EP1805420B1 - Treibmittel-vakuumpumpe - Google Patents

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EP1805420B1
EP1805420B1 EP05803340A EP05803340A EP1805420B1 EP 1805420 B1 EP1805420 B1 EP 1805420B1 EP 05803340 A EP05803340 A EP 05803340A EP 05803340 A EP05803340 A EP 05803340A EP 1805420 B1 EP1805420 B1 EP 1805420B1
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EP
European Patent Office
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vacuum pump
motivating fluid
pump according
fluid vacuum
chamber
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Not-in-force
Application number
EP05803340A
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English (en)
French (fr)
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EP1805420A1 (de
Inventor
Marco Doms
Jörg Müller
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Bayer AG
Original Assignee
Bayer Technology Services GmbH
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Publication date
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Application granted granted Critical
Publication of EP1805420B1 publication Critical patent/EP1805420B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F9/00—Diffusion pumps
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/14—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid
    • F04F5/16—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • F04F5/20—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids for evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles

Definitions

  • the invention relates to a propellant vacuum pump, in particular the microsystem technology, comprising an evaporator chamber and a pumping chamber, which are separated by a nozzle arrangement.
  • the invention relates to a miniaturized propellant vacuum pump utilizing a planar nozzle and pump wall geometry, preferably structured by microsystem technologies, and a suitable propellant for vacuum generation. It is characterized by easy manufacturability, small size and thus good integration possibilities, e.g. in mobile systems, operating in a pressure range from about one atmosphere to a few pascals, high suction power and position-independent function.
  • Pumps for the transport of gases or the generation of a vacuum exist on a macroscopic scale in a multiplicity of design variants: positive displacement pumps, molecular pumps, sorption pumps, condensers, cryopumps and propellant pumps.
  • Each of these variants is suitable for use within a certain pressure range; to generate a predetermined pressure, it may be necessary to operate several of these pumps in a row.
  • the size of these conventional vacuum pumps in their smallest designs is still in the range of a few tens of cubic centimeters. Therefore, these pumps can not be meaningfully integrated into systems with micro-assemblies (eg sensors).
  • micro-assemblies eg sensors.
  • the use of eg miniaturized analyzers which require a vacuum or a constant gas flow for their function, is therefore closely linked to the development of suitable micro-gas pumps.
  • Micro-pumps use different physical or chemical principles to create a pumping action (see: Nam-Trung Nguyen, Xiaoyang Huang, Toh Kok Chuan, MEMS Micropumps: A Review, Transactions of the ASME, Vol. 124 (June 2002), 384-392 ; P. Woias, Micropumps - summarizing the first two decades, Proc. SPIE, Vol. 4560 (2001), 39-52 ). Many of the systems realized in this way are limited in their application to liquid media; only a few are suitable for pumping gases or generating vacuum.
  • DE-U-201 20 138 there is disclosed a vacuum generator apparatus with an ejector device having an ejector housing.
  • the ejector housing defines at least one ejector unit that includes a nozzle channel having a jet nozzle portion and a capture nozzle portion adjacent thereto at a suction location.
  • the Ejektorgepuruse has two juxtaposed Ejektorgepuse emotions in a joining region, wherein the nozzle channel extends in the joining region along this and the two Ejektorgephasetude form transversely to the channel longitudinal direction opposite peripheral portions of the nozzle channel wall.
  • EP 0476157 A discloses a leaflet vacuum pump having an evaporator chamber and a pumping chamber separated by a nozzle assembly, the pumping chamber having an opening for suction and an opening for expelling a gas, and wherein there is communication between the evaporator chamber and the pumping chamber.
  • the object of the invention is to provide a, in particular miniaturized, propellant vacuum pump, which should be easy to produce and should have a small size.
  • the micro-pump according to the invention uses the operating principle of the propellant pumps described in D1 N 28 400, Part 2, which is based on the fact that a rapidly flowing vaporous or liquid propellant expands through a nozzle.
  • the gas particles in the recipient to be evacuated get into this propellant jet; Here they get a pulse in the pumping direction by collisions with the propellant molecules.
  • a special position among the propellant pumps takes the diffusion pump, in contrast to the other jet pumps the mixing process of the propellant with the gas to be pumped does not take place in a turbulent boundary layer, but by diffusion of the gas into the motive jet.
  • FIG. 1 Fig. 1
  • a suitable propellant eg silicone oil
  • the resulting propellant vapor 14 exits the nozzles 15 at supersonic velocity and transmits a downward pulse to the molecules of the gas 18 to be pumped.
