Beschreibung

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 pas¬ siven Rückschlagventilen bestehen. Durch die periodische Be¬ wegung des Kolbens oder der Membran wird Flüssigkeit durch das Einlaßventil in eine Pumpkammer angesaugt, bzw. durch das Auslaßventil auε der Pumpkammer verdrängt. Die Trans¬ portrichtung ist dabei durch die Anordnung der Ventile vor¬ gegeben. Soll bei einer derartigen Anordnung die Pumprich¬ tung 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 Mo¬ toren; Vogel Buchverlag, Würzburg, 1993, gezeigt.

Entsprechende Pumpen, die eine geringe Baugröße aufweisen und geringe Pumpströme liefern, bezeichnet man als Mikro¬ pumpen. Die Verdränger solcher Pumpen sind typischerweise als Membran ausgeführt, siehe P. Gravesen, J. Branebjerg, O. S. Jensen; Microfluidics - A review; Micro Mechanics Europe Neuchatel, 1993, Seiten 143 - 164. Die Verdränger können durch unterschiedliche Mechanismen angetrieben werden. Bei H.T.G. Van Lintel, F.CM. Van de Pol. S. Bouwstra, A Pie¬ zoelectric Micropump Based on Micromachining of Silicon, Sensors & Actuators, 15, Seiten 153 - 167, 1988, S. Shoji, S. Nakagawa and M. Esashi, Micropump and sample injector for intrgrated chemical analyzing Systems; Sensors and Actua¬ tors, A21-A23 (1990) Seiten 189 - 192, E. Stemme, G. Stemme; A valveless diffuser/nozzle-based fluid pump; Sensors & Actuators A, 39 (1993) 159 - 167, und T. Gerlach, H. Wurmus; Working principle and Performance of the dynamic micropump;

Proc. MEMS'95; (1995) , Seiten 221 - 226; Amsterdam, The Ne¬ therlands, sind piezoelektrische Antriebsmechanismen ge¬ zeigt. Thermopneumatische Mechanismen zum Antreiben der Ver¬ dränger sind bei F.CM. Van de Pol, H.T.G. Van Lintel, M. Elwenspoek and J.H.J. Fluitman, A Thermo-pneumatic Micropump Based on Micro-engineering Techniques, Sensors & Actuators, A21-A23, Seiten 198 - 202, 1990, B. Büstgens, W. Bacher, W. Menz, W. K. Schomburg; Micropump manufactored by thermopla¬ stic molding; Proc. MEMS'94; (1994), Seiten 18 - 21, ge¬ zeigt. Ein elektrostatischer Mechanismus ist bei R. Zenger¬ le, W. Geiger, M. Richter, J. Ulrich, S. Kluge, A. Richter; Application of Micro Diaphragm Pumps in Microfluid Systems; Proc. Actuator '94; 15. - 17.6.1994; Bremen, Germany; Seiten 25 - 29, gezeigt. Ferner können die Verdränger thermomecha- nisch oder magnetisch angetrieben werden.

Wie ebenfalls in den oben genannten Schriften gezeigt ist, können als Ventile entweder passive Rückschlagventile oder spezielle Strömungsdüsen verwendet werden. Die Förderrich¬ tung von Mikropumpen kann ohne eine Zwangssteuerung der Ven¬ tile allein durch eine Ansteuerung mit einer Frequenz ober¬ halb 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. Zenger¬ le; Static and dynamic flow Simulation through a KOH-etched micro valve; Proc. TRANSDUCERS '95, Stockholm, Sweden, (1995) , Seiten 17 - 20, betrachtet. Die Ursache dieses Ef¬ fekts ist eine Phasenverschiebung zwischen der Bewegung des Verdrängers und dem Offnungszustand der Ventile. Ist die Phasendifferenz größer als 90°, so ist der Offnungszustand der Ventile antizyklisch zu deren Zustand im normalen Vor- wärtsmodus 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 einer¬ seits 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 me¬ chanischer Resonanz in der Flüssigkeitsumgebung, deren Strö¬ mungswiderstand, deren fluidischer Kapazität, d.h. der ela¬ stischen Volumenverformung, deren Baugröße und deren mecha¬ nischer Stabilität gefunden werden muß. Diese Parameter, die alle jeweils Auswirkungen auf die Pumpdynamik haben, können also nicht unabhängig voneinander auf ein Optimum einge¬ stellt werden und stehen zum Teil einer erwünschten, weite¬ ren Miniaturisierung der Pumpabmessungen entgegen.

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

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

Eine beispielhafte, mit Rückschlagventilen versehene Mikro- pumpe 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 ge¬ bildet ist. Der Auslaß und der Einlaß der Mikropumpe sind mit einem Auslaßventil bzw. einem Einlaßventil versehen.

Ausgehend von dem genannten Stand der Technik liegt der vor¬ liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, effiziente Fluid- pumpen mit einem einfachen Aufbau, die keine Rückschlagven¬ tile aufweisen, zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch rückschlagventillose Fluidpumpen

gemäß den Patentansprüchen 1, 19 und 25 gelöst.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt eine Fluidpumpe mit einem Pumpenkörper, einem Verdränger, 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, die über eine erste und eine zweite Öff¬ nung, die keine Rückschlagventile aufweisen, mit einem Ein¬ laß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist, definiert ist, und einem elastischen Puffer, der an die Pumpkammer an¬ grenzt. Der Verdränger verschließt die erste Öffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist und läßt die erste Öffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung iεt.

Bei der Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung sind keine Rückεchlagventile, weder passive noch aktive, erfor¬ derlich. Ferner kann die Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung zum aktiven Sperren deε Fluidε in beiden Richtun¬ gen verwendet werden. Bei der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung iεt eine Umkehr der Förderrichtung ohne Verwendung einer externen Zwangεεteuerung von Ventilen und ohne die Verwendung einer Resonanz von passiven Rückschlagventilen erreichbar. Die mit der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung erreichbare Pumpleistung kann durch die Steuerung des Zeitablaufε deε Treibenε deε Verdrängerε in die erεte und in die zweite Endpoεition, alεo durch daε Steuern des Taktver¬ hältnisses, optimiert werden. Ferner kann die erreichbare Pumpleistung über eine Querεchnittanpaεεung von erεter und zweiter Öffnung optimiert werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt ferner die Erkenntnis zu¬ grunde, daß es möglich ist, eine selbstanεaugende Fluidpum¬ pe, beiεpielεweiεe eine εelbstansaugende Mikropumpe, zu εchaffen, indem daε in der Mikropumpe entεtehende Totvolu¬ men, d.h. jenes Volumen, welcheε nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, draεtiεch reduziert wird. Dadurch wird eine Selbstbefullung bei einer einfachen An-

Steuerung des Pumpenantriebs reproduzierbar.

