EP2220371A1

EP2220371A1 - Pumpenanordnung mit sicherheitsventil

Info

Publication number: EP2220371A1
Application number: EP07846798A
Authority: EP
Inventors: Martin Richter; Jürgen KRUCKOW
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-11-23
Filing date: 2007-11-23
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2027-11-23
Also published as: US20100290935A1; JP5027930B2; US8382452B2; EP2220371B1; WO2009065427A1; JP2011504560A

Abstract

Eine Pumpenanordnung umfasst eine Pumpe (20) mit einem Pumpeneinlass (22) und einem Pumpenauslass (24), die ausgelegt ist, um ein Fluid von dem Pumpeneinlass zu dem Pumpenauslass zu pumpen, und ein Sicherheitsventil (40), dass zwischen dem Pumpenauslass (24) und einem Auslass (48) der Pumpenanordnung angeordnet ist und einen Ventilsitz (42) und einen Ventildeckel (44) aufweist. Der Ventilsitz, der Pumpenauslass und der Pumpeneinlass sind in einer ersten Oberfläche eines ersten einstückigen Teils (14) der Pumpenanordnung strukturiert, während der Ventildeckel in einem zweiten einstückigen Teil (12) der Pumpenanordnung gebildet ist. Ein Einlass (46) der Pumpenanordnung und ein damit fluidisch verbundener Fluidbereich (50) sind in einem dritten Teil (10) der Pumpenanordnung gebildet. Der zweite einstückige Teil (12) ist derart zwischen dem ersten einstückigen Teil (14) und dem dritten Teil (10) der Pumpenanordnung angeordnet, dass ein in dem Fluidbereich herrschender Druck schließend auf das Sicherheitsventil wirkt, wobei der Pumpeneinlass und der Einlass der Pumpenanordnung fluidisch verbunden sind.

Description

Pumpenanordnung mit Sicherheitsventil

Beschreibung

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Pumpenanordnung und insbesondere auf eine Pumpenanordnung, die an einem Pumpenauslass einer Pumpe ein Sicherheitsventil aufweist.

Membranpumpen mit passiven Rückschlagventilen am Pumpenein- lass und am Pumpenauslass sind beispielsweise aus der DE-A- 19719862 bekannt. Peristaltische Pumpen ohne aktive Ventile sind beispielsweise aus der DE-A-10238600 bekannt. Insbe- sondere offenbaren die obigen Schriften Mikropumpen, unter denen solche Pumpen verstanden werden können, deren Pumpvolumen bei einmaliger Betätigung im Mikroliterbereich oder darunter liegt.

Bekannte Mikropumpen weisen ein Problem dahingehend auf, dass ein freier Fluss durch die Pumpe stattfinden kann, wenn ein Überdruck an das Einlassreservoir, das mit dem jeweiligen Pumpeneinlass verbunden ist, angelegt wird, und keine Betriebsspannung an die Pumpe angelegt ist.

Normal geschlossene, selbst-blockierende Ventile sind aus der DE-Al-10048376 und der WO-Al-2004/081390 bekannt. Unter einem normal geschlossenen Ventil ist dabei ein Ventil zu verstehen, dass im unbetätigten Zustand geschlossen ist.

Die DE-Al-10048376 offenbart ein normal geschlossenes selbst-blockierendes Ventil, bei dem ein Überdruck an einem Ventileinlass schließend wirkt. Das Ventil umfasst eine Piezokeramik, wobei das Anlegen einer Spannung an die Pie- zokeramik ein Öffnen des Ventils zur Folge hat. Vorteilhaft an einem solchen Ventil ist die selbst-blockierende Funktion, auch bei einem Überdruck am Einlass, sowie der einfache Aufbau. Wollte man ein solches Ventil mit einer Pumpe kom- binieren, um einen freien Fluss zu vermeiden, so führt dies durch die benötigte separate Komponente zu einem erhöhten Platz- und Kostenbedarf. Ferner ist ein separater Piezoan- trieb erforderlich. Darüber hinaus muss eine Ruhestellung für die Piezo/Silizium-Membran, selbst nach dem Schritt des Klebens der Piezokeramik auf die Siliziummembran, sichergestellt sein, selbst wenn Temperaturänderungen zu einer Bewegung der Anordnung aus Piezokeramik und Siliziummembran führen. Darüber hinaus hätte eine solche Anordnung ein gro- ßes Totvolumen zwischen Ventil und Pumpe zur Folge, wobei darüber hinaus Fluidanschlüsse dazwischen erforderlich wären.

Aus der WO-Al-2004/081390 ist ein doppelt normal geschlos- senes Mikroventil bekannt, dessen Ventilauslass mit dem Einlass einer strömungsmäßig nachfolgenden Mikropumpe fluidisch gekoppelt ist. Das Ventil ist in einem Ventil-Chip gebildet, der eine selbst-blockierende Funktion besitzt, wenn ein Überdruck an den Einlass des Ventils angelegt wird, der eine selbst-blockierende Funktion besitzt, wenn ein Überdruck an den Auslass des Ventils angelegt wird, und dessen Ventil sich öffnet, wenn ein Unterdruck an den Auslass angelegt wird. Wenn die Pumpe eingeschaltet wird, erzeugt sie einen Unterdruck an dem Pumpeneinlass und dem Ventilauslass, was das Ventil öffnet. Ein solches Mikroventil liefert eine selbst-blockierende Funktion, weist passive Komponenten auf, so dass keine Piezobetätigung benötigt wird und besitzt somit eine sehr gute Reproduzierbarkeit von Element zu Element. Nichts desto trotz werden separate Komponenten benötigt, was einen zusätzlichen Platz- und Kostenbedarf zur Folge hat. Darüber hinaus sind derartige doppelt normal geschlossene Mikroventile derzeit nur in Silizium verfügbar, was aufwändig ist. Bei Verbindungen mit einer Mikropumpe liegt ferner ein großes Totvolumen vor und Fluidanschlüsse werden benötigt. Darüber hinaus kann die Pumpe bei hohen Einlassdrücken möglicherweise nicht den Unterdruck erzeugen, der erforderlich ist, um das mit dem Einlass fluidisch verbundene Ventil zu öffnen. Aus der WO-Al-2004/081390 ist ferner eine Mikropumpe mit integriertem doppelt normal geschlossenem Mikroventil bekannt. Eine solche Mikropumpe besitzt ein kompaktes Design und ein kleines Totvolumen. Mit derartigen Mikropumpen sind jedoch nur kleine Flussraten erreichbar, wenn das Design der Pumpe für ein ausreichend hohes Kompressionsverhältnis ausgelegt ist. Darüber hinaus ist der benötigte Pumpenchip groß und bei hohen Einlassdrücken kann die Pumpe möglicher- weise nicht den Unterdruck erreichen, der benötigt wird, um das integrierte doppelt normal geschlossene Mikroventil zu öffnen.

