WO2006045634A1 - Treibmittel-vakuumpumpe - Google Patents

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WO2006045634A1
WO2006045634A1 PCT/EP2005/011660 EP2005011660W WO2006045634A1 WO 2006045634 A1 WO2006045634 A1 WO 2006045634A1 EP 2005011660 W EP2005011660 W EP 2005011660W WO 2006045634 A1 WO2006045634 A1 WO 2006045634A1
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vacuum pump
propellant
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propellant vacuum
nozzle
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PCT/EP2005/011660
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Marco Doms
Jörg Müller
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Technische Universität Hamburg-Harburg
Tutech Innovation Gmbh
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    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F9/00—Diffusion pumps
    • 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
    • F04B19/00—Machines or pumps having pertinent characteristics not provided for in, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B17/00
    • F04B19/006—Micropumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04F—PUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F5/00—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow
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    • F04F5/16—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids
    • F04F5/20—Jet pumps, i.e. devices in which flow is induced by pressure drop caused by velocity of another fluid flow the inducing fluid being elastic fluid displacing elastic fluids for evacuating
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04F5/44—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F04F5/02 - F04F5/42
    • F04F5/46—Arrangements of nozzles

Definitions

  • the invention relates to a miniaturized propellant vacuum pump, which uses a preferably structured by microsystem technologies planar nozzle and pump wall geometry and a gelei nes propellant for vacuum generation. It is characterized by simple manufacturability, small size and thus good integration possibilities, e.g. in mobile systems, operating in a pressure range from about one atmosphere to a few pascals, high suction power and position-independent function.
  • Sorption pumps, condensers, cryopumps and propellant pump are suitable for use within a certain pressure range; to generate a prespecified pressure, it may be necessary to operate several of these pumps in succession.
  • the size of these conventional vacuum pumps in their smallest designs is still in the range of a few tens of cubic centimeters. Therefore, these pumps can not be usefully integrated into systems with micro-assemblies (eg sensors).
  • micro-assemblies eg sensors.
  • miniaturized analyzers which require a vacuum or a constant gas flow for their function is therefore closely linked to the development of suitable micro-gas pumps.
  • Micro-pumps use different physical or chemical principles to create a pumping action (see: Nam-Trung Nguyen, Xiaoyang Huang, Toh Kok Chuan, MEMS).
  • Micropumps A Review, Transactions of the ASME, Vol. 124 (June 2002), 384-392; P. Woias, Micropumps - summarizing the first two decades, Proc. SPIE, Vol. 4560 (2001), 39-52). Many of the systems implemented in this way are limited in their application to liquid media; only some are suitable for pumping gases or vacuum generation.
  • pumps without mechanical parts can be used, which are based on the principle of the Knudsen compressor (thermal transpiration, thermal molecular press): between two voids of different temperature, which are connected via a channel with a small cross-sectional area are, creates a Druckdiffe ⁇ rence, which can be exploited to generate a pumping effect ng.
  • Knudsen compressor thermal transpiration, thermal molecular press
  • a disadvantage is the relatively komp lit structure and the high space requirement of such systems, due to the constraint due to the low achieved compression ratio, many such pumps in series to operate to produce the desired Saug ⁇ performance and pressure difference (see: RM Young, Analysis of a micromachine based vacuum pump on a chip actuated by the thermal transpiration effect, J. Vac., See Technol.
  • the micro-pump according to the invention uses the functional principle of the propellant pumps described in DIN 28 400, Part 2, which is based on the fact that a rapidly flowing vaporous or liquid propellant expands through a nozzle.
  • the gas particles in the recipient to be evacuated get into this propellant jet; Here, they receive an impulse in the pumping direction through collisions with the propellant molecules.
  • a special position among the propellant pumps adopts the D onfumpe on which, in contrast to the other Strahlpu mpen the mixing process of themaschinemitteis with the gas to be pumped does not take place in a turbulent boundary layer, but by diffusion of the gas in the propellant jet.
  • Figure 1 Figure 1
  • the pumping principle is exemplified for all propellant pumps by the structure of a diffusion pump:
  • a suitable propellant e.g., silicone oil
  • the heater 11 In the bedding compartment 12, a suitable propellant (e.g., silicone oil) is heated by the heater 11; the resulting propellant vapor
  • the propellant vapor jet 17 condenses on the cooled walls of the pump body 16 and is returned to the reservoir 12.
  • the gas molecules retain their momentum and enter the steam jet of the next lower nozzle stage.
