EP2207963B1 - Pump and pump arrangement - Google Patents

Description

Translated fromGerman

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung befassen sich mit einer Pumpe und einer Pumpenanordnung und insbesondere einer Pumpe und einer Pumpenanordnung, die unter Verwendung einer Pumpmembran arbeiten und die für eine Mikrobauweise geeignet sind.Embodiments of the present invention are concerned with a pump and a pump assembly, and more particularly with a pump and pump assembly which operate using a pumping membrane and which are suitable for a microstructure.

Bekannte Kompressoren für Druckbereiche über 10 bar sind typischerweise 1- oder 2-stufige Kolbenzylindersysteme mit einem leistungsstarken Elektromotor und einem für Mikrosysteme zu großen Bauvolumen.Known compressors for pressure ranges above 10 bar are typically 1- or 2-stage piston-cylinder systems with a powerful electric motor and a construction volume that is too large for microsystems.

Kleinstkompressoren mit einem Bauvolumen unter 1 dm³ sind meist Membranpumpen mit Elektroantrieb. Für solche Kleinstkompressoren sind maximale Druckbereiche bis 2 bar angegeben.Small compressors with a volume of less than 1 dm³ are usually diaphragm pumps with electric drive. For such miniature compressors maximum pressure ranges up to 2 bar are specified.

Auf der anderen Seite gibt es piezoelektrische Mikromembranpumpen mit passiven Rückschlagventilen, die einen Bauraum von nur wenigen cm³ haben. Eine beispielhafte Mikromembranpumpe ist aus derDE 19719862 A1 bekannt. Diese Mikromembranpumpe umfasst eine Pumpmembran, 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.On the other hand, there are piezoelectric micromembrane pumps with passive check valves, which have a construction space of only a few cm³ . An exemplary micromembrane pump is from the DE 19719862 A1 known. This micromembrane pump comprises a pumping membrane, which is movable by means of a drive device into 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.

Bekannte Mikromembranpumpen erreichen jedoch lediglich Förderraten von 0,02 1/min für Wasser und 0,05 1/min mit Luft und die erreichbaren Drücke von Mikromembranpumpen sind relativ klein, wobei dieselben einen maximalen Gegendruck (mit kompressiblem Gas als Fördervolumen) von ca. 400 hPa aufweisen.However, known micromembrane pumps achieve only delivery rates of 0.02 1 / min for water and 0.05 1 / min with air and the achievable pressures of micromembrane pumps are relatively small, with a maximum backpressure (with compressible gas as the delivery volume) of about 400 hPa.

DieWO 2006/111775 A offenbart eine Fluidpumpe, die ein oder mehrere Betätigungsglieder, zwei Endwände, eine Seitenwand und einen Hohlraum, der während einer Verwendung Fluid enthält, aufweist. Der Hohlraum hat eine im Wesentlichen zylindrische Form, die durch die Endwände und die Seitenwände begrenzt ist. Zumindest zwei Öffnungen sind durch die Hohlraumwände gebildet, wobei zumindest eine der Öffnungen eine mit einem Ventil versehene Öffnung ist. Ein Radius und eine Höhe des Hohlraums genügen vorbestimmten Bedingungen. Das Betätigungsglied bewirkt eine Schwingbewegung von einer oder beiden Endwänden in einer Richtung senkrecht zu der Ebene der Endwände, so dass axiale Schwingungen der Endwände radiale Schwingungen eines Fluiddrucks in dem Hohlraum bewirken.The WO 2006/111775 A discloses a fluid pump having one or more actuators, two end walls, a sidewall and a cavity containing fluid during use. The cavity has a substantially cylindrical shape defined by the end walls and the side walls. At least two openings are formed through the cavity walls, wherein at least one of the openings is a valved opening. A radius and a height of the cavity satisfy predetermined conditions. The actuator causes swinging movement of one or both end walls in a direction perpendicular to the plane of the end walls such that axial vibrations of the end walls cause radial oscillations of fluid pressure in the cavity.

DieGB-A-2248891 offenbart eine Mikropumpe, die einen Flüssigkeitseinlass, eine Pumpkammer, deren Volumen durch eine Membran variabel ist, und einen Flüssigkeitsauslass aufweist. Der Flüssigkeitseinlass kommuniziert konstant mit der Pumpkammer, wohingegen ein Ventil zwischen der Pumpkammer und dem Flüssigkeitsauslass vorgesehen ist. Der Flusswiderstand des Flüssigkeitseinlasses ist ausreichend hoch, um sicherzustellen, dass die Flüssigkeitsmenge, die durch den Einlass zurückfließt, während einer Druckphase des Pumpzyklus verglichen mit einer Flüssigkeitsmenge, die in einer Vorwärtsrichtung durch das Auslassventil fließt, ausreichend gering ist. Ein piezoelektrisches Element betätigt die Membran.The GB-A-2248891 discloses a micropump having a liquid inlet, a pumping chamber whose volume is variable through a membrane, and a liquid outlet. The liquid inlet communicates constantly with the pumping chamber, whereas a valve is provided between the pumping chamber and the liquid outlet. The flow resistance of the liquid inlet is sufficiently high to ensure that the amount of liquid flowing back through the inlet is sufficiently low during a pressure phase of the pumping cycle as compared to an amount of liquid flowing through the outlet valve in a forward direction. A piezoelectric element actuates the membrane.

DieEP-A-0546427 lehrt ein Mikroventil und ein Verfahren zum Herstellen desselben. Das Mikroventil soll in dünnen Membranen hergestellt werden, wobei ein Ventilsitz vorgesehen ist, der Teil einer dünnen Membran ist, und ein Ventilkörper auf eine leckdichte Weise an seinem Rand mit dem Ventilkörper verbunden ist.The EP-A-0546427 teaches a microvalve and method of making the same. The microvalve is to be fabricated in thin membranes, with a valve seat being part of a thin membrane, and a valve body connected in a leak-tight manner at its edge to the valve body.

DieJP 03103680 A offenbart ein Mikroventil, das eine Membran aufweist, die in einem gekrümmten Zustand einer Einlassöffnung gegenüberliegend und dieselbe normal verschließend befestigt ist. Eine Anregungsspule ist an einer ersten Siliziumbasisplatte angebracht. Ein Magnetfilm ist an einer Siliziummembran angebracht und wird zurückgestoßen, wenn die Anregungsspule erregt wird. Durch Anlegen eines elektrischen Signals an die Anregungsspule wird die Siliziummembran durch die Erzeugung eines magnetischen Felds ausgelenkt, um die Eingangsöffnung zu öffnen.The JP 03103680 A discloses a microvalve having a diaphragm which, in a curved state, is opposite and substantially normally closed to an inlet port. An excitation coil is attached to a first silicon base plate. A magnetic film is attached to a silicon diaphragm and is repelled when the excitation coil is energized. By applying an electrical signal to the excitation coil, the silicon diaphragm is deflected by the generation of a magnetic field to open the input port.

