EP2205869B1 - Membrane pump - Google Patents

Description

Translated fromGerman

Die vorliegende Erfindung befasst sich mit Membranpumpen.The present invention is concerned with diaphragm pumps.

Mikropumpen mit kleinem Bauraum sind aus dem Stand der Technik bekannt. So ist beispielsweise aus derDE 197 19 862 A1 eine Mikromembranpumpe mit passiven Rückschlagventilen bekannt, die eine Pumpmembran aufweist, die mittels einer Antriebseinrichtung in eine erste und eine zweite Stellung bewegbar ist. Ein Pumpenkörper ist mit der Pumpmembran verbunden, um eine Pumpkammer zwischen denselben festzulegen. Eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung sind jeweils mit passiven Rückschlagventilen versehen. Neben einem piezoelektrischen Antrieb für die Pumpmembran ist auch ein elektrostatischer Antrieb beschrieben. Pump-membran und Rückschlagventile sind in jeweiligen Siliziumsubstraten strukturiert. Ferner sind als Ausgangsmaterialien für die Pumpmembran neben Silizium Glas oder Kunststoff angesprochen.Micropumps with a small installation space are known from the prior art. For example, from the DE 197 19 862 A1 a micromembrane pump with passive check valves known which has a pumping membrane which is movable by means of a drive means in a first and a second position. A pump body is connected to the pumping membrane to define a pumping chamber therebetween. An inlet opening and an outlet opening are each provided with passive check valves. In addition to a piezoelectric drive for the pumping membrane and an electrostatic drive is described. Pump diaphragm and check valves are structured in respective silicon substrates. Furthermore, as starting materials for the pumping membrane in addition to silicon glass or plastic are addressed.

EP 0 424 087 A1 offenbart eine Membranpumpe mit folgenden Merkmalen: eine Pumpkammer mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung, einem passiven Silizium-Rückschlagventil an der Einlassöffnung, einem passiven Silizium-Rückschlagventil an der Auslassöffnung, und einer metallischen Pumpmembran, die an die Pumpkammer angrenzt.EP 0 424 087 A1 discloses a diaphragm pump comprising: a pumping chamber having an inlet port and an outlet port, a passive silicon check valve at the inlet port, a passive silicon check valve at the outlet port, and a metallic pumping diaphragm adjacent to the pumping chamber.

DE 195 46 570 C1 offenbart eine Fluidpumpe. Die Fluidpumpe weist einen Pumpenkörper und einen Verdränger, der mittels eines Antriebs in eine erste und eine zweite Endstellung positionierbar ist, auf, wobei der Verdränger und der Pumpenkörper derart ausgebildet sind, dass zwischen denselben eine Pumpkammer gebildet ist, die eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung aufweist. Der Verdränger verschließt die Auslassöffnung, wenn er in der ersten Endstellung ist, und lässt die Auslassöffnung offen, wenn er in der zweiten Endstellung ist. DE 195 46 570 C1 discloses a fluid pump. The fluid pump has a pump body and a displacer, which can be positioned by means of a drive in a first and a second end position, wherein the displacer and the pump body are formed such that between them a pumping chamber is formed having an inlet opening and an outlet opening , The displacer closes the outlet opening when in the first end position, and leaves the outlet opening open when in the second end position.

DE 10 238 600 offenbart eine peristaltische Mikropumpe. Die peristaltische Mikropumpe umfasst einen ersten Membranbereich mit einem ersten Piezoaktor zum Betätigen des ersten Membranbereichs, einen zweiten Membranbereich mit einem zweiten Piezoaktor zum Betätigen des zweiten Membranbereichs und einen dritten Membranbereich mit einem dritten Piezoaktor zum Betätigen des dritten Membranbereichs. Ein Pumpenkörper bildet zusammen mit dem ersten Membranbereich ein erstes Ventil, dessen Durchlassöffnung im unbetätigten Zustand des ersten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlassöffnung durch Betätigen des ersten Membranbereichs verschliessbar ist. Der Pumpenkörper bildet zusammen mit dem zweiten Membranbereich eine Pumpkammer, deren Volumen durch Betätigen des zweiten Membranbereichs verringerbar ist. Der Pumpenkörper bildet zusammen mit dem dritten Membranbereich ein zweites Ventil, dessen Durchlassöffnung im unbetätigten Zustand des dritten Membranbereichs offen ist und dessen Durchlassöffnung durch Betätigen des dritten Membranbereichs verschliessbar ist. Das erste und das zweite Ventil sind mit der Pumpkammer fluidmässig verbunden. DE 10 238 600 discloses a peristaltic micropump. The peristaltic micropump comprises a first diaphragm region having a first piezoactuator for actuating the first membrane region, a second membrane region having a second piezoactuator for actuating the second membrane region, and a third membrane region having a third piezoactuator for actuating the third membrane region. A pump body forms, together with the first membrane region, a first valve whose passage opening is open in the unactuated state of the first membrane region and whose passage opening can be closed by actuation of the first membrane region. The pump body together with the second membrane region forms a pumping chamber whose volume can be reduced by actuating the second membrane region. The pump body forms, together with the third diaphragm region, a second valve whose passage opening is open in the unactuated state of the third diaphragm region and whose passage opening can be closed by actuating the third diaphragm region. The first and the second valve are fluidly connected to the pumping chamber.

Typische Abmessungen für bekannte Mikromembranpumpen in Form von Siliziumpumpen mit Piezoantrieb sind 7x7x1 mm³. Ferner sind Kunststoffpumpen mit Piezoantrieb bekannt.Typical dimensions for known micromembrane pumps in the form of silicon pumps with piezo drive are 7x7x1 mm³ . Furthermore, plastic pumps with piezo drive are known.

Eine Mikroperistaltikpumpe, die aus einem Grundelement und einem Membranelement besteht, ist in derDE 102 38 600 A1 beschrieben. In dem Grundelement sind drei miteinander fluidisch verbundene Kammern gebildet, deren Volumina durch das Membranelement unabhängig voneinander durch Betätigungseinrichtungen veränderbar sind. Zwei Kammern stellen Ventilkammern dar, während eine Kammer eine Pumpkammer darstellt. Das Grundelement kann durch Spritzguss aus Kunststoff oder feinwerktechnisch spanend aus einem geeigneten Material, beispielsweise Metall hergestellt sein. Das Membranelement kann aus Silizium, einer Metallfolie oder einer Elastomermembran gebildet sein. Neben Piezoaktoren sind elektrostatische Aktoren oder pneumatische Antriebe für die Membranbereiche angesprochen.A micro-peristaltic pump, which consists of a base member and a membrane element is in the DE 102 38 600 A1 described. In the base element, three fluidically interconnected chambers are formed, the volumes of which are independently variable by the membrane element by actuators. Two chambers represent valve chambers, while a chamber represents a pumping chamber. The basic element can be produced by injection molding from plastic or precision machining by machining from a suitable material, for example metal. The membrane element may be formed of silicon, a metal foil or an elastomeric membrane. In addition to piezo actuators, electrostatic actuators or pneumatic actuators for the membrane areas are addressed.

Mikropumpen, die im Stand der Technik beschrieben sind und am Markt angeboten werden, haben eine maximale Förderrate von 10 bis 20 ml/min für Wasser und maximal 100 ml/min für Luft.Micropumps described in the prior art and available on the market have a maximum delivery rate of 10 to 20 ml / min for water and a maximum of 100 ml / min for air.

Bei Mikroperistaltikpumpen muss das zu pumpende Fluid, d.h. die Flüssigkeit oder das Gas, bei jedem Pumpzyklus durch einen langen und schmalen Kanal bewegt werden, wobei die entsprechenden Flusswiderstände hoch sind. Daher fördern Mikroperistaltikpumpen bei gleichem Bauraum weniger als Mikromembranpumpen mit passiven Rückschlagventilen.In microperistaltic pumps, the fluid to be pumped, i. the liquid or gas is moved through a long and narrow channel each pumping cycle, with the corresponding flow resistances being high. For this reason, microperistaltic pumps convey less than micromembrane pumps with passive non-return valves in the same space.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Membranpumpe zu schaffen, die bei einem kleinen Bauraum hohe Förderraten ermöglicht.The object of the present invention is to provide a diaphragm pump which allows high delivery rates in a small space.

Diese Aufgabe wird durch eine Membranpumpe nach Anspruch 1 gelöst.This object is achieved by a diaphragm pump according to claim 1.

Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen eine Membranpumpe mit folgenden Merkmalen:

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

Embodiments of the invention provide a diaphragm pump having the following features:

• a pumping chamber having an inlet opening and an outlet opening;
• a passive silicon check valve at the inlet port;
• a passive silicon check valve at the outlet port; and
• a metallic pumping membrane adjacent to the pumping chamber.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Membranpumpe mit folgenden Merkmalen:

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

Embodiments of the present invention provide a diaphragm pump having the following features:

• a pumping chamber having an inlet opening and an outlet opening provided with passive check valves;
• a pumping membrane adjacent to the pumping chamber; and
• an actuator for actuating the pumping membrane at an operating frequency;
• wherein the operating frequency is less than a natural resonant frequency of valve gates of the passive check valves,
• wherein a maximum extension of the pumping membrane in one direction is ≤ 50 mm; and
• wherein a delivery rate of the diaphragm pump when operating the pumping membrane with the operating frequency for a liquid to be conveyed ≥ 40 ml / min and for a gas to be conveyed ≥ 250 ml / min.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis der Erfinder, dass eine Mikromembranpumpe mit hoher Förderrate, kleiner Baugröße und geringem Aufwand implementiert werden kann, wenn passive Rückschlagventile aus Silizium verwendet werden, die mit einer hohen Eigenfrequenz implementiert werden können, während die Pump-membran aus Metall implementiert wird, was bei der erforderlichen Größe gegenüber Siliziummembranen mit deutlich verringertem Aufwand möglich ist.Embodiments of the present invention are based on the inventors' finding that a microfilm pump with high delivery rate, small size, and low cost can be implemented when using passive silicon check valves that can be implemented with a high natural frequency while the pumping membrane is off Metal is implemented, which is possible with the required size compared to silicon membranes with significantly reduced effort.

