EP2222959B1

EP2222959B1 - Verfahren zum fördern eines fluids und mikropumpe hierfür

Info

Publication number: EP2222959B1
Application number: EP20080847009
Authority: EP
Inventors: Frank Bartels; Severin Dahms; Uwe Kampmeyer; Markus Rawert
Original assignee: Bartels Mikrotechnik GmbH
Current assignee: Bartels Mikrotechnik GmbH
Priority date: 2007-11-05
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2012-01-25
Anticipated expiration: 2028-09-25
Also published as: ATE543002T1; WO2009059664A1; US20110005606A1; EP2222959A1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Pump-Fördertechnik, und insbesondere Verfahren zum Pumpen kleiner und kleinster Mengen eines Fluids, und hier insbesondere Pumpen, welche aus Pumpkammern, Membranaktuatoren und Ventilen aufgebaut sind.

Stand der Technik und Nachteile

Pumpen zum Fördern von Fluiden, also Gasen und Flüssigkeiten sowie Gemischen derselben sind seit langem bekannt und in einer großen Vielfalt erhältlich.
Auch die im Vergleich zu anderen Industriezweigen noch junge Disziplin der Mikrosystemtechnik bedarf entsprechender Fördermittel. Einige der aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Pumptechniken wurden in den letzten Jahren mit unterschiedlichem Erfolg auf das Gebiet der Mikrosystemtechnik übertragen. Ein häufig unterschätztes Problem besteht hier in der Bereitstellung einer blasentoleranten Vorrichtung, da aufgrund der geringen Ausmaße der in Mikropumpen eingesetzten Pumpkammern bereits kleinste Blasen zu Verstopfungen der Kanäle und/oder der Pumpkammern führen. Gasblasen können beispielsweise beim ersten Einsatz der Pumpe, durch im Pumpmedium bereits vorhandene Blasen, durch das Entstehen von Gasblasen aus einem zunächst in der Flüssigkeit gelösten Gases, oder durch starken Unterdruck entstehen.
Aus dem Stand der Technik sind Pumpen auf Siliziumbasis bekannt, bei denen wesentliche Teile wie Pumpmembran und/oder Ventile aus Silizium mittels Ätztechniken hergestellt werden, wie beispielsweise aus der Druckschrift US 2004/0001767 A1 , aus der die Merkmale des Oberbegriffs von Anspruch 1 hervorgehen. Eine weitere solche Konstruktion findet sich unter Anderem in H.T.G. van Lintel, F.C.M. van de Pol, "A piezoelectric micropump based on micromachining of silicon", Sensors and Actuators, 15 1988, S. 153-167. Derartige Pumpen reagieren im Allgemeinen empfindlich auf Gasblasen im Fluidstrom und werden daher häufig mit hydrophilen Beschichtungen ausgekleidet, wobei die hohe Hydrophilität des Grundmaterials Silizium von Vorteil ist. Die Möglichkeiten der Vermeidung von Probleme durch im Fluidstrom mittransportierte Gasblasen sind jedoch begrenzt, insbesondere im Falle von Einkammerpumpen.
Als Antrieb werden zumeist piezokeramische sowie thermisch, elektrostatisch oder elektromagnetisch wirkende Aktuatoren eingesetzt.
Weiterhin werden Peristaltikpumpen beschrieben, die aufgrund ihres Mehrkammeraufbaues die Fähigkeit besitzen, Gasblasen, die sich in einer ersten Kammer befinden, durch Entleeren derselben in die nächste Kammer zu pressen, ohne dass eine Gefahr des Zurückwanderns der Gasblase besteht. Ein solcher Aufbau ist beispielsweise der Druckschrift WO 95/20105 entnehmbar. Durch die Aneinanderreihung mehrerer Einzelpumpen entsteht eine Pumpenkaskade. Durch einen Phasenversatz, der beispielsweise bei drei Kammern 120° beträgt, wird ein kontinuierlicher Transport des Fluids in eine Richtung erreicht.
Wenngleich derartige Peristaltikpumpen auf der einen Seite robust gegen Gasblasen im Fluid reagieren, benötigen sie immer mindestens drei Kammern, da sonst der Phasenversatz 180° betragen würde, so dass die Förderrichtung nicht mehr definiert wäre. Weiterhin benötigt der Antrieb der drei oder mehr Kammern entsprechend viel Raum und Energie zum Betrieb.

Aufgabe der Erfindung und Lösung

Aufgabe der Erfindung ist daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Fördern von Fluiden bereitzustellen, welches miniaturisierbar, energiesparend und blasentolerant ist und außerdem eine effektive Förderung gestattet.
Dementsprechend wird eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 6 vorgeschlagen. Weitere Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen aufgeführt und der nachfolgenden Beschreibung sowie den begleitenden Zeichnungen zu entnehmen.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zum blasentoleranten und effektiven Fördern eines Fluids, die aufgrund ihres einfachen und robusten Aufbaues besonders für den Einsatz in der Mikrosystemtechnik geeignet sind, wie zum Beispiel im Gebiet der Lebenswissenschaften, der Medizintechnik, der Körperhygiene, der Kosmetik usf. Ebenso ist die vorstehende Erfindung gut für den Einsatz in der Umwelttechnologie, in Spielzeugen oder anderen, besonders rauten Umgebungen geeignet.
Demnach umfasst die Erfindung insbesondere folgende Grundkomponenten:

eine Anzahl von mindestens zwei Pumpkammern, von denen jede ein eigenes Kammervolumen aufweist, und von denen jedes Kammervolumen unabhängig von allen anderen veränderbar ist. Dabei verlaufen die Volumenänderungen der Pumpkammern im Wesentlichen jeweils periodisch mit einer im Wesentlichen gleichen Frequenz f;
N Aktuatoren zur Veränderung der jeweiligen Kammervolumina, wobei N der Anzahl der Pumpkammern entspricht und jeder Aktuator einer bestimmten Pumpkammer zugeordnet werden kann;
eines oder mehrere Ventile zur Festlegung der Pumprichtung;
einen gemeinsamen Einlass und einen gemeinsamen Auslass, von denen jeder unabhängig vom anderen und bevorzugt so ausgestaltet ist, dass er elastische Schläuche, oder nach alternativen Ausführungsformen auch als Schraubgewinde, als Lueranschluss, als Bohrung oder als Steckanschluss ausgeführt sein kann;
sowie nach einer bevorzugten Ausführungsform ein gemeinsames Gehäuse, in welches die beschriebenen Komponenten integrierbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die N Pumpkammern seriell hintereinander angeordnet, und die Formen der Perioden der Volumenänderungen aller Pumpkammern sind im Wesentlichen identisch, und zwischen der Volumenänderung des Kammervolumens zweier aufeinander folgender Pumpkammern besteht ein idealer Phasenversatz PHI von ungefähr 180°.
Je nach Art der Aktuatoren erfolgt deren Ansteuerung beispielsweise elektrisch, mechanisch, magnetisch, und bevorzugt gibt dabei die Ansteuerkurve des Aktuators die Volumenänderung in der jeweiligen Pumpkammer vor. Ein idealer Phasenversatz ist von einem tatsächlichen Phasenversatz PHI* abzugrenzen; damit ist gemeint, dass unter bestimmten Umständen, wie noch gezeigt werden wird, eine bewusste Abweichung vom idealen Wert angestrebt werden kann, dass jedoch in der Grundkonfiguration von jeder Pumpkammer zur nächsten ein Phasenversatz PHI von 180° einzustellen ist. Im Fall von vier Pumpkammern würden demnach die erste und dritte phasengleich, und die zweite und vierte gerade entgegengesetzt zur ersten und dritten Kammer arbeiten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass N = 2 ist, sie also gerade aus zwei Pumpkammern besteht. Diese ist die kleinste der möglichen Kammeranzahlen; wie Versuche gezeigt haben, ist die Vorrichtung in der Lage, sofern sie einen Aufbau entsprechend der hier dargelegten Lehre besitzt und entsprechend dem noch zu beschreibenden erfindungsgemäßen Verfahren angewendet wird, alle Anforderungen zu erfüllen, wie sie aus der oben dargelegten Problemstellung erwachsen, insbesondere die Anforderung an eine exzellente Blasentoleranz.
Zu einem ausreichend sicheren, d.h. insbesondere auch blasentoleranten und effizienten Betrieb sollte der tatsächliche Phasenversatz PHI* bevorzugt nicht mehr als ± 7% und besonders bevorzugt nicht mehr als ± 3% vom idealen Phasenversatz PHI abweichen. Je nach Pumpmedium, Dichte, Temperatur, Flussgeschwindigkeit und Aufbau der Pumpvorrichtung können diese Zahlen variieren; generell ist eine geringere Abweichung immer vorzuziehen. Bevorzugt können auch jeweils der N. und der N+2. Aktuator mit jeweils derselben Steuerkurve angesprochen werden, so dass zumindest alle geraden bzw. alle ungeraden Pumpkammern in genau der gleichen Phase arbeiten.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für den Einsatz mit Fluiden gedacht. Dabei kann das Fluid eine Flüssigkeit, ein Gas, oder ein Flüssigkeits-Gas-Gemisch sein, bei welchem das Gas in der Flüssigkeit gelöst und/oder in Blasenform vorliegen kann. Derartige Flüssigkeiten können beispielsweise auch Blut oder andere Körperflüssigkeiten sein, in denen gelöstes Gas vorhanden ist, welches sich unter bestimmten Druckveränderungen in Form von (zumeist unerwünschten) Gasblasen zeigt, die ihrerseits die Pumpvorrichtung blockieren können. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung können derartige Gasblasen nicht mehr zu einer Blockade der Pumpvorrichtung führen, was insbesondere im Bereich der Medizintechnik von hoher Wichtigkeit ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst jede Pumpkammer bevorzugt mindestens ein eigenes Einlass- und/oder mindestens ein eigenes Auslassventil, und besonders bevorzugt zwei eigene Einlassventile und zwei eigene. Auslassventile. Versuche haben gezeigt, dass bei der Verwendung von Doppelventilen ein besonders hoher Grad an Zuverlässigkeit beim Betrieb der Vorrichtung erreicht werden kann.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Ventile derart angeordnet und ausgestaltet, dass die durch sie hervorgerufenen Richtungsänderungen des Fluidstroms minimiert sind. Dadurch wird die zum Transport des Fluids benötigte Energie minimiert, und die Wahrscheinlichkeit des Festsetzens von Gasblasen weiter verringert. Die genaue Ausgestaltung der Fluidkomponenten hängt dabei von der Art der Verwendeten Aktuatoren, Pumpkammerformen usw. ab; als Regel kann jedoch gelten, dass Winkeländerungen im Fluidpfad nicht abrupt sein sollen und insbesondere rechte Winkel zu vermeiden sind. Wechsel von einer Fluidebene zu einer anderen sollen ausreichend langsam und flach verlaufen, was bedeutet, dass die Bohrung, die beide Fluidebenen miteinander verbindet, einen Durchmesser haben soll, der mindestens so groß wie ihre Länge ist.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist diese dadurch gekennzeichnet, dass sie zur Änderung der jeweiligen Kammervolumina Piezomembranaktuatoren umfasst. Insbesondere scheiben- oder plattenförmige Aktuatoren sind besonders bevorzugt. Allerdings sind auch andere Aktuatoren zur Veränderung der jeweiligen Kammervolumina denkbar, wie beispielsweise mechanische, thermische, magnetische, elektrostatische oder andere, eine Veränderung des Kammervolumens herbeiführende Aktuatoren, wobei insbesondere diejenigen besonders bevorzugt sind, die einen besonders geringen Energie- und Platzbedarf aufweisen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform bestehen alle in Kontakt mit dem Fluid stehenden Bauelemente aus Polyphenylsulfon (PPSU). Dieses Material bietet insbesondere im Hinblick auf das zum Fügen der Erfindung bevorzugte Füge- und Fertigungsverfahren wünschenswerte Vorzüge. Selbstverständlich ist die Erfindung jedoch in keiner Weise auf dieses Material beschränkt. So kann es beispielsweise notwendig sein, im medizinischen oder umwelttechnischen Bereich die mit dem Fluid in Verbindung stehenden Teile speziell zu beschichten, beispielsweise durch biokompatible oder andere, besonders inerte Materialien, um die Vorrichtung an die spezifischen Anforderungen anzupassen. Auch andere Materialien, wie Silizium, Metalle oder Gläser sind denkbar, wobei im Falle wenig dehnbarer Materialen sichergestellt werden muss, dass die Aktuatoren nach wie vor zu einer erfindungsgemäßen Veränderung des Kammervolumens führen können.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Vorrichtung sind alle miteinander zu verbindenden Bauelemente mittels dem Verfahren des "Laserdurchstrahlschweißens" verbindbar. Dieses Verfahren eignet sich insbesondere zum Verbinden von Kunststoffen und bietet neben kurzen Fertigungszeiten die Möglichkeit, ohne Klebstoffe eine hermetisch dichte Verbindung zu erzeugen, welche der Festigkeit des Ursprungsmaterials nahe kommt. Besonders im Bereich der Medizintechnik wird dieses Verfahren mit Erfolg eingesetzt. Je nach Wellenlänge des zum Schweißen benutzten Lasers ist darauf zu achten, dass jeweils ein absorbierendes und ein transparentes Bauelement miteinander zu verbinden sind.
Nach einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung geometrische Ausgestaltungen derart, dass eine fehlerhafte Montage der Bauelemente weitgehend ausgeschlossen wird. Dies ist insbesondere dann vor Vorteil, wenn die Montage der Vorrichtung manuell erfolgt, und in Folge der möglicherweise ähnlichen Bauelemente der einzelnen Pumpkammern, oder aufgrund von nahezu symmetrischen Ausgestaltungen dieser Bauelemente eine Verwechselungsgefahr besteht. Da die Korrektur derartiger Fehlmontagen Zeit kostet und schlimmstenfalls in defekten Pumpen resultiert, sind solche Montagefehler in jedem Fall zu vermeiden. Dies kann erfindungsgemäß dadurch geschehen, dass sich am Gehäuse bestimmte Marken oder Vorsprünge befinden, die die Montage weiterer Bauelemente nur auf eine ganz bestimmte Art und Weise zulassen, so dass Fehlmontagen praktisch ausgeschlossen sind, da diese sofort auffallen bzw. nur mit Beschädigung des Bauteils möglich sind. Derartige Montagehilfen bestehen demnach bevorzugt aus einem oder mehreren erhabenen Teilen und mit diesen korrespondierenden Aussparungen an andern Bauelementen. Besonders bevorzugt sind dabei solche Ausgestaltungen, die sich in einer Richtung senkrecht zu den einzelnen Schichten oder Funktionsebenen durch das gesamte Gehäuse ziehen, so dass nur eine minimale Anzahl von derartigen Ausgestaltungen notwendig ist.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, dass die zur Herstellung einer einzelnen Pumpkammer notwendigen Bauelemente, insbesondere das bzw. die Ventile und der Aktuator, gegen die zur Herstellung einer anderen Pumpkammer derselben Vorrichtung benötigten Bauelemente im Wesentlichen austauschbar bzw. mit diesen identisch ausgestaltet ist bzw. sind. Mit anderen Worten sind nach Möglichkeit jeweils alle Aktuatoren, alle Ventile und ggf. andere, sich in jeder Pumpkammer wiederholende Bauelemente jeweils identisch ausgestaltet. Auf diese Weise wird zum einen die Verwechslungsgefahr bei der Montage verringert, zum anderen werden die Kosten bei der Herstellung minimiert, da eine entsprechend größere Anzahl identischer Bauelemente im Normalfall kostengünstiger hergestellt werden kann als mehrere unterschiedliche Varianten mit entsprechend geringeren Stückzahlen.
Nach einer am meisten bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst diese die folgenden Bauelemente, wobei die Aufzählungsreihenfolge in Wesentlichen der Montagereihenfolge entspricht:

ein Bodenelement mit einer Ausnehmung, sowie einem in die Ausnehmung hinein führenden Einlass und einem aus der Ausnehmung heraus führenden Auslass, sowie außerdem zwischen dem Ein- und dem Auslass in derselben Ebene befindlichen Fluidstrukturen zur Führung des zu fördernden Fluids zu den Ventilen und zur fluidischen Konnektierung beider Pumpkammern und zur Anbindung an den Einlass und den Auslass;
eine Ventilfolie, die in die Ausnehmung einlegbar ist und die beweglichen Teile der Ventile trägt;
eine Zwischenschicht, die oberhalb der Ventilfolie in die Ausnehmung einlegbar ist und Öffnungen aufweist, welche die nicht beweglichen Teile der Ventile bilden
eine Schutzschicht, die oberhalb der Zwischenschicht in die Ausnehmung einlegbar ist und die mit der Zwischenschicht zwei in einer Ebene liegende Hohlräume bildet, die als Pumpkammern dienen;
zwei Aktuatoren mit Elektroden und elektrischen Anschlüssen, wobei jeder Aktuator jeweils kongruent mit der darunter liegenden Pumpkammer angeordnet ist, und wobei durch Betrieb des Aktuators das Kammervolumen der ihm zugeordneten Pumpkammer veränderbar ist;
ein Deckelelement, dessen Außenkonturen im Wesentlichen denen des Bodenelements entsprechen, und das auf das Bodenelement auflegbar ist und das nach Verbinden mit dem Bodenelement die Ausnehmung dergestalt abschließt, dass die in ihrem Inneren befindlichen Bauelemente vor äußeren Einflüssen geschützt sind.

