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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Mikropumpe, die Flüssigkeiten,
wie z.B. Wasser mit niedrigen Förderraten
im Druck-Saug-Betrieb fördert
und welche eine eingeschränkte
Regelung der Förderrate ermöglicht.
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Aus
US 6,41,6,294 ist eine Mikrodosierungseinrichtung
bekannt, welche eine Druckkammer umfasst, die zumindest zeitweise
von einem Verdränger begrenzt
ist. Zur Betätigung
des Verdrängers
ist ein Aktuator vorgesehen. Das Volumen der Druckkammer ist so
ausgelegt, dass dieses durch Betätigung des
Verdrängers
verändert
werden kann. Ein Reservoir eines Mediums steht in Fluidverbindung
mit der Druckkammer. Eine Auslassöffnung ist in Fluidverbindung
mit der Druckkammer und es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen
zum Antrieb der Mikrodosier-Einrichtung. Ein erster Wechsel des
Volumens der Druckkammer wird pro Zeiteinheit durch eine Bewegung
des Verdrängers
von einer ersten Position zu einer vorbestimmten zweiten Position
bewirkt. Die zweite Position des Verdrängers definiert ein größeres Volumen
der Druckkammer als die erste Position, wodurch ein Fluidvolumen
in die Druckkammer eingesogen wird. In einer zweiten Phase wird
eine zweite Volumenänderung
des Druckkammervolumens herbeigeführt, welche größer ist
als die erste Volumenänderung.
Diese wird pro Zeiteinheit durch eine Bewegung des Verdrängers von
einer zweiten zur ersten Position herbeigeführt, wodurch ein definiertes
Fluidvolumen durch den Auslass strömt.
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US
2002/0071785 A1 bezieht sich auf einen in eine Mikropumpe integrierten
Analysechip und ein Herstellungsverfahren dafür. Es wird eine peristaltische
Mikropumpe offenbart, zur Förderung
eines zu analysierenden Fluids. Die Mikropumpe weist eine elektrisch deformierbare
Membran auf. Ein Substrat ist unterhalb der Membran angeordnet und
mit dieser gekoppelt. Zwischen der Membran und dem Substrat verläuft ein
Mikrokanal im Wesentlichen entlang seiner Längsachse. Eine Elektrodenstruktur
ist auf mindestens einer Seite der Membran entlang des Mikrokanals
angeordnet. Die auf elektrischem Wege deformierbare Membran wird
in eine Krümmung
gebogen, deren Symmetrieachse in Richtung der Längsachse des Mikrokanals orientiert
verläuft.
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Aus
US 2002/0081218 A1 ist eine elektrostriktive Mikropumpe bekannt.
Mit dieser Mikropumpe können
Flüssigkeitsströme bewegt
werden, wobei die Mikropumpe einen Pumpenkörper aufweist, der einen Kanal
zur Förderung
eines Stroms des Fluids aufweist. Ein Pumpelement ist aus einem
Stück eines viskoelastischen
Materials geformt und befindet sich innerhalb des Kanals. Mittels
einer Steueranordnung, die mit dem viskoelastischen Material gekoppelt
ist, wird eine elastische Deformation der Gestalt des Materials
induziert, die eine Druckdifferenz im Fluid herbeiführt, welches
sich im Kanal des Pumpenkörpers befindet.
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Aus
DE 100 29 453 C2 ist
eine Pumpe für sehr
niedrige Flussraten bekannt. Diese Pumpe umfasst einen Kanal, der
zumindest teilweise mit einer Transportflüssigkeit gefüllt ist.
Es ist eine von der Transportflüssigkeit
benetzbare Membran vorgesehen, die eine Öffnung des Kanals verschließt. Die Pumpe
umfasst ferner einen auf der der Transportflüssigkeit gegenüber liegenden
Seite der Membran angeordneten Raum mit im Wesentlichen konstantem
Dampfdruck der Transportflüssigkeit.
Der Raum kann ein Sorptionsmittel enthalten, das verdampftes Transportfluid
sorbiert. Der Raum und die Transportflüssigkeit sind durch die Membran
voneinander getrennt. Die den Raum begrenzende Membran kann hydrophil
ausgebildet werden, wobei insbesondere der der Transportflüssigkeit
zugewandte Bereich der Membran hydrophil ausgebildet ist, sowie
ein Bereich der Membran, der dem Sorptionsmittel zugewandt ist,
hydrophob beschaffen sein kann. Das Sorptionsmittel steht in Kontakt
mit dem hydrophob beschaffenen Bereich der Membran.
