvenformen für den Hub, den Pumpkammerdruck, die Verdrängervolumenänderung und den Durchfluß können ohne weiteres hergeleitet werden.The pump body and displacement devices according to the present Invention can preferably consist of silicon. In addition, they can also be used in plastic injection molding be made. As drive devices can all drives known in the art can be used. The transient waveforms characteristic of the micropump for the stroke, the pump chamber pressure, the displacement volume change and the flow can be derived easily will.
Alternativ zu den dargestellten Fluidpumpen könnte ein kapillarer Spalt zwischen der Verdrängermembran und der Pumpenkörperplatte auch durch eine Ausnehmung in der Pumpenkörperplatte gebildet sein.As an alternative to the fluid pumps shown, a capillary Gap between the displacer membrane and the pump body plate also through a recess in the pump body plate be educated.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht gemäß dem zweiten und dritten Aspekt derselben somit erstmals die Herstellung rückschlagventilloser, selbstansaugender, d.h. selbstbefüllender, Mikropumpen. Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpen deckt den gesamten Bereich der Mikrofluidik und der Fluidik ab, da das zu pumpende Medium sowohl bidirektional befördert als auch definiert gesperrt werden kann. Ferner sind die erfindungsgemäßen Pumpen mit einem minimalen Aufwand und mit minimalen Baugrößen herstellbar. Durch diese geringen Baugrößen ermöglicht die vorliegende Erfindung den Aufbau von minimalen Misch- und Dosiersystemen in der Medizin-, Chemie- und Analyse-Technik, wobei die dabei verwendeten Pumpen einen guten Wirkungsgrad aufweisen.The present invention enables according to the second and third aspect of the same, the production for the first time non-return valve, self-priming, i.e. self-filling, Micropumps. The field of application of the invention Pumping covers the entire field of microfluidics and Fluidics, since the medium to be pumped is both bidirectional can be promoted as well as blocked. Further are the pumps according to the invention with minimal effort and can be manufactured with minimal sizes. Through this Small sizes, the present invention enables Development of minimal mixing and dosing systems in the medical, Chemical and analytical technology, the ones used Pumps have good efficiency.
Claims (24)
- A fluid pump, comprising:a pump body (10; 80); anda displacer (12; 82) which is adapted to be positioned at a first and at a second end position by means of a drive, the displacer and the pump body being implemented such that a pump chamber (14; 84) is defined therebetween, and said pump chamber (14; 84) being adapted to be fluid-connected to an inlet and to an outlet via a first opening (15; 85) and a second opening (16; 86a; 86b) which are not provided with check valves;said displacer (12; 82) being implemented in the form of a plate which is secured to the pump body (10; 80), and said pump body (10; 80) being provided with a recess defining the pump chamber (14; 84);an elastic buffer (13; 83) bordering on said pump chamber;said drive acting on the displacer (12; 82) substantially in the area of the first opening (15; 85);said displacer (12; 82) closing said first opening (15; 85) when it occupies its first end position and leaving said first opening free when it occupies its second end position; andsaid drive means moving the displacer so abruptly from the second to the first end position that a deformation of the buffer means is caused by the movement of said displacer.
- A fluid pump according to claim 1, characterized in
that the buffer (13; 83) is arranged in the pump body (10; 80). - A fluid pump according to claim 1 or 2, characterized in
that the buffer is arranged in the displacer. - A fluid pump according to claim 2, characterized in
that the buffer (13; 83) is implemented as a diaphragm by providing an area of reduced thickness in a wall of the pump body. - A fluid pump according to claim 3, characterized in
that the buffer is implemented as a diaphragm by providing an area of reduced thickness in the displacer. - A fluid pump according to claim 1, characterized in
that the buffer is formed by an elastic medium in the pump chamber. - A fluid pump according to claim 1, characterized in
that the buffer is formed by the medium to be transmitted itself. - A fluid pump according to claim 1, characterized in that the displacer (82) is integrated in a second pump body (90) which is provided with portions of reduced thickness (89) so as to provide an elastic suspension for the displacer (82).
