WO2007098910A1 - Elektrohydrodynamische mikropumpe und deren verwendung - Google Patents

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WO2007098910A1
WO2007098910A1 PCT/EP2007/001641 EP2007001641W WO2007098910A1 WO 2007098910 A1 WO2007098910 A1 WO 2007098910A1 EP 2007001641 W EP2007001641 W EP 2007001641W WO 2007098910 A1 WO2007098910 A1 WO 2007098910A1
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WO
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pumping
micropump according
channel
electrohydrodynamic micropump
electrodes
Prior art date
Application number
PCT/EP2007/001641
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jan Gimsa
Moritz Holtappels
Marco Stubbe
Original Assignee
Universität Rostock
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Publication date
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Priority to US12/296,224 priority patent/US20100150738A1/en
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Classifications

    • 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

Definitions

  • the invention relates to an electrohydrodynamic micropump according to the preamble of claim 1, a use of the micropump according to claim 36 and a method of pumping a liquid according to claim 37.
  • Pumps or micropumps that exert a pumping action on liquids by applying electric fields are known.
  • pump systems have been described whose pumping power is influenced by the interaction of alternating electric fields and dielectric elements.
  • US 4,316,233 shows an apparatus for transporting liquids or particles by means of an applied electric field.
  • the apparatus consists of a pumping chamber with two electrodes, wherein on one electrode a dielectric element with a sawtooth structure is arranged.
  • the specific arrangement requires the formation of an electrical traveling field, whereby the liquid to be pumped is polarized and in the traveling field direction, a pumping force is generated.
  • DE 103 29 979 A1 likewise describes a pump which has a pumping chamber with an electrode device for generating an alternating electric field and a dielectric element.
  • the dielectric element thereby influences the field profile of the alternating electric field, wherein the pumping force required for pumping is generated by the alternating electric field.
  • the dielectric element is designed such that the alternating electric field has a stationary and time-independent field gradient within the pumping chamber in the pumping direction. As a result, a stationary and time-independent polarization gradient in the liquid in the pumping direction is produced in the liquid.
  • This structure generates forces that act both in the pumping direction and against the pumping direction.
  • the liquid transport is caused by an asymmetrical construction of the dielectric element and the entire pumping system.
  • the asymmetrical structure of the dielectric element causes a preponderance of the force generated in one direction and there is liquid transport in the pumping direction, the pumping direction can not be changed or reversed due to the specific construction.
  • a disadvantage of the pumping system described is also the increased flow resistance caused by the dielectric element, since the dielectric elements necessarily restrict the flow channel and thus increase the flow resistance F r ⁇ 1 / r 4 according to Hagen-Pouseuille's law.
  • the invention is therefore based on the problem of providing a micropump with which the pumping direction can be better controlled, the pumping direction can be varied as desired and with which a higher flow rate can be achieved.
  • the electrohydrodynamic micropump has at least one pumping channel, wherein at least one electrode device for generating an alternating electric field and a means for generating a temperature gradient in the liquid are in and / or at the at least one pumping channel.
  • the micropump according to the invention allows in a simple but effective manner an improved control and control of the pumping direction and the pumping speed.
  • a specific influencing of the pumping direction and the pumping speed is possible depending on the applied alternating electric field and the type of liquid used.
  • ionic physiological saline solutions with concentrations up to 200 mM, in particular between 15 and 150 mM, upon application of an alternating electric field with a frequency below 20 or 200 MHz to a defined pumping direction.
  • concentrations up to 200 mM in particular between 15 and 150 mM
  • Increasing the salt concentration to above 200 mM and the associated higher ionic strength also increases the frequency above which a change in the pumping direction can occur in the opposite direction.
  • non-ionic liquids such as hydrocarbons with a chain length of Ci 0 to C 19
  • the electrode device acts as a heating element when the alternating electric field is applied.
  • at least one electrode of the electrode device acts as a heat sink, which leads to the formation of a temperature gradient in the liquid to be transported, in particular in the region of the electrode device.
  • the temperature gradient causes the formation of a gradient of the conductivity and / or the dielectric constant in the liquid to be transported.
  • the liquid undergoes a resulting force through the gradient in the direction of lower conductivities or dielectric constants, which leads to a liquid transport.
  • the flow resistance is considerably reduced by the absence of the dielectric element.
  • the at least one pumping channel can even be widened arbitrarily in order to produce a larger volume flow.
  • the pump according to the invention does not require a stationary, time-independent field gradient and thus also no dielectric element for influencing the electric field course between the electrodes.
  • At least one electrode device and the at least one means for generating the temperature gradient are coupled.
  • Such a coupling may e.g. in the form of integration into a component.
  • a simple guidance of the flow results when the at least one pumping channel is at least partially linear. More complex designs can be realized if the at least one pumping channel has two or more segments. In this case, at least two linear segments with each other have an angle between 0 ° and 180 °, in particular 90 °.
  • the arrangement of the segments and of the electrodes is chosen so that the inflow of a liquid takes place substantially perpendicular to the electric field lines. It is also advantageous if the arrangement of the segments and of the electrodes is chosen such that the outflow of a liquid takes place substantially parallel to the electric field lines.
  • the flow can be positively influenced if at least one flow-guiding means, in particular of a dielectric material, is arranged in the transition region of at least two segments. By Strömungsleitsch example, an otherwise occurring circular flow can be prevented. It is advantageous if the at least one flow guide is designed as a constriction of the flow cross section for the flowing medium, in particular has a wedge-shaped cross-section.
  • the electrode device of the pump according to the invention preferably has at least one first and at least one second electrode, which are formed opposite each other, wherein the electrodes are arranged as plates flat on the bottom, wall and / or ceiling of the at least one pumping channel of the micropump.
  • the flat arrangement allows an overflow of the liquid to be transported, so that a further reduction of the flow resistance is achieved.
  • the electrode device may comprise at least one electrode, which is at least partially flowed around by the flowing medium.
  • the electrode device has at least one grid or at least one wire mesh as an electrode, which is flowed through by the flowing medium.
  • the electrode device comprises at least two electrodes, in particular metallic electrodes with high thermal conductivity. It is particularly advantageous for the electrode device to comprise at least two electrodes, in particular metallic electrodes, with different thermal conductivity.
  • at least one of the electrodes has a high thermal conductivity.
  • Preferred electrode materials are gold, platinum, indium-tin oxide or other metals or metal oxides with high thermal conductivity (for example greater than 20 W / (m K)). In principle, polymers are also usable.
  • the very high thermal conductivity of a metallic electrode contributes to an increase in the temperature gradient and thus increases the pumping power.
  • the first and second electrodes have different dimensions and / or shapes from each other.
  • the first electrode is characterized by a larger area, width and / or larger volume than the second electrode.
  • the different dimensions cause the formation of a higher temperature gradients because the larger first electrode acts as a supplemental heat sink in the system.
  • At least one heating element in the at least one pumping channel for generating an additional temperature gradient in the liquid, the heating element preferably being located in front of or behind the electrode device in the flow direction, depending on the frequency of the field.
  • the additional temperature gradient generated by the heating element extends into the region of the alternating electric field generated by the electrode device and supports the formation of a gradient of the conductivity and the dielectric constant in the liquid to be transported.
  • the at least one heating element and the second electrode are at least partially combined in the form of a common component.
  • the continuously and / or pulsed generated alternating electric field advantageously has a sinusoidal or rectangular time profile.
  • the frequency of the alternating electric field is tuned to an electrical resonance frequency of the pump.
  • the pumping medium can be considered as the dielectric of a conventional capacitor. If the pumping medium is, for example, water, its relative dielectric constant at room temperature is about 78.
  • the supply lines can be regarded as inductances (coils). Since they are electrically connected in series with the (electrode) capacitor, it is a series resonant circuit (absorption circuit), ie under resonance conditions, the voltage across the capacitor, ie at the electrodes, is increased and the pumping effect is enhanced. This amplification can also occur very locally, in particular if the resonance condition along the electrode within the pump structure is only due to the inductance of the electrode itself locally fulfilled. It should be noted in this context that the effective inductance of the electrode line surrounded by medium is increased by the factor (root relative permittivity) (shortening factor). When using water, there is an increase by a factor of about 9.
  • the natural resonance frequency of the system can be adjusted. That the pumping effect under resonance conditions is maximum and the dielectric constant in turn depends on the medium itself and its temperature, can be used for control effects.
  • the resonance condition can be e.g. be adjusted so that the pumping effect is maximum when there is an undesirable medium or object in the pump structure in media mixtures, emulsions or suspensions.
  • the heating element is advantageously designed in the form of heating structures, heating wires, and / or heat radiators.
  • the heating elements or heating structures are preferably produced together with the electrode device in a manufacturing process.
  • the liquid to be transported by means of the pump is characterized by a conductivity of 0.0001 S / m to 10 S / m and a permittivity of 0.6 to 10000.
  • the at least one pumping channel of the micropump is advantageously arranged on a microsystem, in particular a chip.
  • a microsystem in particular a chip.
  • biological or chemical microsystems or chips are i.a. known by the terms "factory on a chip”, “lab-on-chip” or "micro-total analysis system”.
  • the chamber is advantageously provided with chemical and / or biological reaction systems, e.g. Nutrient solution, cell cultures, physiological saline solutions, suspending agents and / or chemical reaction solutions, filled.
  • the micropump enables a transport or a movement of the reaction solutions within the chamber and thus functions essentially in the form of a micro stirrer.
  • the microreactor chamber is advantageously filled or emptied by means of a microdosing system.
  • the microdosing system is e.g. designed as a piezoelectric element, piezoelectric actuator with corresponding valves.
  • the micropump may also be integrated with or without the said microreactor chamber into a pumping structure or a pumping system comprising at least one pumping chamber and at least one outflow chamber.
  • the pumping chamber opens at at least one outflow opening into the at least one pumping channel.
  • the at least one pumping channel in which the electrode device and, if appropriate, a heating element are arranged, opens in turn advantageously with at least one outflow opening into the outflow chamber.
  • the drainage chamber can also be used to receive biological and / or chemical reaction solutions, such as e.g. for cell culture, serve.
