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EP0826109B1 - Rückschlagventillose fluidpumpe - Google Patents

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Info

Publication number
EP0826109B1
EP0826109B1 EP96930157A EP96930157A EP0826109B1 EP 0826109 B1 EP0826109 B1 EP 0826109B1 EP 96930157 A EP96930157 A EP 96930157A EP 96930157 A EP96930157 A EP 96930157A EP 0826109 B1 EP0826109 B1 EP 0826109B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
displacer
pump
opening
end position
pump body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP96930157A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP0826109A2 (de
Inventor
Manfred Stehr
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hahn-Schickard-Gesellschaft fur Angewandte Forsch
Original Assignee
Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19534378A external-priority patent/DE19534378C1/de
Priority claimed from DE19624271A external-priority patent/DE19624271C1/de
Application filed by Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV filed Critical Hann-Schickard-Gesellschaft fuer Angewandte Forschung eV
Publication of EP0826109A2 publication Critical patent/EP0826109A2/de
Application granted granted Critical
Publication of EP0826109B1 publication Critical patent/EP0826109B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/0009—Special features
    • F04B43/0027—Special features without valves
    • 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
    • F04B43/00—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/02—Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having plate-like flexible members, e.g. diaphragms
    • F04B43/04—Pumps having electric drive
    • F04B43/043—Micropumps
    • 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
    • F04B7/00—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving
    • F04B7/04—Piston machines or pumps characterised by having positively-driven valving in which the valving is performed by pistons and cylinders coacting to open and close intake or outlet ports

Definitions

  • the present invention relates to fluid pumps.
  • micropumps Corresponding pumps that are small in size and deliver low pump currents are called micropumps.
  • the displacers of such pumps are typical designed as a membrane, see P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, pages 143-164.
  • the displacers can are driven by different mechanisms.
  • Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing systems Sensors and actuators, A21-A23 (1990) pages 189-192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser / nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159-167, and T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and performance of the dynamic micropump; Proc. MEMS'95; (1995), pages 221-226; Amsterdam, The Netherlands, piezoelectric drive mechanisms are shown. Thermopneumatic mechanisms for driving the displacers are at F.C.M. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J.
  • micropumps can be either passive check valves or special flow nozzles can be used.
  • the direction of funding of micropumps can be done without forced valve control solely by driving at a frequency above the resonance frequency of the valves are reversed.
  • R. Zengerle S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bi-directional Silicone micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Netherlands; Pages 19-24, J. Ulrich, H. Meder, R. Zengerle; Static and dynamic flow simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Sweden, (1995), pages 17-20.
  • the cause of this effect is a phase shift between the movement of the Displacer and the opening state of the valves.
  • a disadvantage of this embodiment is that the execution of the valves a compromise between their mechanical Resonance in the liquid environment, its flow resistance, their fluidic capacity, i.e. the elastic Volume deformation, their size and their mechanical Stability must be found. These parameters that all can have an impact on the pump dynamics not independently adjusted to an optimum become and stand in part of a desired, further Miniaturization of the pump dimensions counter.
  • An exemplary check valve micropump is disclosed in EP 0 568 902 A2. This micropump is operated by the reciprocal movement of a membrane. The volume of a changes due to the movement of the membrane Pump chamber formed by the membrane and a support member is. The outlet and inlet of the micropump are provided with an outlet valve or an inlet valve.
  • WO-A-87/07218 is a piezoelectrically operated Pressure generating device known that an electrically controllable Membrane made of a first piezoelectrically excitable Layer and a firm with this stimulable layer connected support layer.
  • the membrane has one piezoelectrically excitable peripheral area and a piezoelectric excitable central area, the Areas are controlled such that to generate a Membrane deflection the membrane in its peripheral area shortened by transverse contraction and in its central area is extended.
  • WO-A-87/07218 also discloses a fluid pump using three interconnected Membranes of the type described above, one first membrane serves as an inlet valve, a second membrane defines a variable cavity and a third membrane serves as an outlet valve.
  • FR-A-2478220 discloses a pump in which two drive devices are intended to be a flexible membrane, which is provided with a movable plate, in different To move end positions.
  • the membrane is on attached to a support plate, the middle of an inlet opening having. Outlet openings are provided in the membrane.
  • a suitable control can result in a pumping effect are generated from the inlet opening to the outlet openings.
  • the present Invention based on the task of efficient fluid pumps with a simple structure that has no check valves have to create.
  • the fluid pump according to the present invention no check valves, neither passive nor active, required. Furthermore, the fluid pump according to the present Invention for actively blocking the fluid in both directions be used. With the pump according to the present Invention is a reversal of the conveying direction without use an external positive control of valves and without the Using a resonance of passive check valves reachable.
  • achievable pumping capacity can be controlled by the Timing of driving the displacer into the first and in the second end position, i.e. by controlling the clock ratio, be optimized. Furthermore, the achievable Pump power through a cross-sectional adjustment of the first and second opening can be optimized.
  • the present invention is also based on the finding that that it is possible to use a self-priming fluid pump, for example a self-priming micropump create by creating the dead volume in the micropump, i.e. the volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution, is drastically reduced. This makes self-filling with simple control of the pump drive reproducible.
  • a self-priming fluid pump for example a self-priming micropump create by creating the dead volume in the micropump, i.e. the volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution
  • Fig. 1 is a first embodiment of a pump according to of the present invention.
  • the pump has one Pump body 10, which is plate-like, and a displacer 12, which has connections 18, which depend on the material are attached to the pump body is on.
  • a pump chamber 14 is through a recess in the pump body 10 is formed.
  • In the pump body are also two openings, a first opening 15 and a second Opening 16, provided to which the fluid lines of the pumping fluids can be connected.
  • An elastic one Buffer 13 is through in the first embodiment a thinning of the pump body 10 in the form of a membrane, which is deformable depending on the pressure.
  • the displacer 12 can be driven (not shown) by a drive. periodically to and fro between two end positions will.
  • the displacer closes in the first end position 12 the first opening 15, which is in normal operation of the pump represents the inlet.
  • the Displacer 12 In the second end position, the Displacer 12, the first opening 15 open.
  • the second opening 16, which is the outlet in normal operation, is irrelevant the position of the displacer 12 during an entire Pump cycle open.
  • the pump mechanism is that shown in FIG. 1 Pump explained in more detail.
  • the first opening 15 as an inlet opening and the second opening 16 considered as an outlet. 2 are the essential ones Parameters used to explain the pumping mechanism are shown.
  • V buffer A pressure-dependent volume displacement of the elastic buffer
  • dV Pumping chamber dV 0 (p) + dV buffer (p) + dV Displacer
  • the displacer 12 is moved from the first end position, that is to say the end position in which it closes the inlet opening 15, upward by a defined volume dV * within a very short time, dt ⁇ 0.
  • the deformed buffer volume creates a negative pressure in the pump chamber 14, which can be calculated using the characteristic V buffer (p).
  • the inlet opening is now closed.
  • the downward movement of the displacer 12 leads to a corresponding volume deformation of the elastic buffer, ie the membrane 13 in the first exemplary embodiment, out of the pump chamber 14, since the pump chamber content was assumed to be incompressible, and the volume change of the displacer 12 within the short time not due to the fluid flows ⁇ e and ⁇ a can be compensated through the opening 15, 16.
  • the deformed buffer volume now creates an overpressure in the pump chamber, which can also be calculated from the pressure characteristic V buffer (p) of the buffer.
  • the pump efficiency can vary will.
  • the efficiency in the no-load case can be clearly seen be optimized more than 50%.
  • the reason for this is in a significantly lower backflow of fluid from the outlet into the pumping chamber during the suction phase.
  • the Increase in flow resistance on the outlet side according to Equation (6) a corresponding extension of the pumping phase result.
  • Suction and pumping phases of different durations can take place at the Control of the displacer can be taken into account by a clock ratio other than 50% is used, i.e. by the timing of driving the displacer into the first and is controlled in the second end position.
  • a clock ratio other than 50% is used, i.e. by the timing of driving the displacer into the first and is controlled in the second end position.
  • FIG. 3 shows the transient processes in the pump according to Fig. 1 shown in diagram form.
  • the curve "A" shows the course of the displacement movement during a pump cycle in the four sub-steps 1, 2, 3 and 4.
  • step 1 the displacer quickly adapts deflected above and remains in step 2 during this Position.
  • the inlet opening is open.
  • step 3 the displacer is moved down very quickly, closes the entrance opening and remains during the Step 4 in this state.
  • Curve "B” represents the response of the buffer, which according to the embodiment of FIG. 1 consists of the membrane 13.
  • This elastic buffer element in the form of the membrane 13 can deform in accordance with the pressure conditions.
  • step 1 the deformation of the Buffer the volume change of the displacer.
  • step 2 builds up the deformation of the buffer Fluid flows through the inlet or outlet opening again from.
  • step 3 the buffer element deforms downwards and thus compensates for the rapid volume change of the displacer. This deformation builds up during substep 4 due to the fluid flow through the outlet opening.
  • the curve "C" represents the pump chamber pressure. Since the pump chamber pressure depends on the deformation of the buffer its course essentially the course of the volume change through the buffer.
  • Curve “D” illustrates the flow through the inlet opening. From the curve “D” is a rectifier effect recognizable, since the inlet is closed in step 3 and during substep 4, during which in the pressure chamber there is overpressure, remains closed. In order to is a backflow from the pump chamber to the inlet side prevented.
  • Curve "E” shows the flow through the outlet opening. Since the outlet opening in both end positions of the displacer is open, the fluid flows in both step 2 and in step 4 through the outlet opening. The net transportation of Fluid through the inlet and outlet ports results from the integral over one of the two curves "D" or "E". in the normal mode of operation is the net transport from inlet to Outlet directed.
  • 4a to 4e is the pump according to the first embodiment, which is shown in Fig. 1 during the various Partial steps of a pump cycle are shown.
  • FIGS 5, 6 and 7 show fluid pumps.
  • Fig. 5 shows a pump in which a buffer 43 in a pump body 40 is arranged.
  • the pump body 40 has one Base plate 40a and side walls 40b, which together form one Form hollow body by the side walls 40b and Base plate 40a is completed and on one side, in Fig. 5 of the upward side is open.
  • Base plate has a round shape, the side walls are formed, to define a tubular structure.
  • By the base plate extends an inlet opening 45 and Outlet opening 46.
  • a displacer is located in the cavity 42, which closes the same towards the open side and by means of a drive (not shown) in the Direction shown by arrow 19 is piston-like in the cavity is movable.
  • a pump chamber 44 is through a recess of the displacer 42 and the pump body 40 are formed.
  • the elastic Buffer 43 is in the pump body 40, i.e. in the side wall 40b of the base body 40 educated.
  • the side wall 40b is in one Area adjacent to pump chamber 44 is thinned by one to result in membrane-like structure.
  • a pump body 50 is included constructed in the same way as the pump body 40 the pump shown in Fig. 5, except that the elastic Buffer is not formed in the same.
  • the displacer 52 has the shape of an H in cross section, wherein one leg thereof has a protrusion 52a to one To close inlet opening 55 in the pump body 50.
  • a Outlet opening 56 in the pump body 50 is always open.
