EP2220371B1 - Pump arrangement having safety valve - Google Patents

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EP2220371B1
EP2220371B1 EP07846798A EP07846798A EP2220371B1 EP 2220371 B1 EP2220371 B1 EP 2220371B1 EP 07846798 A EP07846798 A EP 07846798A EP 07846798 A EP07846798 A EP 07846798A EP 2220371 B1 EP2220371 B1 EP 2220371B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
pump
inlet
arrangement
outlet
valve
Prior art date
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Active
Application number
EP07846798A
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German (de)
French (fr)
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EP2220371A1 (en
Inventor
Martin Richter
Jürgen KRUCKOW
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Filing date
Publication date
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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
    • 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
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • 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
    • F04B43/12—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/14—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having plate-like flexible members
    • 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
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/10—Other safety measures

Definitions

  • Embodiments of the invention relate to a pump arrangement and in particular to a pump arrangement which has a safety valve at a pump outlet of a pump.
  • Diaphragm pumps with passive check valves at the pump inlet and at the pump outlet are, for example, the DE-A-19719862 known.
  • Peristaltic pumps without active valves are for example from DE-A-10238600 known.
  • micropumps which can be understood as meaning those pumps whose pumping volume is in the microliter range or less with a single actuation.
  • micropumps have a problem in that free flow through the pump can take place when an overpressure is applied to the inlet reservoir connected to the respective pump inlet and no operating voltage is applied to the pump.
  • Normally closed, self-blocking valves are out of the DE-A1-10048376 and the WO-A1-2004 / 081390 known. Under a normally closed valve is a valve to understand that is closed in the unactuated state.
  • the DE-A1-10048376 discloses a normally closed self-blocking valve in which a positive pressure acts on a valve inlet closing.
  • the valve comprises a piezoceramic, wherein the application of a voltage to the piezoceramic results in an opening of the valve.
  • the advantage of such a valve is the self-blocking function, even with an overpressure at the inlet, as well as the simple structure. If you wanted to combine such a valve with a pump, To avoid a free flow, this leads by the required separate component to an increased space and cost requirements. Furthermore, a separate piezo drive is required.
  • valve outlet is fluidly coupled to the inlet of a downstream micropump.
  • the valve is formed in a valve chip which has a self-blocking function when an overpressure is applied to the inlet of the valve, which has a self-blocking function when an overpressure is applied to the outlet of the valve, and the valve Valve opens when a vacuum is applied to the outlet.
  • the pump When the pump is turned on, it creates a vacuum at the pump inlet and the valve outlet, which opens the valve.
  • Such a microvalve provides a self-blocking function, has passive components, so that no piezo actuation is needed and thus has a very good element-to-element reproducibility.
  • micropump with integrated double normally closed microvalve has a compact design and a small dead volume.
  • the design of the pump is designed for a sufficiently high compression ratio.
  • the pump chip required is large, and at high inlet pressures, the pump may not be able to reach the negative pressure needed to open the integrated double normally closed microvalve.
  • a medication metering device which comprises a pump and at the outlet of the pump a safety valve.
  • An embodiment of this document teaches a diaphragm pump with passive ball check valves at a pump inlet and a pump outlet.
  • a safety valve is provided which has a valve seat and a diaphragm acting as a valve.
  • One face of this membrane is fluidly connected to an inlet reservoir of the pump assembly so that pressure in that inlet reservoir acts on that side of the membrane.
  • the other surface of the membrane is connected via the check valve at the outlet of the pump to the pressure generated in a pumping chamber of the pump.
  • the safety valve when the pump is off, the safety valve is pressure compensated over almost the entire diaphragm size, but not in the area within the safety valve seat.
  • the advantage of a safety valve connected in series with the outlet of a micropump is that a positive pressure at the pump inlet acts to close the safety valve.
  • a relatively small overpressure generated at the pump outlet can open the safety valve.
  • the in the WO-A-03/099351 described pump assemblies are disadvantageous in that separate components are needed, which in turn leads to increased space and cost requirements. Furthermore, the pump assemblies have a large dead volume, which in turn fluid connections are needed.
  • a safety valve is integrated directly with a pump.
  • the valve seat of the safety valve, the pump outlet and the pump inlet are structured in a first surface of an integral part of the pump assembly. Characterized in that the outlet of the pump and the valve seat are formed in the same surface of a one-piece part, the valve seat of the safety valve can be formed directly at the outlet of the pump, which in addition to a simple structure, a small dead volume can be obtained.
  • the pump inlet is structured in the same surface and fluidly connected to a fluid region of the pump assembly which acts on the safety valve. This makes it possible to implement the pump arrangement according to the invention with a simple structure.
  • the second integral part of the pump assembly is a layer of substantially uniform thickness disposed between and separating the first one-piece part and the third part.
  • This second integral part may have at least one opening through which the pump inlet is fluidically connected to the fluid area, which is an inlet fluid area of the pump arrangement.
  • the second integral part may have another opening through which an outlet of the safety valve is fluidly connected to the outlet of the pump assembly.
  • the second one-piece part may be formed only in the area of the safety valve.
  • Embodiments of pump arrangements according to the invention can be implemented with different pumps, for example diaphragm pumps with passive check valves at the pump inlet and at the pump outlet or peristaltic pumps.
  • Embodiments of the present invention are particularly suitable for implementing micropumps in which a pumping volume pumped during a pumping cycle may be in the microliter range and below.
  • relevant dimensions of such a micropump such as pump stroke of a pumping membrane or thickness of a pumping membrane, may be in the micrometer range.
  • the present invention provides a pump assembly in which a pump and a safety valve are integrated in a component which may be implemented with a small number of parts.
  • a pump assembly element may be implemented, which is formed of five or six individual parts or layers, wherein a pumping membrane part with associated piezoceramic and corresponding terminals is considered as a part.
  • Embodiments of the present invention provide a pump assembly chip constructed of a plurality of stacked structured layers forming a pump and a safety valve integrated with the pump outlet. In embodiments of the invention thus no separate fluidic connections between the pump and the valve are required. Thus, in embodiments of the invention both a dead volume and a space requirement can be minimized. embodiments In addition to a simple design, the invention enables a saving in terms of size, weight and costs.
  • an overpressure at the pump arrangement inlet acts closing on the safety valve, so that in the unactuated state, a flow in the direction from the inlet to the outlet can be effectively avoided.
  • FIG. 1a and 1b An embodiment of a pump arrangement according to the invention will now be described, in which a pump is implemented by a micromembrane pump with passive check valves.
  • the pump arrangement comprises five structured layers, which are arranged one above the other and attached to one another. These layers are referred to below as first layer 10, second layer 12, third layer 14, fourth layer 16 and fifth layer 18.
  • the pump arrangement shown has a diaphragm pump 20 with a pump inlet 22 and a pump outlet 24.
  • the pump inlet 22 and the pump outlet 24 are structured in the lower surface of the third layer 14.
  • the diaphragm pump 20 includes a passive check valve at the pump inlet 22, which has a valve seat 26 and a valve flap 28.
  • the valve seat 26 is patterned in the upper surface of the third layer 14, and the valve flap 28 is patterned in the fourth layer 16.
  • the micropump 20 further includes a passive check valve at the pump outlet 24, which has a valve seat 30 and a valve flap 32.
  • the valve seat 30 is structured in the fourth layer 16 and the valve flap 32 is structured in the upper surface of the third layer 14.
  • the diaphragm pump 20 further includes a pumping membrane 34 which is structured in the fifth part 18.
  • a piezoceramic 36 is mounted, so that a volume of a pumping chamber 38 of the diaphragm pump 20 can be varied by operating the same.
  • suitable means (not shown) for applying a voltage to the piezoceramic 36 are provided, through which the pumping membrane 34 from the position shown in FIG Fig. 1a is shown, can be deflected into a position in which the volume of the pumping chamber 38 is reduced.
  • FIG. 1a shown embodiment of a pump assembly according to the invention has a safety valve 40 on the pump outlet 24.
  • the safety valve 40 includes a safety valve seat 42 and a safety valve door 44.
  • the safety valve seat 42 is structured in the lower surface of the third layer 14.
  • the safety valve flap 44 is formed by a portion of the second layer 12 that faces the safety valve seat 42.
  • the third layer 14 west in the lower surface thereof has a recess 62 defining the movable part of the second layer 12.
  • the pump assembly shown includes a pump assembly inlet 46 and a pump assembly outlet 48.
  • the pump assembly inlet 46 is connected to a fluid region 50.
  • the pump assembly inlet 46, the pump assembly outlet 48, and the fluid region 50 are structured in the first layer 10.
  • the fluid region 50 adjoins the underside of the second layer 12, so that a pressure prevailing in the fluid region 50 acts closing on the safety valve 40.
  • the fluid region 50 and thus the pump assembly inlet 46 are fluidly connected to the pump inlet 22 via a first opening 52 in the second layer 12.
  • the pump outlet 48 is fluidly connected via a second opening 54 in the second layer 12 to a fluid channel 56, which in turn is fluidically connected to the safety valve 40 and an outlet 58 of the safety valve, respectively.
  • the fluid channel 56 is formed in the illustrated embodiment by appropriate structuring in the third layer 14 and the fourth layer 16.
  • the outlet of the safety valve is structured in the upper surface of the third layer 14.
  • the pump assembly inlet 46 and the pump assembly outlet 48 may be provided with suitable fluid connectors that facilitate connection of further fluidic structures, such as so-called luer connectors for connecting tubing and the like.
  • Fig. 1b shows the structures formed in the bottom of the third layer 14, the pump inlet 22, the pump outlet 24, the safety valve seat 42 and a structured in the lower surface of the third layer 14 outlet-side end 60 of the fluid channel 56 include.
  • the fluid channel 56 is in Fig. 1b indicated by dashed lines.
  • Above the pump outlet 24 is in Fig. 1b to recognize the valve flap 32 of the check valve at the outlet of the micropump.
  • Fig. 1b in dashed lines the position and arrangement of the pumping membrane 34 indicated.
  • the recess represented a safety valve chamber 62, which is structured in the underside of the third layer 14, and has a substantially square shape in the illustrated embodiment.