  • the gas is discharged via the Vorvakuumstutzen 13 by means of a backing pump.
  • the pumped gas will increase from level to level
  • the novelty of the invention lies in the implementation of the principle in miniaturized, preferably in a microsystem adequate planar shape. This results in exploiting the miniaturization of a number of other advantages.
  • This is at the
  • Propellant vacuum pump consisting of an evaporator chamber at high pressure and a pumping chamber at low pressure, separated ge by a nozzle arrangement, provided that the pumping effect by a flow at high speed by a preferably planar arrangement of vertically verlau ⁇ in depth fenden nozzles between two parallel plates is achieved, which close the chambers through the nozzle area. Furthermore, an opening in the pumping chamber above the nozzle arrangement for sucking the medium to be pumped and an opening for expelling the compressed gas below the nozzle arrangement are provided.
  • a planar nozzle arrangement of e.g. One or two Laval nozzles per nozzle stage is used to expand a pressurized liquid, gas or vapor propellant and optionally accelerate to supersonic speed. As a result, the nozzle flow can reach supersonic speed.
  • the propellant vacuum pump can be used even at high pressures from about one atmosphere due to the small dimensions. By selecting the number of mutually arranged nozzles and da ⁇ with pressure levels high compression ratios can be achieved. - -
  • the working pressure range can be varied over wide ranges.
  • the blowing agent used is a condensable medium or a gaseous medium.
  • a liquid is used as the propellant, wherein in one embodiment the liquid propellant is vaporized in a heater arranged in the evaporator chamber in the form of an electrically heated coil. Alternatively, the propellant is already introduced in gaseous form into the evaporator chamber.
  • the increased pressure of the propellant within the nozzle assembly can be achieved either by suitable measures outside the micro-pump or in vaporous propellant with a heater integrated in the pump and evaporator of a liquid.
  • the scaling of the dimensions of the pump up to the range of the free path length of the gas molecules in the respective pressure range makes it possible to operate in a pressure range from about one atmosphere to several pascals.
  • a particulate filter can be integrated. Such a filter can also be used or integrated in the inlet and outlet at the inlet and outlet of the evaporator chamber.
  • Blowing agents are condensed on the pump walls and possibly returned to the integrated in the pump heater. There it is again vaporized and thus transferred into a propellant circuit in order to allow a closed and externally supplied with energy for the heater system.
  • the vacuum pump is additionally provided with a cooling of the outer wall of the pump chamber.
  • the condensation of the vaporous blowing agent may e.g. via ducts or cooling fins provided in the walls, which are filled with a liquid or a gas or air and remove the heat from the side walls used for the condensation; Alternatively, Peltier elements can also be used for this purpose.
  • a pressure measurement is integrated.
  • several pressure sensors can be integrated into the pump. These pressure sensors can be mounted in the pump chamber on the high-vacuum side and the fore-vacuum side, as well as in the evaporator chamber, and can also detect the differential pressure between the measurement points mentioned above by means of suitable control measures.
  • a pressure sensor can be used, for example, as a pressure sensor.
  • a system based on the Pirani principle which measures the pressure-dependent thermal conductivity of the surrounding medium (see: Wutz, Adam, Walcher, Theory and Practice of Vacuum Technology, Viehau Verlag Braunschweig, 5th Edition (1992); Mastrangelo Muller,
  • a flow measurement based on, for example, the intake manifold (intake region) and / or the outlet may be provided. carried out on a realized in micro system technology Schudraht270.
  • the structure of the invention consists, for example, of three substrates, of which the middle contains the nozzle structures and extends through one _ _
  • high thermal conductivity is characterized in order to facilitate the vapors of a liquid propellant and the condensation.
  • the system or the medium vacuum vacuum is made up of three substrates, the middle substrate of which, because of its good heat conduction, mechanical and chemical stability and structurability, is a silicon, preferably structured with anisotropic plasma etching, and the silicon Both sides closing substrates preferably made of anodic bonded glass because of its low thermal conductivity.
  • a us a galvanisch if the middle substrate because of its good heat conduction, a us a galvanisch.
  • Metallstruk ⁇ tur consists, preferably galvanically grown on a Unte ⁇ Ren glass substrate and an upper glass substrate as Verschl uss.
  • the two outer substrates may contain required connection channels and, if necessary, as a carrier for the Dru ck or to be integrated
  • Flow sensors serve and close the evaporator chamber and the pump room.