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Aus
EP 1 363 020 A2 ist
eine Mikropumpe mit Heizelementen für einen pulsierten Betrieb
bekannt. Die Mikropumpe umfasst ein fluidisches Transportelement,
das an ein Flüssigkeitsreservoir anschließbar ist
und im angeschlossenen Zustand das Flüssigkeitsreservoir mit einem
Verdampfungsbereich fluidisch verbindet. Ein Heizelement befindet sich
im Bereich eines Transportelementes, wobei das Heizelement mittels
einer Steuereinheit gesteuert wird. Die Steuereinheit steuert das
Heizelement in der Weise durch Signale, dass das Heizelement sich abwechselnd
für einen
Zeitraum T1 in einer Ruhephase oder für einen Zeitraum T2 in einer
Heizphase befindet und sich die Ruhephase und die Heizphase im Wesentlichen
periodisch abwechseln, so dass ein pulsierter Betrieb des Heizelements
erzielbar ist. Die Flussrate der Mikropumpe wird durch die Länge der Zeiträume T1,
T2 und die Heizleistung des Heizelements bestimmt, wobei mindestens
einer der Parameter T1, T2 und Heizleistung durch die Steuereinheit
veränderbar
ist. Die Mikropumpen gemäß der
DE 100 29 453 C2 sowie
der
EP 1 363 020 A2 sind
durch eine relativ hohe Förderleistung
gekennzeichnet. Bei diesen Pumpen handelt es sich um Pumpen für Flüssigkeiten.
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In
vielen anderen Fällen
werden mittels Mikropumpen Gase gefördert, bei denen das Flüssigkeits-typische
Problem der Luftblasen/Dampfblasenbildung nicht auftritt. Nachteilig
an den Fördereinrichtungen,
die Gase fördern,
bzw. mit einem Gaspuffervolumen arbeiten, ist die ausgeprägte Abhängigkeit eines
eingeschlossenen Gasvolumens von Temperatur und Druck. Damit sind
solche Pumpen nicht nur von der Außentemperatur, sondern auch
vom barometrischen Druck abhängig,
soweit sie nicht mit großem
Aufwand von der Umwelt gekapselt werden. Die aus dem Stand der Technik
bekannten Mikropumpen stellen aufgrund der skizzierten Problematik
keinen gangbaren Weg für
Mikropumpen dar, die weitgehend konstante Förderraten im Bereich unter
100 nl/min über
längere
Zeiträume
erlauben.
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Bei
den aus dem Stand der Technik bekannten Mikropumpen ist von Nachteil,
dass die Mikropumpen bislang nur eine Förderung eines Mediums im Saugbetrieb
erlauben. Für
die Anwendung in Analysesystemen mit Stoffaustauschapparaten wie
z.B. Membranfiltern oder Mikrodialysatoren ist jedoch oftmals ein
Druck-/Saug-Betrieb erwünscht.
Weiterhin ist von Nachteil das relativ große Bauvolumen, das durch die
Verwendung eines Puffervolumens bzw. eines festen Sorbents gemäß
DE 100 29 453 C2 bzw. gemäß
EP 1 363 020 A2 erforderlich
ist.
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Darstellung
der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, den oben aufgeführten Nachteilen
des Standes des Technik durch eine Mikropumpe abzuhelfen, die Flüssigkeiten
mit niedrigen Förderraten
im Druck-/Saug-Betrieb fördert,
und eine eingeschränkte
Regelungsmöglichkeit
der Förderrate
ermöglicht, darüber hinaus
klein baut und niedrige Herstellkosten aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
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In
vorteilhafter Weise baut die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe
deutlich kleiner als die aus
DE 100 29 453 C2 bekannte Pumpe für sehr niedrige
Flussraten. Dies ist durch den Wegfall des Sorbens und der vollständigen Ausnutzung
des vorhandenen Raums möglich.
Ferner entfällt
ein Pufferbehälter
zur Aufnahme von destilliertem H
2O, das für den Betrieb
dieser Sorbens-Pumpe erforderlich ist. Da eine Flüssigkeit
als Fördermedium
eingesetzt wird, ist die erfindungsgemäß vorgeschlagene Mikropumpe
hinsichtlich ihrer Pumpgeschwindigkeit unabhängig vom äußeren Druck, d.h. dem Umgebungsdruck.
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Die
vorgeschlagene Mikropumpe, die als Mikroverdampferpumpe ausgelegt
ist, umfasst eine Membran, die durchlässig für Wasserdampf und undurchlässig für Flüssigkeit
ist. Auf der Saugseite der für
Wasserdampf durchlässigen
und für
flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran befindet sich ein Raum mit starren Wänden (Saugraum). Dieser ist
mit Flüssigkeit
gefüllt
und weist eine fluidische Verbindung zu einer Flüssigkeitsquelle auf. Auf der
Druckseite der für
Wasserdampf durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran befindet sich ein weiterer Raum, der mindestens eine flexible Wandung
aufweist. Innerhalb dieses Raums befindet sich eine gesättigte Lösung, so
z.B. eine Salzlösung. Ferner
befindet sich in diesem Raum ein Kristalldepot; falls es sich um
eine gesättigte
Salzlösung
in diesem Raum handelt, wird das Kristalldepot durch ein Salzkristalldepot
dargestellt. Dieser Raum wird nachfolgend als Kondensationsraum
bezeichnet.
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Die
flexible Wandung des Kondensationsraums bildet andererseits eine
Wandung eines ansonsten im Wesentlichen starr ausgebildeten Vorratsraums.
Diese Wandung ist impermeabel für
die Salzlösung
und impermeabel für
die Flüssigkeit,
die sich im Vorratsraum befindet. Der Vorratsraum weist eine fluidische
Verbindung zu einer Flüssigkeitssenke
auf.
