EP2205869B1

EP2205869B1 - Membranpumpe

Info

Publication number: EP2205869B1
Application number: EP07819208.5A
Authority: EP
Inventors: Martin Wackerle; Martin Richter
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2007-10-22
Publication date: 2017-12-27
Anticipated expiration: 2027-10-22
Also published as: US8746130B2; US20110061526A1; WO2009052842A1; EP2205869A1

Description

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Membranpumpen.
Mikropumpen mit kleinem Bauraum sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise aus der DE 197 19 862 A1 eine Mikromembranpumpe mit passiven Rückschlagventilen bekannt, die eine Pumpmembran aufweist, die mittels einer Antriebseinrichtung in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist. Ein Pumpenkörper ist mit der Pumpmembran verbunden, um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen. Eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung sind jeweils mit passiven Rückschlagventilen versehen. Neben einem piezoelektrischen Antrieb für die Pumpmembran ist auch ein elektrostatischer Antrieb beschrieben. Pump-membran und Rückschlagventile sind in jeweiligen Siliziumsubstraten strukturiert. Ferner sind als Ausgangsmaterialien für die Pumpmembran neben Silizium Glas oder Kunststoff angesprochen.
EP 0 424 087 A1 offenbart eine Membranpumpe mit folgenden Merkmalen: eine Pumpkammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, einem passiven Silizium-Rückschlagventil an der Einlassöffnung, einem passiven Silizium-Rückschlagventil an der Auslassöffnung, und einer metallischen Pumpmembran, die an die Pumpkammer angrenzt.
DE 195 46 570 C1 offenbart eine Fluidpumpe. Die Fluidpumpe weist einen Pumpenkörper und einen Verdränger, der mittels eines Antriebs in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, auf, wobei der Verdränger und der Pumpenkörper derart ausgebildet sind, dass zwischen denselben eine Pumpkammer gebildet ist, die eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Der Verdränger verschließt die Auslassöffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist, und lässt die Auslassöffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung ist.
DE 10 238 600 offenbart eine peristaltische Mikropumpe. Die peristaltische Mikropumpe umfasst einen ersten Membranbereich mit einem ersten Piezoaktor zum Betätigen des ersten Membranbereichs, einen zweiten Membranbereich mit einem zweiten Piezoaktor zum Betätigen des zweiten Membranbereichs und einen dritten Membranbereich mit einem dritten Piezoaktor zum Betätigen des dritten Membranbereichs. Ein Pumpenkörper bildet zusammen mit dem ersten Membranbereich ein erstes Ventil, dessen Durchlassöffnung im unbetätigten Zustand des ersten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlassöffnung durch Betätigen des ersten Membranbereichs verschliessbar ist. Der Pumpenkörper bildet zusammen mit dem zweiten Membranbereich eine Pumpkammer, deren Volumen durch Betätigen des zweiten Membranbereichs verringerbar ist. Der Pumpenkörper bildet zusammen mit dem dritten Membranbereich ein zweites Ventil, dessen Durchlassöffnung im unbetätigten Zustand des dritten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlassöffnung durch Betätigen des dritten Membranbereichs verschliessbar ist. Das erste und das zweite Ventil sind mit der Pumpkammer fluidmässig verbunden.
Typische Abmessungen für bekannte Mikromembranpumpen in Form von Siliziumpumpen mit Piezoantrieb sind 7x7x1 mm³. Ferner sind Kunststoffpumpen mit Piezoantrieb bekannt.
Eine Mikroperistaltikpumpe, die aus einem Grundelement und einem Membranelement besteht, ist in der DE 102 38 600 A1 beschrieben. In dem Grundelement sind drei miteinander fluidisch verbundene Kammern gebildet, deren Volumina durch das Membranelement unabhängig voneinander durch Betätigungseinrichtungen veränderbar sind. Zwei Kammern stellen Ventilkammern dar, während eine Kammer eine Pumpkammer darstellt. Das Grundelement kann durch Spritzguss aus Kunststoff oder feinwerktechnisch spanend aus einem geeigneten Material, beispielsweise Metall hergestellt sein. Das Membranelement kann aus Silizium, einer Metallfolie oder einer Elastomermembran gebildet sein. Neben Piezoaktoren sind elektrostatische Aktoren oder pneumatische Antriebe für die Membranbereiche angesprochen.
Mikropumpen, die im Stand der Technik beschrieben sind und am Markt angeboten werden, haben eine maximale Förderrate von 10 bis 20 ml/min für Wasser und maximal 100 ml/min für Luft.
Bei Mikroperistaltikpumpen muss das zu pumpende Fluid, d.h. die Flüssigkeit oder das Gas, bei jedem Pumpzyklus durch einen langen und schmalen Kanal bewegt werden, wobei die entsprechenden Flusswiderstände hoch sind. Daher fördern Mikroperistaltikpumpen bei gleichem Bauraum weniger als Mikromembranpumpen mit passiven Rückschlagventilen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Membranpumpe zu schaffen, die bei einem kleinen Bauraum hohe Förderraten ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Membranpumpe nach Anspruch 1 gelöst.
Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Membranpumpe mit folgenden Merkmalen:

einer Pumpkammer, mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung;
einem passiven Silizium-Rückschlagventil an der Einlassöffnung;
einem passiven Silizium-Rückschlagventil an der Auslassöffnung; und
einer metallischen Pumpmembran, die an die Pumpkammer angrenzt.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Membranpumpe mit folgenden Merkmalen:

einer Pumpkammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, die mit passiven Rückschlagventilen versehen sind;
einer Pumpmembran, die an die Pumpkammer angrenzt; und
einer Betätigungseinrichtung zum Betätigen der Pumpmembran mit einer Betriebsfrequenz,
wobei die Betriebsfrequenz kleiner ist als eine Eigenresonanzfrequenz von Ventilklappen der passiven Rückschlagventile,
wobei eine größte Erstreckung der Pumpmembran in einer Richtung ≤ 50 mm ist; und
wobei eine Förderrate der Membranpumpe bei Betätigung der Pumpmembran mit der Betriebsfrequenz für eine zu fördernde Flüssigkeit ≥ 40 ml/min ist und für ein zu förderndes Gas ≥ 250 ml/min ist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis der Erfinder, dass eine Mikromembranpumpe mit hoher Förderrate, kleiner Baugröße und geringem Aufwand implementiert werden kann, wenn passive Rückschlagventile aus Silizium verwendet werden, die mit einer hohen Eigenfrequenz implementiert werden können, während die Pump-membran aus Metall implementiert wird, was bei der erforderlichen Größe gegenüber Siliziummembranen mit deutlich verringertem Aufwand möglich ist.
Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass Membranpumpen bei einer größten Erstreckung der Pumpmembran in einer Richtung (bei einer runden Pumpmembran der Durchmesser) von 50 mm oder darunter eine Förderrate für eine Flüssigkeit ≥ 40 ml/min oder für ein zu förderndes Gas ≥ 250 ml/min erreichbar sind. Um dies erreichen zu können, ist es vorteilhaft die Ventilklappen mit einer hohen Eigenresonanzfrequenz zu implementieren, da die Betriebsfrequenz, mit der die Pumpmembran betrieben wird, vorzugsweise kleiner ist als die Eigenresonanzfrequenz der Ventilklappen der passiven Rückschlagventile. Ferner ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Pumpmembran hinsichtlich Radius und Dicke entworfen, um ein erforderliches Hubvolumen und einen erforderlichen Gegendruck zu erhalten.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf Mikromembranpumpen gerichtet, wobei darunter hierin Membranpumpen verstanden werden sollen, deren Hubvolumen im Mikroliter-Bereich und darunter liegen. Ausführungsbeispiele der Erfindung können ein Hubvolumen zwischen 50 nl und 50 µl aufweisen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ferner funktionsbestimmende Abmessungen, wie Klappendicke, Membrandicke, Auflagestegbreite oder Pumpkammerhöhe im Mikrometer-Bereich aufweisen, z.B. zwischen 4 µm und 200 µm.
Als Grenzfrequenz f_g kann diejenige Betriebsfrequenz einer Membranpumpe bzw. Mikromembranpumpe mit passiven Rückschlagventilen betrachtet werden, bei der die Förderkennlinie den linearen Bereich verlässt. Diese Grenzfrequenz hängt vom Strömungswiderstand der passiven Rückschlagventile sowie den fluidischen Kapazitäten der Membranpumpe ab. Um die Grenzfrequenz zu erhöhen, was eine höhere Förderleistung ermöglicht, ist es bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, den Strömungswiderstand der Ventile zu verringern und die fluidischen Kapazitäten der Pumpmembran, der passiven Rückschlagventile sowie von Gasblasen in der Pumpe zu verringern.
Bei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Membranpumpen wird Siliziummikromechanik nur dort eingesetzt, wo sie Vorteile besitzt, nämlich bei den passiven Rückschlagventilen, wobei bei Ausführungsbeispielen die passiven Siliziumventile möglichst klein ausgeführt werden, so dass diese kostengünstig bleiben.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Pumpkammerkörper vorgesehen, in dem die Pumpkammer gebildet ist. Dieser Pumpkammerkörper kann aus Kunststoff, beispielsweise durch Spritzguss, hergestellt sein, wobei jedoch auch eine spanende Herstellung oder die Verwendung anderer Materialien, wie Silizium, Metall und dergleichen für den Pumpkammerkörper möglich ist.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Pumpkammer so geformt, dass das Totvolumen weitgehend verringert ist, während gleichzeitig der Strömungswiderstand minimiert ist. Das Totvolumen kann bei Ausführungsbeispielen so geformt sein, dass der Restkammerspalt in einem Bereich, der Auslass- und/oder Einlassöffnung gegenüberliegt, größer ist als an einem davon beabstandeten Bereich. Bei einer runden Pumpmembran, bei der Einlassöffnung und Auslassöffnung in einem zentralen Bereich gegenüberliegend der Pumpmembran angeordnet sind, kann beispielsweise der Restkammerspalt in der Mitte der Pumpmembran größer sein als am Rand der Pump-membran.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Pumpmembran aus Metall, beispielsweise Edelstahl gebildet. Dies ermöglicht die Implementierung von Pumpmembranen, die eine ausreichende Größe und ein ausreichend großes Hubvolumen, bei gegebenen Druckanforderungen, aufweisen, um die gewünschten Förderraten zu ermöglichen. Metallmembrane sind hier gegenüber Siliziummembranen bevorzugt, da die Kosten von Siliziummembranen mit der Fläche skalieren, so dass Membrane mit einer für die gewünschten Förderraten benötigten Größe deutlich aufwändiger wären. Darüber hinaus können Metallmembrane, beispielsweise Edelstahlfolien, ein ähnliches Elastizitätsmodul wie Silizium und ebenfalls gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Neben Edelstahl können alternativ auch andere Metalle für die Membran verwendet werden, beispielsweise Titan, Messing, Aluminium oder Kupfer.
Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Piezokeramik als Antrieb für die Pumpmembran verwendet. Bei Ausführungsbeispielen bildet die Piezokeramik zusammen mit der Pumpmembran einen Piezo-Biegewandler, der durch Beaufschlagen mit einer Wechselspannung betrieben werden kann, um eine Auslenkung der Pumpmembran von einer ersten Endstellung in eine zweite Endstellung zu liefern, die eine für die gewünschte Förderrate erforderliche Betriebsfrequenz und ein für dieselbe erforderliches Hubvolumen aufweist. Alternativ können andere Antriebe, beispielsweise elektrostatische, magnetische, pneumatische oder hydraulische Antriebe für die Pumpmembran verwendet werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membranpumpe;
Fig. 2: eine schematische Querschnittansicht eines bei einem Ausführungsbeispiel verwendeten Rückschlagventilsmoduls;
Fig. 3: einen Graph, der die Pumprate über der Betriebsfrequenz zeigt;
Fig. 4: eine schematische Querschnittansicht eines Modells einer Mikromembranpumpe;
Fig. 5: eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Pumpkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
Fig. 6: bis 9 Graphen, die Flussraten abhängig von der Betriebsfrequenz und dem Gegendruck für Luft und Wasser als zu pumpendes Medium zeigen.

Eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membranpumpe 10 ist in Fig. 1 gezeigt. Die Membranpumpe 10 umfasst einen Pumpenkörper 12, eine Pumpmembran 14, einen auf der Pumpmembran 14 angeordneten Piezoaktor 16 und eine Abdeckung 18. Der Piezoaktor 16 und die Pumpmembran 14 bilden bei Ausführungsbeispielen einen Piezobiegewandler. Eine Treibereinrichtung 24 ist vorgesehen, um über elektrische Verbindungen 20 und 22 die zum Betätigen des Piezoaktors erforderlichen Spannungen anzulegen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Pumpmembran 14 eine metallische Pumpmembran, so dass die elektrische Verbindung 22 ein erstes Potential über die Pumpmembran 14 an den Piezoaktor 16 anlegen kann. Bei Ausführungsbeispielen wird das zweite Potential über die elektrische Verbindung 20, die beispielsweise ein Metallplättchen 20a und einen Bonddraht 20b aufweisen kann, an die gegenüberliegende Seite des Piezoaktors angelegt.
Der Pumpenkörper 12 weist eine Ausnehmung auf, die zusammen mit der Pumpmembran 14 eine Pumpkammer 26 festlegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpmembran 14 zwischen dem Pumpkörper 12 und der Abdeckung 18 angeordnet. Der Pumpenkörper 12 und die Abdeckung 18 können aus Kunststoff bestehen und beispielsweise mittels Spritzguss hergestellt sein. In dem Pumpenkörper 12 sind eine Einlassöffnung 28 und eine Auslassöffnung 30 gebildet. Die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 können geeignete Strukturen umfassen, um den Anschluss von Schläuchen oder dergleichen zu ermöglichen. Bei Ausführungsbeispielen können die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 mit jeweiligen Luer-Verbindern versehen sein.
Ferner sind die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 jeweils mit passiven Rückschlagventilen 32 und 34 versehen. Bei dem gezeigten Beispiel sind die passiven Rückschlagventile 32, 34 in einem Rückschlagventilmodul 36 gebildet, das in eine passende Ausnehmung in dem Pumpkörper 12 eingesetzt ist.
Eine vergrößerte Darstellung des Rückschlagventilmoduls 36, jedoch seitenverkehrt, ist in Fig. 2 gezeigt. Das Rückschlagventilmodul 36 weist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Form auf, wie sie in der DE 197 19 862 A1 beschrieben ist. Es ist jedoch klar, dass die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 mit beliebigen Rückschlagventilen versehen sein können, die die entsprechende Funktionalität liefern.
Die Rückschlagventile können durch Nassätzen (z.B. KOH-Ätzen) erzeugt werden, wodurch die typischen schrägen Ätzkanten, wie sie in Fig. 2 zu erkennen sind, bewirkt werden. Alternativ können die Rückschlagventile auch durch Trockenätzen erzeugt werden, wodurch die schrägen Ätzkanten vermieden werden können, so dass insgesamt weniger Chipfläche benötigt wird.
Das Rückschlagventilmodul 36 weist zwei Siliziumscheiben 36a und 36b auf, in die die Merkmale der Rückschlagventile strukturiert sind und die an zwei Hauptoberflächen derselben miteinander verbunden sind. Das passive Rückschlagventil 32 umfasst eine Ventilklappe 32a, die in die Siliziumscheibe 36b strukturiert ist, und einen Ventilsitz 32b, der in die Siliziumscheibe 36a strukturiert ist. Das passive Rückschlagventil 34 umfasst eine Ventilklappe 34a, die in die Siliziumscheibe 36a strukturiert ist, und einen Ventilsitz 34b, der in die Siliziumscheibe 36b strukturiert ist. Die Ventilsitze 32b und 34b liefern jeweilige Auflageflächen bzw. Auflagestege für die Ventilklappen 32a und 34a.
Die Fig. 1 und 2 zeigen schematische Querschnittansichten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei Ausführungsbeispielen weist die Pumpkammer 26 in Draufsicht eine runde Form, d.h. einen runden Umfang, auf, wobei entsprechend die Pumpmembran 14 ebenfalls rund ausgebildet ist. Die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 sind in einem zentralen Bereich der Pumpmembran 14 gegenüberliegend vorgesehen.
Im Betrieb legt während eines Pumphubs die Treibereinrichtung 24 eine Betätigungsspannung an den Piezoaktor 16 an, so dass die Pumpmembran 14 in eine Richtung zu der Einlassöffnung 28 und der Auslassöffnung 30 hin ausgelenkt wird. Dadurch wird in der Pumpkammer 26 ein Überdruck erzeugt, der das passive Auslassventil 34 öffnet, so dass Fluid während des Pumphubs aus der Auslassöffnung 30 strömt. Während eines nachfolgenden Saughubs wird die Betätigungsspannung abgestellt, so dass die Pumpmembran in ihre Ausgangslage, wie sie beispielsweise in Fig. 1 gezeigt ist, zurückkehrt. Dabei entsteht in der Pumpkammer 26 ein Unterdruck, durch den Fluid durch das Einlassventil 32 in die Pumpkammer 26 gesaugt wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt die Rückkehr der Pumpmembran in die Ausgangsstellung lediglich durch die Elastizität derselben.