Die vorliegende Erfindung schafft gemäß einem zweiten und dritten Aspekt eine rückschlagventillose Fluidpumpe beste¬ hend aus einem Pumpenkörper und einem flexiblen Verdränger, wobei der Pumpenkörper und der flexible Verdränger einen Pumpraum definieren, der über eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung mit einem Einlaß und einem Auslaß fluidmäßig verbindbar ist. Gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung verschließt der Verdränger in der ersten Endstel¬ lung die erste und die zweite Öffnung, wobei der Verdränger die erste Öffnung öffnet, während die zweite Öffnung im we¬ sentlichen geschloεsen bleibt, wenn der Verdränger durch den Antrieb aus der ersten Endεtellung in die zweite Endεtellung bewegt wird. Gemäß dem dritten Aεpekt der vorliegenden Er¬ findung sind die erste und die zweite Öffnung beabεtandet zueinander auf unterschiedlichen Seiten einer Mittelachεe deε Verdrängerε angeordnet, wobei der Verdränger die erεte Öffnung verεchließt, wenn er in der erεten Endεtellung iεt, und die erεte Öffnung offen läßt, wenn er in der zweiten Endεtellung iεt.

Die Fluidpumpe gemäß dem zweiten und dem dritten Aεpekt der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise aus einem Pum¬ penkörper in der Form einer Platte und einem Verdränger in der Form einer Membran. Vorzugsweise sind in der Platte die Einlaß- und die Auslaßöffnung gebildet. Der Verdränger in der Form der Membran kann dabei in der Ruhestellung direkt auf einer Hauptoberfläche der Platte aufliegen. Ferner kann zwischen dem Verdränger in der Form der Membran und einer Hauptoberfläche der Platte ein kapillarer Spalt ausgebildet sein.

Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den ab¬ hängigen Anεprüchen dargelegt.

Bevorzugte Auεführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich-

nungen näher erläutert, wobei gleiche Elemente in unter¬ schiedlichen Zeichnungen mit gleichen Bezugszeichen bezeich¬ net sind. Eε zeigen:

Fig. 1 eine εchematiεche Querschnittdarstellung eineε er¬ sten Ausführungsbeiεpiels der vorliegenden Erfin¬ dung;

Fig. 2 eine Darstellung der wesentlichen Pumpparameter der Pumpe, die in Fig. 1 gezeigt ist;

Fig. 3 eine Darstellung der tranεienten Vorgänge der ein¬ zelnen Komponenten der in den Figuren 1 und 2 dar- geεtellten Pumpe;

Fig. 4a biε 4e graphiεche Darstellungen der Pumpe von Fig. 1 während eineε Pumpzyklusεes;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbei¬ spiels der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Querschnittansicht eines dritten Ausführungs- beispielε einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung;

Fig. 7 eine Schnittanεicht eineε vierten Ausführungsbei¬ spiels einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfin¬ dung;

Fig. 8 eine Darstellung der tranεienten Vorgänge der ein¬ zelnen Komponenten bei einer Rückwirkung der Pump¬ kammer auf den Verdränger;

Fig. 9 ein fünftes Ausfuhrungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 10a bis lOe graphische Darstellungen einer Pumpe gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung

während eines Pumpzyklusses.

Fig. 11 eine Querschnittdarstellung eines siebten Ausfüh- rungsbeispielε einer Fluidpumpe gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;

Fig. 12 eine Querεchnittdarεtellung eineε achten Auεfüh- rungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;

Fig. 13 eine Querschnittdarεtellung eines neunten Ausfüh- rungsbeispiels einer Fluidpumpe gemäß der vorlie¬ genden Erfindung;

Fig. 14a bis 14e grafische Darstellungen der Pumpe von Fig. 11 während eines Pumpzykluεεeε; und

Fig. 15a biε 15e grafiεche Darstellungen der Pumpe von Fig. 13 während eines Pumpzyklusεeε.

In Fig. 1 iεt ein erstes Ausführungsbeiεpiel einer Pumpe ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Pumpe weist ei¬ nen Pumpenkörper 10, der plattenartig ausgebildet ist, und einen Verdränger 12, der über Verbindungen 18, die material¬ abhängig ausgeführt sind, auf dem Pumpenkörper befeεtigt ist, auf. Eine Pumpkammer 14 ist durch eine Ausnehmung in dem Pumpenkörper 10 gebildet. In dem Pumpenkörper εind fer¬ ner zwei Öffnungen, eine erεte Öffnung 15 und eine zweite Öffnung 16, vorgeεehen, an welche die Fluidleitungen deε zu pumpenden Fluids angeεchloεεen werden können. Ein elaεti- εcher Puffer 13 iεt bei dem erεten Ausfuhrungsbeispiel durch eine Verdünnung des Pumpenkörperε 10 alε eine Membran auεge- bildet, die druckabhängig verformbar iεt.

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 unge¬ achtet der Stellung deε Verdrängers 12 während eines gesam¬ ten Pumpzyklus geöffnet.

Nachfolgend wird der Pumpmechaniεmuε der in Fig. 1 darge¬ stellten Pumpe näher erläutert. Für diese Erläuterung wird die erεte Öffnung 15 als Einlaßöffnung und die zweite Öff¬ nung 16 als Auεlaßöffnung betrachtet. In Fig. 2 sind die we¬ sentlichen Parameter, die zur Erklärung des Pumpmechanismuε nötig εind, dargeεtellt.

Eε εei angenommen, daß auf der Einlaßεeite der hydrostati- sche Druck pl herrεcht, auf der Auεlaßseite der hydrosta¬ tische Druck p2 und in der Pumpkammer der Druck p. Die Durchströmung der beiden Öffnungen sei mit φ _e für die Ein¬ laßöffnung 15 und mit φ _a für die Auslaßöffnung 16 bezeich¬ net. Der Verdränger, bei dem gemäß dem ersten Ausführungs¬ beispiel die Ruhelage der ersten Endstellung, bei der die Einlaßöffnung verschlossen ist, entεpricht, wird durch die Betätigung deε Antriebs in seine zweite Endstellung bewegt, wodurch eine Änderung des Volumens der Pumpkammer um eine definierte Volumenmenge dV* stattfindet. Eine druckabhängige Volumenverdrängung deε elastischen Puffers wird mit V _puffer bezeichnet. Sie wird positiv gewertet, wenn εich die Membran 13 aus der Pumpkammer 14 herauswölbt, und negativ, wenn sich dieselbe in die Pumpkammer 14 hineinverformt.