  • the displacer 52 is formed around the pump body 50 to close to the open side. He can depending on the shape of the pump body 50, seen from above, any round, polygonal, elliptical, etc., Have shape.
  • the shape of the displacer 52 is between the displacer 52 and the pump body 50 in turn a pump chamber 54 Are defined.
  • Pump is the elastic one But don't buffer in that Pump body 50 formed, but in the displacer 52 is the elastic buffer as membrane 53 in the displacer 52 trained.
  • FIG. 7 is yet another fluid pump shown.
  • Fig. 7 are components that are similar to those in Fig. 6, with the the same reference numerals.
  • the pump body is identical to the pump body shown in Fig. 6.
  • An elastic buffer element 63 is arranged in a displacer 62, such that the elastic buffer element 63 is an interface to one formed by the displacer 62 and the pump body 50 Has pump chamber 64. When this pump is operated, it will elastic buffer element 63 compressed and expanded, which in turn changes the previously explained mode of operation results.
  • the function of the elastic buffer element also from an elastic one Medium are taken over in the pump chamber.
  • examples are a gas inclusion in a liquid filled Chamber or a rubber-like material in the pump chamber.
  • the elastic membrane which is called Part of the displacer or the pump body a section of the pump chamber limitation, can be dispensed with.
  • the medium to be pumped is compressible, for example gas
  • the buffer function can be taken over by the same itself, with no other mechanical components to be realized of the buffer are necessary.
  • the stroke of the displacer in steps 1 and 3 explained above is then first through expansion or compression of the elastic medium in the pumping chamber or the medium to be pumped itself, to be compensated.
  • FIG. 8 A representation of the transient processes of the individual components, for example that of the embodiment that is shown in Fig. 1, with a reaction of the pump chamber on the displacer, i.e. without forced control, is in Fig. 8 shown.
  • the displacer is in Step 1 does not fully reach its final end position, but only towards the end of sub-step 2.
  • the displacer must at the end of substep 3 Do not completely close the inlet opening yet, but only with increasing pressure equalization during the substep 4.
  • a very fast control is also required for the pump effect of the displacer within a very short time, dt ⁇ 0, inexpensive, but not absolutely necessary.
  • the position of the displacer in the deactivated mode to design the pump without any additional effort, that by blocking the inlet opening by the displacer fluid flow in both directions excluded is.
  • the displacer positively controlled and its position due to the pressure prevailing in the pump chamber is affected by the blocking of the fluid line in given both directions without additional effort. If there is a reaction between the displacement position and the pump chamber pressure exists, the drive of the displacer can be interpreted in such a way that the active displacer presses on the inlet opening and thus the fluid flow is active prevents.
  • the pumping direction can be one Fluid pump can be reversed according to the present invention. If the displacer is driven with a frequency that above the mechanical resonance of the buffer in that Environment, i.e. in the fluid to be pumped, this results in a phase shift of more than 90 ° between the expansion or compression of the buffer element and the opening condition defined by the displacement position the inlet opening.
  • the buffer in the pumping chamber thus increases Pump medium while the inlet opening is closed, and releases pumping medium when the inlet and outlet openings are open are. This results in an inverse to that described above Pump direction. In this case there is a reversal the pumping direction from the outlet opening to the inlet opening.
  • the advantage over the existing, bidirectional Micropump lies in the fact that (i) passive Valves can be dispensed with entirely, and (ii) the resonance frequency of the buffer differently than with the resonance of a passive Check valve, regardless of other important Variables such as the flow resistance of the valve, the fluidic capacity, the size of the valve and its mechanical stability can be adjusted.
  • the resonance frequencies can range from ⁇ 200 Hertz can be lowered, which means that the effort at electrical and mechanical control of the displacer is significantly reduced.
  • passive Valves resonate in the range between 2000 Hertz and 6000 Hertz. By reducing the resonance frequency the inertial forces acting on the displacer are clear less.
  • the mechanism cannot be limited to microscopic Pumps that deliver small moving masses but can also be realized in a macroscopic design.
  • micropumps can transport both liquids and gases, they are not self-priming throughout, i.e. she are unable to hold a pump chamber filled with gas To be replaced independently by liquid during the pumping process. This makes it difficult to use the pumps in practice quite considerably. The following is the causes of the nonexistent self-priming.
  • Capillary forces play in micropumps with passive check valves a major role. As soon as the liquid level reaches the inlet valve and the movable valve part, the valve flap or the valve membrane, wetted, capillary forces occur which severely restrict movement or which the necessary effort to move the enlarge the elastic valve part considerably. Only when that entire movable valve part completely with liquid is washed around, these forces cancel each other out and the pump is in its normal pump mode.
  • the actuator directly in the pump according to the invention be used to overcome the capillary forces.
  • the direct power transmission of the drive to that of one Liquid wetted parts are subject to much higher forces Overcoming capillary forces available.
  • the Work displacer despite wetting.
  • Fig. 9 is a second embodiment of a pump according to the present invention.
  • the displacer 82 is part of a second pump body 90.
  • the second pump body 90 is structured, i.e. it exhibits thickening and thinning 89 to create an elastic suspension for the displacer 82 to deliver.
  • the second pump body 90 is via connections 88 attached to a pump body 80.
  • the pumping chamber 84 is as a capillary gap between the pump body 80, the displacer 82 and the second pump body 90 educated.
  • the pump body 80 has an inlet opening 85 which is closed by the displacer 82 when it is in the first end position.
  • the displacer 82 can in turn be moved in the direction of arrow 19.
  • the buffer is in this embodiment again designed as a membrane, which is in the pump body 80.
  • the buffer could through the dilutions 89, which are called elastic suspensions serve for the displacer 82, be realized, the Buffer in the pump body 80 would then be eliminated. In this Case it would be advantageous if the dilutions 89 opposite 9 would be enlarged.
  • the pump chamber 84 fills itself as soon as a fluid meniscus abuts this gap.
  • Such a reduction in Pump chamber height is in conventional micropumps with check valves excluded, as this causes the movement of the Valves is restricted.
  • For micropumps with flow nozzles provides the pump chamber with a drastic reduction the pump chamber height an additional flow resistance This internal flow resistance of the pump chamber dominates about the flow resistance of the nozzles, so that the Pump effect breaks down based on the preferred direction of the nozzles.
  • the second opening, the outlet opening during normal operation of the pump always corresponds to open.
  • 10a to 10e is a third embodiment a pump according to the present invention during the different sub-steps of a pump cycle are shown.
  • the buffer is in the displacer formed such that the displacer and the Buffer formed as different areas of a membrane which spans the pump body to the pump chamber define.
  • the pump body is similar to that of the first Embodiment formed, with the exception that the Buffer is not formed in the same.
  • the pump according to the invention enables a further simplified Making the same.
  • the present invention thus provides a pump based on is based on a new mechanism, completely without check valves gets along and a reversal of the pump direction without external valve reversal. Consequently the pump according to the present invention has one essential simpler construction. Furthermore, the displacer simultaneously used to flow over a fluid the pump is passive in both directions after it is switched off or actively shut off.
  • the present invention also provides a pump that Provides advantages when switching the pump direction.
  • the resonance of the mechanical Component which in the conventional case the valve and in the present invention the buffer element is independent the flow resistance of a valve whose Size, its fluidic capacity and its mechanical Stability can be set. This makes it possible on the one hand to further miniaturize the components and on the other hand to lower the resonance frequencies on average. In conventional micropumps, these stand up opposite effects.
  • the inventive one Pump that works without check valves, one increased efficiency per pump cycle of more than 50% on.
  • the pump can only be structured from a single one Component in which the displacer is implemented, and one Base plate with two openings. These simple ones Structures allow the entire system to be assembled without any problems.
  • a basic structure made of Pyrex allows the anodic Bonding the structured silicon component to the Pyrex base body, which serves as a pump body.
  • the openings in the basic structure can be as simple holes or any be shaped. This reduces the effort compared to the production of flow nozzles considerably. Further the basic design of the micropump can be round or any have any shape.
  • the materials for the micropump come as well almost all other materials are considered, for example metals, Plastics, glasses, ceramics. It is a simple one Production in plastic injection molding technology also possible such as production using metal pressure casting technology or the LIGA process.
  • the drive of the micropump i.e. of the displacer, can by all known actuator processes take place, for example piezoelectric, pneumatic, thermopneumatic, thermomechanical, electrostatic, magnetic, magnetostrictive or hydraulic.
  • the field of application of the pump according to the invention covers the whole Area of microfluidics and fluidics as the medium both conveyed bidirectionally and blocked in a defined manner can be.
  • the minimal size enables the Development of minimal mixing and dosing systems in the medical, Chemical and analysis technology.
  • B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij; A silicon integrated miniature chemical analysis system; Sensors and Actuators, B, 6 (1992), pages 57-60, are for such Application uses two pumps, whereas one uses only a pump according to the invention would do.
  • the pump principle is suitable for a wide range of sizes, so that in many cases the injection molding technology as inexpensive Manufacturing technology can be used.
  • Fig. 11 shows a fourth embodiment of a self-priming Fluid pump according to the present invention.
  • the Fluid pump has a pump body 110, on which by means a connecting device 112 a displacer 114 in the Form of a membrane 114 is attached.
  • the membrane 114 can on the sections where the displacer on the pump body 110 is attached, be thickened.
  • the membrane 114 is by means of a drive device 116, which is a piezoelectric, a pneumatic, a thermopneumatic, a thermomechanical, electrostatic, magnetic, a magnetostrictive or a hydraulic drive arrangement can be from the position shown in Fig. 11 and is referred to below as the first end position, movable into a second end position.
  • openings 118 and in the pump body 110 120 are two openings 118 and in the pump body 110 120 arranged, for example, with an inlet or Outlet fluid line (not shown) may be connected.
  • the opening is 118 the inlet opening, while opening 120 the outlet opening represents.
  • the membrane 114 is preferably directly over the Inlet opening 118 connected to drive device 116, to the operation of the pump, referring to below 14 will be explained.
  • To attach the Drive device the membrane 114 in place of the same, at which it is connected to the drive device 116 is thickened.
  • the self-priming, self-filling shown in Fig. 11 Micropump differs from known micropumps in that they alternate the first in pump mode Opening 118 opens while second opening 120 closes remains to then open the second opening 120 while the first opening is closed. In the case of Fig. 11 pump is always only one at any time Opening, 118 or 120, opened while the other opening closed is. Both openings 118 are at rest and 120 closed, whereby the pumping medium is shut off in a defined manner becomes.
  • the fluid pump has again a pump body 110, on which by means of a Connection device 112 a membrane 124 is attached. In this embodiment, however, is between the membrane and a capillary gap 126 is formed in the pump body.
  • a drive device on the membrane 116 attached.
  • Structures can be formed on the side of the membrane 124 be the optimal buffer volume adjustment and emptying enable. Structuring, which can be designed, for example, as flow channels, on the top of the pump body, i.e. the top that faces the membrane 124, or the underside of the membrane used for optimal filling or emptying of the pump will.
  • openings 118 and 120 made in the pump body 110 are arranged, further surveys, the same surrounded, have.
  • the membrane 124 would have to have no thickenings facing the pump body 110, to allow openings 118 and 120 to be closed.
