EP3841303B1

EP3841303B1 - Mikrogebläse

Info

Publication number: EP3841303B1
Application number: EP19783618.2A
Authority: EP
Inventors: Frank Bartels; Anja Strube; Florian Siemenroth
Original assignee: Bartels Mikrotechnik GmbH
Current assignee: Bartels Mikrotechnik GmbH
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2023-07-26
Anticipated expiration: 2039-08-23
Also published as: WO2020039399A1; EP3841303A1; US11434893B2; JP2021535323A; DE102018120782B3; US20210199106A1; EP3841303C0

Description

Einleitung

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Pumpe für kompressible Fluide. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Mikrogebläse für Gase oder Gasgemische wie insbesondere Luft.

Stand der Technik und Nachteile

Mikropumpen sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Einer Definition zufolge dienen sie dem Fördern von Fluiden (Flüssigkeiten und Gasen) geringer Volumina. Diese liegen typischerweise im Bereich von Mikro- bis Millilitern pro Minute.
Neben der geförderten Fluidmenge je Zeiteinheit kann jedoch auch die Größe der Pumpe, insbesondere ihres Pumpgehäuses, entscheidend bei der Frage nach dem Vorliegen einer Mikropumpe sein. Insofern bezeichnet der Begriff "Mikropumpe" auch ein besonders kleines Gehäuse, welches Kantenlängen im Bereich einiger Millimeter bis hin zu wenigen Zentimetern aufweist. Häufig werden Komponenten wie Netzversorgung und Steuerung separat von besagtem Gehäuse untergebracht, weswegen sich der Begriff "Mikropumpe" im engeren Sinne auf die zum eigentlichen Fördern benötigten Komponenten (Pumpkammer, Ventile, Gehäuse dazu) beschränkt. Insbesondere eine derartige Mikropumpe ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Insbesondere zur Förderung von inkompressiblen Fluiden (Flüssigkeiten) geeignete Mikropumpen basieren auf dem so genannten Peristaltik-Prinzip. Zwei oder mehr im Wechsel schwingende Piezokeramikscheiben vergrößern und verkleinern rhythmisch das Volumen zweier an sie angrenzender Pumpkammern. Durch geschickte Kopplung der Kammern mittels beweglicher Rückschlagventile sowie einem Phasenversatz der Ansteuerung wird die Förderrichtung festgelegt. Durch Variation des Hubes oder der Schwingfrequenz kann die Pumpe eine Bandbreite von Flüssigkeitsmengen fördern.
Derartig aufgebaute Mikropumpen sind zwar grundsätzlich zum Fördern sowohl von Flüssigkeiten als auch Gasen geeignet; im Betrieb der Mikropumpe führen die Ventile aufgrund ihrer Trägheit zu einer Begrenzung der Pumpfrequenz. Außerdem sind sie einer ständigen, meist hochfrequenten Belastung ausgesetzt, was hohe Anforderungen an ihre mechanischen Eigenschaften stellt. Ein weiterer Nachteil besteht in der auf den Antrieb der Pumpe zurückgehenden Geräuschemission. Bei Frequenzen oberhalb von ca. 300 Hz sind diese auch bei kleinen Abmessungen deutlich hörbar, und bei Frequenzen oberhalb von ca. 1000 Hz steigt die Geräuschemission auf ein in vielen Anwendungsszenarien nicht tolerierbares Maß. Ein Betrieb oberhalb der Hörschwelle von ca. 20 KHz ist wegen der Trägheit der Ventile nicht möglich. Dementsprechend ist der Fördermenge eine praktische Grenze gesetzt.
Desweiteren sind Mikropumpen bekannt, welche auf mechanische Ventile verzichten. Sie werden stattdessen in einem engen Frequenzbereich, vorzugsweise der Resonanzfrequenz 1. oder höherer Ordnung, betrieben. Sie sind so ausgelegt, dass bei der Betriebsfrequenz fluiddynamische Effekte zum Tragen kommen, die in der Ausbildung einer Vorzugsrichtung beim Fördern des Fluids führen. So sind aus der Druckschrift DE 11 2013 002 723 T5 , der Druckschrift US 2011/0076170 A1 sowie der Druckschrift US 2016/0377072 A1 Mikropumpen bekannt, welche unter hohen, vorzugsweise im nichthörbaren Bereich liegenden Frequenzen betrieben werden. Der einzige, in Form einer Piezoscheibe vorliegende Aktuator ist auf einer Membran befestigt, welche Durchtrittsöffnungen für das zu fördernde Fluid bereitstellt. Beiderseits der Membran sind mit Fluid gefüllte Kammern vorhanden. Die Strömungsverhältnisse beim Betrieb der Pumpe führen zu einem je nach Schwingungsrichtung der Membran unterschiedlich starken Fluidwiderstand in der entsprechenden Kammer. Auf diese Weise erfolgt ein Fördern des Fluids in die gewünschte Förderrichtung.