Dabei sind das Bodenelement, die Zwischenschicht und das Deckelelement fluiddicht miteinander verbindbar.
Es ist klar, dass diese Aufzählung durch weitere, für die entsprechende Applikation sinnvolle oder notwendige weitere Bauelemente ergänzt werden kann und daher nicht als abschließend aufzufassen ist.
Nach einer anderen Ausführungsform ist die Vorrichtung nicht wie zuvor beschrieben als integrierte Variante, sondern durch Aneinanderreihung separater Einzelpumpen aufgebaut. Sie besteht also aus einer seriellen Anordnung von N separaten, jeweils nur eine einzelne Pumpkammer umfassenden Einzelpumpen, die miteinander mittels fluidischer Leitungen verbindbar ausgestaltet sind. Derartige Leitungen sind bevorzugt aus einem möglichst unnachgiebigen Material herzustellen, um den Energieverlust durch (unerwünschtes) Aufweiten der Leitungen bei jedem Pumpzyklus zu vermeiden. Daher sind derartige Leitungen besonders bevorzugt möglichst kurz, beispielsweise nicht mehr als 10 Zentimeter, auszugestalten.
Die Steuerung der Einzelpumpen erfolgt jedoch selbstverständlich wieder entsprechend dem weiter oben beschriebenen Muster, nach dem zwischen zwei aufeinander folgenden Pumpkammern ein Phasenversatz PHI von jeweils 180° herrscht.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die. Vorrichtung so ausgebildet, dass Informationen über den Förderzustand im laufenden Betrieb gewonnen werden können. Hierzu umfasst die Vorrichtung die nachfolgenden Merkmale:

Mindestens einer der Aktuatoren ist abschaltbar ausgebildet. Hierzu kann bevorzugt eine Schaltungsanordnung vorgesehen sein, die nicht nur den frequenzgesteuerten Betrieb des Aktuators ermöglicht, sondern auch über eine Ansteuermöglichkeit verfügt, die ein vorübergehendes oder auch dauerhaftes Aussetzen mindestens eines oder auch mehrerer Aktuatoren im laufenden Betrieb erlaubt. Dabei kann das Aussetzsignal beispielsweise vom ersten Aktuator in Durchflussrichtung "wandern", so dass immer nur einer, aber nicht immer derselbe Aktuator vorübergehend stillsteht.
Eine Schaltungsanordnung ist vorgesehen, die es gestattet, die durch mittels Fluiddruck an dem mindestens einen abgeschalteten Aktuator erzeugte Formänderung des Aktuators während des Betriebes der Vorrichtung mit einem oder mehreren nicht abgeschalteten Aktuator(en) zu detektieren. Mit anderen Worten erlaubt die Schaltungsanordnung ein Auslesen der durch den "passiven" Betrieb, also ohne Antriebsenergie erfolgenden, hervorgerufenen Formänderungen des mindestens einen abgeschalteten Aktuators. Im beispielhaften Falle von Piezoaktuatoren wird durch eine von Außen aufgebrachte Formänderung, z.B. durch Druckänderung in der Pumpkammer, eine Spannung induziert, welche dann über geeignete elektrische Leitungen nach Außen geleitet und dort gemessen werden kann. Als Leitungen können besonders bevorzugt auch die ohnehin bereits vorhandenen Leitungen verwendet werden, die zum Betrieb des jeweiligen Aktuators nötig sind. Besonders bevorzugt ist die für die erfindungsgemäße Auslesbarkeit der Formänderungen vorgesehene Schaltung in die Schaltung zur Ansteuerung rund zum temporären Abschalten des bzw. der Aktuatoren integriert und gewünschtenfalls mit einer Schnittstelle zu einem Bedienfeld, einem Computer oder einem Funkübertrager ausgestattet.