  • FIG. 13 is a sixth embodiment of a fluid pump according to the present invention.
  • the pump shown in Fig. 13 is between the pump body 110 and a membrane 136 forming a displacer is a capillary Gap formed.
  • a membrane 136 forming a displacer is a capillary Gap formed.
  • This asymmetrical structure of the invention Pump is a self-priming or self-filling Operation of the micropump according to the present invention possible.
  • FIG. 12 illustrated embodiment of the present invention undergoes a similar pump cycle during operation.
  • the displacer i.e. the membrane 114
  • the inlet opening, opening 118 being opened, while the outlet opening, the opening 120, is closed remains.
  • the position shown in Fig. 14b can be second End position of the displacer can be considered.
  • Fig. 14c it is shown how by the upward movement the displacer a medium to be pumped through the inlet opening, i.e. the opening 118 into which by the upward movement of the displacer pump chamber is drawn. Subsequently, as shown in Fig. 14d, the displacer suddenly, selectively moved down and closed hence the inlet opening. Due to the displacement deformation, i.e. the deformation of membrane 114 becomes a buffer volume formed between the diaphragm and the pump body, which is the absorbed Fluid volume corresponds to what causes the Exhaust opening is released.
  • volume of the medium received through an opening corresponds to the volume dispensed through the second opening of the medium.
  • Backflow or dead volume i.e. that volume that is only moved back and forth and does not provide a pump contribution, go with this arrangement in contrast to known micropumps towards zero.
  • Micropump with simple control of the drive device self-filling in connection with membrane deformation and the sequential opening of the openings reproducible.
  • FIG. 15a to 15e is a pump cycle of that in FIG. 13 shown sixth embodiment of a pump according to of the present invention.
  • the membrane 136 is initially based on a Rest position moved downwards by means of the drive device 116, such that the opening 118 is closed.
  • opening 118 be that Inlet opening referred to as opening 120 as the Exhaust opening is called.
  • the one shown in Fig. 15a The position of the membrane 136 can be referred to as the first end position will.
  • the membrane 136 becomes subsequently moved jerkily upwards. In this case it is not only one opening is closed while the other is open is. As shown in Figs. 15b and 15c here both openings briefly opened, however a different dimension of the medium through the openings flows because the opening height, i.e. the distance of the membrane above the openings, and thus the flow resistance. Thus flows in through the inlet opening 118 greater fluid flow than through outlet opening 120. This is shown in Fig. 15c by the different strengths Arrows appear.
  • the membrane is subsequently moved jerkily downward, closing the opening 118 becomes. Again is between the membrane and the Pump body formed a pump volume that, as in Fig. 15e is shown, then by reshaping the displacer is emptied through the opening 120.
  • the micropump according to FIGS. 11 and 12 can be operated with a fill the constant drive frequency yourself. After that too pumping medium has filled the pump chamber or the pump chamber and emerges at the outlet opening, the drive frequency the drive device that drives the displacer, in the case of pumping a liquid medium by a factor 10 can be reduced because air is no longer displaced must, but only the liquid medium.
  • the pump mechanism is displacement and the arrangement of the openings.
  • the one to be pumped Medium is received through opening 118 and to the opening 120 "shifted" or via a “roll displacement" transported.
  • the pump body and displacement devices according to the present Invention can preferably consist of silicon. In addition, they can also be used in plastic injection molding be made. As drive devices can all drives known in the art can be used. The transient waveforms characteristic of the micropump for the stroke, the pump chamber pressure, the displacement volume change and the flow can be derived easily will.
  • a capillary Gap between the displacer membrane and the pump body plate also through a recess in the pump body plate be educated.
  • the present invention enables according to the second and third aspect of the same, the production for the first time non-return valve, self-priming, i.e. self-filling, Micropumps.
  • the field of application of the invention Pumping covers the entire field of microfluidics and Fluidics, since the medium to be pumped is both bidirectional can be promoted as well as blocked. Further are the pumps according to the invention with minimal effort and can be manufactured with minimal sizes. Through this Small sizes, the present invention enables Development of minimal mixing and dosing systems in the medical, Chemical and analytical technology, the ones used Pumps have good efficiency.

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Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Fluidpumpen.
Es ist bekannt, zum Transport von Flüssigkeiten und Gasen Verdrängerpumpen zu verwenden, die aus einem periodischen Verdränger, einem Kolben oder einer Membran, und zwei passiven Rückschlagventilen bestehen. Durch die periodische Bewegung des Kolbens oder der Membran wird Flüssigkeit durch das Einlaßventil in eine Pumpkammer angesaugt, bzw. durch das Auslaßventil aus der Pumpkammer verdrängt. Die Transportrichtung ist dabei durch die Anordnung der Ventile vorgegeben. Soll bei einer derartigen Anordnung die Pumprichtung umgekehrt werden, ist bei solchen bekannten Pumpen eine mit einem hohen Aufwand verbundene, externe Umsteuerung der Ventile notwendig. 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 Mikropumpen. 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 Piezoelectric 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 Actuators, 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 Netherlands, sind piezoelektrische Antriebsmechanismen gezeigt. Thermopneumatische Mechanismen zum Antreiben der Verdränger 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 thermoplastic molding; Proc. MEMS'94; (1994), Seiten 18 - 21, gezeigt. Ein elektrostatischer Mechanismus ist bei R. Zengerle, W. Geiger, M. Richter, J. Ulrich, S. Kluge, A. Richter; Application of Micro Diaphragm Pumps in Microfluid Systems; Proc. Actuator '94; 15. - 17.6.1994; Bremen, Germany; Seiten 25 - 29, gezeigt. Ferner können die Verdränger thermomechanisch 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 Förderrichtung von Mikropumpen kann ohne eine Zwangssteuerung der Ventile allein durch eine Ansteuerung mit einer Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz der Ventile umgekehrt werden. Dazu seien R. Zengerle, S. Kluge, M. Richter, A. Richter; A. Bi-directional Silicon Micropump; Proc. MEMS '95; Amsterdam, Niederlande; Seiten 19-24, J. Ulrich, H. Füller, R. Zengerle; Static and dynamic flow simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Stockholm, Sweden, (1995), Seiten 17 - 20, betrachtet. Die Ursache dieses Effekts ist eine Phasenverschiebung zwischen der Bewegung des Verdrängers und dem Öffnungszustand der Ventile. Ist die Phasendifferenz größer als 90°, so ist der Öffnungszustand der Ventile antizyklisch zu deren Zustand im normalen Vorwärtsmodus und die Pumprichtung ist umgedreht. Eine externe Umsteuerung der Ventile, wie sie bei makroskopischen Pumpen notwendig ist, entfällt. Die entscheidende Phasendifferenz zwischen dem Verdränger und den Ventilen hängt dabei einerseits von der Antriebsfrequenz der Pumpe und andererseits von der Resonanzfrequenz des beweglichen Ventilteils in der Flüssigkeitsumgebung ab.
Ein Nachteil dieser Ausführungsform besteht darin, daß bei der Ausführung der Ventile ein Kompromiß zwischen deren mechanischer Resonanz in der Flüssigkeitsumgebung, deren Strömungswiderstand, deren fluidischer Kapazität, d.h. der elastischen Volumenverformung, deren Baugröße und deren mechanischer Stabilität gefunden werden muß. Diese Parameter, die alle jeweils Auswirkungen auf die Pumpdynamik haben, können also nicht unabhängig voneinander auf ein Optimum eingestellt werden und stehen zum Teil einer erwünschten, weiteren Miniaturisierung der Pumpabmessungen entgegen.
Generell nachteilig bei der Verwendung von Pumpen mit passiven 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, besitzen den Nachteil, daß sie einen sehr geringen maximalen Pumpwirkungsgrad im Bereich von den 10 - 20% aufweisen.
Eine beispielhafte, mit Rückschlagventilen versehene Mikropumpe ist in der EP 0 568 902 A2 offenbart. Diese Mikropumpe wird durch die Reziprokbewegung einer Membran betrieben. Durch die Bewegung der Membran ändert sich das Volumen einer Pumpkammer, die durch die Membran und ein Trägerbauglied gebildet ist. Der Auslaß und der Einlaß der Mikropumpe sind mit einem Auslaßventil bzw. einem Einlaßventil versehen.
In der WO-A-87/07218 ist eine piezoelektrisch betriebene Druckerzeugungsvorrichtung bekannt, die eine elektrisch ansteuerbare Membran aus einer ersten piezoelektrisch anregbaren Schicht und einer fest mit dieser anregbaren Schicht verbundenen Stützschicht aufweist. Die Membran weist einen piezoelektrisch anregbaren peripheren Bereich und einen piezoelektrisch anregbaren zentralen Bereich auf, wobei die Bereiche derart angesteuert werden, daß zum Erzeugen einer Membranauslenkung die Membran in ihrem peripheren Bereich durch Querkontraktion verkürzt und in ihrem zentralen Bereich verlängert wird. Die WO-A-87/07218 offenbart ferner eine Fluidpumpe unter Verwendung von drei miteinander verbundenen Membranen der oben beschriebenen Art, wobei eine erste Membran als Einlaßventil dient, eine zweite Membran einen veränderlichen Hohlraum festlegt und eine dritte Membran als Auslaßventil dient.
Die FR-A-2478220 offenbart eine Pumpe, bei der zwei Antriebsvorrichtungen vorgesehen sind, um eine biegsame Membran, die mit einer beweglichen Platte versehen ist, in unterschiedliche Endstellungen zu bewegen. Die Membran ist auf einer Trägerplatte angebracht, die mittig eine Einlaßöffnung aufweist. In der Membran sind Auslaßöffnungen vorgesehen. Durch eine geeignete Ansteuerung kann dabei eine Pumpwirkung von der Einlaßöffnung zu den Auslaßöffnungen erzeugt werden.
Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, effiziente Fluidpumpen mit einem einfachen Aufbau, die keine Rückschlagventile aufweisen, zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch rückschlagventillose Fluidpumpen gemäß den Patentansprüchen 1, 14 und 20 gelöst.
Bei der Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung sind keine Rückschlagventile, weder passive noch aktive, erforderlich. Ferner kann die Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zum aktiven Sperren des Fluids in beiden Richtungen verwendet werden. Bei der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Umkehr der Förderrichtung ohne Verwendung einer externen Zwangssteuerung von Ventilen und ohne die Verwendung einer Resonanz von passiven Rückschlagventilen erreichbar. Die mit der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung erreichbare Pumpleistung kann durch die Steuerung des Zeitablaufs des Treibens des Verdrängers in die erste und in die zweite Endposition, also durch das Steuern des Taktverhältnisses, optimiert werden. Ferner kann die erreichbare Pumpleistung über eine Querschnittanpassung von erster und zweiter Öffnung optimiert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zugrunde, daß es möglich ist, eine selbstansaugende Fluidpumpe, beispielsweise eine selbstansaugende Mikropumpe, zu schaffen, indem das in der Mikropumpe entstehende Totvolumen, d.h. jenes Volumen, welches nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, drastisch reduziert wird. Dadurch wird eine Selbstbefüllung bei einer einfachen Ansteuerung des Pumpenantriebs reproduzierbar.
Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente in unterschiedlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Es zeigen:
Fig. 1
eine schematische Querschnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
Fig. 2
eine Darstellung der wesentlichen Pumpparameter der Pumpe, die in Fig. 1 gezeigt ist;
Fig. 3
eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Komponenten der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Pumpe;
Fig. 4a bis 4e
graphische Darstellungen der Pumpe von Fig. 1 während eines Pumpzyklusses;
Fig. 5
eine Schnittansicht einer Fluidpumpe;
Fig. 6
eine Querschnittansicht einer weiteren Fluidpumpe;
Fig. 7
eine Schnittansicht noch einer weiteren Fluidpumpe;
Fig. 8
eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Komponenten bei einer Rückwirkung der Pumpkammer auf den Verdränger;
Fig. 9
ein zweites Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 10a bis 10e
graphische Darstellungen einer Pumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung während eines Pumpzyklusses.
Fig. 11
eine Querschnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12
eine Querschnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13
eine Querschnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 14a bis 14e
grafische Darstellungen der Pumpe von Fig. 11 während eines Pumpzyklusses; und
Fig. 15a bis 15e
grafische Darstellungen der Pumpe von Fig. 13 während eines Pumpzyklusses.
In Fig. 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Pumpe weist einen Pumpenkörper 10, der plattenartig ausgebildet ist, und einen Verdränger 12, der über Verbindungen 18, die materialabhängig ausgeführt sind, auf dem Pumpenkörper befestigt ist, auf. Eine Pumpkammer 14 ist durch eine Ausnehmung in dem Pumpenkörper 10 gebildet. In dem Pumpenkörper sind ferner zwei Öffnungen, eine erste Öffnung 15 und eine zweite Öffnung 16, vorgesehen, an welche die Fluidleitungen des zu pumpenden Fluids angeschlossen werden können. Ein elastischer Puffer 13 ist bei dem ersten Ausführungsbeispiel durch eine Verdünnung des Pumpenkörpers 10 als eine Membran ausgebildet, die druckabhängig verformbar ist.
Der Verdränger 12 kann durch einen Antrieb (nicht gezeigt) periodisch zwischen zwei Endstellungen hin- und herbewegt werden. In der ersten Endstellung verschließt der Verdränger 12 die erste Öffnung 15, die im normalen Betrieb der Pumpe den Einlaß darstellt. In der zweiten Endposition läßt der Verdränger 12 die erste Öffnung 15 offen. Die zweite Öffnung 16, die im normalen Betrieb den Auslaß darstellt, ist ungeachtet der Stellung des Verdrängers 12 während eines gesamten Pumpzyklus geöffnet.
Nachfolgend wird der Pumpmechanismus der in Fig. 1 dargestellten Pumpe näher erläutert. Für diese Erläuterung wird die erste Öffnung 15 als Einlaßöffnung und die zweite Öffnung 16 als Auslaßöffnung betrachtet. In Fig. 2 sind die wesentlichen Parameter, die zur Erklärung des Pumpmechanismus nötig sind, dargestellt.
Es sei angenommen, daß auf der Einlaßseite der hydrostatische Druck pl herrscht, auf der Auslaßseite der hydrostatische Druck p2 und in der Pumpkammer der Druck p. Die Durchströmung der beiden Öffnungen sei mit e für die Einlaßöffnung 15 und mit a für die Auslaßöffnung 16 bezeichnet. Der Verdränger, bei dem gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel die Ruhelage der ersten Endstellung, bei der die Einlaßöffnung verschlossen ist, entspricht, wird durch die Betätigung des Antriebs in seine zweite Endstellung bewegt, wodurch eine Änderung des Volumens der Pumpkammer um eine definierte Volumenmenge dV* stattfindet. Eine druckabhängige Volumenverdrängung des elastischen Puffers wird mit VPuffer bezeichnet. Sie wird positiv gewertet, wenn sich die Membran 13 aus der Pumpkammer 14 herauswölbt, und negativ, wenn sich dieselbe in die Pumpkammer 14 hineinverformt.
Das Volumen der Pumpkammer setzt sich aus einem Grundvolumen V0 der Pumpkammer 14, der Auslenkung des Verdrängers 12 VVerdränger und der Volumenverformung des Puffervolumens VPuffer gemäß folgender Gleichung zusammen: VPumpkammer = V0 + VPuffer(p) + VVerdränger
Eine Änderung des Pumpkammervolumens dVPumpkammer setzt sich dementsprechend wie folgt zusammen: dVPumpkammer = dV0(p) + dVPuffer(p) + dVVerdränger
Die Kontinuitätsgleichung für das Volumen der Pumpkammer lautet: dVPumpkammer/dt = e(p1-p) - a(p-p2)
Ein gesamter Pumpzyklus läßt sich in vier Teilschritte zerlegen, wobei sich die zeitlichen Abläufe unter einigen vereinfachenden Annahmen auf der Basis von Gleichung (2) und Gleichung (3) berechnen lassen. Im folgenden wird das zeitliche Verhalten der einzelnen Pumpkomponenten in den vier Teilschritten, sowie der sich daraus ergebende Pumpeffekt erläutert. Dabei wird zunächst von einer Pumpkammer ausgegangen, die vollständig mit einem inkompressiblen Medium gefüllt ist, beispielsweise einer Flüssigkeit mit dV0/dp ≈ 0. Es gilt: dV0(p) = [dV0(p)/dp] dp = 0
Teilschritt 1:
Der Verdränger 12 wird von der ersten Endposition, also derjenigen Endposition, in der er die Einlaßöffnung 15 verschließt, innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ≈ 0, um ein definiertes Volumen dV* nach oben bewegt. Dies führt zu einer entsprechenden Volumenverformung des elastischen Puffervolumens, d.h. der Membran 13, in die Pumpkammer hinein, da der Pumpkammerinhalt als inkompressibel angenommen wurde, und da innerhalb der kurzen Zeit dt ≈ 0 die Volumenveränderung des Verdrängers 12 nicht durch die Fluidströmungen e und a kompensiert werden können. Wenn dt ≈ 0 angenommen wird, folgt aus der Gleichung (3) dVPumpkammer ≈ 0 und daraus mit den Gleichung (2) und (4) dVPuffer = -dVVerdränger = -dV*. Das verformte Puffervolumen erzeugt in der Pumpkammer 14 einen Unterdruck, der sich über die Charakteristik VPuffer(p) berechnen läßt.
Teilschritt 2 (Saugphase):
Durch den in der Pumpkammer erzeugten Unterdruck treten nun Fluidströmungen durch die Einlaß- und die Auslaßöffnung auf. Entsprechend der in die Pumpkammer geströmten Fluidmenge entspannt sich das Puffervolumen, wobei sich der von demselben erzeugte Unterdruck abbaut. Der zeitliche Verlauf des Pumpkammerdrucks in dieser Pumpphase ergibt sich aus den Gleichungen (2) und (3) zu: dp/dt = [e(p1-p) - a(p-p2)] / [dVPuffer/dp]
Sind die Strömungswiderstände der Einlaß- und Auslaßöffnung gleich groß und entsprechen die hydrostatischen Drücke p1 und p2 dem Umgebungsdruck, so fließen durch die Einlaß- bzw. Auslaßöffnung jeweils gleich große Fluidmengen in die Pumpkammer 14.
Teilschritt 3:
Nun wird der Verdränger aus der zweiten Endposition, d.h. derjenigen Endposition, in der die Einlaßöffnung offen war, innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ≈ 0, um ein definiertes Volumen dVVerdränger = -dV* nach unten bewegt. Die Einlaßöffnung ist nun verschlossen. Die Abwärtsbewegung des Verdrängers 12 führt zu einer entsprechenden Volumenverformung des elastischen Puffers, d.h. der Membran 13 im ersten Ausführungsbeispiel, aus der Pumpkammer 14 heraus, da der Pumpkammerinhalt als inkompressibel angenommen wurde, und die Volumenänderung des Verdrängers 12 innerhalb der kurzen Zeit nicht durch die Fluidströmungen e und a durch die Öffnung 15, 16 ausgeglichen werden kann. Erfolgt der zeitliche Ablauf innerhalb dt ≈ 0, dann folgt aus der Gleichung (3) dVPumpkammer ≈ 0 und daraus mit den Gleichungen (2) und (4) : dVPuffer = -dVVerdränger = +dV*. Das verformte Puffervolumen erzeugt nun in der Pumpkammer einen Überdruck, der sich ebenfalls aus der Druckcharakteristik VPuffer(p) des Puffers berechnen läßt.
Teilschritt 4 (Pumpphase):
Nach dem Teilschritt 3 ist die Einlaßöffnung 15 durch den Verdränger 12 verschlossen. Somit kann die Fluidströmung, die aufgrund des Überdrucks in der Pumpkammer 14 auftritt, die Pumpkammer ausschließlich durch die Auslaßöffnung 16 verlassen. Entsprechend der aus der Pumpkammer geströmten Fluidmenge entspannt sich das Puffervolumen, wobei sich der von dem Puffervolumen erzeugte Überdruck abbaut. Der zeitliche Verlauf des Pumpkammerdrucks in dieser Phase ergibt sich wiederum aus den Gleichungen (2) und (3) zu: dp/dt = [-a(p-p2)] / [dVPuffer/dp]
Wie aus der obigen Erläuterung offensichtlich ist, wird während des Teilschritts 2 die Fluidmenge dV* durch die Einlaß- und Auslaßöffnung 15, 16 angesaugt, wohingegen sie während des Teilschritts 4 allein durch die Auslaßöffnung 16 verdrängt wird. Sind die Strömungswiderstände von Einlaß- und Auslaßöffnung gleich groß und arbeitet die Pumpe ohne Last, d.h. p2 = p1 = 0, so wird in der Nettobilanz über einen gesamten Zyklus 50% des Verdrängervolumens dV* vom Einlaß 15 in den Auslaß 16 transportiert.
Aus einem Vergleich der Gleichungen (5) und (6) ist dabei ersichtlich, daß der Teilschritt 2, die Saugphase, schneller abläuft, als der Teilschritt 4, die Pumpphase. Die Ursache dafür liegt darin, daß der Unterdruck in der Saugphase durch einen Fluidstrom durch beide Öffnungen ausgeglichen wird. Der Überdruck in der Pumpphase muß dagegen durch eine Fluidströmung durch nur eine Öffnung, die Auslaßöffnung 16, ausgeglichen werden.
Durch eine Variation der Strömungswiderstände von Einlaß- und Auslaßöffnung, d.h. eine Änderung der Öffnungsquerschnitte der beiden Öffnungen, kann der Pumpwirkungsgrad variiert werden. Insbesondere durch eine Erhöhung des Strömungswiderstandes auf der Auslaßseite bezüglich zur Einlaßseite kann der Wirkungsgrad im lastfreien Fall auf deutlich mehr als 50% optimiert werden. Der Grund dafür liegt in einer deutlich geringeren Rückströmung von Fluid vom Auslaß in die Pumpkammer während der Saugphase. Allerdings hat die Erhöhung des Strömungswiderstandes auf der Auslaßseite gemäß Gleichung (6) eine entsprechende Verlängerung der Pumpphase zur Folge.