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Durch
die für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran verdampft Wasser aus dem Saugraum in die gesättigte Salzlösung innerhalb
des Kondensationsraums und vergrößert deren
Volumen. Die Vergrößerung der
gesättigten
Salzlösung
innerhalb des Kondensationsraums bewirkt einen Druck auf die flexibel
ausgebildete Wand, die impermeabel für die Salzlösung und impermeabel für die Flüssigkeit
ist. Durch den Druck auf diese flexibel ausgebildete Wandung wird
Flüssigkeit
aus dem Vorratsraum getrieben.
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Über die
Mikropumpe als Gesamtheit gesehen wird einerseits in den Saugraum
Flüssigkeit
gesaugt, und aus dem Vorratsraum Flüssigkeit gedrückt, wobei
die beiden Flüssigkeitsströme in erster Näherung gleich
sind. Es handelt sich folglich um eine Saug-/Druckpumpe.
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Die
für Wasserdampf
durchlässige
und für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran kann z.B. als PTFE-Flachmembran mit einer Porengröße von 0,2 μm ausgeführt sein.
Dabei sind hydrophobe Membranen mit einer kleineren oder größeren Porengröße prinzipiell
geeignet, doch ist die mit größerporigen
Membranen erreichbare Druckdifferenz kleiner und die Gefahr eines
hydraulischen Kurzschlusses durch das Eindringen von Flüssigkeit
in die größeren Poren
größer.
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Anstelle
hydrophober Porenmembranen mit größeren Poren können dichte
hydrophobe Löslichkeitsmembranen
eingesetzt werden. Überraschend wurde
gefunden, dass eine dünne
Silikonschicht so z.B. aus vernetztem Polydimethylsiloxan, eine
ausreichend hohe Wasserdampfpermeabilität aufweist, um in einer erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Mikropumpe zum Einsatz zu kommen. Eine derartige dichte, hydrophobe
Löslichkeitsmembran,
kann aus einem Film aus Silikon gefertigt werden. Daneben ist es
auch möglich
eine derartige dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembran durch einen
Silikonfilm darzustellen, der mit einer mechanischen Verstärkungsstruktur
versehen ist. Eine derart mechanische Verstärkungsstruktur kann zum Beispiel
ein monofiles Gewebe sein. Bei dem monofilen Gewebe handelt es sich
bevorzugt um ein metallisches Gewebe, welches mit einer dünnen Silikonschicht
derart überzogen
wird, dass die Maschen zwischen den monofilen Fäden mit einem kleinen Silikonfilm überspannt
sind. Anstelle von derart gefertigten dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembranen
können
auch extrem dünne Lochbleche,
Vliese, Gitter oder auch makroporöse Membranen eingesetzt werden.
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Es
hat sich herausgestellt, dass ein metallisches monofiles Gewebe,
welches im Zusammenhang mit der Herstellung einer dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembran
eingesetzt wird, so geformt werden kann, dass es selbsttragend wird
und keine weiteren Stabilisierungselemente zur Verhinderung einer
Durchbiegung der Membran erforderlich sind.
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In
Zusammenhang mit dem Einsatz eines monofilen Gewebes zur Herstellung
einer dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembran
wurde überraschenderweise
gefunden, dass die Förderrate
der erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Mikropumpe dadurch erhöht
werden kann, dass ein elektrischer Strom durch das als Stützgewebe
fungierende metallische monofile Gewebe einer dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembran
geleitet werden kann oder ein Teil dieses elektrischen Stroms durch
das monofile Gewebe geleitet wird.
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Aufgrund
der Temperaturerhöhung
in der das monofile Gewebe enthaltenden Silikonmembran wird die
Transportrate des Wassers erhöht.
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Als
Kristalle für
die Aufnahme von Wasserdampf im Kondensationsraum der Mikropumpe
eignen sich alle Salze, die als gesättigte Lösung einen niedrigeren Dampfdruck
aufweisen, als denjenigen, den die angesaugte Lösung, so zum Beispiel eine Kochsalzlösung, entwickelt.
Sind in der angesaugten Lösung
Substanzen gelöst,
dann wird bevorzugt, im Kondensationsraum Salze einzusetzen, bei
denen der Dampfdruck einer gesättigten
wässrigen
Lösung niedriger
ist als der Dampfdruck einer bis zur Sättigung aufkonzentrierten angesaugten
Lösung.
Geeignete Salze sind z.B. NH4Cl oder LiCl.
Eine solche bis zur Sättigung
führende
Aufkonzentration erfolgt z.B. dann im Saugraum, wenn eine NaCl-Lösung angesaugt
wird. Auf der Saugseite der für
Wasserdampf durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran bilden sich Kristalle von NaCl. Erfindungsgemäß wurde
gefunden, dass es möglich
ist, das Pumpenprinzip ohne Störungen
durch Kristallbildung zu nutzen, wenn von Anfang an im Saugraum soviel
kristallines NaCl vorgelegt wird, dass beim Befüllen des Saugraums eine gesättigte NaCl-Lösung mit
verbleibendem Kristalldepot gebildet wird. Durch das Ansaugen antransportiertes
NaCl scheidet sich an den vorhandenen Kristallen ab, ohne sich an
der Membran anzulagern und deren Poren zu blockieren. Diese Ausführungsvariante
hat weiter den großen Vorteil,
dass abgesehen von der Anfangsphase die Triebkraft für den Wassertransport
durch die Wasserdampfdruckdifferenz zwischen zwei gesättigten
Salzlösungen
bestimmt ist. Da die Wasserdampfdruckdifferenz konstant ist, bleibt
mithin auch die Pump- bzw. Förderrate
konstant, solange die Umweltbedingungen wie vor allem die Temperatur
konstant bleiben.