  • the outflow chamber is advantageously connected to at least one further channel, whereby the micropump, e.g. for the distribution of substances or substances in the microsystem of the pump structure can be used.
  • the pumping chamber and outflow chamber are also advantageously connected via the at least one pumping channel and the further channel.
  • the further channel may preferably be formed as a measuring channel, reaction channel and / or supply channel.
  • the pumping chamber, the at least one pumping channel, the outflow chamber and the further channel advantageously form a closed circulatory system, wherein the at least one pumping chamber and the outflow chamber each have at least one inlet and / or outlet channel for filling and / or emptying the circulatory system.
  • the object of the invention is also achieved by a use of the pump according to claim 36 and a method having the features of claim 37.
  • the inventive method for pumping a liquid in a micropump according to at least one of claims 1 to 35 is characterized by the formation of an alternating electric field and a temperature gradient in the liquid to be pumped between at least two electrodes, wherein the pumping direction of the frequency of the applied alternating electric field and / or is controlled by the temperature gradient in at least one pump channel.
  • the method according to the invention is also advantageously characterized by the formation of an additional temperature gradient in the at least one pump channel by a heating element, wherein the temperature gradient extends into the region of the alternating electric field between the electrodes or overlaps completely or partially therewith.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of the micropump according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second embodiment of the micropump according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of the micropump according to the invention.
  • Fig. 4 schematic representation of a closed circuit system with the micropump according to the invention
  • FIG. 8 shows a first diagram with the experimentally determined representation of the functional relationship of applied frequency and velocity as a function of the conductivity of the liquid to be pumped;
  • 11A shows a fourth embodiment with an angled pumping channel
  • Fig. 11B is a detail view of the fourth embodiment of the invention.
  • Fig. 13A shows a fifth embodiment of the invention with an angled pumping channel
  • Fig. 13B is a detail view of the fifth embodiment
  • Fig. 14 is a schematic representation of a sixth embodiment
  • FIG. 15 shows a simulation result (temperature, field strength) of the sixth embodiment
  • Fig. 16 representation of a simulation result (pressure distribution in
  • Fig. 17 is a schematic representation of a seventh embodiment
  • Fig. 18 representation of a simulation result of the seventh
  • Fig. 20 is a schematic diagram of an eighth embodiment
  • Fig. 22 is an enlarged view of a detail of Fig. 21;
  • FIG. 24 is an enlarged view of a detail of FIG. 23.
  • FIG. 1 shows the schematic structure of a first embodiment of the electrohydrodynamic micropump 1 according to the invention comprising a pumping channel 2 and an electrode device 6.
  • the electrode device 6 is arranged, which has a first electrode 4 and a second electrode 5.
  • the electrodes 4, 5 are preferably constructed of materials with different thermal conductivities. The generated alternating electric field and the temperature gradient generated between the electrodes exert a force on the charge carriers and / or dipoles of the liquid and thus generates a liquid transport in or against the illustrated flow direction 7.
  • Fig. 1 only a linear pumping channel 2 is shown.
  • a plurality of pumping channels 2 wherein this may also have more complex shapes.
  • the channels are shown in one plane in the figures, it being possible to arrange the individual components of the device in space. For example, several pump channels 2 to each other in a three-dimensional arrangement can be realized.
  • the two electrodes 4, 5 are opposite on both sides of the pumping channel 2, wherein other arrangements are possible.
  • the electrodes are also in one another way relative to the pumping channel 2 and can be arranged relative to each other.
  • the electrodes 4, 5 are shown only schematically.
  • a temperature maximum arises in the middle between the electrodes 4, 5 at a current flow between the electrodes 4, 5.
  • the heat production by the electric current is in equilibrium with a heat flow through the channel walls, via the electrodes 4, 5 itself and via the adjacent liquid in the channel, which is outside the electric field (see also Figs. 12 and 15). That is, there are temperature gradients in the vicinity of the channel walls, and in the vicinity of the electrodes.
  • the temperature gradients in the vicinity of the channel wall are perpendicular to the electric field lines and therefore have no effect (apart from the fact that a flow over the walls would not be possible).
  • the temperature gradients in the vicinity of both electrodes are parallel to the electric field and therefore interact with the electric field. It creates a flow that points away from the electrodes (at low frequencies).
  • the temperature field near an electrode is affected, e.g. through a. a heating element, so that the temperature gradient at this point is reduced or even reversed (then the heat input of the heating dominates the temperature field).
  • the electrodes themselves, which are different in size and / or made of material with different thermal conductivity.
  • FIG. 2 schematically illustrates the structure of a second embodiment of the electrohydrodynamic micropump 1 with a pumping channel 2, a meandering heating element 3 arranged in the pumping channel and an electrode device 6 with the electrodes 4 and 5.
  • the transport of liquid is assisted by generating an additional temperature gradient by means of the heating element 3 ,
  • FIG. 3 A third embodiment of the pump according to the invention is shown in Fig. 3, in which the second electrode 5 is combined with a portion of the heating element 3 to a device 8. Broadening of the first electrode 4 leads to improved heat dissipation and an increase in the temperature gradient and thus a higher flow rate.
  • a further embodiment of the micropump according to the invention is installed in a circulatory system 13 shown in FIG.
  • the circulatory system 13 comprises the pumping chamber 9, the pumping channel 2 with the heating element 3 and the electrode device 6, the outflow chamber 10 and the further channel 11, the further channel 11 for practical applications may contain a chemical or biological system.
  • the pumping chamber 9 opens at the outlet opening 2a at a right angle into the pumping channel 2, which merges at the outlet opening 2b at a right angle into the discharge chamber 10.
  • the channel 11 is also arranged at right angles to the pumping chamber 9 and the discharge chamber 10.
  • a substantially rectangular, planar channel system is shown.
  • the channels have more complex shapes and are arranged spatially to each other.
  • the distance between pump channel 2 and channel 11 is 100 to 2000 ⁇ m, preferably 1100 ⁇ m, and between pump chamber 9 and outflow chamber 10 50 to 1500 ⁇ m, preferably 900 ⁇ m. These values are only examples and can be carried out differently in other embodiments according to the task.
  • the circulation system 13 is filled at the inlet channels 12 with aqueous liquid having a conductivity of 0.01 S / m and a relative permittivity of 80. After filling the channels 12 are closed, so that no further liquid movement can take place in these directions.
  • the pumping channel 2 has a height between 20 and 100 ⁇ m, preferably 64 ⁇ m.
  • the heating element 3 is formed according to FIG. 4 as a meandering heating coil.
  • a voltage (DC) of 1, 5 V the liquid is heated to a temperature of about 312 K, whereby a temperature gradient according to the model shown in Fig. 5 in the pump channel 2 is formed.
  • the electrode device 6 has two flat electrodes 4, 5 with a thickness of 10 to 1000 nm, preferably of 100 nm, whereby the liquid can flow over the electrodes without additional resistance.
  • an alternating voltage (AC) of 30 Vrms with a frequency of 300 kHz, a strong electric field is created between the electrodes.
  • the liquid experiences a force of up to 1169 N / m 3 in the direction of lower conductivity or lower temperatures and is thus moved along the pumping channel 2 in the flow direction 7.
  • the flow rate shows the highest values of up to 1.646e in the pumping channel 2 and in the channel 11 according to the model in FIG * 10 -4 m / s.
  • Fig. 8 shows frequency spectra of liquids with different conductivities at an applied electrode voltage of 40 V and a heating power of 0.187 mW.
  • the speed is constant over a wide frequency range.
  • the pumping speed decreases, and finally, with a liquid-specific value of 0 ⁇ m / s, the pumping direction is reversed.
  • Fig. 9 the pumping power or velocity of two liquids with different conductivities as a function of the applied electrode voltage is shown graphically.
  • the measurements are carried out at a heating power of 0.187 mW and a frequency dependent on the conductivity of the fluid, wherein for a first fluid with a conductivity of 1117 ⁇ S / cm a frequency of 1 MHz and for a second fluid with a Conductivity of 706 ⁇ S / cm a frequency of 3 MHz can be used.
  • the speed of the liquid to be pumped increases in proportion to the applied electrode voltage.
  • the 10 shows the influence of the heating power on the speed of the liquid to be pumped, whereby a proportional relationship can also be recognized here.
  • the speed increases with increasing heating power.
  • the measurements are carried out at an electrode voltage of 40 Vrms and at a frequency dependent on the conductivity of the liquid, whereby also here for a first liquid with a conductivity of 1117 ⁇ S / cm a frequency of 1 MHz and for a second liquid with a conductivity of 706 ⁇ S / cm, a frequency of 3 MHz can be used.
  • FIGS. 11 to 24 Further embodiments of the invention are shown in FIGS. 11 to 24, in which the pumping channels 2, a plurality of segments 21, 22, 23 have.
  • Fig. 11A schematically shows the structure of a first variant, using a T-channel comprising three linear segments 21, 22, 23.
  • the inlet 21 also referred to here as measuring channel
  • Fig. 11 B Directly at the fork of the T-channel is the location of maximum force is 60 ⁇ m in this embodiment.
  • a substantially T-shaped arrangement of three segments 21, 22, 23 is shown, which is also referred to as angled arrangement.
  • the segments 21, 22, 23 can also be arranged spatially to each other.
  • a wedge-shaped flow-guiding means 30 is arranged on both sides of the measuring channel so that the flow from the measuring channel 21 still leads somewhat further into the two segments 22, 23 be narrowed a bit.
  • the channel then widens behind the segment 22, 23 again.
  • Two electrodes 4, 5 are arranged flat on the wall of the channel structure, essentially in the region of the inlet through the measuring channel 21 and the two sequences 22, 23.
  • a voltage here, for example, an alternating voltage of 40 Vrms, 1 MHz
  • the flow of current heats the conductive solution in the segments 21, 22, 23 of the pump channel between the electrodes and causes a temperature gradient which points from the electrodes to the center of the inlet channel.
  • Fig. 12 the temperature gradients are shown as a simulation result of a similar geometric configuration.
  • the flow guiding means 30 differ in this embodiment from those of FIG. 11 A.