Das Volumen der Pumpkammer setzt εich auε einem Grundvolumen V ₀ der Pumpkammer 14, der Auslenkung des Verdrängers 12 ^v _V er _d rän _q er ^un< ^ ^der Volumenverformung des Puffervolumenε ^v _P u _ff er g ^em äß folgender Gleichung zusammen:

^v Pumpkammer ^{= v} 0 ^{+ v} Puffer ⁽ P ^{) + v} Verdränger U ⁾

Eine Änderung deε Pumpkammervolumenε dVp _um p _jcaιnι - _ιer εetzt εich dementεprechend wie folgt zusammen:

^dv Pumpkammer ^{= dv} o(P) ^{+ dv} Puffer<P) ^{+ dv} Verdränger ( ² )

Die Kontinuitätεgleichung für daε Volumen der Pumpkammer lautet:

^dv Pumpkammer/ ^{dt = <} MPl"P) ^" 0 _a (P ^" P2) ( ³ )

Ein gesamter Pumpzyklus läßt sich in vier Teilschritte zer¬ legen, wobei sich die zeitlichen Abläufe unter einigen ver¬ einfachenden Annahmen auf der Basiε von Gleichung (2) und Gleichung (3) berechnen laεsen. Im folgenden wird daε zeit¬ liche Verhalten der einzelnen Pumpkomponenten in den vier Teilschritten, sowie der sich daraus ergebende Pumpeffekt erläutert. Dabei wird zunächst von einer Pumpkammer ausge¬ gangen, die vollständig mit einem inkompresεiblen Medium ge¬ füllt iεt, beispielsweiεe einer Flüεεigkeit mit dV _Q /dp ~ 0. Eε gilt:

dV ₀ (p) = [dV ₀ (p)/dp] dp = 0 (4)

Teilεchritt 1:

Der Verdränger 12 wird von der erεten Endpoεition, alεo der¬ jenigen Endpoεition, in der er die Einlaßöffnung 15 ver¬ schließt, innerhalb einer εehr kurzen Zeit, dt « 0, um ein definiertes Volumen dV* nach oben bewegt. Dies führt zu ei¬ ner entsprechenden Volumenverformung des elastiεchen Puffer- volumenε, d.h. der Membran 13, in die Pumpkammer hinein, da der Pumpkammerinhalt alε inkompreεεibel angenommen wurde, und da innerhalb der kurzen Zeit dt ~ 0 die Volumenverände¬ rung des Verdrängers 12 nicht durch die Fluidströmungen <p _e und φ _a kompensiert werden können. Wenn dt « 0 angenommen wird, folgt aus der Gleichung (3) dVp _UIT1 p _)<ajrιIner « o und da¬ raus mit den Gleichung (2) und (4) dV _Puffer = -dV _Verdrän _ _er = -dV* . Das verformte Puffervolumen erzeugt in der Pumpkam¬ mer 14 einen Unterdruck, der sich über die Charakteristik ^v Puffer(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 demεel- ben erzeugte Unterdruck abbaut. Der zeitliche Verlauf deε Pumpkammerdruckε in dieεer Pumpphaεe ergibt εich auε den Gleichungen (2) und (3) zu:

dp/dt = [Φe(Pι-p) ~ Φ _a (P-P2)] / t ^dv Puffer/ ^d PJ ( ⁵ )

Sind die Strömungεwiderεtände der Einlaß- und Auεlaßöffnung gleich groß und entεprechen die hydroεtatiεchen Drücke p und p ₂ dem Umgebungεdruck, εo fließen durch die Einlaß- bzw. Auεlaßöffnung jeweils gleich große Fluidmengen in die Pump¬ kammer 14.

Teilschritt 3:

Nun wird der Verdränger auε der zweiten Endposition, d.h. derjenigen Endposition, in der die Einlaßöffnung offen war, innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt « 0, um ein definiertes Volumen dV _Verdr .g _nqer = -dV* nach unten bewegt. Die Einla߬ öffnung ist nun verschlossen. Die Abwärtsbewegung des Ver¬ drängers 12 führt zu einer entsprechenden Volumenverformung des elastischen Puffers, d.h. der Membran 13 im ersten Aus¬ führungsbeispiel, aus der Pumpkammer 14 heraus, da der Pump¬ kammerinhalt als inkompressibel angenommen wurde, und die Volumenänderung des Verdrängers 12 innerhalb der kurzen Zeit nicht durch die Fluidströmungen φ _e und φ _a durch die Öffnung 15, 16 ausgeglichen werden kann. Erfolgt der zeitliche Ab¬ lauf innerhalb dt « 0, dann folgt aus der Gleichung (3) ^dv Pumpkammer ~ ° ^und daraus mit den Gleichungen (2) und (4) : ^dv Puffer ⁼ ~ ^dv _V erdränger ^{= +dv} *- ^DaΞ verformte Puffervolumen erzeugt nun in der Pumpkammer einen Überdruck, der sich ebenfalls aus der Druckcharakteristik Vpuffer(P) ^deΞ Puffers

berechnen läßt.

Teilschritt 4 (Pumpphase) :

Nach dem Teilschritt 3 ist die Einlaßöffnung 15 durch den Verdränger 12 verschlossen. Somit kann die Fluidstromung, die aufgrund des Überdrucks in der Pumpkammer 14 auftritt, die Pumpkammer ausschließlich durch die Auslaßöffnung 16 verlasεen. Entεprechend der auε der Pumpkammer geströmten Fluidmenge entspannt sich das Puffervolumen, wobei εich der von dem Puffervolumen erzeugte Überdruck abbaut. Der zeitli¬ che Verlauf deε Pumpkammerdrucks in dieser Phase ergibt sich wiederum aus den Gleichungen (2) und (3) zu:

dp/dt = [-Φ _a (p-p ₂ )] / - ^d V _Pu ffer/ ^d P] < ⁶ >

Wie aus der obigen Erläuterung offenεichtlich iεt, wird wäh¬ rend deε Teilεchritts 2 die Fluidmenge dV* durch die Einlaß- und Auslaßöffnung 15, 16 angesaugt, wohingegen sie während des Teilεchrittε 4 allein durch die Auslaßoffnung 16 ver¬ drängt wird. Sind die Strömungswiderεtände von Einlaß- und Auεlaßöffnung gleich groß und arbeitet die Pumpe ohne Laεt, d.h. p ₂ = P _i = 0, so wird in der Nettobilanz über einen ge¬ samten 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 Fluid¬ stromung durch nur eine Öffnung, die Auslaßöffnung 16, aus¬ geglichen werden.

Durch eine Variation der Strömungswiderstände von Einlaß- und Auslaßöffnung, d.h. eine Änderung der Öffnungsquer¬ schnitte der beiden Öffnungen, kann der Pumpwirkungsgrad va-

riiert werden. Insbesondere durch eine Erhöhung des Strö- mungswiderεtandeε auf der Auslaßseite bezüglich zur Ein¬ laßseite kann der Wirkungsgrad im lastfreien Fall auf deut¬ lich mehr als 50% optimiert werden. Der Grund dafür liegt in einer deutlich geringeren Rückströmung von Fluid vom Auslaß in die Pumpkammer während der Saugphase. Allerdingε hat die Erhöhung des Strömungswiderstandes auf der Auslaßεeite gemäß Gleichung (6) eine entεprechende Verlängerung der Pumpphaεe zur Folge.