Eine Abwandlung des Prinzips insbesondere zur Förderung von Gasen ist in der Druckschrift EP 2 306 018 A1 offenbart. Eine Piezoscheibe bildet zusammen mit einer Membran, an welcher sie befestigt ist, eine Schwingplatte. An der Seite, welche der Piezoscheibe abgewandt ist, ist eine Hohlkammer angeordnet. Diese weist eine zentrische Öffnung auf. Die aus Schwingplatte und Hohlkammer bestehende Schwungeinheit ist elastisch in einem zur Seite der Piezoscheibe offenen Außengehäuse gelagert, so dass die gesamte Schwungeinheit in Wölbungsrichtung der Piezoscheibe schwingen kann, von der sie angetrieben wird. Das Außengehäuse weist, ebenfalls zentrisch, eine Ausgangsöffnung auf. Zwischen der Schwungeinheit und der Innenseite des Außengehäuses ist ein Luftspalt vorhanden. Als Eingangsöffnung dient der Teil des Luftspalts, der in den Bereich führt, welcher die senkrecht zur Fläche der Piezoscheibe verlaufenden Seitenwände der Hohlkammer umgibt.
Wird nun die Piezoscheibe, und mit ihr die gesamte Schwungeinheit, in Schwingungen versetzt, die vorzugsweise die Resonanzfrequenz aufweisen, so wird in einer Ansaugphase Gas durch die Eingangsöffnung und den sich daran anschließenden, vorstehend genannten Bereich angesogen. Der hierzu nötige Unterdruck entwickelt sich im sich sukzessive vergrößernden Bereich zwischen der zentrischen Öffnung der Hohlkammer und der Ausgangsöffnung. In der anschließenden Ausbringphase verkleinert sich dieser Bereich wieder. Durch geeignete Gestaltung des Luftspalts sowie der Größe der zentrischen Öffnung in Hohlkammer und Außengehäuse werden die o.g. fluiddynamischen Effekte genutzt, und es kann eine Vorzugsrichtung ausgebildet werden, in welche das Gas transportiert wird.
Nachteilig an der dargestellten Konstruktion ist die Tatsache, dass sich die Piezoscheibe im nach Außen offenen Bereich des Außengehäuses befindet, und dass sie außerdem während des Betriebes von Gas umströmt werden muss. Mechanische Beschädigungen, oder Beeinträchtigungen durch Umgebungseinflüsse (Luftfeuchte, aggressive Gase, etc.) können so nicht ausgeschlossen werden. Zudem befinden sich Ein- und Ausgangsöffnung an gegenüberliegenden Seiten der Mikropumpe. In bestimmten Fällen kann dies nachteilig sein, beispielsweise dann, wenn die Mikropumpe auf einer "fluidischen Leiterplatte" montiert werden soll, in welcher fluidführende Kanäle vorhanden sind. Auch vergrößert der zwischen Schwungeinheit und Innenseite des Außengehäuses vorhandene Luftspalt das Außengehäuse, bzw. verringert den für die Schwungeinheit zur Verfügung stehenden Raum.
Eine Fortbildung dieser insbesondere für Gase vorgesehenen Mikropumpe ist aus der Druckschrift DE 10 2012 101 861 A1 bekannt. Demnach weist die Pumpe zur Verhinderung einer Beeinträchtigung durch beim Betrieb mit dem Gas eingesogenen Staub oder Flüssigkeiten ein gasdurchlässiges, jedoch flüssigkeitsundurchlässiges Gewebe über dem Ansaugbereich auf, welches vorzugsweise schwingfähig ist. Allerdings verringert besagter Schutz auch die Förderleistung der Mikropumpe, da nunmehr ein Teil der Leistung für den Transport des Gases durch das einen gewissen Strömungswiderstand aufweisenden Gewebes benötigt wird.
Eine weitere, in Teilen mit der Mikropumpe mit Hohlkammer vergleichbare Lösung ist aus der Druckschrift EP 2 090 781 B1 bekannt. Hier befindet sich die Piezoscheibe ebenfalls an der Außenseite einer Hohlkammer mit zentrischer Öffnung, welche jedoch nicht als Ganzes schwingen kann; lediglich die als schwingende Membran ausgebildete Wand, an welcher die Piezoscheibe angebracht ist, kann schwingen. Jenseits der dieser Wand gegenüberliegenden, die zentrische Öffnung aufweisenden Wand ist in einem Abstand eine weitere Wand angeordnet, welche die zentrische Ausgangsöffnung aufweist. Als Eingangsöffnung dient der Spalt zwischen den letztgenannten Wänden. Wird die Membran in Schwingungen versetzt, ändert sich der Innendruck in der Hohlkammer, der sich durch die zentrische Öffnung in den vorgenannten Spalt fortpflanzt. Dort führt ein Unterdruck zu einem Ansaugen von Gas in den Spalt hinein, und ein anschließender Überdruck zu einem Ausblasen des Gases, bevorzugt durch die Ausgangsöffnung hindurch.
US2016/010636 A1 zeigt eine weitere Mikropumpe nach dem Stand der Technik.

Aufgabe der Erfindung und Lösung

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren bereitzustellen, welche bzw. welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet. Demnach soll eine erfindungsgemäße Mikropumpe für kompressible Fluide eine verbesserte Unempfindlichkeit gegen mechanische und andere äußere Beeinträchtigungen aufweisen. Sie soll zur mechanischen Verbindung mit einer Fläche geeignet sein, und außerdem eine verbesserte Ausnutzung des Bauvolumens erlauben.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach nebengeordnetem Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweils abhängigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung, sowie den Figuren zu entnehmen.