  • substrates silicon, preferably anisotropically structured, and borosilicate glass can serve as well as galvanically deposited metal structures and glass substrates or else because of their good chemical and mechanical stability
  • Injection molding produced structures and polymer substrates.
  • the propellant vacuum pump according to the invention is preferably closed with polymer substrates, and the nozzle arrangement is also closed by means of e.g. produced by injection molding
  • the small size of the micro-propellant pump produces the following advantages:
  • the invention can be used as a pump for existing or future-developed miniaturized systems, without unnecessarily increasing their design.
  • micro-propellant pump can be used by its small internal dimensions from a pressure of about one atmosphere and sen depending on the design with several Dü senstu ⁇ and a suitable propellant reach a final pressure of up to a few pascals.
  • the micro-propellant pump consists of a silicon substrate structured by plasma etching and two borosilicate glass substrates anodically bonded thereon as cover at the top and bottom, one of which has access from outside into the evaporator chamber for the external supply of a drug.
  • FIG. 2 Such a system is shown by way of example in FIG. 2 (FIG. 2).
  • a vaporous blowing agent is expelled, which expands through the nozzles 5 and impulses the gas molecules on the high-vacuum side 6 or in one transmits via a channel 7 connected volume.
  • the propellant condenses on the water-cooled side walls of the pump 3 and the pumped gas molecules pass through the pre-vacuum side 2 and the outlet 1 from the micropump.
  • the side length of the system is about 15 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Treibmittel-Vakuumpumpe der Mikrosystemtechnik, aufweisend eine Verdampferkammer und eine Pumpkammer, die durch eine Düsenanordnung getrennt sind. Die Treibmittel-Vakuumpumpe wird durch eine planare Anordnung von wenigstens einer vertikal in die Tiefe verlaufenden Düse zwischen zwei, insbesondere parallelen Platten, wobei die Platten die Verdampferkammer und die Pumpkammer verschließen, und durch eine Öffnung in der Pumpkammer, vorzugsweise oberhalb der Düsenanordnung, zum Ansaugen eines zu pumpenden Mediums und durch eine Öffnung zum Austreiben eines, vorzugsweise komprimierten, Gases unterhalb der Düsenanordnung weitergebildet.

Description

Treibmittel-Vakuumpumpe
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Treibmittel-Vakuumpumpe, die eine vorzugsweise durch Mikrosystemtechnologien strukturierte planare Düsen- und Pumpenwandgeometrie und ein geei gnetes Treibmittel zur Vakuumerzeugung benutzt. Sie zeichnet sich aus durch einfache Herstellbarkeit, geringe Größe und damit gute Integ¬ rationsmöglichkeit z.B. in mobile Systeme, Betrieb in einem Druck¬ bereich von etwa einer Atmosphäre bis zu wenigen Pascal, hoher Saugleistung und lageunabhängiger Funktion.
Stand der Technik
Pumpen für den Transport von Gasen bzw. die Erzeugung eines Vakuums existieren im makroskopischen Maßstab in einer Vielzahl von Ausführungsvarianten: Verdrängerpumpen, Molekularpümpen,
Sorptionspumpen, Kondensatoren, Kryopumpen und Treibmittel- pumpen. Jede dieser Varianten ist für die Anwendung innerhalb ei¬ nes bestimmten Druckbereiches geeignet; zur Erzeugung eines vor¬ gegebenen Druckes kann es nötig sein, mehrere dieser Pumpen hintereinander zu betreiben. Die Größe dieser herkömmlichen Va- kuumpumpen liegt in ihren kleinsten Bauformen noch immer im Be¬ reich einiger zehn Kubikzentimeter. Daher können diese Pumpen nicht sinnvoll in Systeme mit Mikro-Baugruppen (z.B. Sensoren) in¬ tegriert werden. Der Einsatz von z.B. miniaturisierten Analysegerä¬ ten, die für ihre Funktion einen Unterdruck oder einen konstanten Gasstrom benötigen, ist daher eng an die Entwicklung von geeigne¬ ten Mikro-Gaspumpen gekoppelt.
Mikro-Pumpen wenden unterschiedliche physikalische oder chemi¬ sche Prinzipien an, um eine Pumpwirkung zu erzeugen (siehe: Nam- Trung Nguyen, Xiaoyang Huang, Toh Kok Chuan, MEMS-
Micropumps: A Review, Transactions of the ASME, Vol. 124 (June 2002), 384-392; P. Woias, Micropumps - summarizing the first two decades, Proc. SPIE, Vol. 4560 (2001 ), 39-52). Viele der so reali¬ sierten Systeme sind in der Anwendung auf flüssige Medien limitiert; nur einige eignen sich für das Pumpen von Gasen bzw. die Vaku¬ umerzeugung.