Saug- und Pumpphasen unterschiedlicher Dauer können bei der Ansteuerung des Verdrängers berücksichtigt werden, indem ein von 50% verschiedenes Taktverhältnis verwendet wird, d.h. indem der Zeitablauf des Treibens des Verdrängers in die erste und in die zweite Endposition gesteuert wird. In dem Fall, des erhöhten Strömungswiderstandes auf der Auslaßseite bedeutet dies, daß die Saugphase durch die Ansteuerung des Verdrängers verkürzt wird, während die Pumpphase verlängert wird.
In Fig. 3 sind die transienten Vorgänge in der Pumpe gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargestellt.
Die Kurve "A" zeigt den Verlauf der Verdrängerbewegung während eines Pumpzyklusses in den vier Teilschritten 1, 2, 3 und 4. Im Schritt 1 wird der Verdränger sehr schnell nach oben ausgelenkt und verharrt während des Schritts 2 in dieser Stellung. Dabei ist die Einlaßöffnung offen. Im Schritt 3 wird der Verdränger sehr schnell nach unten bewegt, verschließt die Eingangsöffnung und verharrt während des Schritts 4 in diesem Zustand.
Die Kurve "B" stellt die Reaktion des Puffers dar, der gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 aus der Membran 13 besteht. Dieses elastische Pufferelement in der Form der Membran 13 kann sich entsprechend der Druckverhältnisse verformen. Während des Schritts 1 kompensiert die Verformung des Puffers die Volumenänderung des Verdrängers. Während des Schritts 2 baut sich die Verformung des Puffers durch die Fluidströmungen durch die Einlaß- bzw. Auslaßöffnung wieder ab. Im Schritt 3 verformt sich das Pufferelement nach unten und kompensiert so die schnelle Volumenänderung des Verdrängers. Während des Teilschritts 4 baut sich diese Verformung durch die Fluidströmung durch die Auslaßöffnung wieder ab.
Die Kurve "C" stellt den Pumpkammerdruck dar. Da der Pumpkammerdruck von der Verformung des Puffers abhängt, entspricht sein Verlauf im wesentlichen dem Verlauf der Volumenänderung durch den Puffer.
Die Kurve "D" veranschaulicht den Durchfluß durch die Einlaßöffnung. Aus der Kurve "D" ist ein Gleichrichterwirkung zu erkennen, da der Einlaß im Schritt 3 verschlossen wird und während des Teilschritts 4, während dem in der Druckkammer ein Überdruck herrscht, verschlossen bleibt. Damit ist eine Rückströmung von der Pumpkammer in die Einlaßseite verhindert.
Die Kurve "E" zeigt den Durchfluß durch die Auslaßöffnung. Da die Auslaßöffnung in beiden Endstellungen des Verdrängers geöffnet ist, strömt das Fluid sowohl im Schritt 2 als auch im Schritt 4 durch die Auslaßöffnung. Der Nettotransport von Fluid durch die Einlaß- und Auslaßöffnung ergibt sich aus dem Integral Über eine der beiden Kurven "D" oder "E". Im normalen Betriebsmodus ist der Nettotransport vom Einlaß zum Auslaß gerichtet.
In den Fig. 4a bis 4e ist die Pumpe gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, während der verschiedenen Teilschritte eines Pumpzyklusses dargestellt.
Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen Fluidpumpen.
Fig. 5 zeigt eine Pumpe, bei der ein Puffer 43 in einem Pumpenkörper 40 angeordnet ist. Der Pumpenkörper 40 weist eine Grundplatte 40a und Seitenwände 40b auf, die zusammen einen Hohlkörper bilden, der durch die Seitenwände 40b und die Grundplatte 40a abgeschlossen ist und auf einer Seite, in Fig. 5 der nach oben gerichteten Seite, offen ist. Weist die Grundplatte eine runde Form auf, sind die Seitenwände ausgebildet, um eine rohrförmige Struktur zu definieren. Durch die Grundplatte erstreckt sich eine Einlaßöffnung 45 und eine Auslaßöffnung 46. In dem Hohlraum befindet sich ein Verdränger 42, der denselben zu der offenen Seite hin abschließt und mittels eines Antriebs (nicht gezeigt) in der Richtung, die durch den Pfeil 19 gezeigt ist, kolbenartig in dem Hohlraum bewegbar ist.
Eine Pumpkammer 44 wird durch eine Aussparung des Verdrängers 42 sowie den Pumpenkörper 40 gebildet. Der elastische Puffer 43 ist in dem Pumpenkörper 40, d.h. in der Seitenwand 40b des Grundkörpers 40 ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Seitenwand 40b in einem Bereich, der an die Pumpkammer 44 angrenzt, verdünnt, um eine membranartige Struktur zu ergeben.
Fig. 6 zeigt eine weitere Fluidpumpe. Ein Pumpenkörper 50 ist dabei in gleicher Weise aufgebaut wie der Pumpenkörper 40 der in Fig. 5 gezeigten Pumpe, mit der Ausnahme, daß der elastische Puffer nicht in demselben gebildet ist. In dem Pumpenkörper 50 ist wiederum ein Verdränger 52 angeordnet und in der Richtung des Pfeils 19 kolbenartig bewegbar. Der Verdränger 52 besitzt im Querschnitt die Form eines H, wobei ein Bein desselben einen Vorsprung 52a aufweist, um eine Einlaßöffnung 55 in dem Pumpenkörper 50 zu verschließen. Eine Auslaßöffnung 56 in dem Pumpenkörper 50 ist stets geöffnet. Der Verdränger 52 ist ausgebildet, um den Pumpenkörper 50 zu der offenen Seite hin zu verschließen. Dabei kann er abhängig von der Form des Pumpenkörpers 50, von oben gesehen, eine beliebige runde, mehreckige, elliptische, usw., Form aufweisen.
Durch die Form des Verdrängers 52 wird zwischen dem Verdränger 52 und dem Pumpenkörper 50 wiederum eine Pumpkammer 54 definiert. Im Gegensatz zu der bezugnehmend auf Fig. 5 beschriebenen, Pumpe ist der elastische Puffer jedoch nicht in dem Pumpenkörper 50 gebildet, sondern in dem Verdränger 52. Dabei ist der elastische Puffer als Membran 53 in dem Verdränger 52 ausgebildet.
In Fig. 7 ist noch eine weitere Fluidpumpe dargestellt. In Fig. 7 sind Bauteile, die solchen in Fig. 6 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Pumpenkörper ist identisch dem Pumpenkörper, der in Fig. 6 gezeigt ist. Ein elastisches Pufferelement 63 ist in einem Verdränger 62 angeordnet, derart, daß das elastische Pufferelement 63 eine Grenzfläche zu einer von dem Verdränger 62 und dem Pumpenkörper 50 gebildeten Pumpkammer 64 aufweist. Beim Betrieb dieser Pumpe wird das elastische Pufferelement 63 zusammengedrückt und ausgedehnt, wodurch sich wiederum die vorher erläuterte Funktionsweise ergibt.
Neben den dargestellten elastischen Puffern kann die Funktion des elastischen Pufferelements auch von einem elastischen Medium in der Pumpkammer übernommen werden. Beispiele sind ein Gaseinschluß in einer mit Flüssigkeit gefüllten Kammer oder auch ein gummiartiges Material in der Pumpkammer. In diesem Fall kann auf die elastische Membran, die als Teil des Verdrängers oder des Pumpenkörpers einen Abschnitt der Pumpkammerbegrenzung liefert, verzichtet werden. Sofern das zu pumpende Medium kompressibel ist, beispielsweise Gas, kann die Pufferfunktion von demselben selbst übernommen werden, wobei keine weiteren mechanischen Bauteile zur Realisierung des Puffers notwendig sind. Der Hub des Verdrängers in den oben erläuterten Schritten 1 und 3 wird dann zunächst durch eine Expansion bzw. Kompression des elastischen Mediums in der Pumpkammer oder des zu pumpenden Mediums selbst, kompensiert werden. In den Schritten 2 bzw. 4 relaxiert die Volumenverformung des Mediums in Folge von Fluidströmungen durch die Öffnungen, wie oben bezugnehmend auf des erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Eine reine Gaspumpe kann also lediglich mit einem Verdränger und zwei Öffnungen realisiert werden, wobei der Verdränger jeweils periodisch eine der beiden Öffnungen verschließt.
Bei der obigen Beschreibung des Pumpmechanismus wurde von einem zwangsgesteuerten Volumen-Verdränger ausgegangen, bei dem keine Rückwirkung zwischen der Verdrängerstellung und dem Pumpkammerdruck besteht. Für eine derartige Realisierung sind Antriebsmechanismen mit einer sehr großen Kraftdichte notwendig. Der Pumpmechanismus funktioniert auch, wenn eine derartige Rückwirkung, bzw. Kopplung, vorhanden ist.
Eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Komponenten, beispielsweise der des Ausführungsbeispiels, das in Fig. 1 gezeigt ist, bei einer Rückwirkung der Pumpkammer auf den Verdränger, d.h. ohne eine Zwangssteuerung, ist in Fig. 8 dargestellt. In diesem Fall wird der Verdränger in Schritt 1 seine endgültige Endposition nicht vollständig erreichen, sondern erst gegen Ende des Teilschritts 2. Entsprechend muß der Verdränger am Ende des Teilschritts 3 die Einlaßöffnung noch nicht vollständig verschließen, sondern erst mit zunehmenden Druckausgleich während des Teilschritts 4. Für den Pumpeffekt ist ferner eine sehr schnelle Ansteuerung des Verdrängers innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ≈ 0, günstig, jedoch nicht zwingend erforderlich.
Gemäß einem Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die Stellung des Verdrängers im abgeschalteten Modus der Pumpe ohne einen zusätzlichen Aufwand derart auszulegen, daß durch das Blockieren der Einlaßöffnung durch den Verdränger eine Fluidströmung in beide Richtung ausgeschlossen ist. Ist der Verdränger zwangsgesteuert und wird seine Stellung durch den in der Pumpkammer herrschenden Druck nicht beeinflußt, ist dadurch die Blockierung der Fluidleitung in beide Richtungen ohne einen zusätzlichen Aufwand gegeben. Falls eine Rückwirkung zwischen der Verdrängerposition und dem Pumpkammerdruck existiert, kann der Antrieb des Verdrängers derart ausgelegt werden, daß er den Verdränger aktiv auf die Einlaßöffnung drückt und somit die Fluidströmung aktiv unterbindet. Bei einem piezoelektrisch angetriebenen Verdränger, der beispielsweise mittels eines Piezostapelaktors, einer Piezoscheibe oder einem Piezobiegewandler betätigt wird, würde dies lediglich die Umpolung der Betriebsspannung erfordern.
Gemäß einem weiteren Vorteil kann die Pumprichtung einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umgekehrt werden. Wird der Verdränger mit einer Frequenz angesteuert, die oberhalb der mechanischen Resonanz des Puffers in der betreffenden Umgebung, d.h. in dem zu pumpenden Fluid, liegt, so ergibt sich eine Phasenverschiebung von mehr als 90° zwischen der Expansion bzw. Kompression des Pufferelements und dem durch die Verdrängerstellung definierten Öffnungszustand der Einlaßöffnung. Der Puffer in der Pumpkammer nimmt somit Pumpmedium auf, während die Einlaßöffnung verschlossen ist, und gibt Pumpmedium ab, wenn Einlaß- und Auslaßöffnung offen sind. Damit ergibt sich eine zu der oben beschriebenen umgekehrte Pumprichtung. In diesem Fall kommt es zu einer Umkehrung der Pumprichtung von der Auslaßöffnung zu der Einlaßöffnung.