  • the temperature gradients are shown as arrows.
  • the conductivity is 500 mS / m and the electrode voltage 30 Vrms.
  • 21 flow velocities of about 25 microns / s can be measured in the measuring channel.
  • FIG. 13A shows a further embodiment whose flow guidance essentially corresponds to the embodiment according to FIG. 11A, so that the corresponding description is referred to by analogy.
  • the electrodes 4, 5 are arranged lying flat on the ground, but the electrodes 4, 5 extend into the two segments 22, 23 of the drainage channels. In the embodiment according to FIG. 11A, however, the electrodes 4, 5 were arranged in the wall.
  • Fig. 13B shows an enlarged view of the T-shaped area. In such an arrangement, a flow velocity in the measuring channel 21 of about 100 microns / s could be measured, that is a multiply higher speed than in the embodiment of FIG. 11 A.
  • the energization of the electrodes 4, 5 was the same as in the embodiment of FIG 11 A.
  • the measuring channel 21 of the angled micropump carries the liquid to be pumped between the electrodes 4, 5 so that it flows as perpendicularly as possible to the electric field lines (see FIGS. 12 and 15 to 21) while the orientation of the segments 21, 22 of the outlet channel is an outflow guaranteed as parallel to the electric field lines.
  • the temperature gradient should be as steep as possible in the area of the electric field and from the outlet channel in the direction of the inlet channel center.
  • the channel geometries can be changed, whereby at least one temperature gradient arises in the region of the electric field which is parallel to the electric field and parallel to the outlet channel and further temperature gradients have no effect because they are either perpendicular to the electrical Field (eg inlet channel) or because the channel wall prevents flow (eg the 90 ° angled channel in Fig. 17-19)
  • FIG. This has intersecting channels.
  • the first segment 21 is shown vertically, from which two segments exit at right angles.
  • the inflow takes place in the illustration of FIG. 14 from above and below through the linear segment 21.
  • the electrodes 4, 5 are in this embodiment in the vicinity of the junctions of the two segments 22, 23 in the first segment 21.
  • the electrodes 4, 5 are arranged flat on the wall, so that they can be overflowed by the medium. They are individually or in combination flat on the wall, in the bottom or on the ceiling of the drainage channels 22, 23. It is also possible to form the electrodes 4, 5 as a fine grid, which runs through the cross section of the drainage channels and flows through the medium can be.
  • Fig. 15 the configuration of Fig. 14 is simulated.
  • the electrodes 4, 5 are shown only as lines.
  • the inflow of the flowing medium is carried out vertically, the outflow parallel to the electric field lines.
  • the temperature gradients (arrows) point in the middle of the segment 21 for the inlet channel.
  • FIG. 16 shows the pressure field in the central area of a pumping system for this configuration.
  • the pressure gradient is greatest across the electrodes.
  • the pump In order to move the liquid in the channels at a certain speed, the pump must pump against the flow resistance of the channel walls. A negative pressure is created in front of the pumping action, because the pump draws in the medium (liquid) and behind it an overpressure, because the pump pushes the medium further through the channel. The essential is the pressure difference.
  • the boundary condition was assumed that the pressure at the channel ends is 0. This means that the inlet and outlet channels are at the same pressure level and virtually short-circuited.
  • Fig. 16 is only a section of the model, so the values at the edges are not visible.
  • the calculated model is larger than in FIG. 16, ie the channels are much longer. This allows the medium to travel a fair distance and the pump must work against the corresponding flow resistance. So realistic flow velocities were calculated. For very short channels, the calculated speed would be much higher.
  • the number of channels 21, 22, 23 can be reduced to a segment 21 for the inlet and a segment for the outlet.
  • Fig. 17 such a configuration for a rectangular arrangement is shown.
  • the electrodes 4, 5 are arranged in the region of the second segment 22 and on the opposite wall of the first segment 21.
  • the inlet flow is vertical and the outlet flow is parallel to the electric field lines.
  • FIG. 18 shows a simulation result of the configuration of FIG. 16.
  • the electrodes are only shown as lines.
  • the inflow of the flowing medium is carried out vertically, the outflow parallel to the electric field lines.
  • the temperature gradients (arrows) point in the middle of the segment 21 for the inlet channel.
  • Fig. 19 the pressure field is shown for this configuration. The highest pressures are present in the first segment 21, so that a flow results in the segments 22, 23 leaving the first segment 21.
  • Fig. 20 is a rotationally symmetrical body with the Rotation axis along the outlet channel with two segments 22, 23 shown.
  • the inlet channel is formed by a disc-shaped segment.
  • the inlet segment 21 can serve as a reaction chamber and also have more than two electrodes. The electrodes can be controlled by different, phase-shifted signals.
  • inlet and outlet ducts are therefore connected as follows: For each inlet and outlet duct with an angle of approximately 90 ° (Fig. 17). With one inlet and two outlet channels (FIG. 11A) or with two inlet and one outlet channel with a T-shaped bifurcation and with two inlet and outlet channels each with a 90 ° crossing (FIGS. 14, 17).
  • This embodiment does not require an asymmetric temperature distribution between the electrodes 4, 5, which is produced by a heating element or differently thermally conductive electrodes.
  • FIG. 21 shows a two-dimensional simulation model of an angled micropump without a wedge-shaped structure.
  • the figure shows the pressure (in Pa) and the circular velocity field in the liquid.
  • the speed in the measuring channel is 300 ⁇ m / s.
  • the conductivity is 236 mS / m and the electrode voltage 30 Vrms.
  • Circular flows occur as soon as the acting forces differ in magnitude or direction in the channel cross-section (Fig. 22).
  • Fig. 22 is an enlargement the electrode edge shown.
  • the attacking force changes greatly in the area above the electrode edge.
  • the channel was narrowed at the point of greatest force (i.e., at the inner edges of the electrodes) by a wedge-shaped structure so that the backflow is largely sheared off ( Figures 23 and 24).
  • the wedge-shaped structure, the flow guide is not a dielectric but a hydrodynamic element.
  • Fig. 23 shows a two-dimensional model of an improved angled micropump having a wedge-shaped structure as the flow guide 30.
  • Fig. 23 shows the pressure (Pa) and the velocity field in the liquid.
  • the circular flows are largely prevented by the projections in the channel geometry.
  • the speed in the measuring channel quintupled to 1500 ⁇ m / s.
  • the conductivity is 500 mS / m and the electrode voltage 30 Vrms.
  • FIG. 24 shows, analogously to FIG. 22, an enlargement of the electrode edge of the model. The change in the applied forces is less in the area above the electrode edge.

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Abstract

Elektrohydrodynamische Mikropumpe, deren Verwendung und ein Verfahren zum Pumpen. Elektrohydrodynamische Mikropumpe (1) mit mindestens einem Pumpkanal (2) zum Pumpen einer Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass in und/oder dem mindestens einen Pumpkanal (2) mindestens eine Elektrodenvorrichtung (6) zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes und mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in der zu pumpenden Flüssigkeit angeordnet ist.

Description

Elektrohydrodynamische Mikropumpe und deren Verwendung
Die Erfindung betrifft eine elektrohydrodynamische Mikropumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , eine Verwendung der Mikropumpe nach Anspruch 36 und ein Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit nach Anspruch 37.
Pumpen bzw. Mikropumpen, die durch Anlegen von elektrischen Feldern eine Pumpwirkung auf Flüssigkeiten entfalten, sind bekannt. Speziell sind Pumpsysteme beschrieben worden, deren Pumpleistung durch Zusammenwirken von elektrischen Wechselfeldern und dielektrischen Elementen beeinflusst wird.
So zeigt die US 4,316,233 einen Apparat zum Transport von Flüssigkeiten oder Partikeln mittels eines angelegten elektrischen Feldes. Der Apparat besteht aus einer Pumpkammer mit zwei Elektroden, wobei an einer Elektrode ein dielektrisches Element mit einer Sägezahnstruktur angeordnet ist. Die spezifische Anordnung bedingt die Ausbildung eines elektrischen Wanderfeldes, wodurch die zu pumpende Flüssigkeit polarisiert wird und in Wanderfeldrichtung eine Pumpkraft erzeugt wird.
In der DE 103 29 979 A1 wird ebenfalls eine Pumpe beschrieben, die eine Pumpkammer mit einer Elektrodenvorrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes sowie ein dielektrisches Element aufweist. Das dielektrische Element beeinflusst dabei den Feldverlauf des elektrischen Wechselfeldes, wobei die zum Pumpen erforderliche Pumpkraft vom elektrischen Wechselfeld erzeugt wird. Das dielektrische Element ist derart ausgebildet, dass das elektrische Wechselfeld einen ortsfesten und zeitunabhängigen Feldgradienten innerhalb der Pumpkammer in Pumprichtung aufweist. Dadurch wird in der Flüssigkeit ein ortsfester und zeitunabhängiger Polarisationsgradient in der Flüssigkeit in Pumprichtung hervorgerufen.
Dieser Aufbau generiert dabei Kräfte, die sowohl in Pumprichtung als auch gegen die Pumprichtung wirken. Der Flüssigkeitstransport wird durch eine unsymmetrische Bauweise des dielektrischen Elementes und des gesamten Pumpsystems hervorgerufen. Der unsymmetrische Aufbau des dielektrischen Elementes bedingt ein Überwiegen der erzeugten Kraft in eine Richtung und es kommt zum Flüssigkeitstransport in Pumprichtung, wobei die Pumprichtung bedingt durch die spezifische Konstruktion nicht verändert oder umgekehrt werden kann. Nachteilig bei dem beschriebenen Pumpsystem ist auch der durch das dielektrische Element verursachte erhöhte Strömungswiderstand, da die dielektrischen Elemente notwendigerweise den Strömungskanal einengen und somit den Strömungswiderstand Fr ~ 1/r4 gemäß dem Hagen-Pouseuille'schen Gesetz erhöhen.