Aus der WO-A-03/099351 ist eine Medikamentendosiervorrich- tung bekannt, die eine Pumpe und am Auslass der Pumpe ein Sicherheitsventil aufweist. Ein Ausführungsbeispiel dieser Schrift lehrt eine Membranpumpe mit passiven Kugelrückschlagventilen an einem Pumpeneinlass und einem Pumpenaus- lass. Am Pumpenauslass ist ein Sicherheitsventil vorgese- hen, dass einen Ventilsitz und eine als Ventilklappe wirkende Membran aufweist. Eine Fläche dieser Membran ist über eine Fluidverbindung mit einem Einlassreservoir der Pumpenanordnung verbunden, so dass ein Druck in diesem Einlassreservoir auf diese Seite der Membran wirkt. Die andere Ober- fläche der Membran ist über das Rückschlagventil am Auslass der Pumpe mit dem Druck, der in einer Pumpkammer der Pumpe erzeugt wird, verbunden.

Gemäß der WO-A-03/099351 ist, wenn die Pumpe ausgeschaltet ist, das Sicherheitsventil nahezu über die gesamte Membrangröße druckausgeglichen, nicht jedoch in dem Bereich innerhalb des Sicherheitsventilsitzes. Der Vorteil eines Sicherheitsventils, das seriell mit dem Auslass einer Mikropumpe verbunden ist, besteht darin, dass ein Überdruck am Pumpen- einlass schließend auf das Sicherheitsventil wirkt. Wenn die Pumpe in Betrieb ist, kann ein relativ kleiner Überdruck, der am Pumpenauslass erzeugt wird, das Sicherheitsventil öffnen. Die in der WO-A-03/099351 beschriebenen Pum- penanordnungen sind jedoch nachteilig dahingehend, dass separate Komponenten benötigt werden, was wiederum zu einem erhöhten Raum- und Kostenbedarf führt. Ferner weisen die Pumpenanordnungen ein großes Totvolumen auf, wobei wiederum Fluidanschlüsse benötigt werden.

Es besteht somit ein Bedarf nach einer Pumpenanordnung, bei der in einem unbetätigtem Zustand ein freier Fluss verhindert werden kann, während dieselbe einen einfachen Aufbau besitzen kann und ein geringes Totvolumen liefern kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Pumpenanordnung nach Anspruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Pumpenanordnung mit folgenden Merkmalen:

einer Pumpe mit einem Pumpeneinlass und einem Pumpenaus- lass, die ausgelegt ist, um ein Fluid von dem Pumpeneinlass zu dem Pumpenauslass zu pumpen;

einem Sicherheitsventil, das zwischen dem Pumpenauslass und einem Auslass der Pumpenanordnung angeordnet ist und einen Ventilsitz und einen Ventildeckel aufweist;

wobei der Ventilsitz, der Pumpenauslass und der Pumpeneinlass in einer ersten Oberfläche eines ersten einstückigen Teils der Pumpenanordnung strukturiert sind,

wobei der Ventildeckel in einem zweiten einstückigen Teil der Pumpenanordnung gebildet ist,

wobei ein Einlass der Pumpenanordnung und ein damit fluidisch verbundener Fluidbereich in einem dritten Teil der Pumpenanordnung gebildet sind,

und wobei der zweite einstückige Teil derart zwischen dem ersten einstückigen Teil und dem dritten Teil der Pumpenan- Ordnung angeordnet ist, das ein in dem Fluidbereich herrschender Druck schließend auf das Sicherheitsventil wirkt und dass der Pumpeneinlass und der Einlass der Pumpenanordnung fluidisch verbunden sind.