Es besteht daher ein Bedarf nach Pumpen und Pumpenanordnungen mit kleinem Bauvolumen, die eine hohe Förderrate sowohl bei großen Drücken als auch bei kleinen Drücken ermöglichen.There is a need, therefore, for small volume pumps and pump assemblies that allow high flow rates at both high pressures and low pressures.

Dieser Bedarf wird durch eine Pumpe nach Anspruch 1 und eine Pumpenanordnung nach Anspruch 13 gelöst.This need is solved by a pump according toclaim 1 and a pump arrangement according to claim 13.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass unter Verwendung einer Pumpmembran, die durch dieselbe eine Durchlassöffnung aufweist, die mit einem passiven Rückschlagventil versehen ist, Pumpen kleiner Bauart mit hohen Förderraten bei sowohl großen als auch kleinen Drücken implementiert werden können. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können auf Mikropumpen bzw. Mikromembranpumpen gerichtet sein, wobei darunter hier Membranpumpen verstanden werden sollen, deren Hubvolumen im Mikroliter-Bereich oder darunter liegt. Bei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Pumpen kann das Hubvolumen in einem Bereich von 200 nl bis 200 µl liegen. Ausführungsbeispiele der Erfindung schaffen Mikropumpen, deren Förderrate bei mehreren Litern pro Minute liegen kann, sowohl bei großen Drücken als auch bei kleinen Drücken, die durch die Pumpe geliefert werden können.Embodiments of the present invention are based on the finding that by using a pumping membrane having a passageway therethrough provided with a passive check valve, small diameter pumps with high flow rates can be implemented at both high and low pressures. Embodiments of the present invention may be directed to micropumps or micromembrane pumps, which are understood here to mean diaphragm pumps whose displacement is in the microliter range or below. In embodiments of pumps according to the invention, the stroke volume may be in a range from 200 nl to 200 ul. Embodiments of the invention provide micropumps whose delivery rate may be several liters per minute, both at high pressures and at small pressures that can be delivered by the pump.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Implementierung von Mikropumpen mit hohen Förderraten bei unterschiedlichen Drücken. Ausführungsbeispiele der Erfindung können die Implementierung von Mikropumpen mit einem durch dieselben gelieferten Druck von 16 bis 25 bar (16 x 10³ bis 25 x 10³ hPa) bei einer Förderleistung von mindestens 0,5 Liter pro Minute ermöglichen. Derartige Mikropumpen können beispielsweise die Realisierung eines ölfreien Mikrokompressors beispielsweise für den Einsatz in einem Bernoullie/Joule-Thompson-Kühler ermöglichen.Embodiments of the present invention allow the implementation of high delivery rate micropumps at different pressures. Embodiments of the invention may enable the implementation of micropumps having a pressure of 16 to 25 bar (16 x 10³ to 25 x 10³ hPa) delivered by them at a delivery rate of at least 0.5 liters per minute. Such micropumps can, for example, enable the realization of an oil-free microcompressor, for example for use in a Bernoullie / Joule-Thompson cooler.

Andere Ausführungsbeispiele der Erfindung können Mikropumpen bzw. Mikrokompressoren ermöglichen, die einen großen Förderstrom von einem bis mehreren Litern pro Minute aufweisen, bei einem moderaten Druck von 50 hPa bis 400 hPa.Other embodiments of the invention may allow for micropumps having a large flow rate of one to several liters per minute at a moderate pressure of 50 hPa to 400 hPa.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann die Pumpe eine piezoelektrische Mikromembranpumpe sein, bei der die Betätigungseinrichtung eine auf der Pumpmembran gebildete Piezokeramik ist. Beispielsweise kann die Mikromembran einen kreisförmigen Umfang aufweisen, wobei die Piezokeramik ringförmig um eine zentral gebildete, mit einem passiven Rückschlagventil versehene Durchlassöffnung angeordnet sein kann. Der mit piezoelektrischen Mikromembranpumpen erreichbare Druck hängt dabei vom Kompressionsverhältnis, der Ventildichtigkeit und dem Druckverhältnis zwischen Ober- und Unterseite der Pumpmembran ab.In embodiments of the invention, the pump may be a piezoelectric micromembrane pump in which the actuator is a piezoceramic formed on the pumping membrane. For example, the micromembrane can have a circular circumference, wherein the piezoceramic can be arranged in a ring around a centrally formed, provided with a passive check valve passage opening. The pressure achievable with piezoelectric micromembrane pumps depends on the compression ratio, the valve tightness and the pressure ratio between the top and bottom of the pumping membrane.

Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen die Erreichung hoher Drücke mit Hilfe von piezoelektrischen Mikromembranpumpen, ohne eine Reihenschaltung mehrerer Pumpen mit separaten Fluidverbindungen zu benötigen. Eine Reihenschaltung mehrerer Pumpen ist grundsätzlich möglich, wenn bei der Pumpmembran für einen Druckausgleich zwischen Pumpeneinlass und Membranoberseite, d.h. Pumpenauslass, gesorgt wird. Auf diese Weise kann der maximal mögliche Druck des Gesamtsystems durch die Summe der Maximaldrücke der einzelnen Pumpmodule bestimmt werden. Eine Reihenschaltung von Mikropumpen kann jedoch unvorteilhaft sein, da erstens die Fluidführung zwischen den Pumpen durch Schlauchverbinder oder ähnliches aufwendig ist. Andererseits stößt eine solche auch an technologische Grenzen, da beim Erreichen eines höheren Drucks die Pumpmembran auf der Antriebsseite den Umgebungsdruck sieht, d.h. demselben ausgesetzt ist, wodurch die Aktorikeinheit überdimensioniert werden muss.Embodiments of the invention enable the achievement of high pressures with the aid of piezoelectric micromembrane pumps, without requiring a series connection of several pumps with separate fluid connections. A series connection of several pumps is basically possible if the pump diaphragm ensures pressure equalization between the pump inlet and the upper side of the diaphragm, ie pump outlet. In this way, the maximum possible pressure of the entire system can be determined by the sum of the maximum pressures of the individual pump modules. However, a series connection of micropumps can be disadvantageous because, first, the fluid flow between the pumps through hose connector or the like is expensive. On the other hand, such encounters also technological limits, since when reaching a higher pressure, the pumping membrane on the drive side sees the ambient pressure, that is exposed to the same, whereby the Aktorikeinheit must be oversized.

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

Fig. 1

eine schematische Querschnittansicht eines Pumpmoduls;

Fig. 2

eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Pumpe;

Fig. 3

eine schematische Querschnittansicht eines Rückschlagventilchips;

Fig. 4

eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Pumpe;

Fig. 5

eine schematische Querschnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Pumpe;

Fig. 6

eine schematische Querschnittansicht einer Reihenschaltung von drei Pumpen gemäßFig. 5.

Embodiments of the present application are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

Fig. 1

a schematic cross-sectional view of a pump module;

Fig. 2

a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump;

Fig. 3

a schematic cross-sectional view of a check valve chip;

Fig. 4

a schematic cross-sectional view of an embodiment of a pump;

Fig. 5

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

Fig. 6

a schematic cross-sectional view of a series connection of three pumps according to Fig. 5 ,

Bevor auf die einzelnen Figuren eingegangen wird, sei angemerkt, dass in denselben gleiche bzw. gleichwirkende Elemente jeweils mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei auf eine mehrfache Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.Before discussing the individual figures, it should be noted that in the same or equivalent elements are each denoted by the same reference numerals, wherein a multiple description of these elements is omitted.