Der Erfindung liegt daher das Problem zu Grunde, eine Mikropumpe bereitzustellen, mit der die Pumprichtung besser zu kontrollieren ist, die Pumprichtung beliebig variiert werden kann sowie mit der eine höhere Strömungsgeschwindigkeit erzielt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrohydrodynamische Mikropumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach weist die elektrohydrodynamische Mikropumpe mindestens einen Pumpkanal auf, wobei in und / oder an dem mindestens einen Pumpkanal mindestens eine Elektrodenvorrichtung zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes und ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in der Flüssigkeit sind .
Die erfindungsgemäße Mikropumpe ermöglicht in einfacher aber effektiver Weise eine verbesserte Kontrolle und Steuerung der Pumprichtung und der Pumpgeschwindigkeit. So ist in Abhängigkeit vom angelegten elektrischen Wechselfeld und der Art der verwendeten Flüssigkeit eine gezielte Beeinflussung der Pumprichtung und der Pumpgeschwindigkeit möglich.
Beispielsweise weisen ionische physiologische Salzlösungen mit Konzentrationen bis zu 200 mM, insbesondere zwischen 15 und 150 mM, bei Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes mit einer Frequenz unter 20 bzw. 200 MHz eine definierte Pumprichtung auf. Bei Erhöhung der Salzkonzentration auf über 200 mM und der damit verbundenen höheren lonenstärke erfolgt ebenfalls eine Erhöhung der Frequenz, oberhalb derer es zu einer Änderung der Pumprichtung in die entgegengesetzte Richtung kommen kann.
Werden nicht-ionische Flüssigkeiten, wie z.B. Kohlenwasserstoffe mit einer Kettenlänge von Ci0 bis C19, verwendet, kann es bei gleicher Frequenz des angelegten elektrischen Wechselfeldes ebenfalls zu einer Umkehr der Pumprichtung kommen. Die Elektrodenvorrichtung wirkt des Weiteren beim Anlegen des elektrischen Wechselfeldes als Heizelement. Dabei wirkt mindestens eine Elektrode der Elektrodenvorrichtung als Wärmesenke, wodurch es zur Ausbildung eines Temperaturgradienten in der zu transportierenden Flüssigkeit, insbesondere im Bereich der Elektrodenvorrichtung, kommt. Der Temperaturgradient bewirkt die Bildung eines Gradienten der Leitfähigkeit und / oder der Dielektrizitätskonstante in der zu transportierenden Flüssigkeit. Im erzeugten elektrischen Wechselfeld erfährt die Flüssigkeit durch den Gradienten eine resultierende Kraft in Richtung niedrigerer Leitfähigkeiten bzw. Dielektrizitätskonstanten, wodurch es zu einem Flüssigkeitstransport kommt.
Zudem wird der Strömungswiderstand durch das Fehlen des dielektrischen Elementes erheblich verringert. Der mindestens eine Pumpkanal kann sogar beliebig verbreitert werden, um einen größeren Volumenstrom zu erzeugen.
Des Weiteren benötigt die erfindungsgemäße Pumpe keinen ortsfesten, zeitunabhängigen Feldgradienten und somit auch kein dielektrisches Element zum Beeinflussen des elektrischen Feldverlaufes zwischen den Elektroden.
Vorteilhafte Bauformen lassen sich erzielen, wenn die mindestens eine Elektrodenvorrichtung und das mindestens eine Mittel zur Erzeugung des Temperaturgradienten gekoppelt sind. Eine solche Kopplung kann z.B. in Form einer Integration in ein Bauteil erfolgen.
Eine einfache Führung der Strömung ergibt sich, wenn der mindestens eine Pumpkanal mindestens teilweise linear ausgebildet ist. Komplexere Bauformen lassen sich realisieren, wenn der mindestens eine Pumpkanal zwei oder mehr Segmente aufweist. Dabei können mindestens zwei lineare Segmente untereinander einen Winkel zwischen 0° und 180° aufweisen, insbesondere 90°.
Vorteilhaft ist es, wenn die Anordnung der Segmente und der Elektroden so gewählt ist, dass der Einstrom einer Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien erfolgt. Auch ist es vorteilhaft, wenn die Anordnung der Segmente und der Elektroden so gewählt ist, dass der Ausstrom einer Flüssigkeit im Wesentlichen parallel zu den elektrischen Feldlinien erfolgt. Die Strömung kann positiv beeinflusst werden, wenn im Übergangsbereich mindestens zweier Segmente mindestens ein Strömungsleitmittel, insbesondere aus einem dielektrischen Material, angeordnet ist. Durch Strömungsleitmittel kann z.B. eine sonst auftretende Kreisströmung unterbunden werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das mindestens eine Strömungsleitmittel als Verengung des Strömungsquerschnitts für das strömende Medium ausgebildet ist, insbesondere einen keilförmigen Querschnitt aufweist.
Die Elektrodenvorrichtung der erfindungsgemäßen Pumpe weist bevorzugt mindestens eine erste und mindestens eine zweite Elektrode auf, die zueinander gegenüberliegend ausgebildet sind, wobei die Elektroden als Platten flach an Boden, Wand und / oder Decke des mindestens einen Pumpkanals der Mikropumpe angeordnet sind. Die flache Anordnung ermöglicht ein Überströmen der zu transportierenden Flüssigkeit, so dass eine weitere Reduzierung des Strömungswiderstandes erreicht wird.
So kann die Elektrodenvorrichtung mindestens eine Elektrode aufweisen, die von dem strömenden Medium wenigstens teilweise umströmt wird. Bei einer solchen Anordnung weist die Elektrodenvorrichtung mindestens ein Gitter oder mindestens ein Drahtgeflecht als Elektrode auf, das vom strömenden Medium durchströmt wird.
Als Elektrodenmaterial kommen grundsätzlich alle Elektrodenmaterialien in Frage. Vorteilhaft ist es aber, wenn die Elektrodenvorrichtung mindestens zwei Elektroden, insbesondere metallische Elektroden mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst. Besonders vorteilhaft ist es, die Elektrodenvorrichtung mindestens zwei Elektroden, insbesondere metallische Elektroden, mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit umfasst. Mit Vorteil weist mindestens eine der Elektroden eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Bevorzugtes Elektrodenmaterial sind Gold, Platin, Indium- Zinnoxid oder weitere Metalle oder Metalloxide mit hoher Wärmeleitfähigkeit (z.B. größer 20 W/(m K)). Grundsätzlich sind auch Polymere verwendbar. Die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit einer metallischen Elektroden trägt zu einer Erhöhung des Temperaturgradienten bei und verstärkt somit die Pumpleistung.
Vorteilhafterweise weisen die erste und zweite Elektrode von einander verschiedene Abmessungen und / oder Formen auf. Bevorzugt ist die erste Elektrode durch eine größere Fläche, Breite und / oder größeres Volumen als die zweite Elektrode gekennzeichnet. Die unterschiedlichen Abmessungen bewirken die Bildung eines stärkeren Temperaturgradienten, da die größere erste Elektrode in ihrer Funktion als zusätzliche Wärmesenke in dem System unterstützend wirkt.
Vorteilhafterweise befindet sich im mindestens einen Pumpkanal mindestens ein Heizelement zur Erzeugung eines zusätzlichen Temperaturgradienten in der Flüssigkeit, wobei das Heizelement sich, abhängig von der Frequenz des Feldes, in Flussrichtung bevorzugt vor oder hinter der Elektrodenvorrichtung befindet.
Der durch das Heizelement erzeugte zusätzliche Temperaturgradient reicht dabei bis in den Bereich des durch die Elektrodenvorrichtung erzeugten elektrischen Wechselfeldes hinein und unterstützt die Bildung eines Gradienten der Leitfähigkeit und der Dielektrizitätskonstante in der zu transportierenden Flüssigkeit.
Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass die spezifische Anordnung des Heizelementes in Flussrichtung vor bzw. hinter dem elektrischen Wechselfeld Pumpkräfte nur in eine Richtung generiert. Dies führt zu einer erheblichen Effektivitätserhöhung.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind das mindestens eine Heizelement und die zweite Elektrode zumindest teilweise kombiniert in Form eines gemeinsamen Bauelementes ausgeführt.
Das kontinuierlich und/oder gepulst generierte elektrische Wechselfeld weist mit Vorteil einen sinus- oder rechteckförmigen Zeitverlauf auf. Bevorzugt ist die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes auf eine elektrische Resonanzfrequenz der Pumpe abgestimmt.
Jede Elektrode der Pumpe stellt naturgemäß ein kapazitives Element dar. Bei einer Pumpe mit zwei gegenüberliegenden Elektroden kann das Pumpmedium als Dielektrikum eines herkömmlichen Kondensators aufgefasst werden. Ist das Pumpmedium z.B. Wasser, so beträgt seine relative Dielektrizitätskonstante bei Raumtemperatur etwa 78. Die Zuleitungen können als Induktivitäten (Spulen) aufgefasst werden. Da sie elektrisch in Reihe zum (Elektroden-) Kondensator geschaltet sind, handelt es sich um einen Reihenresonanzkreis (Saugkreis), d.h. unter Resonanzbedingungen wird die Spannung über dem Kondensator, d.h. an den Elektroden, überhöht und der Pumpeffekt verstärkt. Diese Verstärkung kann auch sehr lokal auftreten, insbesondere dann, wenn die Resonanzbedingung entlang der Elektrode innerhalb der Pumpstruktur durch die Induktivität der Elektrode selbst nur lokal erfüllt ist. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass die effektive Induktivität der von Medium umgebenen Elektrodenleitung etwa um den Faktor (Wurzel aus relativer Dielektrizitätskonstante) erhöht ist (Verkürzungsfaktor). Bei der Verwendung von Wasser, liegt eine Erhöhung um den Faktor ca. 9 vor.
Durch die äußere Beschaltung der Pumpe, insbesondere eine zusätzliche Induktivität, lässt sich die Eigenresonanzfrequenz des Systems abgleichen. Dass der Pumpeffekt unter Resonanzbedingungen maximal ist und die Dielektrizitätskonstante wiederum vom Medium selbst und seiner Temperatur abhängt, kann für Regeleffekte genutzt werden. So kann die Resonanzbedingung z.B. so eingestellt werden, dass der Pumpeffekt dann maximal wird wenn sich bei Mediengemischen, Emulsionen oder Suspensionen ein unerwünschtes Medium oder Objekt innerhalb der Pumpstruktur befindet.