Ein Skalieren der herkömmlichen Pumpprinzipien mit rotierenden Teilen zum Verdrängen des Gases ist auf Grund der sehr kleinen Abmessungen und der erforderlichen Rotationsgeschwindigkeiten zur Erzeugung nahezu unmöglich. Die meisten realisierten Mikro- Vakuumumpen basieren aber auf mechanisch bewegten Teilen, die die Langzeitstabilität solcher Systeme erheblich beeinträchtigen, etwa Membranen, die durch ihre Bewegung, erzeugt über unter- schiedliche Aktuatoren, die Pumpwirkung hervorrufen oder z.T. be¬ nötigten aktiven oder passiven Ventilen (siehe: R. Rapp, W. K. Schomburg, D. Maas, J. Schulz, W. Stark, LIGA micropump for ga- _ _
ses and liquids, Sens. Act. A, Vol. 40 (Janua ry 1994), 57-61 ; R. Lin- nemann, P. Woias-P, C. D. Senfft, J. A. Ditte rich, A self-priming and bubble-tolerant piezoelectric Silicon micro pump for liquids and gases, Proc. MEMS 1998 Heidelberg, 532-537; C. G. J. Schabmuel- ler, M. Koch, A. G. R. Evans, A. Brunnschweiler, M. Kraft, Design and fabrication of a self-aligning gas/liquid m icropump, Proc. SPIE - Int. Soc. Opt. Eng. (USA), Vol. 4177 (2000), 282-90).
Anwendung können alternativ Pumpen ohne mechanische Teile fin- den, die auf dem Prinzip des Knudsen-Kompressors basieren (ther¬ mal transpiration, thermal molecular pressu re): Zwischen zwei Vo¬ lumina unterschiedlicher Temperatur, die über einen Kanal mit ge¬ ringer Querschnittsfläche verbunden sind, entsteht eine Druckdiffe¬ renz, die zur Erzeugung einer Pumpwirku ng ausgenutzt werden kann. Nachteilig wirkt sich der relativ komp lizierte Aufbau und der hohe Flächenbedarf solcher Systeme aus, bedingt durch den Zwang auf Grund des geringen erreichten Kompress ionsverhältnisses, viele solcher Pumpen in Reihe zu betreiben, um die gewünschte Saug¬ leistung und Druckdifferenz zu erzeugen (sie he: R. M. Young, Analy- sis of a micromachine based vacuum pump on a chip actuated by the thermal transpiration effect, J. Vac. Sei. Technol. B 17(2), Mar/Apr 1999; J. P. Hobson, D.B. Salzman, Review of pumping by thermal molecular pressure, J. Vac. Sei. Te chnol. A 18(4), Jul/Aug 2000, S.E. Vargo, E. P Muntz, Initial Results from the first MEMS fabricated thermal transpiration-driven vacuum pump, Rerefied Gas
Dynamics: 22. Int. Symposium, 2001 ).
Die Anwendung des der Erfindung zu Grunde liegenden Pumpprin¬ zips in Mikropumpen ist nicht bekannt. _ _
Beschreibung und Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Mikro-Pumpe nutzt das in DIN 28 400, Teil 2 beschriebene Funktionsprinzip der Treibmittelpumpen, das d arauf begründet ist, dass ein schnell strömendes dampfförmiges oder flüssiges Treibmittel durch eine Düse hindurch expandiert . Die Gasteilchen -im zu evakuierenden Rezipienten gelangen in d iesen Treibmittelstrahl; hier erhalten sie durch Stöße mit den Treibrnittel- molekülen einen Impuls in Pumprichtung.
Eine Sonderstellung unter den Treibmittelpumpen nimmt die D iffusi¬ onspumpe ein, bei der im Gegensatz zu den anderen Strahlpu mpen der Mischvorgang des Treibmitteis mit dem abzupumpenden Gas nicht in einer turbulenten Grenzschicht stattfindet, sondern durch Diffusion des Gases in den Treibstrahl.