  • the propellant vapor jet 17 condenses on the cooled walls of the pump body 16 and is returned to the reservoir 12.
  • the gas molecules retain their momentum and enter the steam jet of the next lower nozzle stage.
  • the gas is discharged via the forevacuum nozzle 13 by means of a forepump.
  • the pumped gas is further compressed from stage to stage, so that at constant mass flow, its volume flow decreases accordingly; the pump area between Accordingly, the nozzle and the wall also reduce from top to bottom.
  • the highest permissible pressure on the fore-vacuum side is thereby increased (see: Wutz, Adam, Walcher, Theory and Practice of Vacuum Technology, Vieweg Verlag Braunschweig, 5th Edition (1992 )).
  • the novelty of the invention lies in the implementation of the principle in miniaturized, preferably in a microsystem adequate planar shape. This results in exploiting the miniaturization of a number of other advantages.
  • the propellant vacuum pump consisting of an evaporator chamber at high pressure and a pumping chamber at low pressure, separated by a nozzle arrangement, provided that the pumping action by a flow at high speed through a preferably planar array of vertically extending in the depth nozzle is achieved between two parallel plates, which close the chambers through the nozzle area.
  • an opening in the pumping chamber above the nozzle assembly for sucking the medium to be pumped and an opening for expelling the compressed gas below the nozzle assembly are provided.
  • a planar nozzle arrangement of e.g. One or two Laval nozzles per nozzle stage is used to expand a pressurized liquid, gas or vapor propellant and optionally accelerate to supersonic speed. This allows the nozzle flow to reach supersonic speed.
  • the propellant vacuum pump can be used even at high pressures from about one atmosphere due to the small dimensions. By selecting the number of mutually arranged nozzles and thus pressure levels high compression ratios can be achieved. Furthermore, by choosing the appropriate dimensioning of the pump, the blowing agent or the evaporator temperature of the working pressure range can be varied over a wide range.
  • the blowing agent used is a condensable medium or a gaseous medium.
  • a liquid is used as propellant, wherein in one embodiment, the liquid propellant is vaporized in a arranged in the evaporator chamber heating in the form of an electrically heated coil. Alternatively, the propellant is already introduced in gaseous form into the evaporator chamber.
  • the increased pressure of the propellant within the nozzle assembly can be achieved either by suitable measures outside the micro-pump or in vaporous propellant with a heater integrated in the pump and evaporator of a liquid. Scaling the dimensions of the pump to within the range of the free path of the gas molecules in each pressure range allows operation in a pressure range of about one atmosphere to several pascals.
  • a plurality of nozzle stages can be operated in series, so that the pumped gas is further compressed in each stage.
  • a variation of the blowing agent used and the evaporator temperature also allows operation in different pressure ranges.
  • a particulate filter can be integrated.
  • a similar filter can also be used or integrated in the supply and discharge at the inlet and outlet of the evaporator chamber.
  • the vacuum pump is additionally provided with a cooling of the outer wall of the pumping chamber.
  • the condensation of the vaporous blowing agent may e.g. via channels or cooling fins provided in the walls, which are filled with a liquid or a gas or air and which remove heat from the side walls used for condensation; Alternatively, Peltier elements can also be used for this purpose.
  • a connection via which a condensed propellant is returned which simultaneously acts as a pressure stage.
  • Return of the condensed propellant from the pumping chamber to the evaporator chamber may be e.g. be performed by one or more capillary channels, which is lined with a layer opposite the pumping chamber of higher surface energy.
  • a pressure measurement is integrated.
  • several pressure sensors can be integrated into the pump. These pressure sensors can be mounted in the pump chamber on the high-vacuum side and the fore-vacuum side, as well as in the evaporator chamber and can also detect the differential pressure between the mentioned measuring points by means of suitable circuitry measures.
  • a pressure sensor based on the Pirani principle which measures the pressure-dependent thermal conductivity of the surrounding medium (see: Wutz, Adam, Walcher, Theory and Practice of Vacuum Technology, Vieweg Verlag Braunschweig, 5th Edition (1992 ); Mastrangelo, Muller, Microfabricated Thermal Absolute-Pressure Sensor with on-C hip Digital Front-End Processor, IEEE J. Solid State Circuits, Vol 26 No 12 (1991), 1998-2007 ; Ping Kuo Weng, Jin-Shie Shie, Micro-Pirani Vacuum Gauge, Rev. Sci. Instrum., Vol 65 No 2 (1994), 492-499 .
