JP2012519801A - フィルタ装置を有するポンプ - Google Patents

Abstract

吸引側から圧力側まで媒体をポンプ輸送するためのポンプは、フィルタ装置を含む。フィルタ装置は、流入経路（１０５）、第１の流出経路（１１０）および第２の流出経路（１２０）を含む。疎水性の膜フィルタ（１４０）は、流入経路（１０５）と第１の流出経路との間に配置される。親水性の膜フィルタ（１５０）は、流入経路（１０５）と第２の流出経路（１２０）との間に配置される。流入経路（１０５）において流れる媒体とともに移動する気泡（２１０）がその動作の間に疎水性の膜フィルタ（１４０）と接触するように、少なくとも１つの疎水性の膜フィルタ（１４０）のセクションと１つの親水性の膜フィルタ（１５０）のセクションは、１ｍｍの距離（ｄ）でお互いに向かい合って位置する。フィルタ装置の第１および第２の流出経路（１１０，１２０）は、ポンプの吸引側に接続される。
【選択図】図１ｂ

Description

本発明はフィルタ装置を有するポンプに関する。

小型化が続くにつれて、マイクロポンプはますます重要になっている。実際に使用されて、マイクロポンプは、マイクロポンプの注入口でしばしば粒子フィルタを必要とする。なぜなら、さもなければ、ポンプチャンバの中に存在している粒子によって、マイクロポンプの極小の弁で漏れ量を生じうるか、または、粒子によって、ポンプ膜の動きを妨げうるからである。このことは、結局、ポンプを動かなくする。

粒子とは対照的に、気泡は分離される必要がないため、大部分のマイクロポンプは、現在では、気泡に関して耐性がある。さまざまなガスが考えられ、最も単純なケースは、気泡を含む。

フィルタ−それらが疎水性（液体をはじく）か親水性（液体を引きつける）かに関係なく−は、ぬれフィルタを通じて気泡を導くことを可能にする高い圧力を必要とする。これは、特に、親水性フィルタに妥当する。しばしば、高い圧力も、たとえば、疎水性フィルタを通じて、１滴の液体を導くために必要とされる。しかしながら、このために必要な高い圧力は、流動抵抗に関して不利である。したがって、特にマイクロポンプのために、流動抵抗は、できるだけ少ない程度にフィルタによる影響を与えなければならない。

マイクロ流体工学において、液体は、マイクロポンプを通じてポンプ輸送され、そして、粒子を有するマイクロポンプのいかなる汚濁をも回避するために、親水性フィルタが、マイクロポンプの注入口の前面で主に用いられる。しかしながら、気泡が、濡らされた親水性フィルタでマイクロポンプによって吸い込まれる場合、フィルタは、気泡によってブロックされる。しかしながら、マイクロポンプは、フィルタを通じて気泡を吸い込むために必要とする高い吸入力を、しばしば生成することができない。たとえば、必要な吸入力（または吸入圧）は、１つの制約の状態に達しうる。結果として、システムは、完全に役に立たなくなりうる。

マイクロ流体工学において、小さいシステム圧だけが発生する（マイクロポンプにおける、いわゆるラボチップアプリケーション等）という非常に頻繁な場合において、一方では、粒子フィルタの利用が必要であることは一般的なおよび基本的な課題であるが、しかし、他方では、気泡が非常に高い圧力を有するこれらのフィルタをブロックすることができる。非常に高い圧力は、たとえば、使用するフィルタの細孔の大きさおよびより小さい粒子をろ過して取り除くことに起因し、より高い前記圧力となる。マイクロポンプは非常に小さいので、非常に小さい粒子でさえろ過して取り除くことが重要である。しかしながら、小さい粒子がろ過して取り除きうるために、細孔の大きさも、非常に小さくしなければならない。そして、それは、順に、たとえば、フィルタを通じて気泡を押圧することを必要とする圧力を増加させる。しかしながら、使用するマイクロポンプは、フィルタの非常に小さい孔を通じて気泡を押圧するためにしばしば十分でない限られた圧力を発生させるだけである。

従来のフィルタは、疎水性領域および親水性領域を有しており、従来技術からすでに公知である。たとえば、米国特許出願公開第２００３／００４２２１１号は、疎水性および親水性の要素の直列配置が、粒子と同様に泡を切り離すために実装する公知のフィルタを開示する。公知でもあることは、気泡が流路から除去されることができ、疎水性の要素を用いて周囲の空気を順に送るフィルタである。しかしながら、前記システムの不利な点は、吸引側のマイクロポンプを動作する間、気泡が疎水性の要素による環境からシステムに吸い込まれうるということである。米国特許第５，９９７，２６３号は、フィルタの範囲内の特定の場所で行き詰りうる、いくらかの気泡を除去または回避するためのさらに従来のフィルタを開示する。しかしながら、開示するフィルタ装置は、一次元のフィルタであって、したがって、二次元の平面フィルタより実質的に高い流動抵抗を有する。加えて、バリアとして実装される一次元のフィルタで、異なる疎水性および親水性領域がフィルタラインに沿って実装され、しかしながら、全体としてダクトカバーは、親水性か疎水性のいずれか一方である。これは、流動抵抗の増加の原因にもなる。