Ein Pumpenmodul ist inFig. 1 gezeigt. Das Pumpenmodul umfasst eine Pumpmembran 10, eine Durchlassöffnung 12, die mit einem passiven Rückschlagventil 14 versehen ist, und eine Piezokeramik 16, die auf der Pumpmembran 10 angebracht ist. Die Pumpmembran 10 kann beispielsweise in Draufsicht einen kreisförmigen Umfang aufweisen, wobei die Durchlassöffnung 12 mit dem passiven Rückschlagventil 14 zentral angeordnet sein kann. Die Piezokeramik 16 kann dann die Durchlassöffnung 12 ringförmig umgeben.A pump module is in Fig. 1 shown. The pump module comprises a pumpingmembrane 10, apassage opening 12 provided with apassive check valve 14, and a piezoceramic 16 mounted on the pumpingmembrane 10 is. The pumpingmembrane 10 may, for example, have a circular circumference in plan view, wherein thepassage opening 12 may be centrally arranged with thepassive check valve 14. The piezoceramic 16 can then surround thepassage opening 12 in an annular manner.

Schematisch ist inFig. 1 in gestrichelten Linien eine Steuereinrichtung 20 dargestellt, die ausgebildet sein kann, um über entsprechende elektrische Verbindungen 22a und 22b eine Spannungsdifferenz an die Piezokeramik 16 anzulegen, um eine Betätigung der Pumpmembran zu bewirken. Die Steuereinrichtung 20 kann beispielsweise eine gesteuerte Spannungsquelle aufweisen. Die Steuereinrichtung 20 kann ausgelegt sein, um die Piezokeramik mit einer periodischen Spannung zu beaufschlagen, beispielsweise einer gepulsten Rechteckspannung mit einer geeigneten Frequenz und einem geeigneten Tastverhältnis (von beispielsweise 1:1).Schematically is in Fig. 1 in dashed lines, acontrol device 20 is shown, which may be formed to apply via correspondingelectrical connections 22a and 22b a voltage difference to the piezoceramic 16 to cause actuation of the pumping membrane. Thecontrol device 20 may, for example, have a controlled voltage source. Thecontrol device 20 may be designed to apply a periodic voltage to the piezoceramic, for example a pulsed square-wave voltage having a suitable frequency and a suitable duty cycle (of, for example, 1: 1).

Die Pumpmembran kann eine metallische Pumpmembran sein, die beispielsweise aus Federedelstahl bestehen kann. Die Steuereinrichtung 20 kann ausgelegt sein, um eine elektrische Spannung zwischen der metallischen Pumpmembran 10 und einer auf der Oberseite der Piezokeramik 16 angeordneten Elektrode anzulegen. Alternativ kann die Pumpmembran 10 aus einem nichtleitenden Material, beispielsweise Silizium, bestehen, wobei dann entsprechende leitfähige Strukturen zum Anlegen der Spannung an die Piezokeramik 16 vorgesehen sein können.The pumping membrane may be a metallic pumping membrane, which may be made of spring stainless steel, for example. Thecontrol device 20 may be designed to apply an electrical voltage between themetallic pumping membrane 10 and an electrode arranged on the upper side of thepiezoceramic 16. Alternatively, the pumpingmembrane 10 made of a non-conductive material, such as silicon, consist, in which case corresponding conductive structures for applying the voltage to the piezoceramic 16 may be provided.

Das passive Rückschlagventil 14 kann beispielsweise aus Silizium integriert sein, wobei ein Rückschlagventilchip mit einem entsprechenden passiven Rückschlagventil 14 in der Durchlassöffnung 12 angebracht sein kann. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können auch Mikroventile aus anderen geeigneten Materialien, wie z.B. Kunststoff oder Metall, in Betracht gezogen werden.Thepassive check valve 14 may be integrated, for example, of silicon, wherein a check valve chip with a correspondingpassive check valve 14 may be mounted in thepassage opening 12. In alternative embodiments, micro valves made of other suitable materials, such as e.g. Plastic or metal, to be considered.

Eine beispielhafte Ausgestaltung eines Rückschlagventilchips mit einem passiven Rückschlagventil 14 ist inFig. 3 gezeigt. Ein solches passives Rückschlagventil kann beispielsweise einem passiven Rückschlagventil entsprechen, wie.es in derDE 19719862 A1 beschrieben ist. Der Rückschlagventilchip weist zwei Siliziumscheiben 24 und 26 auf, die an einer Verbindungsfläche 28 beispielsweise durch Waferbonden oder Kleben miteinander verbunden sind. Das passive Rückschlagventil 14 umfasst eine Ventilklappe 30, die in die Siliziumscheibe 26 strukturiert ist, und einen Ventilsitz 32, der in die Siliziumscheibe 24 strukturiert ist. Der Ventilsitz 32 liefert eine Auflagefläche bzw. Auflagestege für die Ventilklappe 30. Allgemein legt die Breite der Auflagestege sowie der Abstand zwischen der Ventilklappe und den Auflagestegen im geöffneten Zustand den Strömungswiderstand des Rückschlagventils fest.An exemplary embodiment of a check valve chip with apassive check valve 14 is in Fig. 3 shown. Such a passive check valve may for example correspond to a passive check valve, wie.es in the DE 19719862 A1 is described. The check valve chip has twosilicon wafers 24 and 26, which are connected to one another at aconnection surface 28, for example by wafer bonding or gluing. Thepassive check valve 14 comprises avalve flap 30, which is structured in thesilicon wafer 26, and avalve seat 32, which is structured in thesilicon wafer 24. Thevalve seat 32 provides a support surface or support webs for thevalve flap 30. In general, the width of the support webs and the distance between the valve flap and the support webs in the open state determines the flow resistance of the check valve.

Das inFig. 3 gezeigte Rückschlagventil öffnet, wenn auf der Seite der Siliziumscheibe 24 ein Überdruck verglichen mit einem Druck auf der Seite der Siliziumscheibe 26 herrscht. Im anderen Fall wirkt eine schließende Kraft auf das Rückschlagventil 14.This in Fig. 3 shown check valve opens when on the side of thesilicon wafer 24, an overpressure compared with a pressure on the side of thesilicon wafer 26 prevails. In the other case, a closing force acts on thecheck valve 14.

Das Rückschlagventilmodul bzw. der Rückschlagventilchip kann auf beliebige geeignete Weise an der Pumpmembran 10 angebracht sein, um ein Rückschlagventil für die Durchlassöffnung 12 zu liefern. Beispielsweise kann ein entsprechender Rückschlagventilchip in die Durchlassöffnung geklebt sein oder über oder unter der Durchlassöffnung auf die Pumpmembran geklebt sein.The check valve module or valve may be attached to the pumpingmembrane 10 in any suitable manner to provide a check valve for theport 12. For example, a corresponding non-return valve chip may be glued into the passage opening or glued to the pump diaphragm above or below the passage opening.

