DE19546570C1

DE19546570C1 - Fluidpumpe

Info

Publication number: DE19546570C1
Application number: DE19546570A
Authority: DE
Inventors: Roland Dr Ing Zengerle; Manfred Dipl Ing Stehr; Stephan Dipl Ing Messner
Original assignee: INST MIKRO und INFORMATIONSTEC
Current assignee: Gebrueder Schmidt Fabrik fuer Feinmechanik GmbH and Co KG
Priority date: 1995-12-13
Filing date: 1995-12-13
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2015-12-14
Also published as: EP0835381B1; ATE176715T1; DE59601301D1; US6109889A; EP0835381A1; WO1997021924A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Fluidpumpe, d. h. eine Pumpe für Flüssigkeiten und Gase.

Es ist bekannt, zum Transport von Fluiden Verdrängerpumpen zu verwenden, die aus einem periodischen Verdränger, einem Kolben oder einer Membran, und zwei passiven Rückschlagven tilen bestehen. Durch die periodische Bewegung des Kolbens oder der Membran wird Fluid durch das Einlaßventil in eine Pumpkammer angesaugt, bzw. durch das Auslaßventil aus der Pumpkammer verdrängt. Diese bekannten Pumpen sind durch die Verwendung der Ventile aufwendig. Ferner ist die Transport richtung durch die Anordnung der Ventile vorgegeben. Soll bei einer derartigen Anordnung die Pumprichtung umgekehrt werden, ist bei solchen bekannten Pumpen eine mit einem ho hen Aufwand verbundene, externe Umsteuerung der Ventile not wendig. Derartige Pumpen sind beispielsweise bei Jarolav und Monika Ivantysyn; Hydrostatische Pumpen und Motoren; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993, gezeigt.

Entsprechende Pumpen, die eine geringe Baugröße aufweisen und geringe Pumpströme liefern, bezeichnet man als Mikro pumpen. Die Verdränger solcher Pumpen sind typischerweise als Membran ausgeführt, siehe P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, Seiten 143-164. Die Verdränger können durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden. Bei H.T.G. Van Lintel, F.C.M. Van de Pol. S. Bouwstra, A Pie zoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon, Sensors & Actuators, 15, Seiten 153-167, 1988, S. Shoji, S. Nakagawa and M. Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing systems; Sensors and Actua tors, A21-A23 (1990) Seiten 189-192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159-167, und T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and performance of the dynamic micropump; Proc. MEMS′95; (1995), Seiten 221-226; Amsterdam, The Ne therlands, sind piezoelektrische Antriebsmechanismen ge zeigt. Thermopneumatische Mechanismen zum Antreiben der Ver dränger sind bei F.C.M. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J. Fluitman, A Thermo-pneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques, Sensors & Actuators, A21-A23, Seiten 198-202, 1990, B. Büstgens, W. Bacher, W. Menz, W. K. Schomburg; Micropump manufactored by thermopla stic molding; Proc. MEMS′94; (1994), Seiten 18-21, ge zeigt. Ein elektrostatischer Mechanismus ist bei R. Zenger le, W. Geiger, M. Richter, J. Ulrich, S. Kluge, A. Richter; Application of Micro Diaphragm Pumps in Microfluid Systems; Proc. Actuator F9f; 15.-17.6.1994; Bremen, Germany; Seiten 25-29, gezeigt. Ferner können die Verdränger thermomecha nisch oder magnetisch angetrieben werden.

Wie ebenfalls in den oben genannten Schriften gezeigt ist, können als Ventile entweder passive Rückschlagventile oder spezielle Strömungsdüsen verwendet werden, die jeweils auf wendig sind. Die Förderrichtung von Mikropumpen kann ohne eine Zwangssteuerung der Ventile allein durch eine Ansteue rung mit einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz der Ventile umgekehrt werden. Dazu seien R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bidirectional Silicon Micropump; Proc. MEMS′95; Amsterdam, Niederlande; Seiten 19-24, J. Ul rich, H. Füller, R. Zengerle; Static and dynamic flow simu lation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS ′95, Stockholm, Sweden, (1995), Seiten 17-20, betrachtet. Die Ursache dieses Effekts ist eine Phasenverschiebung zwi schen der Bewegung des Verdrängers und dem Öffnungszustand der Ventile. Ist die Phasendifferenz größer als 90°, so ist der Öffnungszustand der Ventile antizyklisch zu deren Zu stand im normalen Vorwärtsmodus und die Pumprichtung ist um gedreht. Eine externe Umsteuerung der Ventile, wie sie bei makroskopischen Pumpen notwendig ist, entfällt. Die ent scheidende Phasendifferenz zwischen dem Verdränger und den Ventilen hängt dabei einerseits von der Antriebsfrequenz der Pumpe und andererseits von der Resonanzfrequenz des bewegli chen Ventilteils in der Fluidumgebung ab.

Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß bei der Ausführung der Ventile ein Kompromiß zwischen deren me chanischer Resonanz in der Fluidumgebung, deren Strömungs widerstand, deren fluidischer Kapazität, d. h. der elasti schen Volumenverformung, deren Baugröße und deren mechani scher Stabilität gefunden werden muß. Diese Parameter, die alle jeweils Auswirkungen auf die Pumpdynamik haben, können also nicht unabhängig voneinander auf ein Optimum einge stellt werden und stehen zum Teil einer erwünschten, weite ren Miniaturisierung der Pumpabmessungen entgegen.

Generell nachteilig bei der Verwendung von Pumpen mit pas siven Rückschlagventilen ist ferner die Tatsache, daß die Pumpen im ausgeschalteten Zustand das zu fördernde Medium nicht sperren. Übersteigt der Eingangs- den Ausgangsdruck um die Vorspannung der Ventile, so durchfließt das zu pumpende Medium die Pumpe.

Mikropumpen, die spezielle Strömungsdüsen verwenden, besit zen den Nachteil, daß sie einen sehr geringen maximalen Pumpwirkungsgrad im Bereich von den 10-20% aufweisen.

Aus der DE-C 195 34 378.6 ist eine Fluidpumpe bekannt, die einen Pumpenkörper, einen Verdränger und einen elastischen Puffer aufweist. Der Verdränger verschließt in einer ersten Endstellung einen in dem Pumpenkörper angeordneten Einlaß und läßt in einer zweiten Endstellung den in dem Pumpenkör per angeordneten Einlaß offen. Die bekannte Pumpe ermöglicht einen Nettofluß durch einen ebenfalls in dem Pumpenkörper angeordneten Auslaß. Die an die durch den Verdränger und den Pumpenkörper gebildete Pumpkammer angrenzende Puffereinrich tung macht die bekannte Fluidpumpe aufwendig.

Esashi, Shoji und Nakano beschreiben in "Normally closed microvalve and micropump fabricated on a silicon wafer", Sensors and Actuators 20 (1989), S. 163-169, ein Gas-Mi kroventil, daß im normalen Zustand geschlossen ist. Das Ven til besteht aus einer Glasplatte, in der eine Gasauslaßöff nung angeordnet ist, die mittels einer durch einen piezo elektrischen Antrieb betreibbaren Silizium-Mesa-Struktur, die mit einem Ventilsitz versehen ist, verschließbar ist. Die Siliziumschicht, in der die Silizium-Mesa-Struktur ge bildet ist, und die Glasplatte definieren ferner einen durchgehenden Kanal zwischen der Gasauslaßöffnung und einer Gaseinlaßöffnung, die in der Siliziumschicht gebildet ist. In der oben genannten Schrift ist ferner eine Membrantyp-Mi kropumpe beschrieben, die aus zwei Einwegventilen und ei ner Membran mit einem piezoelektrischen Antrieb besteht.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine effiziente Fluidpumpe mit einem einfachen Aufbau zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine Fluidpumpe gemäß Patentan spruch 1 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft eine Fluidpumpe mit einem Pumpenkörper und einem Verdränger, der mittels eines An triebs periodisch in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, wobei der Verdränger und der Pumpenkör per derart ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pumpkammer gebildet ist, die eine Einlaßöffnung und eine Auslaßöffnung aufweist. Der Verdränger verschließt die Aus laßöffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist, und läßt die Auslaßöffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung ist. Wenn sich der Verdränger von der ersten in die zweite Endstellung bewegt, öffnet er im Bereich der Auslaßöffnung einen Durchströmungsspalt zwischen dem Pumpenkörper und dem Verdränger. Vorzugsweise ist der Pumpenkörper in der Form einer Platte, die die Einlaß- und die Auslaß-Öffnung auf weist, ausgebildet, während der Verdränger eine Ausnehmung aufweist, die die Pumpkammer definiert.