さらに、バブル耐性粒子フィルタが、米国特許第４，２７８，０８４号および英国特許第１５１００７２号において開示されており、人工栄養のために用いられる。しかしながら、疎水性のセクションが、親水性のセクションの上で垂直の位置に達するように、両方のフィルタに対して、それらを適用させる必要がある。その結果、いくつかの上昇する気泡も、重力のため、疎水性のセクションの方へ動く。気泡が疎水性のフィルタを通過することができるのは、そこだけである。フィルタの「適切な」方向は、このように、機能するために、フィルタにとって不可欠である。特に、水平軸について１８０度の回転に続いて、フィルタは機能しないか、または、そのパフォーマンスは、明らかに劣っている。なぜなら、これは、流動抵抗の著しい増加の原因になるからである。

米国特許第３，５２３，４０８号Ａは、０．２５ｍｍ〜５ｍｍの距離が基本的に平行な液体をはじきおよび液体で濡れているフィルタの要素の間において設けられるガスバーナを開示する。

米国特許第５，１９０，５２４号Ａは、混合物を形成するために複数の液注入を結合する装置を開示する。空気室は、混合物のための複数に分かれた閉鎖可能な注入口および排出口を示す。１つの親水性の膜および１つの疎水性の膜が空気室の範囲内において設けられる。

米国特許第５，９８９，３１８号Ａから、二相流から水を分離する装置が公知である。ここで、１つのキャビティにおいて、疎水性のフィルタは、二相流からガスを除去するために設けられている。加えて、親水性のフィルタは、水が流水口の開口部から出るのを防止するために設けられている。

米国特許第４，３０２，２２３号Ａは、一対の間隔を置いた膜を呈している空気除去装置を開示しており、その１つは疎水性で、他の１つは親水性である。ポンプは、ガスを除去している装置を介して空気除去装置の注入口に接続されている。

欧州特許出願公開第０４８９４０３号Ａ２は、合成重合微小孔構造体の構造において、ハウジングおよび微小孔構造媒体を含むフィルタ装置を開示する。

独国特許出願公開第１９４９０３８号Ａは、ガスに対して排出口の前面に配置される液体をはじくセクションと、液体に対して排出口の前面に設けられる濡れ性があるセクションを有するガスおよび液体のための分離器を開示する。

米国特許第７，４２２，５６５号Ｂ２は、受入本体および少なくとも１つの親水性の膜を呈する注入管路用の流体分離器を開示する。親水性の膜は、液体のみが通過することができるように流体通路において設けられる。

米国特許出願公開第２００３／００４２２１１号 米国特許第５，９９７，２６３号 米国特許第４，２７８，０８４号 英国特許第１５１００７２号 米国特許第３，５２３，４０８号 米国特許第５，１９０，５２４号 米国特許第５，９８９，３１８号 米国特許第４，３０２，２２３号 欧州特許出願公開第０４８９４０３号 独国特許出願公開第１９４９０３８号 米国特許第７，４２２，５６５号

この従来技術を発端として、本発明の目的は、このように、フィルタ装置の方向に関係なく流動抵抗の増加の原因となる気泡のない気泡を含む媒体から粒子をフィルタするポンプを提供することである。

この目的は、請求項１に記載のポンプによって達成される。

本発明のポンプは、親水性の膜フィルタおよび疎水性の膜フィルタのいずれもを有するフィルタ装置を含み、フィルタされる媒体の流入経路は、第１の流出経路および第２の流出経路に分けられる。疎水性および親水性の膜フィルタの配置は、少なくとも疎水性の膜フィルタのセクションおよび親水性の膜フィルタのセクションが、わずか１ｍｍおよびわずか２００μｍの距離で、お互いに向かい合って位置することを特徴とする。このように、流入経路において流れる媒体とともに移動する気泡が、その動作の間に疎水性の膜フィルタと接触する。その結果、気泡は、疎水性の膜フィルタを容易に通過することができ、膜フィルタの前面における気泡を蓄積することのビルドアップは、このことにより防止される。

このように、このフィルタ装置において、−フィルタ装置の空間的な方向に関係なく−気泡は、フィルタのある位置で蓄積され、そこで充満（安定）をもたらし、そして、段階的にフィルタを通じて押圧されることを防止される。むしろ、気泡は、それらの動作の間に疎水性のフィルタのセクションに接触し、疎水性のフィルタのセクションを通じて−止まることなく−導かれる。フィルタの膜が、平らに実装され、そして、疎水性および親水性のセクションがそれらの表面法線に関してお互いに向き合うように位置するという点で、たとえば、フィルタのセクションの向かい合った配置が達成されうる。

このように、疎水性および親水性の膜のセクションの小さい距離のために、−空間における方向に関係なく−フィルタ装置は、流動抵抗が増加することなく、気泡が容易に通過することができる粒子フィルタを設けるように提供される。

本発明の基本的な考えを受けて、１、２、あるいはそれ以上の疎水性および親水性のフィルタの要素（フィルタのセクション）が流れ方向において平行に配置され、分離流路が、その後結合するように、フィルタ装置が設けられもする。たとえば、フィルタ装置は、ポンプの注入口（吸入側）で配置される。

さらなる実施形態において、たとえば、１ｍｍの最大距離は、平面的に配置されたフィルタのセクションのいくつかのポイントに関するように、疎水性および親水性のフィルタのセクションは、平面の形式において、お互いに向かい合うように配置されうる。さらなる実施形態において、１ｍｍの最大距離は、くさびの一部のみに適応するように、平面的に実装された疎水性および親水性の膜フィルタは、くさびの形で片側にテーパを形成しうる。これは、いくつかの気泡が、−くさびへ侵入が持続するように−疎水性の膜フィルタと接触する媒体の範囲内おいて存在し、そして、最初に増加することなく同様に容易に通過しうることが確実でもある。