Beschreibung

Im Folgenden werden zunächst die erfindungsgemäße Mikropumpe und vorteilhafte Ausführungsformen derselben beschrieben. Daran schließt sich eine Darstellung ihrer Verwendung an.
Die erfindungsgemäße Mikropumpe dient der Förderung von kompressiblen Fluiden wie insbesondere Gasen.
Die Mikropumpe umfasst zwei Haupt-Einheiten, welche jedoch nicht unabhängig voneinander betrachtet werden dürfen, sondern eng aufeinander abgestimmt sein müssen und so ein gemeinsames Ganzes bilden, um den gewünschten Fluidtransport zu gewährleisten.
Die erste Haupt-Einheit wird nachfolgend als "Schwungeinheit" bezeichnet, da (im idealisierten Fall) ausschließlich sie während des Betriebs in Bewegung ist. Die Schwungeinheit umfasst einen scheibenförmigen, meist runden oder rechteckigen Piezoaktuator, der typischerweise einen Durchmesser von wenigen (z.B. 1 - 5) Millimetern bis zu wenigen (z.B. 1 - 4) Zentimetern hat, und der bei Ansteuerung, d.h. bei Anlegen einer geeigneten Spannung, von einem typischerweise ebenen Ruhezustand in einen typischerweise gewölbten Auslenkungszustand geht. Ggf. kann durch Anlegen einer entgegengesetzt gepolten Spannung eine Wölbung in die entgegengesetzte Richtung erzeugt werden, was den nutzbaren Hub entsprechend vergrößert.
Der Piezoaktuator ist an einer Innen- und/oder Außenseite einer Schwingmembran angeordnet. Er ist mit dieser fest verbunden, so dass diese die vorstehend beschriebene Wölbung mit durchführt. Es ist auch denkbar, Piezoaktuator und Schwingmembran einteilig auszuführen, oder letztere sogar als Untereinheit des Piezoaktuators zu sehen. Die Innenseite ist die Seite, welche in Richtung der weiter unten beschriebenen Gebläsekammer weist.
Der Innenseite der Schwingmembran gegenüber liegend ist eine Schwingplatte angeordnet. Je nach Ausführungsform wird sich diese vorzugsweise auch im Betrieb bewegen. Die Schwingplatte hat mindestens eine mittig angeordnete Gebläseöffnung. Weist diese mehrere Gebläseöffnungen auf, befinden sie sich bevorzugt ebenfalls im mittigen Bereich.
Zwischen Schwingmembran und Schwingplatte ist eine umlaufende und im wesentlichen gasdicht mit beiden verbundene Wandung angeordnet, so dass im Inneren der Schwungeinheit eine Gebläsekammer gebildet ist. Die Schwungeinheit ist demnach innen hohl ausgestaltet, und der Hohlraum, d.h. die Gebläsekammer, weist (mindestens) eine Öffnung auf, durch welche das Fluid ein- und wieder ausströmen kann.
Die zweite Haupt-Einheit wird nachfolgend als "Gehäuse" bezeichnet. In diesem ist die Schwungeinheit vollständig aufnehmbar, wobei ein die Schwungeinheit umgebender Spalt vorhanden ist. Dieser ist nötig, da die Schwungeinheit im Gehäuse in Schwungrichtung des Piezoaktuators mittels mindestens einer Aufhängung schwingend gelagert ist, wobei klar ist, dass der Spalt so zu bemessen ist, dass im normalen Betrieb keine Kollision zwischen Schwungeinheit und Gehäuse auftreten kann.
Die Aufhängung ist dazu vorgesehen, die Schwungeinheit von dem sie umgebenden Gehäuse schwingungsmäßig zu entkoppeln. Auf diese Weise wird die Effizienz der Mikropumpe gesteigert, da keine Energie durch ein (unerwünschtes) Bewegen (d.h. Mitschwingen) des Gehäuses verloren geht.
Das Gehäuse weist mindestens eine Eingangs- oder Ansaugöffnung auf. Durch diese kann Fluid in das Innere des Gehäuses einströmen.
Das Gehäuse weist (mindestens) eine Ausgangsöffnung auf, die ebenfalls mittig angeordnet ist, und somit der Gebläseöffnung gegenüberliegt. Zwischen beiden Öffnungen ist ein Spalt vorhanden, der mindestens so groß ist, dass im normalen Betrieb keine Kollision zwischen Schwungeinheit und Gehäuse auftreten kann.
Erfindungsgemäß bildet das Gehäuse einen geschlossen, auch den Piezoaktuator abdeckenden und ihn so vor Umgebungseinflüssen schützenden Raum. Insbesondere sind auch die nach Außen weisende Seite der Schwingmembran, und mit ihr der Piezoaktuator, durch das Gehäuse abgedeckt.
Erfindungsgemäß ist ferner die Ansaugöffnung radial (und somit senkrecht zur Schwingrichtung des Piezoaktuators), oder an einer der Schwungeinheit gegenüberliegenden Unterseite angeordnet. Sie weist einen Ansaugkanal auf, der in eine zwischen Schwingplatte und Gehäuseinnenseite liegende "Pumpkammer" führt.
Bei schwingendem Betrieb des Piezoaktuators ist die Schwungeinheit relativ zum Gehäuse in Schwingungen versetzbar, wodurch das kompressible Fluid durch die Ansaugöffnung ansaugbar, und durch die Ausgangsöffnung ausgebbar ist.