  • a flow measurement based on, for example, the intake manifold (intake region) and / or the outlet may be provided. carried out on a realized in microsystem technology Schudraht270.
  • the structure of the invention consists for example of three substrates, of which the middle includes the nozzle structures and through a high thermal conductivity is characterized to facilitate the evaporation of a liquid blowing agent and condensation.
  • the system or the propellant vacuum horn is composed of three substrates, the middle substrate of which is structured, preferably structured with anisotropic plasma etching, because of its good heat conduction, mechanical and chemical stability and structurability, and preferably the substrates closing on both sides thermal conductivity consist of anodically bonded glass.
  • the middle substrate because of its good heat conduction, from a galvanic example.
  • a galvanic example preferably grown galvanically on a lower glass substrate and an upper glass substrate as a closure.
  • the two outer substrates may include required connection channels and possibly serve as a carrier for the pressure or flow sensors to be integrated and close the Verdampferkam number and the pump chamber.
  • substrates silicon, preferably anisotropically structured, and borosilicate glass can serve as well as electrodeposited metal structures and glass substrates or r produced by injection molding structures and polymer substrates because of their good chemical and mechanical stability.
  • the propellant vacuum pump according to the invention is preferably closed with polymer substrates, and the nozzle arrangement is also produced by a structure produced, for example, by injection molding.
  • the invention can be used as a pump for existing or future developed miniaturized systems, without unnecessarily increasing their design.
  • micro-propellant pump can be used by its small internal dimensions from a pressure of about one atmosphere and depending on the design with multiple nozzle stages and a suitable propellant reach a final pressure of up to a few pascals.
  • the micro-propellant pump consists of a plasma etched silicon substrate and two borosilicate glass substrates anodically bonded as a top and bottom cover, one of which provides external access into the evaporator chamber for external supply offers a propellant.
  • FIG. 2 Such a system is in Figure 2 (Fig. 2 Through an opening 4, a vaporous blowing agent is supplied, which expands through the nozzles 5 and transmits a pulse to the gas molecules on the high-vacuum side 6 or in a volume connected via a channel 7.
  • the propellant condenses on the water-cooled side walls of the pump 3 and the pumped gas molecules pass through the pre-vacuum side 2 and the outlet 1 from the micropump.
  • the side length of the system is about 15 mm.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Treibmittel-Vakuumpumpe, insbesondere der Mikrosystemtechnik, aufweisend eine Verdampferkammer und eine Pumpkammer, die durch eine Düsenanordnung getrennt sind.
  • Insbesondere betrifft die Erfindung eine miniaturisierte Treibmittel-Vakuumpumpe, die eine vorzugsweise durch Mikrosystemtechnologien strukturierte planare Düsen- und Pumpenwandgeometrie und ein geeignetes Treibmittel zur Vakuumerzeugung benutzt. Sie zeichnet sich aus durch einfache Herstellbarkeit, geringe Größe und damit gute Integrationsmöglichkeit z.B. in mobile Systeme, Betrieb in einem Druckbereich von etwa einer Atmosphäre bis zu wenigen Pascal, hoher Saugleistung und lageunabhängiger Funktion.
    • Stand der Technik
  • Pumpen für den Transport von Gasen bzw. die Erzeugung eines Vakuums existieren im makroskopischen Maßstab in einer Vielzahl von Ausführungsvarianten: Verdrängerpumpen, Molekularpumpen, Sorptionspumpen, Kondensatoren, Kryopumpen und Treibmittelpumpen. Jede dieser Varianten ist für die Anwendung innerhalb eines bestimmten Druckbereiches geeignet; zur Erzeugung eines vorgegebenen Druckes kann es nötig sein, mehrere dieser Pumpen hintereinander zu betreiben. Die Größe dieser herkömmlichen Vakuumpumpen liegt in ihren kleinsten Bauformen noch immer im Bereich einiger zehn Kubikzentimeter. Daher können diese Pumpen nicht sinnvoll in Systeme mit Mikro-Baugruppen (z.B. Sensoren) integriert werden. Der Einsatz von z.B. miniaturisierten Analysegeräten, die für ihre Funktion einen Unterdruck oder einen konstanten Gasstrom benötigen, ist daher eng an die Entwicklung von geeigneten Mikro-Gaspumpen gekoppelt.