Ausführungsbeispiele basieren auf der Erkenntnis, dass Membranpumpen bei einer größten Erstreckung der Pumpmembran in einer Richtung (bei einer runden Pumpmembran der Durchmesser) von 50 mm oder darunter eine Förderrate für eine Flüssigkeit ≥ 40 ml/min oder für ein zu förderndes Gas ≥ 250 ml/min erreichbar sind. Um dies erreichen zu können, ist es vorteilhaft die Ventilklappen mit einer hohen Eigenresonanzfrequenz zu implementieren, da die Betriebsfrequenz, mit der die Pumpmembran betrieben wird, vorzugsweise kleiner ist als die Eigenresonanzfrequenz der Ventilklappen der passiven Rückschlagventile. Ferner ist bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung die Pumpmembran hinsichtlich Radius und Dicke entworfen, um ein erforderliches Hubvolumen und einen erforderlichen Gegendruck zu erhalten.Exemplary embodiments are based on the finding that diaphragm pumps have the largest extent of the pump diaphragm in one direction (in the case of a round pump diaphragm the diameter) of 50 mm or below, a delivery rate for a liquid ≥ 40 ml / min or for a gas to be delivered ≥ 250 ml / min can be achieved. In order to achieve this, it is advantageous to implement the valve flaps with a high natural resonance frequency, since the operating frequency with which the pump diaphragm is operated is preferably smaller than the natural resonance frequency of the valve flaps of the passive check valves. Further, in embodiments of the present invention, the pumping membrane is designed in radius and thickness to obtain a required swept volume and backpressure.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf Mikromembranpumpen gerichtet, wobei darunter hierin Membranpumpen verstanden werden sollen, deren Hubvolumen im Mikroliter-Bereich und darunter liegen. Ausführungsbeispiele der Erfindung können ein Hubvolumen zwischen 50 nl und 50 µl aufweisen. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ferner funktionsbestimmende Abmessungen, wie Klappendicke, Membrandicke, Auflagestegbreite oder Pumpkammerhöhe im Mikrometer-Bereich aufweisen, z.B. zwischen 4 µm und 200 µm.Exemplary embodiments of the present invention are directed to micromembrane pumps, which are to be understood here as membrane pumps whose stroke volumes lie in the microliter range and below. Embodiments of the invention may have a stroke volume between 50 nl and 50 ul. Embodiments of the present invention may further include function defining dimensions such as flap thickness, membrane thickness, landing web width, or pump chamber height in the micrometer range, e.g. between 4 μm and 200 μm.

Als Grenzfrequenz f_g kann diejenige Betriebsfrequenz einer Membranpumpe bzw. Mikromembranpumpe mit passiven Rückschlagventilen betrachtet werden, bei der die Förderkennlinie den linearen Bereich verlässt. Diese Grenzfrequenz hängt vom Strömungswiderstand der passiven Rückschlagventile sowie den fluidischen Kapazitäten der Membranpumpe ab. Um die Grenzfrequenz zu erhöhen, was eine höhere Förderleistung ermöglicht, ist es bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung bevorzugt, den Strömungswiderstand der Ventile zu verringern und die fluidischen Kapazitäten der Pumpmembran, der passiven Rückschlagventile sowie von Gasblasen in der Pumpe zu verringern.The limit frequency f_g can be considered to be the operating frequency of a diaphragm pump or micromembrane pump with passive check valves, in which the delivery characteristic leaves the linear range. This cutoff frequency depends on the flow resistance of the passive check valves and the fluidic capacities of the diaphragm pump. In order to increase the cut-off frequency, which allows a higher flow rate, in embodiments of the present invention it is preferable to reduce the flow resistance of the valves and to reduce the fluidic capacities of the pumping membrane, the passive check valves and gas bubbles in the pump.

Bei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Membranpumpen wird Siliziummikromechanik nur dort eingesetzt, wo sie Vorteile besitzt, nämlich bei den passiven Rückschlagventilen, wobei bei Ausführungsbeispielen die passiven Siliziumventile möglichst klein ausgeführt werden, so dass diese kostengünstig bleiben.In embodiments of membrane pumps according to the invention silicon micromechanics is used only where they have advantages has, namely in the passive check valves, wherein in embodiments, the passive silicon valves are designed to be as small as possible, so that they remain cost-effective.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Pumpkammerkörper vorgesehen, in dem die Pumpkammer gebildet ist. Dieser Pumpkammerkörper kann aus Kunststoff, beispielsweise durch Spritzguss, hergestellt sein, wobei jedoch auch eine spanende Herstellung oder die Verwendung anderer Materialien, wie Silizium, Metall und dergleichen für den Pumpkammerkörper möglich ist.In embodiments of the invention, a pumping chamber body is provided, in which the pumping chamber is formed. This pumping chamber body can be made of plastic, for example by injection molding, but also a machining or the use of other materials, such as silicon, metal and the like for the pumping chamber body is possible.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Pumpkammer so geformt, dass das Totvolumen weitgehend verringert ist, während gleichzeitig der Strömungswiderstand minimiert ist. Das Totvolumen kann bei Ausführungsbeispielen so geformt sein, dass der Restkammerspalt in einem Bereich, der Auslass- und/oder Einlassöffnung gegenüberliegt, größer ist als an einem davon beabstandeten Bereich. Bei einer runden Pumpmembran, bei der Einlassöffnung und Auslassöffnung in einem zentralen Bereich gegenüberliegend der Pumpmembran angeordnet sind, kann beispielsweise der Restkammerspalt in der Mitte der Pumpmembran größer sein als am Rand der Pump-membran.In embodiments of the invention, the pumping chamber is shaped so that the dead volume is largely reduced, while at the same time the flow resistance is minimized. The dead volume may in embodiments be shaped so that the residual chamber gap in a region which is opposite to the outlet and / or inlet opening is greater than at a region spaced therefrom. In the case of a round pumping membrane in which the inlet opening and outlet opening are arranged in a central region opposite the pumping membrane, the residual chamber gap in the middle of the pumping membrane can, for example, be larger than at the edge of the pumping membrane.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Pumpmembran aus Metall, beispielsweise Edelstahl gebildet. Dies ermöglicht die Implementierung von Pumpmembranen, die eine ausreichende Größe und ein ausreichend großes Hubvolumen, bei gegebenen Druckanforderungen, aufweisen, um die gewünschten Förderraten zu ermöglichen. Metallmembrane sind hier gegenüber Siliziummembranen bevorzugt, da die Kosten von Siliziummembranen mit der Fläche skalieren, so dass Membrane mit einer für die gewünschten Förderraten benötigten Größe deutlich aufwändiger wären. Darüber hinaus können Metallmembrane, beispielsweise Edelstahlfolien, ein ähnliches Elastizitätsmodul wie Silizium und ebenfalls gute mechanische Eigenschaften aufweisen. Neben Edelstahl können alternativ auch andere Metalle für die Membran verwendet werden, beispielsweise Titan, Messing, Aluminium oder Kupfer.In embodiments of the invention, the pumping membrane is made of metal, for example stainless steel. This allows for the implementation of pumping membranes that are of sufficient size and lift volume, given pressure requirements, to allow for the desired delivery rates. Metal membranes are preferred over silicon membranes here because the cost of silicon membranes scale with the surface, so that membranes with a size required for the desired delivery rates would be significantly more expensive. In addition, metal membranes, such as stainless steel foils, may have a similar modulus of elasticity to silicon as well as good mechanical properties Have properties. In addition to stainless steel, other metals can alternatively be used for the membrane, such as titanium, brass, aluminum or copper.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung wird eine Piezokeramik als Antrieb für die Pumpmembran verwendet. Bei Ausführungsbeispielen bildet die Piezokeramik zusammen mit der Pumpmembran einen Piezo-Biegewandler, der durch Beaufschlagen mit einer Wechselspannung betrieben werden kann, um eine Auslenkung der Pumpmembran von einer ersten Endstellung in eine zweite Endstellung zu liefern, die eine für die gewünschte Förderrate erforderliche Betriebsfrequenz und ein für dieselbe erforderliches Hubvolumen aufweist. Alternativ können andere Antriebe, beispielsweise elektrostatische, magnetische, pneumatische oder hydraulische Antriebe für die Pumpmembran verwendet werden.In embodiments of the invention, a piezoceramic is used as a drive for the pumping membrane. In embodiments, the piezoceramic together with the pumping membrane forms a piezoelectric bending transducer which can be operated by applying an alternating voltage to provide a deflection of the pumping diaphragm from a first end position to a second end position, the one required for the desired delivery rate operating frequency and a for the same required displacement. Alternatively, other drives, such as electrostatic, magnetic, pneumatic or hydraulic drives for the pumping membrane may be used.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Anmeldung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membranpumpe;

Fig. 2

eine schematische Querschnittansicht eines bei einem Ausführungsbeispiel verwendeten Rückschlagventilsmoduls;

Fig. 3

einen Graph, der die Pumprate über der Betriebsfrequenz zeigt;

Fig. 4

eine schematische Querschnittansicht eines Modells einer Mikromembranpumpe;

Fig. 5

eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Pumpkammer gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und

Fig. 6

bis 9 Graphen, die Flussraten abhängig von der Betriebsfrequenz und dem Gegendruck für Luft und Wasser als zu pumpendes Medium zeigen.

