EP0835381A1 - Fluid pump - Google Patents

Fluid pump

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Publication number
EP0835381A1
EP0835381A1 EP96943027A EP96943027A EP0835381A1 EP 0835381 A1 EP0835381 A1 EP 0835381A1 EP 96943027 A EP96943027 A EP 96943027A EP 96943027 A EP96943027 A EP 96943027A EP 0835381 A1 EP0835381 A1 EP 0835381A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
displacer
outlet opening
pump
fluid pump
fluid
Prior art date
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Granted
Application number
EP96943027A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0835381B1 (en
Inventor
Roland Zengerle
Manfred Stehr
Stephan Messner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
HAHN-SCHICKARD-GESELLSCHAFT FUER ANGEWANDTE FORSCH
Original Assignee
Institut fur Mikro-Und Informationstechnik Hahn-Schickard-Gesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institut fur Mikro-Und Informationstechnik Hahn-Schickard-Gesellschaft filed Critical Institut fur Mikro-Und Informationstechnik Hahn-Schickard-Gesellschaft
Publication of EP0835381A1 publication Critical patent/EP0835381A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0835381B1 publication Critical patent/EP0835381B1/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive

Definitions

  • the present invention relates to a fluid pump, i.e. a pump for liquids and gases.
  • displacement pumps for transporting fluids, which consist of a periodic displacer, a piston or a membrane, and two passive non-return valves. Due to the periodic movement of the piston or the membrane, fluid is sucked through the inlet valve into a pumping chamber or displaced out of the pumping chamber through the outlet valve.
  • These known pumps are complex due to the use of the valves.
  • the transport direction is predetermined by the arrangement of the valves. If the pumping direction is to be reversed in such an arrangement, an external reversal of the valves, which is associated with a high outlay, is necessary in such known pumps.
  • Such pumps are for example from Jarolav and Monika Ivantysyn; Hydrostatic pumps and motors; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993.
  • micro pumps Corresponding pumps that are small in size and deliver low pump currents are referred to as micro pumps.
  • the displacers of such pumps are typically designed as a membrane, see P. Gravesen, J. Branebjerg, OS Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, pages 143 - 164.
  • the displacers can be driven by different mechanisms.
  • HTG Van Lintel, F.CM. 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.
  • valves either passive check valves or special flow nozzles can be used as valves, each of which is complex.
  • the direction of delivery of micropumps can be reversed without a forced control of the valves solely by a control with a frequency above the resonance frequency of the valves.
  • the cause of this effect is a phase shift between the movement of the displacer and the open state of the valves. If the phase difference is greater than 90 °, the open state of the valves is anticyclical to their state in the normal forward mode and the pumping direction is reversed. An external changeover of the valves, as with macroscopic pumps is not necessary.
  • the decisive phase difference between the displacer and the valves depends on the one hand on the drive frequency of the pump and on the other hand on the resonance frequency of the movable valve part in the fluid environment.
  • a disadvantage of this embodiment is that when designing the valves, there is a compromise between their mechanical resonance in the fluid environment, their flow resistance, their fluidic capacity, i. the elastic volume deformation, its size and its mechanical stability must be found. These parameters, all of which have an impact on the pump dynamics, cannot therefore be set to an optimum independently of one another and partly conflict with a desired, further miniaturization of the pump dimensions.
  • Another general disadvantage when using pumps with passive check valves is the fact that the pumps do not block the medium to be pumped when switched off. If the inlet pressure exceeds the outlet pressure by the preload of the valves, the medium to be pumped flows through the pump.
  • Micropumps that use special flow nozzles have the disadvantage that they have a very low maximum pumping efficiency in the range of 10-20%.
  • a fluid pump is known from DE-C 19534378.6, which has a pump body, a displacer and an elastic buffer. In a first end position, the displacer closes an inlet arranged in the pump body and, in a second end position, leaves the inlet arranged in the pump body open.
  • the known pump enables a net flow through an outlet also arranged in the pump body.
  • the buffer device adjoining the pump chamber formed by the displacer and the pump body makes the known fluid pump complex. Esashi, Shoji and Nakano describe in the article "Normally closed microvalve and micropump fabricated on a silicon wafer", Sensors and Actuators 20 (1989), pp. 163-169, a gas microvalve that is closed in the normal state.
  • the valve consists of a glass plate in which a gas outlet opening is arranged, which can be closed by means of a silicon mesa structure which can be operated by a piezoelectric drive and which is provided with a valve seat.
  • the silicon layer in which the silicon mesa structure is formed and the glass plate further define a continuous channel between the gas outlet opening and a gas inlet opening which is formed in the silicon layer.
  • a membrane-type micropump is also described, which consists of two one-way valves and a membrane with a piezoelectric drive.
  • the present invention is based on the object of creating an efficient fluid pump with a simple structure.
  • the present invention provides a fluid pump with a pump body and a displacer which can be periodically positioned in a first and a second end position by means of a drive, the displacer and the pump body being designed such that a pump chamber is formed between them.
  • the displacer closes the outlet opening when it is in the first end position and leaves the outlet opening open when it is in the second end position.
  • the pump body is preferably in shape a plate which has the inlet and outlet openings, while the displacer has a recess which defines the pump chamber.
  • the pump efficiency can be optimized by adapting the cross-sectional areas of the inlet and outlet openings and by controlling the timing of driving the displacer into the first and second end positions.
  • the displacer can be driven by a piezoelectric bending transducer, a glued-on piezo plate or else electrostatically.
  • a fluid pump according to the present invention has a simple structure, which can consist of only a single structured silicon chip. This can save costs in the processing of silicon parts and costs in assembly. A further cost saving results from the production of a pump according to the invention from plastic by means of precision engineering processes, for example injection molding, etc.
  • the displacer of the fluid pump according to the invention is controlled with a driver voltage which has such polarity that the displacer is raised.
  • the polarity of the driver voltage can be reversed, as a result of which the outlet opening is closed with a defined high contact pressure.
  • the outlet opening, together with the displacer represents an active valve, which represents a significant advantage over passive valves.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a fluid pump according to the present invention
  • FIG. 2 shows the pressure in the pumping chamber of a fluid pump according to the present invention during a suction phase and a pressure phase;
  • Fig. 3 is a graph showing the dependence of the flow through the outlet opening on the gap width
  • FIG. 7 is a graph showing a specific pressure curve in the pumping chamber of a pump according to the present invention.
  • Fig. Lla to lid representations of the transient processes that take place in a fluid pump of the present invention, which has a small buffer volume in the pump chamber;
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of a further exemplary embodiment of a fluid pump according to the present invention.
  • a preferred embodiment is one - 1 -
  • the pump has a pump body 10 and a displacer 12.
  • An outlet opening 14 with a width w and an inlet opening 16 are formed in the pump body.
  • the outlet opening 14 and the inlet opening 16 can have any shape, for example square, round, rectangular or ellipsoid.
  • the displacer 12 is fastened on the pump body 10 and has a recess which, together with the pump body 10, defines a pump chamber 18.
  • the pump body 10 and the displacer 12 can be circular, for example.
  • the displacer 12 can be moved back and forth into a first and a second end position by means of a piezo bending transducer 20, which consists of piezoceramic.
  • the piezo bending transducer 20 is fastened to the displacer 12 by means of an adhesive 22, for example.
  • the displacer 12 forms a valve with the outlet opening 14 on its middle, thicker section, the outlet opening 14 being closed in the first end position of the displacer 12 and being open in the second end position of the displacer 12.
  • the inlet opening which can be designed as a diaphragm, is permanently open.
  • FIG. 2 shows the pressure curve over time in the pump chamber 18 when the piezo-bending transducer 20 is actuated with a square-wave voltage.
  • voltage When voltage is present, there is initially a negative pressure in the pump chamber 18, which decreases with increasing displacement of the displacer 12. The displacement of the displacer 12 corresponds to the gap height h.
  • the voltage is switched off, or alternatively when the voltage is reversed, there is an overpressure in the pump chamber 18, which decreases again as the deflection of the displacer 12 decreases.
  • the amount of the flow through the inlet opening or inlet orifice is calculated in a first approximation to:
  • a B ⁇ en (each d: Le cross-sectional area of the inlet opening or orifice 16, ⁇ is a geometry-dependent dimensionless discharge number, P is the density of the fluid, p-, ⁇ i ⁇ t the pressure in the inlet opening into the inlet opening (see FIG. 1), and p is the pump chamber pressure.
  • the flow through the outlet opening can be regarded approximately as a laminar gap flow. The same is calculated as:
  • w is the width of the outlet opening
  • h is the deflection of the displacer
  • b is the length of the corresponding gap (see FIG. 1)
  • n_ is the viscosity of the fluids
  • p 2 is the pressure in the outlet opening into the outlet opening ⁇ let (see Fig. 1).
  • the decisive factor for the pump mechanism in the fluid pump according to the present invention is the fact that the flow through the outlet opening depends on the two independent variables, namely the pump chamber pressure p and the gap height h.