Der Pumpwirkungsgrad ist durch eine Anpassung der Quer schnittsflächen der Einlaß- und Auslaß-Öffnung, sowie durch eine Steuerung des Zeitablaufs des Treibens des Verdrängers in die erste und die zweite Endstellung optimierbar. Das Treiben des Verdrängers kann dabei durch einen piezoelektri schen Biegewandler, eine aufgeklebte Piezoplatte oder auch elektrostatisch erfolgen.

Eine Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung weist einen einfachen Aufbau auf, der aus nur einem einzigen struktu rierten Siliziumchip bestehen kann. Dadurch können Kosten bei der Bearbeitung der Siliziumteile sowie Kosten bei der Montage gespart werden. Eine weitere Kosteneinsparung ergibt sich durch die Herstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe aus Kunststoff mittels feinwerktechnischer Verfahren, beispiels weise Spritzguß, usw.

Der Verdränger der erfindungsgemäßen Fluidpumpe wird mit ei ner Treiberspannung angesteuert, die eine solche Polung auf weist, daß der Verdränger angehoben wird. Nach dem Abschal ten der Pumpe kann die Polung der Treiberspannung umgekehrt werden, wodurch die Auslaßöffnung mit einer definierten ho hen Anpreßkraft geschlossen ist. Dadurch stellt die Auslaß öffnung zusammen mit dem Verdränger ein aktives Ventil dar, welches einen wesentlichen Vorteil gegenüber passiven Ven tilen darstellt. Durch das Einbringen eines kleinen Puffer volumens in die Pumpkammer kann ferner die Pumprichtung ei ner Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umgekehrt werden, wodurch sich in den meisten Fällen ein Einsatz einer zweiten Pumpe erübrigt.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 den Druck in der Pumpkammer einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während einer Saugphase und einer Druckphase;

Fig. 3 einen Graph, der die Abhängigkeit des Flusses durch die Auslaßöffnung von der Spaltweite zeigt;

Fig. 4a bis 4d Darstellungen der transienten Vorgänge, die bei der Fluidpumpe von Fig. 1 ablaufen;

Fig. 5 die Abhängigkeit des Flusses durch Ein- und Auslaß öffnung bei einer unterschiedlichen Druckdifferenz;

Fig. 6a bis 6c unterschiedliche Ansteuerspannungen zum Treiben des Verdrängers einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 einen Graph, der einen speziellen Druckverlauf in der Pumpkammer einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 8, 9 und 10a bis 10d verschiedene Ausführungsbeispiele einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11a bis 11d Darstellungen der transienten Vorgänge, die bei einer Fluidpumpe der vorliegenden Erfindung, die ein kleines Puffervolumen in der Pumpkammer aufweist, ablaufen; und

Fig. 12 eine Querschnittansicht eines weiteren Ausführungs beispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die Pumpe weist einen Pumpenkörper 10 und einen Verdränger 12 auf. In dem Pumpenkörper ist eine Auslaßöffnung 14 mit einer Weite w und eine Einlaßöffnung 16 ausgebildet. Die Auslaß öffnung 14 sowie die Einlaßöffnung 16 können eine beliebige Form, beispielsweise quadratisch, rund, rechteckig oder el lipsoid, aufweisen. Der Verdränger 12 ist auf dem Pumpenkör per 10 befestigt und weist eine Ausnehmung auf, die zusammen mit dem Pumpenkörper 10 eine Pumpkammer 18 definiert. Der Pumpenkörper 10 und der Verdränger 12 können beispielsweise kreisförmig ausgebildet sein.

Der Verdränger 12 ist mittels eines Piezo-Biegewandlers 20, der aus Piezokeramik besteht, in eine erste und eine zweite Endstellung hin und her bewegbar. Der Piezo-Biegewandler 20 ist beispielsweise mittels eines Klebers 22 an dem Verdrän ger 12 befestigt. Der Verdränger 12 bildet an seinem mittle ren, dickeren Abschnitt ein Ventil mit der Auslaßöffnung 14, wobei die Auslaßöffnung 14 in der ersten Endstellung des Verdrängers 12 geschlossen ist und in der zweiten Endstel lung des Verdrängers 12 offen ist.

Wird eine Spannung an den Piezo-Biegewandler 20 angelegt, so bewegt sich der Verdränger 12 nach oben in die zweite End stellung und öffnet die Auslaßöffnung 14. Schaltet man die Spannung wieder ab, so bewegt sich der Verdränger 12 nach unten in die erste Endstellung und verschließt die Auslaß öffnung 14. Die Einlaßöffnung, die als Blende ausgebildet sein kann, ist permanent geöffnet.

