EP2207963A2 - Pumpe, pumpenanordnung und pumpenmodul - Google Patents

Pumpe, pumpenanordnung und pumpenmodul

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EP2207963A2
EP2207963A2 EP08842526A EP08842526A EP2207963A2 EP 2207963 A2 EP2207963 A2 EP 2207963A2 EP 08842526 A EP08842526 A EP 08842526A EP 08842526 A EP08842526 A EP 08842526A EP 2207963 A2 EP2207963 A2 EP 2207963A2
Authority
EP
European Patent Office
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pumping
membrane
pump
check valve
pumping membrane
Prior art date
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Granted
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EP08842526A
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English (en)
French (fr)
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EP2207963B1 (de
Inventor
Martin Wackerle
Jürgen KRUCKOW
Martin Richter
Klaus Heinrich
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Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2207963A2 publication Critical patent/EP2207963A2/de
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Publication of EP2207963B1 publication Critical patent/EP2207963B1/de
Not-in-force legal-status Critical Current
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • F04B43/046—Micropumps with piezoelectric drive
    • 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
    • F04B23/00—Pumping installations or systems
    • F04B23/04—Combinations of two or more pumps
    • F04B23/06—Combinations of two or more pumps the pumps being all of reciprocating positive-displacement type
    • 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
    • F04B53/00—Component parts, details or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B23/00 or F04B39/00 - F04B47/00
    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1037—Flap valves
    • F04B53/1047—Flap valves the valve being formed by one or more flexible elements

Definitions

  • Embodiments of the present invention are concerned with a pump, a pump assembly, and a pump module, and more particularly, a pump, a pump assembly, and a pump module that operate using a pumping membrane and that are microstructured.
  • Known compressors for pressure ranges above 10 bar are typically 1- or 2-stage piston-cylinder systems with a powerful electric motor and a construction volume that is too large for microsystems.
  • Small compressors with a volume of less than 1 dm 3 are usually diaphragm pumps with electric drive.
  • maximum pressure ranges up to 2 bar are specified.
  • micro-membrane pumps with passive check valves, which have a construction space of only a few cm 3 .
  • An exemplary micro-membrane pump is known from DE 19719862 Al. This micro-membrane pump comprises a pumping membrane, which is movable by means of a drive device into a first and a second position. A pump body is connected to the pumping membrane to define a pumping chamber therebetween. An inlet opening and an outlet opening are each provided with passive check valves.
  • micromembrane pumps only achieve delivery rates of 0.02 l / min for water and 0.05 l / min with air, and the achievable pressures of micromembrane pumps are relatively small, with maximum backpressure (with compressible gas as the delivery volume) of about 400 hPa.
  • the present invention provides a pump having the following features:
  • a pumping membrane having an opening provided with a passive check valve through the pumping membrane
  • an actuator configured to move the pumping membrane between a first position and a second position
  • the passive check valve is designed such that a movement from the first position toward the second position acts closing and a movement from the second position toward the first position acts to open, so that a pumping cycle in which the pumping membrane is moved from the first to the second position and back, causes a net flow from the inlet opening to the outlet opening.
  • the present invention provides a pump assembly in which a plurality of such pumps are fluidly connected in series.
  • the present invention provides a pump module having the following features:
  • Embodiments of the present invention are based on the finding that by using a pumping membrane having a passageway therethrough provided with a passive check valve, small diameter pumps with high delivery rates can be implemented at both high and low pressures.
  • Embodiments of the present invention may be directed to micro pumps or micromembrane pumps, which are understood here to mean diaphragm pumps whose displacement is in the microliter range or below.
  • the stroke volume may be in a range from 200 ⁇ l to 200 ⁇ l.
  • Embodiments of the invention provide micropumps whose delivery rate may be several liters per minute, both at high pressures and at small pressures that can be delivered by the pump.
  • the inlet port and the outlet port are formed in a pumping chamber with the pumping diaphragm disposed in the pumping chamber and separating it into an inlet side and an outlet side region, with the passive check valve disposed between the inlet side region and the outlet side region is, and being in the first position, the volume of the outlet side portion of the pumping chamber is greater than in the second position.
  • Embodiments of the present invention include two pumping diaphragms having ports provided with check valves and respective actuators therefor. Between the pumping membranes, a spacer may be provided which defines a pumping chamber together with the pumping membranes. The outlet opening may be formed through the opening in the one pumping membrane, while the inlet opening may be formed through the openings of the other pumping membranes.
  • the actuating devices can be designed to move the pumping membranes such that in a suction phase the volume of the pumping chamber is increased and in a pumping phase the volume of the pumping chamber is reduced.
  • the movement of the pumping diaphragms may be closing on one of the check valves and opening on the other, while in the pumping phase the movement of the pumping diaphragms may open on one of the check valves and on the other of the check valves.
  • Embodiments of the present invention allow the implementation of high delivery rate micropumps at different pressures.
  • Embodiments of the invention may enable the implementation of micropumps having a pressure of 16 to 25 bar (16 x 10 3 to 25 x 10 3 hPa) delivered by them at a delivery rate of at least 0.5 liters per minute.
  • Such micro-pumps can, for example, enable the realization of an oil-free microcompressor, for example for use in a Bernoullie / Joule-Thompson cooler.
  • the pump may be a piezoelectric micromembrane pump in which the actuator is a piezo ceramic formed on the pumping membrane.
  • the micromembrane can have a circular circumference, wherein the piezoceramic can be arranged in a ring around a centrally formed, provided with a passive check valve passage opening.
  • the pressure achievable with piezoelectric micromembrane pumps depends on the compression ratio, the valve tightness and the pressure ratio between the top and bottom of the pumping membrane.
  • Exemplary embodiments of the invention make it possible to achieve high pressures with the aid of piezoelectric diaphragm pumps without requiring a series connection of a plurality of pumps with separate fluid connections.
  • a series connection of several pumps is basically possible if the pump diaphragm for pressure equalization between the pump inlet and the membrane top, i. Pump outlet is provided.
  • the maximum possible pressure of the entire system can be determined by the sum of the maximum pressures of the individual pump modules.
  • a series connection of micropumps can be disadvantageous because, firstly, the fluid management between the pumps by hose connector or the like is expensive.
  • such also encounters technological limitations, since, when a higher pressure is reached, the pumping membrane on the drive side sees the ambient pressure, i. the same is exposed, whereby the Aktorikiki must be oversized.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump module according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a check valve chip
  • FIG. 4 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump according to the invention
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump according to the invention
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a series connection of three pumps according to FIG. 5.
  • the pump module comprises a pumping membrane 10, a passage opening 12, which is provided with a passive check valve 14, and a piezoceramic 16, which is mounted on the pumping membrane 10.
  • the pumping membrane 10 may, for example, have a circular circumference in plan view, wherein the passage opening 12 may be centrally arranged with the passive check valve 14.
  • the piezoceramic 16 can then surround the passage opening 12 in an annular manner.
  • a control device 20 is shown in dashed lines in Fig. 1, which may be formed to apply via corresponding electrical connections 22a and 22b, a voltage difference to the piezoceramic 16 to effect actuation of the pumping membrane.
  • the control device 20 may, for example, be a te voltage source have.
  • the control device 20 may be designed to apply a periodic voltage to the piezoceramic, for example a pulsed square-wave voltage having a suitable frequency and a suitable duty cycle (of, for example, 1: 1).
  • the pumping membrane may be a metallic pumping membrane, which may be made of spring stainless steel, for example.