  • an optional spacer structure 64 may be provided for the same by means of regularly distributed supports in Fig. 1b is indicated.
  • This spacer structure used in Fig. 1a is not shown, may be formed by projections in the third layer 14, which may have the same height as the safety valve seat 42.
  • the protrusions may be made using the same process steps, for example, the same etching step as the safety valve seat 42.
  • the spacer structure may be configured to reduce or substantially prevent sagging of the safety valve flap toward the third layer 14 when the pressure at the pump assembly inlet 46 is high. As a result, leaks due to a deflection of the safety valve flap 44 can be prevented. Further, the diaphragm forming the safety valve flap 44 is thereby subjected to lower stresses, whereby the durability thereof can be increased.
  • the piezoceramic 36 may be periodically energized, for example by a pulsed square wave voltage. Depending on the frequency of the applied actuating voltage and a stroke volume of the pumping membrane 34 thus a desired delivery rate can be achieved.
  • the pressure acts from below on the entire movable flap surface, while the pressure from above on the area covered by the valve seat 42 does not work. Thereby, a free flow at a positive pressure at the pump assembly inlet in the non-actuated state can be securely prevented.
  • FIG. 2 A modification of the in the Fig. 1a and 1b shown embodiment is in Fig. 2 are shown, wherein like elements are designated by like reference numerals and further description of these elements is omitted.
  • the pumping membrane 34 at the bottom of the same elevations 34a, 34b, which protrude into the pumping chamber.
  • the fourth layer 16, compared with the in FIG Fig. 1a shown an example projecting into the pumping chamber 38 increase 66.
  • the pumping membrane 34 is shown in the actuated state.
  • the elevations 34a, 34b may be formed in the edge area of the pumping membrane 34a, 34b.
  • the elevations 34a, 34b and 66 result in a reduction in the dead volume of the pumping chamber 38, which in turn results in an increase in the compression ratio of the pump. Operation of in Fig. 2 shown pump assembly corresponds to the operation of the above with reference to the Fig. 1a and 1b described embodiment.
  • the pump arrangement shown comprises five layers 110, 112, 114, 116 and 118, which are arranged one above the other and attached to each other.
  • the pump assembly includes a pump having a pump inlet 122 and a pump outlet 124.
  • the pump inlet 122 and the pump outlet 124 are structured in the lower surface of the third layer 114.
  • a recess is formed, in which a check valve module 126 is arranged.
  • the check valve module 126 may be glued, for example, in the recess.
  • the check valve module 126 may, for example, have a structure as shown in FIG DE-A-19719862 is described.
  • the upper surface of the third layer 114 is further patterned to define a pumping chamber 130 together with the underside of a pumping membrane 128 formed by the fourth layer 116.
  • the pumping membrane 128 may be formed, for example, by a metal layer, such as a stainless steel foil.
  • a piezoceramic 132 is arranged on the pumping diaphragm 128, a piezoceramic 132 is arranged. A voltage can be applied to the piezoceramic 132 via corresponding connection devices, which are shown schematically at 134, in order to actuate the pumping membrane 128.
  • the pumping membrane 128 Upon actuation, the pumping membrane 128 is deflected downwardly so that the volume of the pumping chamber 130 is reduced.
  • the contour of the pumping membrane 128 facing surface of the third layer 114 is adapted to the contour of the pumping diaphragm 128 in the deflected state, so that a dead volume of the pump can be reduced and thus a compression ratio thereof can be increased.
  • a cover 136 is provided in the example shown, which is formed by a corresponding structuring of the fifth layer 118.
  • the illustrated pump assembly further includes a safety valve 140 having a safety valve seat 142 and a safety valve door 144.
  • the safety valve seat 142 is structured in the bottom of the third layer 114.
  • the safety valve flap 144 is formed by a movable part of the second layer 112.
  • the movable part of the second layer 112 is in turn defined by a corresponding recess in the bottom of the third layer 114.
  • the pump assembly includes a pump assembly inlet 146 and a pump assembly outlet 148.
  • the pump assembly inlet 146 is structured in the first layer 110 and fluidly connected to a fluid region 150, which is also structured in the first layer 110.
  • the fluid region 150 adjoins the underside of the safety valve flap 144, so that an overpressure prevailing at the inlet 146 acts on the underside of the valve flap 144.
  • the pump assembly outlet 148 is fluidly connected to an outlet 158 of the safety valve 140 via a fluid passage 156.
  • the movable safety valve flap 44 is not attached to the valve seat 142, so that a pressure acting on the top of the valve flap prevailing on the underside of the valve flap opening acts on the safety valve.
  • the check valve module 100 provides a check valve at the pump inlet 122 and a check valve 124 at the pump outlet.
  • An overpressure in the pumping chamber 130 acts to close the check valve at the pump inlet 122 and to open the check valve at the pump outlet 124, while a negative pressure in the pumping chamber 130 acts to open the check valve at the pump inlet 122 and to close the check valve at the pump outlet 124.
  • the pump assembly inlet 146 and the pump assembly outlet 148 may be configured to facilitate connection of fluid tubing or the like.
  • the pump inlet 122 is fluidly connected to the fluid area 150 via an opening 152 in the second layer 112.
  • the fourth layer 116 may be formed by a metal foil with a piezoceramic applied thereto.
  • the check valve module 126 may be silicon-structured microvalves exhibit. Such a combination advantageously allows for the implementation of micropumps of small construction and high delivery rate.
  • FIG. 3 The pump assembly shown corresponds substantially to the above with reference to the in Fig. 1a shown embodiment described operation.
  • a pressure differential created by a pumping stroke in the pumping chamber 130 acts to open the safety valve door 144 so that fluid is pumped out of the pumping chamber through the pumping assembly outlet 148 during such a pumping stroke.
  • fluid is drawn through the pump assembly inlet 146 and the check valve at the pump inlet 122 while the check valve at the pump outlet 126 is closed.
  • pump overpressure at the pump assembly inlet 146 again acts to close the underside of the safety valve door 144 so that flow through the pump assembly can be safely prevented when the inlet is over-pressurized in the de-energized state.
  • FIG. 4 An alternative embodiment of a pump arrangement according to the invention will now be described, which has a peristaltic micropump.
  • the pump assembly shown includes a first layer 210, a second layer 212, a third layer 214, a fourth layer 216, and a fifth layer 218.
  • the layers 210, 212, 214 and 218 are stacked and attached to each other.
  • the layer 216 is disposed on the layer 214, as shown in FIG Fig. 4 is shown arranged in a recess formed in an upper surface of the layer 214.
  • the pump assembly shown has a peristaltic micropump 220 that includes a pump inlet 222, a pump outlet 224, a pumping membrane formed by the fourth layer 216, and three piezoelectric actuators 226, 228 and 230.
  • An inlet valve seat 232 forms an active inlet valve, along with a portion of diaphragm 216 opposite thereto, while an outlet valve seat 234, along with a portion of diaphragm 216 opposite thereto, provides an active outlet valve.
  • the pumping chamber 236 is fluidly connected via fluidic connections 238 to an inlet valve chamber 240 and an outlet valve chamber 242.
  • the structure of the peristaltic micropump essentially the structure of a peristaltic micropump, as in the DE-A-10238600 is described correspond.
  • the piezoelectric actuators 226, 228 and 230 are connected via respective electrical connections (not shown) to voltage sources and control means, respectively (not shown).
  • the individual membrane sections of the membrane 216 can be actuated or deflected downwards in a specific sequence in order to effect a pumping action from the pump inlet 222 to the pump outlet 224, as described, for example, in US Pat DE-A-10238600 is described, the teaching of which is hereby incorporated by reference.
  • the pump assembly shown has at the pump outlet 224 of the pump 220 a safety valve 250 having a safety valve seat 252 and a safety valve flap 254.
  • the safety valve seat 252 is formed in the lower surface of the third layer 214 while the safety valve flap 254 is formed by a movable portion of the second layer 212.
  • the movable part of the second layer 212 is defined by a recess 256 in the bottom of the third layer 214.
  • the pump assembly includes a pump assembly inlet 260 and a pump assembly outlet 262.
  • the pump assembly inlet 260 is fluidly connected to a fluid region 270 that communicates with the pump inlet 222 via an opening 272 in the second layer 212.
  • the fluid assembly outlet 262 is fluidly connected to an outlet 276 of the safety valve 250 via a fluid channel 274.
  • the fifth layer 218 is patterned to provide a cover for protecting the diaphragm 216 and the piezoelectric actuators 226, 228 and 230 disposed thereon and the electrical connections therefor.
  • the portions of membrane 216 may be operated as shown in FIG DE-A-10238600 is described.
  • An overpressure effected during a pumping stroke in the pumping chamber 236 thereby opens the safety valve 250 fluidically connected to the pump outlet 224.
  • the present invention thus provides pump assemblies in which fluid flow from the inlet to the outlet can be safely avoided with positive pressure at the inlet, with a simple structure, using a small number of components and with a small gate volume.
  • the different parts or layers of embodiments of the pump assemblies of the present invention may be implemented from any suitable materials using any suitable manufacturing method.
  • the parts can be made of silicon, with appropriate structuring by wet etching (isotropic) or dry etching (anisotropic) can be generated.
  • the parts may be made of plastic and produced by injection molding.
  • the layers 12, 14 16 and 18 may be structured of silicon.
  • the second layers 12, 112 and 212 may, for example, of an elastic material, such. B. corresponding to thin silicon or rubber.
  • the first layers 10, 110 and 210, the third layers 114 and 214 and the fifth layers 118 and 218 may be formed by injection molding from plastic, for example.
  • the diaphragm 216 may be made of silicon or other suitable material, for example, to realize together with the actuators 226, 228 and 230 each piezoelectric bending transducers.
  • Inventive pump assemblies are suitable for a variety of applications. In the following, only examples are given of applications in which it is important to avoid a free flow at an overpressure at the pump inlet. Such applications, for which embodiments of pump assemblies according to the invention are suitable, include e.g. Methanol feed pumps in fuel cell systems, infusion pumps, implantable drug delivery systems, portable drug delivery systems, respiratory humidification systems, and anesthetic dosage systems.
  • a peristaltic micropump with normally open valves allows the implementation of a pump with a high compression ratio, which in turn is advantageous in terms of a bubble-tolerant operation.
  • a pump arrangement according to the invention could also comprise a peristaltic micropump with normally closed active valves at the pump inlet and / or pump outlet.
  • two separate recesses could be provided in the upper surface of the third layer 114, wherein in a first recess a check valve module for a check valve is mounted on the pump inlet and in a second recess a second check valve module is mounted with a check valve for the pump outlet.
  • inventions of the pump assembly according to the invention such as e.g. the second layer 12 and the third layer 14 may be interconnected using any known joining techniques, such as e.g. by gluing, clamping or bonding without bonding.