Preferred embodiments of the present application will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:

Fig. 1

a schematic cross-sectional view of an embodiment of a diaphragm pump according to the invention;

Fig. 2

a schematic cross-sectional view of a non-return valve module used in one embodiment;

Fig. 3

a graph showing the pumping rate over the operating frequency;

Fig. 4

a schematic cross-sectional view of a model of a micro-diaphragm pump;

Fig. 5

a schematic representation for explaining a pumping chamber according to an embodiment of the invention; and

Fig. 6

to 9 are graphs showing flow rates depending on the operating frequency and the back pressure for air and water as the medium to be pumped.

Eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Membranpumpe 10 ist inFig. 1 gezeigt. Die Membranpumpe 10 umfasst einen Pumpenkörper 12, eine Pumpmembran 14, einen auf der Pumpmembran 14 angeordneten Piezoaktor 16 und eine Abdeckung 18. Der Piezoaktor 16 und die Pumpmembran 14 bilden bei Ausführungsbeispielen einen Piezobiegewandler. Eine Treibereinrichtung 24 ist vorgesehen, um über elektrische Verbindungen 20 und 22 die zum Betätigen des Piezoaktors erforderlichen Spannungen anzulegen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Pumpmembran 14 eine metallische Pumpmembran, so dass die elektrische Verbindung 22 ein erstes Potential über die Pumpmembran 14 an den Piezoaktor 16 anlegen kann. Bei Ausführungsbeispielen wird das zweite Potential über die elektrische Verbindung 20, die beispielsweise ein Metallplättchen 20a und einen Bonddraht 20b aufweisen kann, an die gegenüberliegende Seite des Piezoaktors angelegt.A schematic cross-sectional view of an embodiment of amembrane pump 10 according to the invention is shown in FIG Fig. 1 shown. Thediaphragm pump 10 comprises apump body 12, apump diaphragm 14, apiezoelectric actuator 16 arranged on thepump diaphragm 14 and acover 18. Thepiezoelectric actuator 16 and thepump diaphragm 14 form a piezoelectric bending transducer in embodiments. Adriver device 24 is provided in order to apply the voltages required for actuating the piezoelectric actuator viaelectrical connections 20 and 22. In embodiments of the invention, the pumpingmembrane 14 is a metallic pumping membrane, so that theelectrical connection 22 can apply a first potential to thepiezoactuator 16 via the pumpingmembrane 14. In embodiments, the second potential is applied to the opposite side of the piezoelectric actuator via theelectrical connection 20, which may comprise, for example, ametal plate 20a and abonding wire 20b.

Der Pumpenkörper 12 weist eine Ausnehmung auf, die zusammen mit der Pumpmembran 14 eine Pumpkammer 26 festlegt. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Pumpmembran 14 zwischen dem Pumpkörper 12 und der Abdeckung 18 angeordnet. Der Pumpenkörper 12 und die Abdeckung 18 können aus Kunststoff bestehen und beispielsweise mittels Spritzguss hergestellt sein. In dem Pumpenkörper 12 sind eine Einlassöffnung 28 und eine Auslassöffnung 30 gebildet. Die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 können geeignete Strukturen umfassen, um den Anschluss von Schläuchen oder dergleichen zu ermöglichen. Bei Ausführungsbeispielen können die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 mit jeweiligen Luer-Verbindern versehen sein.Thepump body 12 has a recess which defines apumping chamber 26 together with the pumpingmembrane 14. In the embodiment shown, the pumpingmembrane 14 is arranged between thepump body 12 and thecover 18. Thepump body 12 and thecover 18 may be made of plastic and be manufactured for example by injection molding. In thepump body 12, aninlet port 28 and anoutlet port 30 are formed. Theinlet port 28 and theoutlet port 30 may include suitable structures to facilitate the connection of tubing or the like. In embodiments, theinlet opening 28 and theoutlet opening 30 may be provided with respective luer connectors.

Ferner sind die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 jeweils mit passiven Rückschlagventilen 32 und 34 versehen. Bei dem gezeigten Beispiel sind die passiven Rückschlagventile 32, 34 in einem Rückschlagventilmodul 36 gebildet, das in eine passende Ausnehmung in dem Pumpkörper 12 eingesetzt ist.Further, theinlet port 28 and theoutlet port 30 are respectively provided withpassive check valves 32 and 34. In the example shown, thepassive check valves 32, 34 are formed in acheck valve module 36, which is inserted into a matching recess in thepump body 12.

Eine vergrößerte Darstellung des Rückschlagventilmoduls 36, jedoch seitenverkehrt, ist inFig. 2 gezeigt. Das Rückschlagventilmodul 36 weist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung eine Form auf, wie sie in derDE 197 19 862 A1 beschrieben ist. Es ist jedoch klar, dass die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 mit beliebigen Rückschlagventilen versehen sein können, die die entsprechende Funktionalität liefern.An enlarged view of thecheck valve module 36, but reversed, is in Fig. 2 shown. Thecheck valve module 36 in embodiments of the invention has a shape as shown in the DE 197 19 862 A1 is described. However, it should be understood that theinlet port 28 and theoutlet port 30 may be provided with any one of a number of check valves that provide the corresponding functionality.

Die Rückschlagventile können durch Nassätzen (z.B. KOH-Ätzen) erzeugt werden, wodurch die typischen schrägen Ätzkanten, wie sie inFig. 2 zu erkennen sind, bewirkt werden. Alternativ können die Rückschlagventile auch durch Trockenätzen erzeugt werden, wodurch die schrägen Ätzkanten vermieden werden können, so dass insgesamt weniger Chipfläche benötigt wird.The check valves can be produced by wet etching (eg, KOH etching), whereby the typical oblique etching edges, as shown in FIG Fig. 2 to be recognized, be effected. Alternatively, the check valves can also be produced by dry etching, whereby the oblique etching edges can be avoided, so that overall less chip area is required.

Das Rückschlagventilmodul 36 weist zwei Siliziumscheiben 36a und 36b auf, in die die Merkmale der Rückschlagventile strukturiert sind und die an zwei Hauptoberflächen derselben miteinander verbunden sind. Das passive Rückschlagventil 32 umfasst eine Ventilklappe 32a, die in die Siliziumscheibe 36b strukturiert ist, und einen Ventilsitz 32b, der in die Siliziumscheibe 36a strukturiert ist. Das passive Rückschlagventil 34 umfasst eine Ventilklappe 34a, die in die Siliziumscheibe 36a strukturiert ist, und einen Ventilsitz 34b, der in die Siliziumscheibe 36b strukturiert ist. Die Ventilsitze 32b und 34b liefern jeweilige Auflageflächen bzw. Auflagestege für die Ventilklappen 32a und 34a.Thecheck valve module 36 has twosilicon wafers 36a and 36b, in which the features of the check valves are structured and which are connected to each other at two main surfaces thereof. Thepassive check valve 32 includes avalve flap 32a structured in thesilicon wafer 36b and avalve seat 32b patterned into thesilicon wafer 36a. Thepassive check valve 34 includes avalve flap 34a structured in thesilicon wafer 36a and avalve seat 34b patterned into thesilicon wafer 36b. The valve seats 32b and 34b provide respective bearing surfaces or support webs for the valve flaps 32a and 34a.

DieFig. 1 und 2 zeigen schematische Querschnittansichten eines Ausführungsbeispiels der Erfindung. Bei Ausführungsbeispielen weist die Pumpkammer 26 in Draufsicht eine runde Form, d.h. einen runden Umfang, auf, wobei entsprechend die Pumpmembran 14 ebenfalls rund ausgebildet ist. Die Einlassöffnung 28 und die Auslassöffnung 30 sind in einem zentralen Bereich der Pumpmembran 14 gegenüberliegend vorgesehen.The Fig. 1 and 2 show schematic cross-sectional views of an embodiment of the invention. In embodiments, the pumpingchamber 26 in plan view a round shape, ie a circular circumference, on, according to the pumpingdiaphragm 14 is also formed round. Theinlet port 28 and theoutlet port 30 are provided opposite in a central area of the pumpingdiaphragm 14.

Im Betrieb legt während eines Pumphubs die Treibereinrichtung 24 eine Betätigungsspannung an den Piezoaktor 16 an, so dass die Pumpmembran 14 in eine Richtung zu der Einlassöffnung 28 und der Auslassöffnung 30 hin ausgelenkt wird. Dadurch wird in der Pumpkammer 26 ein Überdruck erzeugt, der das passive Auslassventil 34 öffnet, so dass Fluid während des Pumphubs aus der Auslassöffnung 30 strömt. Während eines nachfolgenden Saughubs wird die Betätigungsspannung abgestellt, so dass die Pumpmembran in ihre Ausgangslage, wie sie beispielsweise inFig. 1 gezeigt ist, zurückkehrt. Dabei entsteht in der Pumpkammer 26 ein Unterdruck, durch den Fluid durch das Einlassventil 32 in die Pumpkammer 26 gesaugt wird. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung erfolgt die Rückkehr der Pumpmembran in die Ausgangsstellung lediglich durch die Elastizität derselben.In operation, during a pumping stroke, thedriver 24 applies an actuation voltage to thepiezoactuator 16, such that the pumpingmembrane 14 is deflected in a direction toward theinlet port 28 and theoutlet port 30. As a result, an overpressure is generated in thepumping chamber 26, which opens thepassive outlet valve 34, so that fluid flows out of the outlet opening 30 during the pumping stroke. During a subsequent suction stroke, the actuating voltage is turned off, so that the pumping membrane in its initial position, as for example in Fig. 1 is shown, returns. In the process, a negative pressure is created in thepumping chamber 26, through which fluid is drawn through theinlet valve 32 into the pumpingchamber 26. In embodiments of the invention, the return of the pumping membrane takes place in the starting position only by the elasticity of the same.