さらなる実施形態において、くさびの代わりに、疎水性および親水性の膜フィルタは、錐体の形に相互に配置されもしうる。疎水性および親水性の膜フィルタのセクションは、たとえば、半円形形状（流れ方向に対して垂直な断面平面）に形成され、それぞれ、錐体の表面の部分を形成するように、錐体の頂点は、下流方向に位置される。本実施形態においても、気泡は、頂点の方向に錐体へ移動して、その動作の間に疎水性の膜フィルタに接触しうる。気泡はそれから接触し、その動作において再び中断されることなく、容易に疎水性の膜フィルタを通過するように、頂点、たとえば、疎水性および親水性の膜フィルタが収束するまでに、−お互い接触させることをそれらは必要としない−、１ｍｍの最大距離が到達する。

さらなる実施形態において、いくつかの疎水性および親水性の膜フィルタのセクションが実装されることも可能であり、お互いの最大距離が、向かい合って配置された一対の疎水性および親水性の膜フィルタのセクションに関連する。膜フィルタ装置が、錐体の表面を形成する場合、疎水性および親水性のセクションは、たとえば、ストライプ形に構成されうる。その動作の間、媒体とともに、気泡は、少なくとも１つの疎水性のフィルタのセクションに接触する。これに関連して、気泡が、フィルタ装置の空間的な方向に関係なく（さらに詳細は以下を見よ）、疎水性のフィルタのセクションに接触するように、明らかなことは、疎水性および親水性のフィルタのセクションを配置することになる。

いくつかのケースにおけるフィルタ装置が気泡の増加を防止し、フィルタが、重力に関して方向に関係なく安定した流動抵抗を示すように、特定のマイクロポンプにおいて、実施形態は、限られた吸入圧を生成するのみのそれらの部分のためのポンプに関連する。特に、実施形態において、いくつかの上昇する気泡も、重力のため、そこに実装される疎水性のない領域を有するフィルタのセクションに達することが可能であることを防止する。加えて、気泡が、毛管力の結果として、疎水性の膜フィルタのセクションへ導くように、小さい範囲のため、毛管力は、重力に関係なくフィルタに液体または媒体を引き入れることができることを有効に利用することは、有利である。実施形態について有利であることは、一度、疎水性および親水性の膜フィルタを通過されると、分離流路が、その後再結合し、このように閉鎖系を呈するので、ポンプが、いかなる周囲の空気も吸い込まないということである。

このように実施形態の有利な点は、空間的な方向から主として独立している低い流動抵抗である。加えて、分離流路はフィルタ後に再結合するので、ポンプは、いかなる周囲の空気も吸い込むことが出来ない。したがって、存在しうるいくつかの気泡は、顕著な圧力落下もなく、フィルタ装置を通じて導かれる。気泡は、媒体から取り除かれず、媒体の範囲内において残存しうる。

本発明の実施形態は、添付の図に関してさらに詳細に以下で説明される。

図１ａは、本発明の実施形態にかかるバブル耐性フィルタの概略図を示す。 図１ｂは、図１ａに記載のバブル耐性フィルタを有するポンプの純粋な概略図を示す。 図２は、ブロッキング圧および毛管力を例示するための表現を示す。 図３は、実施形態に対する他の１つと平行して配置される疎水性および親水性の膜フィルタを有するフィルタ装置の断面図を示す。 図４は、更なる実施形態に対するくさびの形で実装される親水性および疎水性の膜フィルタを伴う断面図を示す。 図５は、錐体形状において実装されるフィルタ装置のさらなる概略図を示す。 図６ａは、いくつかの疎水性および親水性の膜フィルタ領域を有するフィルタ装置を示す。 図６ｂは、いくつかの疎水性および親水性の膜フィルタ領域を有するフィルタ装置を示す。

以下の説明に関して、異なる実施形態において、同一であるか、または同一の働きを有する機能の構成要素は、同じ参照番号を有する。そして、従って、様々な実施形態における機能の構成要素の説明は、相互に交換可能である点に留意されたい。

図１ａは、本発明の実施形態にかかるフィルタ装置の概略図を示す。フィルタ装置は、流入経路１０５、第１の流出経路１１０および第２の流出経路１２０を含む。加えて、フィルタ装置は、流入経路１０５と第１の流出経路１１０との間に位置する疎水性の膜フィルタ１４０、および流入経路１０５と第２の流出経路１２０との間に位置する親水性の膜フィルタ１５０も含む。流入経路１０５において流れる媒体２２０とともに移動する気泡２１０が、その動作の間に、疎水性の膜フィルタ１４０と接触するように、膜フィルタ装置は、少なくとも１つの疎水性の膜フィルタ１４０のセクションおよび１つの親水性の膜フィルタ１５０のセクションが、１ｍｍの距離ｄでお互いに向かい合って位置する。このように、媒体２１０を流入している範囲内において存在するいくつかの気泡２１０は、フィルタ装置を詰まらせない。その動作の間、気泡２１０は、疎水性の膜フィルタ１４０を通過する。気泡２１０を含む媒体２２０が通過するとき、ブロッキング圧は測定されえない。図１ｂは、そのようなフィルタ装置を有するポンプ１４２を単に概略的に示す。第１の流出経路１１０および第２の流出経路１２０は、ポンプ１４２の吸入側１４４に接続される。