  • the control device 20 may be designed to apply an electrical voltage between the metallic pumping membrane 10 and an electrode arranged on the upper side of the piezoceramic 16.
  • the pumping membrane 10 made of a non-conductive material, such as silicon, consist, in which case corresponding conductive structures for applying the voltage to the piezoceramic 16 may be provided.
  • the passive check valve 14 may be integrated, for example, of silicon, wherein a check valve chip with a corresponding passive check valve 14 may be mounted in the passage opening 12.
  • micro valves made of other suitable materials, such as e.g. Plastic or metal, to be considered.
  • FIG. 3 An exemplary embodiment of a check valve chip with a passive check valve 14 is shown in Fig. 3.
  • a passive check valve may for example correspond to a passive check valve, as described in DE 19719862 Al.
  • the check valve chip has two silicon wafers 24 and 26, which are connected to one another at a connection surface 28, for example by wafer bonding or gluing.
  • the passive check valve 14 comprises a valve flap 30, which is structured in the silicon wafer 26, and a valve seat 32, which is structured in the silicon wafer 24.
  • the valve seat 32 provides a support surface or support webs for the valve flap 30. Generally sets the width the support webs and the distance between the valve flap and the support webs in the open state, the flow resistance of the check valve firmly.
  • the check valve shown in Fig. 3 opens when on the side of the silicon wafer 24, an overpressure compared with a pressure on the side of the silicon wafer 26 prevails. In the other case, a closing force acts on the check valve 14.
  • the check valve module or valve may be attached to the pumping membrane 10 in any suitable manner to provide a check valve for the port 12.
  • a corresponding non-return valve chip may be glued into the passage opening or glued to the pump diaphragm above or below the passage opening.
  • Embodiments of a pump module according to the invention have a very simple structure and can be used to implement both pumps with high achievable pressures and low achievable pressures.
  • FIG. 2 A schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump according to the invention is shown in FIG. 2.
  • the pumping module shown in FIG. 1 is arranged in a pumping chamber in that the pumping membrane 10 is connected at its circumference to housing parts 40 and 42.
  • the pumping membrane 10 is circumferentially clamped by the housing parts 40 and 42.
  • an inlet opening 44 is formed, while in the housing part 42 an outlet opening 46 is formed.
  • the pumping chamber is closed in a fluid-tight manner.
  • the piezoceramic 16 constitutes an actuating device for the pumping membrane, wherein again a control device (not shown in FIG Apply actuating voltage to the piezoceramic.
  • the pumping membrane and the piezoceramic can represent a piezo-ceramic bending transducer.
  • the pump diaphragm Upon application of an actuation voltage to the piezoceramic 16, starting from the state shown in FIG. 2, the pump diaphragm is deflected downwards due to the deformation of the piezoceramic caused by the actuation voltage. This reduces the volume of an inlet-side pumping chamber area defined by the pumping membrane and the housing part 40, while the volume of an outlet-side pumping chamber area 50 defined by the housing part 42 and the pumping membrane 10 increases. This movement acts to open the check valve so that fluid flows from the inlet side pump chamber portion 48 into the outlet side pump chamber portion 50. Subsequently, the voltage applied to the piezoceramic 16 voltage is turned off, so that the pumping membrane returns to the position shown in Fig. 2.
  • the membrane is laid down starting from the position shown in FIG. 2 and then returned to the position shown in FIG. 2.
  • a square-wave voltage pulse can be applied to the piezoceramic 16.
  • the flow resistance through the check valve is less than the flow resistance through the inlet opening.
  • the housing parts are designed such that the compression volume, i. the dead volume in the housing is small. This can be achieved, for example, by the contour of the pumping membrane 10 opposite housing parts are adapted to the contour of the pumping membrane in the deflected state.
  • FIG. 1 Another embodiment of a pump according to the invention is shown in FIG. 1
  • the embodiment shown in FIG. 4 comprises, in addition to the example shown in FIG. 2, a check valve 60 at the pump inlet 44.
  • the check valve 60 is designed such that a movement of the pump membrane 10 from the position shown in FIG. 4 into a housing part 40 toward deflected position closing on the check valve 60 acts. As a result, it can be effectively prevented that during this movement fluid is forced through the inlet opening 44 counter to the actual pumping direction, since the check valve 60 prevents such reflux.
  • the check valve 60 at the inlet port allows for an increase in the efficiency of the pump.
  • the check valve 60 can be implemented in any way, for example ter using a check valve chip, as shown in Fig. 3.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 5 has a first pump module 100 and a second pump module 102, which are connected to one another via a spacer 104.
  • the pumping modules 100 and 102 may have a structure corresponding to the construction described above with reference to FIG. 1, wherein the respective elements of the first pumping module are respectively marked with the suffix "a ⁇ , while the corresponding elements of the second pumping module 102 are marked with the suffix "b".
  • the pumping membranes 10a and 10b are mounted circumferentially on the spacer 104 so that the two pumping membranes 10a and 10b and the spacer 104 define a pumping chamber 106.
  • a portion 104a of the spacer 104 extends inwardly between the pumping membranes 10a and 10b.
  • the contour of the inwardly extending portion 104a of the spacer 104 is adapted to the contour of the pumping membranes 10a and 10b in the deflected state, so that the dead volume can be reduced and, ideally, can approach zero.
  • the pumping membrane 10a Upon application of a corresponding actuation voltage, the pumping membrane 10a is lowered from the position shown in FIG. 5, ie, to the portions 104a of the spacer 104 deflected, and the pumping diaphragm 10b is deflected upon application of a corresponding actuation voltage to the piezoelectric chip 16b upwards, ie to the portion 104a of the spacer 104 out.
  • the application of an actuation voltage to the piezoceramic 16a and 16b reduces the volume of the pump chambers 106.
  • the pumping membranes 10a and 10b return to the position shown in Fig. 5, whereby the volume of the pumping chamber is increased again.
  • the movement of the pumping membrane 10a and 10b to increase the volume of the pumping chamber may be referred to as a suction stroke, while the movement of the pumping diaphragm to reduce the pumping chamber volume may be referred to as a pressure stroke.
  • the check valve 14a is designed such that a movement during the pressure stroke opens, while a movement during the suction stroke acts to close.
  • the check valve 14b is designed such that a movement during the compression stroke is closing and a movement during the suction stroke is opening.
  • the pumping membranes may be made of spring stainless steel.
  • the pumping membranes can each have centrally in the middle thereof an opening into which a check valve unit can be integrated.
  • the pumping membranes can have a circular circumference , wherein a piezoelectric ceramic can be glued annularly around the passage openings.
  • check valves may thus be integrated into the pump membrane or into the pump diaphragms, for example micro-system-manufactured passive check valves made of silicon may be integrated.
  • the inlet and outlet of the non-return valves are respectively located on the top and bottom of the pumping membranes, so that media transport through the pumping membrane takes place from the underside to the top of the membrane.
  • the integrated in the membrane passive check valve (or the valves) is located where the largest deflection of the pumping diaphragm and thus the largest volume displacement takes place.
  • this is the center of a circular pumping membrane, which may also be referred to as an actuator membrane. It can thereby be achieved that the volume of fluid flowing through the pump has the shortest path from the inlet to the outlet of the pump.
  • a spacer arranged between two pump diaphragms for realizing a compression ratio which is as large as possible is designed such that the pumping chamber volume is as large as possible as large as the displacement volume of the pump diaphragms.
