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Die Erfindung betrifft eine Mikropumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Verfahren zu deren Betrieb.
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Mikropumpe bestehen aus einem Gehäuse mit einem Ansaugbereich und einem Ausströmbereich sowie einem Hohlraum mit einer beweglichen Membran. Zudem ist ein elektrisch betriebenes Anregungselement, beispielsweise ein piezoelektrisches Kristall oder miniaturisierter Elektromagnet, zur Erzeugung einer Bewegung der Membran vorgesehen. Die Bewegung der Membran führt im Inneren des Hohlraums zu einem Wechsel von Unterdruck und Überdruckzuständen und wird durch entsprechende Ausrichtung der Öffnungen im Hohlraum sowie des Ausströmbereichs unter Ausnutzung von Strömungseffekten eine Pumpleistung erreicht, welche für eine Reihe von Anwendungen ausreichend ist. Solche Mikropumpen werden beispielsweise durch die Firma Murata angeboten und in der Anmeldung
EP 2090781 A1 oder
EP 2306018 A1 beschrieben, ist die Anmeldung jedoch nicht auf diese Mikropumpen beschränkt.
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Mikropumpe in sind jedoch aufgrund der miniaturisierten Abmaße störanfällig gegenüber Staub, Flüssigkeiten und ähnlichem, was in den doch relativ kleinen Strömungskanälen und im Hohlraum festsetzen und diese verengen bzw. ganz verschließen kann.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Mikropumpe sowie ein Verfahren für dessen Betrieb anzugeben. Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sind aus den Unteransprüchen, wobei auch Kombinationen und Weiterbildungen einzelner Merkmale miteinander denkbar sind.
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Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, dass über dem Ansaugbereich ein gasdurchlässiges, aber flüssigkeitsundurchlässiges Gewebe angeordnet ist.
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So ist mittlerweile Gewebematerial verfügbar, welches beispielsweise mit einer Dicke von einigen Hundert Mikrometer und einer Porengröße im einstelligen Mikrometer-Bereich luftdurchlässig und zugleich wasserdicht ist, vorzugsweise zudem oleophob und hydrophob (Öl und Wasser abweisend).
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So wird solches Gewebematerial beispielsweise von den Firmen Gore und Schreiner als Druckausgleichselemente für Steuergeräte in Kraftfahrzeugen angeboten. Während jedoch zum Ausgleich von Druckunterschieden zwischen dem Inneren eines Steuergeräts und der Umgebung eine relativ geringe Luftdurchlässigkeit ausreicht, sind für Mikropumpen höhere Luftdurchlässigkeiten erforderlich, um nicht die eh geringe Pumpleistung der Mikropumpe schon beim Ansaugen zu verlieren. Versuche haben jedoch gezeigt, dass mittlerweile das Gewebematerial so luftdurchlässig geworden ist, dass es wie ein Filter im Ansaugbereich verwendet werden kann und zudem die Verluste beim Durchströmen des Gewebes einerseits reduziert, andererseits zudem besonders vorteilhaft zu einer Selbstreinigung des Gewebes genutzt werden können. Aufgrund der geringen Porengröße des Gewebes ist nämlich auch das Gewebe selbst gefährdet, sich durch Staub, insbesondere in Kombination mit den von dem Gewebe zurückgehaltenen Wassertropfen zu verschließen.
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Aus diesem Grund ist die bevorzugte Ausgestaltung vorgesehen, dass das Gewebe im Ansaugbereich schwingfähig angeordnet ist. Diese schwingfähige Anordnung ermöglicht, dass die maximalen Druckunterschiede im Ansaugbereich durch ein Schwingen des Gewebes, also jeweils eine entsprechende Ausgleichsbewegung dieses Gewebes reduziert werden. Zudem ermöglicht diese schwingfähige Anordnung, dass sich Staub oder Wassertropfen nicht permanent an dem Gewebe festsetzen können, sondern quasi immer wieder abgeschüttelt werden. Dieser selbstreinigende Effekt gleicht die Wirkungsgradverluste aufgrund des Luftwiderstands des Gewebes wieder aus. Vorzugsweise ist der Abstand zwischen Anregungselement oder Membran einerseits und dem Gewebe andererseits kleiner als ein Sollwert, also wird das Gewebe so nah angeordnet, dass die sich auf der zum Hohlraum abgewandten Seite der Membran bzw. des Anregungselement ausbildenden Druckunterschiede unmittelbar auf das Gewebe einwirken können. Gerade dieses Pulsieren der Luftströmung kann ausgenutzt werden, um das Gewebe schwingen zu lassen.