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Abstract

A pump arrangement comprises a pump (20) having a pump inlet (22) and a pump outlet (24), which are designed to pump a fluid from the pump inlet to the pump outlet, and it further comprises a safety valve (40), which is disposed between the pump outlet (24) and an outlet (48) of the pump arrangement and comprises a valve set (42) and a valve cover (44). The valve seat, the pump outlet, and the pump inlet are structured in a first surface of a first single-piece part (14) of the pump arrangement, while the valve cover is configured in a second single-piece part (12) of the pump arrangement. An inlet (46) of the pump arrangement and a fluid region (50) fluidically connected therewith are configured in a third part (10) of the pump arrangement. The second single-piece part (12) is disposed between the first single-piece part (14) and the third part (10) of the pump arrangement such that a pressure present in the fluid region closes the safety valve, wherein the pump inlet and the inlet of the pump arrangement are fluidically connected.

Description

Ausführungsbeispiele der Erfindung beziehen sich auf eine Pumpenanordnung und insbesondere auf eine Pumpenanordnung, die an einem Pumpenauslass einer Pumpe ein Sicherheitsventil aufweist.Embodiments of the invention relate to a pump arrangement and in particular to a pump arrangement which has a safety valve at a pump outlet of a pump.

Membranpumpen mit passiven Rückschlagventilen am Pumpeneinlass und am Pumpenauslass sind beispielsweise aus der DE-A-19719862 bekannt. Peristaltische Pumpen ohne aktive Ventile sind beispielsweise aus der DE-A-10238600 bekannt. Insbesondere offenbaren die obigen Schriften Mikropumpen, unter denen solche Pumpen verstanden werden können, deren Pumpvolumen bei einmaliger Betätigung im Mikroliterbereich oder darunter liegt.Diaphragm pumps with passive check valves at the pump inlet and at the pump outlet are, for example, the DE-A-19719862 known. Peristaltic pumps without active valves are for example from DE-A-10238600 known. In particular, the above documents disclose micropumps, which can be understood as meaning those pumps whose pumping volume is in the microliter range or less with a single actuation.