  • the net pumping effect of the fluid pump of the present invention is based on the fact that the gap between the displacer and the outlet opening is flowed through differently during the opening process of the outlet opening, that is to say the suction phase, and the closing process of the outlet opening, that is to say the pressure phase.
  • the reason for this is that the flow through the outlet opening depends both on the pressure in the pumping chamber and on the gap height h between the displacer and the pump body.
  • the pumping efficiency of a pump according to the present invention i.e. the pump yield per pump cycle and the maximum counter pressure that can be achieved in the pump chamber can be varied by modifying the two opening cross sections. In particular, this results in a reduction in the cross-sectional area of the inlet opening compared to the cross-sectional area, i.e. the width w of the outlet opening, an increase in the maximum pressure.
  • the pressure efficiency can also be improved by an optimized profile of the control voltage.
  • the pressure in the pump chamber is such that there is an equilibrium of forces between the pump drive, the intrinsic tension of the displacer and the hydrostatic pressure of the fluid in the pump chamber.
  • 6a, 6b and 6c show two possibilities of how the pressure in the pumping chamber can advantageously be modified by means of a suitable control voltage.
  • FIGS. 6a to 6c have in common a linear voltage increase during the suction phase and an abrupt switching off of the voltage during the pressure phase. 6c, the voltage is reversed in a targeted manner at the beginning of the pressure phase, as a result of which the pressure in the pumping chamber is increased beyond the normal level. With such control voltages, the pump efficiency can be increased in a targeted manner. It is also obvious that the displacer can be closed either solely by its mechanical restoring force due to its deformation (passive) or by the drive (active).
  • the crucial point in the Purap mechanism according to the present invention is that both the pressure p in the pump chamber and the height of the flow gap at the outlet opening change with the movement of the displacer.
  • the flow through the outlet opening is composed of these two factors.
  • a flow rate ⁇ is proportional to ph 3 ; in a more general view, the flow rate is proportional to p x h v , where x and y are arbitrary numbers.
  • Such a pressure curve is shown in FIG. 7.
  • Such a pressure curve can be achieved, for example, by means of an electrostatic drive or a targeted modification of the control voltage (see FIG. 6).
  • the pump body 100 consists of a fluidic base plate with integrated channels 105 and 107, which end in an outlet opening 140 and an inlet opening 160, respectively.
  • a displaceable silicon chip serves as displacer 120, which is attached to the fluidic base plate and is designed to close the outlet opening 140 in a first end position and to leave the outlet opening open in a second end position.
  • a pump chamber 180 is also defined by a recess in the displacer 120.
  • the drive used is a piezo-ceramic plate attached to the displacer, which can be provided with a layer for selective bonding on the top thereof.
  • FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of the present invention which, with the exception of the drive of the displacer, is identical to the exemplary embodiment of FIG. 8.
  • an electrostatic drive of the displacer is realized.
  • a counterelectrode is arranged above the side of the displacer 120 opposite the pump body 100, in order to move the displacer into the first and the second end position.
  • An electrostatic drive has the advantage that due to the non-linear electrostatic drive forces during the suction and pressure phases alone, it has a highly asymmetrical pump chamber pressure curve, as shown, for example, in FIG. 7 is enabled.
  • FIGS. 10a to 10d show further exemplary embodiments for controlling the displacer. A distinction can be made between selective or areal application of force. Furthermore, the control devices differ in whether they enable a positively driven control or a control with a reaction. In the case of a positively controlled displacer, there is no reaction between the displacer position and the pump chamber pressure.
  • 10a shows a drive for a selective introduction of force without forced control.
  • FIG. 10b shows a drive for a flat introduction of force to the displacer without positive control.
  • 10c and 10d represent drives for selective or areal application of force with a positive control.
  • the inlet opening may also be advantageous to be designed as a flow nozzle, as is customary in so-called diffuser nozzle pumps.
  • the pumping direction is also further favored.
  • the elastic components are arranged inside or outside the pump chamber, the pressure curve in the pump chamber and the flow rates through the inlet or outlet opening are influenced thereby.
  • the elastic components can be, for example, an elastic membrane or an elastic media inclusion, for example gas.
  • the transient processes in a pump for this case are shown in FIG. 11.
  • the resonance frequency is determined by the fluid to be moved in the fluid lines.
  • the limit frequency from which a reversal of the conveying direction occurs, becomes lower with increasing length of the fluid lines because of the larger fluid mass. This undesired coupling between the resonance frequency and the fluid lines can be suppressed by targeted introduction of elastic components outside the pump chamber.
  • the dynamic behavior of the moving fluid column can be used to reverse the pumping direction. If the pump is operated at a frequency which corresponds to the resonance frequency of the moving fluid column, there is a phase shift between the pressure and the fluid movement, which causes the direction of flow to be reversed.
  • a reversal of the pump direction can also be achieved by utilizing the dynamic behavior of the displacer. If the pump is operated at a frequency which corresponds to the resonance frequency of the displacer, a phase shift between the force driving the displacer and the movement of the displacer leads to a reversal of the pump direction.
  • FIG. 12 shows a further exemplary embodiment of a fluid Pump shown according to the present invention.
  • a pump chamber 380 is formed between a pump body 310 and a displacer 320 as a capillary gap.
  • a fluid pump according to the present invention can also be provided with a pressure sensor, via which the fluid pump is held in the ideal operating range.
  • the pressure sensor can be arranged in or on the pump chamber in order to record the pressure prevailing therein.
  • the pressure sensor in the embodiment shown in FIG. 12 can be integrated, for example, in the displacer 320 designed as a membrane. It is then possible via a control loop to bring the drive of the micropump into the optimum working range in each case.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • General Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Fluid-Driven Valves (AREA)

Abstract

The invention relates to a fluid pump which has a pump body (10; 100; 310) and a displacer (12; 120; 320), both formed in such a manner that a pump chamber (18; 180; 380) is formed therebetween which has an inlet (16; 160; 360) and an outlet (14; 140; 340), and a drive mechanism (20; 200; 210) which moves the displacer (12; 120; 320) periodically into a first and a second end position. The displacer (12; 120; 320) closes the outlet (14; 140; 340) when in the first end position and opens the outlet (14; 140; 340) when in the second end position. While moving from the first to the second end position the displacer (12; 120; 320) opens in the region of the outlet (14; 140; 340) a flow gap between the displacer and the pump body.

Description

Fluidpumpe Fluid pump
Beschreibungdescription
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidpumpe, d.h. eine Pumpe für Flüssigkeiten und Gase.The present invention relates to a fluid pump, i.e. a pump for liquids and gases.
Eε ist bekannt, zum Transport von Fluiden Verdrängerpumpen zu verwenden, die aus einem periodischen Verdränger, einem Kolben oder einer Membran, und zwei passiven Rückschlagven¬ tilen bestehen. Durch die periodische Bewegung des Kolbens oder der Membran wird Fluid durch das Einlaßventil in eine Pumpkammer angesaugt, bzw. durch das Auslaßventil aus der Pumpkammer verdrängt. Diese bekannten Pumpen sind durch die Verwendung der Ventile aufwendig. Ferner ist die Transport¬ richtung durch die Anordnung der Ventile vorgegeben. Soll bei einer derartigen Anordnung die Pumprichtung umgekehrt werden, ist bei solchen bekannten Pumpen eine mit einem ho¬ hen Aufwand verbundene, externe Umsteuerung der Ventile not¬ wendig. Derartige Pumpen sind beispielsweise bei Jarolav und Monika Ivantysyn; Hydrostatische Pumpen und Motoren; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993, gezeigt.It is known to use displacement pumps for transporting fluids, which consist of a periodic displacer, a piston or a membrane, and two passive non-return valves. Due to the periodic movement of the piston or the membrane, fluid is sucked through the inlet valve into a pumping chamber or displaced out of the pumping chamber through the outlet valve. These known pumps are complex due to the use of the valves. Furthermore, the transport direction is predetermined by the arrangement of the valves. If the pumping direction is to be reversed in such an arrangement, an external reversal of the valves, which is associated with a high outlay, is necessary in such known pumps. Such pumps are for example from 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 Mikro- pumpen. 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.CM. Van de Pol. S. Bouwstra, A Pie¬ zoelectric 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 Actua- tors, 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 Ne¬ therlands, sind piezoelektrische Antriebsmechanismen ge¬ zeigt. Thermopneumatische Mechanismen zum Antreiben der Ver¬ dränger sind bei F.CM. 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 thermopla¬ stic molding; Proc. MEMS'94; (1994) , Seiten 18 - 21, ge¬ zeigt. Ein elektrostatischer Mechanismus ist bei R. Zenger- le, 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 thermomecha- nisch oder magnetisch angetrieben werden.Corresponding pumps that are small in size and deliver low pump currents are referred to as micro pumps. The displacers of such pumps are typically designed as a membrane, see P. Gravesen, J. Branebjerg, OS Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, pages 143 - 164. The displacers can be driven by different mechanisms. At HTG Van Lintel, F.CM. 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 Actua tors, 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 Newlands, piezoelectric drive mechanisms are shown. Thermopneumatic mechanisms for driving the displacers are available from F.CM. Van de Pol, HTG Van Lintel, M. Elwenspoek and JHJ Fluitman, A Thermo-pneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques, Sensors & Actuators, A21-A23, pages 198 - 202, 1990, B. Büstgens, W. Bacher, W. Menz, WK Schomburg; Micropump manufactured by thermoplastic molding; Proc. MEMS'94; (1994), pages 18-21. An electrostatic mechanism is described by 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 driven thermomechanically or magnetically.