Das Heizelement ist vorteilhafterweise in Form von Heizstrukturen, Heizdrähten, und / oder Wärmestrahlern ausgebildet. Die Heizelemente oder Heizstrukturen werden bevorzugt gemeinsam mit der Elektrodenvorrichtung in einem Herstellungsprozess erzeugt.
Mit Vorteil ist die mittels der Pumpe zu transportierende Flüssigkeit durch eine Leitfähigkeit von 0,0001 S/m bis 10 S/m und eine Permitivität von 0,6 bis 10000 gekennzeichnet.
Der mindestens eine Pumpkanal der Mikropumpe ist vorteilhafterweise auf einem Mikrosystem, insbesondere einem Chip, angeordnet. Beispiele für biologische oder chemische Mikrosysteme oder Chips sind u.a. unter den Begriffen „factory on a chip", „Lab-on-Chip" oder „micro-total analysis System" bekannt.
Die Kammer ist vorteilhafterweise mit chemischen und / oder biologischen Reaktionssystemen wie z.B. Nährlösung, Zellkulturen, physiologische Salzlösungen, Suspensionsmittel und / oder chemischen Reaktionslösungen, befüllt. Die Mikropumpe ermöglicht einen Transport bzw. eine Bewegung der Reaktionslösungen innerhalb der Kammer und fungiert somit im Wesentlichen in Form eines MikroRührwerkes.
Es ist vorstellbar, dass in einer Ausführungsform in der Mikroreaktor-Kammer chemische Reaktionen durchgeführt werden oder Peptide modifiziert werden. Es ist auch vorstellbar, dass Zellen in einer derartigen Struktur gezüchtet werden. Auch ist eine Verkapselung von Substanzen oder Zellen und deren Transport in diesem System bei Verwendung von langkettigen Kohlenwasserstoffen als Pumpflüssigkeit möglich. In diesem Fall sind die Zellen in wässrigen Tropfen eingeschlossen, die in der organischen Pumpflüssigkeit emulgiert sind.
Die Mikroreaktor-Kammer wird vorteilhafterweise mittels eines Mikrodosiersystems befüllt oder entleert. Das Mikrodosiersystem ist z.B. als Piezoelement, Piezoaktuator mit entsprechenden Ventilen ausgebildet.
Die Mikropumpe kann auch - mit oder ohne die genannte Mikroreaktor-Kammer - in eine Pump-Struktur bzw. ein Pumpsystem aus mindestens einer Pumpkammer und mindestens einer Abflusskammer integriert sein. Mit Vorteil mündet die Pumpkammer an mindestens einer Abflussöffnung in den mindestens einen Pumpkanal. Der mindestens eine Pumpkanal, in dem die Elektrodenvorrichtung und ggf. ein Heizelement angeordnet sind, mündet wiederum mit Vorteil an mindestens einer Ausflussöffnung in die Abflusskammer. Die Abflusskammer kann ebenfalls zur Aufnahme von biologischen und / oder chemischen Reaktionslösungen, wie z.B. zur Zellzucht, dienen.
Die Abflusskammer ist vorteilhafterweise mit mindestens einem weiteren Kanal verbunden, wodurch die Mikropumpe z.B. zur Verteilung von Substanzen oder Stoffen im Mikrosystem der Pump-Struktur genutzt werden kann. Die Pumpkammer und Abflusskammer sind auch vorteilhafterweise über den mindestens einen Pumpkanal und den weiteren Kanal verbunden. Der weitere Kanal kann bevorzugt als Messkanal, Reaktionskanal und / oder Versorgungskanal ausgebildet sein.
Insgesamt bilden die Pumpkammer, der mindestens eine Pumpkanal, die Abflusskammer und der weitere Kanal mit Vorteil ein abgeschlossenes Kreislaufsystem, wobei die mindestens eine Pumpkammer und die Abflusskammer jeweils mindestens einen Ein- und / oder Auslasskanal zur Befüllung und / oder Entleerung des Kreislaufsystems aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine Verwendung der Pumpe gemäß Anspruch 36 und ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 37 gelöst.
Danach wird die Mikropumpe mit den Merkmalen gemäß den Ansprüchen 1 bis 35 zum Pumpen von Flüssigkeiten, insbesondere in abgeschlossenen Kreislaufsystemen, verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit in einer Mikropumpe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 35 ist durch die Bildung eines elektrischen Wechselfeldes und eines Temperaturgradienten in der zu pumpenden Flüssigkeit zwischen mindestens zwei Elektroden gekennzeichnet, wobei die Pumprichtung von der Frequenz des angelegten elektrischen Wechselfeld und / oder vom Temperaturgradienten im mindestens einen Pumpkanal gesteuert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit Vorteil auch durch die Bildung eines zusätzlichen Temperaturgradienten im mindestens einen Pumpkanal durch ein Heizelement gekennzeichnet, wobei der Temperaturgradient bis in den Bereich des elektrischen Wechselfeldes zwischen den Elektroden hineinreicht oder mit diesem ganz oder teilweise überlappt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 : eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 2: schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 3: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 4: schematische Darstellung eines abgeschlossenen Kreislaufsystems mit der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 5 modellierte Darstellung des Temperaturverlaufs (Angabe in Kelvin) in einem abgeschlossenen Kreislaufsystem mit der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 6 modellierte Darstellung des Verlaufs der Strömungskraft (Angabe in
N/m3) in einem abgeschlossenen Kreislaufsystem mit der erfindungsgemäßen Mikropumpe; Fig. 7 modellierte Darstellung der Fließgeschwindigkeit (Angabe in m/s) in einem abgeschlossenen Kreislaufsystem mit der erfindungsgemäßen Mikropumpe;
Fig. 8 ein erstes Diagramm mit der experimentell ermittelten Darstellung des funktionellen Zusammenhanges von angelegter Frequenz und Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Leitfähigkeit der zu pumpenden Flüssigkeit;
Fig. 9 ein zweites Diagramm mit der experimentell ermittelten Darstellung des funktionellen Zusammenhanges von angelegter Elektrodenspannung und Geschwindigkeit;
Fig. 10 ein drittes Diagramm mit der experimentell ermittelten Darstellung des funktionellen Zusammenhanges von Heizleistung und Geschwindigkeit;
Fig. 11A eine vierte Ausführungsform mit einem gewinkelten Pumpkanal;
Fig. 11 B eine Detailansicht der vierten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 12 eine Darstellung eines Simulationsergebnisses der vierten
Ausführungsform;
Fig. 13A eine fünfte Ausführungsform der Erfindung mit einem gewinkelten Pumpkanal;
Fig. 13B eine Detaildarstellung der fünften Ausführungsform;
Fig. 14 eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform;
Fig. 15 Darstellung eines Simulationsergebnisses (Temperatur, Feldstärke) der sechsten Ausführungsform;
Fig. 16 Darstellung eines Simulationsergebnisses (Druckverteilung im
Zentralbereich) der sechsten Ausführungsform;
Fig. 17 eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform; Fig. 18 Darstellung eines Simulationsergebnisses der siebten
Ausführungsform;
Fig. 19 Darstellung eines Simulationsergebnisses der siebten
Ausführungsform;
Fig. 20 eine schematische Darstellung einer achten Ausführungsform;
Fig. 21 Simulationsergebnis einer Ausführungsform ohne ein
Strömungsleitmittel (keilförmige Struktur);
Fig. 22 vergrößerte Darstellung eines Details der Fig. 21 ;
Fig. 23 Simulationsergebnis einer Ausführungsform mit einem
Strömungsleitmittel;
Fig. 24 vergrößerte Darstellung eines Details der Fig. 23.
Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer ersten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrohydrodynamischen Mikropumpe 1 umfassend einen Pumpkanal 2 und eine Elektrodenvorrichtung 6. In der Pumpe ist die Elektrodenvorrichtung 6 angeordnet, die eine erste Elektrode 4 und eine zweite Elektrode 5 aufweist. Die Elektroden 4, 5 sind bevorzugt aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten aufgebaut. Das erzeugte elektrische Wechselfeld und der zwischen den Elektroden erzeugte Temperaturgradient üben eine Kraft auf die Ladungsträger und/ oder Dipole der Flüssigkeit aus und generiert so einen Flüssigkeitstransport in oder entgegen der dargestellte Fließrichtung 7.
In Fig. 1 ist nur ein linearer Pumpkanal 2 dargestellt. Grundsätzlich ist es möglich mehrere Pumpkanäle 2 vorzusehen, wobei dies auch komplexere Formen aufweisen kann. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in den Figuren die Kanäle in einer Ebene dargestellt, wobei es möglich ist, die einzelnen Komponenten der Vorrichtung im Raum anzuordnen. So könnten z.B. mehrere Pumpkanäle 2 zueinander in einer dreidimensionalen Anordnung realisiert werden.
In Fig. 1 liegen die beiden Elektroden 4, 5 auf beiden Seiten des Pumpkanals 2 gegenüber, wobei auch andere Anordnungen möglich sind. In einer weiteren Ausführungsform (siehe Fig. 11 ) wird dargestellt, dass die Elektroden auch in einer anderen Weise relativ zum Pumpkanal 2 und relativ zueinander angeordnet werden können. Auch sind in den Figuren die Elektroden 4, 5 nur schematisch dargestellt.
In einem Kanal mit zwei flach, sich gegenüberliegenden Elektroden 4, 5 gleicher Größe und Bauart stellt sich bei einem Stromfluss zwischen den Elektroden 4, 5 ein Temperaturmaximum genau in der Mitte zwischen den Elektroden 4, 5 ein. Die Wärmeproduktion durch den elektrischen Strom steht im Gleichgewicht mit einem Wärmeabfluss über die Kanalwände, über die Elektroden 4, 5 selber und über die angrenzende Flüssigkeit im Kanal, die außerhalb des elektrischen Feldes liegt (siehe auch Fig. 12 und 15). Das heißt, es entstehen Temperaturgradienten in der Nähe der Kanalwandungen, und in der Umgebung der Elektroden.