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.Known micropumps have a problem in that free flow through the pump can take place when an overpressure is applied to the inlet reservoir connected to the respective pump inlet and no operating voltage is applied to the pump.

Normal geschlossene, selbst-blockierende Ventile sind aus der DE-A1-10048376 und der WO-A1-2004/081390 bekannt. Unter einem normal geschlossenen Ventil ist dabei ein Ventil zu verstehen, dass im unbetätigten Zustand geschlossen ist.Normally closed, self-blocking valves are out of the DE-A1-10048376 and the WO-A1-2004 / 081390 known. Under a normally closed valve is a valve to understand that is closed in the unactuated state.

Die DE-A1-10048376 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 Piezokeramik 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 kombinieren, um einen freien Fluss zu vermeiden, so führt dies durch die benötigte separate Komponente zu einem erhöhten Platz- und Kostenbedarf. Ferner ist ein separater Piezoantrieb 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-βes Totvolumen zwischen Ventil und Pumpe zur Folge, wobei darüber hinaus Fluidanschlüsse dazwischen erforderlich wären.The DE-A1-10048376 discloses a normally closed self-blocking valve in which a positive pressure acts on a valve inlet closing. The valve comprises a piezoceramic, wherein the application of a voltage to the piezoceramic results in an opening of the valve. The advantage of such a valve is the self-blocking function, even with an overpressure at the inlet, as well as the simple structure. If you wanted to combine such a valve with a pump, To avoid a free flow, this leads by the required separate component to an increased space and cost requirements. Furthermore, a separate piezo drive is required. In addition, a rest position for the piezo / silicon membrane must be ensured even after the step of bonding the piezoceramic to the silicon membrane, even if temperature changes lead to a movement of the arrangement of piezoceramic and silicon membrane. In addition, such an arrangement would result in a large dead volume between the valve and the pump, with fluid connections therebetween also being required.

Aus der WO-A1-2004/081390 ist ein doppelt normal geschlossenes 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.From the WO-A1-2004 / 081390 is a double normal closed microvalve is known, the valve outlet is fluidly coupled to the inlet of a downstream micropump. The valve is formed in a valve chip which has a self-blocking function when an overpressure is applied to the inlet of the valve, which has a self-blocking function when an overpressure is applied to the outlet of the valve, and the valve Valve opens when a vacuum is applied to the outlet. When the pump is turned on, it creates a vacuum at the pump inlet and the valve outlet, which opens the valve. Such a microvalve provides a self-blocking function, has passive components, so that no piezo actuation is needed and thus has a very good element-to-element reproducibility. Nevertheless, separate components are needed, resulting in additional space and cost requirements. In addition, such doubly normally closed microvalves are currently available only in silicon, which is expensive. Furthermore, in the case of connections with a micropump, there is a large dead volume and fluid connections are required. Moreover, at high inlet pressures, the pump may not be able to produce the vacuum required to open the valve fluidly connected to the inlet.

Aus der WO-A1-2004/081390 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 möglicherweise nicht den Unterdruck erreichen, der benötigt wird, um das integrierte doppelt normal geschlossene Mikroventil zu öffnen.From the WO-A1-2004 / 081390 Furthermore, a micropump with integrated double normally closed microvalve is known. Such a micropump has a compact design and a small dead volume. With such micropumps, however, only small flow rates can be achieved if the design of the pump is designed for a sufficiently high compression ratio. In addition, the pump chip required is large, and at high inlet pressures, the pump may not be able to reach the negative pressure needed to open the integrated double normally closed microvalve.

Aus der WO-A-03/099351 (nächster Stand der Technik) ist eine Medikamentendosiervorrichtung 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 Pumpenauslass. Am Pumpenauslass ist ein Sicherheitsventil vorgesehen, 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 Oberfläche der Membran ist über das Rückschlagventil am Auslass der Pumpe mit dem Druck, der in einer Pumpkammer der Pumpe erzeugt wird, verbunden.From the WO-A-03/099351 (Prior Art) A medication metering device is known which comprises a pump and at the outlet of the pump a safety valve. An embodiment of this document teaches a diaphragm pump with passive ball check valves at a pump inlet and a pump outlet. At the pump outlet, a safety valve is provided which has a valve seat and a diaphragm acting as a valve. One face of this membrane is fluidly connected to an inlet reservoir of the pump assembly so that pressure in that inlet reservoir acts on that side of the membrane. The other surface of the membrane is connected via the check valve at the outlet of the pump to the pressure generated in a pumping chamber of the pump.

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 Pumpeneinlass 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 Pumpenanordnungen 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.According to the WO-A-03/099351 when the pump is off, the safety valve is pressure compensated over almost the entire diaphragm size, but not in the area within the safety valve seat. The advantage of a safety valve connected in series with the outlet of a micropump is that a positive pressure at the pump inlet acts to close the safety valve. When the pump is in operation, a relatively small overpressure generated at the pump outlet can open the safety valve. The in the WO-A-03/099351 described pump assemblies However, are disadvantageous in that separate components are needed, which in turn leads to increased space and cost requirements. Furthermore, the pump assemblies have a large dead volume, which in turn fluid connections are needed.

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.There is thus a need for a pump assembly in which, in an unactuated state, free flow can be prevented while it can have a simple construction and provide a low dead volume.

Diese Aufgabe wird durch eine Pumpenanordnung nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a pump arrangement according to claim 1.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Pumpenanordnung mit folgenden Merkmalen:

  • einer Pumpe mit einem Pumpeneinlass und einem Pumpenauslass, 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 Pumpenanordnung 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.
The present invention provides a pump assembly having the following features:
  • a pump having a pump inlet and a pump outlet configured to pump fluid from the pump inlet to the pump outlet;
  • a safety valve disposed between the pump outlet and an outlet of the pump assembly and having a valve seat and a valve cover;
  • wherein the valve seat, the pump outlet and the pump inlet are structured in a first surface of a first integral part of the pump assembly,
  • wherein the valve cover is formed in a second integral part of the pump assembly,
  • wherein an inlet of the pump assembly and a fluid region fluidly connected thereto are formed in a third part of the pump assembly,
  • and wherein the second integral part between the first one-piece part and the third part of the pump assembly is disposed, a pressure prevailing in the fluid region closing pressure acts on the safety valve and that the pump inlet and the inlet of the pump assembly are fluidly connected.

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 Sicherheitsventils, 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 Sicherheitsventils 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 schlie-βend wirkt. Dadurch ist es möglich, die erfindungsgemäße Pumpenanordnung mit einem einfachen Aufbau zu implementieren.According to embodiments of a pump arrangement according to the invention, a safety valve is integrated directly with a pump. To allow a simple design with low dead volumes, the valve seat of the safety valve, the pump outlet and the pump inlet are structured in a first surface of an integral part of the pump assembly. Characterized in that the outlet of the pump and the valve seat are formed in the same surface of a one-piece part, the valve seat of the safety valve can be formed directly at the outlet of the pump, which in addition to a simple structure, a small dead volume can be obtained. In embodiments of the invention, further, the pump inlet is structured in the same surface and fluidly connected to a fluid region of the pump assembly which acts on the safety valve. This makes it possible to implement the pump arrangement according to the invention with a simple structure.

