EP2207963B1

EP2207963B1 - Pumpe und pumpenanordnung pumpenmodul

Info

Publication number: EP2207963B1
Application number: EP08842526.9A
Authority: EP
Inventors: Martin Wackerle; Jürgen KRUCKOW; Martin Richter; Klaus Heinrich
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-10-21
Publication date: 2015-07-29
Anticipated expiration: 2028-10-21
Also published as: WO2009053027A3; US20110280755A1; WO2009053027A2; US9217426B2; EP2207963A2; DE102007050407A1

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit einer Pumpe und einer Pumpenanordnung und insbesondere einer Pumpe und einer Pumpenanordnung, 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 Mikrosysteme zu großen Bauvolumen.
Kleinstkompressoren mit einem Bauvolumen unter 1 dm³ sind meist Membranpumpen mit Elektroantrieb. Für solche Kleinstkompressoren sind maximale Druckbereiche bis 2 bar angegeben.
Auf der anderen Seite gibt es piezoelektrische Mikromembranpumpen mit passiven Rückschlagventilen, die einen Bauraum von nur wenigen cm³ haben. Eine beispielhafte Mikromembranpumpe ist aus der DE 19719862 A1 bekannt. Diese Mikromembranpumpe umfasst eine Pumpmembran, die mittels einer Antriebseinrichtung in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist. Ein Pumpenkörper ist mit der Pumpmembran verbunden, um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen. Eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung sind jeweils mit passiven Rückschlagventilen versehen.
Bekannte Mikromembranpumpen erreichen jedoch lediglich Förderraten von 0,02 1/min für Wasser und 0,05 1/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.
Die WO 2006/111775 A offenbart eine Fluidpumpe, die ein oder mehrere Betätigungsglieder, zwei Endwände, eine Seitenwand und einen Hohlraum, der während einer Verwendung Fluid enthält, aufweist. Der Hohlraum hat eine im Wesentlichen zylindrische Form, die durch die Endwände und die Seitenwände begrenzt ist. Zumindest zwei Öffnungen sind durch die Hohlraumwände gebildet, wobei zumindest eine der Öffnungen eine mit einem Ventil versehene Öffnung ist. Ein Radius und eine Höhe des Hohlraums genügen vorbestimmten Bedingungen. Das Betätigungsglied bewirkt eine Schwingbewegung von einer oder beiden Endwänden in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Endwände, so dass axiale Schwingungen der Endwände radiale Schwingungen eines Fluiddrucks in dem Hohlraum bewirken.
Die GB-A-2248891 offenbart eine Mikropumpe, die einen Flüssigkeitseinlass, eine Pumpkammer, deren Volumen durch eine Membran variabel ist, und einen Flüssigkeitsauslass aufweist. Der Flüssigkeitseinlass kommuniziert konstant mit der Pumpkammer, wohingegen ein Ventil zwischen der Pumpkammer und dem Flüssigkeitsauslass vorgesehen ist. Der Flusswiderstand des Flüssigkeitseinlasses ist ausreichend hoch, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsmenge, die durch den Einlass zurückfließt, während einer Druckphase des Pumpzyklus verglichen mit einer Flüssigkeitsmenge, die in einer Vorwärtsrichtung durch das Auslassventil fließt, ausreichend gering ist. Ein piezoelektrisches Element betätigt die Membran.
Die EP-A-0546427 lehrt ein Mikroventil und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Das Mikroventil soll in dünnen Membranen hergestellt werden, wobei ein Ventilsitz vorgesehen ist, der Teil einer dünnen Membran ist, und ein Ventilkörper auf eine leckdichte Weise an seinem Rand mit dem Ventilkörper verbunden ist.
Die JP 03103680 A offenbart ein Mikroventil, das eine Membran aufweist, die in einem gekrümmten Zustand einer Einlassöffnung gegenüberliegend und dieselbe normal verschließend befestigt ist. Eine Anregungsspule ist an einer ersten Siliziumbasisplatte angebracht. Ein Magnetfilm ist an einer Siliziummembran angebracht und wird zurückgestoßen, wenn die Anregungsspule erregt wird. Durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Anregungsspule wird die Siliziummembran durch die Erzeugung eines magnetischen Felds ausgelenkt, um die Eingangsöffnung zu öffnen.
Es besteht daher ein Bedarf nach Pumpen und Pumpenanordnungen 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 und eine Pumpenanordnung nach Anspruch 13 gelöst.
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 Mikropumpen bzw. Mikromembranpumpen gerichtet sein, wobei darunter hier Membranpumpen verstanden werden sollen, deren Hubvolumen im Mikroliter-Bereich oder darunter liegt. Bei Ausführungsbeispielen 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.
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 Mikropumpen können beispielsweise die Realisierung eines ölfreien Mikrokompressors beispielsweise für den Einsatz in einem Bernoullie/Joule-Thompson-Kühler ermöglichen.
Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können Mikropumpen 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 Piezokeramik 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 Ventildichtigkeit und dem Druckverhältnis zwischen Ober- und Unterseite der Pumpmembran ab.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Erreichung hoher Drücke mit Hilfe von piezoelektrischen Mikromembranpumpen, 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 Pumpeneinlass und Membranoberseite, d.h. Pumpenauslass, gesorgt 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 Schlauchverbinder 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 Pumpmoduls;