Die Position der Pumpmembran am Ende des Druckhubs und die Position der Pumpmembran am Ende des Saughubs können als zwei Endstellungen betrachtet werden, da diese Stellungen die Positionen der Pumpmembran sind, an denen die Bewegung der Pumpmembran bei einem gegebenen Aufbau und einer gegebenen Betätigung endet. Die Volumendifferenz zwischen den zwei Endstellungen entspricht dem Hubvolumen der Membranpumpe. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die tatsächlichen Endstellungen vom jeweils herrschenden Gegendruck abhängig sind.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membranpumpe derart ausgelegt, dass durch Anlegen einer Betätigungsspannung die Pumpmembran in die Stellung ausgelenkt wird, in der das Pumpkammervolumen reduziert ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen, kann die Membranpumpe derart ausgelegt sein, dass durch Anlegen einer Betätigungsspannung die Pumpmembran ausgelenkt wird, um das Pumpkammervolumen zu erhöhen. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die Pumpmembran in eine Stellung, in der das Pumpkammervolumen reduziert ist, vorgespannt sein.
Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind der Durchmesser und die Dicke der Pumpmembran 14, die Eigenfrequenz der Ventilklappen 32a und 34a, die Form der Pumpkammer 26 sowie die Betriebsfrequenz der durch die Treibereinrichtung 24 angelegten Betätigungsspannung derart angepasst, dass bei einem Durchmesser der Pumpmembran ≦ 50 mm eine Förderrate von mindestens 40 ml/min für Flüssigkeiten oder mindestens 250 ml/min für Gase erreicht wird. Entsprechende Parameter, die eingestellt werden können, um dies zu erreichen, bzw. Maßnahmen, die ergriffen werden können, um dies zu erreichen, werden im Folgenden näher erläutert.
Bei Betriebsfrequenzen f unterhalb einer Grenzfrequenz fg hängt die Förderrate von Membranpumpen wie folgt mit dem Hubvolumen ΔV zusammen: $Q = Δ V \cdot f .$
Wie in Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist, geht dieser lineare Bereich bis zu einer Grenzfrequenz fg, die vom Pumpendesign abhängt. Um die Förderrate zu erhöhen, können somit das Hubvolumen ΔV und die Grenzfrequenz f_g erhöht werden. Bei Ausführungsbeispielen kann das Hubvolumen ΔV abhängig von einem durch eine Anwendung der Pumpe vorgegebenen maximalen Blockierdruck des Biegewandlers, der aus Piezoaktor und Pumpmembran gebildet ist, maximiert werden. Ferner kann die Grenzfrequenz fg maximiert werden, wobei die Betriebsfrequenz vorzugsweise kleiner als die Resonanzfrequenz f_res der Ventile zu wählen ist.
Hinsichtlich des Designs der Pumpmembran gibt es zwei Hauptaspekte, nämlich das erzeugbare Hubvolumen ΔV und den erzeugbaren Gegendruck. Piezo-Membranwandler, wie sie beispielsweise durch eine Pumpmembran 14 und eine flächig aufgebrachte Piezokeramik gebildet sein können, können ein Hubvolumen bei einem gegebenen Gegendruck bzw. Druckhub erzeugen.
Für einen Piezo-Biegewandler mit runder Membran und darauf aufgebrachter Piezokeramik ergeben sich folgende Designregeln. Bei den folgenden Betrachtungen wurde dabei von einer Piezokeramik ausgegangen, deren Radius dem 0,8-fachen Radius der Membran entsprach. Für das Hubvolumen ΔV und den Druckhub Δp einer runden Membran gelten folgende Zusammenhänge: $Δ V = 0,4 (E_{3} d_{31} R^{4}) / h_{p};$
$Δ p = 2,5 {(h_{p} / R)}^{2} E_{3} d_{31} E_{p} .$
Dabei bezeichnen E₃ das elektrische Feld senkrecht zur Piezomembran, also in Dickenrichtung, d₃₁ ein Matrixelement der Piezomatrix der Piezokeramik, das angibt, wie stark die relative Längenänderung bei Anlegen eines elektrischen Feldes in Dickenrichtung ist, R den Radius der runden Membran, hp die Dicke der Piezomembran und E_p das Elastizitätsmodul der Piezokeramik.
Zum Design eines Piezo-Biegewandlers für eine Membranpumpe sind in der Regel ein Hubvolumen V₀ und ein Druckhub p₀ aus einem Referenzdesign gegeben und ein Hubvolumen V₁ und ein Druckhub p₁ aus einer Spezifikation einer gewünschten Membranpumpe. Gesucht wird nach dem Radius R₁ für die Membran der gewünschten Membranpumpe sowie der Dicke h_p1 derselben. Unter Verwendung der folgenden Verhältnisse: $α = V_{1} / V_{0} = {(R_{1} / R_{0})}^{4} h_{p 0} / h_{p 1}$
$β = p 1 / p 0 = {(R_{0} / R_{1})}^{2} {(h_{p 1} / h_{p 0})}^{2},$
wobei h_p0 und R₀ die Dicke bzw. den Radius der Membran der Referenzpumpe bezeichnen, ergibt sich für Radius und Dicke der Piezomembran folgende Berechnungsvorschrift: $R_{1} = R_{0} {sqrt}^{6} (α^{2} β)$
$h_{p 1} = h_{p 0} {sqrt}^{3} (α β^{2}) .$
Es folgt somit, dass der Piezo-Membranwandler bezüglich großer Volumina und großer Drücke skaliert werden kann. Die entsprechenden Geometrieparameter des Piezo-Membranwandlers sind der Radius R₁ und die Dicke h_p1 der Piezomembran. Um entsprechende Pumpmembrane kostengünstig implementieren zu können, werden bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Federedelstahlmembrane verwendet.
Hierbei ist zu berücksichtigen, dass für größere Piezomembrandicken auch größere angelegte Spannungen erforderlich sind. Maximal handhabbare Spannungen sind dabei begrenzt, beispielsweise auf 1000 Volt, so dass dadurch auch die mögliche Dicke der Piezomembran begrenzt ist.
Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Grenzfrequenz f_g diejenige Betriebsfrequenz der Mikropumpe, bei der die Förderkennlinie den linearen Bereich verlässt, wie in Fig. 3 dargestellt ist. Die Grenzfrequenz hängt vom Strömungswiderstand der passiven Rückschlagventile sowie vom Strömungswiderstand in der Pumpkammer ab, so dass diese zu betrachten sind, wenn nach Maßnahmen, die getroffen werden können, um die Grenzfrequenz zu erhöhen bzw. zu maximieren, gesucht wird.