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 zumindest 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 Ausführungsbeispielen kann das zweit einstückige Teil nur im Bereich des Sicherheitsventils gebildet sein.In embodiments of the invention, the second integral part of the pump assembly is a layer of substantially uniform thickness disposed between and separating the first one-piece part and the third part. This second integral part may have at least one opening through which the pump inlet is fluidically connected to the fluid area, which is an inlet fluid area of the pump arrangement. In embodiments in which an outlet fluid region of the pump assembly is also formed in the third part, the second integral part may have another opening through which an outlet of the safety valve is fluidly connected to the outlet of the pump assembly. A second integral part with a substantially uniform thickness, which, as described, may be provided with openings, allows easy production of a pump assembly according to the invention with a reduced number of components. In alternative embodiments, the second one-piece part may be formed only in the area of the safety valve.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpenanordnungen können mit unterschiedlichen Pumpen implementiert werden, beispielsweise Membranpumpen mit passiven Rückschlagventilen am Pumpeneinlass und am Pumpenauslass oder peristaltischen Pumpen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung eignen sich insbesondere zur Implementierung von Mikropumpen, bei denen ein während eines Pumpzyklus gepumptes Pumpvolumen im Mikroliterbereich und darunter liegen kann. Ferner können relevante Abmessungen einer solchen Mikropumpe, wie beispielsweise Pumphub einer Pumpmembran oder Dicke einer Pumpmembran, im Mikrometerbereich liegen.Embodiments of pump arrangements according to the invention can be implemented with different pumps, for example diaphragm pumps with passive check valves at the pump inlet and at the pump outlet or peristaltic pumps. Embodiments of the present invention are particularly suitable for implementing micropumps in which a pumping volume pumped during a pumping cycle may be in the microliter range and below. Furthermore, relevant dimensions of such a micropump, such as pump stroke of a pumping membrane or thickness of a pumping membrane, may be in the micrometer range.

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.The present invention provides a pump assembly in which a pump and a safety valve are integrated in a component which may be implemented with a small number of parts. In embodiments of the invention, a pump assembly element may be implemented, which is formed of five or six individual parts or layers, wherein a pumping membrane part with associated piezoceramic and corresponding terminals is considered as a part.

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.Embodiments of the present invention provide a pump assembly chip constructed of a plurality of stacked structured layers forming a pump and a safety valve integrated with the pump outlet. In embodiments of the invention thus no separate fluidic connections between the pump and the valve are required. Thus, in embodiments of the invention both a dead volume and a space requirement can be minimized. embodiments In addition to a simple design, the invention enables a saving in terms of size, weight and costs.

Gemäß Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Pumpenanordnung wirkt ein Überdruck am Pumpenanordnungseinlass schließend auf das Sicherheitsventil, so dass im unbetätigten Zustand ein Fluss in Richtung vom Einlass zum Auslass wirksam vermieden werden kann.According to embodiments of the pump arrangement according to the invention, an overpressure at the pump arrangement inlet acts closing on the safety valve, so that in the unactuated state, a flow in the direction from the inlet to the outlet can be effectively avoided.

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

Fig. 1a
eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung;
Fig. 1b
eine Unteransicht eines Pumpen-Teils des in Fig. 1a 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 weiteren alternativen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung.
Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1a
a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump assembly according to the invention;
Fig. 1b
a bottom view of a pump part of the in Fig. 1a shown embodiment;
Fig. 2
a schematic cross-sectional view of a modification of the in Fig. 1 shown embodiment;
Fig. 3
a schematic cross-sectional view of an alternative embodiment of a pump assembly according to the invention; and
Fig. 4
a schematic cross-sectional view of another alternative embodiment of a pump assembly according to the invention.

Bezugnehmend auf die Fig. 1a und 1b wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung beschrieben, bei der eine Pumpe durch eine Mikromembranpumpe mit passiven Rückschlagventilen implementiert ist.Referring to the Fig. 1a and 1b An embodiment of a pump arrangement according to the invention will now be described, in which a pump is implemented by a micromembrane pump with passive check valves.

Gemäß dem in den Fig. 1a und 1b 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.According to the in the Fig. 1a and 1b In the embodiment shown, the pump arrangement comprises five structured layers, which are arranged one above the other and attached to one another. These layers are referred to below as first layer 10, second layer 12, third layer 14, fourth layer 16 and fifth layer 18.

Die in Fig. 1a 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.In the Fig. 1a The pump arrangement shown has a diaphragm pump 20 with a pump inlet 22 and a pump outlet 24. The pump inlet 22 and the pump outlet 24 are structured in the lower surface of the third layer 14. The diaphragm pump 20 includes a passive check valve at the pump inlet 22, which has a valve seat 26 and a valve flap 28. The valve seat 26 is patterned in the upper surface of the third layer 14, and the valve flap 28 is patterned in the fourth layer 16. The micropump 20 further includes a passive check valve at the pump outlet 24, which has a valve seat 30 and a valve flap 32. The valve seat 30 is structured in the fourth layer 16 and the valve flap 32 is structured in the upper surface of the third layer 14.

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. 1a gezeigt ist, in eine Stellung ausgelenkt werden kann, in der das Volumen der Pumpkammer 38 reduziert ist.The diaphragm pump 20 further includes a pumping membrane 34 which is structured in the fifth part 18. On the pumping membrane 34, a piezoceramic 36 is mounted, so that a volume of a pumping chamber 38 of the diaphragm pump 20 can be varied by operating the same. For this purpose, suitable means (not shown) for applying a voltage to the piezoceramic 36 are provided, through which the pumping membrane 34 from the position shown in FIG Fig. 1a is shown, can be deflected into a position in which the volume of the pumping chamber 38 is reduced.

Das in Fig. 1a gezeigte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung weist ein Sicherheitsventil 40 am Pumpenauslass 24 auf. Das Sicherheitsventil 40 umfasst einen Sicherheitsventilsitz 42 und eine Sicherheitsventilklappe 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 gegenüberliegt. Die dritte Schicht 14 west in der unteren Oberfläche derselben eine Ausnehmung 62 auf, die den beweglichen Teil der zweiten Schicht 12 definiert.This in Fig. 1a shown embodiment of a pump assembly according to the invention has a safety valve 40 on the pump outlet 24. The safety valve 40 includes a safety valve seat 42 and a safety valve door 44. The safety valve seat 42 is structured in the lower surface of the third layer 14. The safety valve flap 44 is formed by a portion of the second layer 12 that faces the safety valve seat 42. The third layer 14 west in the lower surface thereof has a recess 62 defining the movable part of the second layer 12.

Die in Fig. 1a gezeigte Pumpenanordnung umfasst einen Pumpenanordnungseinlass 46 und einen Pumpenanordnungsauslass 48. Der Pumpenanordnungseinlass 46 ist mit einem Fluidbereich 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.In the Fig. 1a The pump assembly shown includes a pump assembly inlet 46 and a pump assembly outlet 48. The pump assembly inlet 46 is connected to a fluid region 50. The pump assembly inlet 46, the pump assembly outlet 48, and the fluid region 50 are structured in the first layer 10. The fluid region 50 adjoins the underside of the second layer 12, so that a pressure prevailing in the fluid region 50 acts closing on the safety valve 40. The fluid region 50 and thus the pump assembly inlet 46 are fluidly connected to the pump inlet 22 via a first opening 52 in the second layer 12. The pump outlet 48 is fluidly connected via a second opening 54 in the second layer 12 to a fluid channel 56, which in turn is fluidically connected to the safety valve 40 and an outlet 58 of the safety valve, respectively. The fluid channel 56 is formed in the illustrated embodiment by appropriate structuring in the third layer 14 and the fourth layer 16. The outlet of the safety valve is structured in the upper surface of the third layer 14.

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 Anschluss von Schläuchen und dergleichen.The pump assembly inlet 46 and the pump assembly outlet 48 may be provided with suitable fluid connectors that facilitate connection of further fluidic structures, such as so-called luer connectors for connecting tubing and the like.