  • Mikro-Pumpen wenden unterschiedliche physikalische oder chemische Prinzipien an, um eine Pumpwirkung zu erzeugen (siehe: Nam-Trung Nguyen, Xiaoyang Huang, Toh Kok Chuan, MEMS-Micropumps: A Review, Transactions of the ASME, Vol. 124 (June 2002), 384-392; P. Woias, Micropumps - summarizing the first two decades, Proc. SPIE, Vol. 4560 (2001), 39-52). Viele der so realisierten Systeme sind in der Anwendung auf flüssige Medien limitiert; nur einige eignen sich für das Pumpen von Gasen bzw. die Vakuumerzeugung.
  • Ein Skalieren der herkömmlichen Pumpprinzipien mit rotierenden Teilen zum Verdrängen des Gases ist auf Grund der sehr kleinen Abmessungen und der erforderlichen Rotationsgeschwindigkeiten zur Erzeugung nahezu unmöglich. Die meisten realisierten Mikro-Vakuumumpen basieren aber auf mechanisch bewegten Teilen, die die Langzeitstabilität solcher Systeme erheblich beeinträchtigen, etwa Membranen, die durch ihre Bewegung, erzeugt über unterschiedliche Aktuatoren, die Pumpwirkung hervorrufen oder z.T. benötigten aktiven oder passiven Ventilen (siehe: R. Rapp, W. K. Schomburg, D. Maas, J. Schulz, W. Stark, LIGA micropump for gases and liquids, Sens. Act. A, Vol. 40 (January 1994), 57-61; R. Linnemann, P. Woias-P, C. D. Senfft, J. A. Ditte rich, A self-priming and bubble-tolerant piezoelectric silicon micropump for liquids and gases, Proc. MEMS 1998 Heidelberg, 532-537; C. G. J. Schabmueller, M. Koch, A. G. R. Evans, A. Brunnschweiler, M. Kraft, Design and fabrication of a self-aligning gas/liquid micropump, Proc. SPIE - Int. Soc. Opt. Eng. (USA), Vol. 4177 (2000), 282-90).
  • Anwendung können alternativ Pumpen ohne mechanische Teile finden, die auf dem Prinzip des Knudsen-Kompressors basieren (thermal transpiration, thermal molecular pressure): Zwischen zwei Volumina unterschiedlicher Temperatur, die über einen Kanal mit geringer Querschnittsfläche verbunden sind, entsteht eine Druckdifferenz, die zur Erzeugung einer Pumpwirkung ausgenutzt werden kann. Nachteilig wirkt sich der relativ komplizierte Aufbau und der hohe Flächenbedarf solcher Systeme aus, bedingt durch den Zwang auf Grund des geringen erreichten Kompressionsverhältnisses, viele solcher Pumpen in Reihe zu betreiben, um die gewünschte Saugleistung und Druckdifferenz zu erzeugen (siehe: R.M. Young, Analysis of a micromachine based vacuum pump on a chip actuated by the thermal transpiration effect, J. Vac. Sci. Technol. B 17(2), Mar/Apr 1999; J.P. Hobson, D.B. Salzman, Review of pumping by thermal molecular pressure, J. Vac. Sci. Technol. A 18(4), Jul/Aug 2000, S.E. Vargo, E.P Muntz, Initial Results from the first MEMS fabricated thermal transpiration-driven vacuum pump, Rerefied Gas Dynamics: 22. Int. Symposium, 2001).
  • Die Anwendung des der Erfindung zu Grunde liegenden Pumpprinzips in Mikropumpen ist nicht bekannt.
  • In DE-U-201 20 138 ist eine Vakuumerzeugervorrichtung mit einer Ejektoreinrichtung offenbart, die ein Ejektorgehäuse aufweist. Das Ejektorgehäuse definiert mindestens eine Ejektoreinheit, die einen Düsenkanal enthält, der über einen Strahldüsenabschnitt und einen sich an einer Absaugstelle daran anschließenden Fangdüsenabschnitt verfügt. Das Ejektorgehäuse weist zwei in einem Fügebereich aneinandergesetzte Ejektorgehäusekörper auf, wobei sich der Düsenkanal in dem Fügebereich diesem entlang erstreckt und die beiden Ejektorgehäusekörper sich quer zur Kanal-Längsrichtung gegenüberliegende Umfangsabschnitte der Düsenkanalwandung bilden.
  • Dokument EP 0476157 A offenbart eine Triebmittel-Vakuumpumpe aufweisend eine Verdampferkammer und eine Pumpkammer, die durch eine Düsenanordnung getrennt sind, wobei die Pumpkammer eine Öffnung zum Ansaugen und eine Öffnung zum Austreiben eines Gases aufweist und wobei zwischen der Verdampferkammer und Pumpkammer eine Verbindung besteht.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine, insbesondere miniaturisierte, Treibmittel-Vakuumpumpe bereitzustellen, die einfach herstellbar sein soll sowie eine geringe Größe aufweisen soll.
  • Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen des Anspruchs 1
    • Beschreibung und Vorteile der Erfindung
  • Die erfindungsgemäße Mikro-Pumpe nutzt das in D1 N 28 400, Teil 2 beschriebene Funktionsprinzip der Treibmittelpumpen, das darauf begründet ist, dass ein schnell strömendes dampfförmiges oder flüssiges Treibmittel durch eine Düse hindurch expandiert. Die Gasteilchen im zu evakuierenden Rezipienten gelangen in diesen Treibmittelstrahl; hier erhalten sie durch Stöße mit den Treibmittelmolekülen einen Impuls in Pumprichtung.
  • Eine Sonderstellung unter den Treibmittelpumpen nimmt die Diffusionspumpe ein, bei der im Gegensatz zu den anderen Strahlpumpen der Mischvorgang des Treibmittels mit dem abzupumpenden Gas nicht in einer turbulenten Grenzschicht stattfindet, sondern durch Diffusion des Gases in den Treibstrahl.
  • In Abbildung 1 (Fig. 1) ist beispielhaft für alle Treibmittelpumpen das Pumpprinzip an Hand des Aufbaus einer Diffusionspumpe dargestellt: Im Siederaum 12 wird durch die Heizung 11 ein geeignetes Treibmittel (z.B. Silikonöl) erhitzt; der entstehende Treibmitteldampf 14 tritt mit Überschallgeschwindigkeit aus den Düsen 15 aus und überträgt einen abwärts gerichteten Impuls auf die Moleküle des abzupumpenden Gases 18. Der Treibmitteldampfstrahl 17 kondensiert an den gekühlten Wänden des Pumpenkörpers 16 und wird wieder dem Vorratsbehälter 12 zugeführt.
  • Die Gasmoleküle behalten ihren Impuls bei und gelangen in den Dampfstrahl der nächsttiefer gelegenen Düsenstufe. Unterhalb der letzten Düse wird das Gas über den Vorvakuumstutzen 13 mittels einer Vorpumpe abgeführt. Das abgepumpte Gas wird von Stufe zu Stufe weiter komprimiert, so dass bei konstantem Massenstrom sein Volumenstrom entsprechend abnimmt; die Pumpfläche zwischen Düse und Wand verkleinert sich dementsprechend ebenfalls von oben nach unten. Der höchste zulässige Druck auf der Vorvakuumseite wird hierdurch vergrößert (siehe: Wutz, Adam, Walcher, Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, Vieweg Verlag Braunschweig, 5. Edition (1992)).
  • Die Neuartigkeit der Erfindung liegt in der Umsetzung des Prinzips in miniaturisierter, vorzugsweise in einer der Mikrosystemtechnik adäquaten planaren Form. Daraus resultieren unter Ausnutzung der Miniaturisierung eine Reihe weiterer Vorteile. Hierbei ist bei der Treibmittel-Vakuumpumpe, bestehend aus einer Verdampferkammer bei hohem Druck und einer Pumpkammer mit niedrigem Druck, getrennt durch eine Düsenanordnung, vorgesehen, dass die Pumpwirkung durch eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit durch eine vorzugsweise planare Anordnung von vertikal in die Tiefe verlaufenden Düsen zwischen zwei parallelen Platten erzielt wird, die die Kammern durch den Düsenbereich verschließen. Ferner sind eine Öffnung in der Pumpkammer oberhalb der Düsenanordnung zum Ansaugen des zu pumpenden Mediums sowie eine Öffnung zum Austreiben des komprimierten Gases unterhalb der Düsenanordnung vorgesehen. Eine planare Düsenanordnung aus z.B. ein oder zwei Lavaldüsen pro Düsenstufe wird verwendet, um ein unter Druck stehendes flüssiges, gas- oder dampfförmiges Treibmittel zu expandieren und wahlweise bis auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dadurch kann die Düsenströmung Überschallgeschwindigkeit erreichen.
  • Die Treibmittel-Vakuumpumpe ist aufgrund der kleinen Dimensionen schon bei hohen Drücken ab etwa einer Atmosphäre einsetzbar. Durch Wahl der Anzahl untereinander angeordneter Düsen und damit Druckstufen sind hohe Kompressionsverhältnisse erreichbar. Weiterhin kann durch Wahl der geeigneten Dimensionierung der Pumpe, des Treibmittels bzw. der Verdampfertemperatur der Arbeits-Druckbereich über weite Bereiche variiert werden.