Die Erfindung vermeidet somit die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile. Da der Piezoaktuator vollständig vom Gehäuse umgeben ist, schützt ihn dieses vor unerwünschten mechanischen Beeinträchtigungen und Umgebungseinflüssen. Der Schutz ist jedoch nur aufgrund der erfindungsgemäßen Konstruktion möglich, da hier das Fluid nicht durch eine Ansaugöffnung strömt, welche am Piezoaktuator vorbeiführt, wie es teilweise im Stand der Technik praktiziert wird. Da die Ansaugöffnung nicht gegenüber, sondern seitlich von, oder auf derselben Seite wie die Ausgangsöffnung liegt, kann die erfindungsgemäße Mikropumpe auch auf einer Platte montiert werden, ohne eine der Öffnungen zu verschließen, bzw. ohne das eine oder gar mehrere entsprechende Bohrungen für die Öffnungen in der Platte notwendig wären. Schließlich nutzt die erfindungsgemäße Mikropumpe den ihr zur Verfügung stehenden Bauraum optimal, da der seitlich (im Bereich der Wandung) vorhandene Spalt lediglich so groß sein muss, dass die Schwingbewegung des Schwungkörpers nicht behindert wird; da die Bewegung parallel zur (seitlichen) Innenwand des Gehäuses verläuft, reicht ein kleinster Spalt, beispielsweise von 10 - 1000 µm, aus. Demgegenüber muss der Luftspalt nach den aus dem Stand der Technik bekannten Konstruktionen ausreichend groß für den Gastransport sein, was zu einem signifikant größeren Abstand und somit, bei vergleichbarer Förderleistung, einem größeren Gehäuse führt.
Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben.
Nach einer Ausführungsform weist das Gehäuse einen Gehäusekörper und einen Gehäusedeckel auf. Der Gehäusekörper hat dann eine topfartige Form mit Boden und umlaufenden Wandungen.
Nach einer Variante dieser Ausführungsform ist der Gehäusekörper dazu eingerichtet, alle beweglichen Komponenten einschließlich der zur Schwingung benötigten Spaltmaße aufzunehmen. Im Ergebnis erlaubt dies die Nutzung eines sehr flachen Gehäusedeckels. Zudem können alle beweglichen Komponenten bei der Herstellung nacheinander in den Gehäusekörper eingelegt und das Gehäuse schließlich mit dem Gehäusedeckel verschlossen werden. Der Deckel kann auch einfach, d.h. ohne Vertiefungen, geformt sein.
Nach einer anderen Variante dieser Ausführungsform sind zumindest Teile der beweglichen Komponenten in einer innenseitigen Vertiefung des Gehäusedeckels angeordnet, oder sie bewegen sich zumindest im Betrieb schwingend in diese hinein und wieder aus ihr heraus. Das bedeutet, dass der Gehäusekörper flacher ausfallen kann, da auch der Deckel Platz zur Aufnahme bestimmter Komponenten bereitstellt. Die Herstellung in etwa gleichdicker Gehäuseteile kann insbesondere bei Spritzgussteilen, oder bei der zeitgleichen Herstellung beider Teile mittels 3D-Druck vorteilhaft sein.
Nach einer Ausführungsform der Schwungeinheit sind Schwingplatte und Wandung integriert gefertigt. Beide Komponenten zusammen weisen somit im Zusammenbau eine topfartige Form auf, auf welche dann die Schwingmembran gewissermaßen als "Deckel" aufgesetzt wird, um die weitgehend geschlossene Gebläsekammer bereitzustellen.
Selbst eine Integration auch der Schwingmembran ist möglich, beispielsweise mittels der Verwendung von 3D-Druck.
Nach einer anderen Ausführungsform der Schwungeinheit sind Schwingplatte und Wandung als separate Komponenten gefertigt. Die Schwingplatte kann dann insbesondere als flacher, scheibenförmiger Körper bereitgestellt sein, auf welchen ein Ring bestimmter Dicke aufgebracht ist. Der Raum, welchen der Ring umschließt, definiert dann die Gebläsekammer. Auf diese Weise sind unterschiedlich hohe Gebläsekammern leicht herstellbar, da jeweils nur ein unterschiedlich dicker Ring einzusetzen ist; die Schwingplatte kann unverändert bleiben.
Nach einer weiteren Ausführungsform ist der Piezoaktuator gasdicht zur Pumpkammer angeordnet. Das bedeutet, dass der Piezoaktuator nicht mehr mit dem zu fördernden Fluid in Kontakt kommt, da der Raum, in dem sich dieser befindet, abgeschossen ist. Dies ist beispielsweise dadurch erreichbar, dass die Aufhängung umlaufend durchgehend ausgestaltet ist, oder eine zusätzliche dünne, die Schwingung nicht behindernde Schutzmembran vorhanden ist. Somit ist der Spalt zwischen Wandung der Schwungeinheit und Innenwand des Gehäuses umlaufend unterbrochen; lediglich das Teilvolumen des Gehäuseinneren, in welchem sich der Piezoaktuator nicht befindet (Pumpkammer), kommt in Kontakt mit dem Fluid.
Es sei angemerkt, dass auch eine Konstruktion mit nichtgetrennten Teilvolumen bereits zu einer verbesserten Trennung von Piezoaktuator und zu förderndem Fluid führt, da letzteres nicht laufend an ersterem vorbeigeführt wird, sondern bestenfalls in geringen Mengen in den entsprechenden Halbraum eindringt, ohne ständig ausgetauscht zu werden.
