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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Mikropumpe sowie die Steuerung einer Mikropumpe für niedrige
Flussraten, insbesondere im Bereich von 1 bis 1000 nl/min. Die erfindungsgemäße Pumpe
führt ein
diskontinuierliches Betreiben eines Heizelementes durch und erzeugt
trotz einer gepulsten Betriebsart konstante Flussraten. Mit Hilfe
der Mikropumpe kann ein Flüssigkeitstransport über einen
Zeitraum von mehreren Tagen mit einer konstanten Flussrate aufrecht
erhalten werden, wobei die Flussrate bei Bedarf schnell verändert und
präzise
neu eingestellt werden kann.
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Zur Erfindung gehören weiterhin ein Mikrodialyse-
und ein Ultrafiltrationssystem mit einer wie vorstehend genannten
Pumpe sowie Verfahren zum Betreiben der Pumpe.
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Als mögliche Anwendungen der erfindungsgemäßen Mikropumpe
wird im Folgenden beispielhaft die Mikrodialyse und die Ultrafiltration
genannt, wobei sich eine Anwendung der Mikropumpe generell in dem
Bereich der medizinischen Diagnostik von besonderem Vorteil erweist.
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Das Prinzip der Mikrodialyse wird
im Folgendem anhand der Erkrankung Diabetes veranschaulicht, bei
der es einen vielversprechenden Ansatz zur kontinuierlichen Glucoseüberwachung
liefert.
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Gegenwärtig leiden über 140
Millionen Menschen weltweit an Diabetes. Schätzungen zufolge wächst die
Zahl an erkrankten Menschen in den nächsten 25 Jahren auf ca. 300
Millionen. Unzureichende Kontrollmaßnahmen des Blutglucosewertes der
an Diabetes erkrankten Menschen können über die Jahre hinweg zu Langzeitkomplikationen
führen. Dabei
können
z. B. Netzhauterkrankungen, die zur Erblindung führen, sowie Nieren-, Nervenkrankheiten oder
Erkrankungen der Herzkranzgefäße entstehen. Ein
anderes Risiko ist ein sogenannter hypoglykämischer Schockzustand bei zu
niedrigen Blutzuckerwerten, der insbesondere nachts tödlich verlaufen kann.
Gegenwärtig
werden Blutzuckerkontrollen mit Stechhilfen und Teststreifen durchgeführt. Nachteile sind
hier vor allem, dass starke Schwankungen des Blutzuckerspiegels
(z. B. Nahrungsaufnahme) wegen der zu seltenen Glucosewerterfassung
(ca. 1-4 Messwerte pro Tag) übersehen
werden können.
Aus den erwähnten
Gründen
strebt man bei Risikopatienten (z. B. bei insulinpflichtigen Diabetikern)
eine kontinuierliche Überwachung
des Blutzuckerspiegels an. Von großer Bedeutung ist dabei, dass
gefährliche
Zustände
schnell erkannt werden und Gegenmaßnahmen ergriffen werden können.
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Einen sehr vielversprechenden Ansatz
zur kontinuierlichen Glucoseüberwachung
basiert auf dem Prinzip der Mikrodialyse. Dabei diffundiert Glucose
aus der interstitiellen Flüssigkeit
durch eine Dialysemembran in eine Dialyselösung. Ein Katheter beinhaltet
die Membran und ist in das subcutane Fettgewebe des Patienten eingeführt. Stromabwärts des
Katheters befindet sich ein elektrochemischer Glucosesensor. Eine
ausreichend lange Verweilzeit der Dialyselösung innerhalb des Austauschbereichs der
Membran vorausgesetzt, passt sich die Glucosekonzentration in der
Dialyselösung
sehr gut an die Glucosekonzentration in der interstitielle Flüssigkeit an,
so dass die Glucosekonzentration genau bestimmt werden kann. Ein
derartiger Katheter wird üblicherweise
für einige
Tage benutzt, sodass wichtige Forderungen an eine Mikropumpe in
dem beispielhaft genannten Anwendungsgebiet gestellt werden. Einige
Anforderungen sind z. B. eine konstante Flussrate über einen
Zeitraum von mehreren Tagen, eine präzise und direkte Steuerung
der Mikropumpe, ein geringer Energieverbrauch, geringe Herstellungskosten
bei der Verwendung der Mikropumpe als Einwegprodukt sowie Sterilisierbarkeit,
um nur einige Anforderungen zu nennen.