  • the two pump diaphragms can be supplied with the same electrical periodic control signal, whereby both pump diaphragms oscillate in phase and simultaneously reduce and enlarge the pump chamber volume at the same time.
  • a medium to be pumped for example, a liquid or a gas
  • the pumping direction is given by the directions in which allow the check valves in the membranes flow.
  • Fig. 6 shows an embodiment of a pump arrangement according to the invention, in which three pumps, as shown in Fig. 6, are stacked to be fluidly connected in series.
  • FIG. 6 there are three pumps, each of which may correspond to the pumps described above with reference to FIG. 5, fluidly connected in series by housing parts 110a, 110b, 110c, 11Od and 11Oe, so that a pumping path between a pump assembly inlet 112 and a pump assembly outlet 114, as indicated by arrows 120 in FIG.
  • the micropump assembly shown in Fig. 6 may be considered as a compressor in which a plurality of pumps are stacked one above the other.
  • the pumps can be connected to each other via any type, for example by clamping technology, adhesive technology or other suitable connection techniques. Such an arrangement automatically ensures pressure equalization of the pumping membranes.
  • An electrical contact of the piezoelectric ceramics can also be effected via the connection points, or via corresponding housing parts, as indicated schematically for the uppermost pump module in Fig. 6 by reference numeral 110.
  • a suitable termination is mounted on the top and bottom of the resulting pump stack by housing parts 110a and 11Oe. This can be provided with appropriate connections for the medium to be pumped, such as Luer connections or the like.
  • the opening direction of all check valves in the example shown in Fig. 6 is from bottom to top, so that in a simultaneous operation of the membranes, such as With reference to FIG. 5, pump action has been achieved from the pump assembly inlet 112 to the pump tunneling outlet 114.
  • pump action has been achieved from the pump assembly inlet 112 to the pump tunneling outlet 114.
  • Embodiments of the present invention are based on a drive by a piezoelectric ceramic.
  • alternative drives such as electrostatic drives, may be used.
  • electrostatic drives areas of the pumping membrane can serve as electrodes, while counter-electrodes are provided to attract these membrane areas in order to effect a corresponding deflection of the membrane can.
  • Embodiments of the present invention make it possible, by the type of fluid guidance through the pumping membrane or the pumping diaphragms, that the fluid flow experiences the least possible losses due to deflections and that the actuator diaphragms are automatically in a pressure-balanced state.
  • a control device may be provided to operate the pumping membrane or the pumping membranes (for example, a piezo-steel ring actuator) at its resonant frequency, whereby the amplitude of vibration of the same can be maximized with only low operating voltage, which in turn allow very large flow rates can.
  • the moving parts ie the one or more pumping diaphragms
  • the moving parts may be designed so that the first mechanical resonance is above the audible.
  • an audible threshold can be considered a frequency of 20 kHz, from which a normal adult human sounds can no longer perceive.
  • the pumping membrane can be designed such that the first mechanical resonance thereof is between 20 and 40 kHz.
  • the control device can be provided in order to operate the pump membrane or the pump diaphragms at the first mechanical resonance of the same, so that noise disturbances can be avoided on account of the low noise emission.
  • Micropumps or microcompressors according to the invention can achieve delivery rates which are hitherto unknown for piezo-actuated actuators.
  • delivery rates in resonant mode between 1.6 and over 2 liters per minute can be achieved with pumps according to the invention, for example at a drive voltage (peak to peak) of 100 volts or less, a diameter of the microcompressor of about 50 mm or below and a thickness of the actuator membrane of 300 microns and the piezo membrane of 500 microns, and a thickness of the entire pumping module of FIG. 5 (without housing) of 1.8 mm or less.
  • Such delivery rates are a factor of 50 above the delivery rates (conveying medium air) of known piezo-driven micropumps.
  • Embodiments of pumps according to the invention can be used for any technical fields of application, for example microcooling systems, fuel cells or portable devices which require an air or gas flow in the range of one liter / minute and more.
  • Embodiments of the present invention enable high delivery rates at desired pressures using a piezo membrane annular actuator having an inlet and an outlet, the piezo membrane annular actuator having a recess in which a microvalve is mounted.
  • a check valve is provided in the membrane.
  • a plurality of equally-acting check valves may be arranged side by side in the pumping membrane in parallel.
  • the housing parts described above with reference to embodiments of the invention may be made of any suitable materials, such as plastic, glass, silicon, metal or the like.
  • the pumping membrane and / or the piezoceramic disposed thereon may be provided with an insulating layer, in order to enable the pumping of liquid media without the risk of a short circuit.

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Abstract

Eine Pumpe besitzt eine Einlassöffnung, eine Auslassöffnung, eine Pumpmembran, die eine mit einem passiven Rückschlagventil versehene Öffnung durch die Pumpmembran aufweist, und eine Betätigungseinrichtung, die ausgelegt ist, um die Pumpmembran zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen. Das passive Rückschlagventil ist derart ausgelegt, das eine Bewegung von der ersten Position in Richtung zu der zweiten Position schließend wirkt und eine Bewegung von der zweiten Position in Richtung zu der ersten Position öffnend wirkt, so dass ein Pumpzyklus, bei dem die Pumpmembran von der ersten in die zweite Position und zurück bewegt wird, einen Nettofluss von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung bewirkt.

Description

Pumpe, Pumpenanordnung und Pumpenmodul
Beschreibung
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit einer Pumpe, einer Pumpenanordnung und einem Pumpenmodul, und insbesondere einer Pumpe, einer Pumpenanordnung und einem Pumpenmodul, die unter Verwendung einer Pumpmembran arbeiten und die für eine Mikrobauweise geeignet sind.
Bekannte Kompressoren für Druckbereiche über 10 bar sind typischerweise 1- oder 2-stufige Kolbenzylindersysteme mit einem leistungsstarken Elektromotor und einem für Mikrosys- teme zu großen Bauvolumen.
Kleinstkompressoren mit einem Bauvolumen unter 1 dm3 sind meist Membranpumpen mit Elektroantrieb. Für solche Kleinst- kompressoren sind maximale Druckbereiche bis 2 bar angegeben.
Auf der anderen Seite gibt es piezoelektrische Mikromemb- ranpumpen mit passiven Rückschlagventilen, die einen Bau- räum von nur wenigen cm3 haben. Eine beispielhafte Mikro- membranpumpe ist aus der DE 19719862 Al bekannt. Diese Mik- romembranpumpe umfasst eine Pumpmembran, die mittels einer Antriebseinrichtung in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist. Ein Pumpenkörper ist mit der Pumpmembran ver- bunden, um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen. Eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung sind jeweils mit passiven Rückschlagventilen versehen.
Bekannte Mikromembranpumpen erreichen jedoch lediglich För- derraten von 0,02 l/min für Wasser und 0,05 l/min mit Luft und die erreichbaren Drücke von Mikromembranpumpen sind relativ klein, wobei dieselben einen maximalen Gegendruck (mit kompressiblem Gas als Fördervolumen) von ca. 400 hPa aufweisen.
Es besteht daher ein Bedarf nach Pumpen, Pumpenanordnungen und Pumpenmodulen mit kleinem Bauvolumen, die eine hohe Förderrate sowohl bei großen Drücken als auch bei kleinen Drücken ermöglichen.
Dieser Bedarf wird durch eine Pumpe nach Anspruch 1, eine Pumpenanordnung nach Anspruch 16 oder 19 und ein Pumpenmodul nach Anspruch 17 gelöst.