Vorzugsweise hat der Piezoaktuator einen Durchmesser von 5 bis 50 mm, und bevorzugt von 8 bis 20 mm, und besonders bevorzugt von 10 bis 15 mm.
Der Spalt zwischen der Wandung und der Innenseite des Gehäuses ist vorzugsweise kleiner als 0,01 bis 1 mm, und besonders bevorzugt kleiner als 0,5 mm.
Die Mikropumpe weist, abzüglich ggf. vorhandener Stutzen etc., bevorzugt eine Gesamthöhe von 3 bis 10 mm auf; besonders bevorzugt ist sie kleiner als 8 mm.
Nach einer weiteren Ausführungsform liegt der Durchmesser der Gebläseöffnung zwischen 3,0 und 0,1 mm, und bevorzugt zwischen 2,0 und 0,3 mm, und besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 0,7 mm.
Der Durchmesser der Ansaugöffnung(en) liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 10,0 mm, und bevorzugt zwischen 0,2 und 5,0 mm, und besonders bevorzugt zwischen 0,5 mm und 2,5 mm.
Der Durchmesser der Ausgangsöffnung(en) liegt vorzugsweise zwischen 0,1 und 10,0 mm, und bevorzugt zwischen 0,25 und 5,0 mm, und besonders bevorzugt zwischen 0,7 und 0,9 mm.
Je nach Anzahl der Öffnungen gilt dies für jede Öffnung einzeln, oder für die Summe der Querschnitte der jeweiligen Öffnungen.
Nachfolgend wird nunmehr die Darstellung der Verwendung der erfindungsgemäßen Mikropumpe gegeben.
Demnach dient das Verfahren dem Fördern eines kompressiblen Fluids wie insbesondere eines Gases unter Verwendung einer Mikropumpe gemäß vorstehender Definition; zur Vermeidung von Wiederholungen wird auf die entsprechenden obenstehenden Passagen verwiesen.
In einer Ansaugphase wird der Piezoaktuator mit einer geeigneten Spannung derart angesteuert, das er sich entgegen der Richtung der Gebläseöffnung wölbt. Dadurch bildet sich in der Gebläsekammer ein Unterdruck, welcher sich durch die o.g. Gebläseöffnung auch in die Pumpkammer fortpflanzt, wodurch durch die Ansaugöffnung Fluid angesogen wird.
In einer anschließenden Ausgabephase wird der Piezoaktuator hingegen derart angesteuert, dass er sich nunmehr in Richtung der Gebläseöffnung wölbt. Alternativ erfolgt keine (aktive) Ansteuerung, so dass der Piezoaktuator in eine typischerweise ebene Ruheposition (zurück)geht. Dies führt jeweils dazu, dass sich der Unterdruck in der Gebläsekammer zurückbildet oder gar, gemessen am Umgebungsdruck, ein Überdruck erzeugt wird, welcher sich ebenfalls durch besagte Gebläseöffnung in die Pumpkammer fortpflanzt, wodurch, unter Ausnutzung oben beschriebener fluiddynamischer Effekte, durch die Ausgangsöffnung Fluid ausgegeben wird.
Durch das rhythmische Bewegen des Piezoaktuators wird auch die gesamte Schwungeinheit in Schwingungen versetzt.
Die Vorzugsrichtung, also das Einsaugen durch die Ansaugöffnung, und das Ausgeben durch die Ausgangsöffnung, wird demnach durch die besondere Bauart der Mikropumpe, insbesondere durch das Vorhandensein der Gebläsekammer, der Gebläseöffnung, der Schwingbewegung der Schwungeinheit in Relation zum sie umgebenden Gehäuse, sowie die Anordnung der Ansaug- und der Ausgangsöffnung erreicht.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es, unter Verwendung der erfindungsgemäßen Mikropumpe, einen verbesserten Schutz des Piezoaktuators vor unerwünschten äußeren Einflüssen erlaubt, da das Fluid nur außerhalb des den Piezoaktuator beinhaltenden Halbraums gefördert wird. Die Aufhängung teilt das Innere des Gehäuses in zwei Halbräume; ein Halbraum beinhaltet den Piezoaktuator, in den anderen Halbraum münden Ansaug- und Ausgangsöffnung(en), und nur dieser wird von dem geförderten Fluid aktiv durchströmt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform schwingt auch die Schwingplatte jeweils in Bewegungsrichtung des Piezoaktuators, d.h., beide Platten bewegen sich in etwa jeweils in gleicher Richtung. Auf diese Weise ist eine verbesserte Erzeugung von Unter- bzw. Überdruck in der Pumpkammer erreichbar.
Nach einer anderen, bevorzugten Ausführungsform schwingt die Schwingplatte ebenfalls, jedoch jeweils entgegen der Bewegungsrichtung des Piezoaktuators, d.h., beide Platten bewegen sich zwar mit gleicher Frequenz, aber gerade in entgegengesetzter Richtung zueinander. Auf diese Weise bilden die Schwingmembran und die Schwingplatte zusammen mit der Wandung eine Art Blasebalg, welcher bei jedem Schwingzyklus zwischen einem minimalen und maximalen Volumen der Gebläsekammer wechselt. Dies führt zu einem besonders starken Ein- und Ausströmen des Fluids in die bzw. aus der Gebläsekammer.