Saug- und Pumpphasen unterschiedlicher Dauer können bei der Ansteuerung des Verdrängers berückεichtigt werden, indem ein von 50% verεchiedeneε Taktverhältnis verwendet wird, d.h. indem der Zeitablauf des Treibens des Verdrängers in die er¬ ste und in die zweite Endposition gesteuert wird. In dem Fall, deε erhöhten Strömungεwiderstandes auf der Auεlaßεeite bedeutet dies, daß die Saugphase durch die Ansteuerung deε Verdrängerε verkürzt wird, während die Pumpphaεe verlängert wird.

In Fig. 3 sind die transienten Vorgänge in der Pumpe gemäß Fig. 1 in Diagrammform dargeεtellt.

Die Kurve "A" zeigt den Verlauf der Verdrängerbewegung wäh¬ rend eines Pumpzyklusεeε in den vier Teilschritten 1, 2, 3 und 4. Im Schritt 1 wird der Verdränger sehr schnell nach oben ausgelenkt und verharrt während deε Schritts 2 in die¬ ser Stellung. Dabei iεt die Einlaßöffnung offen. Im Schritt 3 wird der Verdränger sehr schnell nach unten bewegt, ver¬ schließt die Eingangεöffnung und verharrt während deε Schritts 4 in dieεem Zuεtand.

Die Kurve "B" εtellt die Reaktion deε Puffers dar, der gemäß dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1 aus der Membran 13 be¬ steht. Dieseε elastische Pufferelement in der Form der Mem¬ bran 13 kann sich entsprechend der Druckverhältnisεe verfor¬ men. Während des Schritts 1 kompensiert die Verformung des Puffers die Volumenänderung des Verdrängers. Während des

Schritts 2 baut sich die Verformung des Pufferε durch die Fluidströmungen durch die Einlaß- bzw. Auεlaßöffnung wieder ab. Im Schritt 3 verformt sich das Pufferelement nach unten und kompenεiert εo die εchnelle Volumenänderung des Verdrän¬ gers. Während des Teilεchrittε 4 baut εich diese Verformung durch die Fluidstromung durch die Auslaßöffnung wieder ab.

Die Kurve "C" stellt den Pumpkammerdruck dar. Da der Pump- kammerdruck von der Verformung deε Pufferε abhängt, ent¬ spricht sein Verlauf im weεentlichen dem Verlauf der Volu¬ menänderung durch den Puffer.

Die Kurve "D" veranεchaulicht den Durchfluß durch die Ein¬ laßöffnung. Auε der Kurve "D" iεt ein Gleichrichterwirkung zu erkennen, da der Einlaß im Schritt 3 verεchloεεen wird und während deε Teilschritts 4, während dem in der Druck¬ kammer 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 erεten Auεfüh¬ rungεbeiεpiel, das in Fig. 1 gezeigt ist, während der ver¬ schiedenen Teilεchritte eines Pumpzykluεεes dargeεtellt.

Die Figuren 5, 6 und 7 zeigen weitere Ausführungsbeispiele für eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.

Fig. 5 zeigt eine Pumpe, bei der ein Puffer 43 in einem Pum¬ penkörper 40 angeordnet iεt. 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 abgeschloεsen ist und auf einer Seite, in Fig. 5 der nach oben gerichteten Seite, offen ist. Weiεt die Grundplatte eine runde Form auf, εind die Seitenwände ausge¬ bildet, um eine rohrformige Struktur zu definieren. Durch die Grundplatte erstreckt sich eine Einlaßöffnung 45 und ei¬ ne Auslaßöffnung 46. In dem Hohlraum befindet sich ein Ver¬ dränger 42, der denεelben zu der offenen Seite hin ab- εchließt und mittelε 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 Ausεparung des Verdrän¬ gers 42 sowie den Pumpenkörper 40 gebildet. Der elastiεche Puffer 43 iεt bei dieεem Auεführungεbeiεpiel in dem Pumpen¬ körper 40, d.h. in der Seitenwand 40b deε Grundkörperε 40 ausgebildet. Zu diesem Zweck ist die Seitenwand 40b in einem Bereich, der an die Pumpkammer 44 angrenzt, verdünnt, um ei¬ ne membranartige Struktur zu ergeben. Die Funktionεweiεe dieεeε zweiten Auεführungbeispiels entspricht der deε erεten Auεführungεbeiεpielε.

Fig. 6 zeigt ein dritteε Auεführungsbeispiel einer Pumpe ge¬ mäß der vorliegenden Erfindung. Ein Pumpenkörper 50 iεt da¬ bei in gleicher Weise aufgebaut wie der Pumpenkörper 40 des zweiten Ausführungεbeiεpiels, mit der Ausnahme, daß der ela¬ stische Puffer nicht in demselben gebildet ist. In dem Pum¬ penkörper 50 iεt wiederum ein Verdränger 52 angeordnet und in der Richtung des Pfeils 19 kolbenartig bewegbar. Der Ver¬ dränger 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. Ei¬ ne Auslaßöffnung 56 in dem Pumpenkörper 50 ist stetε geöff¬ net. Der Verdränger 52 iεt auεgebildet, um den Pumpenkörper 50 zu der offenen Seite hin zu verεchließen. Dabei kann er abhängig von der Form deε Pumpenkörpers 50, von oben gese¬ hen, eine beliebige runde, mehreckige, elliptische, usw.,

Form aufweisen.

Durch die Form des Verdrängers 52 wird zwiεchen dem Verdrän¬ ger 52 und dem Pumpenkörper 50 wiederum eine Pumpkammer 54 definiert. Im Gegenεatz zum bezugnehmend auf Fig. 5 be¬ schriebenen, zweiten Ausfuhrungsbeispiel ist der elastiεche Puffer bei diesem Auεführungsbeispiel jedoch nicht in dem Pumpenkörper 50 gebildet, sondern in dem Verdränger 52. Da¬ bei ist der elastische Puffer als Membran 53 in dem Verdrän¬ ger 52 auεgebildet.

In Fig. 7 iεt ein vierteε Auεführungεbeiεpiel einer Fluid¬ pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargeεtellt. In Fig. 7 sind Bauteile, die solchen in Fig. 6 gleichen, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Pumpenkörper ist bei dem vierten Ausführungεbeiεpiel der vorliegenden Erfindung identiεch dem Pumpenkörper deε dritten Auεführungεbeiεpielε. Bei dem vierten Auεführungεbeiεpiel ist ein elastiεcheε Puf¬ ferelement 63 in einem Verdränger 62 angeordnet, derart, daß daε elaεtiεche 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 Funk¬ tion des elastiεchen Pufferelementε auch von einem elasti¬ schen Medium in der Pumpkammer übernommen werden. Beispiele sind ein Gaseinschluß in einer mit Flüsεigkeit gefüllten Kammer oder auch ein gummiartiges Material in der Pumpkam¬ mer. In diesem Fall kann auf die elastische Membran, die als Teil des Verdrängers oder des Pumpenkörpers einen Abschnitt der Pumpkammerbegrenzung liefert, verzichtet werden. Sofern daε zu pumpende Medium kompreεεibel iεt, beiεpielεweiεe Gas, kann die Pufferfunktion von demselben selbεt übernommen wer¬ den, wobei keine weiteren mechaniεchen Bauteile zur Reali- εierung 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 elaεtiεchen Me¬ diums in der Pumpkammer oder des zu pumpenden Mediums selbst, kompensiert werden. In den Schritten 2 bzw. 4 rela¬ xiert die Volumenverformung des Mediumε in Folge von Fluid¬ strömungen durch die Öffnungen, wie oben bezugnehmend auf deε erste Ausführungsbeispiel beschrieben wurden. Eine reine Gaspumpe kann also lediglich mit einem Verdränger und zwei Öffnungen realisiert werden, wobei der Verdränger jeweilε 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 Antriebsmechaniεmen mit einer sehr großen Kraftdichte notwendig. Der Pumpmechaniεmuε funktioniert auch, wenn eine derartige Rückwirkung, bzw. Kopplung, vorhanden ist.