Wie ebenfalls in den oben genannten Schriften gezeigt ist, können als Ventile entweder passive Rückschlagventile oder spezielle Strömungsdüsen verwendet werden, die jeweils auf¬ wendig sind. Die Förderrichtung von Mikropumpen kann ohne eine Zwangssteuerung der Ventile allein durch eine Ansteue¬ rung mit einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz der Ventile umgekehrt werden. Dazu seien R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bidirectional Silicon Micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Niederlande; Seiten 19-24, J. Ul¬ rich, H. Füller, R. Zengerle; Static and dynamic flow Simu¬ lation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Stockholm, Sweden, (1995), Seiten 17 - 20, betrachtet. Die Ursache dieses Effekts ist eine Phasenverschiebung zwi¬ schen der Bewegung des Verdrängers und dem Offnungszustand der Ventile. Ist die Phasendifferenz größer als 90° , so ist der Offnungszustand der Ventile antizyklisch zu deren Zu¬ stand im normalen Vorwärtsmodus und die Pumprichtung ist um¬ gedreht. Eine externe Umsteuerung der Ventile, wie sie bei makroskopischen Pumpen notwendig ist, entfällt. Die ent¬ scheidende Phasendifferenz zwischen dem Verdränger und den Ventilen hängt dabei einerseits von der Antriebsfrequenz der Pumpe und andererseits von der Resonanzfrequenz des bewegli¬ chen Ventilteils in der Fluidumgebung ab.As is also shown in the abovementioned documents, either passive check valves or special flow nozzles can be used as valves, each of which is complex. The direction of delivery of micropumps can be reversed without a forced control of the valves solely by a control with a frequency above the resonance frequency of the valves. R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bidirectional Silicon Micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Netherlands; Pages 19-24, J. Ul¬rich, 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 open state of the valves. If the phase difference is greater than 90 °, the open state of the valves is anticyclical to their state in the normal forward mode and the pumping direction is reversed. An external changeover of the valves, as with macroscopic pumps is not necessary. The decisive phase difference between the displacer and the valves depends on the one hand on the drive frequency of the pump and on the other hand on the resonance frequency of the movable valve part in the fluid environment.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß bei der Ausführung der Ventile ein Kompromiß zwischen deren me¬ chanischer Resonanz in der Fluidumgebung, deren Strömungs¬ widerstand, deren fluidischer Kapazität, d.h. der elasti¬ schen Volumenverformung, deren Baugröße und deren mechani¬ scher Stabilität gefunden werden muß. Diese Parameter, die alle jeweils Auswirkungen auf die Pumpdynamik haben, können also nicht unabhängig voneinander auf ein Optimum einge¬ stellt werden und stehen zum Teil einer erwünschten, weite¬ ren Miniaturisierung der Pumpabmessungen entgegen.A disadvantage of this embodiment is that when designing the valves, there is a compromise between their mechanical resonance in the fluid environment, their flow resistance, their fluidic capacity, i. the elastic volume deformation, its size and its mechanical stability must be found. These parameters, all of which have an impact on the pump dynamics, cannot therefore be set to an optimum independently of one another and partly conflict with a desired, further miniaturization of the pump dimensions.
Generell nachteilig bei der Verwendung von Pumpen mit pas¬ siven 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.Another general disadvantage when using pumps with passive check valves is the fact that the pumps do not block the medium to be pumped when switched off. If the inlet pressure exceeds the outlet pressure by the preload of the valves, the medium to be pumped flows through the pump.
Mikropumpen, die spezielle Strömungsdüsen verwenden, besit¬ zen den Nachteil, daß sie einen sehr geringen maximalen Pumpwirkungsgrad im Bereich von den 10 - 20% aufweisen.Micropumps that use special flow nozzles have the disadvantage that they have a very low maximum pumping efficiency in the range of 10-20%.
Aus der DE-C 19534378.6 ist eine Fluidpumpe bekannt, die einen Pumpenkörper, einen Verdränger und einen elastischen Puffer aufweist. Der Verdränger verschließt in einer ersten Endstellung einen in dem Pumpenkörper angeordneten Einlaß und läßt in einer zweiten Endstellung den in dem Pumpenkör¬ per angeordneten Einlaß offen. Die bekannte Pumpe ermöglicht einen Nettofluß durch einen ebenfalls in dem Pumpenkörper angeordneten Auslaß. Die an die durch den Verdränger und den Pumpenkörper gebildete Pumpkammer angrenzende Puffereinrich¬ tung macht die bekannte Fluidpumpe aufwendig. Esashi, Shoji und Nakano beschreiben in dem Artikel "Normally closed microvalve and micropump fabricated on a Silicon wafer", Sensors and Actuators 20 (1989) , S. 163 - 169, ein Gas-Mikroventil, daß im normalen Zustand geschlos¬ sen ist. Das Ventil besteht aus einer Glasplatte, in der eine Gasauslaßöffnung angeordnet ist, die mittels einer durch einen piezoelektrischen Antrieb betreibbaren Sili- zium-Mesa-Struktur, die mit einem Ventilsitz versehen ist, verschließbar ist. Die Siliziumschicht, in der die Sili- zium-Mesa-Struktur gebildet ist, und die Glasplatte defi¬ nieren ferner einen durchgehenden Kanal zwischen der Gasauslaßöffnung und einer Gaseinlaßöffnung, die in der Siliziumschicht gebildet ist. In der oben genannten Schrift ist ferner eine Membrantyp-Mikropumpe beschrieben, die aus zwei Einwegventilen und einer Membran mit einem piezoelek¬ trischen Antrieb besteht.A fluid pump is known from DE-C 19534378.6, which has a pump body, a displacer and an elastic buffer. In a first end position, the displacer closes an inlet arranged in the pump body and, in a second end position, leaves the inlet arranged in the pump body open. The known pump enables a net flow through an outlet also arranged in the pump body. The buffer device adjoining the pump chamber formed by the displacer and the pump body makes the known fluid pump complex. Esashi, Shoji and Nakano describe in the article "Normally closed microvalve and micropump fabricated on a silicon wafer", Sensors and Actuators 20 (1989), pp. 163-169, a gas microvalve that is closed in the normal state. The valve consists of a glass plate in which a gas outlet opening is arranged, which can be closed by means of a silicon mesa structure which can be operated by a piezoelectric drive and which is provided with a valve seat. The silicon layer in which the silicon mesa structure is formed and the glass plate further define a continuous channel between the gas outlet opening and a gas inlet opening which is formed in the silicon layer. In the above-mentioned document, a membrane-type micropump is also described, which consists of two one-way valves and a membrane with a piezoelectric drive.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor¬ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Fluidpumpe mit einem einfachen Aufbau zu schaffen.Based on the prior art mentioned, the present invention is based on the object of creating an efficient fluid pump with a simple structure.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidpumpe gemäß Patentan¬ spruch 1 gelöst.This object is achieved by a fluid pump according to patent claim 1.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Fluidpumpe mit einem Pumpenkörper und einem Verdränger, der mittels eines An¬ triebs periodisch in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, wobei der Verdränger und der Pumpenkör¬ per derart ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pumpkammer gebildet ist, die eine Einlaßöffnung und eine Auslaßoffnung aufweist. Der Verdränger verschließt die Aus¬ laßöffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist, und läßt die Auslaßöffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung ist. Wenn sich der Verdränger von der ersten in die zweite Endstellung bewegt, öffnet er im Bereich der Auslaßöffnung einen Durchströmungsspalt zwischen dem Pumpenkörper und dem Verdränger. Vorzugsweise ist der Pumpenkörper in der Form einer Platte, die die Einlaß- und die Auslaß-Öffnung auf¬ weist, ausgebildet, während der Verdränger eine Ausnehmung aufweist, die die Pumpkammer definiert.The present invention provides a fluid pump with a pump body and a displacer which can be periodically positioned in a first and a second end position by means of a drive, the displacer and the pump body being designed such that a pump chamber is formed between them. which has an inlet opening and an outlet opening. The displacer closes the outlet opening when it is in the first end position and leaves the outlet opening open when it is in the second end position. When the displacer moves from the first to the second end position, it opens a flow gap between the pump body and the displacer in the region of the outlet opening. The pump body is preferably in shape a plate which has the inlet and outlet openings, while the displacer has a recess which defines the pump chamber.
Der Pumpwirkungsgrad ist durch eine Anpassung der Quer¬ schnittsflächen der Einlaß- und Auslaß-Öffnung, sowie durch eine Steuerung deε Zeitablaufs des Treibens des Verdrängers in die erste und die zweite Endstellung optimierbar. Das Treiben des Verdrängers kann dabei durch einen piezoelektri¬ schen Biegewandler, eine aufgeklebte Piezoplatte oder auch elektrostatisch erfolgen.The pump efficiency can be optimized by adapting the cross-sectional areas of the inlet and outlet openings and by controlling the timing of driving the displacer into the first and second end positions. The displacer can be driven by a piezoelectric bending transducer, a glued-on piezo plate or else electrostatically.