Zur Erläuterung sei diesbezüglich die Differentialgleichung einer Mikromembranpumpe in einem homogenen Druckmodell betrachtet. Bei diesem Modell wird die Annahme getroffen, dass es einen homogenen Pumpkammerdruck p gibt. Dabei muss jedoch vorausgeschickt werden, dass dieses Modell seine Gültigkeit verliert, wenn die Pumpkammer zu einem schmalen Spalt verringert wird, um das Totvolumen zu verringern und das Kompressionsverhältnis zu maximieren. Jedoch liefert dieses Modell einen analytischen Zusammenhang zwischen der Grenzfrequenz, dem Strömungswiderstand am Ventil und den fluidischen Kapazitäten in der Pumpkammer.
Das Modell wird anhand der in Fig. 4 gezeigten Querschnittdarstellung beschrieben, das eine Mikromembranpumpe mit einer Pumpmembran 14', einer Pumpkammer 26', einem Einlassventil 32' und einem Auslassventil 34' zeigt. In der Pumpkammer 26' ist eine Gasblase 40 in einer Flüssigkeit, die schraffiert dargestellt ist, angeordnet.
Die grundlegende Differentialgleichung für den Pumpkammerdruck ist wie folgt: $\frac{dp}{dt} = \frac{q_{EV} - q_{AV} - X_{M}^{\frac{d U_{M}}{dt}}}{C_{M} + C_{AV} + C_{EV} + C_{gas} + C_{PK}} .$
q_EV stellt den Zufluss durch das Einlassventil 32' dar, q_AV stellt den Abfluss durch das Auslassventil 34' dar, X_M stellt einen Piezo-Kopplungsterm für den Piezo-Biegewandler dar, U_M stellt die Antriebsspannung dar, C_M stellt die fluidische Kapazität der Pumpmembran dar, C_EV stellt die fluidische Membran des Einlassventils dar, C_AV stellt die fluidische Kapazität des Auslassventils dar, C_gas stellt die fluidische Kapazität des Gaseinschlusses 40 dar, und C_PK stellt die fluidische Kapazität der Pumpkammer dar.
Die fluidischen Kapazitäten hängen dabei von den in Fig. 4 angegebenen Fluidmassen m_EV, m_M, m₀ und m_AV ab, wobei m_EV die von dem Rückschlagventil 32' zu bewegende Fluidmasse, m_M die von der Membran zu bewegende Fluidmasse, m₀ die Fluidmasse im Totvolumen der Pumpkammer und m_AV die von dem Rückschlagventil 34' zu bewegende Fluidmasse bezeichnen. Wichtig ist weiterhin, dass der Aufbau des Drucks beim Saug- und Druckhub rasch erfolgt, also beispielsweise beim Anlegen einer Rechteckspannung an eine Piezokeramik mit der Zeitkonstanten τ_A=RC, die schnell ist gegenüber 1/f_g. R stellt dabei den elektrischen Ladewiderstand der Piezokeramik dar, während C die elektrische Kapazität der Piezokeramik darstellt. Diese Bedingung kann beim Piezoantrieb leicht erfüllt werden: $U_{M} (t) = U_{M 0} (1 - e^{\frac{t}{τ_{A}}}) .$
U_M0 ist dabei die Amplitude der Rechteckspannung.
In einem groben Modell kann nun der Strömungswiderstand des Ein- und Auslassventils linearisiert werden: $q_{EV} = \frac{1}{R_{EV}} (p_{1} - p); q_{AV} = \frac{1}{R_{AV}} (p - p_{2})$
R_EV ist dabei der Strömungswiderstand des Einlassventils, R_AV der Strömungswiderstand des Auslassventils, p₁ der Druck am Einlass und p₂ der Druck am Auslass.
Damit kann die Differentialgleichung für den Pumpkammerdruck p gelöst werden, beispielsweise für den Druckhub: $p (t) = \frac{X_{M}}{C_{M} + C_{AV} + C_{gas}} U_{M 0} \frac{1}{1 - \frac{τ_{A}}{τ_{P}}} (e^{\frac{t}{τ_{p}}} - e^{\frac{t}{τ_{A}}}) .$
In der Lösung für den Druckhub (R_EV und C_EV vernachlässigt) taucht die "typische Hubzeit" τ_p auf: $τ_{p} = R_{AV} (C_{M} + C_{AV} + C_{gas})$
Die typische Hubzeit entspricht der Zeit, die der Pumphub (bzw. der Saughub) benötigt, um das gesamte Pumpkammervolumen umzusetzen.
Mit anderen Worten entspricht die Grenzfrequenz fg dann mindestens der inversen Summe aus typischer Hubzeit von Druck- und Saughub: $f_{g} \geq \frac{1}{2 τ_{p}}$
Um die Grenzfrequenz zu erhöhen, muss also der Strömungswiderstand des Ventils verringert werden, und müssen die fluidischen Kapazitäten von Membran, Ventilen und Gasblasen verringert werden.
Um den Strömungswiderstand der Rückschlagventile zu verringern, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Breite des Auflagesteges, auf dem die Ventilklappe im geschlossenen Zustand aufliegt, verringert werden. Mit Silizium-Mikromechanik ist es möglich, die Breite des Auflagesteges auf einen Wert von wenigen Mikrometern, beispielsweise 4 µm, zu verringern. Unter Breite des Auflagestegs wird dabei die Abmessung des Auflagestegs verstanden, entlang der sich im geöffneten Zustand des Rückschlagventils ein strömendes Fluid bewegt, so dass diese Breite den Fluidwiderstand des Rückschlagventils im geöffneten Zustand beeinflusst. Auflagestege von Kunststoffventilen, die mit Spritzguss hergestellt werden, oder Auflagestege aus Metall, die spanend hergestellt werden, können herstellungsbedingt nicht ohne großen Aufwand weniger als 50 - 100 µm breit gemacht werden, wodurch sich ein wesentlich höherer Strömungswiderstand ergibt.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden daher die Rückschlagventile als Siliziumventile ausgestaltet, da dies die Implementierung niedriger Strömungswiderstände mit geringem Aufwand ermöglicht.