Das Pumpenmodul kann einen sehr einfachen Aufbau aufweisen und kann verwendet werden, um sowohl Pumpen mit hohen erreichbaren Drücken als auch geringen erreichbaren Drücken zu implementieren.The pump module can be of a very simple construction and can be used to implement both pumps with high achievable pressures and low pressures achievable.

Eine schematische Querschnittansicht einer Pumpe ist inFig. 2 gezeigt.A schematic cross-sectional view of a pump is shown in FIG Fig. 2 shown.

Bei dem inFig. 2 gezeigten Beispiel ist das inFig. 1 gezeigte Pumpmodul in einer Pumpkammer angeordnet, indem die Pumpmembran 10 an ihrem Umfang mit Gehäuseteilen 40 und 42 verbunden ist. Anders ausgedrückt ist die Pumpmembran 10 durch die Gehäuseteile 40 und 42 umfangsmäßig eingespannt. In dem Gehäuseteil 40 ist eine Einlassöffnung 44 gebildet, während in dem Gehäuseteil 42 eine Auslassöffnung 46 gebildet ist. Mit Ausnahme der Einlassöffnung 44 und der Auslassöffnung 46 ist die Pumpkammer fluiddicht abgeschlossen. Die Piezokeramik 16 stellt eine Betätigungseinrichtung für die Pumpmembran dar, wobei wiederum eine Steuereinrichtung (inFig. 2 nicht gezeigt) vorgesehen ist, um eine geeignete Betätigungsspannung an die Piezokeramik anzulegen. Die Pumpmembran und die Piezokeramik können dabei einen piezokeramischen Biegewandler darstellen.At the in Fig. 2 the example shown is in Fig. 1 arranged pump module in a pumping chamber by the pumpingmembrane 10 is connected at its periphery withhousing parts 40 and 42. In other words, the pumpingmembrane 10 is circumferentially clamped by thehousing parts 40 and 42. In thehousing part 40, aninlet opening 44 is formed, while in thehousing part 42 anoutlet opening 46 is formed. With the exception of theinlet opening 44 and theoutlet opening 46, the pumping chamber is closed in a fluid-tight manner. The piezoceramic 16 represents an actuating device for the pumping membrane, wherein in turn a control device (in Fig. 2 not shown) is provided to apply a suitable operating voltage to the piezoceramic. The pumping membrane and the piezoceramic can represent a piezoceramic bending transducer.

Bei Anlegen einer Betätigungsspannung an die Piezokeramik 16 wird ausgehend von dem Zustand, der inFig. 2 gezeigt ist, die Pumpmembran aufgrund der durch die Betätigungsspannung bewirkten Verformung der Piezokeramik nach unten ausgelenkt. Dadurch verringert sich das Volumen eines durch die Pumpmembran und das Gehäuseteil 40 festgelegten einlassseitigen Pumpkammerbereichs, während sich das Volumen eines durch das Gehäuseteil 42 und die Pumpmembran 10 festgelegten auslassseitigen Pumpkammerbereichs 50 erhöht. Diese Bewegung wirkt auf das Rückschlagventil öffnend, so dass Fluid von dem einlassseitigen Pumpkammerbereich 48 in den auslassseitigen Pumpkammerbereich 50 strömt. Anschließend wird die an die Piezokeramik 16 angelegte Spannung abgestellt, so dass die Pumpmembran in die inFig. 2 gezeigte Stellung zurückkehrt. Diese.Bewegung der Pumpmembran in die inFig. 2 gezeigte Stellung wirkt auf das Rückschlagventil 14 schließend, so dass keine fluidische Verbindung zwischen dem einlassseitigen Pumpkammerbereich 48 und dem auslassseitigen Pumpkammerbereich 50 existiert. Daher wird bei dieser Bewegung der Pumpmembran in die inFig. 2 gezeigte Stellung zum einen Fluid durch die Einlassöffnung 44 angesaugt, wie durch einen Pfeil 52 inFig. 2 angedeutet ist, und zum anderen Fluid durch die Auslassöffnung 46 ausgestoßen, wie durch einen Pfeil 54 inFig. 2 angedeutet ist.Upon application of an actuation voltage to the piezoceramic 16, starting from the state which is in Fig. 2 is shown, the pump diaphragm deflected due to the caused by the actuation voltage deformation of the piezoceramic down. This reduces the volume of an inlet-side pumping chamber area defined by the pumping membrane and thehousing part 40, while the volume of an outlet-sidepumping chamber area 50 defined by thehousing part 42 and the pumpingmembrane 10 increases. This movement acts to open the check valve so that fluid flows from the inlet sidepump chamber portion 48 into the outlet sidepump chamber portion 50. Subsequently, the voltage applied to the piezoceramic 16 voltage is turned off, so that the pumping membrane in the in Fig. 2 shown position returns. This movement of the pumping membrane into the in Fig. 2 shown position acts on thecheck valve 14 closing, so that no fluid connection between the inlet-sidepumping chamber region 48 and the outlet-sidepumping chamber region 50 exists. Therefore, in this movement, the pumping membrane in the in Fig. 2 shown position for a fluid sucked through theinlet opening 44, as indicated by anarrow 52 in FIG Fig. 2 is implied and secondly, fluid is expelled through theoutlet port 46 as indicated by anarrow 54 in FIG Fig. 2 is indicated.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass die jeweiligen Bewegungen öffnend bzw. schließend auf das Rückschlagventil wirken, da durch die Bewegungen entsprechende Druckverhältnisse erzeugt werden, die die beschriebenen Wirkungen auf das oder die Rückschlagventile haben.It should be noted at this point that the respective movements act to open or close the check valve since corresponding pressure conditions are generated by the movements which have the described effects on the check valve (s).

Bei einem Pumpzyklus wird daher die Membran ausgehend von der inFig. 2 gezeigten Stellung nach unten ausgelegt und dann wieder in die inFig. 2 gezeigte Stellung zurückgebracht. Um dies zu erreichen, kann beispielsweise ein Rechteckspannungspuls an die Piezokeramik 16 angelegt werden.In a pumping cycle, therefore, the membrane, starting from the in Fig. 2 shown position down and then back into the in Fig. 2 returned position shown. In order to achieve this, for example, a square-wave voltage pulse can be applied to thepiezoceramic 16.

Der Strömungswiderstand durch das Rückschlagventil kann kleiner als der Strömungswiderstand durch die Einlassöffnung sein. Dadurch kann bewirkt werden, dass der Anteil eines zu pumpenden Fluids, der während einer Bewegung der Pumpmembran von der vonFig. 2 gezeigten Stellung zu der Einlassöffnung hin mehr Fluid durch die mit dem Rückschlagventil 14 versehene Durchlassöffnung 12 als durch die Einlassöffnung 44 aus der einlassseitigen Pumpkammer gelangt.The flow resistance through the check valve may be smaller than the flow resistance through the inlet opening. As a result, the proportion of a fluid to be pumped, which during a movement of the pumping membrane from that of Fig. 2 shown position to the inlet opening more fluid passes through the provided with thecheck valve 14passage opening 12 than through the inlet opening 44 from the inlet-side pumping chamber.