Die Position der Pumpmembran am Ende des Druckhubs und die Position der Pumpmembran am Ende des Saughubs können als zwei Endstellungen betrachtet werden, da diese Stellungen die Positionen der Pumpmembran sind, an denen die Bewegung der Pumpmembran bei einem gegebenen Aufbau und einer gegebenen Betätigung endet. Die Volumendifferenz zwischen den zwei Endstellungen entspricht dem Hubvolumen der Membranpumpe. An dieser Stelle sei angemerkt, dass die tatsächlichen Endstellungen vom jeweils herrschenden Gegendruck abhängig sind.The position of the pumping membrane at the end of the pressure stroke and the position of the pumping membrane at the end of the suction stroke may be considered as two end positions, as these positions are the positions of the pumping membrane where the movement of the pumping membrane will end in a given configuration and actuation. The volume difference between the two end positions corresponds to the displacement of the diaphragm pump. It should be noted at this point that the actual end positions are dependent on the respective prevailing backpressure.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membranpumpe derart ausgelegt, dass durch Anlegen einer Betätigungsspannung die Pumpmembran in die Stellung ausgelenkt wird, in der das Pumpkammervolumen reduziert ist. Bei alternativen Ausführungsbeispielen, kann die Membranpumpe derart ausgelegt sein, dass durch Anlegen einer Betätigungsspannung die Pumpmembran ausgelenkt wird, um das Pumpkammervolumen zu erhöhen. Bei solchen Ausführungsbeispielen kann die Pumpmembran in eine Stellung, in der das Pumpkammervolumen reduziert ist, vorgespannt sein.In the illustrated embodiment, the diaphragm pump is designed such that deflected by applying an operating voltage, the pumping diaphragm in the position becomes, in which the pumping chamber volume is reduced. In alternative embodiments, the diaphragm pump may be configured such that by applying an actuation voltage, the pumping membrane is deflected to increase the pumping chamber volume. In such embodiments, the pumping membrane may be biased to a position in which the pumping chamber volume is reduced.

Gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung sind der Durchmesser und die Dicke der Pumpmembran 14, die Eigenfrequenz der Ventilklappen 32a und 34a, die Form der Pumpkammer 26 sowie die Betriebsfrequenz der durch die Treibereinrichtung 24 angelegten Betätigungsspannung derart angepasst, dass bei einem Durchmesser der Pumpmembran ≦ 50 mm eine Förderrate von mindestens 40 ml/min für Flüssigkeiten oder mindestens 250 ml/min für Gase erreicht wird. Entsprechende Parameter, die eingestellt werden können, um dies zu erreichen, bzw. Maßnahmen, die ergriffen werden können, um dies zu erreichen, werden im Folgenden näher erläutert.According to embodiments of the invention, the diameter and the thickness of the pumpingmembrane 14, the natural frequency of the valve flaps 32a and 34a, the shape of the pumpingchamber 26 and the operating frequency of theactuating device 24 applied by the actuating voltage adapted such that at a diameter of the pumping diaphragm ≦ 50 mm a Delivery rate of at least 40 ml / min for liquids or at least 250 ml / min for gases is achieved. Corresponding parameters that can be set to achieve this, or measures that can be taken to achieve this, are explained in more detail below.

Bei Betriebsfrequenzen f unterhalb einer Grenzfrequenz fg hängt die Förderrate von Membranpumpen wie folgt mit dem Hubvolumen ΔV zusammen:$$\mathrm{Q}=\Delta \mathrm{V}\cdot \mathrm{f}.$$

At operating frequencies f below a limit frequency fg, the delivery rate of diaphragm pumps is related to the displacement volume ΔV as follows:$$\mathrm{Q}=\Delta \mathrm{V}\cdot \mathrm{f},$$

Wie inFig. 3 der vorliegenden Anmeldung gezeigt ist, geht dieser lineare Bereich bis zu einer Grenzfrequenz fg, die vom Pumpendesign abhängt. Um die Förderrate zu erhöhen, können somit das Hubvolumen ΔV und die Grenzfrequenz f_g erhöht werden. Bei Ausführungsbeispielen kann das Hubvolumen ΔV abhängig von einem durch eine Anwendung der Pumpe vorgegebenen maximalen Blockierdruck des Biegewandlers, der aus Piezoaktor und Pumpmembran gebildet ist, maximiert werden. Ferner kann die Grenzfrequenz fg maximiert werden, wobei die Betriebsfrequenz vorzugsweise kleiner als die Resonanzfrequenz f_res der Ventile zu wählen ist.As in Fig. 3 of the present application, this linear range goes up to a cutoff frequency fg, which depends on the pump design. In order to increase the delivery rate, thus the stroke volume .DELTA.V and the limit frequency f_{g can be} increased. In embodiments, the stroke volume .DELTA.V can be maximized depending on a predetermined by an application of the pump maximum blocking pressure of the bending transducer, which is formed of piezoelectric actuator and pumping membrane. Furthermore, the cut-off frequency fg can be maximized, wherein the operating frequency is preferably to be selected smaller than the resonance frequency f_{res of} the valves.

Hinsichtlich des Designs der Pumpmembran gibt es zwei Hauptaspekte, nämlich das erzeugbare Hubvolumen ΔV und den erzeugbaren Gegendruck. Piezo-Membranwandler, wie sie beispielsweise durch eine Pumpmembran 14 und eine flächig aufgebrachte Piezokeramik gebildet sein können, können ein Hubvolumen bei einem gegebenen Gegendruck bzw. Druckhub erzeugen.With regard to the design of the pumping membrane, there are two main aspects, namely the producible stroke volume ΔV and the producible backpressure. Piezo membrane transducers, as may be formed for example by apump membrane 14 and a piezoceramic applied in a planar manner, can generate a stroke volume at a given backpressure or pressure stroke.

Für einen Piezo-Biegewandler mit runder Membran und darauf aufgebrachter Piezokeramik ergeben sich folgende Designregeln. Bei den folgenden Betrachtungen wurde dabei von einer Piezokeramik ausgegangen, deren Radius dem 0,8-fachen Radius der Membran entsprach. Für das Hubvolumen ΔV und den Druckhub Δp einer runden Membran gelten folgende Zusammenhänge:$$\Delta \mathrm{V}=\mathrm{0,4}\left({\mathrm{E}}_3{d}_{31}{R}^4\right)/{\mathrm{h}}_{\mathrm{p}};$$

$$\Delta \mathrm{p}=\mathrm{2,5}\mathrm{}{\left({\mathrm{h}}_{\mathrm{p}}/\mathrm{R}\right)}^2{\mathrm{E}}_3{\mathrm{d}}_{31}{\mathrm{E}}_{\mathrm{p}}.$$

For a piezo bending transducer with a round membrane and piezoceramic applied on it, the following design rules result. The following considerations were based on a piezoceramic whose radius corresponded to 0.8 times the radius of the membrane. The following relationships apply to the stroke volume ΔV and the pressure stroke Δp of a round membrane:$$\Delta \mathrm{V}=0.4\left({\mathrm{e}}_3{d}_{31}{R}^4\right)/{\mathrm{H}}_{\mathrm{p}};$$

$$\Delta \mathrm{p}=2.5\mathrm{}{\left({\mathrm{H}}_{\mathrm{p}}/\mathrm{R}\right)}^2{\mathrm{e}}_3{\mathrm{d}}_{31}{\mathrm{e}}_{\mathrm{p}},$$

Dabei bezeichnen E₃ das elektrische Feld senkrecht zur Piezomembran, also in Dickenrichtung, d₃₁ ein Matrixelement der Piezomatrix der Piezokeramik, das angibt, wie stark die relative Längenänderung bei Anlegen eines elektrischen Feldes in Dickenrichtung ist, R den Radius der runden Membran, hp die Dicke der Piezomembran und E_p das Elastizitätsmodul der Piezokeramik.In this case, E₃ denote the electric field perpendicular to the piezomembrane, ie in the thickness direction, d₃₁ a matrix element of the piezomatrix of the piezoceramic, which indicates how strong the relative change in length is when an electric field is applied in the thickness direction, R is the radius of the round membrane, hp is the Thickness of the piezomembrane and E_p the modulus of elasticity of the piezoceramic.