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Zeichnung
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Die
Erfindung wird anhand der Zeichnung eingehender beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 einen
schematischen Querschnitt durch die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Mikropumpe,
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2.1 bis 2.4 schematische
Querschnitte durch dampfpermeable Membranen und
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3 einen
Querschnitt durch eine dampfpermeable Membran mit einer mechanischen
Verstärkung
und
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4 eine
verformte dampfpermeable Membran.
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Ausführungsvarianten
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1 zeigt
eine erfindungsgemäß vorgeschlagene
Mikropumpe 10, die als Mikroverdampferpumpe zur Förderung
kleiner Flüssigkeitsströme in gleichzeitigem
Druck-Saug-Betrieb
ausgelegt ist.
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Die
Mikropumpe 10 umfasst einen oberen Körper 11, einen mittleren
Körper 12 sowie
eine unteren Körper 13.
Der obere Körper 11 und
der mittlere Körper 12 liegen
entlang einer ersten Stoßfuge 14 aneinander
an, während
der mittlere Körper 12 und der
untere Körper 13 einander
entlang einer zweiten Stoßfuge 15 kontaktieren.
In dem unteren Körper 13 ist
ein Saugraum 16 ausgebildet. Dem Saugraum 16 ist
eine Zuleitung 17 zugeordnet sowie eine ein Ventil 18 enthaltende
Entlüftungsleitung.
Der Saugraum 16 ist mit einer gesättigten Pumplösung 19 befüllt und enthält ein Depot 20 von
Kristallen. Die Wände
des Saugraums 16 im unteren Körper 13 sind im Wesentlichen
starr ausgeführt,
abgesehen von der den Saugraum 16 von einem Kondensationsraum 27 trennenden
für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21.
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Der
Saugraum 16 steht über
die Zuleitung 17 mit einer in 1 nicht
dargestellten Flüssigkeitsquelle
in Verbindung.
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Der
Saugraum 16 ist über
die für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 vom Kondensationsraum 27 getrennt.
Bei der für
Wasserdampf durchlässigen und
für flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21 handelt es sich z.B. um eine PTFE-Flachmembran mit
einer Porengröße vom 0,2 μm. Anstelle
von PTFE-Flachmembranen können
zur Trennung des Saugraums 16 und des Kondensationsraums 27 auch
dichte, hydrophobe Löslichkeitsmembranen eingesetzt
werden, so z.B. Membranen, die eine dünne Schicht aus Silikon, so
z.B. aus vernetztem Polydimethylsiloxan aufweisen, welches eine
ausreichend hohe Wasserdampfpermeabilität aufweist, um damit die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Mikropumpe 10 realisieren zu können. Eine Membranoberseite 25 weist
dem Kondensationsraum 27, der im mittleren Körper 12 ausgebildet
ist, zu, während
eine Membranunterseite 26 der für Wasserdampf durchlässigen und
für flüssiges Wasser
undurchlässigen Membran 21 dem
Saugraum 26 zuweist. Der Randbereich der für Wasserdampf
durchlässigen
und für flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21 sind abdichtende O-Ringe 22, 23 im
Bereich der Stoßfuge 15 zwischen
dem mittleren Körper 12 und
dem unteren Körper 13 eingespannt,
wobei der erste O-Ring 22 und der zweite O-Ring 23 die
Abdichtung zwischen dem Kondensationsraum 27 und dem Saugraum 16 gewährleisten.
Unterhalb der für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21 befindet sich eine Abstützstruktur 24, die
die für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 abstützt
und an einer Durchbiegung nach unten hindert.
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Im
Kondensationsraum 27, der von den starren Wänden des
mittleren Körpers 12 einerseits,
von der Oberseite 25 der für Wasserdampf durchlässigen und
für flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21 andererseits sowie von einer impermeablen Membran 28 begrenzt
wird, ist eine gesättigte
Salzlösung 29 sowie
ein Depot von Kristallen 30 enthalten. Im Falle einer gesättigten
Salzlösung 29 handelt
es sich bei dem Depot 30 um ein Depot von Salzkristallen, hier
angedeutet oberhalb der Membranoberseite 25 der für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21. Als Kristalle 30, die im Kondensationsraum 27 aufgenommen sind,
und die Aufnahme von Wasserdampf durch den Kondensationsraum 27 begünstigen,
eignen sich alle Salze, die als gesättigte Lösung einen niedrigeren Dampfdruck
aufweisen als die angesaugte Lösung entwickelt.
Sind in der angesaugten Lösung
Substanzen gelöst,
so wird bevorzugt, dass im Kondensationsraum 27 solche
Salze eingesetzt werden, bei denen der Dampfdruck einer gesättigten
wässrigen
Lösung
niedriger ist als der Dampfdruck einer bis zur Sättigung aufkonzentrierten angesaugten
Lösung. Hierzu
geeignete Salze sind z.B. NH4Cl oder LiCl. Über die
impermeable Membran 28, die an Einspannstellen 33 im
Bereich der ersten Stoßfuge 14 zwischen
dem oberen Körper 11 und
dem mittleren Körper 12 eingespannt
ist, wird der Kondensationsraum 27 von einem Vorratsraum 31 getrennt.