Es folgt eine allgemeine Betrachtung der Funktionsweise der Pumpe gemäß Fig. 1. Mit der Bewegung des Verdrängers 12 än dert sich sowohl ein Druck p in der Pumpkammer 18, als auch eine Spalthöhe h an der Auslaßöffnung 14. Die Strömung durch die Auslaßöffnung hängt von diesen beiden Faktoren, dem Druck p und der Spalthöhe h ab. Bei einer vereinfachten Be trachtung ergibt sich ein Durchfluß Φ proportional zu ph³, wobei der Zusammenhang bei einer allgemeineren Betrachtung p^xh^y mit beliebigen Zahlen x und y lautet.

Wenn die zeitliche Integration über die Strömung beim Öff nungs- bzw. Schließvorgang des Verdrängers 12 verschieden ist, ergibt sich bei periodischer Betätigung des Verdrängers 12 ein Nettofluidtransport in eine ausgezeichnete Pumprich tung durch die Auslaßöffnung 14. Dieser Nettofluidtransport kann durch eine mathematische Integration über den Durchfluß berechnet werden.

In Fig. 2 ist der zeitliche Druckverlauf in der Pumpkammer 18 bei einer Ansteuerung des Piezo-Biegewandlers 20 mit ei ner Rechteckspannung dargestellt. Bei anliegender Spannung ergibt sich zunächst ein Unterdruck in der Pumpkammer 18, der sich mit zunehmender Auslenkung des Verdrängers 12 wie der abbaut. Die Auslenkung des Verdrängers 12 entspricht der Spalthöhe h. Beim Ausschalten der Spannung, oder alternativ bei einer Spannungsumkehr, ergibt sich ein Überdruck in der Pumpkammer 18, der sich mit abnehmender Ablenkung des Ver drängers 12 wieder abbaut.

Die zeitabhängigen Strömungen durch die beiden Öffnungen in dem Pumpenkörper 10, die Auslaßöffnung 16 und die Einlaßöff nung 14, sind nun grundsätzlich verschieden. Während die Strömung durch die Einlaßöffnung 16 nur durch den Druckver lauf in der Pumpkammer 18 bestimmt wird, ist für die Strö mung durch die Auslaßöffnung 14 sowohl der aktuelle Druck p in der Pumpkammer als auch die aktuelle Spalthöhe h an der Auslaßöffnung 14 von Bedeutung.

Der Betrag der Strömung durch die Einlaßöffnung oder Einlaß blende errechnet sich in erster Näherung zu:

Dabei ist A_Blende die Querschnittsfläche der Einlaßöffnung oder Blende 16, µ ist eine geometrieabhängige dimensionslose Ausflußzahl, ρ ist die Dichte des Fluids, p₁ ist der Druck im in die Einlaßöffnung mündenden Einlaß (siehe Fig. 1), und p ist der Pumpkammerdruck.

Die Strömung durch die Auslaßöffnung kann dagegen näherungs weise als laminare Spaltströmung betrachtet werden. Dieselbe berechnet sich zu:

Dabei ist w die Weite der Auslaßöffnung, h ist die Auslen kung des Verdrängers, b ist die Länge des entsprechenden Spaltes (siehe Fig. 1), η ist die Viskosität der Fluids und p₂ ist der Druck in dem in die Auslaßöffnung mündenden Aus laß (siehe Fig. 1).

Der Fluß durch die Auslaßöffnung in Abhängigkeit von der Spalthöhe h ist für eine konstante Druckdifferenz in Fig. 3 dargestellt. Insbesondere für kleine Spalthöhen h ist der Durchfluß drastisch reduziert.

Entscheidend für den Pumpmechanismus ist bei der Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung die Tatsache, daß die Strö mung durch die Auslaßöffnung von den beiden unabhängigen Va riablen, nämlich dem Pumpkammerdruck p und der Spalthöhe h abhängt.

In den Fig. 4a bis 4d sind die transienten Vorgänge während der Saug- und während der Druckphase in der Pumpe gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargestellt.

In Fig. 4a ist der Verlauf der Verdrängerbewegung, in Fig. 4b der Verlauf des Pumpkammerdrucks p, in Fig. 4c der Fluß durch die Einlaßöffnung und in Fig. 4d der Fluß durch die Auslaßöffnung dargestellt.