Fig. 1b zeigt die in der Unterseite der dritten Schicht 14 gebildeten Strukturen, die den Pumpeneinlass 22, den Pumpenauslass 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. 1b durch gestrichelte Linien angedeutet. Über dem Pumpenauslass 24 ist in Fig. 1b die Ventilklappe 32 des Rückschlagventils am Auslass der Mikropumpe zu erkennen. Ferner ist in Fig. 1b 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. Fig. 1b shows the structures formed in the bottom of the third layer 14, the pump inlet 22, the pump outlet 24, the safety valve seat 42 and a structured in the lower surface of the third layer 14 outlet-side end 60 of the fluid channel 56 include. The fluid channel 56 is in Fig. 1b indicated by dashed lines. Above the pump outlet 24 is in Fig. 1b to recognize the valve flap 32 of the check valve at the outlet of the micropump. Furthermore, in Fig. 1b in dashed lines the position and arrangement of the pumping membrane 34 indicated. The recess represented a safety valve chamber 62, which is structured in the underside of the third layer 14, and has a substantially square shape in the illustrated embodiment.

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. 1b angedeutet ist. Diese Abstandhalterstruktur, die in Fig. 1a 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 Überdruck 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.In order to support the second layer 12 in the area of the safety valve, an optional spacer structure 64 may be provided for the same by means of regularly distributed supports in Fig. 1b is indicated. This spacer structure used in Fig. 1a is not shown, may be formed by projections in the third layer 14, which may have the same height as the safety valve seat 42. The protrusions may be made using the same process steps, for example, the same etching step as the safety valve seat 42. The spacer structure may be configured to reduce or substantially prevent sagging of the safety valve flap toward the third layer 14 when the pressure at the pump assembly inlet 46 is high. As a result, leaks due to a deflection of the safety valve flap 44 can be prevented. Further, the diaphragm forming the safety valve flap 44 is thereby subjected to lower stresses, whereby the durability thereof can be increased.

Im Betrieb der Pumpenanordnung, wie sie in den Fig. 1a und 1b gezeigt ist, wird die Pumpmembran 34, ausgehend von dem in Fig. 1a 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 Rückschlagventil 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 Pumpkammer. 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 operation of the pump assembly, as in the Fig. 1a and 1b is shown, the pumping membrane 34, starting from the in Fig. 1a shown state, so that the volume of the pumping chamber 38 is reduced. As a result, an overpressure is generated in the pumping chamber 38, which on the one hand, the check valve opens at the pump outlet 24 and on the other hand exerts pressure on the safety valve flap 44. At the same time, the overpressure in the pumping chamber 38 closes on the check valve at the inlet of the pumping chamber. Thus, during this actuation of the pumping membrane 34, which may be referred to as a pumping stroke, fluid is conveyed through the check valve at the pump outlet 24 and the safety valve 40 to the pumping assembly outlet 48.

In einem nachfolgenden Saughub, bei dem die Pumpmembran 34 in die in Fig. 1a 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 Pumpenanordnungseinlass 46 angesaugt.In a subsequent suction stroke, in which the pumping membrane 34 in the in Fig. 1a shown position, formed in the pumping chamber 38, a negative pressure, which acts on the closing check valve at the pump outlet 24 and opening on the check valve at the pump inlet 22. As a result, fluid is drawn through the pump assembly inlet 46 during this suction stroke.

Um einen Volumenstrom von dem Pumpenanordnungseinlass zu dem Pumpenanordnungsauslass zu bewirken, kann die Piezokeramik 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.To effect a volume flow from the pump assembly inlet to the pump assembly outlet, the piezoceramic 36 may be periodically energized, for example by a pulsed square wave voltage. Depending on the frequency of the applied actuating voltage and a stroke volume of the pumping membrane 34 thus a desired delivery rate can be achieved.

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 Pumpenkammereinlass 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 Sicherheitsventilklappe 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 oben 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.When the pump 22 is not in operation, flow through the pump assembly from the pump inlet 46 to the pump outlet 48 is prevented because excess pressure at the pump chamber inlet 46 acts on the underside of the safety valve flap 44 via the fluid region 50 and simultaneously via the pump 20 the top of the safety valve flap 44 acts as this overpressure acts on both check valves at the pump inlet 22 and at the pump outlet 24. The force acting on the safety valve flap 44 by the overpressure at the inlet from below is greater than the force acting on it from above, so that an overpressure at the inlet acts on the safety valve flap 44 in a closing manner. The force acting from below is greater because of the Pressure from below affects a larger area than the pressure from above. More specifically, the pressure acts from below on the entire movable flap surface, while the pressure from above on the area covered by the valve seat 42 does not work. Thereby, a free flow at a positive pressure at the pump assembly inlet in the non-actuated state can be securely prevented.

Eine Modifikation des in den Fig. 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispiels 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. 1a 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 bezugnehmend auf die Fig. 1a und 1b beschriebenen Ausführungsbeispiels.A modification of the in the Fig. 1a and 1b shown embodiment is in Fig. 2 are shown, wherein like elements are designated by like reference numerals and further description of these elements is omitted. As in Fig. 2 is shown, the pumping membrane 34 at the bottom of the same elevations 34a, 34b, which protrude into the pumping chamber. Furthermore, the fourth layer 16, compared with the in FIG Fig. 1a shown an example projecting into the pumping chamber 38 increase 66. In Fig. 2 the pumping membrane 34 is shown in the actuated state. The elevations 34a, 34b may be formed in the edge area of the pumping membrane 34a, 34b. The elevations 34a, 34b and 66 result in a reduction in the dead volume of the pumping chamber 38, which in turn results in an increase in the compression ratio of the pump. Operation of in Fig. 2 shown pump assembly corresponds to the operation of the above with reference to the Fig. 1a and 1b described embodiment.

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 Rückschlagventilmodul 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.Referring to Fig. 3 An alternative embodiment of a pump arrangement according to the invention will now be described. In the Fig. 3 The pump arrangement shown comprises five layers 110, 112, 114, 116 and 118, which are arranged one above the other and attached to each other. The pump assembly includes a pump having a pump inlet 122 and a pump outlet 124. The pump inlet 122 and the pump outlet 124 are structured in the lower surface of the third layer 114. In the upper surface of the third layer 114, a recess is formed, in which a check valve module 126 is arranged. The check valve module 126 may be glued, for example, in the recess. The check valve module 126 may, for example, have a structure as shown in FIG DE-A-19719862 is described.

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 beispielsweise 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 Pumpmembran 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 fünften Schicht 118 gebildet ist.The upper surface of the third layer 114 is further patterned to define a pumping chamber 130 together with the underside of a pumping membrane 128 formed by the fourth layer 116. The pumping membrane 128 may be formed, for example, by a metal layer, such as a stainless steel foil. On the pumping diaphragm 128, a piezoceramic 132 is arranged. A voltage can be applied to the piezoceramic 132 via corresponding connection devices, which are shown schematically at 134, in order to actuate the pumping membrane 128. Upon actuation, the pumping membrane 128 is deflected downwardly so that the volume of the pumping chamber 130 is reduced. As in Fig. 3 is shown, the contour of the pumping membrane 128 facing surface of the third layer 114 is adapted to the contour of the pumping diaphragm 128 in the deflected state, so that a dead volume of the pump can be reduced and thus a compression ratio thereof can be increased. Above the pumping membrane 128, a cover 136 is provided in the example shown, which is formed by a corresponding structuring of the fifth layer 118.

Die in Fig. 3 gezeigte Pumpenanordnung umfasst ferner ein Sicherheitsventil 140, das einen Sicherheitsventilsitz 142 und eine Sicherheitsventilklappe 144 aufweist. Der Sicherheitsventilsitz 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 Unterseite der dritten Schicht 114 definiert.In the Fig. 3 The illustrated pump assembly further includes a safety valve 140 having a safety valve seat 142 and a safety valve door 144. The safety valve seat 142 is structured in the bottom of the third layer 114. The safety valve flap 144 is formed by a movable part of the second layer 112. The movable part of the second layer 112 is in turn defined by a corresponding recess in the bottom of the third layer 114.