Weiterhin können, um die Grenzfrequenz f_g zu erhöhen, auch die fluidischen Kapazitäten reduziert werden. In der Regel sind die fluidischen Kapazitäten der Ventilklappen C_AV und C_EV klein gegenüber der Kapazität der Pumpmembran C_M, und diese klein gegenüber der fluidischen Kapazität von Gaseinschlüssen C_gas. Im schlimmsten Fall (Worst Case) nimmt eine Gasblase das gesamte Volumen der Pumpkammer V_tot ein, wodurch sich folgende fluidische Kapazität ergibt: $C_{Gas} = \frac{ρ_{fl} V_{tot}}{P_{AT}} .$
ρ_fl bezeichnet dabei die Dichte des Gases, V_tot das Totvolumen der Pumpkammer und p_AT den Atmosphärendruck (wobei typischerweise von einem Atmosphärendruck zwischen 1000 und 1030 hPa ausgegangen werden kann). Die Forderung, die fluidische Kapazität von potentiellen Gasblasen zu reduzieren, ist also gleich bedeutend mit der Forderung, das Totvolumen der Pumpkammer zu reduzieren. Jedoch ist hier zu beachten, dass bei zu schmaler Pumpkammer der Strömungswiderstand in der Pumpkammer dominiert.
Fig. 5 zeigt schematisch eine Pumpkammer 56, die durch einen Pumpenkörper 52 und eine Pumpmembran 54 festgelegt ist. Rückschlagventile an einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung sind schematisch bei 58 in Fig. 5 gezeigt. Ferner ist in Fig. 5 eine Bewegung der Pumpmembran 54 durch einen bidirektionalen Pfeil 60 angedeutet, wobei drei Stellungen der Pumpmembran 54 in Fig. 5 gezeigt sind. Eine Stellung a zeigt eine Ausgangsstellung der Pumpmembran, die Stellung b zeigt die Pumpmembran im betätigten Zustand, und die Stellung c zeigt ein Überschwingen der Pumpmembran über die Ausgangsstellung a nach einem Saughub. Ein bidirektionaler Pfeil 62 zeigt eine Strömung in der Pumpkammer 56, wobei während eines Druckhubs die Strömung zu den Ventilen 58 hin gerichtet ist, während bei einem Saughub die Strömung von diesen Ventilen weg gerichtet ist.
Um das Totvolumen und damit die fluidische Kapazität einer Gasblase zu reduzieren, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der Pumpkammerboden, d.h. die in dem Pumpenkörper 52 gebildete Ausnehmung, die die Pumpkammer festlegt, an die maximale Auslenkung der Membran 54 angepasst. Dies ist in Fig. 5 durch die schräg verlaufenden Bereiche 52a und 52b des Pumpkammerbodens angedeutet. Sind jedoch der Pumpkammerboden und die Pumpmembran derart ausgestaltet, dass der Festspalt zwischen Membran und Pumpkammerboden verschwindet, steigt der Strömungswiderstand und somit die Grenzfrequenz gegen unendlich. Es existiert also ein optimaler Restspaltabstand, bei dem die Förderrate auch bei einer Worst-Case-Betrachtung maximiert wird.
Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist daher die Membranpumpe derart ausgelegt, dass bei vollständiger, durch die Betätigung bewirkte Auslenkung der Membran zu dem Pumpkammerboden hin, ein Restspalt verbleibt, der so dimensioniert ist, dass der Strömungswiderstand der Strömung durch diesen Restspalt nicht größer ist als der Strömungswiderstand des passiven Rückschlagventils an der Einlassöffnung oder der Auslassöffnung.
Um zu ermöglichen, dass die Mikroventile Druckänderungen in der Pumpkammer verzögerungsfrei folgen können, sollte die Eigenresonanzfrequenz F_res der Ventile derselben oberhalb der Grenzfrequenz f_g liegen.
Die Resonanzfrequenz f_res einer frei in Luft schwingenden Ventilklappe eines passiven Rückschlagventils ist: $2 π f_{res} = ω_{res} = \frac{d_{k}}{2 l_{k}^{2}} \sqrt{\frac{E}{ρ_{k}}}$
Dabei steht d_k für die Dicke der Ventilklappe, l_k für die Länge der Ventilklappe, ρ_k für die Dichte der Ventilklappe und E für das Elastizitätsmodul der Ventilklappe.
Die Eigenfrequenz ist unabhängig von der Klappenbreite. Bei einem Silizium-Klappenventil mit (d_k = 15 µm, l_k = 1,7 mm, ρ_k = 2100 kg/m³, E = 169 GPa), ergibt sich eine Eigenfrequenz, von f_res = ω_res/(2π) = 3,6 kHz.
In einer Flüssigkeitsumgebung sinkt die Eigenfrequenz der Ventilklappe, da diese bei der Bewegung auch Flüssigkeit beschleunigen muss und daher von einem wesentlich größeren Trägheitsmoment auszugehen ist. Diese Problemstellung kann nicht mehr analytisch gelöst werden, da hier eine Kopplung der Elastomechanik mit der Strömungsmechanik unter Berücksichtigung der Trägheitsterme von Ventilklappe und Flüssigkeit erforderlich ist. Eine Simulation zeigte eine Eigenfrequenz f_res einer Ventilklappe mit den oben angegebenen Abmessungen in einer Flüssigkeitsumgebung von f_res = 830 Hz. Diese liegt somit etwa um einen Faktor 4 unter der Eigenfrequenz in Luft.
Ein Kunststoff-Klappenventil mit gleichen Geometrieabmessungen, das ein Elastizitätsmodul von 5 GPa hat, hat eine um den Faktor sqrt(5/169) = 0,17 geringere Resonanzfrequenz, beim angegebenen Zahlenbeispiel also eine Resonanzfrequenz von nur 142 Hz.
Beispielhafte Abmessungen für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membranpumpe sind im folgenden angegeben. Der Durchmesser der Mikropumpe, also der Durchmesser der Pumpkammer bzw. der Pumpmembran kann 30 mm betragen, die Dicke der Membran kann 150 µm betragen, die Dicke des Piezoaktors kann 300 µm betragen und der Durchmesser des Piezoaktors 23,8 mm. Dabei kann beim Anlegen einer Spannung zwischen Umin von -90 V und Umax von 450 V ein Blockierdruck von 630 hPa erzeugt werden. Beispielhafte Aktordaten lauten:

Blockierdruck: 630 hPa
Hubvolumen: 32,1 µl
Totvolumen: 16,7 µl
Nutzbares Hubvolumen (bei adiabatischer Kompression): 30,5 µl.

Für unterschiedliche Grenzfrequenzen fg kann der folgende maximale Fluss Q erreicht werden:

Grenzfrequenz f_g Maximaler Fluss Q

67 Hz 120 ml/min

546 Hz 1 Liter/min
Die Verwendung von passiven Silizium-Rückschlagventilen für Membranpumpen, und insbesondere Membranpumpen kleiner Bauart und hoher Förderleistung ist vorteilhaft, da diese eine im Vergleich zu Kunststoffventilen hohe Resonanzfrequenz aufweisen. Ferner lässt sich Silizium hoch genau strukturieren, mit sehr schmalen (wenigen Mikrometer breiten) Auflagestegen, was zu einem im Vergleich zu Kunststoffventilen (die einen breiten Auflagesteg mit einer Breite von ca. 100 µm haben) geringen Strömungswiderstand führt, was wiederum die Grenzfrequenz erhöht. Siliziumventile besitzen darüber hinaus einen geringen Platzbedarf, wobei beispielsweise das Rückschlagventilmodul 36 eine Chipgröße von 3x4 mm² aufweisen kann. Darüber hinaus sind Siliziumventile ermüdungsfrei und zeigen ein ideal-elastisches Verhalten.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Implementierung kostengünstiger Membranpumpen, insbesondere Mikromembranpumpen mit hoher Förderrate und gleichzeitig möglichst kleinem Bauraum.
Insbesondere ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine hohe Förderrate von 40 ml/min für eine zu fördernde Flüssigkeit oder von 250 ml/min für ein zu förderndes Gas bei einem Pumpmembrandurchmesser ≤ 50 mm. Im Falle einer von einer runden Form verschiedenen Form können entsprechende Förderraten bei einer größten Erstreckung der Pump-membran in einer Richtung ≤ 50 mm erreicht werden.
Erfindungsgemäße Membranpumpen können in einer Vielzahl von Bereichen vorteilhaft eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele sind z.B. Luftpumpen für Brennstoffzellen, bei denen Förderraten von typischerweise 1 - 5 Liter/min und Gegendrücke von typischerweise 50 hPa - 500 hPa gefordert werden. Ferner können Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Membranpumpen als Flüssigkeitspumpen für Brennstoffzellen, beispielsweise Methanol/Wasser-Dosierpumpen, mit geforderten Förderraten von 80 ml/min eingesetzt werden. Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpen können ferner als Wasserpumpen für die Atemluftbefeuchtung, als Flüssigkeitspumpen für Infusionsanwendungen mit Förderraten bis zu 200 ml/min, oder als Mikropumpen für Kühlsysteme, z.B. Wasser mit einer Förderrate von 50 ml/min bei 200 hPa Gegendruck eingesetzt werden.
Die Fig. 6 bis 9 zeigen schematisch Ergebnisse, die bei der Implementierung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe mit einem Gesamtdurchmesser von 30 mm und einer Gesamtdicke von 4 mm (ohne Stecker) erreicht wurde.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein Rückschlagventil am Einlass und ein Rückschlagventil am Auslass vorgesehen. Alternativ könnten auch am Einlass und/oder Auslass zwei Rückschlagventile parallel oder hintereinander vorgesehen sein. Beispielsweise könnten am Einlass und/oder Auslass zwei Ventilsitze und jeweils eine zugeordnete Ventilklappe nebeneinander vorgesehen sein.
Die passiven Rückschlagventile können in einem Siliziumchip bzw. einem Chipmodul, der bzw. das in einer entsprechenden Ausnehmung in dem Pumpenkörper befestigt (z.B. geklebt) ist, integriert sein. Alternativ können die Rückschlagventile in separaten Chips vorgesehen sein, die in separaten Ausnehmungen des Pumpenkörpers befestigt (z.B. geklebt) sind, so dass zwischen den Ausnehmungen ein Steg des Pumpenkörpers verläuft. Dadurch können mögliche Querleckprobleme vermieden werden, die auftreten können, wenn der Abstand zwischen zwei in einem Chip gebildeten Rückschlagventilen klein wird.