Der Vorratsraum 31 verfügt über einen
Ausgang 32 und enthält
die zu pumpende Flüssigkeit,
welche durch den Ausgang 32 mit einer in 1 nicht
dargestellten Flüssigkeitssenke
verbunden ist.
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Durch
die für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 dampft Wasser in die gesättigte Salzlösung 29,
die im Kondensationsraum 27 enthalten ist und aufgrund des
dort enthaltenen Depots 30 von Salzkristallen stets gesättigt ist.
Aufgrund des durch die für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 hindurch tretenden Wasserdampfes wird das Volumen
der gesättigten
Salzlösung 29 vergrößert. Die
Volumenvergrößerung der im
Kondensationsraum 27 enthaltenen gesättigten Salzlösung 29 bewirkt
einen Druck auf die impermeable Membran 28, treibt damit
die im Vorratsraum 31 enthaltene Flüssigkeit durch den Ausgang 32 einer Flüssigkeitssenke
zu. In der Gesamtbetrachtung der in 1 dargestellten
Mikropumpe 10 saugt diese über die Zuleitung 17 kontinuierlich
Flüssigkeit
in den Saugraum 16 an und gibt über den Ausgang 32 kontinuierlich
Flüssigkeit
ab. Die die Zuleitung 17 zum Saugraum 16 sowie
den Ausgang 32 des Vorratsraums 31 passierenden
Flüssigkeitsströme entsprechen
in erster Näherung
einander.
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Anstelle
von porösen,
hydrophoben PTFE-Flachmembranen, die als für Wasserdampf durchlässige und
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membranen eingesetzt werden können,
können auch
hydrophobe Membranen mit größeren Poren eingesetzt
werden. Bei diesen ist jedoch die erreichbare Druckdifferenz kleiner
und daher die Gefahr eines hydraulischen Kurzschlusses durch das
Eindringen von Flüssigkeit
in die größeren Poren
der hydrophoben Membran größer.
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Dieses
mit dem Einsatz poröser
Membranen verbundene Risiko lässt
sich durch die Verwendung von dichten, hydrophoben Löslichkeitsmembranen vermeiden. Überraschenderweise
wurde gefunden, dass eine dünne
Schicht aus Silikon, so z.B. von vernetztem Polydimethylsiloxan
eine ausreichende hohe Wasserdampfpermeabilität aufweist, um die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Mikropumpe 10 realisieren zu können. Eine dichte, hydrophobe
Löslichkeitsmembran
kann z.B. auf günstige
Weise dadurch erhalten werden, dass ein monofiles Gewebe, bevorzugt
ein metallisches monofiles Gewebe mit einer dünnen Silikonschicht so überzogen
wird, dass die Maschen mit dem monofilen Gewebe, d.h. den einzelnen
Fäden,
mit einem kleinen dünnen
Silikonfilm überspannt
sind. Dies kann in analoger Weise auch durch ein extrem dünnes Lochblech,
ein Vlies, ein Gitter oder auch mittels einer porösen Membran
realisiert werden.
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Das
genannte monofile Gewebe, bei dem es sich bevorzugt um ein Drahtgewebe
mit metallischen Drähten
handelt, kann sphärisch
so geformt werden, dass es selbsttragend wird und keine weiteren
stabilisierenden Elemente zur Verhinderung einer Durchbiegung einer
solcherart beschaffenen Membran notwendig sind (4).
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2.1 zeigt eine Ausführungsvariante einer dampfpermeablen
Membran. Die in 2.1 dargestellte dampfpermeable
Membran 21 ist als makroporöse Membran ausgebildet und
weist eine Oberseite 41 sowie eine Unterseite 42 auf.
Bezogen auf das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
weist die Oberseite 41 dem Kondensationsraum 27 zu, während die
Unterseite 42 dem Saugraum 16 zuweisend orientiert
ist. Die in 2.1 dargestellte dampfpermeable
Membran 21 ist hingegen für flüssiges Wasser undurchlässig.
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Der
Darstellung gemäß 2.2 ist eine Wasserdampf durchlässige, jedoch
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran 21 zu entnehmen, die an ihrer Unterseite 42 mit
einem Silikonfilm 46 versehen ist. Hingegen ist die Oberseite 41 der
für Wasserdampf durchlässigen,
für flüssiges Wasser
jedoch undurchlässigen
Membran 21 ohne einen solchen Film ausgebildet. Der Silikonfilm 46 an
der Unterseite 42 der für
Wasserdampf durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21 weist dem Saugraum 16 gemäß der Ausführungsvariante
der Mikropumpe 10 gemäß der Darstellung
in 1 zu.
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2.3 zeigt eine Ausführungsvariante einer für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21, die sowohl an der Unterseite 41 als
auch an der Oberseite 42 mit einem Silikonfilm 46 beschichtet
ist. Der Silikonfilm 46 an der Oberseite 41 und
der Unterseite 42 der für Wasserdampf
durchlässigen,
jedoch für
flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21 ist beidseits einer Membranstruktur aufgenommen,
die in der Ausführungsvariante
gemäß 2.3 großporig
beschaffen ist.