Nachfolgend wird insbesondere das erfindungsgemäße Verfahren näher beschrieben, welches besonders bevorzugt zusammen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ausführung kommt.
Demnach eignet sich das Verfahren zum blasentoleranten und effizienten Fördern eines Fluids, wobei es vorteilhaft mit einer Vorrichtung zusammenwirkt, die:

aus einer Anzahl von N ≥ 2 Pumpkammern mit N separaten Kammervolumen besteht, von denen jedes unabhängig von dem bzw. den anderen veränderbar ist, wobei die Volumenänderungen der Pumpkammern im Wesentlichen jeweils periodisch mit einer im Wesentlichen gleichen Frequenz f verlaufen;
N Aktuatoren zur Veränderung der jeweiligen Kammervolumina umfasst;
außerdem ein oder mehrere Ventile zur Festlegung der Pumprichtung bereitstellt;
und schließlich einen gemeinsamen Einlass und Auslass umfasst.

Dabei sind die N Pumpkammern seriell hintereinander angeordnet. Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert, dass die Formen der Perioden der Volumenänderungen aller Pumpkammern sind im Wesentlichen identisch sind, und dass die Pumpkammern derart angesteuert werden, so dass zwischen der Volumenänderung des Kammervolumens zweier aufeinander folgender Pumpkammern ein idealer Phasenversatz PHI von ungefähr 180° besteht.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wirkt das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Vorrichtung zusammen, für die N = 2 ist, die also aus zwei Pumpkammern besteht. Der Phasenversatz zwischen der ersten und der zweiten Pumpkammer ist entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren 180°.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform weicht ein tatsächlicher Phasenversatz PHI* nicht mehr als ± 7% und nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform nicht mehr als ± 3% vom idealen Phasenversatz PHI ab. Generell gilt die Regel, dass geringere Abweichungen vom idealen Wert immer zu bevorzugen sind.
Besonders bevorzugt eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zum Fördern von Fluiden, die aus der Gruppe der Flüssigkeiten, der Gase, sowie der Flüssigkeits-GasGemische ausgewählt sind, wobei sich das Verfahren im Falle eines Gemisches sowohl für in der Flüssigkeit gelöst vorliegende als auch als Blasen vorliegende Gasanteile eignet.
Bevorzugterweise erfolgt die Änderung des Volumens einer jeden Pumpkammer entsprechend einer Rechteckkurve. Im Falle von elektrisch angetriebenen Aktuatoren, wie z.B. Piezoaktuatoren, bedeutet dies, dass deren Ansteuerung im Idealfall mit zueinander phasenversetzten Rechteckspannungen erfolgt..Durch die Ansteuerung mittels Rechteckspannung bewegt sich der Aktuator entsprechend, was im optimalen Fall einer näherungsweise rechteckig verlaufenden zyklischen Volumenänderung der jeweiligen Pumpkammer resultiert. Für den Fall, dass die Zuordnung zwischen Ansteuerung des Aktuators und Volumenänderung der Pumpkammer nicht proportional erfolgt, können entsprechende Korrekturfaktoren oder -funktionen benutzt werden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die ansteigende und/oder die abfallende Flanke der Rechteckspannung/-kurve dergestalt abgerundet, so dass durch zu geringen Kammerdruck hervorgerufene Kavitationseffekte in der Pumpkammer vermieden werden. Versuche haben ergeben, dass bei zu schnellem Relaxieren des Aktuators ein Unterdrucks in der Pumpkammer entstehen kann, der zu spontaner Gasblasenbildung führt, da der Siedepunkt in einem Fluid von dessen Druckzustand abhängt und bei geringeren Drücken ebenfalls stark sinkt, im Extremfall bis hin zu Raumtemperatur. Durch das anschließende Kollabieren der Kavitationsgasblasen bei Normalisierung des Druckes entstehen starke Druckwellen, welche bei dauerhaftem Auftreten zu erheblichen Materialschädigungen führen können und daher zu vermeiden sind.
Nach einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Frequenzen f der Volumenänderungen aufeinander folgender Pumpkammern vorübergehend oder kontinuierlich eine Differenz A aufweisen. Diese Differenz ist als ein gewollter_; gezielt eingestellter Unterschied in der Frequenz der einzelnen Kammern anzusehen. Beträgt die Differenz beispielsweise bei einer Betriebsfrequenz von 100 Hz gerade 1 Hz, so erreicht die differierende Kammer nach 100 Zyklen wieder den gleichen Phasenversatz wie zu Beginn der induzierten Frequenzänderung. Wie durch Versuche gezeigt werden konnte, eignet sich dieses vorübergehende Einbringen einer so genannten "Schwebung" besonders gut zum Ausbringen von Gasblasen, die sich anderweitig nicht aus den fluidischen Kanälen der Vorrichtung lösen lassen. Je nach konkreter Ausgestaltung der Vorrichtung sowie den physikalischen Eigenschaften des Fluids kann die Differenz Δ unterschiedlich groß und unterschiedlich lang ausfallen, um ein optimales Ergebnis zu erhalten.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist die Differenz Δ bevorzugt kleiner als 1% der Frequenz f und besonders bevorzugt kleiner als 0,1% der Frequenz f.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens können mit diesem auch Informationen über den Förderzustand im laufenden Betrieb gewonnen werden. Dazu muss mindestens einer der folgenden Schritte durchgeführt werden; besonders bevorzugt müssen alle der folgenden Schritte nacheinander ausgeführt werden:

(1) vorübergehendes oder kontinuierliches Abschalten eines öder mehrerer Aktuatoren. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn entweder der Aktuator selber die Möglichkeit bietet, auch als Sensor für Druckänderungen in der jeweiligen Pumpkammer zu dienen, oder wenn ein dazu geeigneter Drucksensor anderweitig vorhanden ist.
(2) Detektieren der durch die mittels Fluiddruck an dem bzw. den Aktuator(en) erzeugten Formänderung(en). Dies ist besonders bevorzugt mittels Piezoaktuatoren möglich, welche im "passiven" Betrieb, also ohne Aufbringen einer elektrischen Spannung, ihrerseits eine Spannung erzeugen, sobald sie einer Formänderung unterliegen. Unter bestimmten Voraussetzungen sind der Druck, die durch ihn verursachte Formänderung und die dadurch hervorgerufene Spannung auch proportional zueinander, so dass ein Piezoaktuator als ein einfacher Drucksensor umfunktionierbar ist.
(3) Vergleich der detektierten Formänderungen mit Sollwerten, die aus einem ordnungsgemäßen Betrieb stammen. Sind nämlich Werte, beispielsweise Spannungswerte, aus einem Betrieb ohne Störung bekannt, so kann durch einfachen, qualitativen Vergleich auf das Vorliegen einer Störung, oder durch quantitativen Vergleich in erster Näherung auch auf die Größe der Störung rückgeschlossen werden.

Je nach Ausführungsform kann dabei die Störungsdetektion nur zeitweise von einem oder mehreren Aktuatoren übernommen werden, oder es können einer oder mehrere Aktuatoren dauerhaft als Störungssensoren umfunktioniert werden. Ebenso kann das Auslesen eines oder mehrerer separat eingebrachter und hier nicht näher spezifizierter Sensoren temporär zur Erkennung von Störungen dienen. Vorteilhaft ist jedoch die Ausführungsform, nach der die ohnehin vorhandenen Aktuatoren vorübergehend als Störungssensoren benutzt werden.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei Erkennung einer Störung zur Behebung derselben vorübergehend eine Änderung des Betriebes wie weiter oben beschrieben angestoßen, d.h., es wird eine erfindungsgemäße Schwebung erzeugt, mit welcher die Störung wieder behoben werden kann, sofern sie durch das Auftreten einer anderweitig nicht entfernbaren Gasblase hervorgerufen wurde.

Figurenübersicht

Fig. 1:: Explosionsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung
Fig. 2:: optimierter Kurvenverlauf für Ansteuerung bzw. Volumenänderung
Fig. 3:: Kurvenverlauf bei um 180° versetzen Phasen; Tastverhältnis = 1:1
Fig. 4:: Kurvenverlauf bei um 180° versetzen Phasen; Tastverhältnis ≠ 1:1

Figurenbeschreibung

Figur 1 zeigt eine Explosionsansicht einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Diese besteht aus einem schichtartigen Aufbau 1, der im dargestellten Fall zwei Pumpkammern 2 umfasst.
Entsprechend Figur 1 besteht der Aufbau 1 im Detail aus folgenden Bauelementen:

ein Bodenelement 7, welches besonders bevorzugt aus Kunststoff hergestellt wird. Das Bodenelement umfasst eine Ausnehmung 7', in welche alle folgenden Bauelemente ein- oder aufgelegt werden. Das Bodenelement beinhaltet bevorzugt auch den zum Fördern des Fluids nötigen Einlass 4 und Auslass 5, der, wie hier gezeigt, beispielsweise jeweils als rohrartiger Anschluss ausgebildet ist. Selbstverständlich sind auch andere, der jeweiligen Applikation angepasste Anschlusstypen denkbar. Ebenso umfasst das Bodenelement Teile der für die Ventile 3 notwendigen Fluidkanäle, die bevorzugt im Spritzgussverfahren und somit im selben Arbeitsgang wie das Bodenelement selber hergestellt werden.

Außerdem trägt das Bodenelement als Montagehilfe erhabene Teile derselben 7 " in Form geometrischer Ausprägungen, die derart angeordnet sind, dass sie mit den Aussparungen der Montagehilfe 7"' zusammenwirken. Somit kann der Einbau folgender Bauelemente wie z.B. einer Ventilfolie 8 nur auf eine Art und Weise erfolgen, so dass eine Fehlmontage weitgehend ausgeschlossen ist.