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Im Stand der Technik sind miniaturisierte Pumpen
bekannt, z. B. Schlauchquetschpumpen, mit denen abhängig von
den verwendeten Schlauchdurchmessern Flussraten bis hinab zu etwa
100 nl/min erzielt werden können.
Im Focus der Entwicklung von miniaturisierten Pumpen steht im Stand
der Technik meistens eine möglichst
hohe Förderrate
bei minimalem Pumpenvolumen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass derartige
Pumpen bei Langzeitanwendungen im unterem Förderungsbereich nicht genügend zuverlässig arbeiten,
größere Schwankungen der
erzielten Flussraten kaum zu vermeiden sind und insbesondere eine
kostengünstige
Fertigung als Einwegprodukt eine enorme Hürde darstellt.
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Sowohl im Bereich der Mikrodialyse
als auch der Ultrafiltration sind weiterhin Anordnungen bekannt,
bei denen ein Unterdruck-Reservoir (beispielsweise eine aufgezogene
Spritze) über
eine Kapillardrosselstrecke mit einem Fluidsystem verbunden ist.
Nach teilig ist jedoch hierbei der nicht lineare Druckverlauf über die
Zeit, der nur über
einen ebenso nachteiligen großen
Volumenbedarf des Unterdruck-Reservoirs abgemildert werden kann.
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Eine weitere Anordnung zur Erzielung
kleiner Flussraten ist aus dem Dokument
EP-B 0 722 288 bekannt. Bei
dieser Anordnung wird eine in einem Kanal befindliche Flüssigkeit
mit einem Sorptionsmittel direkt in Kontakt gebracht. Ein solches
System weist typischerweise Flussraten im Bereich von wenigen Mikrolitern
pro Minute auf.
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Das Dokument
EP 0 568 024 offenbart eine Pumpe,
bei der Heizelemente außerhalb
einer Kapillare positioniert sind. Bei Aktivierung der Heizelemente
wird Flüssigkeit
im Kapillarende verdampft, so dass ein Pumpeffekt resultiert.
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Nachteil dieser Pumpe ist jedoch,
dass sich das Kapillarende durch den Heizvorgang erhitzt und nur
durch einen aufwendigen Temperaturregelmechanismus eine konstante
Flussrate gewährleistet werden
kann. Bei einer Veränderung
der Flussrate ist ebenfalls ein Temperaturregelmechanismus notwendig,
der die Flussrate durch Veränderung
der Temperatur der Heizelemente variiert. Weiterhin zeigt sich, dass
der Zusammenhang zwischen Temperatur und Flussrate nichtlinear und
materialabhängig
ist. Die Wärmeleitfähigkeit
sowie die Wärmekapazität von Flüssigkeit
und Kapillare sind dabei wesentliche Faktoren, die die Temperaturabhängigkeit
der Flussrate beeinflussen und eine präzise Regelung erschweren. Derartige
Temperaturregelmechanismen erlauben daher nur eine langsame Veränderung
der Flussgeschwindigkeit, da diese der Trägheit des Regelmechanismusses
unterliegt.
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Obwohl bereits mehrere Arten von
Mikropumpen existieren, erfüllen
die im Stand der Technik bekannten Pumpen oftmals nur mangelhaft
die genannten Anforderungen. Insbesondere erweist sich eine einfach
handhabbare, kostengünstige
und exakte Steuerung der Mikropumpen oftmals als problematisch.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, eine Mikropumpe sowie ein Verfahren zum Betreiben der Mikropumpe
bereitzustellen, die den genannten Anforderungen genügen, wobei
insbesondere eine einfach zu handhabende Steuerung der Flussrate
ermöglicht
werden soll.