In Abbildung 1 (Fig. 1 ) ist beispielhaft für alle Treibmittelpu mpen das Pumpprinzip an Hand des Aufbaus einer Diffusionspumpe dar¬ gestellt: Im Siederaum 12 wird durch die Heizung 11 ein geeig netes Treibmittel (z.B. Silikonöl) erhitzt; der entstehende Treibmitteldampf
14 tritt mit Überschallgeschwindigkeit aus den Düsen 15 aus und überträgt einen abwärts gerichteten Impuls auf die Moleküle des abzupumpenden Gases 18. Der Treibmitteldampfstrahl 17 ko nden¬ siert an den gekühlten Wänden des Pumpenkörpers 16 und wird wieder dem Vorratsbehälter 12 zugeführt.
Die Gasmoleküle behalten ihren Impuls bei und gelangen in den Dampfstrahl der nächsttiefer gelegenen Düsenstufe. Unterhal b der letzten Düse wird das Gas über den Vorvakuumstutzen 13 mittels einer Vorpumpe abgeführt. Das abgepumpte Gas wird von Stufe zu
Stufe weiter komprimiert, so dass bei konstantem Massenstrom sein Volumenstrom entsprechend abnimmt; die Pumpfläche zwischen Düse und Wand verkleinert sich dementsprechend ebenfalls von oben nach unten. Der höchste zulässige Druck auf der Vorvakuum- seite wird hierdurch vergrößert (siehe: Wutz, Adam, Walcher, Theo¬ rie und Praxis der Vakuumtechnik, Vieweg Verlag Braunschweig, 5. Edition (1992)).
Die Neuartigkeit der Erfindung liegt in der Umsetzung des Prinzips in miniaturisierter, vorzugsweise in einer der Mikrosystemtechnik adäquaten planaren Form. Daraus resultieren unter Ausnutzung der Miniaturisierung eine Reihe weiterer Vorteile. Hierbei ist bei der
Treibmittel-Vakuumpumpe, bestehend aus einer Verdampferkammer bei hohem Druck und einer Pumpkammer mit niedrigem Druck, ge¬ trennt durch eine Düsenanordnung, vorgesehen, dass die Pumpwir¬ kung durch eine Strömung mit hoher Geschwindigkeit durch eine vorzugsweise planare Anordnung von vertikal in die Tiefe verlau¬ fenden Düsen zwischen zwei parallelen Platten erzielt wird, die die Kammern durch den Düsenbereich verschließen. Femer sind eine Öffnung in der Pumpkammer oberhalb der Düsenanordnung zum Ansaugen des zu pumpenden Mediums sowie eine Öffnung zum Austreiben des komprimierten Gases unterhalb der Düsenanord¬ nung vorgesehen. Eine planare Düsenanordnung aus z.B. ein oder zwei Lavaldüsen pro Düsenstufe wird verwendet, um ein unter Druck stehendes flüssiges, gas- oder dampfförmiges Treibmittel zu expandieren und wahlweise bis auf Überschallgeschwindigkeit zu beschleunigen. Dadurch kann die Düsenströmung Überschallge¬ schwindigkeit erreichen.
Die Treibmittel-Vakuumpumpe ist aufgrund der kleinen Dimensionen schon bei hohen Drücken ab etwa einer Atmosphäre einsetzbar. Durch Wahl der Anzahl untereinander angeordneter Düsen und da¬ mit Druckstufen sind hohe Kompressionsverhältnisse erreichbar. - -
Weiterhin kann durch Wahl der geeigneten Dimensionierung der Pumpe, des Treibmittels bzw. der Verdampfertemperatur der Ar- beits-Druckbereich über weite Bereiche variiert werden.
Als Treibmittel wird ein kondensierbares Medium oder ein gasförmi¬ ges Medium genutzt. Weiterhin wird als Treibmittel eine Fl üssigkeit verwendet, wobei in einer Ausgestaltung das flüssige Treibmittel in einer in der Verdampferkammer angeordneten Heizung in Form ei¬ ner elektrisch beheizten Wendel verdampft wird. Alternativ wird das Treibmittel schon gasförmig in die Verdampferkammer eingeführt.
Der erhöhte Druck des Treibmittels innerhalb der Düsenanordnung kann hierbei entweder durch geeignete Maßnahmen außerhalb der Mikro-Pumpe oder bei dampfförmigem Treibmittel mit einem in die Pumpe integrierten Heizer und Verdampfer einer Flüssigkeit erreicht werden. Das Skalieren der Abmessungen der Pumpe bis in den Be¬ reich der freien Weglänge der Gasmoleküle im jeweiligen Druckbe¬ reich ermöglicht den Betrieb in einem Druckbereich von etwa einer Atmosphäre bis zu einigen Pascal.