Gemäß Ausführungsbeispielen einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung ist ein Sicherheitsventil direkt mit einer Pumpe integriert. Um einen einfachen Aufbau mit geringen Totvolumen zu ermöglichen, sind der Ventilsitz des Sicherheitsven- tils, der Pumpenauslass und der Pumpeneinlass in einer ersten Oberfläche eines einstückigen Teils der Pumpenanordnung strukturiert. Dadurch, dass der Auslass der Pumpe und der Ventilsitz in der gleichen Oberfläche eines einstückigen Teils gebildet sind, kann der Ventilsitz des Sicherheits- ventils direkt am Auslass der Pumpe gebildet sein, wodurch neben einem einfachen Aufbau ein geringes Totvolumen erhalten werden kann. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ferner der Pumpeneinlass in der gleichen Oberfläche strukturiert und mit einem Fluidbereich der Pumpenanordnung fluidisch verbunden, der auf das Sicherheitsventil schließend wirkt. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Pumpenanordnung mit einem einfachen Aufbau zu implementieren.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das zweite einstückige Teil der Pumpenanordnung eine Schicht mit im Wesentlichen gleichmäßiger Dicke, die zwischen dem ersten einstückigen Teil und dem dritten Teil angeordnet ist und dieselben trennt. Dieses zweite einstückige Teil kann zu- mindest eine Öffnung aufweisen, durch die der Pumpeneinlass mit dem Fluidbereich, der einen Einlassfluidbereich der Pumpenanordnung darstellt, fluidisch verbunden ist. Bei Ausführungsbeispielen, bei denen ein Auslassfluidbereich der Pumpenanordnung ebenfalls in dem dritten Teil gebildet ist, kann das zweite einstückige Teil eine weitere Öffnung aufweisen, durch die ein Auslass des Sicherheitsventils mit dem Auslass der Pumpenanordnung fluidisch verbunden ist. Ein zweites einstückiges Teil mit einer im Wesentlichen gleichmäßigen Dicke, die, wie beschrieben, mit Öffnungen versehen sein kann, ermöglicht eine einfache Herstellung einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen. Bei alternativen Ausführungsbei- spielen kann das zweit einstückige Teil nur im Bereich des Sicherheitsventils gebildet sein.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpenanordnungen können mit unterschiedlichen Pumpen implementiert werden, beispielsweise Membranpumpen mit passiven Rückschlagventilen am Pumpeneinlass und am Pumpenauslass oder peristalti- schen Pumpen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zur Implementierung von Mik- ropumpen, bei denen ein während eines Pumpzyklus gepumptes Pumpvolumen im Mikroliterbereich und darunter liegen kann. Ferner können relevante Abmessungen einer solchen Mikropum- pe, wie beispielsweise Pumphub einer Pumpmembran oder Dicke einer Pumpmembran, im Mikrometerbereich liegen.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Pumpenanordnung, bei der eine Pumpe und ein Sicherheitsventil in einem Bauteil integriert sind, das mit einer geringen Anzahl von Teilen implementiert sein kann. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann ein Pumpenanordnungselement implementiert sein, das aus fünf oder sechs einzelnen Teilen bzw. Schichten gebildet ist, wobei dabei ein Pumpmembranteil mit zugehöriger Piezokeramik sowie entsprechenden Anschlüssen als ein Teil betrachtet wird.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen einen Pumpenanordnungs-Chip, der aus mehreren übereinander angeordneten, strukturierten Schichten aufgebaut ist, die eine Pumpe und ein am Pumpenauslass integriertes Sicherheitsventil bilden. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sind somit keine separaten fluidischen Verbindungen zwischen Pumpe und Ventil erforderlich. Somit kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung sowohl ein Totvolumen als auch ein Platzbedarf minimiert werden. Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen neben einer einfachen Ausführung eine Einsparung bzgl. Größe, Gewicht und Kosten.

Gemäß Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Pumpenan- Ordnung wirkt ein Überdruck am Pumpenanordnungseinlass schließend auf das Sicherheitsventil, so dass im unbetätig- ten Zustand ein Fluss in Richtung vom Einlass zum Auslass wirksam vermieden werden kann.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. Ia eine schematische Querschnittansicht eines Aus- führungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung;

Fig. Ib eine Unteransicht eines Pumpen-Teils des in Fig.

Ia gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 eine schematische Querschnittansicht einer Modifikation des in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiels;

Fig. 3 eine schematische Querschnittansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung; und

Fig. 4 eine schematische Querschnittansicht eines weite- ren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung.

Bezugnehmend auf die Fig. Ia und Ib wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung beschrieben, bei der eine Pumpe durch eine Mikromembranpum- pe mit passiven Rückschlagventilen implementiert ist. Gemäß dem in den Fig. Ia und Ib gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Pumpenanordnung fünf strukturierte Schichten, die übereinander angeordnet und aneinander angebracht sind. Diese Schichten werden im Folgenden als erste Schicht 10, zweite Schicht 12, dritte Schicht 14, vierte Schicht 16 und fünfte Schicht 18 bezeichnet.

Die in Fig. Ia gezeigte Pumpenanordnung weist eine Membranpumpe 20 mit einem Pumpeneinlass 22 und einem Pumpenauslass 24 auf. Der Pumpeneinlass 22 und der Pumpenauslass 24 sind in der unteren Oberfläche der dritten Schicht 14 strukturiert. Die Membranpumpe 20 umfasst ein passives Rückschlagventil am Pumpeneinlass 22, das einen Ventilsitz 26 und eine Ventilklappe 28 aufweist. Der Ventilsitz 26 ist in der oberen Oberfläche der dritten Schicht 14 strukturiert, und die Ventilklappe 28 ist in der vierten Schicht 16 strukturiert. Die Mikropumpe 20 umfasst ferner ein passives Rückschlagventil am Pumpenauslass 24, das einen Ventilsitz 30 und eine Ventilklappe 32 aufweist. Der Ventilsitz 30 ist in der vierten Schicht 16 strukturiert und die Ventilklappe 32 ist in der oberen Oberfläche der dritten Schicht 14 strukturiert .

Die Membranpumpe 20 umfasst ferner eine Pumpmembran 34, die in dem fünften Teil 18 strukturiert ist. Auf der Pumpmembran 34 ist eine Piezokeramik 36 angebracht, so dass durch Betätigen derselben ein Volumen einer Pumpkammer 38 der Membranpumpe 20 variiert werden kann. Zu diesem Zweck sind geeignete Mittel (nicht gezeigt) zum Anlegen einer Spannung an die Piezokeramik 36 vorgesehen, durch die die Pumpmembran 34 aus der Stellung, die in Fig. Ia gezeigt ist, in eine Stellung ausgelenkt werden kann, in der das Volumen der Pumpkammer 38 reduziert ist.