Der Vorteil gegenüber der bereits existierenden, bidirektionalen Mikropumpe liegt dabei darin, daß (i) auf passive Ventile ganz verzichtet werden kann, und (ii) die Resonanzfrequenz des Puffers anders wie bei der Resonanz eines passiven Rückschlagventils, unabhängig von weiteren wichtigen Größen, wie beispielsweise dem Strömungswiderstand des Ventils, der fluidischen Kapazität, der Baugröße des Ventils und dessen mechanischer Stabilität, eingestellt werden kann. Folglich können die Resonanzfrequenzen auf einen Bereich von < 200 Hertz erniedrigt werden, wodurch der Aufwand bei der elektrischen und mechanischen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert ist. Im Gegensatz dazu liegt bei passiven Ventilen die Resonanz im Bereich zwischen 2000 Hertz und 6000 Hertz. Durch die Reduzierung der Resonanzfrequenz sind die auf den Verdränger wirkenden Trägheitskräfte deutlich geringer. Ferner kann der Mechanismus nicht nur bei mikroskopischen Pumpen, die kleine bewegte Massen liefern, sondern auch in makroskopischer Bauweise realisiert werden.
Ein weiterer Vorteil einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt sich, wenn dieselbe als eine Mikropumpe ausgeführt wird. Obwohl Mikropumpen in konventioneller Bauform sowohl Flüssigkeiten als auch Gase transportieren können, sind sie durchgehend nicht selbstansaugend, d.h. sie sind nicht in der Lage, eine mit Gas gefüllte Pumpkammer im Laufe des Pumpvorgangs selbständig durch Flüssigkeit zu ersetzen. Dies erschwert den Einsatz der Pumpen in der Praxis ganz erheblich. Nachfolgend wird auf die Ursachen für die nicht vorhandene Selbstansaugung näher eingegangen.
Bei Mikropumpen mit passiven Rückschlagventilen spielen Kapillarkräfte eine große Rolle. Sobald der Flüssigkeitsspiegel das Einlaßventil erreicht und das bewegliche Ventilteil, die Ventilklappe oder die Ventilmembran, benetzt, treten Kapillarkräfte auf, welche die Bewegung stark einschränken, bzw. welche den notwendigen Kraftaufwand zur Bewegung des elastischen Ventilteils erheblich vergrößern. Erst wenn das gesamte bewegliche Ventilteil vollständig mit Flüssigkeit umspült ist, heben sich diese Kräfte wieder auf und die Pumpe befindet sich in ihrem normalen Pumpmodus.
Da bei konventionellen Mikropumpen die passiven Rückschlagventile nicht von außen gesteuert werden, kann man die Antriebskraft nicht direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte einsetzen. Mit dem Antrieb ist vielmehr zunächst das Gas in der Pumpkammer zu komprimieren, bzw. zu expandieren, wobei erst über den Gasdruck eine Kraft zur Überwindung der Kapillarkräfte auf die Ventile übertragen wird. Dieser indirekte Kraftübertrag über ein kompressibles Gas, verbunden mit der Tatsache, daß die Nettoangriffsfläche des Drucks an dem beweglichen Ventilteil sehr gering ist, beinhaltet sehr große Verluste bei der Kraftübertragung des Antriebs auf das Rückschlagventil und verhindert bei den derzeit bekannten Mikropumpen die Selbstansaugung.
Bei der Realisierung von Mikropumpen mit Düsen anstelle von Rückschlagventilen, um die Pumprichtung zu definieren, tritt ein Pumpeffekt nur ein, wenn der Strömungswiderstand jeder einzelnen Düse in Pumprichtung geringer ist als entgegengesetzt zur Pumprichtung. Bei der Mittelung über den gesamten Pumpzyklus bedeutet dies für die Eingangsdüse, daß der Volumendurchsatz in die Pumpkammer hinein größer sein muß als aus der Pumpkammer heraus. Sobald jedoch nun der Flüssigkeitsmeniskus zur Eingangsdüse gelangt, ändert sich der Strömungswiderstand der Düse aufgrund der größeren Dichte der Flüssigkeit dramatisch. Wird ein für die Dichteänderung typischer Wert von 1.000 angemommen, ändert sich der Strömungswiderstand um den Faktor (1000)½ ≈ 30. Da in Pumprichtung Flüssigkeit durch die Düse strömen muß, ist der Volumendurchsatz deutlich geringer als entgegen der Pumprichtung, da in diesem Fall Gas durch die Düse strömt. In dieser Situation bricht die Pumpwirkung zusammen, wobei aus diesem Grund eine Selbstansaugung nicht gegeben ist.
Im Gegensatz zu den gerade beschriebenen bekannten Mikropumpen kann bei der erfindungsgemäßen Pumpe der Aktor direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte eingesetzt werden. Durch den direkten Kraftübertrag des Antriebs auf das von einer Flüssigkeit benetzte Teil stehen sehr viel höhere Kräfte zur Überwindung der Kapillarkräfte zur Verfügung. Somit kann der Verdränger trotz Benetzung arbeiten.
In Fig. 9 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verdränger 82 Teil eines zweiten Pumpenkörpers 90. Der zweite Pumpenkörper 90 ist strukturiert, d.h. er weist Verdickungen und Verdünnungen 89 auf, um eine elastische Aufhängung für den Verdränger 82 zu liefern. Der zweite Pumpenkörper 90 ist über Verbindungen 88 auf einem Pumpenkörper 80 befestigt. Die Pumpkammer 84 ist als ein kapillarer Spalt zwischen dem Pumpenkörper 80, dem Verdränger 82 und dem zweiten Pumpenkörper 90 ausgebildet. Der Pumpenkörper 80 weist eine Einlaßöffnung 85 auf, die von dem Verdränger 82 verschlossen ist, wenn sich derselbe in der ersten Endstellung befindet. Der Verdränger 82 kann wiederum in der Richtung des Pfeils 19 bewegt werden. In dem zweiten Pumpenkörper 90 befinden sich zwei Auslaßöffnungen 86a und 86b. Der Puffer ist bei diesem Ausführungsbeispiel wiederum als Membran ausgeführt, die sich in dem Pumpenkörper 80 befindet.
Bei einem alternativen Ausführungsbeispiel könnte der Puffer durch die Verdünnungen 89, die als elastische Aufhängungen für den Verdränger 82 dienen, realisiert sein, wobei der Puffer in dem Pumpenkörper 80 dann entfallen würde. In diesem Fall wäre es vorteilhaft, wenn die Verdünnungen 89 gegenüber den in Fig. 9 dargestellten vergrößert wären.
Wenn die Bauhöhe der Pumpkammer 84, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, als kapillarer Spalt ausgeführt ist, füllt sich dieselbe von selbst, sobald ein Flüssigkeitsmeniskus an diesem Spalt anliegt. Eine derartige Reduktion der Pumpkammerhöhe ist bei konventionellen Mikropumpen mit Rückschlagventilen ausgeschlossen, da dadurch die Bewegung der Ventile eingeschränkt wird. Bei Mikropumpen mit Strömungsdüsen stellt die Pumpkammer bei einer drastischen Reduktion der Pumpkammerhöhe einen zusätzlichen Strömungswiderstand dar. Dieser innere Strömungswiderstand der Pumpkammer dominiert über den Strömungswiderstand der Düsen, so daß der Pumpeffekt basierend auf der Vorzugsrichtung der Düsen zusammenbricht.
Bei den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen ist die zweite Öffnung, die beim normalen Betrieb der Pumpe der Auslaßöffnung entspricht stets geöffnet.
In den Fig. 10a bis 10e ist ein drittes Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während der verschiedenen Teilschritte eines Pumpzyklusses dargestellt.
Bei der Pumpe gemäß den Fig. 10a bis 10b ist der Puffer in dem Verdränger gebildet, derart, daß der Verdränger und der Puffer als verschiedene Bereiche einer Membran gebildet sind, welche den Pumpenkörper überspannt, um die Pumpkammer zu definieren. Der Pumpenkörper ist ähnlich dem des ersten Ausführungsbeispiels ausgebildet, mit der Ausnahme, daß der Puffer nicht in demselben gebildet ist. Ein derartiger Aufbau der erfindungsgemäßen Pumpe ermöglicht eine weiter vereinfachte Herstellung derselben.
Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Pumpe, die auf einem neuartigen Mechanismus basiert, gänzlich ohne Rückschlagventile auskommt und eine Umkehrung der Pumprichtung ohne eine externe Umsteuerung von Ventilen ermöglicht. Somit besitzt die Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung einen wesentlich einfacheren Aufbau. Ferner kann der Verdränger gleichzeitig dazu verwendet werden, eine Fluidströmung über die Pumpe nach deren Abschalten in beiden Richtungen passiv oder aktiv abzusperren.
Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Pumpe, die Vorteile bei der Umschaltung der Pumprichtung liefert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Resonanz des mechanischen Bauteils, das im konventionellen Fall das Ventil und bei der vorliegenden Erfindung das Pufferelement ist, unabhängig von dem Strömungswiderstand eines Ventils, dessen Baugröße, dessen fluidischer Kapazität und dessen mechanischer Stabilität eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, einerseits die Bauteile weiter zu miniaturisieren und andererseits die Resonanzfrequenzen durchschnittlich zu erniedrigen. Bei konventionellen Mikropumpen stehen sich diese beiden Effekte gegenläufig gegenüber.
Im Gegensatz zu konventionellen Mikropumpen, bei denen typische Resonanzfrequenzen im Bereich von 2000 Hertz bis 3000 Hertz liegen, ist eine Umkehr der Pumprichtung bei einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung schon auf Frequenzen von 40 Hertz möglich. Dadurch wird der Aufwand der elektrischen und mechanischen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert. Außerdem sind die Trägheitskräfte, die auf den Verdränger wirken, deutlich geringer, und der Mechanismus kann nicht nur bei mikroskopischen Pumpen realisiert werden, sondern auch in makroskopischer Bauweise.
Im Vergleich zu Pumpen mit Strömungsdüsen weist die erfindungsgemäße Pumpe, die ohne Rückschlagventile auskommt, einen erhöhten Wirkungsgrad pro Pumpzyklus von mehr als 50% auf.
Bei einer mikromechanischen Ausführung der erfindungsgemäßen Pumpe kann dieselbe nur aus einem einzigen strukturierten Bauteil, in dem der Verdränger realisiert ist, und einer Grundplatte mit zwei Öffnung bestehen. Diese einfachen Strukturen erlauben einen problemlosen Zusammenbau des Gesamtsystems. Eine Grundstruktur aus Pyrex erlaubt das anodische Bonden des strukturierten Siliziumbauteils auf den Pyrex-Grundkörper, der als Pumpenkörper dient. Die Öffnungen in der Grundstruktur können als einfache Bohrungen oder beliebig geformt ausgeführt sein. Dies reduziert den Aufwand gegenüber der Herstellung von Strömungsdüsen erheblich. Ferner kann die Grundbauform der Mikropumpe rund sein oder jede beliebige Form aufweisen.