- A fluid pump according to one of the claims 1 to 8, characterized in
that the displacer (12; 82) closes the first opening passively or actively in both flow directions when the pump has been switched off. - A fluid pump according to claim 9, characterized in
that active closing of the first opening is effected by the drive means which presses the displacer onto the first opening. - A fluid pump according to one of the claims 1 to 10, characterized in
that the pumping direction of the pump is reversible by operating the displacer at a frequency above the resonant frequency of the buffer. - A fluid pump according to one of the claims 1 to 11, characterized in
that the pump chamber (84) is implemented as a capillary gap. - A fluid pump according to claim 1, characterized in
that the displacer and the buffer are implemented as different areas of a diaphragm which spans the pump body so as to define the pump chamber. - A check valve-free fluid pump, comprising:a pump body (110); anda flexible displacer (114; 124) which is attached to the pump body (110) in a fluid-tight manner along its circumference and which is movable with the aid of a drive means (116) into a first and a second end position;the pump body (110) and the flexible displacer (114; 124) defining a pumping space which is adapted to be fluid-connected to an inlet and to an outlet via a first opening (118) and a second opening (120) arranged in spaced relationship with said first opening;said displacer (114; 124) closing the first and the second opening when it occupies the first end position, andsaid displacer (114; 124) opening the first opening (118), while the second opening (120) is substantially closed, when said displacer (114; 124) is moved by said drive means (116) from said first end position into said second end position,that said drive means (116) acts on said flexible displacer (114; 124) essentially in the area of said first opening (118), andthat said drive means moves the displacer so abruptly from the second end position into the first end position that a buffer volume is formed between the displacer and the pump body by an elastic deformation of the displacer.
- A check valve-free fluid pump according to claim 14, characterized in
that the pump body (110) is implemented in the form of a plate and the displacer (114) in the form of a diaphragm in such a way that said diaphragm rests on a main surface of said plate when the displacer (114) is at the first end position. - A check valve-free fluid pump according to claim 14, characterized in
that the pump body (110) is implemented in the form of a plate and the displacer (124) in the form of a diaphragm in such a way that a capillary gap (126) is formed between a main surface of said plate and said diaphragm. - A check valve-free fluid pump according to claim 14, characterized in
that the first and second openings (118, 120) are arranged in the pump body (110), the diaphragm (124) being provided with first and second areas of increased thickness directed towards the plate (110) and closing said first and second openings when the displacer (124) is at the first end position. - A check valve-free fluid pump according to claim 14, characterized in
that the first and second openings (118, 120) are arranged in the pump body (110), raised portions being provided around said first and second openings (118, 120) in such a way that the diaphragm closes said first and second openings (118, 120) at the first end position. - A check valve-free fluid pump according to one of the claims 14 to 18, characterized in
that, when the pump has been switched off, the displacer (114; 124) closes the first and second openings (118, 120) passively and/or actively. - A check valve-free fluid pump, comprising:a pump body (110); anda flexible displacer (136) which is attached to the pump body (110) in a fluid-tight manner along its circumference and which is movable with the aid of a drive means (116) to a first and a second end position,the pump body (110) and the flexible displacer (136) defining a pumping space which is adapted to be fluid-connected to an inlet and to an outlet via a first opening (118) and a second opening (120), andsaid displacer (136) closing the first opening (118) when it occupies its first end position and leaving said first opening (118) free when it occupies its second end position,that said first and second openings (118, 120) are arranged in spaced relationship with one another on different sides of a central axis of the displacer (136);that said drive means (116) acts on the flexible displacer (136) substantially in the area of the first opening (118) so as to move said displacer (136) into the first and into the second end position, andthat said drive means moves the displacer so abruptly from the second end position to the first end position that a buffer volume is formed between said displacer and said pump body by an elastic deformation of the displacer.
- A check valve-free fluid pump according to claim 20, characterized in
that the pump body (110) is implemented in the form of a plate and the displacer (136) in the form of a diaphragm in such a way that a capillary gap is formed between a main surface of said plate and said diaphragm. - A check valve-free fluid pump according to one of the claims 14 to 21, characterized in
that the pump body (110) and the displacer (114; 124; 136) are made of silicon. - A check valve-free fluid pump according to one of the claims 14 to 21, characterized in
that the pump body (110) and the displacer (114; 124; 136) are produced by means of an injection moulding technique. - A check valve-free fluid pump according to one of the claims 14 to 23, characterized in
that the pumping direction of the pump is reversible by operating the displacer (114; 124; 136) at a frequency above the resonant frequency.
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