Um eine möglichst große Druckdifferenz mit nur einer Mikro- Treibmittelpumpe zu erreichen, können mehrere Düsenstufen hin¬ tereinander betrieben werden, so dass das abgepumpte Qas in je¬ der Stufe weiter komprimiert wird. Eine Variation des verwendeten Treibmittels und der Verdampfertemperatur ermöglicht ebenfalls den
Betrieb in unterschiedlichen Druckbereichen.
Um das Verschmutzen der Düsen bzw. in den Düsenzufurirkanälen mit kleinsten Partikeln zu verhindern, kann z.B. in der Verdampfer- kammer ein Partikelfilter integriert werden. Ein ebensolcher Filter kann auch in der Zu- und Abfuhr am Ein- und Ausgang der Ver¬ dampferkammer verwendet bzw. integriert werden. _ _
Das aus den Düsen ausgetretene Treibmittel, das den eigentlichen
Pumpeffekt hervorruft, kann im Falle der Verwendung von Gasen oder Flüssigkeiten auf geeignetem Wege aus der Pumpe hera us- transportiert und für den Fall der Verwendung von dampfförmigen
Treibmitteln an den Pumpenwänden kondensiert und ggf. zu dem in die Pumpe integrierten Heizer zurückgeführt werden. Dort wird es erneut verdampft und somit in einen Treibmittelkreislauf überfü hrt, um ein geschlossenes und von außen ausschließlich mit Energie für den Heizer versorgtes System zu ermöglichen.
Um ein gasförmiges Treibmedium zu kondensieren, ist die Vakuum¬ pumpe zusätzlich mit einer Kühlung der Außenwand der Pumpkam¬ mer versehen. Das Kondensieren des dampfförmigen Treibmittels kann z.B. über in den Wänden vorgesehene Kanäle oder Kühlrippen erfolgen, die mit einer Flüssigkeit oder einem Gas oder Luft gefüllt sind und die Wärme von den zur Kondensation verwendeten Sei¬ tenwänden abführen; alternativ können hierfür auch Peltier- Elemente eingesetzt werden.
Weiterhin besteht in einer Weiterbildung zwischen Verdampferkam¬ mer und Pumpkammer eine Verbindung, über die ein kondensiertes Treibmittel zurückgeführt wird, das gleichzeitig als Druckstufe wi rkt. Eine Rückführung des kondensierten Treibmittels von der Purnp- kammer in die Verdampferkammer kann z.B. durch einen oder m eh¬ rere kapillarförmige Kanäle ausgeführt werden, die mit einer Sch icht gegenüber der Pumpkammer höherer Oberflächenenergie ausge¬ kleidet ist. Durch diese Maßnahmen kann erreicht werden, dass die Mikro-Pumpe lageunabhängig betrieben wird.
Zur Überwachung der Pumpfunktion in der Pumpkammer am Ein- oder Ausgang, oder in der Verdampferkammer oder in mehreren _ _
oder allen Positionen ist eine Druckmessung integriert. Um den Be¬ trieb der Mikro-Treibmittelpumpe zu überwachen und ggf. zu steu¬ ern oder zu regeln, können mehrere Drucksensoren in die Pumpe integriert werden. Diese Drucksensoren können in der Pumpen- kammer auf der Hochvakuumseite und der Vorvakuumseite, sowie in der Verdampferkammer angebracht werden und über geeign ete schaltungstechmsche Maßnahmen auch den Differenzdruck z.wi- schen den genannten Messpunkten detektieren.
Auf Grund der guten Realisierbarkeit und der Anwendbarkeit in un¬ terschiedlichen Druckbereichen bietet sich als Drucksensor z.B. ein auf dem Pirani-Prinzip basiertes System an, das die druckabhängi¬ ge Wärmeleitfähigkeit des umgebenden Mediums misst (sie he: Wutz, Adam, Walcher, Theorie und Praxis der Vakuumtechnik, Vie- weg Verlag Braunschweig, 5. Edition (1992); Mastrangelo, Mul ler,
Microfabricated Thermal Absolute-Pressure Sensor with on-C hip Digital Front-End Processor, IEEE J. Solid State Circuits, VoI 26 No 12 (1991 ), 1998-2007; Ping Kuo Weng, Jin-Shown Shie, Micro- Pirani vacuum gauge, Rev. Sei. Instrum., VoI 65 No 2 (1994), 492- 499, Puers, Reyntjens, Bruyker, The NanoPirani - an extrem ely miniaturized pressure sensor fabricated by focussed ion beam ra pid prototyping, Sens. & Act. A, VoI 97-98 (2002), 208-214). Dadu rch erfolgt die Druckmessung mit einer in Mikrosystemtechnik integrier¬ ten Pirani-Anordnung.