Als Materialien für die Mikropumpe kommen neben Silizium fast alle anderen Werkstoffe in Betracht, beispielweise Metalle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken. Dabei ist eine einfache Fertigung in Kunststoffspritzgußtechnik ebenso möglich wie die Fertigung in Metalldruck-Gußtechnik oder das LIGA-Verfahren.
Der Antrieb der Mikropumpe, d.h. des Verdrängers, kann durch alle bekannten Aktorverfahren erfolgen, beispielsweise piezoelektrisch, pneumatisch, thermopneumatisch, thermomechanisch, elektrostatisch, magnetisch, magnetostriktiv oder hydraulisch.
Über integrierte Sensoren, beispielsweise in der Puffermembran, läßt sich ein Regelkreis aufbauen, der den Antrieb der Mikropumpe in den jeweils optimalen Arbeitsbereich bringt.
Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpe deckt den gesamten Bereich der Mikrofluidik und Fluidik ab, da das Medium sowohl bidirektional befördert als auch definiert gesperrt werden kann. Die minimale Baugröße ermöglicht den Aufbau von minimalen Misch- und Dosiersystemen in der Medizin-, Chemie- und Analysetechnik. Bei B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij; A silicon integrated miniature chemical analysis system; Sensors and Actuators, B, 6 (1992), Seiten 57-60, werden für eine derartige Anwendung zwei Pumpen verwendet, wohingegen man mit nur einer erfindungsgemäßen Pumpe auskommen würde. Generell ist das Pumpenprinzip für einen weiten Bereich von Baugrößen geeignet, so daß in vielen Fällen die Spritzgußtechnik als kostengünstige Fertigungstechnik eingesetzt werden kann.
Fig. 11 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel einer selbstansaugenden Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Fluidpumpe weist einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittels einer Verbindungseinrichtung 112 ein Verdränger 114 in der Form einer Membran 114 angebracht ist. Die Membran 114 kann an den Abschnitten, an denen der Verdränger an dem Pumpenkörper 110 befestigt ist, verdickt sein. Die Membran 114 ist mittels einer Antriebsvorrichtung 116, die eine piezoelektrische, eine pneumatische, eine thermopneumatische, eine thermomechanische, eine elektrostatische, eine magnetische, eine magnetostriktive oder eine hydraulische Antriebsanordnung sein kann, aus der Stellung, die in Fig. 11 dargestellt ist und im folgenden als erste Endstellung bezeichnet wird, in eine zweite Endstellung bewegbar. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind in dem Pumpenkörper 110 zwei Öffnungen 118 und 120 angeordnet, die beispielsweise mit einer Einlaß- bzw. Auslaß-Fluidleitung (nicht gezeigt) verbunden sein können. Bei der in Fig. 11 dargestellten Pumpe ist die Öffnung 118 die Einlaßöffnung, während die Öffnung 120 die Auslaßöffnung darstellt. Die Membran 114 ist vorzugsweise direkt über der Einlaßöffnung 118 mit der Antriebsvorrichtung 116 verbunden, um den Betrieb der Pumpe, der nachfolgend bezugnehmend auf Fig. 14 erläutert wird, zu ermöglichen. Zur Befestigung der Antriebsvorrichtung kann die Membran 114 an der Stelle derselben, an der sie mit der Antriebseinrichtung 116 verbunden ist, eine Verdickung aufweisen.
Die in Fig. 11 dargestellte, selbstansaugende, selbstbefüllende Mikropumpe unterscheidet sich von bekannten Mikropumpen dadurch, daß sie im Pumpbetrieb abwechselnd die erste Öffnung 118 öffnet, während die zweite Öffnung 120 verschlossen bleibt, um dann die zweite Öffnung 120 zu öffnen, während die erste Öffnung geschlossen ist. Bei der in Fig. 11 dargestellten Pumpe ist zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Öffnung, 118 oder 120, geöffnet, während die andere Öffnung geschlossen ist. In der Ruhephase sind beide Öffnungen 118 und 120 verschlossen, wodurch das Pumpmedium definiert abgesperrt wird.
In Fig. 12 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Fluidpumpe dargestellt. Die Fluidpumpe weist wiederum einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittels einer Verbindungseinrichtung 112 eine Membran 124 angebracht ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist jedoch zwischen der Membran und dem Pumpenkörper ein kapillarer Spalt 126 gebildet. Um die Öffnungen 118 und 120 zu verschließen, wenn der Verdränger, d.h. die Membran 124, in der Ruhelage ist, weist die Membran an den Orten der Öffnungen Verdickungen auf, die der Oberfläche der Platte des Pumpenkörpers 110 zugewandt sind. Wiederum ist an der Membran eine Antriebseinrichtung 116 angebracht.
Auf der Oberseite, d.h. der dem Pumpenkörper abgewandten Seite, der Membran 124 können Strukturierungen ausgebildet sein, die eine optimale Puffervolumen-Anpassung und -Entleerung ermöglichen. Ferner können Strukturierungen, welche beispielsweise als Strömungskanäle ausgeführt sein können, auf der Oberseite des Pumpenkörpers, d.h. der Oberseite, die der Membran 124 zugewandt ist, oder der Membranunterseite zur optimalen Befüllung bzw. Entleerung der Pumpe genutzt werden.
Alternativ zu dem in Fig. 12 dargestellten Ausführungsbeispiel könnten die Öffnungen 118 und 120, die in dem Pumpenkörper 110 angeordnet sind, ferner Erhebungen, die dieselben umgeben, aufweisen. In diesem Fall müßte die Membran 124 keine dem Pumpenkörper 110 zugewandten Verdickungen aufweisen, um ein Verschließen der Öffnungen 118 und 120 zu ermöglichen.
In Fig. 13 ist ein sechstes Ausführungsbeispiel einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Bei der in Fig. 13 dargestellten Pumpe ist zwischen dem Pumpenkörper 110 und einer einen Verdränger bildenden Membran 136 ein kapillarer Spalt ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es bedeutsam, daß die zwei Öffnungen 118 und 120 beabstandet voneinander auf unterschiedlichen Seiten einer Mittelachse der Membran 136 angeordnet sind. Durch diesen asymmetrischen Aufbau der erfindungsgemäßen Pumpe ist ein selbstansaugender bzw. selbstbefüllender Betrieb der Mikropumpe gemäß der vorliegenden Erfindung möglich.
Bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e wird nachfolgend ein Pumpzyklus der Pumpe, die in Fig. 11 dargestellt ist, erläutert. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß das in Fig. 12 dargestellte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung im Betrieb einen gleichartigen Pumpzyklus durchläuft.
In Fig. 14a ist die Pumpe in der Ruhestellung dargestellt, die auch in Fig. 11 gezeigt ist. In dieser Stellung sind beide Anschlüsse verschlossen, wodurch eine absolute Mediensperrung erzeugt wird.
Wie in Fig. 14b gezeigt ist, wird dann der Verdränger, d.h. die Membran 114, aus der Ruhestellung in der Richtung des in der Fig. 14b gezeigten Pfeils punktuell nach oben bewegt, wobei die Einlaßöffnung, die Öffnung 118, geöffnet wird, während die Auslaßöffnung, die Öffnung 120, verschlossen bleibt. Die in Fig. 14b gezeigte Stellung kann als zweite Endstellung des Verdrängers betrachtet werden.
In Fig. 14c ist dargestellt, wie durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängers ein zu pumpendes Medium durch die Einlaßöffnung, d.h. die Öffnung 118, in die durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängers gebildete Pumpkammer gezogen wird. Nachfolgend wird, wie in Fig. 14d gezeigt ist, der Verdränger schlagartig, punktuell nach unten bewegt und verschließt somit die Einlaßöffnung. Durch die Verdrängerverformung, d.h. die Verformung der Membran 114, wird ein Puffervolumen zwischen Membran und Pumpenkörper gebildet, welches dem aufgenommenen Fluidvolumen entspricht, was bewirkt, daß die Auslaßöffnung freigegeben wird.
Wie in Fig. 14e dargestellt ist, wird das Puffervolumen durch die Auslaßöffnung, d.h. die Öffnung 120, entleert, wobei das zu pumpende Medium "verschoben" bzw. über eine "Rollverdrängung" transportiert wurde.
Der oben bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e beschriebene Pumpmechanismus ergibt eine Pumprichtung von der Einlaßöffnung 118 zu der Auslaßöffnung 120. Durch das Erhöhen der Antriebsfrequenz auf eine Frequenz oberhalb der Resonanzfrequenz des Gesamtsystems, bestehend aus dem Verdränger und dem Fluidsystem, kann eine Umkehr der Pumprichtung erreicht werden. Es ist offensichtlich, daß sich dann auch die Einlaß- bzw. Auslaß-Öffnung umkehren, d.h. daß die Einlaßöffnung 118 zur Auslaßöffnung wird, und die Auslaßöffnung 120 zur Einlaßöffnung wird.
Das bei jedem Pumpzyklus von der erfindungsgemäßen Fluidpumpe durch eine Öffnung aufgenommene Volumen des Mediums entspricht dem durch die zweite Öffnung abgegebenen Volumen des Mediums. Die bei der erfindungsgemäßen Pumpe auftretende Rückströmung bzw. das Totvolumen, d.h. jenes Volumen, das nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, gehen bei dieser Anordnung im Gegensatz zu bekannten Mikropumpen gegen Null. Dadurch wird bei der erfindungsgemäßen Mikropumpe bei einer einfachen Ansteuerung der Antriebsvorrichtung die Selbstbefüllung in Verbindung mit der Membranverformung und der sequentiellen Öffnung der Öffnungen reproduzierbar.
In den Fig. 15a bis 15e ist ein Pumpzyklus des in Fig. 13 dargestellten sechsten Ausführungsbeispiels einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 15a gezeigt ist, wird die Membran 136 zunächst ausgehend von einer Ruhelage mittels der Antriebsvorrichtung 116 nach unten bewegt, derart, daß die Öffnung 118 verschlossen ist. Wiederum sei zur Vereinfachung der Erklärung die Öffnung 118 als die Einlaßöffnung bezeichnet, während die Öffnung 120 als die Auslaßöffnung bezeichnet wird. Die in Fig. 15a dargestellte Stellung der Membran 136 kann als erste Endstellung bezeichnet werden.
Wie in Fig. 15b dargestellt ist, wird die Membran 136 nachfolgend ruckartig nach oben bewegt. In diesem Fall ist nicht immer nur eine Öffnung verschlossen, während die andere geöffnet ist. Wie in den Fig. 15b und 15c gezeigt ist, sind hier kurzzeitig auch beide Öffnungen geöffnet, wobei jedoch durch die Öffnungen ein unterschiedliches Maß des Mediums fließt, da sich die Öffnungshöhe, d.h. der Abstand der Membran über den Öffnungen, unterscheidet und damit der Flußwiderstand. Durch die Einlaßöffnung 118 fließt somit ein größerer Fluidstrom als durch die Auslaßöffnung 120. Dies ist in Fig. 15c durch die unterschiedlich kräftig dargestellten Pfeile angezeigt.