Eine Darstellung der transienten Vorgänge der einzelnen Kom¬ ponenten, beispielsweiεe der des Ausführungsbeiεpielε, daε in Fig. 1 gezeigt ist, bei einer Rückwirkung der Pumpkammer auf den Verdränger, d.h. ohne eine Zwangsεteuerung, ist in Fig. 8 dargestellt. In dieεem Fall wird der Verdränger in Schritt 1 εeine endgültige Endpoεition nicht vollεtändig er¬ reichen, sondern erst gegen Ende des Teilschritts 2. Ent¬ sprechend muß der Verdränger am Ende des Teilschritts 3 die Einlaßöffnung noch nicht vollständig verschließen, sondern erst mit zunehmenden Druckausgleich während des Teilschrittε 4. Für den Pumpeffekt ist ferner eine εehr schnelle Ansteue¬ rung des Verdrängers innerhalb einer sehr kurzen Zeit, dt ~ 0, günstig, jedoch nicht zwingend erforderlich.

Gemäß einem Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es mög¬ lich, die Stellung des Verdrängers im abgeschalteten Modus der Pumpe ohne einen zusätzlichen Aufwand derart auszulegen, daß durch das Blockieren der Einlaßöffnung durch den Ver¬ dränger eine Fluidstromung in beide Richtung ausgeschlosεen

ist. Ist der Verdränger zwangsgeεteuert und wird εeine Stel¬ lung durch den in der Pumpkammer herrεchenden 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 Verdrän- gerε derart ausgelegt werden, daß er den Verdränger aktiv auf die Einlaßöffnung drückt und εomit die Fluidεtrömung ak¬ tiv unterbindet. Bei einem piezoelektriεch angetriebenen Verdränger, der beiεpielεweiεe mittelε eineε Piezostapelak- torε, einer Piezoεcheibe oder einem Piezobiegewandler betä¬ tigt wird, würde dies lediglich die Umpolung der Betriebs¬ spannung erfordern.

Gemäß einem weiteren Vorteil kann die Pumprichtung einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung umgekehrt wer¬ den. Wird der Verdränger mit einer Frequenz angesteuert, die oberhalb der mechaniεchen Reεonanz deε Pufferε in der be¬ treffenden Umgebung, d.h. in dem zu pumpenden Fluid, liegt, εo ergibt εich eine Phasenverschiebung von mehr alε 90° zwi¬ εchen der Expanεion bzw. Kompression des Pufferelementε und dem durch die Verdrängerstellung definierten Öffnungεzuεtand der Einlaßöffnung. Der Puffer in der Pumpkammer nimmt εomit Pumpmedium auf, während die Einlaßöffnung verεchloεεen ist, und gibt Pumpmedium ab, wenn Einlaß- und Auεlaßöffnung offen sind. Damit ergibt sich eine zu der oben beschriebenen umge¬ kehrte Pumprichtung. In diesem Fall kommt es zu einer Um¬ kehrung der Pumprichtung von der Auεlaßöffnung zu der Ein¬ laßöffnung.

Der Vorteil gegenüber der bereits existierenden, bidirek¬ tionalen Mikropumpe liegt dabei darin, daß (i) auf paεsive Ventile ganz verzichtet werden kann, und (ii) die Resonanz¬ frequenz des Puffers anders wie bei der Resonanz eines pas- εiven Rückεchlagventils, unabhängig von weiteren wichtigen Größen, wie beispielεweise dem Strömungεwiderεtand deε Ven¬ tils, 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 mechaniεchen Ansteuerung des Verdrängers erheblich reduziert ist. Im Gegensatz dazu liegt bei pas¬ siven Ventilen die Resonanz im Bereich zwiεchen 2000 Hertz und 6000 Hertz. Durch die Reduzierung der Reεonanzfrequenz sind die auf den Verdränger wirkenden Trägheitskräfte deut¬ lich geringer. Ferner kann der Mechanismus nicht nur bei mi¬ kroskopischen Pumpen, die kleine bewegte Masεen liefern, sondern auch in makroskopiεcher Bauweise realisiert werden.

Ein weiterer Vorteil einer Fluidpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ergibt εich, wenn dieεelbe alε eine Mikropumpe ausgeführt wird. Obwohl Mikropumpen in konventioneller Bau¬ form sowohl Flüεsigkeiten als auch Gase transportieren kön¬ nen, sind sie durchgehend nicht selbεtanεaugend, d.h. εie εind nicht in der Lage, eine mit Gaε gefüllte Pumpkammer im Laufe des Pumpvorgangs selbständig durch Flüssigkeit zu er¬ setzen. Dieε 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 Ka¬ pillarkräfte eine große Rolle. Sobald der Flüεεigkeitεεpie- gel daε Einlaßventil erreicht und daε bewegliche Ventilteil, die Ventilklappe oder die Ventilmembran, benetzt, treten Ka¬ pillarkräfte auf, welche die Bewegung εtark einschränken, bzw. welche den notwendigen Kraftaufwand zur Bewegung des elastischen Ventilteils erheblich vergrößern. Erst wenn das gesamte bewegliche Ventilteil vollständig mit Flüεεigkeit umspült ist, heben sich dieεe Kräfte wieder auf und die Pum¬ pe befindet sich in ihrem normalen Pumpmodus.

Da bei konventionellen Mikropumpen die passiven Rückschlag¬ ventile nicht von außen gesteuert werden, kann man die An¬ triebskraft nicht direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte einsetzen. Mit dem Antrieb ist vielmehr zunächst das Gas in der Pumpkammer zu komprimieren, bzw. zu expandieren, wobei

erεt über den Gaεdruck eine Kraft zur Überwindung der Kapil¬ larkräfte auf die Ventile übertragen wird. Dieser indirekte Kraftübertrag über ein kompresεibleε Gaε, verbunden mit der Tatsache, daß die Nettoangriffsfläche des Druckε an dem be¬ weglichen Ventilteil εehr gering iεt, beinhaltet εehr große Verluste bei der Kraftübertragung deε Antriebs auf das Rück¬ schlagventil und verhindert bei den derzeit bekannten Mikro¬ pumpen die Selbstansaugung.