Eine Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen einfachen Aufbau auf, der aus nur einem einzigen struktu¬ rierten Siliziumchip bestehen kann. Dadurch können Kosten bei der Bearbeitung der Siliziumteile sowie Kosten bei der Montage gespart werden. Eine weitere Kosteneinsparung ergibt sich durch die Herstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe aus Kunststoff mittels feinwerktechnischer Verfahren, beiεpiels- weise Spritzguß, usw..A fluid pump according to the present invention has a simple structure, which can consist of only a single structured silicon chip. This can save costs in the processing of silicon parts and costs in assembly. A further cost saving results from the production of a pump according to the invention from plastic by means of precision engineering processes, for example injection molding, etc.
Der Verdränger der erfindungsgemaßen Fluidpumpe wird mit ei¬ ner Treiberspannung angesteuert, die eine solche Polung auf¬ weist, daß der Verdränger angehoben wird. Nach dem Abschal¬ ten der Pumpe kann die Polung der Treiberspannung umgekehrt werden, wodurch die Auslaßöffnung mit einer definierten ho¬ hen Anpreßkraft geschlossen ist. Dadurch stellt die Ausla߬ öffnung zusammen mit dem Verdränger ein aktives Ventil dar, welches einen wesentlichen Vorteil gegenüber passiven Ven¬ tilen darstellt. Durch das Einbringen eines kleinen Puffer¬ volumens in die Pumpkammer kann ferner die Pumprichtung ei¬ ner Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umgekehrt werden, wodurch sich in den meisten Fällen ein Einsatz einer zweiten Pumpe erübrigt.The displacer of the fluid pump according to the invention is controlled with a driver voltage which has such polarity that the displacer is raised. After the pump has been switched off, the polarity of the driver voltage can be reversed, as a result of which the outlet opening is closed with a defined high contact pressure. As a result, the outlet opening, together with the displacer, represents an active valve, which represents a significant advantage over passive valves. By introducing a small buffer volume into the pump chamber, the pumping direction of a fluid pump according to the present invention can also be reversed, which means that in most cases there is no need to use a second pump.
Bevorzugte Ausführungsbeiεpiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich¬ nungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;Preferred exemplary embodiments of the present invention are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it: 1 is a cross-sectional view of an embodiment of a fluid pump according to the present invention;
Fig. 2 den Druck in der Pumpkammer einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während einer Saugphase und einer Druckphase;2 shows the pressure in the pumping chamber of a fluid pump according to the present invention during a suction phase and a pressure phase;
Fig. 3 einen Graph, der die Abhängigkeit des Flusses durch die Auslaßöffnung von der Spaltweite zeigt;Fig. 3 is a graph showing the dependence of the flow through the outlet opening on the gap width;
Fig. 4a biε 4d Darstellungen der transienten Vorgänge, die bei der Fluidpumpe von Fig. l ablaufen;4a to 4d representations of the transient processes which take place in the fluid pump from FIG. 1;
Fig. 5 die Abhängigkeit des Flusses durch Ein- und Ausla߬ öffnung bei einer unterschiedlichen Druckdifferenz;5 shows the dependence of the flow through the inlet and outlet opening at a different pressure difference;
Fig. 6a bis 6c unterschiedliche Ansteuerspannungen zum Treiben des Verdrängers einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;6a to 6c different drive voltages for driving the displacer of a fluid pump according to the present invention;
Fig. 7 einen Graph, der einen speziellen Druckverlauf in der Pumpkammer einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;7 is a graph showing a specific pressure curve in the pumping chamber of a pump according to the present invention;
Fig. 8, 9 und 10a bis lOd verschiedene Ausführungsbeispiele einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;8, 9 and 10a to 10d different embodiments of a fluid pump according to the present invention;
Fig. lla bis lid Darstellungen der transienten Vorgänge, die bei einer Fluidpumpe der vorliegenden Erfindung, die ein kleines Puffervolumen in der Pumpkammer aufweist, ablaufen; undFig. Lla to lid representations of the transient processes that take place in a fluid pump of the present invention, which has a small buffer volume in the pump chamber; and
Fig. 12 eine Querschnittansicht eines weiteren Ausführungs- beispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.12 shows a cross-sectional view of a further exemplary embodiment of a fluid pump according to the present invention.
In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer - 1 -In Fig. 1, a preferred embodiment is one - 1 -
Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Pumpe weist einen Pumpenkörper 10 und einen Verdränger 12 auf. In dem Pumpenkörper ist eine Auslaßöffnung 14 mit einer Weite w und eine Einlaßöffnung 16 ausgebildet. Die Ausla߬ öffnung 14 sowie die Einlaßöffnung 16 können eine beliebige Form, beispielsweise quadratisch, rund, rechteckig oder el- lipsoid, aufweisen. Der Verdränger 12 ist auf dem Pumpenkör¬ per 10 befestigt und weist eine Ausnehmung auf, die zusammen mit dem Pumpenkörper 10 eine Pumpkammer 18 definiert. Der Pumpenkörper 10 und der Verdränger 12 können beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein.Fluid pump shown according to the present invention. The pump has a pump body 10 and a displacer 12. An outlet opening 14 with a width w and an inlet opening 16 are formed in the pump body. The outlet opening 14 and the inlet opening 16 can have any shape, for example square, round, rectangular or ellipsoid. The displacer 12 is fastened on the pump body 10 and has a recess which, together with the pump body 10, defines a pump chamber 18. The pump body 10 and the displacer 12 can be circular, for example.
Der Verdränger 12 ist mittels eines Piezo-Biegewandlers 20, der aus Piezokeramik besteht, in eine erste und eine zweite Endstellung hin und her bewegbar. Der Piezo-Biegewandler 20 ist beispielsweise mittels eines Klebers 22 an dem Verdrän¬ ger 12 befestigt. Der Verdränger 12 bildet an seinem mittle¬ ren, dickeren Abschnitt ein Ventil mit der Auslaßöffnung 14, wobei die Auslaßöffnung 14 in der ersten Endstellung des Verdrängers 12 geschlossen ist und in der zweiten Endstel¬ lung des Verdrängers 12 offen ist.The displacer 12 can be moved back and forth into a first and a second end position by means of a piezo bending transducer 20, which consists of piezoceramic. The piezo bending transducer 20 is fastened to the displacer 12 by means of an adhesive 22, for example. The displacer 12 forms a valve with the outlet opening 14 on its middle, thicker section, the outlet opening 14 being closed in the first end position of the displacer 12 and being open in the second end position of the displacer 12.
Wird eine Spannung an den Piezo-Biegewandler 20 angelegt, so bewegt sich der Verdränger 12 nach oben in die zweite End¬ stellung und öffnet die Auslaßöffnung 14. Schaltet man die Spannung wieder ab, so bewegt sich der Verdränger 12 nach unten in die erste Endstellung und verschließt die Ausla߬ öffnung 14. Die Einlaßöffnung, die als Blende ausgebildet sein kann, ist permanent geöffnet.If a voltage is applied to the piezo bending transducer 20, the displacer 12 moves upwards into the second end position and opens the outlet opening 14. If the voltage is switched off again, the displacer 12 moves downwards into the first end position and closes the outlet opening 14. The inlet opening, which can be designed as a diaphragm, is permanently open.
Es folgt eine allgemeine Betrachtung der Funktionsweise der Pumpe gemäß Fig. 1. Mit der Bewegung des Verdrängers 12 än¬ dert sich sowohl ein Druck p in der Pumpkammer 18, als auch eine Spalthöhe h an der Auslaßöffnung 14. Die Strömung durch die Auslaßöffnung hängt von diesen beiden Faktoren, dem Druck p und der Spalthöhe h ab. Bei einer vereinfachten Be¬ trachtung ergibt sich ein Durchfluß φ proportional zu ph3 , wobei der Zusammenhang bei einer allgemeineren Betrachtung pxhv mit beliebigen Zahlen x und y lautet.There follows a general consideration of the functioning of the pump according to FIG. 1. With the movement of the displacer 12, both a pressure p in the pump chamber 18 and a gap height h at the outlet opening 14 change. The flow through the outlet opening depends on these two factors, the pressure p and the gap height h. In the case of a simplified consideration, there is a flow rate φ proportional to ph 3 , the relationship being more general p x h v with arbitrary numbers x and y.
Wenn die zeitliche Integration über die Strömung beim Off¬ nungs- bzw. Schließvorgang des Verdrängers 12 verschieden ist, ergibt sich bei periodischer Betätigung des Verdrängers 12 ein Nettofluidtransport in eine ausgezeichnete Pumprich¬ tung durch die Auslaßöffnung 14. Dieser Nettofluidtransport kann durch eine mathematische Integration über den Durchfluß berechnet werden.If the temporal integration via the flow during the opening or closing process of the displacer 12 is different, a net fluid transport into an excellent pumping direction through the outlet opening 14 results with periodic actuation of the displacer 12. This net fluid transport can be carried out by a mathematical integration the flow can be calculated.