Zum Design eines Piezo-Biegewandlers für eine Membranpumpe sind in der Regel ein Hubvolumen V₀ und ein Druckhub p₀ aus einem Referenzdesign gegeben und ein Hubvolumen V₁ und ein Druckhub p₁ aus einer Spezifikation einer gewünschten Membranpumpe. Gesucht wird nach dem Radius R₁ für die Membran der gewünschten Membranpumpe sowie der Dicke h_p1 derselben. Unter Verwendung der folgenden Verhältnisse:$$\alpha ={\mathrm{V}}_1/{\mathrm{V}}_0={\left({\mathrm{R}}_1/{\mathrm{R}}_0\right)}^4{\mathrm{h}}_{\mathrm{p}0}/{\mathrm{h}}_{\mathrm{p}1}$$

$$\beta =\mathrm{p}1/\mathrm{p}0={\left({\mathrm{R}}_0/{\mathrm{R}}_1\right)}^2{\left({\mathrm{h}}_{\mathrm{p}1}/{\mathrm{h}}_{\mathrm{p}0}\right)}^2,$$

wobei h_p0 und R₀ die Dicke bzw. den Radius der Membran der Referenzpumpe bezeichnen, ergibt sich für Radius und Dicke der Piezomembran folgende Berechnungsvorschrift:$${\mathrm{R}}_1={\mathrm{R}}_0{\mathrm{sqrt}}^6\left({\alpha }^2\beta \right)$$

$${\mathrm{h}}_{\mathrm{p}1}={\mathrm{h}}_{\mathrm{p}0}{\mathrm{sqrt}}^3\left(\alpha {\beta }^2\right).$$

For the design of a piezo bending transducer for a diaphragm pump are usually given a stroke volume V₀ and a pressure stroke p₀ from a reference design and a stroke volume V₁ and a pressure stroke p₁ from a specification of a desired diaphragm pump. The search is for the radius R₁ for the membrane of the desired diaphragm pump and the thickness h_{p1 of the} same. Using the following ratios:$$\alpha ={\mathrm{V}}_1/{\mathrm{<figure-callout\; label="V"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">V</figure-callout>}}_0={\left({\mathrm{R}}_1/{\mathrm{<figure-callout\; label="R"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_0\right)}^4{\mathrm{<figure-callout\; label="H\; p"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_{\mathrm{p}}/{\mathrm{H}}_{\mathrm{p}1}$$

$$\beta =\mathrm{p}1/\mathrm{<figure-callout\; label="p"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">p</figure-callout>}0={\left({\mathrm{<figure-callout\; label="R"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_0/{\mathrm{R}}_1\right)}^2{\left({\mathrm{H}}_{\mathrm{p}1}/{\mathrm{<figure-callout\; label="H\; p"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_{\mathrm{p}}\right)}^2.$$

where h_p0 and R_0denote the thickness or the radius of the membrane of the reference pump, the following calculation rule results for the radius and thickness of the piezo membrane:$${\mathrm{R}}_1={\mathrm{<figure-callout\; label="R"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">R</figure-callout>}}_0{\mathrm{sqrt}}^6\left({\alpha }^2\beta \right)$$

$${\mathrm{H}}_{\mathrm{p}1}={\mathrm{<figure-callout\; label="H\; p"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">H</figure-callout>}}_{\mathrm{p}}{\mathrm{sqrt}}^3\left(\alpha {\beta }^2\right),$$

Es folgt somit, dass der Piezo-Membranwandler bezüglich großer Volumina und großer Drücke skaliert werden kann. Die entsprechenden Geometrieparameter des Piezo-Membranwandlers sind der Radius R₁ und die Dicke h_p1 der Piezomembran. Um entsprechende Pumpmembrane kostengünstig implementieren zu können, werden bei bevorzugten Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung Federedelstahlmembrane verwendet.It thus follows that the piezo membrane transducer can be scaled in terms of large volumes and high pressures. The corresponding geometry parameters of the piezo membrane transducer are the radius R₁ and the thickness h_{p1 of} the piezo membrane. In order to be able to implement corresponding pumping membranes cost-effectively, spring-moderated membranes are used in preferred embodiments of the present invention.

Hierbei ist zu berücksichtigen, dass für größere Piezomembrandicken auch größere angelegte Spannungen erforderlich sind. Maximal handhabbare Spannungen sind dabei begrenzt, beispielsweise auf 1000 Volt, so dass dadurch auch die mögliche Dicke der Piezomembran begrenzt ist.It should be noted that larger piezomembrichicken also larger applied voltages are required. Maximum manageable voltages are limited, for example to 1000 volts, so that thereby the possible thickness of the piezoelectric membrane is limited.

Wie bereits ausgeführt wurde, ist die Grenzfrequenz f_g diejenige Betriebsfrequenz der Mikropumpe, bei der die Förderkennlinie den linearen Bereich verlässt, wie inFig. 3 dargestellt ist. Die Grenzfrequenz hängt vom Strömungswiderstand der passiven Rückschlagventile sowie vom Strömungswiderstand in der Pumpkammer ab, so dass diese zu betrachten sind, wenn nach Maßnahmen, die getroffen werden können, um die Grenzfrequenz zu erhöhen bzw. zu maximieren, gesucht wird.As already stated, the limit frequency f_{g is} the operating frequency of the micropump at which the delivery characteristic leaves the linear region, as in FIG Fig. 3 is shown. The cutoff frequency depends on the flow resistance of the passive check valves as well as the flow resistance in the pumping chamber, so these are to be considered when looking for measures that can be taken to increase or maximize the cutoff frequency.

Zur Erläuterung sei diesbezüglich die Differentialgleichung einer Mikromembranpumpe in einem homogenen Druckmodell betrachtet. Bei diesem Modell wird die Annahme getroffen, dass es einen homogenen Pumpkammerdruck p gibt. Dabei muss jedoch vorausgeschickt werden, dass dieses Modell seine Gültigkeit verliert, wenn die Pumpkammer zu einem schmalen Spalt verringert wird, um das Totvolumen zu verringern und das Kompressionsverhältnis zu maximieren. Jedoch liefert dieses Modell einen analytischen Zusammenhang zwischen der Grenzfrequenz, dem Strömungswiderstand am Ventil und den fluidischen Kapazitäten in der Pumpkammer.For explanation, the differential equation of a micromembrane pump in a homogeneous pressure model is considered in this regard. In this model, the assumption is made that there is a homogeneous pumping chamber pressure p. It must be said, however, that this model loses its validity when the pumping chamber becomes narrow Gap is reduced to reduce the dead volume and to maximize the compression ratio. However, this model provides an analytical correlation between the cutoff frequency, the flow resistance at the valve, and the fluidic capacities in the pumping chamber.

Das Modell wird anhand der inFig. 4 gezeigten Querschnittdarstellung beschrieben, das eine Mikromembranpumpe mit einer Pumpmembran 14', einer Pumpkammer 26', einem Einlassventil 32' und einem Auslassventil 34' zeigt. In der Pumpkammer 26' ist eine Gasblase 40 in einer Flüssigkeit, die schraffiert dargestellt ist, angeordnet.The model is based on the in Fig. 4 shown cross-sectional view showing a micro-diaphragm pump with a pumping diaphragm 14 ', a pumping chamber 26', an inlet valve 32 'and anoutlet valve 34'. In the pumping chamber 26 'is agas bubble 40 in a liquid which is shown hatched arranged.

Die grundlegende Differentialgleichung für den Pumpkammerdruck ist wie folgt:$$\frac{\mathit{dp}}{\mathit{dt}}=\frac{q_{\mathit{EV}}-q_{\mathit{AV}}-X_M{}^{\frac{d{U}_M}{\mathit{dt}}}}{C_M+C_{\mathit{AV}}+C_{\mathit{EV}}+C_{\mathit{gas}}+C_{\mathit{PK}}}.$$

The basic differential equation for the pumping chamber pressure is as follows:$$\frac{\mathit{dp}}{\mathit{dt}}=\frac{q_{\mathit{EV}}-q_{\mathit{AV}}-X_M{}^{\frac{d{U}_M}{\mathit{dt}}}}{C_M+C_{\mathit{AV}}+C_{\mathit{EV}}+C_{\mathit{gas}}+C_{\mathit{PK}}},$$

q_EV stellt den Zufluss durch das Einlassventil 32' dar, q_AV stellt den Abfluss durch das Auslassventil 34' dar, X_M stellt einen Piezo-Kopplungsterm für den Piezo-Biegewandler dar, U_M stellt die Antriebsspannung dar, C_M stellt die fluidische Kapazität der Pumpmembran dar, C_EV stellt die fluidische Membran des Einlassventils dar, C_AV stellt die fluidische Kapazität des Auslassventils dar, C_gas stellt die fluidische Kapazität des Gaseinschlusses 40 dar, und C_PK stellt die fluidische Kapazität der Pumpkammer dar.q_EV represents the inflow through the inlet valve 32 ', q_AV represents the outflow through theoutlet valve 34', X_M represents a piezo-coupling term for the piezo bending transducer, U_M represents the driving voltage, C_M represents the fluidic Capacitance of the pumping membrane, C_EV represents the fluidic membrane of the inlet valve, C_AV represents the fluidic capacity of the outlet valve, C_gas represents the fluidic capacity of thegas enclosure 40, and C_PK represents the fluidic capacity of the pumping chamber.

