JP2017506722A - マイクロポンプシステム - Google Patents
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Abstract
Description
マイクロポンプは、マイクロ加工方法を使用して作製されることができ、産業、医療、および生物学的用途において広く実装されているマイクロ圧送プロセスを行うために使用されることができる。例えば、マイクロポンプは、ラボオンチップシステム、燃料電池、高流束電子冷却システム、および生物化学システム内に組み込まれることができる。マイクロポンプは、流体、例えば、ガスまたは液体を少量の正確に測定された量で輸送することができる。いくつかの実装では、マイクロポンプは、高流量で、例えば、約数マイクロリットル/秒〜約数ミリリットル/秒で、および/または高圧で、例えば、約1,000分の1psi〜約10分の1psiで流体を輸送することができる。マイクロポンプは、流体輸送、流量、および/または圧力が、拡張可能であるように設計されることができる。
(マイクロポンプ)
図1を参照すると、マイクロポンプ100が、単一の区分されたポンプチャンバ104を含むように示される。ポンプ本体102は、圧送方向114に沿って、2つの壁110、112と、圧送方向114と垂直方向に沿って互いに対向する、2つの固定端部壁106、108とを含む。壁106、108、110および112は、膜によって区分された単一チャンバ104を画定する。すなわち、2つの端部壁106、108間に、膜116、118、120、122、124、126が、壁110から壁112まで延び、ポンプチャンバ104を7つのコンパートメント130、132、134、136、138、140、142に分離する。この実装では、各コンパートメントは、それぞれ、壁110、112内に画定された入口と、出口とを含む。例えば、コンパートメント130は、壁110内の入口150と、壁112内の出口152とを含む。他の入口および出口は、標識されていない。
V−:全電圧に対するDC基準;いくつかの膜を直接駆動させるために使用され得る
V+:いくつかの膜を直接駆動させるために使用され、その他のために切り替えられる、DC高電圧
V1:いくつかの膜を駆動させ、動作を制御するために使用される、周期的AC波形。50%デューティサイクルを含み、1回の完全圧送サイクルにおいてV−とV+との間で行き来する。
V2:V1と同じであるが、180度位相がずれている。
V1.5:プルイン電圧値
V2.5:ドロップアウト電圧値
ここで図3を参照すると、固定壁106および膜116−124上の6つの電極への印加のための6つの例示的波形の組301−306が示される。マイクロポンプ100または他のマイクロポンプ内の他の追加の膜および固定壁に印加される波形も、図3に示されるパターンによって導出されることができる。圧送サイクルの間、第1の波形の組301のV−が、固定壁106上の電極に一定に印加される。膜116に印加するための第2の波形の組302は、V1を形成する。第3の波形の組303は、V+であり、膜118に一定に印加される。第4の波形の組304は、膜120に印加するためのV2である。第5の波形の組305および第6の波形の組306は、第1および第2の波形301、302の繰り返しである。追加の波形が、他の膜、例えば、膜124および126(図1A)のために必要とされる場合、繰り返しが、第3および第4の波形等を用いて続く。
ここで図5を参照すると、図3または図4に示されるもの等の電圧を印加するための駆動回路500の実施例が、示される。駆動回路500は、供給電圧502、静電容量電圧電流504信号、およびポンプ制御516を受信し、駆動電圧506を図1Aおよび1Bのマイクロポンプ等のマイクロポンプの電極に出力する。いくつかの実装では、供給電圧502は、マイクロポンプ100が使用されるシステムから提供される。供給電圧はまた、アイソレーション回路(図示せず)によって提供されることができる。
前述のマイクロポンプシステムは、異なる製品またはデバイス内に統合され、異なる機能を果たすことができる。例えば、マイクロポンプシステムは、空気を移動させるための空気駆動機として、デバイス、例えば、コンピュータまたは冷蔵庫内のファンもしくはブロアに取って代わることができる。従来のファンまたはブロアと比較して、マイクロポンプは、より高い信頼性を伴って、より低いコストでより優れた機能を果たすことが可能であり得る。いくつかの実装では、これらの空気駆動機は、直接、大規模並列構成において基礎レベルでホストの中に構築される。
図1A、1B、および2Dのモジュール層スタックは、並列に接続されたモジュール層として捉えられることができる。各個々のモジュール層の体積ViまたはVeは、小さい。いくつかの実装では、スタック内の全層の総体積でさえ、比較的に小さい。いくつかの実装では、複数のスタックまたはマイクロポンプは、並列に接続され、総体積流量を増加させることができる。
前述のように、空気が、例えば、燃料電池内の電気化学反応および冷却のために使用されることができる。概して、冷却のために使用される空気の量は、反応のためのものより何倍も多い。
Claims (34)
- マイクロポンプであって、