Das in Fig. Ia gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnuήg weist ein Sicherheitsventil 40 am Pumpenauslass 24 auf. Das Sicherheitsventil 40 umfasst einen Sicherheitsventilsitz 42 und eine Sicherheitsventil- klappe 44. Der Sicherheitsventilsitz 42 ist in die untere Oberfläche der dritten Schicht 14 strukturiert. Die Sicherheitsventilklappe 44 ist durch einen Teil der zweiten Schicht 12 gebildet, der dem Sicherheitsventilsitz 42 ge- genüberliegt . Die dritte Schicht 14 west in der unteren O- berfläche derselben eine Ausnehmung 62 auf, die den beweglichen Teil der zweiten Schicht 12 definiert.

Die in Fig. Ia gezeigte Pumpenanordnung umfasst einen Pum- penanordnungseinlass 46 und einen Pumpenanordnungsauslass 48. Der Pumpenanordnungseinlass 46 ist mit einem Fluidbe- reich 50 verbunden. Der Pumpenanordnungseinlass 46, der Pumpenanordnungsauslass 48 und der Fluidbereich 50 sind in der ersten Schicht 10 strukturiert. Der Fluidbereich 50 grenzt dabei an die Unterseite der zweiten Schicht 12 an, so dass ein in dem Fluidbereich 50 herrschender Druck schließend auf das Sicherheitsventil 40 wirkt. Der Fluidbereich 50 und somit der Pumpenanordnungseinlass 46 sind über eine erste Öffnung 52 in der zweiten Schicht 12 mit dem Pumpeinlass 22 fluidisch verbunden. Der Pumpenauslass 48 ist über eine zweite Öffnung 54 in der zweiten Schicht 12 mit einem Fluidkanal 56 fluidisch verbunden, der wiederum mit dem Sicherheitsventil 40 bzw. einem Auslass 58 des Sicherheitsventils fluidisch verbunden ist. Der Fluidkanal 56 ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel durch entsprechende Strukturierungen in der dritten Schicht 14 und der vierten Schicht 16 gebildet. Der Auslass des Sicherheitsventils ist in der oberen Oberfläche der dritten Schicht 14 strukturiert.

Der Pumpenanordnungseinlass 46 und der Pumpenanordnungsauslass 48 können mit geeigneten Fluidverbindern versehen sein, die einen Anschluss weiterer fluidischer Strukturen ermöglichen, beispielsweise sog. Luer-Verbindern zum An- Schluss von Schläuchen und dergleichen.

Fig. Ib zeigt die in der Unterseite der dritten Schicht 14 gebildeten Strukturen, die den Pumpeneinlass 22, den Pum- penauslass 24, den Sicherheitsventilsitz 42 und ein in die untere Oberfläche der dritten Schicht 14 strukturiertes auslassseitiges Ende 60 des Fluidkanals 56 umfassen. Der Fluidkanal 56 ist in Fig. Ib durch gestrichelte Linien an- gedeutet. Über dem Pumpenauslass 24 ist in Fig. Ib die Ventilklappe 32 des Rückschlagventils am Auslass der Mikropum- pe zu erkennen. Ferner ist in Fig. Ib in gestrichelten Linien die Position und Anordnung der Pumpmembran 34 angedeutet. Die Ausnehmung stellte eine Sicherheitsventilkammer 62 dar, die in die Unterseite der dritten Schicht 14 strukturiert ist, und weist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine im Wesentlichen quadratische Form auf.

Um die zweite Schicht 12 im Bereich des Sicherheitsventils zu stützen, kann eine optionale Abstandhalterstruktur 64 für dieselbe vorgesehen sein, die durch regelmäßig verteilte Stützen in Fig. Ib angedeutet ist. Diese Abstandhalterstruktur, die in Fig. Ia nicht gezeigt ist, kann durch Vorsprünge in der dritten Schicht 14 gebildet sein, die die gleiche Höhe besitzen können, wie der Sicherheitsventilsitz 42. Die Vorsprünge können unter Verwendung der gleichen Verfahrensschritte, beispielsweise den gleichen Ätzschritt, wie der Sicherheitsventilsitz 42 hergestellt sein. Die Abstandhalterstruktur kann ausgebildet sein, um bei einem Ü- berdruck am Pumpenanordnungseinlass 46 ein Durchbiegen der Sicherheitsventilklappe in Richtung zu der dritten Schicht 14 zu reduzieren oder im wesentlichen zu verhindern. Dadurch können Lecks aufgrund einer Durchbiegung der Sicherheitsventilklappe 44 verhindert werden. Ferner wird die Membran, die die Sicherheitsventilklappe 44 bildet, dadurch geringeren Spannungen unterworfen, wodurch die Haltbarkeit derselben erhöht sein kann.

Im Betrieb der Pumpenanordnung, wie sie in den Fig. Ia und Ib gezeigt ist, wird die Pumpmembran 34, ausgehend von dem in Fig. Ia gezeigten Zustand betätigt, so dass das Volumen der Pumpkammer 38 verringert wird. Dadurch wird ein Überdruck in der Pumpkammer 38 erzeugt, der zum einen das Rück- schlagventil am Pumpenauslass 24 öffnet und zum anderen einen Druck auf die Sicherheitsventilklappe 44 ausübt. Gleichzeitig wird der Überdruck in der Pumpkammer 38 schließend auf das Rückschlagventil am Einlass der Pumpkam- mer. Somit wird während dieser Betätigung der Pumpmembran 34, die als Pumphub bezeichnet werden kann, Fluid durch das Rückschlagventil am Pumpenauslass 24 und das Sicherheitsventil 40 zum Pumpenanordnungsauslass 48 befördert.

In einem nachfolgenden Saughub, bei dem die Pumpmembran 34 in die in Fig. Ia gezeigte Stellung zurückgebracht wird, bildet sich in der Pumpkammer 38 ein Unterdruck, der schließend auf das Rückschlagventil am Pumpenauslass 24 und öffnend auf das Rückschlagventil am Pumpeneinlass 22 wirkt. Dadurch wird während dieses Saughubs Fluid durch den Pum- penanordnungseinlass 46 angesaugt.