Die vorliegende Erfindung schaffte eine Pumpe mit folgenden Merkmalen:
einer Einlassöffnung;
einer Auslassöffnung;
einer Pumpmembran, die eine mit einem passiven Rückschlagventil versehene Öffnung durch die Pumpmembran aufweist; und
einer Betätigungseinrichtung, die ausgelegt ist, um die Pumpmembran zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen,
wobei das passive Rückschlagventil derart ausgelegt ist, dass eine Bewegung von der ersten Position in Richtung zu der zweiten Position schließend wirkt und eine Bewegung von der zweiten Position in Richtung zu der ersten Position öffnend wirkt, so dass ein Pumpzyklus, bei dem die Pump- membran von der ersten in die zweite Position und zurück bewegt wird, einen Nettofluss von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung bewirkt. Gemäß Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung eine Pumpenanordnung, bei der eine Mehrzahl derartiger Pumpen fluidisch in Reihe geschaltet sind.
Bei Ausführungsbeispielen schafft die vorliegende Erfindung ein Pumpenmodul mit folgenden Merkmalen:
einer Pumpmembran;
einer auf der Pumpmembran angeordneten Piezokeramik; und
einer in der Pumpmembran gebildeten Durchlassöffnung, die mit einem Rückschlagventil versehen ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass unter Verwendung einer Pumpmembran, die durch dieselbe eine Durchlassöffnung aufweist, die mit einem passiven Rückschlagventil versehen ist, Pumpen kleiner Bauart mit hohen Förderraten bei sowohl großen als auch kleinen Drücken implementiert werden können. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf Mikro- pumpen bzw. Mikromembranpumpen gerichtet sein, wobei darunter hier Membranpumpen verstanden werden sollen, deren Hubvolumen im Mikroliter-Bereich oder darunter liegt. Bei Aus- führungsbeispielen erfindungsgemäßer Pumpen kann das Hubvolumen in einem Bereich von 200 nl bis 200 μl liegen. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen Mikropumpen, deren Förderrate bei mehreren Litern pro Minute liegen kann, sowohl bei großen Drücken als auch bei kleinen Drücken, die durch die Pumpe geliefert werden können.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung sind die Einlassöffnung und die Auslassöffnung in einer Pumpkammer gebildet, wobei die Pumpmembran in der Pumpkammer ange- ordnet ist und dieselbe in einen einlassseitigen und einen auslassseitigen Bereich trennt, wobei das passive Rückschlagventil zwischen dem einlassseitigen Bereich und dem auslassseitigen Bereich angeordnet ist, und wobei in der ersten Position das Volumen des auslassseitigen Bereichs der Pumpkammer größer ist als in der zweiten Position.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung umfassen zwei Pumpmembranen mit Durchlassöffnungen, die mit Rückschlagventilen versehen sind, und jeweiligen Betätigungseinrichtungen für dieselben. Zwischen den Pumpmembranen kann ein Abstandhalter vorgesehen sein, der zusammen mit den Pumpmembranen eine Pumpkammer festlegt. Die Auslassöff- nung kann durch die Öffnung in der einen Pumpmembran gebildet sein, während die Einlassöffnung durch die Öffnungen der anderen Pumpmembranen gebildet sein kann. Die Betätigungseinrichtungen können ausgelegt sein, um die Pumpmembranen derart zu bewegen, dass in einer Saugphase das VoIu- men der Pumpkammer erhöht wird und in einer Pumpphase das Volumen der Pumpkammer verringert wird. In der Saugphase kann die Bewegung der Pumpmembranen auf eines der Rückschlagventile schließend und auf das andere öffnend wirken, während in der Pumpphase die Bewegung der Pumpmembranen auf das eine der Rückschlagventile öffnend und auf das andere der Rückschlagventile schließend wirken kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Implementierung von Mikropumpen mit hohen Förderraten bei unterschiedlichen Drücken. Ausführungsbeispiele der Erfindung können die Implementierung von Mikropumpen mit einem durch dieselben gelieferten Druck von 16 bis 25 bar (16 x 103 bis 25 x 103 hPa) bei einer Förderleistung von mindestens 0,5 Liter pro Minute ermöglichen. Derartige Mikro- pumpen können beispielsweise die Realisierung eines ölfrei- en Mikrokompressors beispielsweise für den Einsatz in einem Bernoullie/Joule-Thompson-Kühler ermöglichen .
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können Mikropum- pen bzw. Mikrokompressoren ermöglichen, die einen großen Förderstrom von einem bis mehreren Litern pro Minute aufweisen, bei einem moderaten Druck von 50 hPa bis 400 hPa. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Pumpe eine piezoelektrische Mikromembranpumpe sein, bei der die Betätigungseinrichtung eine auf der Pumpmembran gebildete Pie- zokeramik ist. Beispielsweise kann die Mikromembran einen kreisförmigen Umfang aufweisen, wobei die Piezokeramik ringförmig um eine zentral gebildete, mit einem passiven Rückschlagventil versehene Durchlassöffnung angeordnet sein kann. Der mit piezoelektrischen Mikromembranpumpen erreichbare Druck hängt dabei vom Kompressionsverhältnis, der Ven- tildichtigkeit und dem Druckverhältnis zwischen Ober- und Unterseite der Pumpmembran ab.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Erreichung hoher Drücke mit Hilfe von piezoelektrischen Mikro- membranpumpen, ohne eine Reihenschaltung mehrerer Pumpen mit separaten Fluidverbindungen zu benötigen. Eine Reihenschaltung mehrerer Pumpen ist grundsätzlich möglich, wenn bei der Pumpmembran für einen Druckausgleich zwischen Pum- peneinlass und Membranoberseite, d.h. Pumpenauslass, ge- sorgt wird. Auf diese Weise kann der maximal mögliche Druck des Gesamtsystems durch die Summe der Maximaldrücke der einzelnen Pumpmodule bestimmt werden. Eine Reihenschaltung von Mikropumpen kann jedoch unvorteilhaft sein, da erstens die Fluidführung zwischen den Pumpen durch Schlauchverbin- der oder ähnliches aufwendig ist. Andererseits stößt eine solche auch an technologische Grenzen, da beim Erreichen eines höheren Drucks die Pumpmembran auf der Antriebsseite den Umgebungsdruck sieht, d.h. demselben ausgesetzt ist, wodurch die Aktorikeinheit überdimensioniert werden muss.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Pumpmoduls; Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht eines Rück- schlagventilchips;
Fig. 4 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
Fig. 5 eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;
Fig. 6 eine schematische Querschnittansicht einer Reihenschaltung von drei Pumpen gemäß Fig. 5.
Bevor auf die einzelnen Figuren eingegangen wird, sei angemerkt, dass in denselben gleiche bzw. gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei auf eine mehrfache Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Pumpenmoduls ist in Fig. 1 gezeigt. Das Pumpenmodul umfasst eine Pumpmembran 10, eine Durchlassöffnung 12, die mit einem passiven Rückschlagventil 14 versehen ist, und eine Piezo- keramik 16, die auf der Pumpmembran 10 angebracht ist. Die Pumpmembran 10 kann beispielsweise in Draufsicht einen kreisförmigen Umfang aufweisen, wobei die Durchlassöffnung 12 mit dem passiven Rückschlagventil 14 zentral angeordnet sein kann. Die Piezokeramik 16 kann dann die Durchlassöffnung 12 ringförmig umgeben.