Bei der Realisierung von Mikropumpen mit Düsen anstelle von Rückschlagventilen, um die Pumprichtung zu definieren, tritt ein Pumpeffekt nur ein, wenn der Strömungswiderεtand jeder einzelnen Düse in Pumprichtung geringer ist als entgegenge¬ setzt zur Pumprichtung. Bei der Mittelung über den geεamten Pumpzykluε bedeutet dieε für die Eingangεdüεe, daß der Volu¬ mendurchsatz in die Pumpkammer hinein größer sein muß als aus der Pumpkammer heraus. Sobald jedoch nun der Flüssig- keitεmeniεkuε zur Eingangεdüεe gelangt, ändert εich der Strömungεwiderstand der Düse aufgrund der größeren Dichte der Flüsεigkeit dramatiεch. Wird ein für die Dichteänderung typiεcher Wert von 1.000 angemommen, ändert εich der Strö¬ mungεwiderstand um den Faktor (1000) * x 30. Da in Pumprich¬ tung Flüsεigkeit durch die Düse strömen muß, ist der Volu¬ mendurchsatz deutlich geringer als entgegen der Pumprich¬ tung, 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 Mikropum¬ pen kann bei der erfindungsgemäßen Pumpe der Aktor direkt zur Überwindung der Kapillarkräfte eingesetzt werden. Durch den direkten Kraftübertrag des Antriebε auf daε von einer Flüεεigkeit benetzte Teil εtehen εehr viel höhere Kräfte zur Überwindung der Kapillarkräfte zur Verfügung. Somit kann der Verdränger trotz Benetzung arbeiten.

In Fig. 9 iεt ein fünfteε Auεführungεbeiεpiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargeεtellt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Verdränger 82 Teil eines zweiten Pumpenkörpers 90. Der zweite Pumpenkörper 90 ist strukturiert, d.h. er weist Verdickungen und Verdünnun¬ gen 89 auf, um eine elastiεche Aufhängung für den Verdränger 82 zu liefern. Der zweite Pumpenkörper 90 ist über Verbin¬ dungen 88 auf einem Pumpenkörper 80 befestigt. Die Pumpkam¬ mer 84 ist als ein kapillarer Spalt zwischen dem Pumpenkör¬ per 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 εich derεelbe in der ersten Endstellung befindet. Der Verdränger 82 kann wiederum in der Richtung des Pfeils 19 bewegt wer¬ den. In dem zweiten Pumpenkörper 90 befinden sich zwei Aus¬ laßöffnungen 86a und 86b. Der Puffer ist bei diesem Ausfüh- rungsbeispiel wiederum als Membran ausgeführt, die sich in dem Pumpenkörper 80 befindet.

Bei einem alternativen Auεführungsbeispiel 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 die¬ sem Fall wäre es vorteilhaft, wenn die Verdünnungen 89 ge¬ genüber den in Fig. 9 dargestellten vergrößert wären.

Wenn die Bauhöhe der Pumpkammer 84, wie bei dem vorliegenden Ausführungsbeiεpiel, alε kapillarer Spalt ausgeführt ist, füllt sich dieselbe von selbεt, εobald ein Flüεεigkeitεme- niεkuε an dieεem Spalt anliegt. Eine derartige Reduktion der Pumpkammerhöhe iεt bei konventionellen Mikropumpen mit Rück¬ schlagventilen ausgeschlossen, da dadurch die Bewegung der Ventile eingeschränkt wird. Bei Mikropumpen mit Strömungsdü- sen εtellt die Pumpkammer bei einer draεtiεchen Reduktion der Pumpkammerhöhe einen zuεätzlichen Strömungεwiderstand dar. Dieser innere Strömungswiderεtand der Pumpkammer domi¬ niert über den Strömungswiderstand der Düsen, so daß der Pumpeffekt basierend auf der Vorzugεrichtung der Düεen zu¬ sammenbricht.

Bei den bisher beεchriebenen Auεführungεbeiεpielen iεt die zweite Öffnung, die beim normalen Betrieb der Pumpe der Auε¬ laßöffnung entεpricht εtetε geöffnet.

In den Fig. 10a biε lOe iεt ein εechstes Ausführungsbeispiel einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung während der verschiedenen Teilschritte eines Pumpzykluεseε dargeεtellt.

Bei der Pumpe gemäß den Fig. 10a biε 10b iεt der Puffer in dem Verdränger gebildet, derart, daß der Verdränger und der Puffer alε verschiedene Bereiche einer Membran gebildet sind, welche den Pumpenkörper überspannt, um die Pumpkammer zu definieren. Der Pumpenkörper iεt ähnlich dem des ersten Ausführungεbeispiels ausgebildet, mit der Ausnahme, daß der Puffer nicht in demselben gebildet ist. Ein derartiger Auf¬ bau der erfindungsgemäßen Pumpe ermöglicht eine weiter ver¬ einfachte Herstellung derselben.

Die vorliegende Erfindung schafft somit eine Pumpe, die auf einem neuartigen Mechanismuε baεiert, gänzlich ohne Rück- εchlagventile auεkommt und eine Umkehrung der Pumprichtung ohne eine externe Umεteuerung von Ventilen ermöglicht. Somit beεitzt die Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung einen we¬ sentlich einfacheren Aufbau. Ferner kann der Verdränger gleichzeitig dazu verwendet werden, eine Fluidstromung über die Pumpe nach deren Abschalten in beiden Richtungen pasεiv oder aktiv abzuεperren.

Die vorliegende Erfindung liefert ferner eine Pumpe, die Vorteile bei der Umεchaltung der Pumprichtung liefert. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Reεonanz des mechani¬ schen Bauteilε, das im konventionellen Fall das Ventil und bei der vorliegenden Erfindung das Pufferelement ist, unab¬ hängig von dem Strömungswiderεtand eineε Ventilε, deεεen Baugröße, deεsen fluidiεcher Kapazität und deεsen mechani¬ scher Stabilität eingestellt werden. Dadurch ist es möglich, einerεeitε die Bauteile weiter zu miniaturiεieren und ande-

rerεeitε die Reεonanzfrequenzen durchεchnittlich zu ernie¬ drigen. Bei konventionellen Mikropumpen stehen sich diese beiden Effekte gegenläufig gegenüber.

Im Gegensatz zu konventionellen Mikropumpen, bei denen typi¬ sche Resonanzfrequenzen im Bereich von 2000 Hertz biε 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 elektri¬ schen 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 Bauweiεe.

Im Vergleich zu Pumpen mit Strömungεdüεen weiεt die erfin- dungεgemäße Pumpe, die ohne Rückεchlagventile auεkommt, ei¬ nen erhöhten Wirkungεgrad pro Pumpzykluε von mehr alε 50% auf.