Um einen Volumenstrom von dem Pumpenanordnungseinlass zu dem Pumpenanordnungsauslass zu bewirken, kann die Piezoke- ramik 36 periodisch mit einer Spannung beaufschlagt werden, beispielsweise durch einen gepulste Rechteckspannung. Abhängig von der Frequenz der angelegten Betätigungsspannung sowie einem Hubvolumen der Pumpmembran 34 kann somit eine gewünschte Förderrate erreicht werden.

Ist die Pumpe 22 nicht in Betrieb, so wird ein Fluss durch die Pumpenanordnung von dem Pumpeneinlass 46 zu dem Pumpenauslass 48 verhindert, da ein Überdruck an dem Pumpenkam- mereinlass 46 über den Fluidbereich 50 auf die Unterseite der Sicherheitsventilklappe 44 wirkt und gleichzeitig über die Pumpe 20 auf die Oberseite der Sicherheitsventilklappe 44 wirkt, da dieser Überdruck auf beide Rückschlagventile am Pumpeneinlass 22 und am Pumpenauslass 24 öffnend wirkt. Die durch den Überdruck am Einlass von unten auf die Si- cherheitsventilklappe 44 wirkende Kraft ist größer als die von oben auf dieselbe wirkende Kraft, so dass ein Überdruck am Einlass schließend auf die Sicherheitsventilklappe 44 wirkt. Die von unten wirkende Kraft ist größer, da der Druck von unten auf eine größere Fläche wirkt als der Druck von oben. Genauer gesagt wirkt der Druck von unten auf die gesamte bewegliche Klappenfläche, während der Druck von o- ben auf den Bereich, der von dem Ventilsitz 42 bedeckt ist, nicht wirkt. Dadurch kann ein freier Fluss bei einem Überdruck am Pumpenanordnungseinlass im nicht-betätigtem Zustand sicher verhindert werden.

Eine Modifikation des in den Fig. Ia und Ib gezeigten Aus- ^• führungsbeispiels ist in Fig. 2 gezeigt, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind und eine weitere Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, weist die Pumpmembran 34 an der Unterseite derselben Erhöhungen 34a, 34b auf, die in die Pumpkammer ragen. Ferner weist die vierte Schicht 16, verglichen mit dem in Fig. Ia gezeigten Beispiel eine in die Pumpkammer 38 ragende Erhöhung 66 auf. In Fig. 2 ist die Pumpmembran 34 im betätigten Zustand gezeigt. Die Erhöhungen 34a, 34b können im Randbereich der Pumpmembran 34a, 34b gebildet sein. Die Erhöhungen 34a, 34b und 66 haben eine Verringerung des Totvolumens der Pumpkammer 38 zur Folge, was wiederum eine Erhöhung des Kompressionsverhältnisses der Pumpe zur Folge hat. Der Betrieb der in Fig. 2 gezeigten Pumpenanordnung entspricht dem Betrieb des oben bezug- nehmend auf die Fig. Ia und Ib beschriebenen Ausführungsbeispiels .

Bezugnehmend auf Fig. 3 wird nachfolgend ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung beschrieben. Die in Fig. 3 gezeigte Pumpenanordnung umfasst fünf Schichten 110, 112, 114, 116 und 118, die übereinander angeordnet und aneinander angebracht sind. Die Pumpenanordnung umfasst eine Pumpe, die einen Pumpeneinlass 122 und eine Pumpenauslass 124 aufweist. Der Pumpeneinlass 122 und der Pumpenauslass 124 sind in der unteren Oberfläche der dritten Schicht 114 strukturiert. In der oberen Oberfläche der dritten Schicht 114 ist eine Ausnehmung gebildet, in der ein Rückschlagventilmodul 126 angeordnet ist. Das Rück- schlagventilmodul 126 kann beispielsweise in die Ausnehmung geklebt sein. Das Rückschlagventilmodul 126 kann beispielsweise einen Aufbau aufweisen, wie er in der DE-A-19719862 beschrieben ist.

Die Oberseite der dritten Schicht 114 ist ferner strukturiert, um zusammen mit der Unterseite einer Pumpmembran 128, die durch die vierte Schicht 116 gebildet ist, eine Pumpkammer 130 festzulegen. Die Pumpmembran 128 kann bei- spielsweise durch eine Metallschicht, wie z.B. eine Edelstahlfolie, gebildet sein. Auf der Pumpmembran 128 ist eine Piezokeramik 132 angeordnet. An die Piezokeramik 132 ist über entsprechende Verbindungseinrichtungen, die schematisch bei 134 gezeigt sind, eine Spannung anlegbar, um die Pumpmembran 128 zu betätigen. Bei Betätigung wird die Pump- membran 128 nach unten ausgelenkt, so dass das Volumen der Pumpkammer 130 reduziert wird. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist die Kontur der der Pumpmembran 128 zugewandten Oberfläche der dritten Schicht 114 an die Kontur der Pumpmembran 128 im ausgelenkten Zustand angepasst, so dass ein Totvolumen der Pumpe verringert und damit ein Kompressionsverhältnis derselben erhöht sein kann. Oberhalb der Pumpmembran 128 ist bei dem gezeigten Beispiel ein Deckel 136 vorgesehen, der durch eine entsprechende Strukturierung der fünf- ten Schicht 118 gebildet ist.

Die in Fig. 3 gezeigte Pumpenanordnung umfasst ferner ein Sicherheitsventil 140, das einen Sicherheitsventilsitz 142 und eine Sicherheitsventilklappe 144 aufweist. Der Sicher- heitsventilsitz 142 ist in der Unterseite der dritten Schicht 114 strukturiert. Die Sicherheitsventilklappe 144 ist durch einen beweglichen Teil der zweiten Schicht 112 gebildet. Der bewegliche Teil der zweiten Schicht 112 ist wiederum durch eine entsprechende Ausnehmung in der Unter- seite der dritten Schicht 114 definiert.