Schematisch ist in Fig. 1 in gestrichelten Linien eine Steuereinrichtung 20 dargestellt, die ausgebildet sein kann, um über entsprechende elektrische Verbindungen 22a und 22b eine Spannungsdifferenz an die Piezokeramik 16 anzulegen, um eine Betätigung der Pumpmembran zu bewirken. Die Steuereinrichtung 20 kann beispielsweise eine gesteuer- te Spannungsquelle aufweisen. Die Steuereinrichtung 20 kann ausgelegt sein, um die Piezokeramik mit einer periodischen Spannung zu beaufschlagen, beispielsweise einer gepulsten Rechteckspannung mit einer geeigneten Frequenz und einem geeigneten Tastverhältnis (von beispielsweise 1:1) .
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Pumpmembran eine metallische Pumpmembran sein, die beispielsweise aus Federedelstahl bestehen kann. Die Steuereinrichtung 20 kann ausgelegt sein, um eine elektrische Spannung zwischen der metallischen Pumpmembran 10 und einer auf der Oberseite der Piezokeramik 16 angeordneten Elektrode anzulegen. Alternativ kann die Pumpmembran 10 aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise Silizium, bestehen, wobei dann entsprechende leitfähige Strukturen zum Anlegen der Spannung an die Piezokeramik 16 vorgesehen sein können.
Das passive Rückschlagventil 14 kann beispielsweise aus Silizium integriert sein, wobei ein Rückschlagventilchip mit einem entsprechenden passiven Rückschlagventil 14 in der Durchlassöffnung 12 angebracht sein kann. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können auch Mikroventile aus anderen geeigneten Materialien, wie z.B. Kunststoff oder Metall, in Betracht gezogen werden.
Eine beispielhafte Ausgestaltung eines Rückschlagventilchips mit einem passiven Rückschlagventil 14 ist in Fig. 3 gezeigt. Ein solches passives Rückschlagventil kann beispielsweise einem passiven Rückschlagventil entsprechen, wie es in der DE 19719862 Al beschrieben ist. Der Rückschlagventilchip weist zwei Siliziumscheiben 24 und 26 auf, die an einer Verbindungsfläche 28 beispielsweise durch Wa- ferbonden oder Kleben miteinander verbunden sind. Das passive Rückschlagventil 14 umfasst eine Ventilklappe 30, die in die Siliziumscheibe 26 strukturiert ist, und einen Ventilsitz 32, der in die Siliziumscheibe 24 strukturiert ist. Der Ventilsitz 32 liefert eine Auflagefläche bzw. Auflagestege für die Ventilklappe 30. Allgemein legt die Breite der Auflagestege sowie der Abstand zwischen der Ventilklappe und den Auflagestegen im geöffneten Zustand den Strömungswiderstand des Rückschlagventils fest.
Das in Fig. 3 gezeigte Rückschlagventil öffnet, wenn auf der Seite der Siliziumscheibe 24 ein Überdruck verglichen mit einem Druck auf der Seite der Siliziumscheibe 26 herrscht. Im anderen Fall wirkt eine schließende Kraft auf das Rückschlagventil 14.
Das Rückschlagventilmodul bzw. der Rückschlagventilchip kann auf beliebige geeignete Weise an der Pumpmembran 10 angebracht sein, um ein Rückschlagventil für die Durchlassöffnung 12 zu liefern. Beispielsweise kann ein entsprechen- der Rückschlagventilchip in die Durchlassöffnung geklebt sein oder über oder unter der Durchlassöffnung auf die Pumpmembran geklebt sein.
Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Pumpenmoduls weisen einen sehr einfachen Aufbau auf und können verwendet werden, um sowohl Pumpen mit hohen erreichbaren Drücken als auch geringen erreichbaren Drücken zu implementieren.
Eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbei- spiels einer erfindungsgemäßen Pumpe ist in Fig. 2 gezeigt.
Bei dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ist das in Fig. 1 gezeigte Pumpmodul in einer Pumpkammer angeordnet, indem die Pumpmembran 10 an ihrem Umfang mit Gehäuseteilen 40 und 42 verbunden ist. Anders ausgedrückt ist die Pumpmembran 10 durch die Gehäuseteile 40 und 42 umfangsmäßig eingespannt. In dem Gehäuseteil 40 ist eine Einlassöffnung 44 gebildet, während in dem Gehäuseteil 42 eine Auslassöffnung 46 gebildet ist. Mit Ausnahme der Einlassöffnung 44 und der Aus- lassöffnung 46 ist die Pumpkammer fluiddicht abgeschlossen. Die Piezokeramik 16 stellt eine Betätigungseinrichtung für die Pumpmembran dar, wobei wiederum eine Steuereinrichtung (in Fig. 2 nicht gezeigt) vorgesehen ist, um eine geeignete Betätigungsspannung an die Piezokeramik anzulegen. Die Pumpmembran und die Piezokeramik können dabei einen piezo- keramischen Biegewandler darstellen.
Bei Anlegen einer Betätigungsspannung an die Piezokeramik 16 wird ausgehend von dem Zustand, der in Fig. 2 gezeigt ist, die Pumpmembran aufgrund der durch die Betätigungsspannung bewirkten Verformung der Piezokeramik nach unten ausgelenkt. Dadurch verringert sich das Volumen eines durch die Pumpmembran und das Gehäuseteil 40 festgelegten ein- lassseitigen Pumpkammerbereichs, während sich das Volumen eines durch das Gehäuseteil 42 und die Pumpmembran 10 festgelegten auslassseitigen Pumpkammerbereichs 50 erhöht. Diese Bewegung wirkt auf das Rückschlagventil öffnend, so dass Fluid von dem einlassseitigen Pumpkammerbereich 48 in den auslassseitigen Pumpkammerbereich 50 strömt. Anschließend wird die an die Piezokeramik 16 angelegte Spannung abgestellt, so dass die Pumpmembran in die in Fig. 2 gezeigte Stellung zurückkehrt. Diese Bewegung der Pumpmembran in die in Fig. 2 gezeigte Stellung wirkt auf das Rückschlagventil 14 schließend, so dass keine fluidische Verbindung zwischen dem einlassseitigen Pumpkammerbereich 48 und dem auslassseitigen Pumpkammerbereich 50 existiert. Daher wird bei dieser Bewegung der Pumpmembran in die in Fig. 2 gezeigte Stellung zum einen Fluid durch die Einlassöffnung 44 angesaugt, wie durch einen Pfeil 52 in Fig. 2 angedeutet ist, und zum anderen Fluid durch die Auslassöffnung 46 ausgestoßen, wie durch einen Pfeil 54 in Fig. 2 angedeutet ist.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass die jeweiligen Bewegungen öffnend bzw. schließend auf das Rückschlagventil wirken, da durch die Bewegungen entsprechende Druckverhältnisse erzeugt werden, die die beschriebenen Wirkungen auf das oder die Rückschlagventile haben.
Bei einem Pumpzyklus wird daher die Membran ausgehend von der in Fig. 2 gezeigten Stellung nach unten ausgelegt und dann wieder in die in Fig. 2 gezeigte Stellung zurückge- bracht. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise ein Rechteckspannungspuls an die Piezokeramik 16 angelegt werden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Strömungswiderstand durch das Rückschlagventil kleiner als der Strömungswiderstand durch die Einlassöffnung. Dadurch kann bewirkt werden, dass der Anteil eines zu pumpenden Fluids, der während einer Bewegung der Pumpmembran von der von Fig. 2 gezeigten Stellung zu der Einlassöffnung hin mehr Fluid durch die mit dem Rückschlagventil 14 versehene Durchlassöffnung 12 als durch die Einlassöffnung 44 aus der einlass- seitigen Pumpkammer gelangt.