  • Als Treibmittel wird ein kondensierbares Medium oder ein gasförmiges Medium genutzt. Weiterhin wird als Treibmittel eine Flüssigkeit verwendet, wobei in einer Ausgestaltung das flüssige Treibmittel in einer in der Verdampferkammer angeordneten Heizung in Form einer elektrisch beheizten Wendel verdampft wird. Alternativ wird das Treibmittel schon gasförmig in die Verdampferkammer eingeführt.
  • Der erhöhte Druck des Treibmittels innerhalb der Düsenanordnung kann hierbei entweder durch geeignete Maßnahmen außerhalb der Mikro-Pumpe oder bei dampfförmigem Treibmittel mit einem in die Pumpe integrierten Heizer und Verdampfer einer Flüssigkeit erreicht werden. Das Skalieren der Abmessungen der Pumpe bis in den Bereich der freien Weglänge der Gasmoleküle im jeweiligen Druckbereich ermöglicht den Betrieb in einem Druckbereich von etwa einer Atmosphäre bis zu einigen Pascal.
  • Um eine möglichst große Druckdifferenz mit nur einer Mikro-Treibmittelpumpe zu erreichen, können mehrere Düsenstufen hintereinander betrieben werden, so dass das abgepumpte Gas in jeder Stufe weiter komprimiert wird. Eine Variation des verwendeten Treibmittels und der Verdampfertemperatur ermöglicht ebenfalls den Betrieb in unterschiedlichen Druckbereichen.
  • Um das Verschmutzen der Düsen bzw. in den Düsenzufuhrkanälen mit kleinsten Partikeln zu verhindern, kann z.B. in der Verdampferkammer ein Partikelfilter integriert werden. Ein ebensolcher Filter kann auch in der Zu- und Abfuhr am Ein- und Ausgang der Verdampferkammer verwendet bzw. integriert werden.
  • Das aus den Düsen ausgetretene Treibmittel, das den eigentlichen Pumpeffekt hervorruft, kann im Falle der Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten auf geeignetem Wege aus der Pumpe hera ustransportiert und für den Fall der Verwendung von dampfförmigen Treibmitteln an den Pumpenwänden kondensiert und ggf. zu dem in die Pumpe integrierten Heizer zurückgeführt werden. Dort wird es erneut verdampft und somit in einen Treibmittelkreislauf überführt, um ein geschlossenes und von außen ausschließlich mit Energie für den Heizer versorgtes System zu ermöglichen.
  • Um ein gasförmiges Treibmedium zu kondensieren, ist die Vakuumpumpe zusätzlich mit einer Kühlung der Außenwand der Pumpkammer versehen. Das Kondensieren des dampfförmigen Treibmittels kann z.B. über in den Wänden vorgesehene Kanäle oder Kühlrippen erfolgen, die mit einer Flüssigkeit oder einem Gas oder Luft gefüllt sind und die Wärme von den zur Kondensation verwendeten Seitenwänden abführen; alternativ können hierfür auch Peltier-Elemente eingesetzt werden.
  • Weiterhin besteht in einer Weiterbildung zwischen Verdampferkammer und Pumpkammer eine Verbindung, über die ein kondensiertes Treibmittel zurückgeführt wird, das gleichzeitig als Druckstufe wirkt. Eine Rückführung des kondensierten Treibmittels von der Pumpkammer in die Verdampferkammer kann z.B. durch einen oder mehrere kapillarförmige Kanäle ausgeführt werden, die mit einer Schicht gegenüber der Pumpkammer höherer Oberflächenenergie ausgekleidet ist. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, dass die Mikro-Pumpe lageunabhängig betrieben wird.
  • Zur Überwachung der Pumpfunktion in der Pumpkammer am Ein- oder Ausgang, oder in der Verdampferkammer oder in mehreren oder allen Positionen ist eine Druckmessung integriert. Um den Betrieb der Mikro-Treibmittelpumpe zu überwachen und ggf. zu steuern oder zu regeln, können mehrere Drucksensoren in die Pumpe integriert werden. Diese Drucksensoren können in der Pumpenkammer auf der Hochvakuumseite und der Vorvakuumseite, sowie in der Verdampferkammer angebracht werden und über geeignete schaltungstechnische Maßnahmen auch den Differenzdruck zwischen den genannten Messpunkten detektieren.