ポンプ本体であって、前記ポンプ本体は、複数のコンパートメントに区分されたポンプチャンバを有し、前記ポンプチャンバは、前記ポンプチャンバの中への流体流入を提供する第1の複数の入口ポートと、前記ポンプチャンバからの流体流出を提供する第2の複数の出口ポートとを有する、ポンプ本体と、
前記ポンプチャンバ内に配置されている第3の複数の膜であって、前記第3の複数の膜は、前記ポンプ本体の対向壁間に係留され、前記複数のコンパートメントに前記ポンプチャンバを提供する、第3の複数の膜と、
第4の複数の電極であって、前記第4の複数の電極のうちの第1の対は、前記ポンプ本体の第2の異なる対の対向壁上に配置され、前記第4の複数の電極のうちの残りのものは、前記膜の主要表面上に配置されている、第4の複数の電極と
を備えている、マイクロポンプ。 - 入口および出口は、前記ポンプ本体の同一壁上にある、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 前記第1の複数の入口および前記第2の複数の出口は、前記ポンプ本体の同一壁上にあり、前記第1の複数の入口は、源への第1の接続の組を有し、前記第2の複数の出口は、シンクへの第2の異なる接続の組を有し、前記第2の複数の出口は、前記第1の接続の組から分離されている、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 前記入口および前記出口は、前記ポンプ本体の対向壁上にある、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 第5の複数の弁をさらに備え、そのうちの第1の部分は、前記第1の複数の入口に隣接して配置され、前記弁のうちの第2の部分は、前記第2の複数の出口に隣接して配置されている、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 前記第5の複数の弁は、フラップ弁またはスライディング弁である、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 前記マイクロポンプは、前記第4の複数の電極に印加される電気信号の組によって駆動され、前記第4の複数の電極に印加される電圧の極性に従って、前記ポンプチャンバ内に配置されている前記第3の複数の膜に偏らせるように構成されている、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 前記電気信号の組は、前記複数のコンパートメントのうちの第1のものに収縮させ、実質的に同時に、前記複数のコンパートメントのうちの少なくとも1つの隣接するものに拡張させる、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- 前記電極に印加するための波形を生成する駆動回路をさらに備えている、請求項1に記載のマイクロポンプ。
- マイクロポンプであって、
ポンプ本体と、その主要表面上に導電性電極を有する膜と、ポンプコンパートメントを形成するポンプ端とを有する第1および第2のマイクロポンプモジュールであって、前記第1および第2のマイクロポンプモジュールの各々は、少なくとも前記ポンプコンパートメントの中への流体流入を提供する入口ポートと、前記ポンプコンパートメントからの流体流出を提供する出口ポートとを有する、第1および第2のマイクロポンプモジュールと、
ポンプ本体と、その主要表面上に導電性電極を有する膜とを有する少なくとも第3のマイクロポンプモジュールであって、前記第3のマイクロポンプモジュールは、前記第1のマイクロポンプモジュールと第2のマイクロポンプモジュールとの間に挟まれている、第3のマイクロポンプモジュールと
を備えている、マイクロポンプ。 - 各モジュールの前記入口および前記出口は、前記ポンプ本体の同一壁上にあり、前記マイクロポンプは、電子駆動回路を備えている、請求項10に記載のマイクロポンプ。
- 前記第1の複数の入口および前記第2の複数の出口は、前記ポンプ本体の同一壁上にあり、前記第1の複数の入口は、源への第1の接続の組を有し、前記第2の複数の出口は、シンクへの第2の異なる接続の組を有し、前記第2の複数の出口は、前記第1の接続の組から分離されている、請求項10に記載のマイクロポンプ。
- 各モジュールの前記入口および前記出口は、前記ポンプ本体の対向壁上にある、請求項10に記載のマイクロポンプ。
- 入口および出口に隣接して配置されている複数の弁をさらに備えている、請求項10に記載のマイクロポンプ。
- 前記弁は、梁部材および停止部を有するフラップ弁である、請求項10に記載のマイクロポンプ。
- 電気構成要素のための冷却デバイスであって、前記冷却デバイスは、
複数のコンパートメントを有するポンプチャンバを形成するポンプ本体を有するマイクロポンプであって、前記ポンプチャンバは、
前記ポンプチャンバのコンパートメントの中への流体流入を提供する第1の複数の入口ポートと、
前記ポンプチャンバのコンパートメントからの流体流出を提供する第2の複数の出口ポートと、
前記ポンプチャンバ内に配置されている第3の複数の膜であって、前記第3の複数の膜は、前記ポンプ本体の対向壁間に係留されている、第3の複数の膜と、
第4の複数の電極であって、前記第4の複数の電極のうちの第1の対は、前記ポンプ本体の第2の異なる対の対向壁上に配置され、前記第4の複数の電極のうちの残りの部分は、前記膜の各々の表面上に配置されている、第4の複数の電極と