Die Gehäuseteile können derart ausgelegt sein, dass das Kompressionsvolumen, d.h. das Totvolumen im Gehäuse klein ist. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem die Kontur der der Pumpmembran 10 gegenüberliegenden Gehäuseteile an die Kontur der Pumpmembran im ausgelenkten Zustand angepasst sind.The housing parts may be designed such that the compression volume, i. the dead volume in the housing is small. This can be achieved, for example, by the contour of the pumpingmembrane 10 opposite housing parts are adapted to the contour of the pumping membrane in the deflected state.

Eine weitere Pumpe ist inFig. 4 gezeigt.Another pump is in Fig. 4 shown.

Die inFig. 4 gezeigte Pumpe umfasst zusätzlich zu der inFig. 2 gezeigten Pumpe ein Rückschlagventil 60 am Pumpeinlass 44. Das Rückschlagventil 60 ist derart ausgelegt, dass eine Bewegung der Pumpmembran 10 aus der inFig. 4 gezeigten Stellung in eine zu dem Gehäuseteil 40 hin ausgelenkte Stellung schließend auf das Rückschlagventil 60 wirkt. Dadurch kann wirksam verhindert werden, dass bei dieser Bewegung Fluid durch die Einlassöffnung 44 entgegen der eigentlichen Pumprichtung gedrückt wird, da das Rückschlagventil 60 einen solchen Rückfluss verhindert. Das Rückschlagventil 60 an der Einlassöffnung ermöglicht somit eine Erhöhung des Wirkungsgrads der Pumpe. Das Rückschlagventil 60 kann auf beliebige Weise implementiert sein, beispielsweise unter Verwendung eines Rückschlagventilchips, wie er inFig. 3 gezeigt ist.In the Fig. 4 In addition to the pump shown in FIG Fig. 2 acheck valve 60 at thepump inlet 44. Thecheck valve 60 is designed such that a movement of the pumpingmembrane 10 from the in Fig. 4 shown Position in a deflected to thehousing part 40 toward closed position on thecheck valve 60 acts. As a result, it can be effectively prevented that during this movement fluid is forced through the inlet opening 44 counter to the actual pumping direction, since thecheck valve 60 prevents such reflux. Thecheck valve 60 at the inlet opening thus allows an increase in the efficiency of the pump. Thecheck valve 60 may be implemented in any manner, for example, using a check valve chip as shown in FIG Fig. 3 is shown.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpe wird nun Bezug nehmend auf die schematische Querschnittdarstellung vonFig. 5 erläutert.An embodiment of a pump according to the invention will now be referred to the schematic cross-sectional view of Fig. 5 explained.

Das inFig. 5 gezeigte Ausführungsbeispiel weist ein erstes Pumpenmodul 100 und ein zweites Pumpenmodul 102 auf, die über einen Abstandhalter 104 miteinander verbunden sind. Die Pumpmodule 100 und 102 können einen Aufbau aufweisen, der dem oben Bezug nehmend aufFig. 1 beschriebenen Aufbau entspricht, wobei die jeweiligen Elemente des ersten Pumpenmoduls jeweils mit dem Suffix "a" gekennzeichnet sind, während die entsprechenden Elemente des zweiten Pumpenmoduls 102 mit dem Suffix "b" gekennzeichnet sind.This in Fig. 5 The exemplary embodiment shown has afirst pump module 100 and asecond pump module 102, which are connected to one another via aspacer 104. The pumpingmodules 100 and 102 may have a structure similar to that described above Fig. 1 described structure, wherein the respective elements of the first pump module are each marked with the suffix "a", while the corresponding elements of thesecond pump module 102 are marked with the suffix "b".

Die Pumpmembrane 10a und 10b sind, wie inFig. 5 zu erkennen ist, umfangsmäßig an dem Abstandhalter 104 angebracht, so dass die beiden Pumpmembrane 10a und 10b und der Abstandhalter 104 eine Pumpkammer 106 definieren. Wie inFig. 5 zu sehen ist, erstreckt sich ein Bereich 104a des Abstandhalters 104 zwischen den Pumpmembranen 10a und 10b nach innen. Die Kontur des sich nach innen erstreckenden Bereichs 104a des Abstandhalters 104 ist an die Kontur der Pumpmembranen 10a und 10b im ausgelenkten Zustand angepasst, so dass das Totvolumen verringert werden kann und im Idealfall gegen Null gehen kann.Thepumping membranes 10a and 10b are as in FIG Fig. 5 is shown circumferentially attached to thespacer 104 so that the twopumping membranes 10a and 10b and thespacer 104 define apumping chamber 106. As in Fig. 5 As can be seen, aportion 104a of thespacer 104 extends inwardly between the pumpingmembranes 10a and 10b. The contour of the inwardly extendingportion 104a of thespacer 104 is adapted to the contour of thepumping membranes 10a and 10b in the deflected state, so that the dead volume can be reduced and, in the ideal case, can approach zero.

Elektrische Verbindungen sowie eine Steuereinrichtung bzw. eine Spannungsquelle um eine geeignete Betätigungsspannung an die Piezokeramiken 16a und 16b anzulegen, sind vorgesehen, jedoch inFig. 5 der Einfachheit halber nicht dargestellt.Electrical connections and a control device or a voltage source to apply a suitable actuation voltage to thepiezoceramics 16a and 16b are provided, but in Fig. 5 for the sake of simplicity not shown.