作動モードのより良好な理解のために、更に詳細にいくつかのタームを記載することは、第一に当然である。

図２は、ブロッキング圧の、および動作する毛管力の具体例を表す。親水性のフィルタ１５０を通ずる気泡の通過の３つの段階が、概略的に示される。第１の段階（ｉ）において、媒体２２０は、最初、感知できるほどのブロッキング圧なしで親水性のフィルタ１５０を通じて流れる。第２の段階（ｉｉ）において、自由表面２１５が媒体２２０に形成するように、気泡２１０が、流入方向１０５からくる。媒体２２０は、９０°よりも小さい濡れ角θでフィルタの表面を濡らす。

このように、要素、または、少なくとも親水性のフィルタ１５０の表面は、濡れている（媒体または液体は、そこで、「上向きに引っ張られる」）。濡れ角θが９０°より大きい場合、これは、液体がはじいている（疎水性）として表面を分類する。図２において示されるように濡れ角が９０°よりも小さい場合、力がすきまから液体を除去することを必要とするように、媒体は、親水性のフィルタ１５０の表面に沿って引っ張られる。必要な力は、液体がすきままたは孔に引き入れられる毛管力だけである。

第３の段階（ｉｉｉ）において、自由表面２１５が親水性のフィルタ１５０の（流れ方向における）後部出力で現れるように、気泡２１０が親水性のフィルタ１５０を通じてすでに部分的に押圧されている。

ブロッキング圧の測定は、いわゆるバブルポイント法またはバブルポイント試験を使用して、しばしば実行される。前記試験は、バブルプレッシャー試験またはバブルポイント測定としても公知であって、膜の特性を試験するために使用される。たとえば、約０．２２μｍ（たとえば、除菌のために）の通路開口部を形成する膜の孔は、媒体で満たされる。媒体は、たとえば、水を含み、充填を実行するための最も簡単な方法は、圧力を使ってフィルタシステムに水を流すことである。試験のために、一番良いことは、設計に応じて、（中空繊維モジュールのために）透過側から膜ハウジングをゆっくり加圧することである。例となる水を孔から移すために、力（２つのフィルタ側の圧力差）が必要とされる。前記圧力差は、孔の直径ｌに依存する：

ここで、Δｐ＝圧力差、σ＝液体の表面張力（水＝７２．７５ｍＮ／ｍ）、θ＝濡れ角、ｌ＝孔の直径である。

バブルポイントを決定するために、フィルタに動作する圧力が増加される。気泡が連続的に出るのを見られうる時と同じ瞬間で、圧力が、圧力計で読み出される。表面張力、濡れ角、および圧力差が既知であるので、方程式を適応することによって、たとえば、膜で最も大きな孔のサイズを算出することができ、このように、膜のその品質を決定する。物理的な定義によって、９０°よりも小さい接触角度を有する表面は、親水性（濡れ性）であり、前記したように、９０°よりも大きい接触角度を有すと、それは疎水性（非濡れ性）である。従って、接触角度θが、９０°よりも小さい（ｃｏｓθ＞０）場合、正の圧力差（Δｐ＞０）が結果として得る。

たとえば、図２において示されるように、たとえば、丸いピンホール開口（ピンホール面板、ピンホール・ブラインド）が使用され、そして、自由表面が気泡のために形成される場合、毛管力は克服されなければならない。たとえば、このメニスカスが移動することを通じて直径Ｄを有するピンホール開口が考慮される場合、メニスカスの最小の曲率半径ｒは、ｒ＝Ｄ／２として与えられ、そして、圧力バリアΔｐ_bは、濡れ角に関係なく克服されなければならない：

たとえば、Ｄ＝１００μｍのダクト直径が与えられ、空気／水に対して、σ_wa＝０．０７５Ｎ／ｍの表面張力が与えられると、圧力バリアΔｐ_bは、３０ｈＰａであり、Ｄ＝５０μｍがΔｐ_b＝６０ｈＰａを結果として得る。

すきま開口（すきま面板、すきまブラインド）の場合、１つの湾曲面のみがある場合、従って、高さＨを有するすきまに存在しているブロッキング圧は、正確に、直径Ｄ＝Ｈを有するピンホール開口の半分のブロッキング圧である。

たとえば、Ｈ＝１００μｍのすきま高さが与えられ、そして、空気／水に対して、σ_wa＝０．０７５Ｎ／ｍの表面張力が与えられると、従って、圧力バリアΔｐ_bは、１５ｈＰａであり、Ｈ＝２５μｍに対して、Δｐｂ＝３０ｈＰａを結果として得る。しかしながら、最高５０ｈＰａまでの吸入圧は、大部分のマイクロポンプによって容易に発生されうる。

フィルタのブロッキング圧を与えられ、開口直径は、細孔の大きさに対応する。５μｍの細孔の大きさを与えられて、式（２）によるブロッキング圧は、約６００ｈＰａであり、より小さい孔の直径に対してより高くなる。しかしながら、このオーダーの規模の吸入圧は、一般のマイクロポンプによって生成され得ない。このようなわけで、特にマイクロポンプで、効率的にフィルタを通じて気泡を導くことは、極めて重要である。