Die Temperaturgradienten in der Nähe der Kanalwandung stehen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien und haben deshalb keinen Effekt (abgesehen davon, dass eine Strömung über die Wandungen nicht möglich wäre). Die Temperaturgradienten in der Umgebung beider Elektroden verlaufen parallel zum elektrischen Feld und wechselwirken daher mit dem elektrischen Feld. Es wird eine Strömung erzeugt, die von den Elektroden weg zeigt (bei niedrigen Frequenzen).
In einem symmetrischen Kanal mit zwei flachen, Elektroden kann sich eine lokale Kreisströmung über den Elektroden, aber keine resultierende Strömung einstellen, da die Kräfte in beide Richtungen gleich groß sein sollten. Um eine resultierende Strömung zu erzeugen, können z.B. zwei Ansätze verwendet werden:
1. das Temperaturfeld in der Nähe einer Elektrode wird beeinflusst, z.B. durch a. ein Heizelement, so das der Temperaturgradient an dieser Stelle reduziert oder sogar umgekehrt wird (dann dominiert der Wärmeeintrag der Heizung das Temperaturfeld). b. die Elektroden selbst, die unterschiedlich groß und/oder aus Material mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefertigt sind.
2. Einbau eines Zulaufs in den Kanal (siehe T-Kanal, bzw. gewinkelte Pumpe), der sich zwischen den beiden Elektroden befindet und durch den das Medium in beide Richtungen über die Elektroden strömen kann. Im letzteren Fall werden beide Temperaturgradienten über den Elektroden gleichermaßen genutzt
Wie sich im Ansatz 2 zeigt, ist es für die Generierung einer Pumpkraft unter andrem auch wichtig, wie Temperaturgradient und elektrischen Feldlinien zueinander liegen. Nur wenn diese im Wesentlichen parallel verlaufen, wird eine Kraft auf das Medium ausgeübt. Aus diesem Grund entsteht bei einem T-Kanal keine Kraft in Richtung des Einstromkanals.
Fig. 2 verdeutlicht schematisch den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der elektrohydrodynamischen Mikropumpe 1 mit einem Pumpkanal 2, einem im Pumpkanal angeordneten meanderförmigen Heizelement 3 und einer Elektrodenvorrichtung 6 mit den Elektroden 4 und 5. Durch Generierung eines zusätzlichen Temperaturgradienten mittels des Heizelementes 3 wird der Flüssigkeitstransport unterstützt.
Eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe ist in Fig. 3 dargestellt, bei der die zweite Elektrode 5 mit einem Abschnitt des Heizelements 3 zu einem Bauelement 8 kombiniert ist. Eine Verbreiterung der ersten Elektrode 4 führt zu einer verbesserten Wärmeableitung und einer Erhöhung des Temperaturgradienten und somit einer höheren Fließgeschwindigkeit.
Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Mikropumpe ist in ein in Fig. 4 dargestelltes Kreislaufsystem 13 eingebaut. Das Kreislaufsystem 13 umfasst die Pumpkammer 9, den Pumpkanal 2 mit dem Heizelement 3 und der Elektrodenvorrichtung 6, die Abflusskammer 10 und den weiteren Kanal 11 , wobei der weitere Kanal 11 für praktische Anwendungen ein chemisches oder biologisches System enthalten kann. Die Pumpkammer 9 mündet an der Abflussöffnung 2a in einem rechten Winkel in den Pumpkanal 2, der an der Ausflussöffnung 2b in einem rechten Winkel in die Abflusskammer 10 übergeht. Der Kanal 11 ist ebenfalls in rechten Winkeln zur Pumpkammer 9 und zur Abflusskammer 10 angeordnet.
In Fig. 4 ist ein im Wesentlichen rechteckiges, planares Kanalsystem dargestellt. Grundsätzlich ist es auch möglich, dass die Kanäle komplexere Formen aufweisen und räumlich zu einander angeordnet sind.
In der hier dargestellten Ausführungsform beträgt der Abstand zwischen Pumpkanal 2 und Kanal 11 100 bis 2000 μm, bevorzugt 1100 μm, und zwischen Pumpkammer 9 und Abflusskammer 10 50 bis 1500 μm, bevorzugt 900 μm. Diese Werte sind nur beispielhaft und können in anderen Ausführungsformen entsprechend der Aufgabenstellung auch anders ausgeführt werden. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Kreislaufsystem 13 an den Einlasskanälen 12 mit wässriger Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von 0,01 S/m und einer relativen Permitivität von 80 befüllt. Nach Befüllung werden die Kanäle 12 verschlossen, so dass keine weitere Flüssigkeitsbewegung in diese Richtungen stattfinden kann. Der Pumpkanal 2 weist eine Höhe zwischen 20 bis 100 μm, bevorzugt von 64 μm, auf.
Das Heizelement 3 ist gemäß Fig. 4 als meanderförmige Heizwendel ausgebildet. Durch Anlegen einer Spannung (DC) von 1 ,5 V wird die Flüssigkeit bis zu einer Temperatur von über 312 K erwärmt, wodurch ein Temperaturgradient gemäß dem in Fig. 5 gezeigten Modell im Pumpkanal 2 ausgebildet wird.
Die Elektrodenvorrichtung 6 weist zwei flach am Boden verlaufende Elektroden 4, 5 mit einer Dicke von 10 bis 1000 nm, bevorzugt von 100 nm, auf, wodurch die Flüssigkeit ohne zusätzlichen Widerstand über die Elektroden strömen kann. Durch Anlegen einer Wechselspannung (AC) von 30 Vrms mit einer Frequenz von 300 kHz entsteht zwischen den Elektroden ein starkes elektrisches Feld. Die Flüssigkeit erfährt in dem elektrischen Feld gemäß dem in Fig. 6 gezeigten Modell eine Kraft bis zu 1169 N/m3 in Richtung niedrigerer Leitfähigkeit bzw. niedrigerer Temperaturen und wird somit entlang des Pumpkanals 2 in Fließrichtung 7 bewegt. Es kommt zur Ausbildung einer kreisförmigen Strömung aus dem Pumpkanal 2 durch die Abflusskammer 10 in den Kanal 11 und die Pumpkammer 9. Die Fließgeschwindigkeit zeigt dabei im Pumpkanal 2 und im Kanal 11 gemäß Modell in Fig. 7 die höchsten Werte von bis zu 1 ,646e*10'4 m/s.
Fig. 8 zeigt Frequenzspektren von Flüssigkeiten mit verschiedenen Leitfähigkeiten bei einer angelegten Elektrodenspannung von 40 V und einer Heizleistung von 0,187 mW. Wie aus dem Diagramm ersichtlich, ist die Geschwindigkeit über einen weiten Frequenzbereich konstant. Mit ansteigender Frequenz kommt es zu einer Verringerung der Pumpgeschwindigkeit und schließlich bei einem flüssigkeitsspezifischen Wert von 0 μm/s zu einer Umkehr der Pumprichtung.
In Fig. 9 ist die Pumpleistung bzw. Geschwindigkeit von zwei Flüssigkeiten mit verschiedenen Leitfähigkeiten in Abhängigkeit von der angelegten Elektrodenspannung graphisch dargestellt. Die Messungen erfolgen bei einer Heizleistung von 0,187 mW und einer von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängigen Frequenz, wobei für eine erste Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von 1117 μS/cm eine Frequenz von 1 MHz und für eine zweite Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von 706 μS/cm eine Frequenz von 3 MHz verwendet werden. Die Geschwindigkeit der zu pumpenden Flüssigkeit steigt dabei proportional zur angelegten Elektrodenspannung.
Fig. 10 zeigt den Einfluss der Heizleistung auf die Geschwindigkeit der zu pumpenden Flüssigkeit, wobei auch hier ein proportionaler Zusammenhang erkennbar ist. Die Geschwindigkeit nimmt mit steigender Heizleistung zu. Die Messungen werden bei einer Elektrodenspannung von 40 Vrms und bei einer von der Leitfähigkeit der Flüssigkeit abhängigen Frequenz durchgeführt, wobei auch hier für eine erste Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von 1117 μS/cm eine Frequenz von 1 MHz und für eine zweite Flüssigkeit mit einer Leitfähigkeit von 706 μS/cm eine Frequenz von 3 MHz verwendet werden.
In den Fig. 11 bis 24 werden weitere Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, bei denen die Pumpkanäle 2, mehrere Segmente 21 , 22, 23 aufweisen.
Im Folgenden werden dabei insbesondere zwei Varianten einer gewinkelten, elektrohydrodynamischen Mikropumpe (im Folgenden kurz „gewinkelte Mikropumpe" genannt) beschrieben. Fig. 11 A zeigt schematisch den Aufbau einer ersten Variante. Dabei wird ein T-Kanal verwendet, der drei lineare Segmente 21 , 22, 23 aufweist. Der Zulauf 21 (hier auch als Messkanal bezeichnet) geht in zwei Abläufe 22, 23 über, die vergrößert in Fig. 11 B dargestellt sind. Direkt an der Gabelung des T-Kanals ist der Ort maximaler Kraftwirkung. Die Kanalhöhe beträgt in dieser Ausführungsform 60μm.
In Fig. 11 A ist eine im Wesentlichen T-förmige Anordnung von drei Segmenten 21 , 22, 23 dargestellt, die auch als gewinkelte Anordnung bezeichnet wird. Beispielhaft stehen die in einer Ebene angeordneten linearen Segmente 21 , 22, 23 untereinander in einem Winkel von 90°, wobei auch andere Anordnungen denkbar sind. Insbesondere können die Segmente 21 , 22, 23 auch räumlich zu einander angeordnet werden.