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Die erfindungsgemäße Mikropumpe mit einem Heizelement
beinhaltet ein fluidisches Transportelement, welches mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden
werden kann und im angeschlossenen Zustand das Fluidreservoir mit
einem Verdampfungsbereich fluidisch verbindet. Das Heizelement ist
im Bereich eines Endes des fluidischen Transportelementes positioniert.
Die Pumpe beinhaltet weiterhin eine Steuereinheit zur Steuerung
des Heizelementes. Aufgrund der von der Steuereinheit ausgesendeten
Signale an das Heizelement befindet sich das Heizelement abwechselnd
für einen
Zeitraum T1 in einer Ruhephase und für einen Zeitraum T2 in einer Heizphase.
Ruhe- und Heizphase wechseln sich im wesentlichen periodisch ab,
sodass ein pulsierter Betrieb des Heizelementes erfolgt.
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Weiterhin ist eine Mikropumpe mit
den genannten Eigenschaften Gegenstand der Erfindung, bei der das
fluidische Transportelement mit einem Flüssigkeitsreservoir verbunden
ist, und das Transportelement mit Flüssigkeit gefüllt ist.
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Im Auslieferungszustand weist die
erfindungsgemäße Pumpe
vorzugsweise keinen direkten Kontakt der Flüssigkeit mit dem Transportelementende
auf, um einen unnötigen
Verbrauch von Flüssigkeit
durch eine Verdampfung der Flüssigkeit
bei Umgebungstemperatur zu vermeiden. Der Kontakt der Flüssigkeit
mit dem Transportelementende kann vom Benutzer beispielsweise durch
einen gezielten Druckstoß bei
Inbetriebnahme der Pumpe erzeugt werden. Durch gezieltes Heizen
des Transportelementendes kann nun dosiert Flüssigkeit verdampft werden.
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Die erfindungsgemäße Mikropumpe zeichnet sich
durch konstante, schnell einstell- und veränderbare Flussraten mit hoher
Reproduzierbarkeit aus.
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Weiterhin zeichnet sich die Mikropumpe
dadurch aus, dass sie einfach und kostengünstig herzustellen ist und
Vorzugsweise mit der Herstellung mikrofluidischer Systeme basierend
auf Planartechnologie (z. B. Mikrotechnik) kompatibel ist.
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Die Mikropumpe zeichnet sich darüber hinaus
durch die Kompatibilität
mit mehreren Sterilisationsverfahren, wie z. B. β-, γ-, Dampf- und ETD-Gas-Sterilisation,
aus.
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Durch den Verdampfungsprozess wird
Flüssigkeit
aus dem Transportelement entfernt, sodass eine gewünschte Pumpwirkung
durch nachströmende
Flüssigkeit
hervorgerufen wird.
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Unter dem Begriff Verdampfung ist
im Sinne der Erfindung sowohl eine Verdunstung der Flüssigkeit
unterhalb ihres Siedepunktes, als auch eine Verdampfung der Flüssigkeit
oberhalb ihres Siedepunktes gemeint.
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Die Pumpe kann beispielsweise zum
Transport einer Flüssigkeit
verwendet werden, die als Perfusionsflüssigkeiten im Rahmen einer
Mikrodialyse eingesetzt wird. Hierbei strömt die Perfusionsflüssigkeit
durch das Mikrodialysesystem, wobei ein zu bestimmender Analyt in
die Perfusionsflüssigkeit
aufgenommen wird und stromabwärts
von der Mikrodialysemembran vermessen wird. Bei Anwendung der Pumpe
im Gebiet der Ultrafiltration wird durch die Verdampfung einer Flüssigkeit
ein Unterdruck im fluidischen Transportelement erzeugt, der ein
weiteres Fluid aus der Umgebung in das fluidische Transportelement
hineinbefördert.
Bei der Ultrafiltration handelt es sich bei diesem weiteren Fluid
um interstitielle Flüssigkeit,
die durch eine Ultrafiltrationsmembran aus dem Körper des Patienten in den Kanal
eintritt. Beispielsweise wird die zu verdampfende Flüssigkeit an
die interstitielle Flüssigkeit
fluidisch angekoppelt, so dass ein Transport der interstitielle
Flüssigkeit
bewirkt wird. Die Fluide liegen dann im Fluidkanal segmentiert von
einander vor. Die fluidische Ankopplung kann beispielsweise durch
eine Luftblase oder eine mit beiden Flüssigkeiten nicht mischbare
Flüssigkeit, wie
z. B. in
EP 1 167 757 beschrieben,
ermöglicht werden.