Figurenbeschreibung

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren beispielhaft erläutert. Dabei zeigt

Figur 1: eine Explosionsansicht der wichtigsten Komponenten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Figur 2: eine Schnittansicht durch den Zusammenbau dieser Ausführungsform;
Figur 3: einen schematischen Querschnitt durch diese Ausführungsform zur Verdeutlichung der Fluidpfade;
Figur 4: einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform mit axialer Ansaugöffnung;
Figur 5: eine Explosionsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Figur 6: eine Schnittansicht durch den Zusammenbau dieser Ausführungsform;
Figur 7: eine Explosionsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Figur 8: eine Schnittansicht durch den Zusammenbau dieser Ausführungsform.

In der Figur 1 ist eine Explosionsansicht der wichtigsten Komponenten einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe dargestellt.
Demnach umfasst die Mikropumpe zwei Haupt-Einheiten. Die erste Haupt-Einheit die Schwungeinheit 10.
Die Schwungeinheit 10 umfasst einen scheibenförmigen Piezoaktuator 11, welcher an einer (im Bild nach oben weisenden) Außenseite einer Schwingmembran 12 angeordnet ist. Als Wandung für die Gebläsekammer 13 ist ein Ring 14 definierter Dicke vorhanden. Dieser ist auf der Schwingplatte 15, welcher der Innenseite der Schwingmembran 12 gegenüber liegt, angeordnet. In der Schwingplatte 15 befindet sich eine mittig angeordnete Gebläseöffnung 16. Nach dieser Ausführungsform liegen Schwingplatte 15 und Wandung (Ring 14) als separate Bauteile vor.
Seitlich der Schwingplatte 15 sind symmetrisch vier Aufhängungen 17 angeordnet (nur eine mit Bezugszeichen versehen). Mittels dieser kann die übrige Schwungeinheit 10 zumindest, und bevorzugt nur, in (im Bild) vertikaler Richtung schwingen. Die distalen Enden der Aufhängungen 17 sind in entsprechend geformte Aufnahmen 22 des Gehäusekörpers 21 einlegbar (ebenfalls nur eine mit Bezugszeichen versehen).
Die zweite Haupt-Einheit ist das Gehäuse 20.
Der Gehäusekörper 21 umfasst eine Vertiefung 23, in welcher die Komponenten der Schwungeinheit 10 zumindest teilweise aufnehmbar sind. Zwischen Schwungeinheit 10 und Innenseite des Gehäuses 20 ist demnach ein Spalt S (vgl. z.B. nächste und übernächste Figur) vorhanden, der die benötigte Bewegungsfreiheit der Schwungeinheit 10 sicherstellt. Im Gehäusekörper 21 sind vorliegend vier Ansaugöffnungen 24 vorhanden (nur eine mit Bezugszeichen versehen). Diese verlaufen vorliegend zunächst radial zur HauptBewegungsrichtung der Schwungeinheit 10, die im Bild in vertikaler Richtung verläuft. Sie münden nach einem 90-Grad-Knick (nicht sichtbar, vgl. nächste Figur) in die Pumpkammer 26. Von dieser geht mittig eine Ausgangsöffnung 25 ab, die der Gebläseöffnung 16 gegenüberliegt.
Das Gehäuse 20 umfasst außerdem einen Gehäusedeckel 27, der den Innenraum, umfassend Pumpkammer 26 und Halbraum H, des Gehäuses 20 abschließt. Vorliegend ist der Gehäusedeckel 27 als separate Komponente vorgesehen, welche gasdicht mit dem Gehäusekörper 21 verbunden wird. In der gezeigten Ausführungsform weist auch der Gehäusedeckel 27 eine Vertiefung auf (ohne Bezugszeichen), in welcher die Komponenten der Schwungeinheit 10 ebenfalls zumindest teilweise aufnehmbar sind.
In der Figur 2 , die eine Schnittansicht durch den Zusammenbau dieser Ausführungsform zeigt, ist erkennbar, dass das Gehäuse 20 einen geschlossenen, auch den Piezoaktuator 11 abdeckenden und ihn so vor Umgebungseinflüssen schützenden Raum bildet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nur einige der Bezugszeichen eingezeichnet.
Erkennbar ist auch der die Schwungeinheit 10 umgebende Spalt S, sowie die Führung der Ansaugöffnungen 24, welche radial in das Gehäuse hineinführen und, nach einer 90-Grad-Kurve, senkrecht in die Pumpkammer 26 einmünden.
Wird die dargestellte Ausführungsform in umgedrehter Lage auf einer Platte montiert, so wird keine der Öffnungen durch diese Platte verdeckt oder verschlossen.