Bei Anlegen einer entsprechenden Betätigungsspannung wird die Pumpmembran 10a von der inFig. 5 gezeigten Position nach unten, d.h. zu den Abschnitten 104a des Abstandhalters 104 hin abgelenkt, und die Pumpmembran 10b wird bei Anlegen einer entsprechenden Betätigungsspannung an die Piezokeramik 16b nach oben, d.h. zu dem Abschnitt 104a des Abstandhalters 104 hin, abgelenkt. Dadurch wird durch das Anlegen einer Betätigungsspannung an die Piezokeramik 16a und 16b das Volumen der Pumpkammer 106 verringert. Nach Abschalten der Spannung kehren die Pumpmembrane 10a und 10b in die inFig. 5 gezeigte Position zurück, wodurch das Volumen der Pumpkammer wieder vergrößert wird. Die Bewegung der Pumpmembrane 10a und 10b zur Vergrößerung des Volumens der Pumpkammer kann als Saughub bezeichnet werden, während die Bewegung der Pumpmembrane zur Verringerung des Pumpkammervolumens als Druckhub bezeichnet werden kann. Das Rückschlagventil 14a ist derart ausgelegt, dass eine Bewegung während des Druckhubs öffnend wirkt, während eine Bewegung während des Saughubs schließend wirkt. Dagegen ist das Rückschlagventil 14b derart ausgelegt, dass eine Bewegung während des Druckhubs schließend wirkt und eine Bewegung während des Saughubs öffnend wirkt. Dadurch wird während des Saughubs Fluid durch das dann geöffnete Rückschlagventil 14b angesaugt, während während des Druckhubs Fluid durch das dann geöffnete Rückschlagventil 14a ausgestoßen wird. So wird eine Nettopumpwirkung von der Einlassöffnung, die durch die Durchlassöffnung in der Pumpmembran 10b gebildet ist, zu der Auslassöffnung, die durch die Durchlassöffnung in der Pumpmembran 10a gebildet ist, erreicht.When a corresponding actuation voltage is applied, thepump membrane 10a is separated from the one in FIG Fig. 5 shown deflected toward theportions 104a of thespacer 104, and thepumping diaphragm 10b is deflected upon application of a corresponding actuation voltage to the piezoceramic 16b upwards, ie to theportion 104a of thespacer 104 back. As a result, the application of an actuation voltage to thepiezoceramic 16a and 16b reduces the volume of thepumping chamber 106. After switching off the voltage, thepumping membranes 10a and 10b return to the in Fig. 5 shown back position, whereby the volume of the pumping chamber is increased again. The movement of the pumpingmembrane 10a and 10b to increase the volume of the pumping chamber may be referred to as a suction stroke, while the movement of the pumping diaphragm to reduce the pumping chamber volume may be referred to as a pressure stroke. Thecheck valve 14a is designed such that a movement during the pressure stroke opens, while a movement during the suction stroke acts to close. In contrast, thecheck valve 14b is designed such that a movement during the compression stroke is closing and a movement during the suction stroke is opening. As a result, during the suction stroke, fluid is drawn in through the thenopen check valve 14b, while during the pressure stroke fluid is ejected through the thenopen check valve 14a. Thus, a net pumping action is achieved from the inlet port formed through the passage opening in thepumping diaphragm 10b to the outlet port formed through the passage opening in thepumping diaphragm 10a.

Bei dem inFig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Mikropumpe sind somit zwei piezoelektrische Pumpmembranen sich gegenüber liegend angeordnet und können gegeneinander schwingen. Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung können die Pumpmembranen aus Federedelstahl bestehen. Bei Ausführungsbeispielen können die Pumpmembranen jeweils zentral in der Mitte derselben eine Öffnung aufweisen, in die eine Rückschlagventileinheit integriert sein kann. Wie bereits ausgeführt wurde, können bei Ausführungsbeispielen die Pumpmembranen einen kreisförmigen Umfang aufweisen, wobei um die Durchlassöffnungen ringförmig eine piezoelektrische Keramik aufgeklebt sein kann.At the in Fig. 5 shown embodiment of a micropump according to the invention are thus two piezoelectric Pumping membranes arranged opposite each other and can swing against each other. In embodiments of the invention, the pumping membranes may be made of spring stainless steel. In embodiments, the pumping membranes may each have centrally in the middle thereof an opening into which a check valve unit may be integrated. As already stated, in embodiments, the pumping membranes may have a circular circumference, wherein a piezoelectric ceramic may be adhesively bonded around the passage openings in the form of a ring.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können somit in die Pumpmembran bzw. in die Pumpmembranen Rückschlagventile integriert sein, beispielsweise mikrosystemtechnisch hergestellte passive Rückschlagventile aus Silizium integriert sein. Bei dem inFig. 5 gezeigten Beispiel befinden sich Einlass und Auslass der Rückschlagventile jeweils auf der Oberseite bzw. Unterseite der Pumpmembranen, so dass ein Medientransport durch die Pumpmembran von der Unterseite zu der Oberseite der Membran stattfindet.In embodiments of the present invention, check valves may thus be integrated into the pump membrane or into the pump diaphragms, for example, silicon-made passive check valves made of silicon. At the in Fig. 5 As shown, the inlet and outlet of the check valves are respectively on the top and bottom of the pumping membranes, so that a media transport through the pumping membrane from the bottom to the top of the membrane takes place.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das in die Membran integrierte passive Rückschlagventil (bzw. die Ventile) dort angeordnet, wo die größte Auslenkung der Pumpmembran und damit die größte Volumenverdrängung stattfindet. Bei Ausführungsbeispielen ist dies beispielsweise die Mitte einer kreisförmigen Pumpmembran, die auch als Aktormembran bezeichnet werden kann. Dadurch kann erreicht werden, dass das durch die Pumpe strömende Fluidvolumen den kürzesten Weg vom Einlass zum Auslass der Pumpe hat. Wie bereits ausgeführt wurde, ist bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ein zwischen zwei Pumpmembranen angeordneter Abstandhalter für die Realisierung eines möglichst großen Kompressionsverhältnisses so ausgestaltet, dass das Pumpkammervolumen möglichst genauso groß ist wie das Verdrängungsvolumen der Pumpmembranen.In embodiments of the invention, the integrated in the membrane passive check valve (or the valves) is located where the largest deflection of the pumping diaphragm and thus the largest volume displacement takes place. In embodiments, this is, for example, the center of a circular pumping membrane, which may also be referred to as actuator membrane. It can thereby be achieved that the volume of fluid flowing through the pump has the shortest path from the inlet to the outlet of the pump. As already stated, in embodiments of the invention, a spacer arranged between two pump membranes for the realization of the largest possible compression ratio is designed such that the pumping chamber volume is as large as possible as large as the displacement volume of the pumping membranes.

Im Betrieb eines Ausführungsbeispiels mit zwei Pumpmembranen können die beiden Pumpmembranen zugeordneten Piezokeramiken mit dem gleichen elektrischen periodischen Steuersignal versorgt werden, wodurch beide Pumpmembranen in Phase schwingen und dabei das Pumpkammervolumen jeweils gleichzeitig verringern und vergrößern. Dadurch kann ein zu pumpendes Medium, beispielsweise eine Flüssigkeit oder ein Gas, von der Einlassseite der einlassseitigen Pumpmembran über die Pumpkammer zur Auslassseite der auslassseitigen Pumpmembran gefördert werden. Die Pumprichtung ist dabei durch die Richtungen, in der die Rückschlagventile in den Membranen einen Fluss ermöglichen, gegeben.In operation of an embodiment with two pumping diaphragms, the two piezoelectric diaphragms associated with the pump diaphragms can be supplied with the same electrical periodic control signal, whereby both pump diaphragms vibrate in phase, simultaneously reducing and increasing the pumping chamber volume at the same time. As a result, a medium to be pumped, for example a liquid or a gas, can be conveyed from the inlet side of the inlet-side pumping membrane via the pumping chamber to the outlet side of the outlet-side pumping membrane. The pumping direction is given by the directions in which allow the check valves in the membranes flow.

Fig. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung, bei der drei Pumpen, wie sie inFig. 6 gezeigt sind, gestapelt sind, um fluidisch in Serie geschaltet zu sein. Fig. 6 shows an embodiment of a pump assembly according to the invention, in which three pumps, as shown in Fig. 6 are stacked to be fluidly connected in series.