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Im Rahmen der Erfindung können beliebige Flüssigkeiten
eingesetzt werden, bevorzugt werden jedoch wässrige Flüssigkeiten verwendet. Neben dem
Wasseranteil können
die wässrigen
Flüssigkeiten,
Stoffe oder Stoffgemische enthalten, die die Oberflächenspannung
und/oder Viskosität
beeinflussen, sodass die Flussrate der Flüssigkeit im fluidische Transportelement
beeinflusst wird. Vorzugsweise enthalten die Flüssigkeiten in einem Temperaturbereich,
in dem die Pumpe arbeitet, keine oder nur geringe Mengen unverdampfbare
Substanzen, wie z. B. Salze, da sich diese durch den Verdampfungsprozess
am Transportelementende anreichern und zu einer Verstopfung des
fluidischen Transportelementes führen
können.
Vorteilhafterweise werden daher als Flüssigkeiten nur vollständig verdampfbare
Komponenten, z. B. Alkohole, verwendet.
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Bei der erfindungsgemäßen Pumpe
befindet sich das Heizelement im Bereich des fluidischen Transportelementendes,
das an diesem Ende so beschaffen ist, dass verdampfte Flüssigkeit
aus dem Transportelementende austreten kann. Im Rahmen der Erfindung
ist der Bereich des fluidischen Transportelementendes dadurch begrenzt,
dass das Heizelement maximal nur soweit in das Innere des fluidischen
Transportelementes hineinragt, das beim Heizen und Verdampfen der
Flüssigkeit
im Wesentlichen keine Blasenbildung im Transportelement erfolgt,
die zum Herausschleudern von unverdampfter Flüssigkeit aus dem Transportelement
führen
kann. Es wird so gewährleistet,
dass nur verdampfte Flüssigkeit aus
dem Transportelement gelangt.
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Die erfindungsgemäße Mikropumpe zeichnet sich
dadurch aus, dass das Prinzip des gepulsten Betriebes eines Heizelementes
eine dosierte Verdampfung der Flüssigkeit
bewirkt, aus der ein für
die Anwendung genügend
kontinuierlicher Pumpeffekt resultiert, sodass eine einfache und
exakte Steuerung der Flussrate ermöglicht wird. Das Prinzip wird nachfolgend
kurz verdeutlicht.
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Zu Beginn befindet sich das Heizelement
in einer Ruhephase, T1. Hierbei ist das fluidische Transportelement
im Wesentlichen vollständig
mit der zu transportierenden Flüssigkeit
gefüllt.
Für einen Zeitraum,
T2, wird das Heizelement aktiviert, sodass sich in der Heizphase
das Ende des Transportelementes erhitzt. Durch die freigesetzte
Wärme wird Flüssigkeit
im Bereich des Transportelementendes verdampft. Die Menge der während T2
verdampften Flüssigkeit
ist vom Befüllungsgrad
des Kapillarendes am Heizelement, von der Dauer der Heizphase T2, von
der zugeführten
Wärmemenge
sowie vom Dampfpartialdruck der Flüssigkeit in der Atmosphäre abhängig. Während der
Heizphase T2 werden einzelne, diskrete Flüssigkeitsportionen durch Verdampfen
in die Gasphase überführt. Durch
Veränderung der
Parameter T1, T2 und/oder der Heizleistung lässt sich die mittlere freigesetzte
Wärme exakt
dosieren, so dass eine präzise
Steuerung der jeweils verdampfenden Flüssigkeitsmenge möglich ist.
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Die im Wesentlichen vollständig verdampfte Flüssigkeit
entweicht aus dem Transportelement. Aufgrund von z. B. Kapillarkräften im
Inneren des Transportelementes wird Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir
ins Transportelementende gezogen. Ist die Heizphase T2 abgeschlossen,
kann sich in der Ruhephase T1 das Transportelement wieder vollständig füllen. Es
ist jedoch auch denkbar, dass sich ein nicht vollständiges Füllen des
Transportelementes als sinnvoll erweist; hierauf wird im Folgenden
näher eingegangen.