Eine Ventilfolie 8, welche die beweglichen Teile der Ventile 3 trägt und in das Bodenelement eingelegt wird. In der dargestellten Form umfasst die Ventilfolie die beweglichen Teile sowohl der Einlassventile 3' einer jeden Pumpkammer, als auch die beweglichen Teile der entsprechenden Auslaßventile 3". Weiterhin umfasst die Ventilfolie auch die Aussparungen der Montagehilfe 7"', welche einem fehlerfreien Einbau der Ventilfolie dienen.
Eine Zwischenschicht 9, die bevorzugt aus einem Kunststoff gefertigt ist. Diese ist so ausgestaltet, dass sie sich in die Ausnehmung 7' des Bodenelementes 7 einfügen lässt. Im Zentrum einer jeden Pumpkammer 2, welche jeweils durch eine Vertiefung in der Zwischenschicht entsteht, befindet sich jeweils eine Öffnung 9', durch welche Fluid in die Pumpkammer ein- bzw. wieder aus dieser herausströmen kann.
Eine Schutzschicht 10, welche auf die Zwischenschicht aufgebracht wird und somit die Pumpkammer fluidisch nach oben hin abschließt. Die Schutzschicht muss demnach fest mit der Zwischenschicht verbunden werden, so dass weder an ihrem Umfang noch im Bereich zwischen den Pumpkammern Fluid aus- bzw. überströmen kann. Hierzu wird, wie bereits erwähnt, vorzugsweise das Laserdurchstrahlschweißen angewendet. Alternative Fertigungsverfahren sind das Kleben, das Ultraschallschweißen, oder das mechanische Klemmen der jeweiligen Bauelemente.
zwei Aktuatoren 6, welche in der dargestellten Ausführungsform als scheibenförmige Piezoaktuatoren ausgeführt sind. Jeder der Aktuatoren ist geometrisch auf die darunter liegende Pumpkammer 2 angepasst und trägt zur elektrischen Kontaktierung entsprechende Elektroden 6'. Mit diesen verbunden ist ein elektrischer Anschluss 6", welcher aus dem Gehäuse der Vorrichtung 1 heraus geführt werden kann, und der eine ausreichende Anzahl von Einzeladern zur Konnektierung eines jeden Aktuators bereithält.
ein Deckelelement 11, welches den Abschluss des im Wesentlichen aus dem Bodenelement 7 bestehenden Gehäuses der Vorrichtung 1 dient. Bevorzugt ist auch das Deckelelement aus Kunststoff hergestellt und mit dem Bodenelement mittels Laserdurchstrahlschweißen verbindbar ausgestaltet.

Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem auf der Abszisse die Zeit, auf der Ordinate die Aktuatorspannung U (im Folgenden "Ansteuerkurve" genannt) und/oder das Volumen einer Pumpkammer (im Folgenden "Kammervolumenskurve" genannt) aufgetragen ist bzw. sind. Der dargestellte Zeitumfang entspricht gerade einer Periode, also der Zeit, die für einen einzelnen Pumpzyklus einer Pumpkammer notwendig ist.
Die gestrichelte Linie zeigt dabei eine ideale Rechteckkurve. Erfindungsgemäß kann sowohl die ansteigende Flanke A als auch die abfallende Flanke B dieser Kurve abgerundet werden, so dass sich ein Verlauf entsprechend der durchgezogenen Linie ergibt, die den optimierten Kurvenverlauf darstellt. Wie weiter oben beschrieben, dient diese Verrundung der Vermeidung von Druckänderungsspitzen, welche zu.unerwünschter Kavitationsblasenbildung führen können. Die exakten optimieren Formen der Verrundungen müssen je nach genauer geometrischer Ausgestaltung der Pumpkammern, der Fluidkanäle und der Höhe der Betriebsdrücke'bestimmt werden. Dies kann beispielsweise durch Berechnung, Simulation und/oder die Durchführung von Versuchsreihen erfolgen. Die hier dargestellte Form ist daher nur als Sinnbild zu verstehen und muss nicht der tatsächlichen, optimalen Form der Ansteuer- bzw. Kammervolumenskurve entsprechen.
Figur 3 zeigt ein Diagramm mit gleichen Achsenbeschriftungen wie zuvor die Figur 2. Ebenso zeigt es die durchgezogene Linie aus Figur 2, welche den optimierten Kurvenverkauf der Ansteuer- bzw.
Kammervolumenskurve wiedergibt. Zusätzlich ist als gepunktete Linie eine um PHI=180° phasenversetzte Kurve aufgetragen, welche die Ansteuerkurve desjenigen Aktuators zeigt, der demjenigen folgt, welcher entsprechend der durchgezogenen Linie angesteuert wird. In der hier dargestellten Variante sind die Hub- und Senkphasen eines Aktuators, das so genannte Tastverhältnis, ungefähr gleich lang, weswegen sich die nahezu gespiegelte Form der gepunkteten Linie ergibt (Tastverhältnis 1:1). In Fällen, in denen das Tastverhältnis nicht gleich groß ist, ergeben sich Bilder, bei denen sich der Nachlauf der zweiten Ansteuerkurve entsprechend nicht als Spiegelung der ersten ergibt.
Diester Fall ist in Figur 4 dargestellt. Hier ist der Phasengang PHI wiederum 180°, das Tastverhältnis liegt jedoch bei ca. 1:3 (der Zeitabschnitt, bei welchem die Kurve einen hohen Wert zeigt, ist deutlich kürzer als der Teil, bei welchem sie nahe Null ist).
Verfahren zum Fördern eines Fluids und Mikropumpe hierfür

Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum Fördern eines Fluids
2: Pumpkammer
3: Ventil
3': Einlassventil
3": Auslassventil "
4: Einlass
5: Auslass
6: Aktuator, Piezomembranaktuator
6': Elektrode
6": elektrischer Anschluss
7: Bodenelement
7': Ausnehmung
7": erhabener Teil der Montagehilfe
7"': Aussparungen der Montagehilfe
8: Ventilfolie
9: Zwischenschicht
9': Öffnungen
10: Schutzschicht
11: Deckelelement
A: ansteigende Blanke
B: abfallende Flanke