In Fig. 2 ist der zeitliche Druckverlauf in der Pumpkammer 18 bei einer Ansteuerung des Piezo-Biegewandlers 20 mit ei¬ ner Rechteckspannung dargestellt. Bei anliegender Spannung ergibt sich zunächst ein Unterdruck in der Pumpkammer 18, der sich mit zunehmender Auslenkung des Verdrängers 12 wie¬ der abbaut. Die Auslenkung des Verdrängers 12 entspricht der Spalthöhe h. Beim Ausschalten der Spannung, oder alternativ bei einer Spannungsumkehr, ergibt sich ein Überdruck in der Pumpkammer 18, der sich mit abnehmender Ablenkung des Ver¬ drängers 12 wieder abbaut.2 shows the pressure curve over time in the pump chamber 18 when the piezo-bending transducer 20 is actuated with a square-wave voltage. When voltage is present, there is initially a negative pressure in the pump chamber 18, which decreases with increasing displacement of the displacer 12. The displacement of the displacer 12 corresponds to the gap height h. When the voltage is switched off, or alternatively when the voltage is reversed, there is an overpressure in the pump chamber 18, which decreases again as the deflection of the displacer 12 decreases.
Die zeitabhängigen Strömungen durch die beiden Öffnungen in dem Pumpenkörper 10, die Auslaßöffnung 16 und die Einlaßöff¬ nung 14, sind nun grundsätzlich verschieden. Während die Strömung durch die Einlaßöffnung 16 nur durch den Druckver¬ lauf in der Pumpkammer 18 bestimmt wird, ist für die Strö¬ mung durch die Auslaßöffnung 14 sowohl der aktuelle Druck p in der Pumpkammer alε auch die aktuelle Spalthöhe h an der Auεlaßöffnung 14 von Bedeutung.The time-dependent flows through the two openings in the pump body 10, the outlet opening 16 and the inlet opening 14, are now fundamentally different. While the flow through the inlet opening 16 is only determined by the pressure curve in the pump chamber 18, both the current pressure p in the pump chamber and the current gap height h at the outlet opening 14 are important for the flow through the outlet opening 14 .
Der Betrag der Strömung durch die Einlaßöffnung oder Einla߬ blende errechnet sich in erster Näherung zu:The amount of the flow through the inlet opening or inlet orifice is calculated in a first approximation to:
(1) (1)
Dabei ist AB^en(je d:Le Querschnittsflache der Einlaßöffnung oder Blende 16, μ ist eine geometrieabhängige dimensionslose Ausflußzahl, P ist die Dichte des Fluids, p-,^ iεt der Druck im in die Einlaßöffnung mündenden Einlaß (siehe Fig. 1) , und p ist der Pumpkammerdruck.A B ^ en (each d: Le cross-sectional area of the inlet opening or orifice 16, μ is a geometry-dependent dimensionless discharge number, P is the density of the fluid, p-, ^ iεt the pressure in the inlet opening into the inlet opening (see FIG. 1), and p is the pump chamber pressure.
Die Strömung durch die Auslaßöffnung kann dagegen näherungs¬ weise als laminare Spaltströmung betrachtet werden. Dieselbe berechnet sich zu:The flow through the outlet opening, on the other hand, can be regarded approximately as a laminar gap flow. The same is calculated as:
1 w h3 (p - p2)1 wh 3 (p - p 2 )
«^Auslaß = ~ (2) « ^ Outlet = ~ ( 2)
3 -^ b3 - ^ b
Dabei ist w die Weite der Auslaßöffnung, h ist die Auslen¬ kung des Verdrängers, b ist die Länge des entsprechenden Spaltes (siehe Fig. 1) , n_ ist die Viskosität der Fluids und p2 ist der Druck in dem in die Auslaßöffnung mündenden Aus¬ laß (siehe Fig. 1) .Here w is the width of the outlet opening, h is the deflection of the displacer, b is the length of the corresponding gap (see FIG. 1), n_ is the viscosity of the fluids and p 2 is the pressure in the outlet opening into the outlet opening ¬ let (see Fig. 1).
Der Fluß durch die Auslaßöffnung in Abhängigkeit von der Spalthöhe h iεt für eine konstante Druckdifferenz in Fig. 3 dargestellt. Insbesondere für kleine Spalthöhen h ist der Durchfluß drastisch reduziert.The flow through the outlet opening as a function of the gap height has been shown for a constant pressure difference in FIG. 3. The flow is drastically reduced, especially for small gap heights h.
Entscheidend für den Pumpmechanismus ist bei der Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung die Tatsache, daß die Strö¬ mung durch die Auslaßöffnung von den beiden unabhängigen Va¬ riablen, nämlich dem Pumpkammerdruck p und der Spalthöhe h abhängt.The decisive factor for the pump mechanism in the fluid pump according to the present invention is the fact that the flow through the outlet opening depends on the two independent variables, namely the pump chamber pressure p and the gap height h.
In den Fig. 4a bis 4d sind die transienten Vorgänge während der Saug- und während der Druckphase in der Pumpe gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargestellt.4a to 4d, the transient processes during the suction and during the pressure phase in the pump according to FIG. 1 are shown in diagram form.
In Fig. 4a ist der Verlauf der Verdrängerbewegung, in Fig. 4b der Verlauf des Pumpkammerdrucks p, in Fig. 4c der Fluß durch die Einlaßöffnung und in Fig. 4d der Fluß durch die Auslaßöffnung dargestellt. Sauerphase4a shows the course of the displacement movement, in FIG. 4b the course of the pump chamber pressure p, in FIG. 4c the flow through the inlet opening and in FIG. 4d the flow through the outlet opening. Acid phase
Beim Einschalten der Spannung an dem Piezo-Biegewandler liegt in der Pumpkammer schlagartig ein Unterdruck vor, ohne daß sich der Verdränger nennenswert nach oben bewegt. Dies ist zum Zeitpunkt 0.0 in den Fig. 4a und 4b dargestellt. Da die Auslaßöffnung zu diesem Zeitpunkt noch geschlossen ist, strömt kein Fluid durch dieselbe. Daε Fluid strömt zunächst ausschließlich durch die Einlaßöffnung in die Pumpkammer (siehe Zeitpunkt 0.0 in den Fig. 4c und 4d) . Erst mit zuneh¬ mender Bewegung des Verdrängers und einer damit verbundenen Zunahme der Spalthöhe h kommt eine Fluidstromung durch die entstehende Öffnung hinzu. Da sich jedoch mit der Bewegung des Verdrängers gleichzeitig der Unterdruck in der Pumpkam¬ mer wieder abbaut, ist das durch die Auslaßöffnung strömende Fluidvolumen relativ gering, da die Strömung proportional zu dem Produkt ph3 ist.When the voltage at the piezo bending transducer is switched on, a vacuum is suddenly present in the pump chamber without the displacer moving appreciably upwards. This is shown at time 0.0 in FIGS. 4a and 4b. Since the outlet opening is still closed at this time, no fluid flows through it. The fluid initially flows exclusively through the inlet opening into the pump chamber (see time 0.0 in FIGS. 4c and 4d). Only with increasing movement of the displacer and an associated increase in the gap height h does a fluid flow through the opening arise. However, since the negative pressure in the pump chamber is reduced again with the movement of the displacer, the fluid volume flowing through the outlet opening is relatively small, since the flow is proportional to the product ph 3 .
DruckphasePrint phase
Beim Ausschalten der an dem Piezo-Biegewandler anliegenden Spannung (Zeitpunkt 2.0 in den Fig. 4a bis 4d) liegt in der Pumpkammer schlagartig ein Überdruck vor, ohne daß sich der Verdränger nennenswert nach unten bewegt. In diesem Zustand ist die Auslaßöffnung offen, wobei gleichzeitig ein relativ großer Überdruck in der Pumpkammer vorliegt. Aus diesem Grund ist das Produkt ph3 relativ groß. In der Druckphase fließt somit ein deutlich größerer Anteil des Fluids durch die Auslaßöffnung aus der Pumpkammer als in der Saugphase durch die Auslaßöffnung in die Pumpkammer geflossen ist, wie in Fig. 4d zu sehen ist. Aus dieser Figur wird die Unsymme- trie der Strömung durch die Auεlaßöffnung in der Druck- und in der Saug-Phase und der damit verbundene Nettofluß durch die Auslaßöffnung deutlich. Der Nettopumpeffekt der Fluidpumpe der vorliegenden Erfin¬ dung beruht darauf, daß der Spalt zwischen dem Verdränger und der Auslaßöffnung während dem Öffnungsvorgang der Aus¬ laßöffnung, also der Saugphase, und dem Schließvorgang der Auslaßoffnung, also der Druckphase, unterschiedlich durch¬ strömt wird. Der Grund dafür liegt darin, daß die Strömung durch die Auslaßöffnung sowohl vom Druck in der Pumpkammer als auch von der Spalthöhe h zwischen dem Verdränger und dem Pumpenkörper abhängt.When the voltage applied to the piezo bending transducer is switched off (time 2.0 in FIGS. 4a to 4d), there is suddenly an overpressure in the pumping chamber without the displacer moving appreciably downwards. In this state, the outlet opening is open, and at the same time there is a relatively large excess pressure in the pump chamber. For this reason, the product ph 3 is relatively large. In the pressure phase, a significantly larger proportion of the fluid flows through the outlet opening from the pumping chamber than in the suction phase through the outlet opening into the pumping chamber, as can be seen in FIG. 4d. From this figure the asymmetry of the flow through the outlet opening in the pressure and in the suction phase and the associated net flow through the outlet opening become clear. The net pumping effect of the fluid pump of the present invention is based on the fact that the gap between the displacer and the outlet opening is flowed through differently during the opening process of the outlet opening, that is to say the suction phase, and the closing process of the outlet opening, that is to say the pressure phase. The reason for this is that the flow through the outlet opening depends both on the pressure in the pumping chamber and on the gap height h between the displacer and the pump body.