Anschließend
wird erneut das Heizelement aktiviert, sodass wiederum eine definierte
Flüssigkeitsportion
verdampft wird. Werden die Heizimpulse sehr kurz hintereinander
an das Heizelement ausgesendet ( kleine T1-Zeiten), besteht nicht
hinreichend Zeit, um ein vollständiges
Auffüllen des
Transportelementes wieder zu gewährleisten. Ein
erneuter Heizimpuls kann folglich nur maximal die Flüssigkeitsmenge
verdampfen, die in der Ruhephase in das Transportelementende nachgeflossen ist.
Eine Veränderung
der Ruhephase, T1, und somit der Zeitspanne zwischen zwei aufeinanderfolgenden Verdampfungsvorgängen kann
folglich die Menge der verdampften Flüssigkeit beeinflussen. Hierbei
erfolgt der Einfluss durch die Regelung des Befüllungsgrades des Kapillarendes
bei Unterschreitung der Mindestzeit zur vollständigen Befüllung.
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Durch Steuerung der Heizphase und
der Ruhephasen ist somit eine direkte Beeinflussung des Verdampfungsprozesses
möglich.
Die Steuerung des Verdampfungsprozesses erfolgt hierbei in der Weise,
dass ein für
die Anwendung genügend
kontinuierlicher Flüssigkeitstransport
aus dem Flüssigkeitsreservoir
in das Transportelement resultiert, sodass sich eine gewünschte Flussrate
einstellt. Eine gewünschte
Flussrate wird demzufolge durch die Länge der Heizphase T2, der Ruhephase
T1 sowie der Heizleistung gesteuert.
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Im Rahmen der Erfindung zeichnet
sich folglich eine gepulste Betriebsart dadurch aus, dass diese
durch die genannten Parameter charakterisierbar ist und eine Kombination
der genannten Parameter einer jeweiligen verdampften Flüssigkeitsmenge
und somit einer Flussrate entspricht. Im Gegensatz zum Stand der
Technik, in dem sich das Heizelement aufgrund eines Temperaturregelmechanismus
ebenfalls in einer Ruhe- oder Heizphase befinden kann, wird jedoch
Ruhe- und Heizphase nicht wie im Stand der Technik durch einen a-periodischen
Temperaturregelmechanismus bestimmt, sondern dient zur direkten
Steuerung der Flussrate.
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Vorteilhaft erfolgt die gepulste
Betriebsart in der Weise, dass das Heizelement in weniger als 20
% der Betriebszeit der Pumpe aktiviert ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
ist mindestens einer der Parameter (T1, T2, Heizleistung) durch
die Steuereinheit der Mikropumpe veränderbar, sodass die Flussrate
mittels der Steuereinheit einstellbar ist. Die Steuereinheit kann
beispielsweise wiederum über
ein Programm selbst gesteuert werden, das z. B. einen cyclischen
Flussratenverlauf vorgibt, der einem entsprechenden Anwendungsgebiet angepasst
ist. Hierbei ist es z. B. denkbar, dass die Flussrate zum Aufnehmen
des Analyten in das Fluid cyclisch in einem vorbestimmten Zeitintervall
verlangsamt und wieder beschleunigt wird. Es ist jedoch auch denkbar,
dass der Benutzer der Mikropumpe selbst die Steuereinheit programmiert
bzw. die entsprechenden Parameter bei Bedarf verändert.
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Im Vergleich zu einem kontinuierlichen
Betrieb eines Heizelementes ist durch die beschriebenen Beziehungen
zwischen T1, T2 und der Heizleistung eine exakte Steuerung der Flussrate
möglich. Ein
Herabsetzen der Flussrate beispielsweise muss nicht durch eine Temperaturerniedrigung
von Heizelementen erfolgen, die häufig einen aufwendigen Regelkreislauf
zum Einstellen einer vorgegebenen Temperatur benötigen, sondern erfolgt durch
Modulation einen oder mehrere genannten Parameter (T1, T2, Heizleistung).