Wie in Fig. 15d gezeigt ist, wird die Membran nachfolgend ruckartig nach unten bewegt, wodurch die Öffnung 118 verschlossen wird. Wiederum ist zwischen der Membran und dem Pumpenkörper ein Pumpvolumen gebildet, das, wie in Fig. 15e gezeigt ist, anschließend durch die Rückverformung des Verdrängers durch die Öffnung 120 entleert wird.
Bei der in Fig. 13 dargestellten Fluidpumpe, deren Betrieb bezüglich Fig. 15 erläutert wurde, existiert ein größeres Totvolumen als bei dem vierten und dem fünften Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 11 und 12 gezeigt sind. Dadurch weist das bezüglich den Fig. 13 und 15 beschriebene sechste Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen geringeren Wirkungsgrad als die bezüglich der Fig. 11 und 12 beschriebenen Ausführungsbeispiele auf.
Die Mikropumpe gemäß den Fig. 11 und 12 läßt sich mit einer konstanten Antriebsfrequenz selbst befüllen. Nachdem das zu pumpende Medium den Pumpraum oder die Pumpkammer befüllt hat und an der Austrittsöffnung heraustritt, kann die Antriebsfrequenz der Antriebsvorrichtung, die den Verdränger treibt, im Falle des Pumpens eines flüssigen Mediums um den Faktor 10 gesenkt werden, da nun keine Luft mehr verdrängt werden muß, sondern nur mehr das flüssige Medium.
Eine Basis für den Pumpmechanismus liegt in der Verdrängerverformung und der Anordnung der Öffnungen. Das zu pumpende Medium wird durch die Öffnung 118 aufgenommen und zur Öffnung 120 "verschoben" oder über eine "Rollverdrängung" transportiert.
Die Pumpenkörper und Verdrängereinrichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung können vorzugsweise aus Silizium bestehen. Daneben können dieselben auch in einer Kunststoffspritztechnik gefertigt sein. Als Antriebsvorrichtungen können alle in der Technik bekannten Antriebe verwendet werden. Die für die Mikropumpe charakteristischen, transienten Kurvenformen für den Hub, den Pumpkammerdruck, die Verdrängervolumenänderung und den Durchfluß können ohne weiteres hergeleitet werden.
Alternativ zu den dargestellten Fluidpumpen könnte ein kapillarer Spalt zwischen der Verdrängermembran und der Pumpenkörperplatte auch durch eine Ausnehmung in der Pumpenkörperplatte gebildet sein.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht gemäß dem zweiten und dritten Aspekt derselben somit erstmals die Herstellung rückschlagventilloser, selbstansaugender, d.h. selbstbefüllender, Mikropumpen. Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpen deckt den gesamten Bereich der Mikrofluidik und der Fluidik ab, da das zu pumpende Medium sowohl bidirektional befördert als auch definiert gesperrt werden kann. Ferner sind die erfindungsgemäßen Pumpen mit einem minimalen Aufwand und mit minimalen Baugrößen herstellbar. Durch diese geringen Baugrößen ermöglicht die vorliegende Erfindung den Aufbau von minimalen Misch- und Dosiersystemen in der Medizin-, Chemie- und Analyse-Technik, wobei die dabei verwendeten Pumpen einen guten Wirkungsgrad aufweisen.

Claims (24)

  1. Fluidpumpe mit folgenden Merkmalen:
    einem Pumpenkörper (10; 80); und
    einem Verdränger (12; 82), der mittels eines Antriebs in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, wobei der Verdränger und der Pumpenkörper derart ausgebildet sind, daß zwischen denselben eine Pumpkammer (14; 84), die über eine erste (15; 85) und eine zweite (16; 86a, 86b) Öffnung, die nicht mit Rückschlagventilen versehen sind, mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist, definiert ist,
    wobei der Verdränger (12; 82) in der Form einer Platte ausgebildet ist, die auf dem Pumpenkörper (10; 80) befestigt ist, wobei der Pumpenkörper (10; 80) eine Aussparung aufweist, die die Pumpkammer (14; 84) definiert;
    gekennzeichnet durch
    einen elastischen Puffer (13; 83), der an die Pumpkammer angrenzt,
    wobei der Antrieb im wesentlichen im Bereich der ersten Öffnung (15; 85) auf den Verdränger (12; 82) einwirkt,
    wobei der Verdränger (12; 82) die erste Öffnung (15; 85) verschließt, wenn er in der ersten Endstellung ist und die erste Öffnung offen läßt, wenn er in der zweiten Endstellung ist, und
    wobei die Antriebseinrichtung den Verdränger so schlagartig aus der zweiten in die erste Endstellung bewegt, daß durch die Verdrängerbewegung eine Verformung der Puffereinrichtung bewirkt wird.
  2. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Puffer (13; 83) in dem Pumpenkörper (10; 80) angeordnet ist.
  3. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Puffer in dem Verdränger angeordnet ist.
  4. Fluidpumpe gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Puffer (13; 83) durch eine Verdünnung einer Wand des Pumpenkörpers als eine Membran ausgebildet ist.
  5. Fluidpumpe gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Puffer durch eine Verdünnung des Verdrängers als eine Membran ausgebildet ist.
  6. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Puffer durch ein elastisches Medium in der Pumpkammer gebildet ist.
  7. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Puffer durch das zu übertragende Medium selbst gebildet ist.
  8. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verdränger (82) in einen zweiten Pumpenkörper (90) integriert ist, der Verdünnungen (89) aufweist, um eine elastische Aufhängung für den Verdränger (82) zu liefern.
  9. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verdränger (12; 82) die erste Öffnung nach dem Abschalten der Pumpe passiv oder aktiv in beide Flußrichtungen verschließt.
  10. Fluidpumpe gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
    daß das aktive Verschließen der ersten Öffnung durch den Antrieb, der den Verdränger auf die erste Öffnung drückt, bewirkt wird.
  11. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Pumprichtung der Pumpe durch ein Betreiben des Verdrängers mit einer Frequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz des Puffers ist, umkehrbar ist.
  12. Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Pumpkammer (84) als ein kapillarer Spalt ausgebildet ist.
  13. Fluidpumpe gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verdränger und der Puffer als verschiedene Bereiche einer Membran gebildet sind, die den Pumpenkörper zur Bildung der Pumpkammer überspannt.
  14. Rückschlagventillose Fluidpumpe mit folgenden Merkmalen:
    einem Pumpenkörper (110); und
    einem flexiblen Verdränger (114; 124), der entlang seines Umfangs fluiddicht an dem Pumpenkörper (110) angebracht ist und mittels einer Antriebseinrichtung (116) in eine erste und eine zweite Endstellung bewegbar ist,
    wobei der Pumpenkörper (110) und der flexible Verdränger (114; 124) einen Pumpenraum definieren, der über eine erste Öffnung (118) und eine zweite, von der ersten Öffnung beabstandete Öffnung (120) mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist,
    wobei der Verdränger (114; 124) in der ersten Endstellung die erste und die zweite Öffnung verschließt, und
    wobei der Verdränger (114; 124) die erste Öffnung (118) öffnet, während die zweite Öffnung (120) im wesentlichen geschlossen ist, wenn der Verdränger (114; 124) durch die Antriebseinrichtung (116) aus der ersten Endstellung in die zweite Endstellung bewegt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Antriebseinrichtung (116) im wesentlichen im Bereich der ersten Öffnung (118) auf den flexiblen Verdränger (114; 124) einwirkt, und
    daß die Antriebseinrichtung den Verdränger so schlagartig aus der zweiten Endstellung in die erste Endstellung bewegt, daß durch eine elastische Verdrängerverformung ein Puffervolumen zwischen Verdränger und Pumpenkörper gebildet wird.
  15. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Pumpenkörper (110) in der Form einer Platte und der Verdränger (114) in der Form einer Membran ausgebildet ist, derart, daß die Membran auf einer Hauptoberfläche der Platte aufliegt, wenn der Verdränger (114) in der ersten Endstellung ist.
  16. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Pumpenkörper (110) in der Form einer Platte und der Verdränger (124) in der Form einer Membran ausgebildet ist, derart, daß zwischen einer Hauptoberfläche der Platte und der Membran ein kapillarer Spalt (126) gebildet ist.
  17. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste und die zweite Öffnung (118, 120) in dem Pumpenkörper (110) angeordnet sind, wobei die Membran (124) eine erste und eine zweite zu der Platte (110) hin gerichtete Verdickung aufweist, die die erste und die zweite Öffnung verschließen, wenn der Verdränger (124) in der ersten Endstellung ist.
  18. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste und die zweite Öffnung (118, 120) in dem Pumpenkörper (110) angeordnet sind, wobei um die erste und die zweite Öffnung (118, 120) Erhebungen vorgesehen sind, derart, daß die Membran die erste und die zweite Öffnung (118, 120) in der ersten Endstellung verschließt.
  19. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Verdränger (114; 124) nach dem Abschalten der Pumpe die erste und die zweite Öffnung (118, 120) passiv und/oder aktiv verschließt.
  20. Rückschlagventillose Fluidpumpe mit folgenden Merkmalen:
    einem Pumpenkörper (110); und
    einem flexiblen Verdränger (136), der entlang seines Umfangs fluiddicht an dem Pumpenkörper (110) angebracht ist und mittels einer Antriebseinrichtung (116) in eine erste und eine zweite Endstellung bewegbar ist,
    wobei der Pumpenkörper (110) und der flexible Verdränger (136) einen Pumpenraum definieren, der über eine erste Öffnung (118) und eine zweite Öffnung (120) mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist, und
    wobei der Verdränger (136) die erste Öffnung (118) verschließt, wenn er in der ersten Endstellung ist, und die erste Öffnung (118) offen läßt, wenn er in der zweiten Endstellung ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die erste und die zweite Öffnung (118, 120) beabstandet zueinander auf unterschiedlichen Seiten einer Mittelachse des Verdrängers (136) angeordnet sind,
    daß die Antriebseinrichtung (116) im wesentlichen im Bereich der ersten Öffnung (118) auf den flexiblen Verdränger (136) einwirkt, um den Verdränger (136) in die erste und die zweite Endstellung zu bewegen, und
    daß die Antriebseinrichtung den Verdränger so schlagartig aus der zweiten Endstellung in die erste Endstellung bewegt, daß durch eine elastische Verdrängerverformung ein Puffervolumen zwischen Verdränger und Pumpenkörper gebildet wird.
  21. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet
    daß der Pumpenkörper (110) in der Form einer Platte und der Verdränger (136) in der Form einer Membran ausgebildet ist, derart, daß zwischen einer Hauptoberfläche der Platte und der Membran ein kapillarer Spalt gebildet ist.
  22. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Pumpenkörper (110) und der Verdränger (114; 124; 136) aus Silizium hergestellt sind.
  23. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
    daß der Pumpenkörper (110) und der Verdränger (114; 124; 136) mittels Kunststoffspritztechnik hergestellt sind.
  24. Rückschlagventillose Fluidpumpe gemäß einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Pumprichtung der Pumpe durch ein Betreiben des Verdrängers (114; 124; 136) mit einer Frequenz, die oberhalb der Resonanzfrequenz ist, umkehrbar ist.
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