Am Übergang vom ersten Segment 21 (Messkanal) zu den beiden anderen Segmenten 22, 23 ist an beiden Seiten des Messkanals ein keilförmiges Strömungsleitmittel 30 angeordnet, dass die Strömung aus dem Messkanal 21 noch etwas weiter in die beiden Segmente 22, 23 führt, die dabei etwas verengt werden. In Strömungsrichtung erweitert sich dann der Kanal hinter den Segment 22, 23 wieder. Zwei Elektroden 4, 5 sind flach an der Wand der Kanalstruktur angeordnet, im Wesentlichen im Bereich des Zulaufs durch den Messkanal 21 und den beiden Abläufen 22, 23. Eine Spannung (hier z.B. eine Wechselspannung von 40 Vrms, 1 MHz) zwischen den Elektroden erzeugt ein elektrisches Feld und zwischen den Elektroden 4, 5 fließt ein Strom. Der Stromfluss erwärmt die leitfähige Lösung in den Segmenten 21 , 22, 23 des Pumpenkanals zwischen den Elektroden und bewirkt einen Temperaturgradienten, der von den Elektroden zur Mitte des Zulaufkanals zeigt.
In Fig. 12 sind die Temperaturgradienten als Simulationsergebnis einer ähnlichen geometrischen Konfiguration dargestellt. Die Strömungsleitmittel 30 unterscheiden sich in dieser Ausführungsform von denen der Fig. 11 A. Die Temperaturgradienten sind dabei als Pfeile dargestellt. Die Leitfähigkeit beträgt 500 mS/m und die Elektrodenspannung 30 Vrms.
In Kombination mit dem elektrischen Feld wird eine Kraft auf die Flüssigkeit ausgeübt und zwar parallel zu den elektrischen Feldlinien und entgegen der Richtung der Temperaturgradienten, also in Richtung der beiden Ablaufkanäle (siehe Fig. 11A, 11 B).
Die beiden keilförmigen Strömungsleitmittel 30, auf die weiter unten näher eingegangen wird, verengen den Übergang zu den Segmenten 22, 23 der Ablaufkanäle, um eine lokale Kreisströmung zu minimieren. Versuchsweise können im Messkanal 21 Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 25 μm/s gemessen werden.
In Fig. 13A ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, deren Strömungsführung im Wesentlichen der Ausführungsform gemäß Fig. 11A entspricht, so dass auf die entsprechende Beschreibung analog Bezug genommen wird.
Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 13A sind die Elektroden 4, 5 flach am Boden liegend angeordnet sind, wobei die Elektroden 4, 5 sich aber in die beiden Segmente 22, 23 der Ablaufkanäle hinein erstrecken. In der Ausführungsform nach Fig. 11A waren die Elektroden 4, 5 hingegen in der Wandung angeordnet. Fig. 13B zeigt eine vergrößerte Darstellung des T-förmigen Bereiches. Bei einer solchen Anordnung konnte eine Strömungsgeschwindigkeit im Messkanal 21 von ca. 100 μm/s gemessen werden, also eine mehrfach höhere Geschwindigkeit als im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 11 A. Die Bestromung der Elektroden 4, 5 erfolgte dabei gleich wie in der Ausführungsform der Fig. 11 A. Der Messkanal 21 der gewinkelten Mikropumpe führt die zu pumpende Flüssigkeit so zwischen die Elektroden 4, 5, dass sie möglichst senkrecht zu den elektrischen Feldlinien einströmt (siehe Fig. 12 und 15 bis 21 ) während die Orientierung der Segmente 21 , 22 des Auslasskanals ein Ausströmen möglichst parallel zu den elektrischen Feldlinien gewährleistet. Der Temperaturgradient sollte im Bereich des elektrischen Feldes möglichst steil und von dem Auslasskanal in Richtung Einlasskanal-Mitte weisen.
Wie in den Fig. 14 bis 19 dargestellt, lassen sich die Kanalgeometrien verändern, wobei mindestens ein Temperaturgradient im Bereich des elektrischen Feldes entsteht, der parallel zum elektrischen Feld und parallel zum Auslasskanal verläuft und weitere Temperaturgradienten keinen Effekt haben, weil sie entweder senkrecht zum elektrischen Feld stehen (z.B. Einlasskanal) oder weil die Kanalwandung eine Strömung verhindert (z.B. der 90° gewinkelter Kanal in Fig. 17-19)
Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 14 dargestellt. Diese weist sich kreuzende Kanäle auf. Das erste Segment 21 ist vertikal dargestellt, von dem zwei Segmente rechtwinklig abgehen. Die Zuströmung erfolgt in der Darstellung der Fig. 14 von oben und unten durch das lineare Segment 21.
Die Elektroden 4, 5 befinden sich bei dieser Ausführungsform in der Nähe der Einmündungen der beiden Segmente 22, 23 in das erste Segment 21. Die Elektroden 4, 5 sind flach an der Wandung angeordnet, so dass sie vorn Medium überströmt werden können. Sie liegen einzeln oder in Kombination flach an der Wand, im Boden oder an der Decke der Ablaufkanäle 22, 23. Auch ist es möglich, die Elektroden 4, 5 als feines Gitter auszubilden, das sich durch den Querschnitt der Ablaufkanäle zieht und vom Medium durchströmt werden kann.
In Fig. 15 wird die Konfiguration gemäß Fig. 14 simuliert. Die Elektroden 4, 5 sind nur als Linien dargestellt. Der Einstrom des strömenden Mediums erfolgt dabei senkrecht, der Ausstrom parallel zu den elektrischen Feldlinien. Die Temperaturgradienten (Pfeile) weisen in die Mitte des Segmentes 21 für den Einlasskanal.
In Fig. 16 ist für diese Konfiguration das Druckfeld im zentralen Bereich eines Pumpsystems dargestellt. Der Druckgradient ist über den Elektroden am größten. Um die Flüssigkeit in den Kanälen mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen, muss die Pumpe gegen den Strömungswiderstand der Kanalwandungen anpumpen. Vor dem Ort der Pumpwirkung entsteht ein Unterdruck, weil die Pumpe das Medium (Flüssigkeit) ansaugt und dahinter ein Überdruck, weil die Pumpe das Medium weiter durch den Kanal drückt. Das Wesentliche ist die Druckdifferenz. Für die Modellrechnung wurde die Randbedingung angenommen, dass der Druck an den Kanalenden 0 ist. Damit sind die Ein- und Auslasskanäle auf dem gleichen Druckniveau und quasi kurzgeschlossen. Fig. 16 ist nur ein Ausschnitt des Modells, weshalb die Werte an den Rändern nicht zu sehen sind. Das gerechnete Modell ist größer, als in der Fig. 16., d.h. die Kanäle sind wesentlich länger. So kann das Medium einen angemessenen Weg zurücklegen und die Pumpe muss damit dem entsprechenden Strömungswiderstand entgegen arbeiten. So wurden realistische Strömungsgeschwindigkeiten berechnet. Bei sehr kurzen Kanälen, wäre die berechnete Geschwindigkeit deutlich höher.
Auf einer Abbildung von Simulationsergebnissen des gesamten Modells wären Einzelheiten nicht gut erkennbar. Wichtig in Fig. 16 ist die Druckdifferenz über den Elektroden 4, 5.
Die Anzahl der Kanäle 21 , 22, 23 lässt sich reduzieren auf ein Segment 21 für den Einlass und ein Segment für den Auslass. In Fig. 17 ist eine solche Konfiguration für eine rechtwinklige Anordnung dargestellt. Die Elektroden 4, 5 sind dabei im Bereich des zweiten Segments 22 und an der gegenüberliegenden Wandung des ersten Segmentes 21 angeordnet. Die Einlassströmung erfolgt senkrecht und die Auslassströmung parallel zu den elektrischen Feldlinien.
In Fig. 18 ist ein Simulationsergebnis der Konfiguration gemäß Fig. 16 dargestellt. Die Elektroden sind nur als Linien dargestellt. Der Einstrom des strömenden Mediums erfolgt dabei senkrecht, der Ausstrom parallel zu den elektrischen Feldlinien. Die Temperaturgradienten (Pfeile) weisen in die Mitte des Segmentes 21 für den Einlasskanal.
In Fig. 19 ist für diese Konfiguration das Druckfeld dargestellt. Die höchsten Drücke liegen im ersten Segment 21 vor, so dass sich eine Strömung in die vom ersten Segment 21 abgehenden Segmente 22, 23 ergibt.
Wie oben schon ausgeführt, können die Kanäle auch räumlich in die dritte Dimension erweitert werden. In Fig. 20 ist ein rotationssymmetrischer Körper mit der Rotationsachse entlang des Auslasskanals mit zwei Segmenten 22, 23 dargestellt. Der Einlasskanal wird durch ein scheibenförmiges Segment gebildet. Das Einlasssegment 21 kann dabei als Reaktionskammer dienen und auch mehr als zwei Elektroden aufweisen. Die Elektroden können dabei durch unterschiedliche, phasenverschobene Signale angesteuert werden.
Bei den hier dargestellten Ausführungsformen der gewinkelten Mikropumpen ist die Anordnung der Segmente der Pumpkanäle (Ein- und Auslasskanäle) 21 , 22, 23 so, dass ein Einstrom senkrecht und ein Ausstrom parallel zu den elektrischen Feldlinien erfolgt. Abhängig von der Bauvariante sind deshalb Ein- und Auslasskanäle wie folgt verbunden: Bei je einem Ein- und Auslasskanal mit einen Winkel von etwa 90° (Fig. 17). Bei einem Einlass- und zwei Auslasskanälen (Fig. 11A) bzw. bei zwei Einlassund einem Auslasskanal mit einer T-förmigen Gabelung und bei je zwei Ein- und Auslasskanälen mit einer 90°-Kreuzung (Fig. 14, 17).
In dem jeweiligen Übergangsbereich von Einlass- zu Auslasskanal (Winkel, Gabelung, Kreuzung) wird durch zwei Elektroden 4, 5 ein elektrisches Feld generiert, dessen Ausrichtung die o.g. Bedingung für die Flüssigkeitsförderung erfüllt.
Diese Ausführungsform benötigt keine asymmetrische Temperaturverteilung zwischen den Elektroden 4, 5, die durch ein Heizelement oder unterschiedlich wärmeleitende Elektroden erzeugt wird.
Im Folgenden wird beschrieben, wie der Pumpeffekt durch ein z.B. keilförmiges Stromleitmittel zum Abscheren einer lokal zirkulierenden Strömung (siehe Abb. 11A) verstärkt werden kann.