を有する、マイクロポンプと、
前記電気構成要素に取り付けられるように構成されている第1の表面と、前記マイクロポンプと熱連通する第2の表面とを有する熱流板と
を備えている、冷却デバイス。 - 前記マイクロポンプは、前記熱流板に接続されている、請求項16に記載の冷却デバイス。
- 前記コンパートメントのうちの端部のものは、前記ポンプ本体の対応する壁を有し、前記第3の複数の膜のうちの1つは、前記端部コンパートメントを提供し、前記コンパートメントのうちの一対の膜を有する中間のものは、前記中間コンパートメントを提供する、請求項16に記載の冷却デバイス。
- 気道圧呼吸デバイスであって、
本体であって、前記本体は、前記本体を通り、一対の端部部分で終りをなす空気通路を有し、各端部部分は、前記端部部分の第1の表面に少なくとも1つの出口を有する、本体と、
前記本体によって支持されているマイクロポンプと
を備え、
前記マイクロポンプとは、周囲空気を前記本体内の空気通路を通して前記端部部分に圧送するように構成されている、気道圧呼吸デバイス。 - 前記マイクロポンプのための電源を提供するバッテリをさらに備え、前記バッテリは、前記ポンプ本体上に支持されている、請求項19に記載の気道圧呼吸デバイス。
- 前記マイクロポンプと流体連通するように配置されているバタフライ型弁をさらに備えている、請求項19に記載の気道圧呼吸デバイス。
- 前記本体の端部部分に空気通路を有する一対のプラグをさらに備えている、請求項19に記載の気道圧呼吸デバイス。
- 前記端部部分は、ユーザの鼻孔内にぴったりと嵌め入る鼻用インターフェースを備えている、請求項19に記載の気道圧呼吸デバイス。
- 前記端部部分における鼻用インターフェースをさらに備え、前記鼻用インターフェースは、ユーザの鼻孔内にぴったりと嵌め入るように構成されている、請求項19に記載の気道圧呼吸デバイス。
- 通路を有する本体を備えている弁デバイスであって、前記本体は、
前記通路と垂直の入口制御ポートと、
前記通路の第1の端部において前記本体に結合されている第1のポートと、
前記通路の第2の端部に結合されている第2のポートと、
軸方向部材と、
前記入口制御ポートに隣接して前記本体内に配置されている弁フラップと
を支持しており、
前記フラップ弁は、前記入口制御ポートを通して空気を印加すると、前記第1のポートと第2のポートと間の通路を開閉するように前記軸方向部材の周りに回転可能である、弁デバイス。 - 前記本体上に支持されている第1のポートは、前記弁フラップの中心からわずかにオフセットされている、請求項25に記載の弁デバイス。
- 前記フラップは、前記入口制御ポートと流体連通するように配置されているバタフライ型弁を提供し、前記入口制御ポートは、前記入口制御ポートに印加される空気によって制御される、請求項25に記載の弁デバイス。
- 第3のポートをさらに備え、前記第3のポートは、支持されている前記第1のポートに隣接して前記通路の前記第1の端部に配置され、前記第3のポートは、前記本体上に支持されている、請求項25に記載の弁デバイス。
- 第3のポートをさらに備え、前記第3のポートは、支持されている前記第1のポートに隣接して前記通路の前記第1の端部に配置され、前記第3のポートは、前記本体上に支持され、前記弁フラップの中心からわずかにオフセットされている、請求項25に記載の弁デバイス。
- 弁デバイスであって、
弁部材であって、前記弁部材は、ステム部分およびフラップカバー部分を有し、前記ステムは、前記フラップカバー部分と垂直である、弁部材と、
本体層と、
前記本体層上に支持されている本体壁と
を備え、
前記本体壁は、通路を有し、本体壁内の前記通路は、前記本体層および本体壁から形成されたチャンバの中への開口部と、対の間隔を置かれた壁領域によって形成された前記本体壁を越えた少なくとも1つの開口部とを有し、
前記ステム部分は、前記一対の間隔を置かれた本体壁領域によって画定された空間内にあり、前記フラップカバー部分は、前記チャンバ内の開口部と前記壁を越えた前記開口部との間の前記通路内にある、弁デバイス。 - 前記本体壁の上に配置されている第2の本体層をさらに備えている、請求項30に記載の弁デバイス。
- 弁デバイスであって、
本体層と、
弁部材であって、前記弁部材は、略半円形部分と、前記半円形部分の端部に結合されている一対の端部部分と、一対の脚部部分とを有する、弁部材と、
ステム部分およびヘッド部分を有するピストン状部材であって、前記ピストン状部材は、前記本体層上に支持されている、ピストン状部材と、
前記本体層上に支持されている本体壁と
を備え、
前記本体壁は、前記本体層および前記本体壁から形成されたチャンバの中への開口部と、前記ピストン状部材のステム部分によって形成された前記本体壁を越えた少なくとも1つの開口部とを有し、
前記ヘッド部分は、前記弁部材が、自由に移動するが、前記壁を越えた前記開口部に隣接して含まれることを可能にするように構成されている、弁デバイス。 - 前記本体壁の上に配置されている第2の本体層をさらに備えている、請求項32に記載の弁デバイス。
- 前記弁部材の形状は、概略的に、前記ギリシャ文字のオメガに似ている、請求項32に記載の弁デバイス。
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