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Hingegen
zeigt die Ausführungsvariante
gemäß 2.4 eine für
Wasserdampf durchlässige,
für flüssiges Wasser
jedoch undurchlässige
Membran 21, die als Silikonfilm 46 beschaffen
ist. Gemäß dieser
Ausführungsvariante
ist keine grob- oder feinporige Membranstruktur erforderlich, die
für Wasserdampf
durchlässige,
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran 21 wird lediglich durch den Silikonfilm 46 dargestellt.
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Der
Darstellung gemäß 3 ist
ein Querschnitt durch eine für
Wasserdampf durchlässige,
jedoch für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran mit einer integrierten mechanischen Verstärkung zu entnehmen.
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Bei
der in 3 dargestellten Membran handelt es sich um eine
alternativ zu hydrophoben Porenmembranen einsetzbare dichte, hydrophobe
Löslichkeitsmembran.
Diese weist ein monofiles Gewebe auf angedeutet durch die durch
Verstärkungsfäden 44 einer
mechanischen Verstärkung 43.
In der Darstellung gemäß 3 wird
die für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 von den einzelnen Verstärkungsfäden 44 durchzogen,
die sich senkrecht zur in 3 dargestellten
Zeichenebene erstrecken. Zwischen den einzelnen Verstärkungsfäden 44 der
mechanischen Verstärkung 43 befinden
sich jeweils Abschnitte, die mit einem dünnen Silikonfilm 46 überspannt sind.
Die mechanische Verstärkung 43,
die z.B. als monofiles Drahtgewebe ausgebildet ist, lässt sich sphärisch so
verformen, dass sie selbsttragende Eigenschaften annimmt und keine
weiteren Elemente zur Verhinderung einer Durchbiegung der für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21 mehr erforderlich sind (vergleiche Darstellung
gemäß 4).
Wird an die einzelnen Verstärkungsfäden 44 der
mechanischen Verstärkung 43,
angedeutet durch eine Versorgungsspannung UB,
ein elektrischer Strom angelegt, oder werden einzelne Verstärkungsfäden 44 mit
einer elektrischen Spannung UB beaufschlagt,
kann die Pumprate der Mikropumpe 10 erhöht werden. Aufgrund des Anlegens
einer elektrischen Spannung an die Verstärkungsfäden 44 der mechanischen
Verstärkung 43 wird
die Temperatur lokal erhöht
und die Transportrate von Wasser bzw. Wasserdampf durch die für Wasserdampf
durchlässige
und für
flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran 21 gesteigert.
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Wie
vorstehend bereits erwähnt
wurde, können
in der über
die Zuleitung 17 in den Saugraum 16 angesaugte
Lösung
Substanzen enthalten sein. In diesem Falle werden im Kondensationsraum 27 bevorzugt
solche Kristalle 30 wie z.B. Salzkristalle eingesetzt,
bei denen der Dampfdruck einer gesättigten wässrigen Lösung niedriger ist, als der
Dampfdruck einer bis zur Sättigung
aufkonzentrierten angesaugten Lösung.
Eine solche bis zur Sättigung
führende Aufkonzentration
erfolgt z.B. innerhalb des Saugraums 16, wenn eine NaCl-Lösung angesaugt
wird. Dabei bilden sich an der für
Wasserdampf durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen Membran 21 auf
der Saugseite, d.h. an der Unterseite 26 NaCl-Kristalle. Überraschenderweise
wurde nun gefunden, dass es möglich
ist, das Pumpprinzip der Mikropumpe 10 gemäß 1 ohne
Störungen durch
Kristallbildung zu nutzen, wenn von Anfang an im Saugraum 16 soviel
kristallines NaCl vorgelegt wird, dass beim Befüllen des Saugraums 16 über die Zuleitung 17 eine
gesättigte
NaCl-Lösung
mit verbleibendem Kristalldepot 20 gebildet wird. Durch
das Ansaugen antransportiertes NaCl scheidet sich bevorzugt an den
im Saugraum 16 vorhandenen Kristallen des Kristalldepots 20 ab,
ohne die Unterseite 26 der für Wasserdampf durchlässigen und
für flüssiges Wasser
undurchlässigen
Membran 21 zu blockieren. Diese Ausführungsvariante bzw. Betriebsvariante
hat weiter den großen
Vorteil, dass abgesehen von der Anfangsphase, die Triebkraft für den Wassertransport
durch die Wasserdampfdruckdifferenz zwischen zwei gesättigten
Salzlösungen,
d.h. innerhalb des Saugraums 16 und innerhalb des Kondensationsraums 27 bestimmt
ist. Da diese Wasserdampfdruckdifferenz zwischen den gesättigten
Lösungen 29 bzw. 19 konstant
ist, ist die Pumprate konstant, solange die äußeren Einflussbedingungen wie
z.B. die Temperatur konstant gehalten werden. Wie vorstehend erwähnt arbeitet
die erfindungsgemäß vorgeschlagene
Mikropumpe 10 gemäß des push/pull
Betriebs, das heißt über den
Saugraum 16 wird Flüssigkeit
gesaugt und aus dem Vorratsraum 30 Flüssigkeit gedrückt, wobei
die beiden genannten Flüssigkeitsströme in erster
Näherung
gleich sind. Die Mikropumpe 10 arbeitet folglich im Saug-/Druckmodus.