Saugphase

Beim Einschalten der Spannung an dem Piezo-Biegewandler liegt in der Pumpkammer schlagartig ein Unterdruck vor, ohne daß sich der Verdränger nennenswert nach oben bewegt. Dies ist zum Zeitpunkt 0.0 in den Fig. 4a und 4b dargestellt. Da die Auslaßöffnung zu diesem Zeitpunkt noch geschlossen ist, strömt kein Fluid durch dieselbe. Das Fluid strömt zunächst ausschließlich durch die Einlaßöffnung in die Pumpkammer (siehe Zeitpunkt 0.0 in den Fig. 4c und 4d). Erst mit zuneh mender Bewegung des Verdrängers und einer damit verbundenen Zunahme der Spalthöhe h kommt eine Fluidströmung durch die entstehende Öffnung hinzu. Da sich jedoch mit der Bewegung des Verdrängers gleichzeitig der Unterdruck in der Pumpkam mer wieder abbaut, ist das durch die Auslaßöffnung strömende Fluidvolumen relativ gering, da die Strömung proportional zu dem Produkt ph³ ist.

Druckphase

Beim Ausschalten der an dem Piezo-Biegewandler anliegenden Spannung (Zeitpunkt 2.0 in den Fig. 4a bis 4d) liegt in der Pumpkammer schlagartig ein Überdruck vor, ohne daß sich der Verdränger nennenswert nach unten bewegt. In diesem Zustand ist die Auslaßöffnung offen, wobei gleichzeitig ein relativ großer Überdruck in der Pumpkammer vorliegt. Aus diesem Grund ist das Produkt ph³ relativ groß. In der Druckphase fließt somit ein deutlich größerer Anteil des Fluids durch die Auslaßöffnung aus der Pumpkammer als in der Saugphase durch die Auslaßöffnung in die Pumpkammer geflossen ist, wie in Fig. 4d zu sehen ist. Aus dieser Figur wird die Unsymme trie der Strömung durch die Auslaßöffnung in der Druck- und in der Saug-Phase und der damit verbundene Nettofluß durch die Auslaßöffnung deutlich.

Der Nettopumpeffekt der Fluidpumpe der vorliegenden Erfin dung beruht darauf, daß der Spalt zwischen dem Verdränger und der Auslaßöffnung während dem Öffnungsvorgang der Aus laßöffnung, also der Saugphase, und dem Schließvorgang der Auslaßöffnung, also der Druckphase, unterschiedlich durch strömt wird. Der Grund dafür liegt darin, daß die Strömung durch die Auslaßöffnung sowohl vom Druck in der Pumpkammer als auch von der Spalthöhe h zwischen dem Verdränger und dem Pumpenkörper abhängt.

Im folgenden werden alternative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Der Pumpwirkungsgrad einer Pumpe gemäß der vorliegenden Er findung, d. h. der Pumpertrag pro Pumpzyklus, und der maximal in der Pumpkammer erreichbare Gegendruck können durch eine Modifikation der beiden Öffnungsquerschnitte variiert wer den. Insbesondere erbringt dabei eine Reduktion der Quer schnittsfläche der Einlaßöffnung gegenüber der Querschnitts fläche, d. h. der Weite w der Auslaßöffnung, eine Steigerung des Maximaldrucks. Der Druckwirkungsgrad kann ferner durch einen optimierten Verlauf der Ansteuerspannung verbessert werden.

Dieser Überlegung liegt die Feststellung zugrunde, daß die Durchflußcharakteristik der Einlaßöffnung, die proportional zu √ ist, ausgehend vom Ursprung eine nahezu senkrechte Steigung aufweist. Der Fluß durch die Auslaßöffnung nimmt dagegen bei einer konstanten Spalthöhe h nur linear mit dem Druck zu. Diese Effekte sind in Fig. 5 dargestellt. Folglich überwiegt bei kleinen Druckdifferenzen stets die Strömung durch die Einlaßöffnung. Wenn der Druck in der Pumpkammer während der Saugphase gezielt klein gehalten wird und in der Druckphase gezielt groß gehalten wird, kann somit der Pump wirkungsgrad vergrößert werden.

Der Druck in der Pumpkammer stellt sich bei gegebener An steuerspannung U so ein, daß sich ein Kräftegleichgewicht zwischen dem Pumpantrieb, der intrinsischen Verspannung des Verdrängers und dem hydrostatischen Druck des Fluids in der Pumpkammer ergibt. In den Fig. 6a, 6b und 6c sind zwei Mög lichkeiten dargestellt, wie der Druck in der Pumpkammer durch eine geeignete Ansteuerspannung vorteilhaft modifi ziert werden kann.