Wie inFig. 6 zu sehen ist, sind dort drei Pumpen, die jeweils den oben Bezug nehmend aufFig. 5 beschriebenen Pumpen entsprechen können, durch Gehäuseteile 110a, 110b, 110c, 110d und 110e fluidisch in Serie geschaltet, so dass ein Pumpweg zwischen einem Pumpenanordnungs-Einlass 112 und einem Pumpenanordnungs-Auslass 114 existiert, wie durch Pfeile 120 inFig. 6 angedeutet ist.As in Fig. 6 There are three pumps there, each referring to the above Fig. 5 fluidically connected in series byhousing parts 110a, 110b, 110c, 110d and 110e such that a pumping path exists between apump assembly inlet 112 and a pump assembly outlet 114 as indicated byarrows 120 in FIG Fig. 6 is indicated.

Die inFig. 6 gezeigte Mikropumpenanordnung kann dabei als ein Kompressor betrachtet werden, bei dem mehrere Pumpen übereinander gestapelt sind. Dabei können die Pumpen über beliebige Arten miteinander verbunden werden, beispielsweise durch klemmtechnische, klebetechnische oder andere geeignete Verbindungstechniken. Durch eine solche Anordnung ist automatisch für einen Druckausgleich der Pumpmembranen gesorgt. Eine elektrische Kontaktierung der piezoelektrischen Keramiken kann ebenfalls über die Verbindungsstellen, bzw. über entsprechende Gehäuseteile bewirkt werden, wie für das oberste Pumpenmodul schematisch inFig. 6 durch Bezugszeichen 110 angezeigt ist. Bei dem inFig. 6 gezeigten Beispiel ist an der Oberseite und der Unterseite des sich ergebenden Pumpenstapels ein geeigneter Abschluss durch Gehäuseteile 110a und 110e montiert. Dieser kann mit entsprechenden Anschlüssen für das zu pumpende Medium versehen sein, beispielsweise Luer-Anschlüssen oder dergleichen.In the Fig. 6 shown micropump assembly can be considered as a compressor, in which a plurality of pumps are stacked. The pumps can be connected to each other via any type, for example by clamping technology, adhesive technology or other suitable connection techniques. Such an arrangement automatically ensures pressure equalization of the pumping membranes. An electrical contacting of the piezoelectric ceramics can also be effected via the connection points, or via corresponding housing parts, as shown schematically for the uppermost pump module Fig. 6 indicated byreference numeral 110. At the in Fig. 6 shown For example, a suitable termination is mounted on the top and bottom of the resulting pump stack byhousing parts 110a and 110e. This can be provided with appropriate connections for the medium to be pumped, such as Luer connections or the like.

Die Öffnungsrichtung sämtlicher Rückschlagventile bei dem inFig. 6 gezeigten Beispiel ist von unten nach oben, so dass bei einer gleichzeitigen Betätigung der Membranen, wie sie oben Bezug nehmend aufFig. 5 erläutert wurde, eine Pumpwirkung vom Pumpenanordnungs-Einlass 112 zum Pumpenanordnungs-Auslass 114 erreicht wird. Durch eine solche gestapelte Anordnung können höhere Enddrücke erreicht werden.The opening direction of all check valves in the in Fig. 6 shown example is from bottom to top, so that with a simultaneous operation of the membranes, as described above with reference to Fig. 5 has been explained, a pumping action from thepump assembly inlet 112 to the pump assembly outlet 114 is achieved. By such a stacked arrangement higher end pressures can be achieved.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf einem Antrieb durch eine piezoelektrische Keramik. Bei alternativen Ausführungsbeispielen können alternative Antriebe, beispielsweise elektrostatische Antriebe, verwendet werden. Bei einem elektrostatischen Antrieb können Bereiche der Pumpmembran als Elektroden dienen, während Gegenelektroden vorgesehen sind, um diese Membranbereiche anzuziehen, um eine entsprechende Auslenkung der Membran bewirken zu können.Embodiments of the present invention are based on a drive by a piezoelectric ceramic. In alternative embodiments, alternative drives, such as electrostatic drives, may be used. In an electrostatic drive areas of the pumping membrane can serve as electrodes, while counter-electrodes are provided to attract these membrane areas in order to effect a corresponding deflection of the membrane can.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen durch die Art der Fluidführung durch die Pumpmembran bzw. die Pumpmembranen hindurch, dass der Fluidstrom möglichst geringe Verluste durch Umlenkungen erfährt und sich die Aktormembranen automatisch in einem druckausgeglichenen Zustand befinden.Embodiments of the present invention allow through the type of fluid guide through the pumping membrane or the pumping membranes through that the fluid flow experiences the lowest possible losses due to deflections and the actuator membranes are automatically in a pressure-balanced state.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung kann eine Steuereinrichtung vorgesehen sein, um die Pumpmembran oder die Pumpmembranen (beispielsweise einen Piezo-Stahl-Ringaktor) in seiner Resonanzfrequenz zu betreiben, wodurch die Schwingungsamplitude desselben bei gleichzeitig nur geringer Betriebsspannung maximiert werden kann, was wiederum sehr große Förderströme ermöglichen kann.In embodiments of the invention, a control device may be provided to operate the pumping membrane or the pumping membranes (for example, a piezo-steel ring actuator) at its resonant frequency, whereby the amplitude of oscillation of the same can be maximized with only low operating voltage, which in turn allow very large flow rates can.

Bei Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Pumpen und Pumpenanordnungen können die beweglichen Teile, d.h. die Pumpmembrane, so ausgelegt sein, dass die erste mechanische Resonanz über der hörbaren liegt. Als hörbare Schwelle kann dabei eine Frequenz von 20 kHz betrachtet werden, ab der ein normaler erwachsener Mensch Töne nicht mehr wahrnehmen kann. Beispielsweise können die Pumpmembrane derart ausgelegt sein, dass die erste mechanische Resonanz derselben zwischen 20 und 40 kHz liegt. Die Steuereinrichtung kann vorgesehen sein, um die Pumpmembran oder die Pumpmembranen bei der ersten mechanischen Resonanz derselben zu betreiben, so dass aufgrund der geringen Schallemission Geräuschbelästigungen vermieden werden können.In embodiments of pumps and pump assemblies according to the invention, the moving parts, i. the pumping membrane should be designed so that the first mechanical resonance is above the audible. As an audible threshold can be considered a frequency of 20 kHz, from which a normal adult human sounds can no longer perceive. For example, the pumping membrane may be designed such that the first mechanical resonance thereof is between 20 and 40 kHz. The control device can be provided in order to operate the pump membrane or the pump diaphragms at the first mechanical resonance of the same, so that noise disturbances can be avoided on account of the low noise emission.