Claims

Vorrichtung zum blasentoleranten Pumpen eines Fluids, wobei diese Pumpvorrichtung mindestens zwei Pumpkammern (2) aufweist, welche jeweils ein separates Kammervolumen, jeweils eine Membran zur periodischen Volumenänderung der Pumpenkammer, und jeweils einen eigenen Aktuator zur Betätigung der Membran beinhaltet sowie Ventile für die Durchflussrichtung und Ein- und Auslass aufweist, wobei die Pumpkammern seriell angeordnet sind, und wobei die Formen der Volurnenanderung der Pumpkammern einen Phasenversatz von ungefähr 180° aufweisen, gekennzeichnet durch:
- ein Bodenelement (7) mit einer Ausnehmung (7'), sowie einem in die Ausnehmung (7') hinein führenden Einlass (4) und einem aus der Ausnehmung (7') heraus führenden Auslass (5), sowie außerdem zwischen dem Ein- und dem Auslass in derselben Ebene befindlichen Fluidstrukturen zur Führung des zu fördernden Fluids zu den Ventilen (3, 3', 3") und zur fluidschen Konnektierung beider Pumpkammern (2) und zur Anbindung an den Einlass (4) und den Auslass (5);

- eine Ventilfolie (8), die in die Ausnehmung (7') einlegbar ist und die beweglichen Teile der Ventile (3, 3', 3") trägt:

- eine Zwischenschicht (9), die oberhalb der Ventilfolie (8) in die Ausnehmung (T) einlegbar ist und Öffnungen (9') aufweist, welche die nicht beweglichen Teile der Ventile (3, 3', 3") bilden;

- eine Schutzschicht (10), die oberhalb der ZwischenSchicht (9) in die Ausnehmung (7') einlegbar ist und die mit der Zwischenschicht (9) zwei in einer Ebene liegende Hohlräume bildet, die als Pumpkammern (2) dienen;

- zwei Aktuatoren (6) mit Elektroden (6') und elektrischen Anschlüssen (6"), wobei jeder Aktuator (6) jeweils kongruent mit der darunter liegenden Pumpkammer (2) angeordnet ist, und wobei durch Betrieb des Aktuators (6) das Kammervolumen der jeweils unter dem Aktuator (8) liegenden Pumpkammer (2) veränderbar ist;

- ein Deckelelement (11), dessen Außenkonturen im Wesentlichen denen des Bodenelements (7) entsprechen, und das auf dem Bodenelement (7) auflegbar ist und das nach Verbinden mit dem Bodenelement (7) die Ausnehmung (7') dergestalt abschließt, dass die in ihrem Inneren befindlichen Bauelemente vor äußeren Einflüssen geschützt sind;
und bei der Bodenelement (7), Zwischenschicht (9) und Deckelelement (11) fluiddicht miteinander verbindbar sind.
Vorrichtung nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieselbe durch eine serielle Anordnung von N separaten, jeweils nur eine Pumpkammer (2) umfassenden Einzelpumpen gebildet sind, die miteinander mittels fluidischer Leitungen verbindbar ausgestaltet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei:
die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass Informationen über den Förderzustand im laufenden Betrieb gewonnen werden können, und wobei die Vorrichtung hierfür die nachfolgenden Markmale umfasst:
- mindestens einer der Aktuatoren (6) ist abschaltbar ausgebildet:

- eine Schaltungsanordnung ist vorgesehen, die es gestattet, die durch die mittels Fluiddruck an einem abgeschalteten Aktuator (6) erzeugten Formänderungen des Aktuators (6) beim Betrieb der Vorrichtung mit einem nicht abgeschalteten Aktuator (6) zu detektieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein tatsächlicher Phasenversatz PHI* bevorzugt nicht mehr als ± 7% und besonders bevorzugt nicht mehr als ± 3% vom idealen Phasenversatz PHI abweicht
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerung der Aktuatoren (6) im Wesentlichen mit zueinander phasenversetzten Rechteckspannungen ausfahrbar ausgebildet ist und wobei:
die ansteigende und/oder die abfallende Flanke der Rechteckspannung/kurve dergestalt abgerundet ist, dass durch zu geringen Kammerdruck hervorgerufene Kavitationseffekte in der Pumpkammer (2) vermeidbar ist
Verfahren zum blasentoleranten Pumpen eines Fluids mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzen f der Volumenänderungen aufeinander folgender Pumpkammern (2) vorübergehend oder kontinuierlich eine Differenz Δ aufweisen, wobei
die Differenz Δ bevorzugt kleiner als 1% der Frequenz f und besonders bevorzugt kleiner als 0,1% der Frequenz f gewählt ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Informationen über den Förderzustand im laufenden Betrieb derart gewonnen werden, dass mindestens einer der folgenden Schritte und bevorzugt alls Schritte nacheinander durchgeführt wird bzw. werden:
- vorübergehendes oder kontinuierliches Abschalten eines oder mehrerer Aktuatoren (6);

- Detektieren der durch die mittels Fluiddruck an dem bzw. den Aktuator(en) (6) erzeugten Formänderungen:

- Vergleich der detektierten Formänderungen mit Sollwerten, die aus einem ordnungsgemäßen Betrieb stammen.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erkennung einer Störung zur Behebung derselben vorübergehend eine Änderung des Betriebes gemäß Anspruch 6 angestoßen wird.