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Das Gewebe ist zudem vorzugsweise im Ansaugbereich in einem Winkel kleiner einem Maximalwinkel, vorzugsweise parallel zu der beweglichen Membran angeordnet, so dass das Gewebe zumindest näherungsweise senkrecht zu der Luftströmung steht und so über die Fläche des Gewebes eine schwingende Ausgleichsbewegung erzeugt wird.
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Dieser Effekt kann noch verstärkt werden, indem in einer besonders bevorzugten Ausgestaltung das Anregungselement oder die bewegliche Membran mit dem Gewebe mechanisch verbunden sind, also durch deren Bewegung auch das Gewebe bewegt wird. Als mechanischer Verbindungselemente können dabei beispielsweise Federn, Gummiseile oder dergleichen eingesetzt werden.
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Zudem ist vorzugsweise vorzusehen, dass der Ansaugbereich und/oder das Gewebe so im Ansaugbereich angeordnet sind, dass von dem schwingenden Gewebe abfallende Partikel nicht in den Ansaugbereich fallen. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechende Neigung in Gewebe oder des gesamten Drucksensors erreicht werden. Zudem sollten Vorsprünge im Gehäuse oder ähnliche Ausformungen, an denen sich im Ansaugbereich vom Gewebe abfallende Partikel sammeln könnten, entsprechend vermieden werden.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Figuren näher erläutert. Im Folgenden können für funktional gleiche und/oder gleiche Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sein. Es zeigen
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1: erstes Ausführungsbeispiel.
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2: zweites Ausführungsbeispiel mit mechanische Kopplung.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer solchen Mikropumpe, bestehend aus einem Gehäuse (2) mit einem Ansaugbereich (21) und einem Ausströmbereich (23) sowie einem Hohlraum (32) mit einer beweglichen Membran (33) und einem elektrisch betriebenen Anregungselement (1) zur Erzeugung einer Bewegung der Membran (33). Mit weißen Pfeilen gezeigt ist dabei die Luftströmung vom Ansaugbereich 21 hin durch den Kanal 22 in den Hohlraum 32 und insbesondere zu dem Ausströmbereich 23 hin, wobei für diese Mikropumpen nicht allein dass durch den Hohlraum 32 aus gepresste Luftvolumen entscheidend ist, sondern bei diesem ausbrechen aus dem Hohlraum 32 zusätzliche Luft aus dem Kanal 22 An gesaugt und unmittelbar in den Ausströmbereich 23 geleitet und so das Luftvolumen bzw. der Druck weiter erhöht wird. Für die Funktionsweise solcher Mikropumpen wird ausdrücklich auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen.
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Durch das Gewebe 4 wird sichergestellt, dass weder Staub noch Flüssigkeiten in die Mikropumpe eindringen können und sich womöglich noch im Kanal 22 oder im Hohlraum 32 festsetzen können. Allein schon diese Schutzfunktion rechtfertigt die Verwendung eines solchen Gewebes 4.
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In diesem Ausführungsbeispiel wird beispielsweise eine Membranfolie aus Acrylat-Copolymer vorgesehen mit einer Dicke von beispielsweise 200 μm (±100 μm) und einer Porengröße zwischen 2 und 4 μm.
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Dabei kann ein Luftdurchsatz > 3.000 ml/min/cm2 bei einem Druckunterschied von 70 mbar erreicht werden, wobei der Wassereintrittspunkt mit größer 200 mbar hinreichend Sicherheitsabstand lässt, so dass das Gewebe als praktisch flüssigkeitsdicht betrachtet werden kann. Durch die Flächengröße des Gewebes wird also unmittelbar der Luftdurchsatz wesentlich mitbestimmt und eignet sich ein solches Gewebe für den großflächigen Ansaugbereich der hier gezeigten Mikropumpen besonders gut. Gewebe mit solchen Leistungseigenschaften bieten beispielsweise die Firmen Schreiner und Gore mittlerweile serienmäßig an.
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Dieses Gewebes kann selbstklebend mit einem Klebeband bereits versehen gekauft werden und über den Ansaugbereich 21 der Mikropumpe geklebt werden.
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Nachfolgend soll auf den besonderen, selbstreinigenden Effekt näher eingegangen werden, welcher für die besonderen Ausgestaltungen der Erfindung prägend, wenngleich für die in Anspruch 1 geschützte Lehre noch nicht zwingend erforderlich ist.