Erfindungsgemäße Mikropumpen bzw. Mikrokompressoren können Förderraten erreichen, die bislang für Piezo-angetriebene Aktoren nicht bekannt sind. Beispielsweise können Förderraten im Resonanzbetrieb zwischen 1,6 und über 2 Liter pro Minute mit erfindungsgemäßen Pumpen erreicht werden, beispielsweise bei einer Ansteuerspannung (Spitze zu Spitze) von 100 Volt oder darunter, einem Durchmesser des Mikrokompressors von ca. 50 mm oder darunter und einer Dicke der Aktormembran von 300 µm und der Piezomembran von 500 µm, und einer Dicke des gesamten Pumpmoduls nachFig. 5 (ohne Gehäuse) von 1,8 mm oder darunter. Solche Förderraten liegen um einen Faktor von 50 über den Förderraten (Fördermedium Luft) von bekannten Piezo-angetriebenen Mikropumpen.Micropumps or microcompressors according to the invention can achieve delivery rates which are hitherto unknown for piezo-actuated actuators. For example, pumping rates in resonant mode between 1.6 and over 2 liters per minute can be achieved with pumps according to the invention, for example at a drive voltage (peak to peak) of 100 volts or less, a diameter of the microcompressor of about 50 millimeters or less and a thickness the actuator membrane of 300 microns and the piezo membrane of 500 microns, and a thickness of the entire pumping module after Fig. 5 (without housing) of 1.8 mm or less. Such delivery rates are about a factor of 50 above the delivery rates (air medium) of known piezo-driven micropumps.

Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Pumpen können für beliebige technische Anwendungsgebiete verwendet werden, beispielsweise Mikrokühlsysteme, Brennstoffzellen oder portable Geräte, die einen Luft- oder Gasstrom im Bereich von einem Liter/Minute und darüber benötigen.Embodiments of inventive pumps can be used for any technical applications, such as micro-cooling systems, fuel cells or portable devices that require an air or gas flow in the range of one liter / minute and above.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung ermöglichen hohe Förderraten bei gewünschten Drücken unter Verwendung eines Piezo-Membran-Ringaktors mit einem Einlass und einem Auslass, wobei der Piezo-Membran-Ringaktor eine Aussparung hat, in der ein Mikroventil montiert ist.Embodiments of the present invention allow high delivery rates at desired pressures using a piezo membrane annular actuator with an inlet and a Outlet, wherein the piezo-membrane ring actuator has a recess in which a microvalve is mounted.

Bei Ausführungsbeispielen der Erfindung ist ein Rückschlagventil in der Membran vorgesehen. Bei alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung können parallel mehrere gleichwirkende Rückschlagventile nebeneinander in der Pumpmembran angeordnet sein.In embodiments of the invention, a check valve is provided in the membrane. In alternative embodiments of the invention, a plurality of equally-acting check valves may be arranged side by side in the pumping membrane in parallel.

Die oben Bezug nehmend auf Ausführungsbeispiele der Erfindung beschriebenen Gehäuseteile können aus beliebigen geeigneten Materialien bestehen, beispielsweise Kunststoff, Glas, Silizium, Metall oder dergleichen.The housing parts described above with reference to embodiments of the invention may be made of any suitable materials, such as plastic, glass, silicon, metal or the like.

Bei Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung können die Pumpmembran und/oder die darauf angebrachte Piezokeramik mit einer isolierenden Schicht versehen sein, um ohne die Gefahr eines Kurzschlusses auch das Pumpen flüssiger Medien zu ermöglichen.In embodiments of the present invention, the pumping membrane and / or the piezoceramic mounted thereon may be provided with an insulating layer to allow without the risk of short circuit and the pumping of liquid media.

Claims (13)

1. A pump, comprising:

   an inlet opening;

   an outlet opening;

   a pump diaphragm (10a) comprising an opening, provided with a passive check valve (14a), through the pump diaphragm (10a); and

   an actuating means (16a) configured to move the pump diaphragm (10a) between a first position and a second position,

   wherein the passive check valve (14a) is configured such that a movement from the first position in the direction toward the second position has a closing effect, and that a movement from the second position in the direction toward the first position has an opening effect, so that a pumping cycle wherein the pump diaphragm (10a) is moved from the first to the second positions, and back, causes a net flow from the inlet opening to the outlet opening;

   a further pump diaphragm (10b) comprising an opening, provided with a further check valve (14b), through the further pump diaphragm;

   a further actuating means (16b) configured to move the further pump diaphragm (10b) between a third position and a fourth position; and

   a spacer (104) arranged between the pump diaphragm (10a) and the further pump diaphragm (10b) which, along with the pump diaphragms (10a, 10b), defines a pump chamber (106),

   wherein the outlet opening is formed by the opening within the pump diaphragm (10a) and is provided with the passive check valve (14a), and wherein the inlet opening is formed by the opening within the further pump diaphragm (10b) and is provided with the further passive check valve (14b),

   wherein the actuating means (16a) and the further actuating means (16b) are configured to move the pump diaphragm (10a) and the further pump diaphragm (10b) such that the volume of the pump chamber (106) is increased during a suction phase, and that the volume of the pump chamber (106) is reduced during a pumping phase,

   wherein the check valve (14a) is configured such that a movement of the pump diaphragms (10a, 10b) during the suction phase has a closing effect, and that a movement of the pump diaphragms (10a, 10b) during the pumping phase has an opening effect, and

   wherein the further check valve (14b) is configured such that a movement of the pump diaphragms (10a, 10b) during the suction phase has an opening effect, and that a movement of the pump diaphragms (10a, 10b) during the pumping phase has a closing effect.
2. The pump as claimed in claim 1, wherein main surfaces of the pump diaphragm (10a) and of the further pump diaphragm (10b) are arranged opposite one other.
3. The pump as claimed in claim 2, wherein the inlet opening and the outlet opening are arranged to be opposite each other in the pump diaphragm (10a) and the further pump diaphragm (10b).
4. The pump as claimed in claims 2 or 3, wherein the spacer (104) comprises areas (104a) that extend between the pump diaphragm (10a) and the further pump diaphragm (10b) and whose contours are adapted to the contours of the pump diaphragms (10a, 10b) in a deflected state.
5. The pump as claimed in any of claims 1 to 4, further comprising a control means (20) so as to make the pump diaphragm (10a) and the further pump diaphragm (10b) oscillate in phase with each other, so that during the suction phase both pump diaphragms increase the volume of the pump chamber, and so that during the pumping phase both pump diaphragms reduce the volume of the pump chamber.
6. The pump as claimed in any of claims 1 to 5, wherein the pump diaphragms (10a, 10b) are essentially circular, and the openings through same, which are provided with the passive check valve (14a, 14b), are centrally arranged within the pump diaphragms.
7. The pump as claimed in any of claims 1 to 6, wherein the actuating means (16a, 16b) is a respective piezoceramic arranged on the pump diaphragm (10a, 10b).
8. The pump as claimed in any of claims 1 to 7, wherein the pump diaphragms (10a, 10b) consist of metal.
9. The pump as claimed in any of claims 1 to 8, wherein the passive check valve (14a, 14b) is a respective silicon valve within a silicon chip mounted on the pump diaphragm.
10. The pump as claimed in any of claims 1 to 9, further comprising an insulating coating respectively arranged on the actuating means (16a, 16b) and on the pump diaphragm (10a, 10b).
11. The pump as claimed in any of claims 1 to 10, wherein the pump diaphragm and the further pump diaphragm (10a, 10b) are configured such that their first mechanical resonance is above 20 kHz.
12. The pump as claimed in any of claims 1 to 11, wherein the actuating means are configured to operate the pump diaphragms (10a, 10b) at their first mechanical resonance.
13. A pump arrangement comprising a plurality of pumps fluidically connected in series as claimed in any of claims 1 to 12.

Images