Nach einer nicht gezeigten Ausführungsform weist der Gehäusekörper nur eine einzige, vorzugsweise umlaufende Ansaugöffnung auf. Die Ansaugöffnung verläuft dann parallel zum Boden der Pumpkammer unterhalb derselben, und weist mindestens eine, vorzugsweise jedoch mehrere Mündungen in die Pumpkammer auf. Auf diese Weise ist der Fluidwiderstand beim Einströmen besonders gering.
Die Figur 3 schließlich deutet die Strömungspfade des Fluids bei Betrieb der Mikropumpe an. Auch hier sind nur einige der Bezugszeichen eingezeichnet. Nach dieser Ausführungsform sind Schwingplatte 15 und Wandung integriert gefertigt. Der Piezoaktuator 11 ist gasdicht zur Pumpkammer 26 angeordnet. In einer Ansaugphase bewegt sich die Schwungeinheit 10 in Richtung des Pfeils 31. Mithin wird im unteren Halbraum, der die Pumpkammer 26 bildet, ein Unterdruck erzeugt. Dieser führt dazu, dass Fluid (nicht dargestellt) in Richtung der Pfeile 32 durch die Ansaugöffnungen 24 in die Pumpkammer 26 einströmt.
In einer Ausgabehase hingegen bewegt sich die Schwungeinheit 10 entgegen der Richtung des Pfeils 31. Es kommt zu einem Druckanstieg in der Pumpkammer 26, der zu einem Ausströmen des Fluids durch die Ausgangsöffnung 25 führt.
Wie erkennbar, wird das Fluid jederzeit außerhalb des den Piezoaktuator 11 beinhaltenden oberen Halbraums H gefördert, der vorliegend oberhalb der Schwingplatte 15 liegt. Selbst, wenn die Aufhängung 17 unterbrochen ausgestaltet ist, bewegt sich das Fluid im Halbraum H nur wenig hin und her, wird also nicht ausgetauscht und "fließt" demnach auch nicht, was zu einer Reduktion möglicher Beeinträchtigungen des Piezoaktuators durch das Fluid führt.
Die Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine Ausführungsform mit axialer Ansaugöffnung. Die meisten Bezugszeichen wurden aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassen. Die gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 3 darin, dass die Ansaugöffnung 24 nicht radial verläuft, sondern sich in axialer Richtung erstreckt. Sie verläuft demnach in etwa parallel zur Ausgangsöffnung 25, und befindet sich an einer der Schwungeinheit 10 gegenüberliegenden Unterseite. Die Längen beider Öffnungen 24, 25 können gleich, aber auch, wie gezeigt, unterschiedlich sein. Die Ansaugöffnung 24 kann mehrteilig sein, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt. Sie kann auch als Ringöffnung ausgestaltet sein.
Die Figur 5 zeigt eine Explosionsansicht einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe. Auch hier wurden, wie in den folgenden Figuren ebenfalls, die meisten Bezugszeichen aus Gründen der Übersichtlichkeit fortgelassen. Die Figur 6 zeigt die Ausführungsform der Fig. 5 in einer Schnittansicht. Im Unterschied zur Ausführungsform der Fig. 1 und 2 weist eine Mikropumpe nach dieser Ausführungsform einen Gehäusekörper 21 auf, welcher dazu eingerichtet ist, alle beweglichen Komponenten einschließlich der zur Schwingung benötigten Spaltmaße aufzunehmen. Der Gehäusedeckel 27 ist im wesentlichen eben ausgestaltet und weist insbesondere auf der Innenseite keine Vertiefungen für die innenliegenden Komponenten (Schwungeinheit 10) auf.
In Fig. 5 erkennbar ist außerdem ein elektrischer Anschluss 11B für den Piezoaktuator 11, welcher nach dem Zusammenbau des Gehäuses 10 aus diesem herausragt (Fig. 6).
Figur 7 und Figur 8 zeigen eine weitere Ausführungsform der Mikropumpe. Nach dieser ist das Gehäuse 20 zweiteilig ausgestaltet. Es umfasst ein Unterteil 21A und ein Oberteil 21B, neide Teile können z.B. mittels Klebens oder Schweißens miteinander verbunden werden. Bevorzugt erfolgt die Verbindung im Zuge der Verbindung der übrigen Gehäusekomponenten wie insbesondere des Deckels 27. Ein zweiteiliges Gehäuseunterteil 21 weist den Vorteil auf, dass die Ansaugöffnungen 24 mit den entsprechenden Kanälen (nur eine mit Bezugszeichen versehen) fluidisch günstiger geformt sein können (vgl. dazu die Kanäle der Fig. 1 und 2, insbesondere die 90-Grad-Kurve).
Die Ausführungsform der Fig. 7 und 8 zeigt außerdem einen zum Einstecken in einen Schlauch vorbereitete Stutzen der Ausgangsöffnung 25.