Bei einer mikromechaniεchen Auεführung der erfindungεgemäßen Pumpe kann dieεelbe nur auε einem einzigen εtrukturierten Bauteil, in dem der Verdränger realisiert ist, und einer Grundplatte mit zwei Öffnung bestehen. Diese einfachen Strukturen erlauben einen problemloεen Zuεammenbau deε Ge- samtsyεtemε. Eine Grundstruktur aus Pyrex erlaubt das anodi¬ sche Bonden deε strukturierten Siliziumbauteils auf den Py- rex-Grundkörper, der als Pumpenkörper dient. Die Öffnungen in der Grundstruktur können als einfache Bohrungen oder be¬ liebig geformt ausgeführt sein. Dies reduziert den Aufwand gegenüber der Herεtellung von Strömungsdüsen erheblich. Fer¬ ner kann die Grundbauform der Mikropumpe rund sein oder jede beliebige Form aufweiεen.

Alε Materialien für die Mikropumpe kommen neben Silizium faεt alle anderen Werkεtoffe in Betracht, beispielweise Me¬ talle, Kunststoffe, Gläser, Keramiken. Dabei ist eine ein¬ fache Fertigung in Kunststoffεpritzgußtechnik ebenεo möglich

wie die Fertigung in Metalldruck-Gußtechnik oder daε LIGA- Verfahren.

Der Antrieb der Mikropumpe, d.h. deε Verdrängerε, kann durch alle bekannten Aktorverfahren erfolgen, beiεpielsweiεe pie¬ zoelektrisch, pneumatisch, thermopneumatisch, thermomecha- nisch, elektrostatisch, magnetisch, magnetostriktiv oder hy- drauliεch.

Über integrierte Senεoren, beiεpielεweise in der Puffermem¬ bran, läßt sich ein Regelkreiε aufbauen, der den Antrieb der Mikropumpe in den jeweils optimalen Arbeitsbereich bringt.

Das Einsatzgebiet der erfindungsgemäßen Pumpe deckt den ge¬ samten Bereich der Mikrofluidik und Fluidik ab, da das Me¬ dium sowohl bidirektional befördert als auch definiert ge¬ sperrt werden kann. Die minimale Baugröße ermöglicht den Aufbau von minimalen Miεch- und Dosiersyεtemen in der Medi¬ zin-, Chemie- und Analysetechnik. Bei B.H. van de Schoot, S. Jeanneret, A. van den Berg and N.F. de Rooij ; A Silicon in¬ tegrated miniature chemical analysis system; Sensorε and Actuatorε, B, 6 (1992), Seiten 57-60, werden für eine derar¬ tige Anwendung zwei Pumpen verwendet, wohingegen man mit nur einer erfindungεgemäßen Pumpe auskommen würde. Generell ist das Pumpenprinzip für einen weiten Bereich von Baugrößen ge¬ eignet, so daß in vielen Fällen die Spritzgußtechnik alε ko¬ stengünstige Fertigungstechnik eingesetzt werden kann.

Fig. 11 zeigt ein siebteε Auεführungsbeispiel einer selbεt- anεaugenden 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 Pumpen¬ körper 110 befestigt ist, verdickt sein. Die Membran 114 ist mittelε einer Antriebsvorrichtung 116, die eine piezoelek¬ trische, eine pneumatiεche, eine thermopneumatische, eine thermomechanische, eine elektroεtatiεche, eine magnetische,

eine magnetostriktive oder eine hydraulische Antriebsanord¬ nung sein kann, aus der Stellung, die in Fig. ll dargestellt ist und im folgenden als erste Endstellung bezeichnet wird, in eine zweite Endstellung bewegbar. Bei diesem Ausführungs¬ beispiel 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 der¬ selben, an der sie mit der Antriebseinrichtung 116 verbunden ist, eine Verdickung aufweisen.

Die in Fig. 11 dargestellte, εelbεtanεaugende, εelbεtbefül- lende Mikropumpe unterscheidet sich von bekannten Mikropum¬ pen dadurch, daß sie im Pumpbetrieb abwechselnd die erste Öffnung 118 öffnet, während die zweite Öffnung 120 ver¬ schlossen bleibt, um dann die zweite Öffnung 120 zu öffnen, während die erste Öffnung geschlosεen ist. Bei der in Fig. 11 dargestellten Pumpe ist zu jedem Zeitpunkt immer nur eine Öffnung, 118 oder 120, geöffnet, während die andere Öffnung geschlosεen ist. In der Ruhephase sind beide Öffnungen 118 und 120 verschlosεen, wodurch daε Pumpmedium definiert abge¬ sperrt wird.

In Fig. 12 ist ein achtes Ausführungsbeiεpiel einer erfin- dungεgemäßen Fluidpumpe dargeεtellt. Die Fluidpumpe weist wiederum einen Pumpenkörper 110 auf, an dem mittelε einer Verbindungseinrichtung 112 eine Membran 124 angebracht ist. Bei diesem Ausführungεbeiεpiel iεt jedoch zwiεchen der Mem¬ bran und dem Pumpenkörper ein kapillarer Spalt 126 gebildet. Um die Öffnungen 118 und 120 zu verεchließen, wenn der Ver¬ dränger, d.h. die Membran 124, in der Ruhelage iεt, weist die Membran an den Orten der Öffnungen Verdickungen auf, die

der Oberfläche der Platte des Pumpenkörpers lio zugewandt sind. Wiederum ist an der Membran eine Antriebseinrichtung 116 angebracht.

Auf der Oberεeite, d.h. der dem Pumpenkörper abgewandten Seite, der Membran 124 können Strukturierungen auεgebildet sein, die eine optimale Puffervolumen-Anpaεεung und -Entlee¬ rung ermöglichen. Ferner können Strukturierungen, welche beispielεweiεe alε Strömungskanäle ausgeführt sein können, auf der Oberseite des Pumpenkörpers, d.h. der Oberseite, die der Membran 124 zugewandt ist, oder der Membranunterεeite zur optimalen Befullung bzw. Entleerung der Pumpe genutzt werden.

Alternativ zu dem in Fig. 12 dargeεtellten Auεführungsbei¬ spiel könnten die Öffnungen 118 und 120, die in dem Pumpen¬ körper 110 angeordnet sind, ferner Erhebungen, die dieselben umgeben, aufweisen. In dieεem Fall müßte die Membran 124 keine dem Pumpenkörper 110 zugewandten Verdickungen aufwei¬ sen, um ein Verschließen der Öffnungen 118 und 120 zu ermög¬ lichen.

In Fig. 13 ist ein neuntes Ausführungsbeispiel einer Fluid¬ pumpe 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 ka¬ pillarer Spalt ausgebildet. Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist es bedeutsam, daß die zwei Öffnungen 118 und 120 beabstandet voneinander auf unter¬ schiedlichen Seiten einer Mittelachse der Membran 136 ange¬ ordnet sind. Durch diesen asymmetrischen Aufbau der erfin¬ dungsgemäßen Pumpe iεt ein εelbεtanεaugender bzw. εelbstbe- füllender Betrieb der Mikropumpe gemäß der vorliegenden Er¬ findung möglich.

Bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e wird nachfolgend ein Pumpzykluε der Pumpe, die in Fig. 11 dargeεtellt iεt, erläu¬ tert. Hierbei εei darauf hingewieεen, daß das in Fig. 12

dargeεtellte Auεführungεbeispiel 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 dieεer Stellung εind beide Anεchlüsse verschloεεen, wodurch eine abεolute Medien¬ sperrung erzeugt wird.

Wie in Fig. 14b gezeigt ist, wird dann der Verdränger, d.h. die Membran 114, auε der Ruheεtellung in der Richtung deε in der Fig. 14b gezeigten Pfeilε punktuell nach oben bewegt, wobei die Einlaßöffnung, die Öffnung 118, geöffnet wird, während die Auεlaßöffnung, die Öffnung 120, verschlossen bleibt. Die in Fig. 14b gezeigte Stellung kann als zweite Endεtellung deε Verdrängerε betrachtet werden.

In Fig. 14c ist dargestellt, wie durch die Aufwärtsbewegung des Verdrängers ein zu pumpendes Medium durch die Einla߬ öffnung, d.h. die Öffnung 118, in die durch die Aufwärtsbe¬ wegung des Verdrängers gebildete Pumpkammer gezogen wird. Nachfolgend wird, wie in Fig. 14d gezeigt ist, der Verdrän¬ ger 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 auf¬ genommenen Fluidvolumen entspricht, was bewirkt, daß die Auslaßöffnung freigegeben wird.

Wie in Fig. 14e dargestellt ist, wird daε Puffervolumen durch die Auεlaßöffnung, d.h. die Öffnung 120, entleert, wo¬ bei das zu pumpende Medium "verschoben" bzw. über eine "Rollverdrängung" transportiert wurde.

Der oben bezugnehmend auf die Fig. 14a bis 14e beschriebene Pumpmechanismuε ergibt eine Pumprichtung von der Einlaßöff¬ nung 118 zu der Auεlaßöffnung 120. Durch daε Erhöhen der An- triebεfrequenz auf eine Frequenz oberhalb der Resonanzfre¬ quenz des Gesamtsystems, bestehend aus dem Verdränger und

dem Fluidsystem, kann eine Umkehr der Pumprichtung erreicht werden. Es ist offensichtlich, daß sich dann auch die Ein¬ laß- bzw. Auslaß-Öffnung umkehren, d.h. daß die Einlaßöff¬ nung 118 zur Auslaßöffnung wird, und die Auslaßöffnung 120 zur Einlaßöffnung wird.

Das bei jedem Pumpzyklus von der erfindungsgemäßen Fluid¬ pumpe 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, daε nur hin- und herbewegt wird und keinen Pumpbeitrag liefert, gehen bei dieser Anordnung im Gegensatz zu bekannten Mikro¬ pumpen gegen Null. Dadurch wird bei der erfindungεgemäßen Mikropumpe bei einer einfachen Anεteuerung der Antriebεvor- richtung die Selbεtbefüllung in Verbindung mit der Membran¬ verformung und der sequentiellen Öffnung der Öffnungen re¬ produzierbar.

In den Fig. 15a bis 15e ist ein Pumpzyklus des in Fig. 13 dargestellten neunten Ausführungεbeiεpielε einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 15a ge¬ zeigt ist, wird die Membran 136 zunächst ausgehend von einer Ruhelage mittels der Antriebεvorrichtung 116 nach unten be¬ wegt, derart, daß die Öffnung 118 verεchlossen 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 bezeich¬ net werden.

Wie in Fig. 15b dargestellt ist, wird die Membran 136 nach¬ folgend ruckartig nach oben bewegt. In diesem Fall ist nicht immer nur eine Öffnung verschlosεen, während die andere ge¬ öffnet iεt. Wie in den Fig. 15b und 15c gezeigt iεt, 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 Abεtand der Mem-

bran über den Öffnungen, unterscheidet und damit der Flußwi¬ derstand. Durch die Einlaßöffnung 118 fließt εomit ein größerer Fluidεtrom als durch die Auslaßöffnung 120. Dies ist in Fig. 15c durch die unterεchiedlich kräftig darge¬ stellten Pfeile angezeigt.

Wie in Fig. 15d gezeigt iεt, wird die Membran nachfolgend ruckartig nach unten bewegt, wodurch die Öffnung 118 ver¬ schlossen wird. Wiederum iεt zwiεchen der Membran und dem Pumpenkörper ein Pumpvolumen gebildet, daε, wie in Fig. 15e gezeigt iεt, anεchließend durch die Rückverformung deε Ver- drängerε 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 siebten und dem achten Ausführungs¬ beispiel der vorliegenden Erfindung, die in den Fig. 11 und 12 gezeigt sind. Dadurch weiεt daε bezüglich den Fig. 13 und 15 beschriebene dritte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen geringeren Wirkungsgrad als die bezüglich der Fig. 11 und 12 beschriebenen Auεführungsbeispiele auf.

Die Mikropumpe gemäß den Fig. 11 und 12 läßt εich mit einer konstanten Antriebsfrequenz selbst befüllen. Nachdem daε zu pumpende Medium den Pumpraum oder die Pumpkammer befüllt hat und an der Austrittsoffnung heraustritt, kann die Antriebs¬ frequenz der Antriebsvorrichtung, die den Verdränger treibt, im Falle des Pumpenε eineε 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 PumpmechanismuΞ liegt in der Verdränger¬ verformung und der Anordnung der Öffnungen. Das zu pumpende Medium wird durch die Öffnung 118 aufgenommen und zur Öff¬ nung 120 "verschoben" oder über eine "Rollverdrängung" transportiert.

Die Pumpenkörper und Verdrängereinrichtungen gemäß der vor-

liegenden Erfindung können vorzugεweise aus Silizium beste¬ hen. Daneben können dieselben auch in einer Kunstεtoff- spritztechnik gefertigt sein. Als Antriebsvorrichtungen kön¬ nen alle in der Technik bekannten Antriebe verwendet werden. Die für die Mikropumpe Charakteristiεchen, tranεienten Kur¬ venformen für den Hub, den Pumpkammerdruck, die Verdränger- volumenänderung und den Durchfluß können ohne weiteres her¬ geleitet werden.

Alternativ zu den dargestellten Fluidpumpen könnte ein ka¬ pillarer Spalt zwischen der Verdrängermembran und der Pum- penkörperplatte auch durch eine Ausnehmung in der Pumpenkör- perplatte gebildet εein.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht gemäß dem zweiten und dritten Aspekt derselben somit erstmals die Herstellung rückεchlagventilloεer, selbstansaugender, d.h. selbεtbefül- lender, Mikropumpen. Daε Einεatzgebiet 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 Auf¬ wand und mit minimalen Baugrößen herstellbar. Durch diese geringen Baugrößen ermöglicht die vorliegende Erfindung den Aufbau von minimalen Misch- und DosierSystemen in der Medi¬ zin-, Chemie- und Analyse-Technik, wobei die dabei verwende¬ ten Pumpen einen guten Wirkungsgrad aufweisen.