Besonders an den Innenkanten dicht beieinander liegender Elektroden können sich lokale Kreisströmungen bilden (Fig. 21 ), die grundsätzlich einen Verlust an Pumpleistung darstellen. In Fig. 21 ist ein zweidimensionales Simulationsmodell einer gewinkelten Mikropumpe ohne keilförmige Struktur dargestellt. Die Abbildung zeigt den Druck (in Pa) und das kreisförmige Geschwindigkeitsfeld in der Flüssigkeit. Die Geschwindigkeit im Messkanal beträgt 300 μm/s. Die Leitfähigkeit beträgt 236 mS/m und die Elektrodenspannung 30 Vrms.
Kreisströmungen entstehen, sobald sich im Kanalquerschnitt die angreifenden Kräfte in Betrag oder Richtung unterscheiden (Fig. 22). In Fig. 22 ist eine Vergrößerung an der Elektrodenkante dargestellt. Die angreifende Kraft ändert sich stark im Bereich über der Elektrodenkante.
Um eine Kreisströmung zu unterbinden, bzw. einzuschränken wurde der Kanal am Ort der größten Kraftwirkung (d.h. an den Innenkanten der Elektroden) durch eine keilförmige Struktur so verengt, dass die Rückströmung weitestgehend abgeschert wird (Fig. 23 und 24). Zu beachten ist, dass es sich bei der keilförmigen Struktur, dem Strömungsleitmittel, nicht um ein dielektrisches, sondern um ein hydrodynamisches Element handelt.
Fig. 23 zeigt ein zweidimensionales Modell einer verbesserten gewinkelten Mikropumpe mit keilförmiger Struktur als Strömungsleitmittel 30. Die Fig. 23 zeigt den Druck (Pa) und das Geschwindigkeitsfeld in der Flüssigkeit. Die Kreisströmungen sind durch die Vorsprünge in der Kanalgeometrie weitgehend unterbunden. Die Geschwindigkeit im Messkanal verfünffachte sich auf 1500 μm/s. Die Leitfähigkeit beträgt 500 mS/m und die Elektrodenspannung 30 Vrms.
Fig. 24 zeigt analog zur Fig. 22 eine Vergrößerung der Elektrodenkante des Modells. Die Änderung der angreifenden Kräfte ist geringer in dem Bereich über der Elektrodenkante.
Bezugszeichenliste
1 elektrohydrodynamische Mikropumpe
2 Pumpkanal
2a Abflussöffnung
2b Ausflussöffnung
3 Heizelement
4 erste Elektrode
5 zweite Elektrode
6 Elektrodenvorrichtung
7 Fließrichtung
8 Bauelement aus Kombination von zweiter Elektrode 5 mit Abschnitten des
Heizelements 3
9 Pumpkammer
10 Abflusskammer
11 weiterer Kanal
12 Ein- und/oder Auslasskanal
13 Kreislaufsystem
21 erstes Segment eines Pumpkanals
22 zweites Segment eines Pumpkanals
23 drittes Segment eines Pumpkanals
30 Strömungsleitmittel

Claims

Patentansprüche
1. Elektrohydrodynamische Mikropumpe (1 ) mit mindestens einem Pumpkanal (2) zum Pumpen einer Flüssigkeit ,
dadurch gekennzeichnet,
dass in und / oder dem mindestens einen Pumpkanal (2) mindestens eine Elektrodenvorrichtung (6) zur Erzeugung eines elektrischen Wechselfeldes und mindestens ein Mittel zur Erzeugung eines Temperaturgradienten in der zu pumpenden Flüssigkeit angeordnet ist.
2. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, das die mindestens eine Elektrodenvorrichtung (6) und das mindestens eine Mittel zur Erzeugung des Temperaturgradienten gekoppelt sind.
3. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pumpkanal (2) mindestens teilweise linear ausgebildet ist.
4. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pumpkanal (2) zwei oder mehr Segmente (21 , 22, 23) aufweist.
5. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei lineare Segmente (21 , 22, 23) untereinander einen Winkel zwischen 0° und 180° aufweisen, insbesondere 90°.
6. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Segmente (21 , 22, 23) und der Elektroden (4, 5) so gewählt ist, dass der Einstrom einer Flüssigkeit im Wesentlichen senkrecht zu den elektrischen Feldlinien erfolgt.
7. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Segmente (21 , 22, 23) und der Elektroden (4, 5) so gewählt ist, dass der Ausstrom einer Flüssigkeit im Wesentlichen parallel zu den elektrischen Feldlinien erfolgt.
8. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich mindestens zweier Segmente (21 , 22, 23) mindestens ein Strömungsleitmittel (30), insbesondere aus einem nicht-dielektrischen Material, angeordnet ist.
9. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Strömungsleitmittel (30) als Verengung des Strömungsquerschnitts für das strömende Medium ausgebildet ist, insbesondere einen keilförmigen Querschnitt aufweist.
10. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenvorrichtung mindestens eine erste Elektrode (4) und mindestens eine zweite Elektrode (5) aufweist, die einander gegenüberliegen, wobei zwischen den Elektroden (4, 5) das Medium strömt.
11. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das zwischen den Elektroden (4, 5) ausbildende elektrische Feld im mindestens einen Pumpkanal (2) ausbildet.
12. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenvorrichtung (6) mindestens zwei flach an Boden, Decke und / oder Seitenwänden des mindestens einen Pumpkanals (2) verlaufende Elektroden (4, 5) umfasst.
13. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenvorrichtung (6) mindestens eine Elektrode (4, 5) aufweist, die von dem strömenden Medium wenigstens teilweise umströmt wird.
14. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenvorrichtung (6) mindestens ein Gitter oder mindestens ein Drahtgeflecht als Elektrode (4, 5) aufweist, das vom strömenden Medium durchströmt wird.
15. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenvorrichtung mindestens zwei Elektroden (4, 5), insbesondere metallische Elektroden (4, 5) mit hoher Wärmeleitfähigkeit umfasst.
16. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrodenvorrichtung mindestens zwei Elektroden (4, 5), insbesondere metallische Elektroden, mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit umfasst.
17. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (4, 5) voneinander verschiedene Abmessungen und / oder Formen aufweisen.
18. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (4) eine größere Fläche, eine größere Dicke und / oder ein größeres Volumen als die zweite Elektrode (5) aufweist.
19. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heizelement (3) zur Erzeugung eines Temperaturgradienten, insbesondere zur Erzeugung eines zusätzlichen Temperaturgradienten, in der Flüssigkeit im mindestens einen Pumpkanal (2) angeordnet ist.
20. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Heizelement (3) zur Erzeugung eines Temperaturgradienten, insbesondere eines zusätzlichen Temperaturgradienten, in der Flüssigkeit im mindestens einen Pumpkanal (2) in Flussrichtung vor oder hinter der Elektrodenvorrichtung (6) angeordnet ist.
21. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (3) und die zweite Elektrode (5) zu einem Bauelement mindestens teilweise kombiniert sind.
22. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Heizelement (3) als leitende Mikrostrukturen mit elektrisch isolierter Oberfläche in Form von Heizdrähten und / oder Wärmestrahlern ausgebildet ist.
23. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Wechselfeld einen sinus- oder rechteckförmigen Zeitverlauf aufweist und / oder kontinuierlich oder gepulst generiert ist.
24. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des elektrischen Wechselfeldes eine elektrische Resonanzfrequenz der Pumpe ist.
25. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Struktur der Mikropumpe selbst oder in Verbindung mit der äußeren Beschaltung, vorzugsweise eine zusätzliche Induktivität, ein elektrisches Resonanzsystem darstellt, bei dem das zu pumpende Medium das Dielektrikum oder einen Teil des Dielektrikums eines kapazitiven Elements darstellt.
26. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pumpkanal (2) auf einem Mikrosystem, insbesondere einem μTAS-Chip oder einem Lab-on-Chip System, angeordnet ist.
27. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pumpkanal (2) in einer als Mikroreaktor ausgebildeten Kammer angeordnet ist.
28. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die als Mikroreaktor ausgebildete Kammer ein chemisches und / oder biologisches Reaktionssystem aufweist.
29. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pumpkanal (2) an ein Pumpsystem bestehend aus mindestens einer Pumpkammer (9) und mindestens einer Abflusskammer (10) gekoppelt ist.
30. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Pumpkammer (9) an mindestens einer Abflussöffnung (2a) in den mindestens einen Pumpkanal (2) mündet.
31. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach Anspruch 29 oder 30, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pumpkanal (2) an mindestens einer Ausflussöffnung (2b) in die Abflusskammer (10) mündet.
32. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 31 , dadurch gekennzeichnet, dass die Abflusskammer (10) mit mindestens einem weiteren Kanal (11 ) direkt oder indirekt verbunden ist.
33. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 32, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpkammer
(9) und Abflusskammer (10) über den Kanal (11 ) verbunden sind.
34. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Pumpkammer (9), der mindestens eine Pumpkanal (2), Abflusskammer
(10) und Kanal (11 ) ein zumindest zeitweise geschlossenes Pumpsystem (13) bilden.
35. Elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpsystem (13) und / oder die als Mikroreaktor ausgebildete Kammer mittels Mikrodosiersystemen befüllt oder entleert werden.
36. Verwendung einer elektrohydrodynamische Mikropumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche zum Pumpen von Flüssigkeiten.
37. Verfahren zum Pumpen einer Flüssigkeit in einer elektrohydrodynamischen Mikropumpe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 35, gekennzeichnet durch die Bildung eines elektrischen Wechselfeldes und eines Temperaturgradienten in der zu pumpenden Flüssigkeit zwischen den Elektroden (4, 5) im mindestens einen Pumpkanal (2), wobei die Pumprichtung von der Frequenz des angelegten elektrischen Wechselfelds und vom Temperaturgradienten im mindestens einen Pumpkanal (2) gesteuert wird.
38. Verfahren nach Anspruch 37, gekennzeichnet durch die Bildung eines zusätzlichen Temperaturgradienten durch das Heizelement (3), wobei der zusätzliche Temperaturgradient bis in den Bereich des elektrischen Wechselfeldes zwischen den Elektroden (4, 5) hineinreicht oder ganz oder teilweise überlappt.
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