Ebenfalls zur Überwachung der Pumpe bzw. zur Bestimmung der Saugleistung kann am Ansaugstutzen (Ansaugbereich) und/oder am Auslass ggf. eine Flussmessung basierend z.B. auf einem in Mikro¬ systemtechnik realisierten Heizdrahtprinzip erfolgen.
Der Aufbau der Erfindung besteht z.B. aus drei Substraten, von de¬ nen das mittlere die Düsenstrukturen beinhaltet und sich durch eine _ _
hohe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet, um das Verdampfe n eines flüssigen Treibmittels und die Kondensation zu erleichtern.
In einer Ausgestaltung ist das System bzw. die Tre ibmittel- Vakuumpupe aus drei Substraten aufgebaut, dessen mittleres Sub¬ strat wegen dessen guter Wärmeleitung, mechanischer und chemi¬ scher Stabilität sowie Strukturierbarkeit ein, vorzugsweise mit ani¬ sotropen Plasmaätzverfahren strukturiertes, Silizium ist und die beidseitig verschließenden Substrate vorzugsweise wegen dessen geringer thermischer Leitfähigkeit aus anodisch gebondetem Glas bestehen.
Außerdem ist es in einer weiteren Ausgestaltung vorteilhaft, wenn das mittlere Substrat wegen dessen guter Wärmeleitung, a us einer galvanisch z.B. in einer UV-Liga-Technik aufgebrachten Metallstruk¬ tur besteht, vorzugsweise galvanisch aufgewachsen auf einem unte¬ ren Glassubstrat und einem oberen Glassubstrat als Verschl uss.
Die beiden äußeren Substrate können benötigte Anschlusskanäle beinhalten und ggf. als Träger für die zu integrierenden Dru ck- oder
Flusssensoren dienen und verschließen die Verdampferkam mer und den Pumpenraum. Als Substrate können Silizium, vorzugsweise a- nisotrop strukturiert, und Borsilikatglas wegen ihrer guten chemi¬ schen und mechanischen Stabilität ebenso dienen wie ga lvanisch abgeschiedene Metallstrukturen und Glassubstrate ode r durch
Spritzgussverfahren erzeugte Strukturen und Polymersubstrate.
Die erfindungsgemäße Treibmittel-Vakuumpumpe wird mit Polymer¬ substraten vorzugsweise verschlossen und auch die Düsenanord- nung wird durch eine z.B. durch Spritzgussverfahren erzeugte
Struktur erzeugt. - -
Durch die geringe Größe der Mikro-Treibmittelpumpe entstehen fol¬ gende Vorteile: Die Erfindung kann als Pumpe für bestehende oder zukünftig entwickelte miniaturisierte Systeme eingesetzt werden, ohne deren Bauform unnötig zu vergrößern.
Des Weiteren kann die Mikro-Treibmittelpumpe durch ihre geringen internen Abmessungen ab einem Druck von etwa einer Atmosphäre eingesetzt werden und je nach Ausführung mit mehreren Dü senstu¬ fen und einem geeigneten Treibmittel einen Enddruck von bis zu wenigen Pascal erreichen.
Das System zeichnet sich durch einfache Herstellung aus: Im ein¬ fachsten Fall besteht die Mikro-Treibmittelpumpe aus ein em mit Plasmaätzverfahren strukturierten Siliziumsubstrat und zwei darauf anodisch gebondeten Borsilikatglassubstraten als Abdeckung oben und unten, von denen eines einen Zugang von außen in die Ver¬ dampferkammer für die externe Versorgung mit einem Tre ibmittel bietet.
Ein solches System ist in Abbildung 2 (Fig. 2) beispielhaft darge¬ stellt: Durch eine Öffnung 4 wird ein dampfförmiges Treibm ittel zu¬ geführt, das durch die Düsen 5 expandiert und einen Impuls auf die Gasmoleküle auf der Hochvakuumseite 6 bzw. in einem über einen Kanal 7 angeschlossenem Volumen überträgt. Das Treibmittel kon- densiert an den wassergekühlten Seitenwänden der Pumpe 3 und die abgepumpten Gasmoleküle gelangen über die Vorvakuurnseite 2 und den Auslass 1 aus der Mikropumpe.