Die fluidischen Kapazitäten hängen dabei von den inFig. 4 angegebenen Fluidmassen m_EV, m_M, m₀ und m_AV ab, wobei m_EV die von dem Rückschlagventil 32' zu bewegende Fluidmasse, m_M die von der Membran zu bewegende Fluidmasse, m₀ die Fluidmasse im Totvolumen der Pumpkammer und m_AV die von dem Rückschlagventil 34' zu bewegende Fluidmasse bezeichnen. Wichtig ist weiterhin, dass der Aufbau des Drucks beim Saug- und Druckhub rasch erfolgt, also beispielsweise beim Anlegen einer Rechteckspannung an eine Piezokeramik mit der Zeitkonstanten τ_A=RC, die schnell ist gegenüber 1/f_g. R stellt dabei den elektrischen Ladewiderstand der Piezokeramik dar, während C die elektrische Kapazität der Piezokeramik darstellt. Diese Bedingung kann beim Piezoantrieb leicht erfüllt werden:$$U_M\left(t\right)=U_{M0}\left(1-e^{\frac{t}{{\tau }_A}}\right).$$

The fluidic capacities depend on the in Fig. 4 indicated fluid masses m_EV , m_M , m₀ and m_AV , where m_{EV is} the fluid mass to be moved by the check valve 32 ', m_{M is} the mass of fluid to be moved by the diaphragm, m_{0 is} the fluid mass in the dead volume of the pump chamber and m_AV Designate the fluid mass to be moved from thecheck valve 34 '. It is also important that the construction of the pressure during the suction and pressure stroke is rapid, so for example when applying a square wave voltage to a piezoceramic with the time constant τ_A = RC, which is fast compared to 1 / f_g . R represents the electrical charging resistance of the piezoceramic, while C represents the electrical capacitance of the piezoceramic. This condition can easily be fulfilled with the piezo drive:$$U_M\left(t\right)={\mathrm{<figure-callout\; label="U\; M"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">U</figure-callout>}}_M\left(1-e^{\frac{t}{{\tau }_A}}\right),$$

U_M0 ist dabei die Amplitude der Rechteckspannung.U_M0 is the amplitude of the square-wave voltage.

In einem groben Modell kann nun der Strömungswiderstand des Ein- und Auslassventils linearisiert werden:$$q_{\mathit{EV}}=\frac{1}{R_{\mathit{EV}}}\left(p_1-p\right);q_{\mathit{AV}}=\frac{1}{R_{\mathit{AV}}}\left(p-p_2\right)$$

In a rough model, the flow resistance of the inlet and outlet valve can now be linearized:$$q_{\mathit{EV}}=\frac{1}{R_{\mathit{EV}}}\left(p_1-p\right);q_{\mathit{AV}}=\frac{1}{R_{\mathit{AV}}}\left(p-p_2\right)$$

R_EV ist dabei der Strömungswiderstand des Einlassventils, R_AV der Strömungswiderstand des Auslassventils, p₁ der Druck am Einlass und p₂ der Druck am Auslass.R_EV is the flow resistance of the inlet valve, R_{AV is} the flow resistance of the outlet valve, p_{1 is} the pressure at the inlet and p_{2 is} the pressure at the outlet.

Damit kann die Differentialgleichung für den Pumpkammerdruck p gelöst werden, beispielsweise für den Druckhub:$$p\left(t\right)=\frac{X_M}{C_M+C_{\mathit{AV}}+C_{\mathit{gas}}}{U}_{M0}\frac{1}{1-\frac{{\tau }_A}{{\tau }_P}}\left(e^{\frac{t}{{\tau }_p}}-e^{\frac{t}{{\tau }_A}}\right).$$

Thus, the differential equation for the pumping chamber pressure p can be solved, for example for the pressure stroke:$$p\left(t\right)=\frac{X_M}{C_M+C_{\mathit{AV}}+C_{\mathit{<figure-callout\; label="gas\; U\; M"\; filenames="imgf0004.png,imgf0005.png"\; state="\{\{state\}\}">gas</figure-callout>}}}{U}_M{0}_{}\frac{1}{1-\frac{{\tau }_A}{{\tau }_P}}\left(e^{\frac{t}{{\tau }_p}}-e^{\frac{t}{{\tau }_A}}\right),$$

In der Lösung für den Druckhub (R_EV und C_EV vernachlässigt) taucht die "typische Hubzeit" τ_p auf:$${\tau }_p=R_{\mathit{AV}}\left(C_M+C_{\mathit{AV}}+C_{\mathit{gas}}\right)$$

In the solution for the pressure stroke (neglected R_EV and C_EV ) emerges the "typical stroke time" τ_p :$${\tau }_p=R_{\mathit{AV}}\left(C_M+C_{\mathit{AV}}+C_{\mathit{gas}}\right)$$

Die typische Hubzeit entspricht der Zeit, die der Pumphub (bzw. der Saughub) benötigt, um das gesamte Pumpkammervolumen umzusetzen.The typical stroke time corresponds to the time required by the pump stroke (or the suction stroke) to convert the entire pumping chamber volume.

Mit anderen Worten entspricht die Grenzfrequenz fg dann mindestens der inversen Summe aus typischer Hubzeit von Druck- und Saughub:$$f_g\ge \frac{1}{2{\tau }_p}$$

In other words, the limit frequency fg then corresponds at least to the inverse sum of the typical stroke time of the pressure and suction strokes:$$f_G\ge \frac{1}{2{\tau }_p}$$

Um die Grenzfrequenz zu erhöhen, muss also der Strömungswiderstand des Ventils verringert werden, und müssen die fluidischen Kapazitäten von Membran, Ventilen und Gasblasen verringert werden.In order to increase the cut-off frequency, the flow resistance of the valve must therefore be reduced, and the fluidic capacities of the membrane, valves and gas bubbles must be reduced.

Um den Strömungswiderstand der Rückschlagventile zu verringern, kann bei Ausführungsbeispielen der Erfindung die Breite des Auflagesteges, auf dem die Ventilklappe im geschlossenen Zustand aufliegt, verringert werden. Mit Silizium-Mikromechanik ist es möglich, die Breite des Auflagesteges auf einen Wert von wenigen Mikrometern, beispielsweise 4 µm, zu verringern. Unter Breite des Auflagestegs wird dabei die Abmessung des Auflagestegs verstanden, entlang der sich im geöffneten Zustand des Rückschlagventils ein strömendes Fluid bewegt, so dass diese Breite den Fluidwiderstand des Rückschlagventils im geöffneten Zustand beeinflusst. Auflagestege von Kunststoffventilen, die mit Spritzguss hergestellt werden, oder Auflagestege aus Metall, die spanend hergestellt werden, können herstellungsbedingt nicht ohne großen Aufwand weniger als 50 - 100 µm breit gemacht werden, wodurch sich ein wesentlich höherer Strömungswiderstand ergibt.In order to reduce the flow resistance of the check valves, in embodiments of the invention, the width of the support web on which the valve flap rests in the closed state can be reduced. With silicon micromechanics, it is possible to reduce the width of the support web to a value of a few micrometers, for example 4 microns. The width of the support web is understood to mean the dimension of the support web, along which a flowing fluid moves in the opened state of the check valve, so that this width influences the fluid resistance of the check valve in the open state. Support webs of plastic valves, which are produced by injection molding, or support webs made of metal, which are produced by machining, production can not be made without great effort less than 50 - 100 microns wide, resulting in a much higher flow resistance.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung werden daher die Rückschlagventile als Siliziumventile ausgestaltet, da dies die Implementierung niedriger Strömungswiderstände mit geringem Aufwand ermöglicht.In embodiments of the present invention, therefore, the check valves are designed as silicon valves, since this allows the implementation of low flow resistance with little effort.

Weiterhin können, um die Grenzfrequenz f_g zu erhöhen, auch die fluidischen Kapazitäten reduziert werden. In der Regel sind die fluidischen Kapazitäten der Ventilklappen C_AV und C_EV klein gegenüber der Kapazität der Pumpmembran C_M, und diese klein gegenüber der fluidischen Kapazität von Gaseinschlüssen C_gas. Im schlimmsten Fall (Worst Case) nimmt eine Gasblase das gesamte Volumen der Pumpkammer V_tot ein, wodurch sich folgende fluidische Kapazität ergibt:$$C_{\mathit{Gas}}=\frac{{\rho }_{\mathit{fl}}{V}_{\mathit{tot}}}{P_{\mathit{AT}}}.$$

Furthermore, in order to increase the cut-off frequency f_g , the fluidic capacitances can also be reduced. In general, the fluidic capacities of the valve flaps C_AV and C_{EV are} small compared to the capacity of the pumping membrane C_M , and these are small compared to the fluidic capacity of gas inclusions C_gas . In the worst case (worst case), a gas bubble occupies the entire volume of the pumping chamber V_tot , resulting in the following fluidic capacity:$$C_{\mathit{gas}}=\frac{{\rho }_{\mathit{fl}}{V}_{\mathit{dead}}}{P_{\mathit{AT}}},$$

ρ_fl bezeichnet dabei die Dichte des Gases, V_tot das Totvolumen der Pumpkammer und p_AT den Atmosphärendruck (wobei typischerweise von einem Atmosphärendruck zwischen 1000 und 1030 hPa ausgegangen werden kann). Die Forderung, die fluidische Kapazität von potentiellen Gasblasen zu reduzieren, ist also gleich bedeutend mit der Forderung, das Totvolumen der Pumpkammer zu reduzieren. Jedoch ist hier zu beachten, dass bei zu schmaler Pumpkammer der Strömungswiderstand in der Pumpkammer dominiert.ρ_fl denotes the density of the gas, V_tot the dead volume of the pumping chamber and p_AT the atmospheric pressure (which can typically be assumed to be an atmospheric pressure between 1000 and 1030 hPa). The requirement to reduce the fluidic capacity of potential gas bubbles is therefore equally important with the requirement to reduce the dead volume of the pumping chamber. However, it should be noted here that if the pumping chamber is too narrow, the flow resistance in the pumping chamber will dominate.