Ferner sind bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Gehäuseteile derart ausgelegt, dass das Kompressionsvolumen, d.h. das Totvolumen im Gehäuse klein ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Kontur der der Pumpmembran 10 gegenüberliegenden Gehäuseteile an die Kontur der Pumpmembran im ausgelenkten Zustand angepasst sind.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpe ist in Fig. 4 gezeigt.
Das in Fig. 4 gezeigte Ausführungsbeispiel umfasst zusätzlich zu dem in Fig. 2 gezeigten Beispiel ein Rückschlagventil 60 am Pumpeinlass 44. Das Rückschlagventil 60 ist derart ausgelegt, dass eine Bewegung der Pumpmembran 10 aus der in Fig. 4 gezeigten Stellung in eine zu dem Gehäuseteil 40 hin ausgelenkte Stellung schließend auf das Rückschlagventil 60 wirkt. Dadurch kann wirksam verhindert werden, dass bei dieser Bewegung Fluid durch die Einlassöffnung 44 entgegen der eigentlichen Pumprichtung gedrückt wird, da das Rückschlagventil 60 einen solchen Rückfluss verhindert. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ermöglicht somit das Rückschlagventil 60 an der Einlassöffnung eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Pumpe. Das Rückschlagventil 60 kann auf beliebige Weise implementiert sein, beispielsweise un- ter Verwendung eines Rückschlagventilchips, wie er in Fig. 3 gezeigt ist.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä- ßen Pumpe wird nun Bezug nehmend auf die schematische Querschnittdarstellung von Fig. 5 erläutert.
Das in Fig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel weist ein erstes Pumpenmodul 100 und ein zweites Pumpenmodul 102 auf, die über einen Abstandhalter 104 miteinander verbunden sind. Die Pumpmodule 100 und 102 können einen Aufbau aufweisen, der dem oben Bezug nehmend auf Fig. 1 beschriebenen Aufbau entspricht, wobei die jeweiligen Elemente des ersten Pumpenmoduls jeweils mit dem Suffix „aλλ gekennzeichnet sind, während die entsprechenden Elemente des zweiten Pumpenmo- duls 102 mit dem Suffix „b" gekennzeichnet sind.
Die Pumpmembrane 10a und 10b sind, wie in Fig. 5 zu erkennen ist, umfangsmäßig an dem Abstandhalter 104 angebracht, so dass die beiden Pumpmembrane 10a und 10b und der Abstandhalter 104 eine Pumpkammer 106 definieren. Wie in Fig. 5 zu sehen ist, erstreckt sich ein Bereich 104a des Abstandhalters 104 zwischen den Pumpmembranen 10a und 10b nach innen. Die Kontur des sich nach innen erstreckenden Bereichs 104a des Abstandhalters 104 ist an die Kontur der Pumpmembranen 10a und 10b im ausgelenkten Zustand ange- passt, so dass das Totvolumen verringert werden kann und im Idealfall gegen Null gehen kann.
Elektrische Verbindungen sowie eine Steuereinrichtung bzw. eine Spannungsquelle um eine geeignete Betätigungsspannung an die Piezokeramiken 16a und 16b anzulegen, sind vorgesehen, jedoch in Fig. 5 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Bei Anlegen einer entsprechenden Betätigungsspannung wird die Pumpmembran 10a von der in Fig. 5 gezeigten Position nach unten, d.h. zu den Abschnitten 104a des Abstandhalters 104 hin abgelenkt, und die Pumpmembran 10b wird bei Anlegen einer entsprechenden Betätigungsspannung an die Piezokera- mik 16b nach oben, d.h. zu dem Abschnitt 104a des Abstandhalters 104 hin, abgelenkt. Dadurch wird durch das Anlegen einer Betätigungsspannung an die Piezokeramik 16a und 16b das Volumen der Pumpkämmer 106 verringert. Nach Abschalten der Spannung kehren die Pumpmembrane 10a und 10b in die in Fig. 5 gezeigte Position zurück, wodurch das Volumen der Pumpkammer wieder vergrößert wird. Die Bewegung der Pump- membrane 10a und 10b zur Vergrößerung des Volumens der Pumpkammer kann als Saughub bezeichnet werden, während die Bewegung der Pumpmembrane zur Verringerung des Pumpkammervolumens als Druckhub bezeichnet werden kann. Das Rückschlagventil 14a ist derart ausgelegt, dass eine Bewegung während des Druckhubs öffnend wirkt, während eine Bewegung während des Saughubs schließend wirkt. Dagegen ist das Rückschlagventil 14b derart ausgelegt, dass eine Bewegung während des Druckhubs schließend wirkt und eine Bewegung während des Saughubs öffnend wirkt. Dadurch wird während des Saughubs Fluid durch das dann geöffnete Rückschlagventil 14b angesaugt, während während des Druckhubs Fluid durch das dann geöffnete Rückschlagventil 14a ausgestoßen wird. So wird eine Nettopumpwirkung von der Einlassöffnung, die durch die Durchlassöffnung in der Pumpmembran 10b ge- bildet ist, zu der Auslassöffnung, die durch die Durchlassöffnung in der Pumpmembran 10a gebildet ist, erreicht.
Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikropumpe sind somit zwei piezoelektrische Pumpmembranen sich gegenüber liegend angeordnet und können gegeneinander schwingen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Pumpmembranen aus Federedelstahl bestehen. Bei Ausführungsbeispielen können die Pumpmembranen jeweils zentral in der Mitte derselben eine Öffnung aufwei- sen, in die eine Rückschlagventileinheit integriert sein kann. Wie bereits ausgeführt wurde, können bei Ausführungsbeispielen die Pumpmembranen einen kreisförmigen Umfang aufweisen, wobei um die Durchlassöffnungen ringförmig eine piezoelektrische Keramik aufgeklebt sein kann.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können somit in die Pumpmembran bzw. in die Pumpmembranen Rückschlagventile integriert sein, beispielsweise mikrosystem- technisch hergestellte passive Rückschlagventile aus Silizium integriert sein. Bei άem in Fig. 5 gezeigten Beispiel befinden sich Einlass und Auslass der Rückschlagventile je- weils auf der Oberseite bzw. Unterseite der Pumpmembranen, so dass ein Medientransport durch die Pumpmembran von der Unterseite zu der Oberseite der Membran stattfindet.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das in die Membran integrierte passive Rückschlagventil (bzw. die Ventile) dort angeordnet, wo die größte Auslenkung der Pumpmembran und damit die größte Volumenverdrängung stattfindet. Bei Ausführungsbeispielen ist dies beispielsweise die Mitte einer kreisförmigen Pumpmembran, die auch als Aktor- membran bezeichnet werden kann. Dadurch kann erreicht werden, dass das durch die Pumpe strömende Fluidvolumen den kürzesten Weg vom Einlass zum Auslass der Pumpe hat. Wie bereits ausgeführt wurde, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein zwischen zwei Pumpmembranen angeordneter Ab- standhalter für die Realisierung eines möglichst großen Kompressionsverhältnisses so ausgestaltet, dass das Pumpkammervolumen möglichst genauso groß ist wie das Verdrängungsvolumen der Pumpmembranen.