図３は、ハウジング３００の範囲内において位置するフィルタ装置の実施形態を示す。ハウジング３００は、流入経路１０５のための入力および（共有された）流出経路２０５のための出力を有する。ハウジング３００の範囲内において、すきま１６０が親水性の膜フィルタ１５０と疎水性の膜フィルタ１４０との間に形成されるように、親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０がお互いに向かい合って配置される。示される実施形態において、２つの平面的に実装されたフィルタは、お互いに向かい合って位置され、そして、すきま１６０が一定のすきま幅ｄ（一定の距離）を有するように、親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０が平らに構成されうる。すきま１６０の終端で、たとえば、終端壁３１０が設けられ、それは、親水性または疎水性の膜フィルタ１５０，１４０に接続される。終端壁は、たとえば、気泡２１０のためのビルドアップ空間が終端壁３１０で形成されないように、構成されうる。

好都合に、媒体に応じて、毛管力は、媒体２２０をすきまに引き入れ、そして、このように流動抵抗を低減するように、すきま幅ｄが必要な大きさにされる。

フィルタ装置において、流入経路１０５は、共通（共有の）の流出経路２０５に再結合する、第１の流出経路１１０および第２の流出経路１２０に分離する。第１の流出経路１１０は、疎水性の膜フィルタ１４０を通過し、そして、第２の流出経路１２０は、親水性の膜フィルタ１５０を通過する。媒体２２０が流入経路１０５を通じてハウジング３００の範囲内におけるフィルタ装置に流入する場合、疎水性の膜フィルタ１４０が媒体に、より高い流動抵抗を示すので、媒体２２０は、親水性の膜フィルタ１５０を通じて流れる。

処理の間、たとえば、空気を含む気泡２１０が、ハウジング３００の（重力に対して）上部の領域において第１の流出経路１００に沿って形成されることが起こりうる。さらなるいくつかの気泡は、媒体２２０を介して流入経路１０５を通じてフィルタ装置内に入り込む場合、前記さらなるいくつかの気泡は、第１の流出経路１１０を介してハウジング３００の上部の部分に達する。同時に、そこに位置されるいくつかの空気またはガスは、共通の流出経路２０５を通じてハウジング３００を出る。このように、媒体２２０の範囲内において位置される気泡は、フィルタの前面において気泡の蓄積することなく、フィルタ装置を通過する。

図４は、さらなる実施形態を示し、ここで、親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０が再び、たとえば、平らに配置され、２つの親水性および疎水性の膜フィルタ１５０，１４０は、この実施形態において、くさびの形に配置される。このように、親水性および疎水性の膜フィルタは、頂点３１２を形成するようにテーパに形成される。その結果、親水性の膜フィルタ１５０と疎水性の膜フィルタ１４０との間の距離は、頂点３１２の方へ下流方向において連続的に減少する。本実施形態においても、流入経路１０５を介して例となるハウジング３００に入り込む媒体は、第１の流出経路１１０および第２の流出経路１２０に分離する。一旦それらがフィルタを通過すると、それらは、共通の流出経路２０５を形成するように再結合する。たとえば、媒体２２０の範囲内において存在するいくつかの気泡は、疎水性の膜フィルタ１４０を介して移動するように、疎水性の膜フィルタは、第１の流出経路１１０に沿って位置する。同時に、媒体２２０は、第２の流出経路１２０に沿って移動し、親水性の膜フィルタ１５０を介して共通の流出経路２０５に達する。

前記くさびの形の配置が結果として得るように、疎水性の膜フィルタおよび親水性の膜フィルタ１５０，１４０は、平面的に、図４の描画面に対して垂直にのびている。親水性と疎水性との膜フィルタ１５０，１４０の間の非常に小さい距離が実装されるので、この実施形態は、親水性および疎水性の膜フィルタ１５０，１４０の間の距離は、連続的に減少するという効果を有する。非常に小さい距離のため、非常に小さい気泡は、充血性の効果が引き起こされることなく、その動作の間に、疎水性の膜フィルタ１４０に接触しうる。疎水性の膜フィルタ１４０と気泡との接触において、大きな気泡２１０は、上層部に形成されうる。たとえば、距離ｄが、約６００μｍの値から、たとえば、１０μｍ未満の値まで連続的に減少することが可能である。

たとえば、まず、親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０が平面的に平行に（そして、相互に対向されて）配置され、そして、図４において示されるように、下流の方向のくさびの形の形式においてお互いの方向に収束するように、得られるくさびの形の配置は、さらなる実施形態において、図３において示されるように、平行な配置に結合される。

図５は、さらなる実施形態を示し、ここで、親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０は、頂点４１２を有する錐体を形成し、媒体２２０の流れの方向は、右から左であり、そして、頂点４１２は、下流に位置される。疎水性の膜フィルタ１４０および親水性の膜フィルタ１５０は内部に配置され、外側の筐体４００に固定する。図５が縦のシリンダ軸に沿って断面図を表すように、筐体は、円筒状でありうる。本実施形態における疎水性の膜フィルタ１４０は、（重力場に対して）垂直に上層部に配置され、親水性の膜フィルタ１５０は、その下に垂直に配置される。このように、媒体２２０の範囲内において位置されるいくつかの気泡２１０は、下流方向における錐体の内部に導かれ、そして、疎水性の膜フィルタ１４０に接触する。そして、それらは、第１の流出経路１１０を介して容易に通過しうる。一方、媒体２２０はその下の垂直に位置される側における第２の流出経路１２０を介して親水性の膜フィルタ１５０を通過しうる。