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In
Zusammenhang mit der Darstellung in 3 ist noch
zu erwähnen,
dass die einzelnen Verstärkungsfäden 44 der
für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21 mit Masse verbunden sind, wie durch Bezugszeichen 45 angedeutet.
Die Spannungsversorgung der einzelnen Verstärkungsfäden 44 erfolgt mit einer
durch UB angedeuteten Versorgungsspannung von
einer ebenfalls nicht näher
dargestellten Spannungsquelle.
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In
der Darstellung gemäß 1 ist
die für Wasserdampf
durchlässige,
jedoch für
flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran 21 mittels zweier O-Ringe 22, 23 im
Bereich der Stoßfuge 15 des
mittleren Körpers 12 und
des unteren Körpers 13 eingespannt.
Daneben ist es auch möglich,
die für
Wasserdampf durchlässige,
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran 21 auch im Bereich der Stoßfuge 15 einzuschweißen, einzugießen oder
einzukleben oder auf andere Weise dichtend zwischen dem Saugraum 16 und
dem Kondensationsraum 27 anzubringen.
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Der
Darstellung gemäß 4 ist
eine verformte für
Wasserdampf durchlässige,
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran zu entnehmen.
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In 4 ist
eine Verformung der für
Wasserdampf durchlässige
und für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 wiedergegeben. Die für Wasserdampf durchlässige und
für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 weist
eine mechanische Verstärkungsstruktur 43 auf.
Diese ist in der Ausführungsvariante
gemäß 4 als
eine Anordnung monofiler Verstärkungsfäden 44 ausgebildet,
zwischen denen sich einzelne Silikonfilmabschnitte 46 an
der Oberseite 41 und an der Unterseite 42 befinden.
In der Darstellung gemäß 4 ist
die für
Wasserdampf durchlässige,
jedoch für
flüssiges
Wasser undurchlässige
Membran 21 hutförmig
verformt. Dies kann zum Beispiel dadurch herbeigeführt werden, dass
eine ebene, plane Fläche
der für
Wasserdampf durchlässigen,
jedoch für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21 mittels eines stempelförmig gerundeten Werkzeugs in
der in 4 dargestellten Weise verformt wird, so dass die
Eigensteifigkeit durch Längen
der monofilen Verstärkungsfäden 44 verbessert
wird.
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1. Beispiel: Mikropumpe 10 mit
PTFE-Membran
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Innerhalb
eines Referenzbeispiels zur Darstellung der Funktionsweise des vorgeschlagenen Pumpprinzips
für eine
Mikropumpe 10 für
Saug- und Druckbetrieb wurde ein Membranfilterhalter aus Acetal
mit einem Durchmesser von 25 mm von der Fa. Novodirect, Kehl, Deutschland,
Bestellnr. C13907, mit einer Scheibe von 25 mm einer PTFE-Membran 21 mit
0,2 μm Porengröße bestückt. Auf
die eingesetzte Membran 21 wurde ein Dichtring 24 × 2 mm aus
Silikon aufgelegt. Eine Aufschlämmung
von NH4Cl in destilliertem Wasser wurde
bereitgestellt, wobei 600 μl
des Kristallbreis mittig auf die PTFE-Membran 21 appliziert
wurde. Das Oberteil des Filterhalters wurde im Inneren mit einer
dünnen Polyethylenfolie
(Dicke: 15 μm)
ausgekleidet und mit dem Unterteil dichtend verschraubt. Über einen
angeschlossenen Schlauch wurde die Pumplösung (0,9 % NaCl in H2O) in das Oberteil gedrückt und der Schlauch wurde
abgeklemmt.
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Durch
die Schlauchöffnung
im Unterteil des Filterhalters wurden Salzkristalle (vgl. Position
20) in den Raum 16 unter der Membran 21 eingefüllt. Durch die
Schlauchöffnung
im Unterteil des Filterhalters wurden Salzkristalle 30 in
den Raum oberhalb der Membran 21 eingefüllt. Mit Hilfe einer Spritze
wurde gesättigte
Kochsalzlösung
eingefüllt.
Durch Druckwechsel und Vibration wurde überschüssige Luft entfernt. Ein mit
0,9 % NaCl-Lösung gefüllter Schlauch wurde
an das Unterteil des vorbereiteten Filterhalters angeschlossen.
Der Schlauch mündete
in ein Vorratsgefäß mit ca.
2 ml 0,9-%iger NaCl-Lösung, das auf
einer Waage mit Auflösung
von 0,000 001. μg stand.
Der Schlauch, der mit dem Oberteil des Filterhalters verbunden war,
wurde in ein weiteres Vorratsgefäß mit ca.
1 ml 0,9 % NaCl in Wasser, welches sich auf einer zweiten Waage
befand, geführt.