Claims

Membranpumpe (10) mit folgenden Merkmalen:
einer Pumpkammer (26; 56), mit einer Einlassöffnung (28) und einer Auslassöffnung (30);

einem passiven Silizium-Rückschlagventil (32) an der Einlassöffnung (28);

einem passiven Silizium-Rückschlagventil (34) an der Auslassöffnung (30);

einer metallischen Pumpmembran (14; 54), die an die Pumpkammer (26; 56) angrenzt; und

einer Betätigungseinrichtung (16, 24) zum Bewegen der Pumpmembran (14; 54) von einer ersten Endstellung, die ein erstes Pumpkammervolumen definiert, in eine zweite Endstellung, die ein zweites Pumpkammervolumen definiert, aufweist, wobei eine Differenz zwischen dem ersten Pumpkammervolumen und dem zweiten Pumpkammervolumen ein Hubvolumen festlegt,

wobei die Pumpkammer (26; 56) einen Pumpkammerboden, der der metallischen Pumpmembran (14; 54) gegenüberliegt, aufweist, wobei der Pumpkammerboden an die maximale Auslenkung der Pumpmembran (14; 54) angepasst ist, wobei ein Spalt zwischen dem Pumpkammerboden und der Pumpmembran (14; 54) verbleibt, wenn die Pumpmembran in der Endstellung ist, die ein kleineres Pumpkammervolumen definiert als die andere Endstellung, der für eine Strömung durch denselben einen Strömungswiderstand bietet, der nicht größer ist als ein Strömungswiderstand des passiven Rückschlagventils (34) an der Auslassöffnung (30) oder als ein Strömungswiderstand des passiven Rückschlagventils (32) an der Einlassöffnung (28), und

wobei die Rückschlagventile (32, 34) eine Ventilklappe (32a, 34a) und einen Auflagesteg (32b, 34b), auf dem die Ventilklappe (32a, 34a) aufliegt, wenn das Rückschlagventil (32, 34) geschlossen ist, aufweisen, wobei der Auflagesteg eine Breite ≤ 50 µm, ≤ 20 µm, ≤ 10 µm oder ≤ 5 µm aufweist,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Spalt, der zwischen dem Pumpkammerboden und der Pumpmembran verbleibt, wenn die Pumpmembran in der Endstellung ist, die ein kleineres Pumpkammervolumen definiert als die andere Endstellung, im zentralen Bereich der Pumpkammer größer ist als in einem Randbereich derselben.
Membranpumpe (10) nach Anspruch 1, bei der die Betätigungseinrichtung eine auf der Pumpmembran (14) angeordnete Piezokeramik (16) aufweist.
Membranpumpe nach Anspruch 1 oder 2, bei der
die Betätigungseinrichtung (16, 24) zum Betätigen der Pumpmembran (14) mit einer Betriebsfrequenz ausgelegt ist, die kleiner ist als eine Eigenresonanzfrequenz von Ventilklappen (32a, 34a) der passiven Rückschlagventile (32, 34),
eine größte Erstreckung der Pumpmembran (14) in einer Richtung ≤ 50 mm ist; und
die Erstreckung und eine Dicke der Pumpmembran (14; 54), ein Strömungswiderstand der passiven Rückschlagventile, und eine Form der Pumpkammer hinsichtlich eines Totvolumens und eines Strömungswiderstands derart ausgelegt sind, dass eine Förderrate der Membranpumpe (10) bei Betätigung der Pumpmembran mit der Betriebsfrequenz für eine zu fördernde Flüssigkeit ≥ 40 ml/min ist oder für ein zu förderndes Gas ≥ 250 ml/min ist.
Membranpumpe nach Anspruch 1, bei der der Pumpkammerboden so geformt ist, dass der Spalt, der zwischen dem Pumpkammerboden und der Pumpmembran verbleibt, wenn die Pumpmembran in der Endstellung ist, die ein kleineres Pumpkammervolumen definiert als die andere Endstellung, in einem der Auslassöffnung (30) und der Einlassöffnung (28) gegenüberliegenden Bereich größer ist als in einem von diesem Bereich beabstandeten Bereich der Pumpmembran (14).
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Pumpkammer (26; 56) in Draufsicht kreisförmig ist, und bei der die Einlassöffnung (28) und die Auslassöffnung (30) einem zentralen Bereich der Pumpmembran (14) gegenüberliegend angeordnet sind.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der die metallische Pumpmembran (14; 54) eine Edelstahlmembran aufweist.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Pumpkammer in einem Pumpenkörper (12; 62) gebildet ist.
Membranpumpe nach Anspruch 7, bei der der Pumpenkörper (12; 62) aus Kunststoff besteht.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die passiven Rückschlagventile in einem gemeinsamen Baustein gebildet sind.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der die passiven Rückschlagventile in separaten Bausteinen gebildet sind.