親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０の間の距離が、頂点４１２の方へ下流方向において連続的に減少することが図５からも理解されうる。このように、下流方向における親水性の膜フィルタ１５０に沿って移動する、一様なわずかな気泡２１０は、頂点４１２で疎水性の膜フィルタ１４０に接触し、そして、そこで前記フィルタを容易に通過する。交差線６´−６は、図６ｂにおける断面表示が関連する断面線を表す。

一様なわずかな気泡が疎水性の膜と接触せず、このように、フィルタを通過しうるように、図５において示される実施形態は、フィルタの要素が用いられるという点で拡張または改良され、それらのセクションは、疎水性／親水性になっており、そして、くさびを形成するために収束する。

図６ａおよび６ｂは、さらなる実施形態を示し、ここで、親水性の膜フィルタ１５０および疎水性の膜フィルタ１４０が、たとえば、互いに交互に入れ替える方法で配置されるいくつかのセクションを有する。

図６ａは、たとえば、図３において示されるようなフィルタ装置のさらなる実装を示す。図６ａにおいて示される実施形態において、疎水性の膜フィルタは、第１のセクション１４０ａおよび第２のセクション１４０ｂを有し、親水性の膜フィルタも、第１のセクション１５０ａおよび第２のセクション１５０ｂを有する。流入経路１０５から流出経路２０５への流れ方向に沿って、親水性および疎水性のセクションが、流れ方向において、交互に他方の後ろに一方が配置される。図３に示される実施形態と比較したとき、（図３における）親水性の膜フィルタ１５０は、疎水性の膜セクション１４０ａの第１の部分および親水性の膜セクション１５０ｂの第２の部分に置換され、それらは、流れ方向において、他方の後ろに一方が位置される。同時に、図３において示される疎水性の膜フィルタ１４０は、第１の親水性のセクション１５０ａおよび第２の疎水性のセクション１４０ｂに置換され、再び、流れ方向において、他方の後ろに一方が位置される。このように、親水性および疎水性のセクション１４０ａ，１５０ａは、平行に配置され、そして、流れ方向において、相互に対向され、そして、第２の疎水性のセクション１４０ｂおよび第２の親水性のセクション１５０ｂは、平行に−下流方向においてそれに対して隣接して−配置され、相互に対向される。たとえば、親水性および疎水性のセクション１５０ａ，ｂおよび１４０ａ，ｂは、表面が平行であり、そして、相互に対向するように、かさねて平面に実装される。

そして、図６ａにおいて示される実施形態は、フィルタ装置の方向に関係なく、上部のダクト域に沿って垂直に伝播する非常に小さい気泡は、疎水性の膜セクション１４０に接触する利点を有する。しかしながら、−疎水性のセクション１４０が、親水性のセクション１５０によっていつも続くか、または先行されるのであれば、第１に、親水性のセクション１５０が形成され、疎水性のセクション１４０が続くように、セクションの順番は変更することができる。

さらなる実施形態において、たとえば、図４において示されるように、下流に位置される第２の親水性および疎水性のセクション１４０ｂ，１５０ｂが相互にくさびの形に構成されることは可能である。このように、疎水性の第２のセクション１４０ｂが接触するか、または親水性の第２のセクション１５０ｂに接続される場合、次に、終端壁３１０は不必要になりうる。

さらなる実施形態において、直列配置される疎水性および親水性の膜領域１５０，１４０の平行した配置を結合することも可能である。すなわち、疎水性および親水性の膜セクション１４０，１５０は、平行におよび相互に対向して位置されていないが、たとえば、図６ａにおいて示されるように、平面的に、お互い隣接するように配置される。

図６ｂは、図５において示されたような親水性および疎水性の膜領域１５０，１４０の錐体の形の実装のさらなる実施形態を示す。それは、たとえば、図５における断面線６−６´に沿って、流入経路１０５の方向から流れ方向へ垂直である断面図である。このように、図６ｂは、膜領域が錐体の形状に配置される実施形態を示す。これに関連して、（時計回りの方向において）フィルタ膜は、親水性および疎水性のセクション１５０，１４０を有し、第１の親水性の膜領域１５０ａは、後に、たとえば、第１の疎水性の膜領域１４０ａが続き、それに隣接して、第２の親水性の膜領域１５０ｂは、後に、第２の疎水性の膜領域１４０ｂがかさねて続く。全体の錐体の表面が、図６ｂにおいて示されるように、ストライプの形の形式において、親水性および疎水性の膜領域１５０，１４０によって形成されるまで、この交互の配置が続く。親水性および疎水性の膜領域１５０，１４０のすべては、頂点４１２の方へ収束する。ここで、それらの全ては、合致し、互いに接続している。