Beide Schläuche
waren so platziert, dass sie die Gefäße nicht berührten. zum
Schutz vor Verdampfung waren beide Flüssigkeitsvolumina mit ca. 5
mm Mineralöl überschichtet.
Die Schlauchklammer wurde entfernt und nach einer Einlaufzeit von
ca. 1 h zeigten sich ein kontinuierlicher Gewichtsabfall des ersten
Vorratsgefäßes und
ein entsprechender Gewichtsanstieg des weiteren, zweiten Vorratsgefäßes. Die
Geschwindigkeitsveränderungen
wurden in Flussraten umgerechnet, woraus sich ein mittlerer Fluss
von 48 nl pro Minute über
einen Zeitraum von 3 Tagen errechnete.
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Beispiel 2: Herstellung
einer Silikonmembran
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Ein
Metallgewebe, so z.B. die in 3 dargestellte
mechanische Verstärkung 43,
die einzelne, parallel zueinander verlaufende Verstärkungsfäden 44 aufwies,
umfasste einzelne monofile Drähte
mit einem Durchmesser von 40 μm
mit einer Maschenweite von 50 μm
(Hersteller Carl Beisser GmbH, Magstadt, Deutschland) und wurde
in eine Lösung
von 50 g Polydimethylsiloxan der Fa. Wacker-Chemie GmbH, Nünchritz,
Deutschland) in 500 ml Toluol getaucht. Anschließend wurde das Metallgewebe
aus der Lösung
gezogen und es tropfte ab. Nach vollständigem Abdampfen des Lösungsmittels
bei 60°C
und einer Zeitspanne von etwa 12 h war eine für Wasserdampf durchlässige und
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran 21 gemäß der Darstellung
in 3 fertig.
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Beispiel 3: Herstellung
einer sphärischen
Silikonmembran
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Ein
Metallgewebe, wie in der Darstellung gemäß 3 durch
die mechanische Verstärkung 43, einzelne
Verstärkungsfäden 44 umfassend,
wurde über
eine kugelförmige
Form von 30 mm Durchmesser gezogen. Resultat war ein hutförmig konfiguriertes
Gebilde, das mit einem Durchmesser von 40 mm aus dem Metallgewebe
ausgestanzt wurde. Das Metallgewebe wurde analog zu Beispiel 2 in
eine Silikonlösung
getaucht, danach erfolgten ein Abtropfen sowie eine Trocknung bei
einer Temperatur von 60°C über Nacht.
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Beispiel 4: Pumpe mit
einer verstärkten
Silikonmembran
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Eine
Mikropumpe 10 gemäß des im
Zusammenhang mit Beispiel 1 genannten Filteraufbaus wurde gefertigt,
jedoch mit dem Unterschied, dass eine Membran gemäß des Beispiels 2 eingesetzt wurde.
Es konnte ein mittlerer Fluss durch die für Wasserdampf durchlässige und
für flüssiges Wasser undurchlässige Membran 21 von
21 nl/min über
einen Zeitraum von 5 Tagen festgestellt werden.
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Beispiel 5: Pumpe mit
beheizter Silikonmembran
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Eine
Mikropumpe 10 gemäß des Beispiels
4 wurde gefertigt, jedoch mit dem Unterschied, dass an zwei einander
gegenüberliegenden
Stellen der für Wasserdampf
durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran 21 elektrische Kontakte zum mechanischen Verstärkungsgewebe 43 hergestellt
wurden. An den mit der für
Wasserdampf durchlässigen
und für
flüssiges
Wasser undurchlässigen
Membran gebrachten elektrischen Kontakten wurden Stromleiter angeschlossen.
Die Stromleiter waren in Form von ummantelten Kupferlitzen ausgebildet
und wurden mit Cyanacrylatkleber in Bohrungen innerhalb des Gehäuses flüssigkeitsdicht
eingeklebt. Bei 22°C
Raumtemperatur zeigte ein derartiger Versuchsaufbau für eine Mikropumpe 10 einen
nahezu verdoppelten mittleren Fluss, sobald ein Heizstrom durch
die Verstärkungsfäden 44 der
mechanischen Verstärkung 43 von
50 mA floss.
-
- 10
- Mikropumpe
- 11
- oberer
Körper
- 12
- mittlerer
Körper
- 13
- unterer
Körper
- 14
- 1.
Stoßfuge
- 15
- 2.
Stoßfuge
- 16
- Saugraum
- 17
- Zuleitung
- 18
- Ventil
- 19
- gesättigte Pumplösung
- 20
- Depot
von Kristallen
- 21
- für Wasserdampf
durchlässige,
für flüssiges Wasser
undurchlässige
Membran
- 22
- 1.
O-Ring
- 23
- 2.
O-Ring
- 24
- Abstützstruktur
- 25
- Membranoberseite
- 26
- Membranunterseite
- 27
- Kondensationsraum
- 28
- impermeable
Membran
- 29
- gesättigte Salzlösung
- 30
- Salzkristalle
- 31
- Vorratsraum
- 32
- Ausgang
- 33
- Einspannstelle
impermeable Membran 28
- 41
- Oberseite
- 42
- Unterseite
- 43
- mechanische
Verstärkung
- 44
- Verstärkungsfäden
- 45
- Massenverbindung
- 46
- Silikonfilm
- UB
- Verorgungsspannung