Die Pumpenanordnung umfasst einen Pumpenanordnungseinlass 146 und einen Pumpenanordnungsauslass 148. Der Pumpenanordnungseinlass 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 Sicherheitsventilklappe 144 an, so dass ein am Einlass 146 herrschender Überdruck auf die Unterseite der Ventilklappe 144 wirkt.The pump assembly includes a pump assembly inlet 146 and a pump assembly outlet 148. The pump assembly inlet 146 is structured in the first layer 110 and fluidly connected to a fluid region 150, which is also structured in the first layer 110. The fluid region 150 adjoins the underside of the safety valve flap 144, so that an overpressure prevailing at the inlet 146 acts on the underside of the valve flap 144.

Der Pumpenanordnungsauslass 148 ist über einen Fluidkanal 156 mit einem Auslass 158 des Sicherheitsventils 140 fluidisch verbunden.The pump assembly outlet 148 is fluidly connected to an outlet 158 of the safety valve 140 via a fluid passage 156.

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.As in the embodiments described above, the movable safety valve flap 44 is not attached to the valve seat 142, so that a pressure acting on the top of the valve flap prevailing on the underside of the valve flap opening acts on the safety valve.

Das Rückschlagventilmodul 100 stellt ein Rückschlagventil am Pumpeneinlass 122 und ein Rückschlagventil 124 am Pumpenauslass 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 Rückschlagventil am Pumpeneinlass 122 öffnend und auf das Rückschlagventil am Pumpenauslass 124 schließend wirkt.The check valve module 100 provides a check valve at the pump inlet 122 and a check valve 124 at the pump outlet. An overpressure in the pumping chamber 130 acts to close the check valve at the pump inlet 122 and to open the check valve at the pump outlet 124, while a negative pressure in the pumping chamber 130 acts to open the check valve at the pump inlet 122 and to close the check valve at the pump outlet 124.

Der Pumpenanordnungseinlass 146 und der Pumpenanordnungsauslass 148 können wiederum ausgestaltet sein, um den Anschluss 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.In turn, the pump assembly inlet 146 and the pump assembly outlet 148 may be configured to facilitate connection of fluid tubing or the like. As in Fig. 3 2, the pump inlet 122 is fluidly connected to the fluid area 150 via an opening 152 in the second layer 112.

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 Mikroventile aufweisen. Eine solche Kombination ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Implementierung von Mikropumpen mit kleinem Aufbau und großer Förderrate.At the in Fig. 3 In the embodiment shown, the fourth layer 116 may be formed by a metal foil with a piezoceramic applied thereto. The check valve module 126 may be silicon-structured microvalves exhibit. Such a combination advantageously allows for the implementation of micropumps of small construction and high delivery rate.

Der Betrieb der in Fig. 3 gezeigten Pumpenanordnung entspricht im Wesentlichen dem oben bezugnehmend auf das in Fig. 1a gezeigte Ausführungsbeispiel beschriebenen Betrieb. Wiederum wirkt eine durch einen Pumphub in der Pumpkammer 130 erzeugte Druckdifferenz öffnend auf die Sicherheitsventilklappe 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 Rückschlagventil 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.Operation of in Fig. 3 The pump assembly shown corresponds substantially to the above with reference to the in Fig. 1a shown embodiment described operation. Again, a pressure differential created by a pumping stroke in the pumping chamber 130 acts to open the safety valve door 144 so that fluid is pumped out of the pumping chamber through the pumping assembly outlet 148 during such a pumping stroke. During a suction stroke, in turn, fluid is drawn through the pump assembly inlet 146 and the check valve at the pump inlet 122 while the check valve at the pump outlet 126 is closed. When the pump is not in operation, pump overpressure at the pump assembly inlet 146 again acts to close the underside of the safety valve door 144 so that flow through the pump assembly can be safely prevented when the inlet is over-pressurized in the de-energized state.

Bezugnehmend auf Fig. 4 wird nun ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung beschrieben, die eine peristaltische Mikropumpe aufweist.Referring to Fig. 4 An alternative embodiment of a pump arrangement according to the invention will now be described, which has a peristaltic micropump.

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.In the Fig. 4 The pump assembly shown includes a first layer 210, a second layer 212, a third layer 214, a fourth layer 216, and a fifth layer 218. The layers 210, 212, 214 and 218 are stacked and attached to each other. The layer 216 is disposed on the layer 214, as shown in FIG Fig. 4 is shown arranged in a recess formed in an upper surface of the layer 214.

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 Betätigungsglieder 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 demselben 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 peristaltischen Mikropumpe im Wesentlichen dem Aufbau einer peristaltischen Mikropumpe, wie er in der DE-A-10238600 beschrieben ist, entsprechen.In the Fig. 4 The pump assembly shown has a peristaltic micropump 220 that includes a pump inlet 222, a pump outlet 224, a pumping membrane formed by the fourth layer 216, and three piezoelectric actuators 226, 228 and 230. An inlet valve seat 232 forms an active inlet valve, along with a portion of diaphragm 216 opposite thereto, while an outlet valve seat 234, along with a portion of diaphragm 216 opposite thereto, provides an active outlet valve. A central portion of the membrane 216, together with an upper surface portion of the third layer 214, defines a pumping chamber 236. The pumping chamber 236 is fluidly connected via fluidic connections 238 to an inlet valve chamber 240 and an outlet valve chamber 242. In this respect, the structure of the peristaltic micropump essentially the structure of a peristaltic micropump, as in the DE-A-10238600 is described correspond.

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 einzelnen Membranabschnitte der Membran 216 in einer spezifischen Reihenfolge betätigt bzw. nach unten abgelenkt werden, um eine Pumpwirkung vom Pumpeneinlass 222 zum Pumpenauslass 224 zu bewirken, wie dies beispielsweise in der DE-A-10238600 beschrieben ist, deren diesbezügliche Lehre hiermit durch Bezugnahme aufgenommen wird.The piezoelectric actuators 226, 228 and 230 are connected via respective electrical connections (not shown) to voltage sources and control means, respectively (not shown). As a result, the individual membrane sections of the membrane 216 can be actuated or deflected downwards in a specific sequence in order to effect a pumping action from the pump inlet 222 to the pump outlet 224, as described, for example, in US Pat DE-A-10238600 is described, the teaching of which is hereby incorporated by reference.

Die in Fig. 4 gezeigte Pumpenanordnung weist am Pumpenauslass 224 der Pumpe 220 ein Sicherheitsventil 250 auf, dass einen Sicherheitsventilsitz 252 und eine Sicherheitsventilklappe 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 Ausnehmung 256 in der Unterseite der dritten Schicht 214 definiert.In the Fig. 4 The pump assembly shown has at the pump outlet 224 of the pump 220 a safety valve 250 having a safety valve seat 252 and a safety valve flap 254. The safety valve seat 252 is formed in the lower surface of the third layer 214 while the safety valve flap 254 is formed by a movable portion of the second layer 212. The movable part of the second layer 212 is defined by a recess 256 in the bottom of the third layer 214.

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 Fluidanordnungsauslass 262 ist über einen Fluidkanal 274 mit einem Auslass 276 des Sicherheitsventils 250 fluidisch verbunden.The pump assembly includes a pump assembly inlet 260 and a pump assembly outlet 262. The pump assembly inlet 260 is fluidly connected to a fluid region 270 that communicates with the pump inlet 222 via an opening 272 in the second layer 212. The fluid assembly outlet 262 is fluidly connected to an outlet 276 of the safety valve 250 via a fluid channel 274.