Den Spannungsverläufen in den Fig. 6a bis 6c ist ein linea rer Spannungsanstieg während der Saugphase und ein abruptes Ausschalten der Spannung während der Druckphase gemeinsam. Ferner wird bei dem Spannungsverlauf von Fig. 6c ferner zu Beginn der Druckphase die Spannung gezielt umgepolt, wodurch der Druck in der Pumpkammer über das normale Maß hinaus er höht wird. Mit derartigen Ansteuerspannungen läßt sich der Pumpwirkungsgrad gezielt steigern. Es ist ferner offensicht lich, daß der Verdränger entweder allein durch seine mecha nische Rückstellkraft infolge seiner Verformung (passiv) oder über den Antrieb (aktiv) geschlossen werden kann.

Der entscheidende Punkt bei dem Pumpmechanismus gemäß der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß sich mit der Bewegung des Verdrängers sowohl der Druck p in der Pumpkam mer als auch die Höhe des Durchflußspaltes an der Auslaßöff nung ändern. Die Strömung durch die Auslaßöffnung setzt sich aus diesen beiden Faktoren zusammen. Bei einer vereinfachten Betrachtung ergibt sich ein Durchfluß Φ proportional zu ph³, bei einer allgemeineren Betrachtung ist der Durchfluß pro portional zu p^xh^y, wobei x und y beliebige Zahlen sind.

Es wird ausdrücklich darauf verwiesen, daß alle Zusammenhän ge p^xh^y zwischen Pumpkammerdruck p und Spalthöhe h zu einem Pumpeffekt führen, sofern sich bei der Integration während des Öffnungs- und Schließ-Vorgangs der Auslaßöffnung durch den Verdränger unterschiedliche Werte für die durch die Aus laßöffnung strömende Fluidmenge ergeben. Damit ist auch klar, daß eine laminare Spaltströmung durch das Ventil keine Voraussetzung für die Pumpfunktion ist. Eine Pumpwirkung ist auch bei einer turbulenten Strömung oder jeder beliebigen Mischform möglich.

Um einen guten Pumpwirkungsgrad zu erreichen, können spe zielle Druckverläufe in der Pumpkammer vorteilhaft sein. Ein solcher Druckverlauf ist in Fig. 7 dargestellt. Ein solcher Druckverlauf kann beispielsweise mittels eines elektrostati schen Antriebs oder einer gezielten Modifikation der Ansteu erspannung (siehe Fig. 6) erreicht werden.

In Fig. 8 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel der vor liegenden Erfindung dargestellt. Der Pumpkörper 100 besteht dabei aus einer Fluidik-Grundplatte mit integrierten Kanälen 105 und 107, die in einer Auslaßöffnung 140 bzw. einer Ein laßöffnung 160 enden. Als Verdränger 120 dient ein struktu rierter Siliziumchip, der auf der Fluidik-Grundplatte befe stigt ist und ausgestaltet ist, um in einer ersten Endstel lung die Auslaßöffnung 140 zu verschließen und in einer zweiten Endstellung die Auslaßöffnung offen zu lassen. Durch eine Ausnehmung in dem Verdränger 120 ist ferner eine Pump kammer 180 definiert. Als Antrieb ist bei dem in Fig. 8 dar gestellten Ausführungsbeispiel eine auf dem Verdränger befe stigte Piezo-Keramikplatte verwendet, die auf der Oberseite derselben mit einer Schicht für selektives Bonden versehen sein kann.

In Fig. 9 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorlie genden Erfindung dargestellt, das mit Ausnahme des Antriebs des Verdrängers dem Ausführungsbeispiel von Fig. 8 gleicht. Bei dem in Fig. 9 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein elektrostatischer Antrieb des Verdrängers realisiert. Dazu ist über der dem Pumpenkörper 100 gegenüberliegenden Seite des Verdrängers 120 beabstandet zu demselben eine Gegenelek trode angeordnet, um den Verdränger in die erste und die zweite Endposition zu bewegen. Ein elektrostatischer Antrieb weist den Vorteil auf, daß er allein aufgrund der nichtli nearen elektrostatischen Antriebskräfte während der Saug- und der Druck-Phase einen stark unsymmetrischen Pumpkammer druckverlauf, wie er beispielsweise in Fig. 7 dargestellt ist, ermöglicht.