Im folgenden werden alternative Ausführungεbeiεpiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.Alternative embodiments of the present invention are described below.
Der Pumpwirkungsgrad einer Pumpe gemäß der vorliegenden Er¬ findung, d.h. der Pumpertrag pro Pumpzyklus, und der maximal in der Pumpkammer erreichbare Gegendruck können durch eine Modifikation der beiden Öffnungsquerschnitte variiert wer¬ den. Insbesondere erbringt dabei eine Reduktion der Quer¬ schnittsfläche der Einlaßöffnung gegenüber der Querschnittε- flache, d.h. der Weite w der Auεlaßöffnung, eine Steigerung des Maximaldrucks. Der Druckwirkungsgrad kann ferner durch einen optimierten Verlauf der Ansteuerspannung verbessert werden.The pumping efficiency of a pump according to the present invention, i.e. the pump yield per pump cycle and the maximum counter pressure that can be achieved in the pump chamber can be varied by modifying the two opening cross sections. In particular, this results in a reduction in the cross-sectional area of the inlet opening compared to the cross-sectional area, i.e. the width w of the outlet opening, an increase in the maximum pressure. The pressure efficiency can also be improved by an optimized profile of the control voltage.
Dieser Überlegung liegt die Festεtellung zugrunde, daß die Durchflußcharakteristik der Einlaßöffnung, die proportional zu Vp ist, ausgehend vom Ursprung eine nahezu senkrechte Steigung aufweist. Der Fluß durch die Auslaßöffnung nimmt dagegen bei einer konstanten Spalthöhe h nur linear mit dem Druck zu. Diese Effekte sind in Fig. 5 dargestellt. Folglich überwiegt bei kleinen Druckdifferenzen stets die Strömung durch die Einlaßöffnung. Wenn der Druck in der Pumpkammer während der Saugphase gezielt klein gehalten wird und in der Druckphase gezielt groß gehalten wird, kann somit der Pump¬ wirkungsgrad vergrößert werden.This consideration is based on the finding that the flow characteristic of the inlet opening, which is proportional to Vp, has an almost vertical slope starting from the origin. The flow through the outlet opening, on the other hand, only increases linearly with the pressure at a constant gap height h. These effects are shown in Fig. 5. Consequently, the flow through the inlet opening always prevails at small pressure differences. If the pressure in the pumping chamber is kept deliberately low during the suction phase and is kept deliberately high in the pressure phase, the pumping efficiency can thus be increased.
Der Druck in der Pumpkammer stellt sich bei gegebener An¬ steuerspannung U so ein, daß sich ein Kräftegleichgewicht zwischen dem Pumpantrieb, der intrinsischen Verspannung des Verdrängers und dem hydrostatischen Druck des Fluids in der Pumpkammer ergibt. In den Fig. 6a, 6b und 6c sind zwei Mög¬ lichkeiten dargestellt, wie der Druck in der Pumpkammer durch eine geeignete Ansteuerspannung vorteilhaft modifi¬ ziert werden kann.For a given control voltage U, the pressure in the pump chamber is such that there is an equilibrium of forces between the pump drive, the intrinsic tension of the displacer and the hydrostatic pressure of the fluid in the pump chamber. 6a, 6b and 6c show two possibilities of how the pressure in the pumping chamber can advantageously be modified by means of a suitable control voltage.
Den Spannungsverläufen in den Fig. 6a bis 6c ist ein linea¬ rer Spannungsanstieg während der Saugphase und ein abruptes Ausschalten der Spannung während der Druckphase gemeinsam. Ferner wird bei dem Spannungsverlauf von Fig. 6c ferner zu Beginn der Druckphase die Spannung gezielt umgepolt, wodurch der Druck in der Pumpkammer über das normale Maß hinaus er¬ höht wird. Mit derartigen Ansteuerspannungen läßt sich der Pumpwirkungsgrad gezielt steigern. Es ist ferner offensicht¬ lich, daß der Verdränger entweder allein durch seine mecha¬ nische Rückstellkraft infolge seiner Verformung (passiv) oder über den Antrieb (aktiv) geschlossen werden kann.The voltage profiles in FIGS. 6a to 6c have in common a linear voltage increase during the suction phase and an abrupt switching off of the voltage during the pressure phase. 6c, the voltage is reversed in a targeted manner at the beginning of the pressure phase, as a result of which the pressure in the pumping chamber is increased beyond the normal level. With such control voltages, the pump efficiency can be increased in a targeted manner. It is also obvious that the displacer can be closed either solely by its mechanical restoring force due to its deformation (passive) or by the drive (active).
Der entscheidende Punkt bei dem Purapmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß sich mit der Bewegung des Verdrängers sowohl der Druck p in der Pumpkam¬ mer als auch die Höhe des Durchflußspaltes an der Auslaßöff¬ nung ändern. Die Strömung durch die Auslaßöffnung setzt sich aus diesen beiden Faktoren zusammen. Bei einer vereinfachten Betrachtung ergibt sich ein Durchfluß φ proportional zu ph3, bei einer allgemeineren Betrachtung ist der Durchfluß pro¬ portional zu pxhv, wobei x und y beliebige Zahlen sind.The crucial point in the Purap mechanism according to the present invention is that both the pressure p in the pump chamber and the height of the flow gap at the outlet opening change with the movement of the displacer. The flow through the outlet opening is composed of these two factors. In a simplified view, a flow rate φ is proportional to ph 3 ; in a more general view, the flow rate is proportional to p x h v , where x and y are arbitrary numbers.
Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, daß alle Zusammenhän¬ ge pxhv zwischen Pumpkammerdruck p und Spalthöhe h zu einem Pumpeffekt führen, sofern sich bei der Integration während des Offnungs- und Schließ-Vorgangs der Auslaßöffnung durch den Verdränger unterschiedliche Werte für die durch die Aus¬ laßöffnung strömende Fluidmenge ergeben. Damit ist auch klar, daß eine laminare Spaltströraung durch das Ventil keine Voraussetzung für die Pumpfunktion ist. Eine Pumpwirkung ist auch bei einer turbulenten Strömung oder jeder beliebigen Mischform möglich.It is expressly pointed out that all relationships p x h v between the pump chamber pressure p and the gap height h lead to a pump effect, provided that during the integration during the opening and closing process of the outlet opening by the displacer different values for the by the Flow opening result in amount of fluid flowing. It is also clear that a laminar gap flow through the valve is not a prerequisite for the pump function. A pumping action is also with a turbulent flow or any Mixed form possible.
Um einen guten Pumpwirkungsgrad zu erreichen, können spe¬ zielle Druckverläufe in der Pumpkammer vorteilhaft sein. Ein solcher Druckverlauf ist in Fig. 7 dargestellt. Ein solcher Druckverlauf kann beispielsweiεe mittels eines elektrostati¬ schen Antriebs oder einer gezielten Modifikation der Ansteu¬ erspannung (siehe Fig. 6) erreicht werden.In order to achieve good pumping efficiency, special pressure profiles in the pumping chamber can be advantageous. Such a pressure curve is shown in FIG. 7. Such a pressure curve can be achieved, for example, by means of an electrostatic drive or a targeted modification of the control voltage (see FIG. 6).
In Fig. 8 ist ein alternativeε Ausführungsbeiεpiel der vor¬ liegenden Erfindung dargeεtellt. Der Pumpkörper 100 besteht dabei aus einer Fluidik-Grundplatte mit integrierten Kanälen 105 und 107, die in einer Auslaßöffnung 140 bzw. einer Ein¬ laßöffnung 160 enden. Als Verdränger 120 dient ein struktu¬ rierter Siliziumchip, der auf der Fluidik-Grundplatte befe¬ stigt ist und ausgestaltet ist, um in einer ersten Endstel¬ lung die Auslaßöffnung 140 zu verschließen und in einer zweiten Endstellung die Auslaßöffnung offen zu lassen. Durch eine Ausnehmung in dem Verdränger 120 ist ferner eine Pump¬ kammer 180 definiert. Als Antrieb ist bei dem in Fig. 8 dar¬ gestellten Ausführungsbeispiel eine auf dem Verdränger befe¬ stigte Piezo-Keramikplatte verwendet, die auf der Oberseite derselben mit einer Schicht für selektiveε Bonden verεehen sein kann.An alternative embodiment of the present invention is shown in FIG. The pump body 100 consists of a fluidic base plate with integrated channels 105 and 107, which end in an outlet opening 140 and an inlet opening 160, respectively. A displaceable silicon chip serves as displacer 120, which is attached to the fluidic base plate and is designed to close the outlet opening 140 in a first end position and to leave the outlet opening open in a second end position. A pump chamber 180 is also defined by a recess in the displacer 120. In the embodiment shown in FIG. 8, the drive used is a piezo-ceramic plate attached to the displacer, which can be provided with a layer for selective bonding on the top thereof.