  • Auf Grund der guten Realisierbarkeit und der Anwendbarkeit in unterschiedlichen Druckbereichen bietet sich als Drucksensor z.B. ein auf dem Pirani-Prinzip basiertes System an, das die druckabhängige Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums misst (sie he: Wutz, Adam, Walcher, Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, Vieweg Verlag Braunschweig, 5. Edition (1992); Mastrangelo, Muller, Microfabricated Thermal Absolute-Pressure Sensor with on-C hip Digital Front-End Processor, IEEE J.Solid State Circuits, Vol 26 No 12 (1991), 1998-2007; Ping Kuo Weng, Jin-Shown Shie, Micro-Pirani vacuum gauge, Rev. Sci. Instrum., Vol 65 No 2 (1994), 492-499, Puers, Reyntjens, Bruyker, The NanoPirani - an extremely miniaturized pressure sensor fabricated by focussed ion beam rapid prototyping, Sens. & Act. A, Vol 97-98 (2002), 208-214). Dadurch erfolgt die Druckmessung mit einer in Mikrosystemtechnik integrierten Pirani-Anordnung.
  • Ebenfalls zur Überwachung der Pumpe bzw. zur Bestimmung der Saugleistung kann am Ansaugstutzen (Ansaugbereich) und/oder am Auslass ggf. eine Flussmessung basierend z.B. auf einem in Mikrosystemtechnik realisierten Heizdrahtprinzip erfolgen.
  • Der Aufbau der Erfindung besteht z.B. aus drei Substraten, von denen das mittlere die Düsenstrukturen beinhaltet und sich durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet, um das Verdampfen eines flüssigen Treibmittels und die Kondensation zu erleichtern.
  • In einer Ausgestaltung ist das System bzw. die Treibmittel-Vakuumpupe aus drei Substraten aufgebaut, dessen mittleres Substrat wegen dessen guter Wärmeleitung, mechanischer und chemischer Stabilität sowie Strukturierbarkeit ein, vorzugsweise mit anisotropen Plasmaätzverfahren strukturiertes, Silizium ist und die beidseitig verschließenden Substrate vorzugsweise wegen dessen geringer thermischer Leitfähigkeit aus anodisch gebondetem Glas bestehen.
  • Außerdem ist es in einer weiteren Ausgestaltung vorteilhaft, wenn das mittlere Substrat wegen dessen guter Wärmeleitung, aus einer galvanisch z.B. in einer UV-Liga-Technik aufgebrachten Metallstruktur besteht, vorzugsweise galvanisch aufgewachsen auf einem unteren Glassubstrat und einem oberen Glassubstrat als Verschluss.
  • Die beiden äußeren Substrate können benötigte Anschlusskanäle beinhalten und ggf. als Träger für die zu integrierenden Druck- oder Flusssensoren dienen und verschließen die Verdampferkam mer und den Pumpenraum. Als Substrate können Silizium, vorzugsweise anisotrop strukturiert, und Borsilikatglas wegen ihrer guten chemischen und mechanischen Stabilität ebenso dienen wie galvanisch abgeschiedene Metallstrukturen und Glassubstrate ode r durch Spritzgussverfahren erzeugte Strukturen und Polymersubstrate.
  • Die erfindungsgemäße Treibmittel-Vakuumpumpe wird mit Polymersubstraten vorzugsweise verschlossen und auch die Düsenanordnung wird durch eine z.B. durch Spritzgussverfahren erzeugte Struktur erzeugt.
  • Durch die geringe Größe der Mikro-Treibmittelpumpe entstehen folgende Vorteile: Die Erfindung kann als Pumpe für bestehende oder zukünftig entwickelte miniaturisierte Systeme eingesetzt werden, ohne deren Bauform unnötig zu vergrößern.
  • Des Weiteren kann die Mikro-Treibmittelpumpe durch ihre geringen internen Abmessungen ab einem Druck von etwa einer Atmosphäre eingesetzt werden und je nach Ausführung mit mehreren Düsenstufen und einem geeigneten Treibmittel einen Enddruck von bis zu wenigen Pascal erreichen.
  • Das System zeichnet sich durch einfache Herstellung aus: Im einfachsten Fall besteht die Mikro-Treibmittelpumpe aus einem mit Plasmaätzverfahren strukturierten Siliziumsubstrat und zwei darauf anodisch gebondeten Borsilikatglassubstraten als Abdeckung oben und unten, von denen eines einen Zugang von außen in die Verdampferkammer für die externe Versorgung mit einem Treibmittel bietet.