Typischerweise beträgt die Seitenlänge des Systems circa 15 mm. Bezugszeichenliste
1 Auslass
2 Vorvakuumseite
3 Pumpe
4 Öffnung
5 -Düsen
6 Hochvakuumseite
7 Kanal
1 1 Heizung
12 Siederaum
13 Vorvakuumstutzen
14 Treibmitteldampf
15 Düsen
16 Pumpenkörper
17 Treibmitteldampfstrahl
18 Gas

Claims

- —Treibmittel-VakuumpumpePatentansprüche
1. Treibmittel-Vakuumpumpe, ins besondere der Mikrosystem- technik, aufweisend eine Verdampferkammer und eine Pump¬ kammer, die durch eine Düsenanordnung getrennt sind, ge- kennzeichnet durch eine plana re Anordnung von wenigstens einer quer, insbesondere verti kal, in die Tiefe verlaufenden Düse zwischen zwei, insbesondere parallelen, Platten, wobei die Platten die Verdampferkamrner und die Pumpkammer ver¬ schließen, und durch eine Öffn ung in der Pumpkammer, vor- zugsweise oberhalb der Düsen anordnung, zum Ansaugen ei¬ nes zu pumpenden Mediums un d durch eine Öffnung zum Aus¬ treiben eines, vorzugsweise komprimierten, Gases unterhalb der Düsenanordnung.
2. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die wenigstens eine Düse als Laval-Düse aus¬ gebildet ist. - -
3. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsenanordnung mehrere Düsen aufweist.
4. Treibmittel-Vakuumpumpe nach ei nem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmittel ein kondensier¬ bares und/oder gasförmiges Medi um genutzt oder eine Flüs¬ sigkeit verwendet wird.
5. Treibmittel-Vakuumpumpe nach ei nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Verdampferkammer eine Heizung, vorzugsweise in Form einer elektrisch beheizten Wendel, angeordnet ist.
6. Treibmittel-Vakuumpumpe nach ei nem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibmittel gasförmig in die Verdampferkammer eingeführt wird.
7. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer mit einer Küh¬ lung versehen ist.
8. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Avnspruch 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Kühlung Kanäle oder Kühlrippen aufweist.
9. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Kühlung mittels wenigstens eines Peltier- Elements ausgebildet ist.
10. Treibmittel-Vakuumpumpe nach e inem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Verdampferkammer - -
und Pumpkammer eine Verbindung besteht, über die ein kon¬ densiertes Treibmittel zurückgeführt wird.
1 1. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 O, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Verbindung als Kapillare ausgebildet ist.
12. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 1 , dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Kapillare mit einer Sch icht gegenüber der Pumpkammer höherer Oberflächenenergie zur Steuerung der Rückführung des Treibmittels ausgekleidet wird.
13. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckrnessung zur Über¬ wachung der Pumpfunktion in der Pumpkarnmer, vorzugsweise am Ein- oder Ausgang, oder in der Verdam pferkammer oder in mehreren oder allen Positionen integriert ist .
14. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Druckmessung mit einer, vorzugsweise in die Mikrosystemtechnik integrierten, Pirani-Anordnung erfolgt.
15. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flussm essung zur Bestim¬ mung der Saugleistung, vorzugsweise im Ansaugbereich und/oder in den Auspuff, vorgesehen ist.
16. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 1 5, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass die Flussmessung auf eine m, vorzugsweise in die Mikrosystemtechnik integrierten, Heißdrahtprinzip erfolgt.
17. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstes ein Partikelfilter zur Vermeidung von Verschmutzung, vorzugsweise i n den Düsen- zufuhrkanälen der Verdampferkammer und/oder i n der Zu- und Abfuhr am Ein- und Ausgang, vorgesehen ist.
18. Treibmittel-Vakuumpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe aus d rei Substraten aufgebaut ist.
19. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 18, dadurch gekenn- zeichnet, dass das mittlere Substrat ein, vorzu gsweise nach einem anisotropen Plasmaätzverfahren strukturie rtes, Silizium¬ substrat ist und die beidseitigen Substrate aus, vorzugsweise anodisch gebondetem, Glas bestehen.
20. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 19, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das mittlere Substrat aus einer, vorzugsweise galvanisch aufgebrachten, Metall struktur besteht.
21. Treibmittel-Vakuumpumpe nach Anspruch 20, dadurch gekenn- zeichnet, dass das mittlere Substrat galvanisch auf einem unte¬ ren Glassubstrat aufgewachsen ist und ein oberes Glassubstrat als Verschluss aufweist.
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