このように、下流方向において移動している気泡２１０は、その動作の間、疎水性の膜領域１４０に常に接触する。比較的大きい気泡について、通常、疎水性のダクト領域との接触は、非常に小さい気泡によりもより早く発生する。そのために、それらが、錐体の頂点４１２へ上がって、そして、この位置の前に、疎水性の膜のセクションに接触しないことが起こりうる。このように、この実施形態も、−重力の振る舞いに関係なく−気泡２１０は、それらの動作に沿って、より初期のまたはより後の時で疎水性の膜セクション１４０に接触し、それから容易にそれを通過する。このように、重力に関するフィルタの方向または配列に応じて、充血性の効果が防止されることは、流動抵抗が増加するように、気泡がフィルタの特定の位置で蓄積され、そこでフィルタをブロックすることを意味する。図６ｂのフィルタ装置は、平行に配置されるいくつかの親水性または疎水性のフィルタセグメントを含む。

さらなる実施形態において、親水性および疎水性１５０，１４０のフィルタ膜が２つの異なる膜の要素を利用することも、および、異なる細孔の大きさを使用することも可能である。たとえば、バブルポイントは、疎水性および細孔の大きさに依存するので、空気バイパスがより小さい孔幅を使用することによって明確に効率的に保たれるように、同一または異なる孔幅を有する膜の利用が可能である。

たとえば、親水性および疎水性の膜フィルタ１４０，１５０は、一様に実装された膜フィルタの表面処理によって形成されうる。表面処理の間、たとえば、フィルタは、表面を処理するために使用される材料に応じて、表面処理によって、疎水性または親水性のいずれか一方であるように実装される。シリコン、プラスチックフィルム、金属フィルム等のような材料とするコーティング技術が構築されるように生成され、疎水性または親水性が範囲の増加に展開される。このように、全体として膜が、最初に形成され、その後、膜の特定の部分は、特定のセクションに対して選択的に生じうるように、疎水的または親水的にコートされる。部分的には疎水性コーティングおよび部分的には親水性コーティングを有するフィルタの構成要素は、マイクロポンプの注入口に取り付けられるという点で、従って、いわゆる、バブルフリーポイントフィルタは、マイクロポンプの中に直接的に組み込まれうる。

実施形態に従うバブル耐性粒子フィルタは、以下のように要約されうる。膜は、−たとえば、対向する形式において、流れ方向に平行に設計される。フィルタが、水平軸について、１８０度回転の場合には均一になるように働くように、膜の配置は、機能が完全に位置から独立している。親水性の膜１５０は、スポンジのような働きをすることができ、水を吸収することができる。すきま厚（距離）ｄは、たとえば、発生する最も小さい気泡２１０と同じ大きさに選択されうる。そして、膜がその他に接するようにそれに位置することが可能である。あるいは、発生する気泡の少なくとも８０％が距離ｄより大きい直径を有するように、距離ｄが選択されうる。膜は、くさびの形であるか、ポケットの形であるか、漏斗の形でも配置され、くさびの形の配置が、最も小さい気泡２１０が、疎水性の膜領域１４０と接触することを確実にする。すきま１６０またはダクトの大きさによって、毛管力が、さらに流動抵抗を低減するために、さらに使用されうる。通常、非常に低い圧力低下が実施形態において存在する。そして、それは、従って、マイクロ流体に関する目的（たとえば、マイクロポンプに対して）非常に適している。

このように、実施形態は、気泡がダクトの特定の位置で蓄積できることを回避するだけでなく、同時に、小さい粒子が、フィルタのバブル耐性機能を制限するかまたは妨げる疎水性の位置で積もることを回避する。このように、親水性の膜が上部にある場合、水平の回転軸に関して１８０度による回転は、ブロックされるフィルタを結果として得て、そして、従って、空気が上部に蓄積し、水は、もはや通過することが出来ないので、従来のソリューションの不利な点は、回避される。

実施形態において、既存の泡、または最も小さい既存の泡の直径より明らかに小さいように、距離ｄが選択されうる。たとえば、距離ｄは、約２００μｍまたは約１００μｍに等しく、または、１００μｍより下方の範囲内に位置しうる。図４および図５において示されるように、くさび、または錐体の形の形式において配置される膜の構造は、たとえば、頂点３１２，４１２で角を含み、そして、その角は、疎水性の膜１４０および親水性の膜１５０によって広げられ、そして、５°および５０°の間の範囲であるか、または、１８０°より少なくとも小さい。細孔の大きさは、柔軟な形式で設定され、孔は、０．２μｍのオーダーであるか、または、０．１μｍから２０μｍ、もしくは５μｍから１０μｍまでのレンジを有することが可能である。

実施形態は、流れの分岐が、分岐の後で再結合される１つの疎水性および１つの親水性のセクションを有するフィルタの構成要素によって実装されるフィルタ装置も含む。さらなる実施形態において、細幅の流れのすきまが２つの膜フィルタの間で結果として得られるように、親水性のセクションのフィルタの要素が、疎水性のセクションのフィルタの要素に向かい合って位置する。

さらなる実施形態において、液体のみが親水性のフィルタ１５０の前面におけるすきま１６０の範囲内に残存するように、そして、一旦、気泡が疎水性のフィルタ１４０を通過し、もはや気泡が親水性のフィルタ１５０の前面になくなるように、疎水性および親水性のフィルタが、その間において、細幅のすきま１６０を有してお互いに向かい合って位置し、すきま１６０の高いアスペクト比が毛管力の存在を確実にする。