  • Ein solches System ist in Abbildung 2 (Fig. 2) beispielhaft dargestellt: Durch eine Öffnung 4 wird ein dampfförmiges Treibmittel zugeführt, das durch die Düsen 5 expandiert und einen Impuls auf die Gasmoleküle auf der Hochvakuumseite 6 bzw. in einem über einen Kanal 7 angeschlossenem Volumen überträgt. Das Treibmittel kondensiert an den wassergekühlten Seitenwänden der Pumpe 3 und die abgepumpten Gasmoleküle gelangen über die Vorvakuumseite 2 und den Auslass 1 aus der Mikropumpe.
  • Typischerweise beträgt die Seitenlänge des Systems circa 15 mm.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Auslass
    2
    Vorvakuumseite
    3
    Pumpe
    4
    Öffnung
    5
    Düsen
    6
    Hochvakuumseite
    7
    Kanal
    11
    Heizung
    12
    Siederaum
    13
    Vorvakuumstutzen
    14
    Treibmitteldampf
    15
    Düsen
    16
    Pumpenkörper
    17
    Treibmitteldampfstrahl
    18
    Gas

Claims (20)

  1. Treibmittel-Vakuumpumpe, insbesondere der Mikrosystemtechnik, aufweisend eine Verdampferkammer und eine Pumpkammer, die durch eine Düsenanordnung getrennt sind, mit einer planaren Anordnung von wenigstens einer quer, insbesondere vertikal, in die Tiefe verlaufenden Düse zwischen zwei, insbesondere parallelen, Platten, wobei die Platten die Verdampferkammer und die Pumpkammer verschließen, und einer Öffnung in der Pumpkammer, vorzugsweise oberhalb der Düsenanordnung, zum Ansaugen eines zu pumpenden Mediums und mit einer Öffnung zum Austreiben eines, vorzugsweise komprimierten, Gases unterhalb der Düsenanordnung, wobei zwischen Verdampferkammer und Pumpkammer eine Verbindung besteht, über die ein kondensiertes Treibmittel zurückgeführt wird.
  2. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Düse als Laval-Düse ausgebildet ist.
  3. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung mehrere Düsen aufweist.
  4. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein kondensierbares und/oder gasförmiges Medium genutzt oder eine Flüssigkeit verwendet wird.
  5. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampferkammer eine Heizung, vorzugsweise in Form einer elektrisch beheizten Wendel, angeordnet ist.
  6. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel gasförmig in die Verdampferkammer eingeführt wird.
  7. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer mit einer Kühlung versehen ist.
  8. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung Kanäle oder Kühlrippen aufweist.
  9. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung mittels wenigstens eines Peltier-Elements ausgebildet ist.
  10. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung als Kapillare ausgebildet ist.
  11. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillare mit einer Schicht gegenüber der Pumpkammer höherer Oberflächenenergie zur Steuerung der Rückführung des Treibmittels ausgekleidet wird.
  12. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckmessung zur Überwachung der Pumpfunktion in der Pumpkammer, vorzugsweise am Ein- oder Ausgang, oder in der Verdampferkammer oder in mehreren oder allen Positionen integriert ist.
  13. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmessung mit einer, vorzugsweise in die Mikrosystemtechnik integrierten, Pirani-Anordnung erfolgt.
  14. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flussmessung zur Bestimmung der Saugleistung, vorzugsweise im Ansaugbereich und/oder in den Auspuff, vorgesehen ist.
  15. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmessung auf einem, vorzugsweise in die Mikrosystemtechnik integrierten, Heißdrahtprinzip erfolgt.
  16. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstes ein Partikelfilter zur Vermeidung von Verschmutzung, vorzugsweise in den Düsenzufuhrkanälen der Verdampferkammer und/oder in der Zu- und Abfuhr am Ein- und Ausgang, vorgesehen ist.
  17. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus drei Substraten aufgebaut ist.
  18. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Substrat ein, vorzugsweise nach einem anisotropen Plasmaätzverfahren strukturiertes, Siliziumsubstrat ist und die beidseitigen Substrate aus, vorzugsweise anodisch gebondetem, Glas bestehen.
  19. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Substrat aus einer, vorzugsweise galvanisch aufgebrachten, Metallstruktur besteht.
  20. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Substrat galvanisch auf einem unteren Glassubstrat aufgewachsen ist und ein oberes Glassubstrat als Verschluss aufweist.
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