In Fig. 9 ist ein weiteres Ausfuhrungsbeispiel der vorlie¬ genden Erfindung dargestellt, das mit Ausnahme des Antriebs des Verdrängers dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 gleicht. Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein elektrostatischer Antrieb des Verdrängers realisiert. Dazu ist über der dem Pumpenkörper 100 gegenüberliegenden Seite des Verdrängers 120 beabstandet zu demselben eine Gegenelek¬ trode angeordnet, um den Verdränger in die erste und die zweite Endposition zu bewegen. Ein elektrostatischer Antrieb weist den Vorteil auf, daß er allein aufgrund der nichtli¬ nearen elektrostatischen Antriebskräfte während der Saug- und der Druck-Phase einen stark unsymmetriεchen Pumpkammer¬ druckverlauf, wie er beiεpielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, ermöglicht.FIG. 9 shows a further exemplary embodiment of the present invention which, with the exception of the drive of the displacer, is identical to the exemplary embodiment of FIG. 8. In the embodiment shown in Fig. 9, an electrostatic drive of the displacer is realized. For this purpose, a counterelectrode is arranged above the side of the displacer 120 opposite the pump body 100, in order to move the displacer into the first and the second end position. An electrostatic drive has the advantage that due to the non-linear electrostatic drive forces during the suction and pressure phases alone, it has a highly asymmetrical pump chamber pressure curve, as shown, for example, in FIG. 7 is enabled.
In den Fig. 10a biε lOd sind weitere Ausführungsbeispiele für den Ansteuerung des Verdrängers dargestellt. Dabei kann zwischen einer punktuellen oder flächigen Krafteinleitung unterschieden werden. Ferner unterscheiden sich die Ansteue- rungsvorrichtungen dadurch, ob sie eine zwangsgeführte An¬ steuerung oder eine Ansteuerung unter Zulaεsung einer Rück¬ wirkung ermöglichen. Bei einem zwangsgesteuerten Verdränger besteht zwischen der Verdrängerstellung und dem Pumpkammer¬ druck keine Rückwirkung.FIGS. 10a to 10d show further exemplary embodiments for controlling the displacer. A distinction can be made between selective or areal application of force. Furthermore, the control devices differ in whether they enable a positively driven control or a control with a reaction. In the case of a positively controlled displacer, there is no reaction between the displacer position and the pump chamber pressure.
Fig. 10a zeigt einen Antrieb für eine punktuelle Kraftein¬ leitung ohne Zwangεsteuerung. In Fig. 10b iεt ein Antrieb für eine flächige Krafteinleitung auf den Verdränger ohne Zwangssteuerung dargestellt. In den Fig. 10c bzw. lOd sind Antriebe für eine punktuelle bzw. flächige Krafteinleitung mit einer Zwangsεteuerung dargestellt.10a shows a drive for a selective introduction of force without forced control. FIG. 10b shows a drive for a flat introduction of force to the displacer without positive control. 10c and 10d represent drives for selective or areal application of force with a positive control.
Um eine Steigerung des Pumpwirkungsgrades zu erreichen kann es ferner vorteilhaft sein, die Blende, d.h. die Einlaßöff¬ nung, als eine Strömungsdüse auszubilden, wie dies bei soge¬ nannten Diffusor-Nozzle-Pumpen üblich ist. Dadurch wird fer¬ ner die Pumprichtung nochmals zusätzlich begünstigt.In order to achieve an increase in pump efficiency, it may also be advantageous to the inlet opening to be designed as a flow nozzle, as is customary in so-called diffuser nozzle pumps. As a result, the pumping direction is also further favored.
Werden innerhalb oder außerhalb der Pumpkammer elaεtiεche Komponenten angeordnet, so wird dadurch der Druckverlauf in der Pumpkammer, sowie die Flußraten durch die Einlaß- bzw. Auslaßöffnung beeinflußt. Die elastischen Komponenten können beispielsweise eine elastische Membran oder ein elastischer Medieneinschluß, beispielsweise Gas, sein. Die transienten Vorgänge in einer Pumpe für diesen Fall sind in Fig. 11 dar¬ gestellt.If elastic components are arranged inside or outside the pump chamber, the pressure curve in the pump chamber and the flow rates through the inlet or outlet opening are influenced thereby. The elastic components can be, for example, an elastic membrane or an elastic media inclusion, for example gas. The transient processes in a pump for this case are shown in FIG. 11.
Bei hohen Betriebsfrequenzen gelangt man in den Bereich der Eigenfrequenz dieser elastischen Komponenten in ihrer Fluid¬ umgebung. Dadurch ergibt sich eine Phasenverschiebung zwi¬ schen dem Druckverlauf in der Pumpkammer und der Bewegung des Verdrängers. Die relativen Anteile der Vorwärts- und Rückwärts-Strömung durch die Auslaßöffnung verschieben εich und die Pumprichtung kehrt εich um.At high operating frequencies, the natural frequency of these elastic components in their fluid environment is reached. This results in a phase shift between the pressure curve in the pump chamber and the movement of the displacer. The relative proportions of the forward and backward flow through the outlet opening shift and the pump direction reverses.
Die Reεonanzfrequenz wird von dem zu bewegenden Fluid in den Fluidleitungen mitbeεtimmt. Dadurch wird beiεpielsweise die Grenzfrequenz, ab der eine Umkehr der Förderrichtung auf¬ tritt, mit zunehmender Länge der Fluidleitungen wegen der größeren Fluidmasse geringer. Durch ein gezieltes Einbringen von elastischen Komponenten außerhalb der Pumpkammer läßt sich diese unerwünschte Kopplung zwischen der Resonanzfre¬ quenz und den Fluidleitungen unterdrücken.The resonance frequency is determined by the fluid to be moved in the fluid lines. As a result, for example, the limit frequency, from which a reversal of the conveying direction occurs, becomes lower with increasing length of the fluid lines because of the larger fluid mass. This undesired coupling between the resonance frequency and the fluid lines can be suppressed by targeted introduction of elastic components outside the pump chamber.
Wenn nur geringe elastiεche Puffervolumen in der Pumpkammer vorliegen, εo wird der beschriebene Pumpmechanismus dadurch nur wenig gestört, wie in den Fig. lla bis Ile gezeigt ist. Das Puffervolumen darf eine bestimmte Größe nicht über¬ schreiten, da der erfindungsgemäße Pumpmechanismus sonst nicht mehr gewährleistet ist.If there is only a small elastic buffer volume in the pump chamber, the described pump mechanism is only slightly disturbed, as shown in FIGS. 11a to 11le. The buffer volume must not exceed a certain size, since otherwise the pump mechanism according to the invention is no longer guaranteed.
Liegt bei einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe kein Pufferele¬ ment in oder an der Pumpkammer vor, so kann das dynamische Verhalten der bewegten Fluidsäule dazu benutzt werden, die Pumprichtung umzukehren. Wird die Pumpe mit einer Frequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz der bewegten Fluidsäule entspricht, ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen dem Druck und der Fluidbewegung, die eine Umkehr der Flußrich¬ tung bewirkt.If there is no buffer element in or on the pump chamber in a fluid pump according to the invention, the dynamic behavior of the moving fluid column can be used to reverse the pumping direction. If the pump is operated at a frequency which corresponds to the resonance frequency of the moving fluid column, there is a phase shift between the pressure and the fluid movement, which causes the direction of flow to be reversed.
Eine Umkehr der Pumprichtung kann ferner erreicht werden, indem das dynamische Verhalten deε Verdrängers ausgenutzt wird. Wird die Pumpe mit einer Frequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz des Verdrängers entspricht, führt eine Pha¬ senverschiebung zwischen der den Verdränger antreibenden Kraft und der Bewegung des Verdrängers zu einer Umkehr der Pumprichtung.A reversal of the pump direction can also be achieved by utilizing the dynamic behavior of the displacer. If the pump is operated at a frequency which corresponds to the resonance frequency of the displacer, a phase shift between the force driving the displacer and the movement of the displacer leads to a reversal of the pump direction.