Fig. 2: eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Pumpe;
Fig. 3: eine schematische Querschnittansicht eines Rückschlagventilchips;
Fig. 4: eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer 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 Pumpenmodul ist in Fig. 1 gezeigt. Das Pumpenmodul umfasst eine Pumpmembran 10, eine Durchlassöffnung 12, die mit einem passiven Rückschlagventil 14 versehen ist, und eine Piezokeramik 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 gesteuerte 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).
Die Pumpmembran kann 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 A1 beschrieben ist. Der Rückschlagventilchip weist zwei Siliziumscheiben 24 und 26 auf, die an einer Verbindungsfläche 28 beispielsweise durch Waferbonden 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 entsprechender Rückschlagventilchip in die Durchlassöffnung geklebt sein oder über oder unter der Durchlassöffnung auf die Pumpmembran geklebt sein.
Das Pumpenmodul kann einen sehr einfachen Aufbau aufweisen und kann verwendet werden, um sowohl Pumpen mit hohen erreichbaren Drücken als auch geringen erreichbaren Drücken zu implementieren.
Eine schematische Querschnittansicht einer 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 Auslassöffnung 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 piezokeramischen 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 einlassseitigen 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 zurückgebracht. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise ein Rechteckspannungspuls an die Piezokeramik 16 angelegt werden.
Der Strömungswiderstand durch das Rückschlagventil kann kleiner als der Strömungswiderstand durch die Einlassöffnung sein. 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 einlassseitigen Pumpkammer gelangt.
Die Gehäuseteile können derart ausgelegt sein, 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.
Eine weitere Pumpe ist in Fig. 4 gezeigt.
Die in Fig. 4 gezeigte Pumpe umfasst zusätzlich zu der in Fig. 2 gezeigten Pumpe 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. Das Rückschlagventil 60 an der Einlassöffnung ermöglicht somit eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Pumpe. Das Rückschlagventil 60 kann auf beliebige Weise implementiert sein, beispielsweise unter Verwendung eines Rückschlagventilchips, wie er in Fig. 3 gezeigt ist.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen 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 "a" gekennzeichnet sind, während die entsprechenden Elemente des zweiten Pumpenmoduls 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 angepasst, 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 Piezokeramik 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 Pumpkammer 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 Pumpmembrane 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 gebildet 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 aufweisen, 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 mikrosystemtechnisch hergestellte passive Rückschlagventile aus Silizium integriert sein. Bei dem in Fig. 5 gezeigten Beispiel befinden sich Einlass und Auslass der Rückschlagventile jeweils 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 Aktormembran 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 Abstandhalter 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 Piezokeramiken mit dem gleichen elektrischen periodischen Steuersignal versorgt werden, wodurch beide Pumpmembranen in Phase schwingen und dabei das Pumpkammervolumen jeweils gleichzeitig 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, 110d und 110e 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 110e 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 Pumpenanordnungs-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 Aktormembranen 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 und Pumpenanordnungen können die beweglichen Teile, d.h. die 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 Mikrokompressors von ca. 50 mm oder darunter und einer Dicke der Aktormembran von 300 µm und der Piezomembran von 500 µm, 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 (Fördermedium Luft) von bekannten Piezo-angetriebenen Mikropumpen.
Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpen können für beliebige technische Anwendungsgebiete verwendet werden, beispielsweise Mikrokühlsysteme, Brennstoffzellen oder portable 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 Rückschlagventil 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 Piezokeramik mit einer isolierenden Schicht versehen sein, um ohne die Gefahr eines Kurzschlusses auch das Pumpen flüssiger Medien zu ermöglichen.