In den Fig. 10a bis 10d sind weitere Ausführungsbeispiele für die Ansteuerung des Verdrängers dargestellt. Dabei kann zwischen einer punktuellen oder flächigen Krafteinleitung unterschieden werden. Ferner unterscheiden sich die Ansteue rungsvorrichtungen dadurch, ob sie eine zwangsgeführte An steuerung oder eine Ansteuerung unter Zulassung einer Rück wirkung ermöglichen. Bei einem zwangsgesteuerten Verdränger besteht zwischen der Verdrängerstellung und dem Pumpkammer druck keine Rückwirkung.

Fig. 10a zeigt einen Antrieb für eine punktuelle Kraftein leitung ohne Zwangssteuerung. In Fig. 10b ist ein Antrieb für eine flächige Krafteinleitung auf den Verdränger ohne Zwangssteuerung dargestellt. In den Fig. 10c bzw. 10d sind Antriebe für eine punktuelle bzw. flächige Krafteinleitung mit einer Zwangssteuerung dargestellt.

Um eine Steigerung des Pumpwirkungsgrades zu erreichen kann es ferner vorteilhaft sein, die Blende, d. h. die Einlaßöff nung, als eine Strömungsdüse auszubilden, wie dies bei soge nannten Diffusor-Nozzle-Pumpen üblich ist. Dadurch wird fer ner die Pumprichtung nochmals zusätzlich begünstigt.

Werden innerhalb oder außerhalb der Pumpkammer elastische Komponenten angeordnet, so wird dadurch der Druckverlauf in der Pumpkammer, sowie die Flußraten durch die Einlaß- bzw. Auslaßöffnung beeinflußt. Die elastischen Komponenten können beispielsweise eine elastische Membran oder ein elastischer Medieneinschluß, beispielsweise Gas, sein. Die transienten Vorgänge in einer Pumpe für diesen Fall sind in Fig. 11 dar gestellt.

Bei hohen Betriebsfrequenzen gelangt man in den Bereich der Eigenfrequenz dieser elastischen Komponenten in ihrer Fluid umgebung. Dadurch ergibt sich eine Phasenverschiebung zwi schen dem Druckverlauf in der Pumpkammer und der Bewegung des Verdrängers. Die relativen Anteile der Vorwärts- und Rückwärts-Strömung durch die Auslaßöffnung verschieben sich und die Pumprichtung kehrt sich um.

Die Resonanzfrequenz wird von dem zu bewegenden Fluid in den Fluidleitungen mitbestimmt. Dadurch wird beispielsweise die Grenzfrequenz, ab der eine Umkehr der Förderrichtung auf tritt, mit zunehmender Länge der Fluidleitungen wegen der größeren Fluidmasse geringer. Durch ein gezieltes Einbringen von elastischen Komponenten außerhalb der Pumpkammer läßt sich diese unerwünschte Kopplung zwischen der Resonanzfre quenz und den Fluidleitungen unterdrücken.

Wenn nur geringe elastische Puffervolumen in der Pumpkammer vorliegen, so wird der beschriebene Pumpmechanismus dadurch nur wenig gestört, wie in den Fig. 11a bis 11e gezeigt ist. Das Puffervolumen darf eine bestimmte Größe nicht über schreiten, da der erfindungsgemäße Pumpmechanismus sonst nicht mehr gewährleistet ist.

Liegt bei einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe kein Pufferele ment in oder an der Pumpkammer vor, so kann das dynamische Verhalten der bewegten Fluidsäule dazu benutzt werden, die Pumprichtung umzukehren. Wird die Pumpe mit einer Frequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz der bewegten Fluidsäule entspricht, ergibt sich eine Phasenverschiebung zwischen dem Druck und der Fluidbewegung, die eine Umkehr der Flußrich tung bewirkt.

Eine Umkehr der Pumprichtung kann ferner erreicht werden, indem das dynamische Verhalten des Verdrängers ausgenutzt wird. Wird die Pumpe mit einer Frequenz betrieben, die der Resonanzfrequenz des Verdrängers entspricht, führt eine Pha senverschiebung zwischen der den Verdränger antreibenden Kraft und der Bewegung des Verdrängers zu einer Umkehr der Pumprichtung.

In Fig. 12 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Fluid pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der in Fig. 12 dargestellten Fluidpumpe ist eine Pumpkammer 380 zwischen einem Pumpenkörper 310 und einem Verdränger 320 als ein kapillarer Spalt ausgebildet. Mit einer derartigen An ordnung kann die Befüllung entscheidend vereinfacht sein, da ein Fluid aufgrund der Kapillarkräfte in die Pumpkammer ge zogen wird. In Fig. 12 ist der Antriebsmechanismus für die Verdrängereinrichtung nicht dargestellt.