Fig. 5 zeigt schematisch eine Pumpkammer 56, die durch einen Pumpenkörper 52 und eine Pumpmembran 54 festgelegt ist. Rückschlagventile an einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung sind schematisch bei 58 inFig. 5 gezeigt. Ferner ist inFig. 5 eine Bewegung der Pumpmembran 54 durch einen bidirektionalen Pfeil 60 angedeutet, wobei drei Stellungen der Pumpmembran 54 inFig. 5 gezeigt sind. Eine Stellung a zeigt eine Ausgangsstellung der Pumpmembran, die Stellung b zeigt die Pumpmembran im betätigten Zustand, und die Stellung c zeigt ein Überschwingen der Pumpmembran über die Ausgangsstellung a nach einem Saughub. Ein bidirektionaler Pfeil 62 zeigt eine Strömung in der Pumpkammer 56, wobei während eines Druckhubs die Strömung zu den Ventilen 58 hin gerichtet ist, während bei einem Saughub die Strömung von diesen Ventilen weg gerichtet ist. Fig. 5 schematically shows apumping chamber 56 which is defined by apump body 52 and a pumpingdiaphragm 54. Check valves at an inlet port and an outlet port are schematically at 58 in FIG Fig. 5 shown. Furthermore, in Fig. 5 a movement of the pumpingdiaphragm 54 indicated by abidirectional arrow 60, wherein three positions of the pumpingdiaphragm 54 in Fig. 5 are shown. A position a shows an initial position of the pump diaphragm, the position b shows the pump diaphragm in the actuated state, and the position c shows an overshoot of the pump diaphragm over the initial position a after a suction stroke. Abi-directional arrow 62 shows a flow in thepumping chamber 56, wherein during a pressure stroke the flow is directed towards thevalves 58, while during a suction stroke the flow is directed away from these valves.

Um das Totvolumen und damit die fluidische Kapazität einer Gasblase zu reduzieren, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung der Pumpkammerboden, d.h. die in dem Pumpenkörper 52 gebildete Ausnehmung, die die Pumpkammer festlegt, an die maximale Auslenkung der Membran 54 angepasst. Dies ist inFig. 5 durch die schräg verlaufenden Bereiche 52a und 52b des Pumpkammerbodens angedeutet. Sind jedoch der Pumpkammerboden und die Pumpmembran derart ausgestaltet, dass der Festspalt zwischen Membran und Pumpkammerboden verschwindet, steigt der Strömungswiderstand und somit die Grenzfrequenz gegen unendlich. Es existiert also ein optimaler Restspaltabstand, bei dem die Förderrate auch bei einer Worst-Case-Betrachtung maximiert wird.In order to reduce the dead volume and thus the fluidic capacity of a gas bubble, in embodiments of the invention, the pumping chamber floor, ie the recess formed in thepump body 52 which defines the pumping chamber, is adapted to the maximum deflection of thediaphragm 54. This is in Fig. 5 indicated by theinclined portions 52a and 52b of the pump chamber floor. However, if the pumping chamber bottom and the pumping membrane are designed in such a way that the fixed gap between membrane and pumping chamber bottom disappears, the flow resistance and thus the limiting frequency increase towards infinity. So there is an optimal residual gap distance, in which the delivery rate is maximized even with a worst-case view.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ist daher die Membranpumpe derart ausgelegt, dass bei vollständiger, durch die Betätigung bewirkte Auslenkung der Membran zu dem Pumpkammerboden hin, ein Restspalt verbleibt, der so dimensioniert ist, dass der Strömungswiderstand der Strömung durch diesen Restspalt nicht größer ist als der Strömungswiderstand des passiven Rückschlagventils an der Einlassöffnung oder der Auslassöffnung.In embodiments of the present invention, therefore, the diaphragm pump is designed such that at full, caused by the actuation deflection of the membrane to the pumping chamber floor, a residual gap remains, which is dimensioned so that the flow resistance of the flow through this residual gap is not greater than that Flow resistance of the passive check valve at the inlet port or the outlet port.

Um zu ermöglichen, dass die Mikroventile Druckänderungen in der Pumpkammer verzögerungsfrei folgen können, sollte die Eigenresonanzfrequenz F_res der Ventile derselben oberhalb der Grenzfrequenz f_g liegen.In order to allow the microvalves to follow pressure changes in the pumping chamber without delay, the self-resonant frequency F_{res of} the valves thereof should be above the limit frequency f_g .

Die Resonanzfrequenz f_res einer frei in Luft schwingenden Ventilklappe eines passiven Rückschlagventils ist:$$2\pi f_{\mathit{res}}={\omega }_{\mathit{res}}=\frac{d_k}{2l_k{}^2}\sqrt{\frac{E}{{\rho }_k}}$$

The resonant frequency f_{res of} a free-swinging valve flap of a passive check valve is:$$2\pi f_{\mathit{res}}={\omega }_{\mathit{res}}=\frac{d_k}{2l_k{}^2}\sqrt{\frac{e}{{\rho }_k}}$$

Dabei steht d_k für die Dicke der Ventilklappe, l_k für die Länge der Ventilklappe, ρ_k für die Dichte der Ventilklappe und E für das Elastizitätsmodul der Ventilklappe.In this case, d_k stands for the thickness of the valve flap, l_k for the length of the valve flap, ρ_k for the density of the valve flap and E for the elastic modulus of the valve flap.

Die Eigenfrequenz ist unabhängig von der Klappenbreite. Bei einem Silizium-Klappenventil mit (d_k = 15 µm, l_k = 1,7 mm, ρ_k = 2100 kg/m³, E = 169 GPa), ergibt sich eine Eigenfrequenz, von f_res = ω_res/(2π) = 3,6 kHz.The natural frequency is independent of the flap width. In the case of a silicon flap valve with (d_k = 15 μm, 1_k = 1.7 mm, ρ_k = 2100 kg / m³ , E = 169 GPa), a natural frequency results, of f_res = ω_res / (2π ) = 3.6 kHz.

In einer Flüssigkeitsumgebung sinkt die Eigenfrequenz der Ventilklappe, da diese bei der Bewegung auch Flüssigkeit beschleunigen muss und daher von einem wesentlich größeren Trägheitsmoment auszugehen ist. Diese Problemstellung kann nicht mehr analytisch gelöst werden, da hier eine Kopplung der Elastomechanik mit der Strömungsmechanik unter Berücksichtigung der Trägheitsterme von Ventilklappe und Flüssigkeit erforderlich ist. Eine Simulation zeigte eine Eigenfrequenz f_res einer Ventilklappe mit den oben angegebenen Abmessungen in einer Flüssigkeitsumgebung von f_res = 830 Hz. Diese liegt somit etwa um einen Faktor 4 unter der Eigenfrequenz in Luft.In a fluid environment, the natural frequency of the valve flap decreases because it also has to accelerate fluid during the movement and therefore a much larger moment of inertia must be assumed. This problem can not be solved analytically, since a coupling of the elastomechanics with the fluid mechanics, taking into account the inertia terms of the valve flap and liquid is required. A simulation showed a natural frequency f_res a valve flap with the dimensions given above in a liquid environment of f_res = 830 Hz. This is thus about a factor of 4 below the natural frequency in air.

Ein Kunststoff-Klappenventil mit gleichen Geometrieabmessungen, das ein Elastizitätsmodul von 5 GPa hat, hat eine um den Faktor sqrt(5/169) = 0,17 geringere Resonanzfrequenz, beim angegebenen Zahlenbeispiel also eine Resonanzfrequenz von nur 142 Hz.A plastic flap valve with the same geometry dimensions, which has a modulus of elasticity of 5 GPa, has a lower resonance frequency by a factor of sqrt (5/169) = 0.17, ie a resonance frequency of only 142 Hz in the given numerical example.

Beispielhafte Abmessungen für ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Membranpumpe sind im folgenden angegeben. Der Durchmesser der Mikropumpe, also der Durchmesser der Pumpkammer bzw. der Pumpmembran kann 30 mm betragen, die Dicke der Membran kann 150 µm betragen, die Dicke des Piezoaktors kann 300 µm betragen und der Durchmesser des Piezoaktors 23,8 mm. Dabei kann beim Anlegen einer Spannung zwischen Umin von -90 V und Umax von 450 V ein Blockierdruck von 630 hPa erzeugt werden. Beispielhafte Aktordaten lauten:

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

Exemplary dimensions for an embodiment of a membrane pump according to the invention are given below. The diameter of the micropump, so the diameter of the pumping chamber or the pumping diaphragm can be 30 mm, the thickness of the membrane can be 150 microns, the thickness of the piezoelectric actuator can be 300 microns and the diameter of the piezoelectric actuator 23.8 mm. In this case, when a voltage between Umin of -90 V and Umax of 450 V is applied, a blocking pressure of 630 hPa can be generated. Exemplary actuator data are:

• Blocking pressure: 630 hPa
• Stroke volume: 32.1 μl
• Dead volume: 16.7 μl
• Usable stroke volume (with adiabatic compression): 30.5 μl.

Für unterschiedliche Grenzfrequenzen fg kann der folgende maximale Fluss Q erreicht werden:Grenzfrequenz f_gMaximaler Fluss Q67 Hz120 ml/min546 Hz1 Liter/minFor different cutoff frequencies fg, the following maximum flow Q can be achieved: Cutoff frequency f_g Maximum flow Q 67 Hz 120 ml / min 546 Hz 1 liter / min

Die Verwendung von passiven Silizium-Rückschlagventilen für Membranpumpen, und insbesondere Membranpumpen kleiner Bauart und hoher Förderleistung ist vorteilhaft, da diese eine im Vergleich zu Kunststoffventilen hohe Resonanzfrequenz aufweisen. Ferner lässt sich Silizium hoch genau strukturieren, mit sehr schmalen (wenigen Mikrometer breiten) Auflagestegen, was zu einem im Vergleich zu Kunststoffventilen (die einen breiten Auflagesteg mit einer Breite von ca. 100 µm haben) geringen Strömungswiderstand führt, was wiederum die Grenzfrequenz erhöht. Siliziumventile besitzen darüber hinaus einen geringen Platzbedarf, wobei beispielsweise das Rückschlagventilmodul 36 eine Chipgröße von 3x4 mm² aufweisen kann. Darüber hinaus sind Siliziumventile ermüdungsfrei und zeigen ein ideal-elastisches Verhalten.The use of passive silicon check valves for diaphragm pumps, and in particular diaphragm pumps of small design and high delivery rate is advantageous because they have a high resonant frequency compared to plastic valves. Furthermore, silicon can be structured with high precision, with very narrow (a few micrometers wide) support webs, resulting in a compared to plastic valves (which have a wide support web with a width of about 100 microns) low flow resistance, which in turn increases the cutoff frequency. Silicon valves also have a small footprint, for example, thecheck valve module 36 may have a chip size of 3x4 mm² . In addition, silicon valves are fatigue-free and show ideal-elastic behavior.