Bezugszeichenliste

10: Schwungeinheit
11: Piezoaktuator
11B: elektrischer Anschluss
12: Schwingmembran
13: Gebläsekammer
14: Ring
15: Schwingplatte
16: Gebläseöffnung
17: Aufhängung
20: Gehäuse
21: Gehäusekörper
21A: Unterteil
21B: Oberteil
22: Aufnahme
23: Vertiefung
24: Ansaugöffnung
25: Ausgangsöffnung
26: Pumpkammer
27: Gehäusedeckel
31,32: Pfeil

S: Spalt
H: Raum, Halbraum

Claims

Mikropumpe für kompressible Fluide, umfassend:
- eine von einem Spalt (S) umgebene Schwungeinheit (10), diese umfassend einen scheibenförmigen Piezoaktuator (11), welcher an einer Schwingmembran (12) angeordnet ist, sowie eine einer Innenseite der Schwingmembran (12) gegenüber liegend angeordnete Schwingplatte (15) mit einer mittig angeordneten Gebläseöffnung (16), sowie eine zwischen Schwingmembran (12) und Schwingplatte (15) angeordnete, umlaufende Wandung, so dass eine Gebläsekammer (13) gebildet ist;

- ein Gehäuse (20), im welchem die Schwungeinheit (10) vollständig aufnehmbar, und in welchem sie mittels mindestens einer Aufhängung (17) schwingend gelagert ist, und welches eine Ausgangsöffnung (25) aufweist , die der Gebläseöffnung (16) gegenüberliegt;
dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (20)
- einen geschlossen, auch den Piezoaktuator (11) abdeckenden und ihn so vor Umgebungseinflüssen schützenden Halbraum (H) bildet, und

- mindestens eine radial, oder an einer der Schwungeinheit (10) gegenüberliegenden Unterseite angeordnete Ansaugöffnung (24) mit einem Ansaugkanal aufweist, der in eine zwischen Schwingplatte (15) und Gehäuseinnenseite liegende, vom Ansaugkanal verschiedene Pumpkammer (26) führt,
so dass bei schwingendem Betrieb des Piezoaktuators (11) die Schwungeinheit (10) relativ zum Gehäuse (20) in Schwingungen versetzbar ist, wodurch das kompressible Fluid durch die Ansaugöffnung (24) ansaugbar, und durch die Ausgangsöffnung (25) ausgebbar ist, wobei das Fluid außerhalb des den Piezoaktuator (11) beinhaltenden Halbraums (H) gefördert wird.
Mikropumpe nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (20) einen Gehäusekörper (21) und einen Gehäusedeckel (27) aufweist, und der Gehäusekörper (21) dazu eingerichtet ist, alle beweglichen Komponenten einschließlich der zur Schwingung benötigten Spaltmaße aufzunehmen.
Mikropumpe nach Anspruch 1, wobei das Gehäuse (20) einen Gehäusekörper (21) und einen Gehäusedeckel (27) aufweist, und zumindest Teile der beweglichen Komponenten in einer innenseitigen Vertiefung des Gehäusedeckels (27) angeordnet sind.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Schwingplatte (15) und Wandung integriert gefertigt sind.
Mikropumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Schwingplatte (15) und Wandung als separate Komponenten gefertigt sind.
Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Piezoaktuator (11) gasdicht zur Pumpkammer (26) angeordnet ist.
Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Piezoaktuator (11) einen Durchmesser von 5 bis 50 mm, und/oder ein Spalt (S) zwischen der Wandung und der Innenseite des Gehäuses (20) kleiner als 0,01 bis 1 mm, und die Mikropumpe eine Gesamthöhe von 3 bis 10 mm aufweist.
Mikropumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Gebläseöffnung (16) zwischen 0,5 mm und 0,7 mm, und der Durchmesser der Ansaugöffnung(en) (24) zwischen 0,5 mm und 2,5 mm, und der Durchmesser der Ausgangsöffnung (en) (25) zwischen 0,7 und 0,9 mm beträgt.
Verfahren zum Fördern eines kompressiblem Fluids unter Verwendung einer Mikropumpe gemäß Definition in einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
- in einer Ansaugphase der Piezoaktuator (11) derart angesteuert wird, das er sich entgegen der Richtung der Gebläseöffnung (16) wölbt, wodurch sich in der Gebläsekammer (13) ein Unterdruck bildet, welcher sich durch besagte Gebläseöffnung (16) in die Pumpkammer (26) fortpflanzt, wodurch durch die Ansaugöffnung (24) mit dem Ansaugkanal Fluid angesogen wird, und

- in einer Ausgabehase der Piezoaktuator (11) derart angesteuert wird, das er sich in Richtung der Gebläseöffnung (16) wölbt oder in eine ebene Ruheposition geht, wodurch sich der Unterdruck in der Gebläsekammer (13) zurückbildet oder ein Überdruck erzeugt wird, welcher sich ebenfalls durch besagte Gebläseöffnung (16) in die Pumpkammer (26) fortpflanzt, wodurch durch die Ausgangsöffnung (25) Fluid ausgegeben wird,
so dass die Schwungeinheit (10) in Schwingungen versetzt wird, wobei das Fluid außerhalb des den Piezoaktuator (11) beinhaltenden Halbraums (H) gefördert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei auch die Schwingplatte (15) jeweils in Bewegungsrichtung des Piezoaktuators (11) schwingt.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Schwingplatte (15) entgegen der Bewegungsrichtung des Piezoaktuators (11) schwingt.