Eine Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner mit einem Drucksensor versehen sein, über den die Fluidpumpe im idealen Betriebsbereich gehalten wird. Der Drucksensor kann in oder an der Pumpkammer angeordnet sein, um den in derselben herrschenden Druck aufzunehmen. Dazu kann der Drucksensor bei dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbei spiel beispielsweise in den als eine Membran ausgestalteten Verdränger 320 integriert sein. Über einen Regelkreis ist es dann möglich, den Antrieb der Mikropumpe in den jeweils op timalen Arbeitsbereich zu bringen.

Claims

1. Fluidpumpe, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
einen Pumpenkörper (10; 100; 310);
einen Verdränger (12; 120; 320), wobei der Verdränger (12; 120; 320) und der Pumpenkörper (10; 100; 310) der art ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pump kammer (18; 180; 380) gebildet ist, die eine Einlaßöff nung (16; 160; 360) und eine Auslaßöffnung (14; 140; 340) aufweist; und
einer Antriebsvorrichtung (20; 200; 210), die den Ver dränger (12; 120; 320) periodisch in eine erste und eine zweite Endstellung positioniert,
wobei der Verdränger (12; 120; 320) die Auslaßöffnung (14; 140; 340) verschließt, wenn er in der ersten End stellung ist, und die Auslaßöffnung (14; 140; 340) offen läßt, wenn er in der zweiten Endstellung ist, und
wobei der Verdränger (12; 120; 320) bei der Bewegung von der ersten in die zweite Endstellung im Bereich der Aus laßöffnung (14; 140; 340) einen Durchströmungsspalt zwi schen dem Verdränger und dem Pumpenkörper öffnet.

2. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkörper (10; 100) in der Form einer Platte, die die Einlaß- und die Auslaß-Öffnung aufweist, ausge bildet ist, und daß der Verdränger (12; 120) eine Aus sparung aufweist, die zusammen mit dem Pumpenkörper (10; 100) die Pumpkammer (18; 180) definiert.

3. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenkörper (310) in der Form einer Platte, die die Einlaß- und Auslaß-Öffnung (360, 340) aufweist, aus gebildet ist, wobei der Pumpenkörper (310) ferner eine Aussparung aufweist, die zusammen mit dem Verdränger (320) die Pumpkammer definiert.

4. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpkammer (380) als ein kapillarer Spalt ausge bildet ist.

5. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsfläche der Einlaßöffnung (16; 160; 360) gegenüber der Querschnittsfläche der Auslaßöffnung (14; 140; 340) reduziert ist.

6. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein piezoelektrischer Biegewandler (20) ist.

7. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb aus einer auf die dem Pumpenkörper (100) gegenüberliegende Seite des Verdrängers (120) aufge brachten Piezoplatte (200) besteht.

8. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein elektrostatischer Antrieb (210) ist.

9. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (12; 120; 320) nach dem Abschalten der Pumpe die Auslaßöffnung (14; 140; 340) passiv ver schließt.

10. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (12; 120; 320) die Auslaßöffnung (14; 140; 340) durch das Anlegen einer Spannung mit umgekehr tem Vorzeichen an die Antriebsvorrichtung verschließt.

11. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in oder an der Pumpkammer (18; 180; 380) ein Druck sensor angeordnet ist, mit dem ein Regelkreis aufgebaut ist.

12. Verfahren zum Treiben einer Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
daß während einer Saugphase, in der der Verdränger (12; 120; 320) aus der ersten in die zweite Endstellung be wegt wird, eine im wesentlichen linear ansteigende Span nung an den Antrieb angelegt wird, und
daß zu Beginn einer Druckphase, in der der Verdränger (12; 120; 320) aus der zweiten in die erste Endstellung bewegt wird, die Spannung, die an dem Antrieb anliegt, abrupt ausgeschaltet wird.

13. Verfahren gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zu Beginn der Druckphase nach dem abrupten Ausschal ten der Spannung eine Spannung mit einem umgekehrten Vorzeichen an den Antrieb angelegt wird.

14. Verfahren zum Treiben einer Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdränger (12; 120; 320) durch den Antrieb (20; 200; 210) mit einer Frequenz betrieben wird, die der Re sonanzfrequenz der bewegten Fluidsäule oder der Reso nanzfrequenz des Verdrängers (12; 120; 320) entspricht.