Die vorliegende Erfindung ermöglicht somit die Implementierung kostengünstiger Membranpumpen, insbesondere Mikromembranpumpen mit hoher Förderrate und gleichzeitig möglichst kleinem Bauraum.The present invention thus enables the implementation of cost-effective diaphragm pumps, in particular micromembrane pumps with high delivery rate and at the same time the smallest possible space.

Insbesondere ermöglichen Ausführungsbeispiele der Erfindung eine hohe Förderrate von 40 ml/min für eine zu fördernde Flüssigkeit oder von 250 ml/min für ein zu förderndes Gas bei einem Pumpmembrandurchmesser ≤ 50 mm. Im Falle einer von einer runden Form verschiedenen Form können entsprechende Förderraten bei einer größten Erstreckung der Pump-membran in einer Richtung ≤ 50 mm erreicht werden.In particular, embodiments of the invention allow a high delivery rate of 40 ml / min for a liquid to be delivered or of 250 ml / min for a gas to be delivered with a pump membrane diameter ≤ 50 mm. In the case of a different shape from a round shape corresponding delivery rates can be achieved at a maximum extension of the pumping membrane in a direction ≤ 50 mm.

Erfindungsgemäße Membranpumpen können in einer Vielzahl von Bereichen vorteilhaft eingesetzt werden. Anwendungsbeispiele sind z.B. Luftpumpen für Brennstoffzellen, bei denen Förderraten von typischerweise 1 - 5 Liter/min und Gegendrücke von typischerweise 50 hPa - 500 hPa gefordert werden. Ferner können Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Membranpumpen als Flüssigkeitspumpen für Brennstoffzellen, beispielsweise Methanol/Wasser-Dosierpumpen, mit geforderten Förderraten von 80 ml/min eingesetzt werden. Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpen können ferner als Wasserpumpen für die Atemluftbefeuchtung, als Flüssigkeitspumpen für Infusionsanwendungen mit Förderraten bis zu 200 ml/min, oder als Mikropumpen für Kühlsysteme, z.B. Wasser mit einer Förderrate von 50 ml/min bei 200 hPa Gegendruck eingesetzt werden.Membrane pumps according to the invention can be advantageously used in a large number of areas. Application examples are e.g. Air pumps for fuel cells, where delivery rates of typically 1-5 liters / min and back pressures of typically 50 hPa - 500 hPa are required. Furthermore, embodiments of the membrane pumps according to the invention can be used as liquid pumps for fuel cells, for example methanol / water metering pumps, with required delivery rates of 80 ml / min. Embodiments of pumps according to the invention may also be used as water pumps for respiratory humidification, as liquid pumps for infusion applications with delivery rates up to 200 ml / min, or as micropumps for refrigeration systems, e.g. Water with a delivery rate of 50 ml / min at 200 hPa counter pressure can be used.

DieFig. 6 bis 9 zeigen schematisch Ergebnisse, die bei der Implementierung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe mit einem Gesamtdurchmesser von 30 mm und einer Gesamtdicke von 4 mm (ohne Stecker) erreicht wurde.The Fig. 6 to 9 schematically show results achieved in the implementation of an embodiment of a pump according to the invention with a total diameter of 30 mm and a total thickness of 4 mm (without connector).

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein Rückschlagventil am Einlass und ein Rückschlagventil am Auslass vorgesehen. Alternativ könnten auch am Einlass und/oder Auslass zwei Rückschlagventile parallel oder hintereinander vorgesehen sein. Beispielsweise könnten am Einlass und/oder Auslass zwei Ventilsitze und jeweils eine zugeordnete Ventilklappe nebeneinander vorgesehen sein.In the embodiments described above, a check valve is provided at the inlet and a check valve at the outlet. Alternatively, two check valves could be provided in parallel or in series at the inlet and / or outlet. For example, two valve seats and one associated valve flap could be provided side by side at the inlet and / or outlet.

Die passiven Rückschlagventile können in einem Siliziumchip bzw. einem Chipmodul, der bzw. das in einer entsprechenden Ausnehmung in dem Pumpenkörper befestigt (z.B. geklebt) ist, integriert sein. Alternativ können die Rückschlagventile in separaten Chips vorgesehen sein, die in separaten Ausnehmungen des Pumpenkörpers befestigt (z.B. geklebt) sind, so dass zwischen den Ausnehmungen ein Steg des Pumpenkörpers verläuft. Dadurch können mögliche Querleckprobleme vermieden werden, die auftreten können, wenn der Abstand zwischen zwei in einem Chip gebildeten Rückschlagventilen klein wird.The passive check valves may be integrated in a silicon chip or chip module that is mounted (eg, bonded) in a corresponding recess in the pump body. Alternatively, the check valves may be provided in separate chips which are fixed (eg glued) in separate recesses of the pump body, so that between the recesses a web of the pump body runs. This can avoid potential cross leak problems that can occur when the distance between two check valves formed in a chip becomes small.

Claims (10)

1. Diaphragm pump (10), comprising:

   a pump chamber (26; 56) comprising an inlet opening (28) and an outlet opening (30);

   a passive silicon check valve (32) at the inlet opening (28);

   a passive silicon check valve (34) at the outlet opening (30);

   a metallic pump diaphragm (14; 54) that adjoins the pump chamber (26; 56); and

   an actuating means (16, 24) for moving the pump diaphragm (14; 54) from a first end position, which defines a first pump chamber volume, to a second end position, which defines a second pump chamber volume, a difference between the first pump chamber volume and the second pump chamber volume defining a stroke volume,

   wherein the pump chamber (26; 56) comprises a pump chamber floor, which is opposite the metallic pump diaphragm (14; 54), the pump chamber floor being adapted to the maximum deflection of the pump diaphragm (14; 54), a gap remaining between the pump chamber floor and the pump diaphragm (14; 54) when the pump diaphragm is in the end position, which defines a smaller pump chamber volume than the other end position, which gap offers, for a flow through same, a flow resistance no larger than a flow resistance of the passive check valve (34) at the outlet opening (30) or than a flow resistance of the passive check vale (32) at the inlet opening (28), and

   wherein the check valves (32, 34) comprise a valve flap (32a, 34a) and a support ridge (32b, 34b) on which the valve flap (32a, 34a) rests when the check valve (32, 34) is closed, said support ridge having a width of ≤ 50 µm, ≤ 20 µm, ≤ 10 µm, or ≤ 5 µm,

   characterized in that

   the gap that remains between the pump chamber floor and the pump diaphragm when the pump diaphragm is in the end position that defines a smaller pump chamber volume than the other end position is larger in the central area of the pump chamber than in an edge area of same.
2. Diaphragm pump (10) as claimed in claim 1, wherein the actuation means comprises a piezo ceramic (16) arranged on the pump diaphragm (14).
3. Diaphragm pump as claimed in claims 1 or 2, wherein
   the actuation means (16, 24) is configured to actuate the pump diaphragm (14) at an operating frequency being smaller than a self-resonant frequency of valve flaps (32a, 34a) of the passive check valves (32, 34),
   a largest extension of the pump diaphragm (14) in one direction is ≤ 50 mm; and the extension and a thickness of the pump diaphragm (14; 54), a flow resistance of
   the passive valve flaps, and a shape of the pump chamber with respect to a dead volume and a flow resistance being configured such that a delivery rate of the diaphragm pump (10), when the pump diaphragm is actuated at the operating frequency, is ≥ 40 ml/min for a liquid to be delivered, or ≥ 250 ml/min for a gas to be delivered.
4. Diaphragm pump as claimed in claim 1, wherein the pump chamber floor is shaped such that the gap that remains between the pump chamber floor and the pump diaphragm when the pump diaphragm is in the end position that defines a smaller pump chamber volume than the other end position is larger, in an area opposite the outlet opening (30) and the inlet opening (28), than in an area of the pump diaphragm (14) that is spaced apart from said former area.
5. Diaphragm pump as claimed in any one of claims 1 to 4, wherein the pump chamber (26; 56) is circular, as viewed from the top, and wherein the inlet opening (28) and the outlet opening (30) are arranged opposite a central area of the pump diaphragm (14).
6. Diaphragm pump as claimed in any one of claims 1 to 5, wherein the metallic pump diaphragm (14; 54) comprises a stainless-steel diaphragm.
7. Diaphragm pump as claimed in any one of claims 1 to 6, wherein the pump chamber is formed within a pump body (12; 62).
8. Diaphragm pump as claimed in claim 7, wherein the pump body (12; 62) consists of plastic.
9. Diaphragm pump as claimed in any one of claims 1 to 8, wherein the passive check valves are formed within a shared component.
10. Diaphragm pump as claimed in any one of claims 1 to 8, wherein the passive check valves are formed within separate components.

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