Die Pumpenanordnung umfasst einen Pumpenanordnungseinlass 146 und einen Pumpenanordnungsauslass 148. Der Pumpenanord- nungseinlass 146 ist in der ersten Schicht 110 strukturiert und mit einem Fluidbereich 150, der ebenfalls in der ersten Schicht 110 strukturiert ist, fluidisch verbunden. Der Fluidbereich 150 grenzt an die Unterseite der Sicherheitsven- tilklappe 144 an, so dass ein am Einlass 146 herrschender Überdruck auf die Unterseite der Ventilklappe 144 wirkt.

Der Pumpenanordnungsauslass 148 ist über einen Fluidkanal 156 mit einem Auslass 158 des Sicherheitsventils 140 flui- disch verbunden.

Wie bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die bewegliche Sicherheitsventilklappe 44 nicht an dem Ventilsitz 142 befestigt, so dass ein verglichen mit einem auf die Unterseite der Ventilklappe herrschenden Druck auf die Oberseite der Ventilklappe herrschender Überdruck öffnend auf das Sicherheitsventil wirkt.

Das Rückschlagventilmodul 100 stellt ein Rückschlagventil am Pumpeneinlass 122 und ein Rückschlagventil 124 am Pumpe- nauslass bereit. Ein Überdruck in der Pumpkammer 130 wirkt auf das Rückschlagventil am Pumpeneinlass 122 schließend und auf das Rückschlagventil am Pumpenauslass 124 öffnend, während ein Unterdruck in der Pumpkammer 130 auf das Rück- schlagventil am Pumpeneinlass 122 öffnend und auf das Rückschlagventil am Pumpenauslass 124 schließend wirkt.

Der Pumpenanordnungseinlass 146 und der Pumpenanordnungsauslass 148 können wiederum ausgestaltet sein, um den An- Schluss von Fluidschläuchen oder dergleichen zu ermöglichen. Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Pumpeneinlass 122 über eine Öffnung 152 in der zweiten Schicht 112 mit dem Fluidbereich 150 fluidisch verbunden.

Bei dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel kann die vierte Schicht 116 durch eine Metallfolie mit einer darauf aufgebrachten Piezokeramik gebildet sein. Das Rückschlagventilmodul 126 kann aus Silizium strukturierte Mikroventi- Ie aufweisen. Eine solche Kombination ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Implementierung von Mikropumpen mit kleinem Aufbau und großer Förderrate.

Der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Pumpenanordnung entspricht im Wesentlichen dem oben bezugnehmend auf das in Fig. Ia gezeigte Ausführungsbeispiel beschriebenen Betrieb. Wiederum wirkt eine durch einen Pumphub in der Pumpkammer 130 erzeugte Druckdifferenz öffnend auf die Sicherheitsven- tilklappe 144, so dass während eines solchen Pumphubs Fluid aus der Pumpkammer durch den Pumpenanordnungsauslass 148 gefördert wird. Während eines Saughubs wird wiederum Fluid durch den Pumpenanordnungseinlass 146 und das Rückschlagventil am Pumpeneinlass 122 angesaugt, während das Rück- schlagventil am Pumpenauslass 126 geschlossen ist. Ist die Pumpe nicht in Betrieb, wirkt ein Pumpenüberdruck am Pumpenanordnungseinlass 146 wiederum schließend auf die Unterseite der Sicherheitsventilklappe 144, so dass ein Fluss durch die Pumpenanordnung bei einem Überdruck am Einlass im unbetätigtem Zustand sicher verhindert werden kann.

Bezugnehmend auf Fig. 4 wird nun ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung beschrieben, die eine peristaltische Mikropumpe aufweist.

Die in Fig. 4 gezeigte Pumpenanordnung weist eine erste Schicht 210, eine zweite Schicht 212, eine dritte Schicht 214, eine vierte Schicht 216 und eine fünfte Schicht 218 auf. Die Schichten 210, 212, 214 und 218 sind übereinander angeordnet und aneinander angebracht. Die Schicht 216 ist auf der Schicht 214 angebracht bzw., wie in Fig. 4 gezeigt ist, in einer in einer oberen Oberfläche der Schicht 214 gebildeten Ausnehmung angeordnet.

Die in Fig. 4 gezeigte Pumpenanordnung weist eine peristaltische Mikropumpe 220 auf, die einen Pumpeneinlass 222, einen Pumpenauslass 224, eine durch die vierte Schicht 216 gebildete Pumpmembran sowie drei piezoelektrische Betäti- gungsglieder 226, 228 und 230 aufweist. Ein Einlassventilsitz 232 bildet zusammen mit einem demselben gegenüberliegenden Bereich der Membran 216 ein aktives Einlassventil, während ein Auslassventilsitz 234 zusammen mit einem dem- selben gegenüberliegenden Abschnitt der Membran 216 ein aktives Auslassventil liefert. Ein mittlerer Abschnitt der Membran 216 definiert zusammen mit einem oberen Oberflächenabschnitt der dritten Schicht 214 eine Pumpkammer 236. Die Pumpkammer 236 ist über fluidische Verbindungen 238 mit einer Einlassventilkammer 240 und einer Auslassventilkammer 242 fluidisch verbunden. Insofern kann der Aufbau der pe- ristaltischen Mikropumpe im Wesentlichen dem Aufbau einer peristaltischen Mikropumpe, wie er in der DE-A-10238600 beschrieben ist, entsprechen.

Die piezoelektrischen Betätigungsglieder 226, 228 und 230 sind über entsprechende elektrische Verbindungen (nicht gezeigt) mit Spannungsquellen bzw. einer Steuereinrichtung (jeweils nicht gezeigt) verbunden. Dadurch können die ein- zelnen Membranabschnitte der Membran 216 in einer spezifischen Reihenfolge betätigt bzw. nach unten abgelenkt werden, um eine Pumpwirkung vom Pumpeneinlass 222 zum Pumpe- nauslass 224 zu bewirken, wie dies beispielsweise in der DE-A-10238600 beschrieben ist, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.