In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluid- pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der in Fig. 12 dargestellten Fluidpumpe ist eine Pumpkammer 380 zwischen einem Pumpenkörper 310 und einem Verdränger 320 als ein kapillarer Spalt ausgebildet. Mit einer derartigen An¬ ordnung kann die Befullung entscheidend vereinfacht sein, da ein Fluid aufgrund der Kapillarkräfte in die Pumpkammer ge¬ zogen wird. In Fig. 12 ist der Antriebsmechanismus für die Verdrängereinrichtung nicht dargestellt.12 shows a further exemplary embodiment of a fluid Pump shown according to the present invention. In the fluid pump shown in FIG. 12, a pump chamber 380 is formed between a pump body 310 and a displacer 320 as a capillary gap. With such an arrangement, the filling can be decisively simplified since a fluid is drawn into the pumping chamber due to the capillary forces. The drive mechanism for the displacement device is not shown in FIG.
Eine Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner mit einem Drucksensor versehen sein, über den die Fluidpumpe im idealen Betriebsbereich gehalten wird. Der Drucksensor kann in oder an der Pumpkammer angeordnet sein, um den in derselben herrschenden Druck aufzunehmen. Dazu kann der Drucksensor bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbei¬ spiel beispielsweise in den als eine Membran ausgestalteten Verdränger 320 integriert sein. Über einen Regelkreis ist es dann möglich, den Antrieb der Mikropumpe in den jeweils op¬ timalen Arbeitsbereich zu bringen. A fluid pump according to the present invention can also be provided with a pressure sensor, via which the fluid pump is held in the ideal operating range. The pressure sensor can be arranged in or on the pump chamber in order to record the pressure prevailing therein. For this purpose, the pressure sensor in the embodiment shown in FIG. 12 can be integrated, for example, in the displacer 320 designed as a membrane. It is then possible via a control loop to bring the drive of the micropump into the optimum working range in each case.

Claims

Patentanεprüche Claims
1. Fluidpumpe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:1. Fluid pump, characterized by the following features:
einen Pumpenkörper (10; 100; 310) ;a pump body (10; 100; 310);
einen Verdränger (12; 120; 320) , wobei der Verdränger (12; 120; 320) und der Pumpenkörper (10; 100; 310) der¬ art ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pump¬ kammer (18; 180; 380) gebildet ist, die eine Einlaßöff¬ nung (16; 160; 360) und eine Auslaßöffnung (14; 140; 340) aufweist; unda displacer (12; 120; 320), the displacer (12; 120; 320) and the pump body (10; 100; 310) being designed such that a pump chamber (18; 180; 380) is located between them is formed, which has an inlet opening (16; 160; 360) and an outlet opening (14; 140; 340); and
eine Antriebsvorrichtung (20; 200; 210) , die den Ver¬ dränger (12; 120; 320) periodisch in eine erste und eine zweite Endstellung positioniert,a drive device (20; 200; 210) which periodically positions the displacer (12; 120; 320) in a first and a second end position,
wobei der Verdränger (12; 120; 320) die Auslaßöffnung (14; 140; 340) verschließt, wenn er in der ersten End¬ stellung ist, und die Auslaßoffnung (14; 140; 340) offen läßt, wenn er in der zweiten Endstellung iεt, undwherein the displacer (12; 120; 320) closes the outlet opening (14; 140; 340) when it is in the first end position, and leaves the outlet opening (14; 140; 340) open when it is in the second end position iεt, and
wobei der Verdränger (12; 120; 320) bei der Bewegung von der ersten in die zweite Endεtellung im Bereich der Aus¬ laßöffnung (14; 140; 340) einen Durchεtrömungsspalt zwi¬ schen dem Verdränger und dem Pumpenkörper öffnet.wherein the displacer (12; 120; 320) opens a flow gap between the displacer and the pump body during the movement from the first to the second end position in the region of the outlet opening (14; 140; 340).
2. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,2. Fluid pump according to claim 1, characterized in
daß der Pumpenkörper (10; 100) in der Form einer Platte, die die Einlaß- und die Auslaß-Öffnung aufweist, ausge¬ bildet ist, und daß der Verdränger (12; 120) eine Aus¬ sparung aufweist, die zusammen mit dem Pumpenkörper (10; 100) die Pumpkammer (18; 180) definiert.that the pump body (10; 100) is in the form of a plate which has the inlet and the outlet opening, and that the displacer (12; 120) has a recess which, together with the pump body (10; 100) defines the pump chamber (18; 180).
3. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkörper (310) in der Form einer Platte, die die Einlaß- und Auslaß-Öffnung (360, 340) aufweist, aus¬ gebildet ist, wobei der Pumpenkörper (310) ferner eine Aussparung aufweist, die zusammen mit dem Verdränger (320) die Pumpkammer definiert.3. Fluid pump according to claim 1, characterized in that the pump body (310) is designed in the form of a plate which has the inlet and outlet opening (360, 340), the pump body (310) also having a recess which together with the displacer (320 ) defines the pumping chamber.
4. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 biε 3, dadurch gekennzeichnet,4. Fluid pump according to one of claims 1 to 3, characterized in that
daß die Pumpkammer (380) als ein kapillarer Spalt ausge¬ bildet ist.that the pump chamber (380) is formed as a capillary gap.
5. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,5. Fluid pump according to one of claims 1 to 4, characterized in
daß die Querschnittsfläche der Einlaßöffnung (16; 160; 360) gegenüber der Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (14; 140; 340) reduziert ist.that the cross-sectional area of the inlet opening (16; 160; 360) is reduced compared to the cross-sectional area of the outlet opening (14; 140; 340).
6. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,6. Fluid pump according to one of claims 1 to 5, characterized in
daß der Antrieb ein piezoelektrischer Biegewandler (20) ist.that the drive is a piezoelectric bending transducer (20).
7. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 biε 6, dadurch gekennzeichnet,7. Fluid pump according to one of claims 1 to 6, characterized in that
daß der Antrieb aus einer auf die dem Pumpenkörper (100) gegenüberliegende Seite des Verdrängers (120) aufge¬ brachten Piezoplatte (200) besteht.that the drive consists of a piezo plate (200) attached to the side of the displacer (120) opposite the pump body (100).
8. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet,8. Fluid pump according to one of claims 1 to 7, characterized in that
daß der Antrieb ein elektrostatischer Antrieb (210) ist. that the drive is an electrostatic drive (210).
9. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,9. Fluid pump according to one of claims 1 to 8, characterized in
daß der Verdränger (12; 120; 320) nach dem Abschalten der Pumpe die Auslaßöffnung (14; 140; 340) passiv ver¬ schließt.that the displacer (12; 120; 320) passively closes the outlet opening (14; 140; 340) after the pump has been switched off.
10. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,10. Fluid pump according to one of claims 1 to 8, characterized in that
daß der Verdränger (12; 120; 320) die Auslaßöffnung (14; 140; 340) durch das Anlegen einer Spannung mit umgekehr¬ tem Vorzeichen an die Antriebsvorrichtung verschließt.that the displacer (12; 120; 320) closes the outlet opening (14; 140; 340) by applying a voltage with the opposite sign to the drive device.
11. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 biε 10, dadurch gekennzeichnet,11. Fluid pump according to one of claims 1 to 10, characterized in that
daß in oder an der Pumpkammer (18; 180; 380) ein Druck¬ sensor angeordnet ist, mit dem ein Regelkreis aufgebaut ist.that a pressure sensor is arranged in or on the pump chamber (18; 180; 380) with which a control circuit is constructed.
12. Verfahren zum Treiben einer Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,12. A method for driving a fluid pump according to one of claims 1 to 11, characterized in that
daß während einer Saugphase, in der der Verdränger (12; 120; 320) aus der ersten in die zweite Endstellung be¬ wegt wird, eine im wesentlichen linear ansteigende Span¬ nung an den Antrieb angelegt wird, undthat an essentially linearly increasing voltage is applied to the drive during a suction phase in which the displacer (12; 120; 320) is moved from the first to the second end position, and
daß zu Beginn einer Druckphase, in der der Verdränger (12; 120; 320) aus der zweiten in die erste Endstellung bewegt wird, die Spannung, die an dem Antrieb anliegt, abrupt ausgeschaltet wird.that at the beginning of a printing phase in which the displacer (12; 120; 320) is moved from the second to the first end position, the voltage applied to the drive is abruptly switched off.
13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,13. The method according to claim 12, characterized in that
daß zu Beginn der Druckphase nach dem abrupten Ausschal¬ ten der Spannung eine Spannung mit einem umgekehrten Vorzeichen an den Antrieb angelegt wird.that at the beginning of the printing phase after the voltage has been abruptly switched off, a voltage with an opposite one Sign is applied to the drive.
14. Verfahren zum Treiben einer Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,14. A method for driving a fluid pump according to one of claims 1 to 11, characterized in that
daß der Verdränger (12; 120; 320) durch den Antrieb (20; 200; 210) mit einer Frequenz betrieben wird, die der Re¬ sonanzfrequenz der bewegten Fluidsäule oder der Reso¬ nanzfrequenz des Verdrängers (12; 120; 320) entspricht. that the displacer (12; 120; 320) is operated by the drive (20; 200; 210) at a frequency which corresponds to the resonance frequency of the moving fluid column or the resonance frequency of the displacer (12; 120; 320).
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