このように、異なる接触角度を有する２つ（またはより多くの）フィルタの要素が平行に配置される。そして、１つのフィルタが、供給される液体に関して濡れ作用を有する（従って、充填の間、低い充填圧のみを有する）。それに対して、他のフィルタの要素は、液体に関してより高い充填圧を有し、濡れることはない（たとえば、空気が第２のフィルタの範囲内において残存する）。流路は、フィルタの前面において分離されて、それらの後で再結合する。気泡が入る場合、ここで、測定可能になっているブロッキング圧のない第２の疎水性のフィルタを通る経路をとる。

それらが、すべての如何なる抵抗もなく、またはいかなるかなりの抵抗もなしで、フィルタを（たとえば、マイクロポンプの入力で）通過するように、フィルタ装置が気泡に関して耐性があるので、フィルタ装置は、外気が吸い込まれることを避けるために、環境に対して直接的な開口部を有してはならない。このように、フィルタ装置は、外気から切り離されなければならない。

従って、本発明の実施形態は、ポンプの吸引側に配置されるバブル耐性粒子フィルタを有するポンプを提供する。本発明の実施形態において、ポンプはマイクロポンプである。通常、本発明の実施形態は、小さい細孔の大きさをともなうフィルタを有するポンプに関する。実施形態は、ポンプが粒子によってブロックされるのを防止するための粒子フィルタを含むギアポンプに関する。通常、本発明の実施形態は、粒子によってブロックされるか、または詰まらせられ、そして、従って、フィルタを必要とする構造を有するポンプに関する。

この従来技術を発端として、本発明の目的は、このように、フィルタ装置の方向に関係なく流動抵抗の増加の原因となる気泡のない気泡を含む媒体から粒子をフィルタするポンプ装置を提供することである。

この目的は、請求項１に記載のポンプ装置によって達成される。

本発明のポンプ装置は、親水性の膜フィルタおよび疎水性の膜フィルタのいずれもを有するフィルタ装置を含み、フィルタされる媒体の流入経路は、第１の流出経路および第２の流出経路に分けられる。疎水性および親水性の膜フィルタの配置は、少なくとも疎水性の膜フィルタのセクションおよび親水性の膜フィルタのセクションが、わずか１ｍｍおよびわずか２００μｍの距離で、お互いに向かい合って位置することを特徴とする。このように、流入経路において流れる媒体とともに移動する気泡が、その動作の間に疎水性の膜フィルタと接触する。その結果、気泡は、疎水性の膜フィルタを容易に通過することができ、膜フィルタの前面における気泡を蓄積することのビルドアップは、このことにより防止される。

Claims (9)

1. 吸引側から圧力側まで媒体をポンプ輸送するためのポンプは、
   流入経路（１０５）、第１の流出経路（１１０）および第２の流出経路（１２０）と、
   前記流入経路（１０５）と前記第１の流出経路（１１０）との間に位置する疎水性の膜フィルタ（１４０）と、
   前記流入経路（１０５）と前記第２の流出経路（１２０）との間に位置する親水性の膜フィルタ（１５０）と、
   を含むフィルタ装置であって、
   少なくとも１つの前記疎水性の膜フィルタ（１４０）と前記親水性の膜フィルタ（１５０）のセクションは、前記流入経路（１０５）において流れる媒体（２２０）とともに移動する気泡（２１０）がその動作の間に前記疎水性の膜フィルタ（１４０）と接触するように、１ｍｍの距離（ｄ）で離れて互いに対向され、
   前記フィルタ装置の前記第１および前記第２の流出経路（１１０，１２０）は、前記ポンプの前記吸入側に接続される、ポンプ。
2. 前記ポンプは、マイクロ膜ポンプを含む、請求項１に記載のポンプ。
3. 前記疎水性の膜フィルタ（１４０）および前記親水性の膜フィルタ（１５０）は、平行に配置され、そして、平面的に、互いに対向される、請求項１または請求項２に記載のポンプ。
4. 前記疎水性の膜フィルタ（１４０）および前記親水性の膜フィルタ（１５０）は、前記流れの方向において、くさび形のテーパに形成される、請求項１または請求項２に記載のポンプ。
5. 前記疎水性の膜フィルタ（１４０）および前記親水性の膜フィルタ（１５０）は、前記流れの方向において、錐体のテーパに形成される、請求項１または請求項２に記載のポンプ。
6. 前記疎水性および前記親水性の膜フィルタ（１４０，１５０）のいくつかの向かい合って配置されたセクションは、前記媒体（２２０）から下流に、疎水性および親水性のセクション（１４０，１５０）が互い違いになるように、前記媒体（２２０）から下流に構成される、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のポンプ。
7. 下流方向において、前記疎水性のおよび前記親水性の膜フィルタ（１４０，１５０）は、終端壁（３１０）によって互いに隔てられ、気泡（２１０）のためのビルドアップ空間が前記終端壁（３１０）で形成されないように、前記終端壁（３１０）が構成される、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載のポンプ。
8. 前記親水性の膜フィルタ（１５０）および前記疎水性の膜フィルタ（１４０）が共通の膜基材を含み、前記親水性の膜フィルタ（１５０）および前記疎水性の膜フィルタ（１４０）は前記膜基材の異なる表層コーティングを有する、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載のポンプ。
9. 前記疎水性の膜フィルタ（１４０）の要素は、ポンプ輸送される媒体に対して１００°より大きい接触角を有し、前記親水性の膜フィルタ（１５０）の要素は、ポンプ輸送される媒体に対して８０°未満の接触角を有する、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載のポンプ。

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