Im Betrieb eines Ausführungsbeispiels mit zwei Pumpmembranen können die beiden Pumpmembranen zugeordneten Piezokera- miken mit dem gleichen elektrischen periodischen Steuersignal versorgt werden, wodurch beide Pumpmembranen in Phase schwingen und dabei das Pumpkämmervolumen jeweils gleich- zeitig verringern und vergrößern. Dadurch kann ein zu pumpendes Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, von der Einlassseite der einlassseitigen Pumpmembran über die Pumpkammer zur Auslassseite der auslassseitigen Pumpmembran gefördert werden. Die Pumprichtung ist dabei durch die Richtungen, in der die Rückschlagventile in den Membranen einen Fluss ermöglichen, gegeben.
Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung, bei der drei Pumpen, wie sie in Fig. 6 gezeigt sind, gestapelt sind, um fluidisch in Serie geschaltet zu sein.
Wie in Fig. 6 zu sehen ist, sind dort drei Pumpen, die jeweils den oben Bezug nehmend auf Fig. 5 beschriebenen Pumpen entsprechen können, durch Gehäuseteile 110a, 110b, 110c, 11Od und 11Oe fluidisch in Serie geschaltet, so dass ein Pumpweg zwischen einem Pumpenanordnungs-Einlass 112 und einem Pumpenanordnungs-Auslass 114 existiert, wie durch Pfeile 120 in Fig. 6 angedeutet ist.
Die in Fig. 6 gezeigte Mikropumpenanordnung kann dabei als ein Kompressor betrachtet werden, bei dem mehrere Pumpen übereinander gestapelt sind. Dabei können die Pumpen über beliebige Arten miteinander verbunden werden, beispielsweise durch klemmtechnische, klebetechnische oder andere geeignete Verbindungstechniken. Durch eine solche Anordnung ist automatisch für einen Druckausgleich der Pumpmembranen gesorgt. Eine elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Keramiken kann ebenfalls über die Verbindungsstellen, bzw. über entsprechende Gehäuseteile bewirkt werden, wie für das oberste Pumpenmodul schematisch in Fig. 6 durch Bezugszeichen 110 angezeigt ist. Bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist an der Oberseite und der Unterseite des sich ergebenden Pumpenstapels ein geeigneter Abschluss durch Gehäuseteile 110a und 11Oe montiert. Dieser kann mit entsprechenden Anschlüssen für das zu pumpende Medium versehen sein, beispielsweise Luer-Anschlüssen oder dergleichen.
Die Öffnungsrichtung sämtlicher Rückschlagventile bei dem in Fig. 6 gezeigten Beispiel ist von unten nach oben, so dass bei einer gleichzeitigen Betätigung der Membranen, wie sie oben Bezug nehmend auf Fig. 5 erläutert wurde, eine Pumpwirkung vom Pumpenanordnungs-Einlass 112 zum Pumpena- nordnungs-Auslass 114 erreicht wird. Durch eine solche gestapelte Anordnung können höhere Enddrücke erreicht werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf einem Antrieb durch eine piezoelektrische Keramik. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können alternative Antriebe, beispielsweise elektrostatische Antriebe, verwendet werden. Bei einem elektrostatischen Antrieb können Bereiche der Pumpmembran als Elektroden dienen, während Gegenelektroden vorgesehen sind, um diese Membranbereiche anzuziehen, um eine entsprechende Auslenkung der Membran bewirken zu können.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen durch die Art der Fluidführung durch die Pumpmembran bzw. die Pumpmembranen hindurch, dass der Fluidstrom möglichst geringe Verluste durch Umlenkungen erfährt und sich die Ak- tormembranen automatisch in einem druckausgeglichenen Zustand befinden.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, um die Pumpmembran oder die Pumpmembranen (beispielsweise einen Piezo-Stahl-Ringaktor) in seiner Resonanzfrequenz zu betreiben, wodurch die Schwingungsamplitude desselben bei gleichzeitig nur geringer Betriebsspannung maximiert werden kann, was wiederum sehr große Förderströme ermöglichen kann.
Bei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Pumpen, Pumpenanordnungen und Pumpenmodule können die beweglichen Teile, d.h. die einen oder mehreren Pumpmembrane, so ausgelegt sein, dass die erste mechanische Resonanz über der hörbaren liegt. Als hörbare Schwelle kann dabei eine Frequenz von 20 kHz betrachtet werden, ab der ein normaler erwachsener Mensch Töne nicht mehr wahrnehmen kann. Beispielsweise können die Pumpmembrane derart ausgelegt sein, dass die erste mechanische Resonanz derselben zwischen 20 und 40 kHz liegt. Die Steuereinrichtung kann vorgesehen sein, um die Pumpmembran oder die Pumpmembranen bei der ersten mechanischen Resonanz derselben zu betreiben, so dass aufgrund der geringen Schallemission Geräuschbelästigungen vermieden werden können.
Erfindungsgemäße Mikropumpen bzw. Mikrokompressoren können Förderraten erreichen, die bislang für Piezo-angetriebene Aktoren nicht bekannt sind. Beispielsweise können Förderraten im Resonanzbetrieb zwischen 1,6 und über 2 Liter pro Minute mit erfindungsgemäßen Pumpen erreicht werden, beispielsweise bei einer Ansteuerspannung (Spitze zu Spitze) von 100 Volt oder darunter, einem Durchmesser des Mikrokom- pressors von ca. 50 mm oder darunter und einer Dicke der Aktormembran von 300 μm und der Piezomembran von 500 um, und einer Dicke des gesamten Pumpmoduls nach Fig. 5 (ohne Gehäuse) von 1,8 mm oder darunter. Solche Förderraten liegen um einen Faktor von 50 über den Förderraten (Förderme- dium Luft) von bekannten Piezo-angetriebenen Mikropumpen.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpen können für beliebige technische Anwendungsgebiete verwendet werden, beispielsweise Mikrokühlsysteme, Brennstoffzellen oder por- table Geräte, die einen Luft- oder Gasstrom im Bereich von einem Liter/Minute und darüber benötigen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen hohe Förderraten bei gewünschten Drücken unter Verwendung eines Piezo-Membran-Ringaktors mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Piezo-Membran-Ringaktor eine Aussparung hat, in der ein Mikroventil montiert ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Rückschlag- ventil in der Membran vorgesehen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung können parallel mehrere gleichwirkende Rückschlagventile nebeneinander in der Pumpmembran angeordnet sein. Die oben Bezug nehmend auf Ausführungsbeispiele der Erfindung beschriebenen Gehäuseteile können aus beliebigen geeigneten Materialien bestehen, beispielsweise Kunststoff, Glas, Silizium, Metall oder dergleichen.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Pumpmembran und/oder die darauf angebrachte Piezokera- mik mit einer isolierenden Schicht versehen sein, um ohne die Gefahr eines Kurzschlusses auch das Pumpen flüssiger Medien zu ermöglichen.