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.The fifth layer 218 is patterned to provide a cover for protecting the diaphragm 216 and the piezoelectric actuators 226, 228 and 230 disposed thereon and the electrical connections therefor.

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 Überdruck öffnet dabei das mit dem Pumpenauslass 224 fluidmäßig verbundene Sicherheitsventil 250.In operation, the portions of membrane 216 may be operated as shown in FIG DE-A-10238600 is described. An overpressure effected during a pumping stroke in the pumping chamber 236 thereby opens the safety valve 250 fluidically connected to the pump outlet 224.

Wird die Pumpe 220 nicht betrieben, so wirkt ein am Pumpenanordnungseinlass 260 herrschender Überdruck wiederum schließend auf das Sicherheitsventil 250.If the pump 220 is not operated, an overpressure prevailing at the pump arrangement inlet 260 again acts on the safety valve 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.The present invention thus provides pump assemblies in which fluid flow from the inlet to the outlet can be safely avoided with positive pressure at the inlet, with a simple structure, using a small number of components and with a small gate volume.

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.The different parts or layers of embodiments of the pump assemblies of the present invention may be implemented from any suitable materials using any suitable manufacturing method. For example, the parts can be made of silicon, with appropriate structuring by wet etching (isotropic) or dry etching (anisotropic) can be generated. Alternatively, the parts may be made of plastic and produced by injection molding. For example, the layers 12, 14 16 and 18 may be structured of silicon. The second layers 12, 112 and 212 may, for example, of an elastic material, such. B. corresponding to thin silicon or rubber. The first layers 10, 110 and 210, the third layers 114 and 214 and the fifth layers 118 and 218 may be formed by injection molding from plastic, for example. The diaphragm 216 may be made of silicon or other suitable material, for example, to realize together with the actuators 226, 228 and 230 each piezoelectric bending transducers.

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 Medikamentenverabreichungssysteme, tragbare Medikamentenverabreichungssysteme, Systeme zur Atemluftbefeuchtung sowie Systeme zur Dosierung von Narkosemitteln.Inventive pump assemblies are suitable for a variety of applications. In the following, only examples are given of applications in which it is important to avoid a free flow at an overpressure at the pump inlet. Such applications, for which embodiments of pump assemblies according to the invention are suitable, include e.g. Methanol feed pumps in fuel cell systems, infusion pumps, implantable drug delivery systems, portable drug delivery systems, respiratory humidification systems, and anesthetic dosage systems.

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.A peristaltic micropump with normally open valves, as in Fig. 4 is shown, allows the implementation of a pump with a high compression ratio, which in turn is advantageous in terms of a bubble-tolerant operation. Alternatively, a pump arrangement according to the invention could also comprise a peristaltic micropump with normally closed active valves at the pump inlet and / or pump outlet.

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.Instead of only one recess and only one check valve module, two separate recesses could be provided in the upper surface of the third layer 114, wherein in a first recess a check valve module for a check valve is mounted on the pump inlet and in a second recess a second check valve module is mounted with a check valve for the pump outlet.

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. The components of embodiments of the pump assembly according to the invention, such as e.g. the second layer 12 and the third layer 14 may be interconnected using any known joining techniques, such as e.g. by gluing, clamping or bonding without bonding.

Claims (15)

  1. Pump arrangement comprising:
    a pump (20; 120; 220) comprising a pump inlet (22; 122; 222) and a pump outlet (24; 124; 224) which is configured to pump a fluid from the pump inlet to the pump outlet;
    a safety valve (40; 140; 250) arranged between the pump outlet (24; 124; 224) and an outlet (48; 148; 262) of the pump arrangement and comprising a valve seat (42; 142; 252) and a valve lid (44; 144; 254);
    wherein the valve lid is formed in a second integrated part (12; 112; 212) of the pump arrangement,
    wherein an inlet (46; 146; 260) of the pump arrangement and a fluid region (50; 150; 270) fluidically connected thereto are formed in a third part (10; 110; 210) of the pump arrangement, and
    wherein the second integrated part (12; 112; 212) is arranged between a first integrated part (14, 114; 214) and the third part (10; 110; 210) of the pump arrangement, wherein a pressure in the fluid region (50; 150; 270) has a closing effect on the safety valve (40; 140; 250), and wherein the pump inlet (22; 122; 222) and the inlet of the pump arrangement (46; 146; 260) are connected fluidically,
    characterized in that the valve seat, the pump outlet and the pump inlet are patterned in a first surface of the first integrated part (14; 114; 214) of the pump arrangement.
  2. Arrangement in accordance with claim 1, wherein the pump inlet (22; 122; 222) and the inlet of the pump arrangement (46; 146; 260) are connected fluidically via an opening (52; 152; 272) in the second integrated part (12; 112; 212).
  3. Pump arrangement in accordance with claims 1 or 2, wherein the pump (20; 120) is a diaphragm pump comprising passive check valves.
  4. Pump arrangement in accordance with claim 3, wherein a valve seat (26) of a passive check valve at the pump inlet (22) and a valve flap (32) of a passive check valve at the pump outlet (24) are patterned in a second surface of the first integrated part (14) opposite the first surface of the first integrated part (14).
  5. Pump arrangement in accordance with claim 4, further comprising a fourth part (16) of the pump arrangement, the first integrated part (14) being arranged between the fourth part (16) and the second integrated part (12) of the pump arrangement, and a valve flap (28) of the check valve at the pump inlet (22) and a valve seat (30) of the check valve at the pump outlet (24) being patterned in a first surface of the fourth part (16) facing the first integrated part (14).
  6. Pump arrangement in accordance with claim 5, further comprising a fifth part (18), the fourth part (16) being arranged between the first integrated part (14) and the fifth part (18), and a pump diaphragm (34) of the pump (20) being patterned in the fifth part (18).
  7. Pump arrangement in accordance with claim 3, wherein the first integrated part (114) comprises one or more recesses in a second surface thereof opposite the first surface, wherein one or more check valve modules (126) comprising a check valve for the pump inlet and a check valve for the pump outlet are attached to the one or more recesses.
  8. Pump arrangement in accordance with claims 3 or 7, wherein the diaphragm pump comprises a metal diaphragm (128) and check valves made of silicon.
  9. Pump arrangement in accordance with claims 1 or 2, wherein the pump (220) is a peristaltic micropump.
  10. Pump arrangement in accordance with one of claims 1 to 9, wherein at least portions of a pump chamber (38; 130; 236) are patterned in a second surface of the first integrated part (14; 114; 214) opposite the first surface thereof, and wherein a pump diaphragm (34; 128; 216) is provided so as to abut on the pump chamber.
  11. Pump arrangement in accordance with claim 10, wherein a contour of wall sections of the pump chamber (130) which are opposite the pump diaphragm (128) is adapted to a contour of the pump diaphragm (128) in a deflected state.
  12. Pump arrangement in accordance with claim 10, wherein the pump diaphragm (34) comprises elevations (34a, 34b) projecting in the pump chamber.
  13. Pump arrangement in accordance with one of claims 1 to 12, wherein the second integrated part (12; 112; 212) comprises a layer of uniform thickness arranged between the first integrated part (14; 114; 214) and the third part (10; 110; 210) in which one or more openings (52; 54; 152; 272) are formed, wherein the second integrated part (12; 112; 212) separates the first integrated part (14; 114; 214) and the third integrated part (10; 110; 210) completely.
  14. Pump arrangement in accordance with one of claims 1 to 13, wherein a pump arrangement outlet (48) is formed in the third part (10) or in the first integrated part (114; 214).
  15. Pump arrangement in accordance with one of claims 1 to 14, wherein the safety valve comprises spacers which reduce bending of the valve lid (44) with a positive pressure in the fluid region (50).
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