Die in Fig. 4 gezeigte Pumpenanordnung weist am Pumpenaus- lass 224 der Pumpe 220 ein Sicherheitsventil 250 auf, dass einen Sicherheitsventilsitz 252 und eine Sicherheitsventil- klappe 254 aufweist. Der Sicherheitsventilsitz 252 ist in der unteren Oberfläche der dritten Schicht 214 gebildet, während die Sicherheitsventilklappe 254 durch einen beweglichen Teil der zweiten Schicht 212 gebildet ist. Der bewegliche Teil der zweiten Schicht 212 ist durch eine Aus- nehmung 256 in der Unterseite der dritten Schicht 214 definiert . Die Pumpenanordnung umfasst einen Pumpenanordnungseinlass 260 und einen Pumpenanordnungsauslass 262. Der Pumpenanordnungseinlass 260 ist fluidisch mit einem Fluidbereich 270 verbunden, der über eine Öffnung 272 in der zweiten Schicht 212 mit dem Pumpeneinlass 222 verbunden ist. Der Fluid- anordnungsauslass 262 ist über einen Fluidkanal 274 mit einem Auslass 276 des Sicherheitsventils 250 fluidisch verbunden.

Die fünfte Schicht 218 ist strukturiert, um einen Deckel zum Schutz der Membran 216 und der darauf angeordneten piezoelektrischen Betätigungsglieder 226, 228 und 230 sowie der elektrischen Anschlüsse für dieselben zu liefern.

Im Betrieb können die Abschnitte der Membran 216 betrieben werden, wie es in der DE-A-10238600 beschrieben ist. Ein während eines Pumphubs in der Pumpkammer 236 bewirkter Ü- berdruck öffnet dabei das mit dem Pumpenauslass 224 fluid- mäßig verbundene Sicherheitsventil 250.

Wird die Pumpe 220 nicht betrieben, so wirkt ein am Pumpenanordnungseinlass 260 herrschender Überdruck wiederum schließend auf das Sicherheitsventil 250.

Die vorliegende Erfindung schafft somit Pumpenanordnungen, bei denen ein Fluidfluss vom Einlass zum Auslass bei einem Überdruck am Einlass sicher vermieden werden kann, mit einem einfachen Aufbau, unter Verwendung einer geringen Anzahl von Bauteilen und mit einem geringen Torvolumen.

Die unterschiedlichen Teile bzw. Schichten von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Pumpenanordnungen können aus beliebigen geeigneten Materialien unter Verwendung beliebiger geeigneter Herstellungsverfahren implementiert werden. Beispielsweise können die Teile aus Silizium bestehen, wobei entsprechende Strukturierungen durch Nassätzen (isotrop) oder Trockenätzen (anisotrop) erzeugt werden können. Alternativ können die Teile aus Kunststoff bestehen und durch Spritzgussverfahren hergestellt werden. Beispielsweise können die Schichten 12, 14 16 und 18 aus Silizium strukturiert sein. Die zweiten Schichten 12, 112 und 212 können beispielsweise aus einem elastischen Material, wie z. B. entsprechend dünnem Silizium oder Gummi bestehen. Die ersten Schichten 10, 110 und 210, die dritten Schichten 114 und 214 und die fünften Schichten 118 und 218 können beispielsweise durch Spritzguss aus Kunststoff gebildet sein. Die Membran 216 kann beispielsweise aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material bestehen, um zusammen mit den Betätigungsgliedern 226, 228 und 230 jeweils piezoelektrische Biegewandler zu realisieren.

Erfindungsgemäße Pumpenanordnungen eignen sich für eine Vielzahl von Anwendungen. Im Folgenden werden lediglich beispielhaft Anwendungen genannt, bei denen es wichtig ist, einen freien Fluss bei einem Überdruck am Pumpeneinlass zu vermeiden. Solche Anwendungen, für die sich Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpenanordnungen eignen, umfassen z.B. Methanolzuführungspumpen in BrennstoffZellensystemen, Infusionspumpen, implantierbare Medikamentenverabreichungs- systeme, tragbare Medikamentenverabreichungssysteme, Systeme zur Atemluftbefeuchtung sowie Systeme zur Dosierung von Narkosemitteln.

Eine peristaltische Mikropumpe mit normal offenen Ventilen, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, ermöglicht die Implementierung einer Pumpe mit einem hohem Kompressionsverhältnis, was wiederum hinsichtlich eines blasentoleranten Betriebs vorteilhaft ist. Alternativ könnte eine erfindungsgemäße Pumpenanordnung auch eine peristaltische Mikropumpe mit normal geschlossenen aktiven Ventilen am Pumpeneinlass und/oder Pumpenauslass aufweisen.

Anstelle nur einer Ausnehmung und nur eines Rückschlagventilmoduls könnten zwei separate Ausnehmungen in der oberen Oberfläche der dritten Schicht 114 vorgesehen sein, wobei in einer ersten Ausnehmung ein Rückschlagventilmodul für ein Rückschlagventil am Pumpeneinlass angebracht ist und in einer zweiten Ausnehmung ein zweites Rückschlagventilmodul mit einem Rückschlagventil für den Pumpenauslass angebracht ist .

Die Bestandteile von Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung, wie z.B. die zweite Schicht 12 und die dritte Schicht 14, können unter Verwendung beliebiger bekannter Fügetechniken miteinander verbunden sein, wie z.B. durch Kleben, Klemmen oder fügeschichtlose Verbindungsverfahren.