Claims

Patentansprüche
1. Pumpe mit folgenden Merkmalen:
einer Einlassöffnung (44);
einer Auslassöffnung (46) ;
einer Pumpmembran (10; 10a, 10b) , die eine mit einem passiven Rückschlagventil (14; 14a, 14b) versehene Öffnung (12) durch die Pumpmembran (10; 10a, 10b) aufweist; und
einer Betätigungseinrichtung (16; 16a, 16b), die ausgelegt ist, um die Pumpmembran (10; 10a, 10b) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen,
wobei das passive Rückschlagventil (14; 14a, 14b) derart ausgelegt ist, dass eine Bewegung von der ersten Position in Richtung zu der zweiten Position schließend wirkt und eine Bewegung von der zweiten Position in Richtung zu der ersten Position öffnend wirkt, so dass ein Pumpzyklus, bei dem die Pumpmembran (10; 10a, 10b) von der ersten in die zweite Position und zurück bewegt wird, einen Nettofluss von der Einlassöffnung (44) zu der Auslassöffnung (46) bewirkt.
2. Pumpe nach Anspruch 1, mit folgenden Merkmalen:
einer Pumpkammer (48, 50), die die Einlassöffnung (44) und die Auslassöffnung (46) aufweist,
wobei die Pumpmembran (10) in der Pumpkammer (48, 50) angeordnet ist und die Pumpkammer in einen einlasssei- tigen und einen auslassseitigen Bereich trennt, wobei das passive Rückschlagventil (14) zwischen dem ein- lassseitigen Bereich (48) und dem auslassseitigen Bereich (50) angeordnet ist, und
wobei in der ersten Position das Volumen des auslassseitigen Bereichs (50) der Pumpkammer größer ist als in der zweiten Position.
3. Pumpe nach Anspruch 2, bei der ein Strömungswiderstand durch das passive Rückschlagventil (14) im offenen Zustand kleiner ist als ein Strömungswiderstand durch die Einlassöffnung (44) .
4. Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Einlassöff- nung (44) mit einem passiven Rückschlagventil (60) versehen ist, das derart ausgelegt ist, dass eine Bewegung der Pumpmembran (10) von der ersten Position in die zweite Position öffnend wirkt und eine Bewegung der Pumpmembran (10) von der zweiten in die erste Po- sition schließend wirkt.
5. Pumpe nach Anspruch 1, die ferner folgende Merkmale aufweist:
eine weitere Pumpmembran (10b) , die eine mit einem weiteren Rückschlagventil (14b) versehene Öffnung durch die weitere Pumpmembran aufweist;
eine weitere Betätigungseinrichtung (16b), die ausge- legt ist, um die weitere Pumpmembran (10b) zwischen einer dritten Position und einer vierten Position zu bewegen; und
einen zwischen der Pumpmembran (10a) und der weiteren Pumpmembran (10b) angeordneten Abstandhalter (104), der zusammen mit den Pumpmembranen (10a, 10b) eine Pumpkammer (106) festlegt, wobei die Auslassöffnung durch die Öffnung in der Pumpmembran (10a) gebildet ist und mit dem passiven Rückschlagventil (14a) versehen ist, und wobei die Einlassöffnung durch die Öffnung in der weiteren Pump- membran (10b) gebildet ist und mit dem weiteren passiven Rückschlagventil (14b) versehen ist,
wobei die Betätigungseinrichtung (16a) und die weitere Betätigungseinrichtung (16b) ausgelegt sind, um die Pumpmembran (10a) und die weitere Pumpmembran (10b) derart zu bewegen, dass in einer Saugphase das Volumen der Pumpkammer (106) erhöht wird und in einer Pumpphase das Volumen der Pumpkammer (106) verringert wird,
wobei das Rückschlagventil (14a) derart ausgelegt ist, dass eine Bewegung der Pumpmembranen (10a, 10b) in der Saugphase schließend wirkt und eine Bewegung der Pumpmembranen (10a, 10b) in der Pumpphase öffnend wirkt, und
wobei das weitere Rückschlagventil (14b) derart ausgelegt ist, dass eine Bewegung der Pumpmembranen (10a, 10b) in der Saugphase öffnend wirkt und eine Bewegung der Pumpmembranen (10a, 10b) in der Pumpphase schlie- ßend wirkt.
6. Pumpe nach Anspruch 5, bei der Hauptoberflächen der Pumpmembran (10a) und der weiteren Pumpmembran (10b) sich gegenüber liegend angeordnet sind.
7. Pumpe nach Anspruch 6, bei der die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sich gegenüber liegend in der Pumpmembran (10a) und der weiteren Pumpmembran (10b) angeordnet sind.
8. Pumpe nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Abstandhalter (104) sich zwischen die Pumpmembran (10a) und die weitere Pumpmembran (10b) erstreckende Bereiche (104a) aufweist, deren Kontur an die Kontur der Pumpmembranen (10a, 10b) in einem ausgelenkten Zustand angepasst ist.
9. Pumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, die ferner eine Steuereinrichtung (20) aufweist, um die Pumpmembran (10a) und die weitere Pumpmembran (10b) in Phase miteinander in Schwingung zu versetzen, so dass in der Saugphase beide Pumpmembranen das Volumen der Pumpkam- mer erhöhen und in der Pumpphase beide Pumpmembranen das Volumen der Pumpkammer verringern.
10. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der die Pumpmembran (10; 10a, 10b) im Wesentlichen kreisförmig ist und die mit dem passiven Rückschlagventil (14; 14a, 14b) versehene Öffnung durch dieselbe zentral in der Pumpmembran angeordnet ist.
11. Pumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, bei der die Pumpmembran (10a) und die weitere Pumpmembran (10b) im
Wesentlichen kreisförmig sind und die Öffnungen durch dieselben zentral in den Pumpmembranen angeordnet sind.
12. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Betätigungseinrichtung (16; 16a, 16b) eine auf der Pumpmembran (10; 10a, 10b) angeordnete Piezokeramik ist.
13. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der die Pumpmembran (10; 10a, 10b) aus Metall besteht.
14. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der das passive Rückschlagventil (14; 14a, 14b) ein Silizium- ventil in einem Siliziumchip, der an der Pumpmembran angebracht ist, ist.
15. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die ferner eine isolierende Beschichtung aufweist, die auf der Betätigungseinrichtung (16; 16a, 16b) und der Pumpmembran (10; 10a, 10b) angeordnet ist.
16. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei der die Pumpmembran und, wenn vorhanden, weitere Pumpmembran (10a, 10b) derart ausgelegt sind, dass die erste mechanische Resonanz derselben über 20 kHz liegt.
17. Pumpe nach einem der Ansprüche, bei der die Betätigungseinrichtung ausgelegt ist, um die Pumpmembran (10a, 10b) bei ihrer ersten mechanischen Resonanz zu betreiben.
18. Pumpenanordnung mit einer Mehrzahl von fluidisch in Reihe geschalteten Pumpen nach einem der Ansprüche 1 bis 17.
19. Pumpenmodul mit folgenden Merkmalen:
einer Pumpmembran (10; 10a, 10b);
einer auf der Pumpmembran (10; 10a, 10b) angeordneten Piezokeramik (16; 16a, 16b) und
einer in der Pumpmembran (10; 10a, 10b) gebildeten Durchlassöffnung, die mit einem Rückschlagventil (14; 14a, 14b) versehen ist.
20. Pumpenmodul nach Anspruch 19, bei dem die Pumpmembran (10; 10a, 10b) einen kreisförmigen Umfang aufweist, wobei die Piezokeramik (16; 16a, 16b) ringförmig um die Durchlassöffnung, die zentral in der Pumpmembran (10; 10a, 10b) gebildet ist, angeordnet ist.
21. Pumpenanordnung mit einer Mehrzahl von fluidisch in Reihe geschalteten Pumpenmodulen nach einem der Ansprüche 19 bis 20.
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