Claims

Pumpe mit folgenden Merkmalen:
einer Einlassöffnung;

einer Auslassöffnung;

einer Pumpmembran (10a), die eine mit einem passiven Rückschlagventil (14a) versehene Öffnung durch die Pumpmembran (10a) aufweist;

einer Betätigungseinrichtung (16a), die ausgelegt ist, um die Pumpmembran (10a) zwischen einer ersten Position und einer zweiten Position zu bewegen,

wobei das passive Rückschlagventil (14a) 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 (10a) von der ersten in die zweite Position und zurück bewegt wird, einen Nettofluss von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung bewirkt;

einer weiteren Pumpmembran (10b), die eine mit einem weiteren Rückschlagventil (14b) versehene Öffnung durch die weitere Pumpmembran aufweist;

einer weiteren Betätigungseinrichtung (16b), die ausgelegt ist, um die weitere Pumpmembran (10b) zwischen einer dritten Position und einer vierten Position zu bewegen; und

einem 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 Pumpmembran (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 schließend wirkt.
Pumpe nach Anspruch 1, bei der Hauptoberflächen der Pumpmembran (10a) und der weiteren Pumpmembran (10b) sich gegenüber liegend angeordnet sind.
Pumpe nach Anspruch 2, bei der die Einlassöffnung und die Auslassöffnung sich gegenüber liegend in der Pumpmembran (10a) und der weiteren Pumpmembran (10b) angeordnet sind.
Pumpe nach Anspruch 2 oder 3, 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.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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 Pumpkammer erhöhen und in der Pumpphase beide Pumpmembranen das Volumen der Pumpkammer verringern.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die Pumpmembrane (10a, 10b) im Wesentlichen kreisförmig sind und die mit dem passiven Rückschlagventil (14a, 14b) versehenen Öffnungen durch dieselben zentral in den Pumpmembranen angeordnet sind.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Betätigungseinrichtung (16a, 16b) jeweils eine auf der Pumpmembran (10a, 10b) angeordnete Piezokeramik ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der die Pumpmembranen (10a, 10b) aus Metall bestehen.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der das passive Rückschlagventil (14a, 14b) jeweils ein Siliziumventil in einem Siliziumchip, der an der Pumpmembran angebracht ist, ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, die ferner eine isolierende Beschichtung aufweist, die jeweils auf der Betätigungseinrichtung (16a, 16b) und der Pumpmembran (10a, 10b) angeordnet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der die Pumpmembran und die weitere Pumpmembran (10a, 10b) derart ausgelegt sind, dass die erste mechanische Resonanz derselben über 20 kHz liegt.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei der die Betätigungseinrichtungen ausgelegt sind, um die Pumpmembranen (10a, 10b) bei ihrer ersten mechanischen Resonanz zu betreiben.
Pumpenanordnung mit einer Mehrzahl von fluidisch in Reihe geschalteten Pumpen nach einem der Ansprüche 1 bis 12.