Claims

Patentansprüche

1. Pumpenanordnung mit folgenden Merkmalen:

einer Pumpe (20; 120; 220) mit einem Pumpeneinlass

(22;122;222) und einem Pumpenauslass (24 ; 124; 224 ) , die ausgelegt ist, um ein Fluid von dem Pumpeneinlass zu dem Pumpenauslass zu pumpen;

einem Sicherheitsventil (40; 140;250) , das zwischen dem Pumpenauslass (24;124;224) , und einem Auslass (48; 148; 262) der Pumpenanordnung angeordnet ist und einen Ventilsitz (42;142;252) und einen Ventildeckel (44;144;254) aufweist;

wobei der Ventilsitz, der Pumpenauslass und der Pumpeneinlass in einer ersten Oberfläche eines ersten einstückigen Teils (14; 114; 214) der Pumpenanordnung strukturiert sind,

wobei der Ventildeckel in einem zweiten einstückigen Teil (12;112;212) der Pumpenanordnung gebildet ist,

wobei ein Einlass (46; 146; 260) der Pumpenanordnung und ein damit fluidisch verbundener Fluidbereich (50;150;270) in einem dritten Teil (10;110;210) der Pumpenanordnung gebildet sind, und

wobei der zweite einstückige Teil (12;112;212) derart zwischen dem ersten einstückigen Teil (14; 114/214) und dem dritten Teil (10; 110; 210) der Pumpenanordnung angeordnet ist, dass ein in dem Fluidbereich (50; 150; 270) herrschender Druck schließend auf das Sicherheitsventil (40;140;250) wirkt und dass der Pumpen- einlass (22;122;222) und der Einlass der Pumpenanordnung (46;146;260) fluidisch verbunden sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, bei der Pumpeneinlass

(22; 122; 222) und der Einlass der Pumpenanordnung (46;146;260) über eine Öffnung (52;152;272) in dem zweiten einstückigen Teil (12;112;212) fluidisch ver- bunden sind.

3. Pumpenanordnung nach den Ansprüchen 1 oder 2, bei der die Pumpe (20; 120) eine Membranpumpe mit passiven Rückschlagventilen ist.

4. Pumpenanordnung nach Anspruch 3, bei der in einer der ersten Oberfläche des ersten einstückigen Teils (14) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche des ersten einstückigen Teils (14) ein Ventilsitz (26) eines passiven Rückschlagventils an dem Pumpeneinlass (22) und eine Ventilklappe (32) eines passiven Rückschlagventils an dem Pumpenauslass (24) strukturiert sind.

5. Pumpenanordnung nach Anspruch 4, die ferner ein vier- tes Teil (16) der Pumpenanordnung aufweist, wobei das erste einstückige Teil (14) zwischen dem vierten Teil (16) und dem zweiten einstückigen Teil (12) der Pumpenanordnung angeordnet ist, und wobei in einer ersten, dem ersten einstückigen Teil (14) zugewandten Oberfläche des vierten Teils (16) eine Ventilklappe (28) des Rückschlagventils an dem Pumpeneinlass (22) und ein Ventilsitz (30) des Rückschlagventils an dem Pumpenauslass (24) strukturiert sind.

6. Pumpenanordnung nach Anspruch 5, die ferner ein fünftes Teil (18) aufweist, wobei das vierte Teil (16) zwischen dem ersten einstückigen Teil (14) und dem fünften Teil (18) angeordnet ist, und wobei eine Pumpmembran (34) der Pumpe (20) in das fünfte Teil (18) strukturiert ist.

7. Pumpenanordnung nach Anspruch 3, bei der das erste einstückige Teil (114) ein oder mehrere Ausnehmungen in einer der ersten Oberfläche derselben gegenüberliegenden zweiten Oberfläche aufweist, wobei ein oder mehrere Rückschlagventilmodule (126) mit einem Rückschlagventil für den Pumpeneinlass und einem Rück- schlagventil für den Pumpenauslass in der einen oder den mehreren Ausnehmungen angebracht sind.

8. Pumpenanordnung nach Anspruch 3 oder 7, bei der die Membranpumpe eine Metallmembran (128) und Rückschlag- ventile aus Silizium aufweist.

9. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Pumpe (220) eine peristaltische Mikropumpe ist.

10. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der zumindest Abschnitte einer Pumpkammer (38; 130;236) in einer der ersten Oberfläche des ersten einstückigen Teils (14; 114; 214) gegenüberliegenden zweiten Oberfläche desselben strukturiert sind, und wobei eine Pumpmembran (34;128;216) an die Pumpkammer angrenzend vorgesehen ist.

11. Pumpenanordnung nach Anspruch 10, bei der eine Kontur von der Pumpmembran (128) gegenüberliegenden Wandab- schnitten der Pumpkammer (130) an eine Kontur der Pumpmembran (128) in einem ausgelenkten Zustand ange- passt ist.

12. Pumpenariordnung nach Anspruch 10, bei der die Pump- membran (34) in die Pumpkammer ragende Erhöhungen

(34a, 34b) aufweist.

13. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, bei der das zweite einstückige Teil (12;112;212) eine Schicht mit gleichmäßiger Dicke, die zwischen dem ersten einstückigen Teil (14; 114;214) und dem dritten Teil (10;110;210) angeordnet ist, aufweist, in der ein oder mehrere Öffnungen (52; 54 ; 152; 272) gebildet sind.

14. Pumpenanordnung nach Anspruch 13, bei der das zweite einstückige Teil (12; 112/212) das erste einstückige

Teil (14/114/214) und das dritte einstückige Teil (10;110;210) vollständig voneinander trennt.

15. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der ein Pumpenanordnungsauslass (48) in dem dritten Teil (10) gebildet ist.

16. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei der ein Pumpenanordnungsauslass (148; 262) in dem ersten einstückigen Teil (114;214) gebildet ist.

17. Pumpenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, bei der das Sicherheitsventil Abstandhalter aufweist, die ein Durchbiegen des Ventildeckels (44) bei einem in dem Fluidbereich (50) herrschenden Überdruck zu reduzieren.