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Durch schwarze Pfeile gekennzeichnet sind die sich mechanisch bewegenden Teile, nämlich die durch das Anregungselement 1 bewegte Membran 33 sowie das sich im Ansaugbereich 21 bewegende Gewebe 4.
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Das Gewebe (4) ist im Ansaugbereich (21) schwingfähig angeordnet, das heißt beispielsweise an den umlaufenden Rändern befestigt, aber zugleich über die Fläche hin schwingfähig, wie durch den schwarzen Pfeil F4 skizziert.
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Die Bewegung F4 des Gewebes 4 entsteht dabei in diesem Ausführungsbeispiel dadurch, dass das Gewebe 4 nahe an dem Anregungselement 1 wie auch der bewegten Membran 33 angeordnet sind, also der Abstand zwischen Anregungselement oder Membran einerseits und dem Gewebe (4) andererseits kleiner als ein vorgegebener Sollwert ist.
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Die Größe dieser Sollwert hängt natürlich von den jeweiligen Bedingungen der Anwendung ab, wird also beispielsweise in Abhängigkeit des gewählten Gewebes 4 und der Leistung der Mikropumpe angepasst.
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Für die Wirkungsweise der Erfindung ist es jedoch unerheblich, ob eventuell auch nur eines der beiden Elemente, also Anregungselement 1 oder die bewegte Membran 33 in der Nähe angeordnet sind. Es geht einzig um die Druckunterschiede im Ansaugbereich 21, welche auf das Gewebe 4 wirken und die Bewegung F4 erzeugen.
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Das Gewebe (4) ist dabei auch im Ansaugbereich (21) in einem Winkel kleiner einem Maximalwinkel, hier parallel zu der beweglichen Membran (33) angeordnet, so dass eine besonders gute Wirkung erreicht wird.
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Die 2 zeigt nun noch eine Ausgestaltung, bei der diese Wirkung noch weiter verstärkt wird, indem hier das Anregungselement (1) über ein Federelement 5 mit dem Gewebe (4) mechanisch verbunden ist und so durch das Anregungselement 1 nicht nur die Membran 33, sondern eben auch zusätzlich das Gewebe 4 in Schwingung versetzt wird. Natürlich könnte man auch gleichwirkend eine mechanische Verbindung zwischen der beweglichen Membran (33) und dem Gewebe (4) schaffen.
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Um den Reinigungseffekt durch die Schwingungen des Gewebes weiter zu erhöhen, kann zudem vorgesehen sein, dass zu vorgegebenen Zeitpunkten, also in der Regel kurzzeitig, die Amplitude der elektrischen Anregung des Anregungselements erhöht wird. Dabei könnte man sogar über die Dauerbelastungsgrenze kurzzeitig hinausgehen, d.h. eine Amplitude bzw. Druckpegel verwenden, welcher für den Dauerbetrieb der Mikropumpe nicht zu gelassen ist.
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Ergänzend dazu oder auch als Alternative ist ebenfalls denkbar, dass zu vorgegebenen Zeitpunkten die Frequenz der elektrischen Anregung des Anregungselements verändert, vorzugsweise eine gegenüber der üblicher Weise verwendeten Grundschwingungsmode erhöhten Schwingungsmode eingestellt, also eine Oberwellenschwingung der Membran verwendet wird, um einen Reinigungsimpuls auf das Gewebe auszuüben. Die Membran 33 als schwingendes System wird üblicherweise exakt mit deren Grundschwingungsmode angeregt. Wählt man eine andere Frequenz, kommt es zu einer Verstimmung. Wählt man eine Frequenz einer höheren Schwingungsmode, entstehen Oberwellen. Diese Schwingungen werden in der Regel den Druckluftausstoß der Mikropumpe eher reduzieren, können aber evt. das Gewebe 4 deutlich stärker anregen, zumal dessen Resonanzfrequenz ja in der Regel deutlich von jener der Membran abweicht. So könnte die Amplitude der Anregung erhöht werden, ohne dass der Luftdruck der Mikropumpe sich gleichzeitig erhöht. Um diese Anregung von höheren Schwingungsmoden als der Grundschwingungsmode der Membran 33 zu erreichen ist auch denkbar, die elektrischen Kontaktflächen des vorzugsweise als Piezokristall ausgebildeten Anregungselements 1 zu unterteilen und für diese Reinigungszeitpunkte asymmetrisch anzusteuern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2090781 A1 [0002]
- EP 2306018 A1 [0002]