Eine Flussratenveränderung
ist folglich direkt und ohne durch regelmecha nismusbedingten Verzögerungen
steuerbar. Des weiteren verhindert der pulsierte Betrieb des Heizelementes
ein übermäßiges Aufheizen
des Transportelementes, da während
der Ruhephasen, T1, eine Abkühlung
erfolgt. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird die Ruhephase,
T1, so gewählt,
dass das Transportelement im Wesentlichen auf seine Umgebungstemperatur
abkühlt.
Dies unterstützt
eine präzise
Steuerung der Flussrate, da ein Aufheizen des Transportelementendes
bei kontinuierlichen Betrieb beispielsweise zu einer höheren unkontrollierten
Grundverdampfungsrate führt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform
wird, um ein übermäßiges Aufheizen
des Transportelementes zu vermeiden, zusätzlich die Heizphase T2 in Signalpulse
unterteilt. Dies bewirkt neben einer Präzisierung der erzeugten Wärmemenge
weiterhin ein energiesparsames Betreiben der Mikropumpe, das bei
batteriebetriebenen Pumpen von besonderem Vorteil ist. Der Abstand
der Pulse innerhalb der Heizphase wird hierbei so kurz gewählt, dass
nahezu kein Befüllen
des Transportelementendes durch nachfließende Flüssigkeit erfolgt, ohne dass
eine sofortige Verdampfung dieser resultiert. Im Rahmen der Erfindung
ist die Heizphase im Vergleich zur Ruhephase dadurch gekennzeichnet.
Erst während
der Ruhephase findet ein Nachfließen der Flüssigkeit in dem Maße statt,
dass das Transportelementende erneut mit Flüssigkeit gefüllt wird.
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Die Heizphase kann folglich durch
ein einziges Signal gesteuert werden oder, wie beschrieben, durch
mehrere hintereinander folgende, gepulste Signale. Für die erfindungsgemäße Mikropumpe
ist es dabei zunächst
nicht entscheidend auf welche Art das Heizen initiiert wird. Es
zeigt sich, dass eine Steuerung der Wärmemenge neben den bereits
genannten Möglichkeiten
durch eine Variation von Pulslängen
sowie von Abständen
zwischen Pulsen innerhalb der Heizphase eine verbesserte Steuerung
der Flussrate leistet.
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Zur Steuerung der Heiz- und Ruhephasen sind
prinzipiell alle möglichen
Kombinationen von im Wesentlichen periodisch abwechselnden Pulsen denkbar,
mit deren Hilfe eine konstante Flussrate eingestellt werden kann.
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Ein pulsierter Betrieb einer Mikropumpe kann
sowohl bei einer niedrigen Verdunstungsrate des Mikropumpensystems
bei Umgebungstemperatur erfolgen, sodass eine exakte Steuerung auch niedriger
Flussraten erleichtert wird. Es ist jedoch auch ein Betreiben bei
einer höheren
Verdunstungsrate denkbar, bei der die Pumpe aufgrund ihrer Verdunstungsrate
in der Ruhephase eine erhöhte
Flussrate besitzt, die durch die Verdunstung der Flüssigkeit
bei Umgebungstemperatur der Pumpe verursacht wird. Die Verdunstungsrate
der Flüssigkeit
einer Pumpe, die im Wesentlichen durch die Umgebungstemperatur verursacht
wird, wird im Rahmen der Erfindung als Basis- oder Grundflussrate
bezeichnet. Diese kann dann durch einen pulsierten Betrieb des Heizelementes
wiederum erhöht
werden. Ein Beispiel für
eine Mikropumpe mit einer hohen Verdunstungsrate ist z. B. in der
Patentanmeldung
EP 1 167 757 beschrieben.
Eine solche Pumpe besitzt den Vorteil, dass sie besonders energiearm
betrieben werden kann, da die Bereitstellung der Basisflussrate
bei genügender
Temperaturkonstanz der Umgebung keine zusätzliche Energiequelle benötigt.
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Grundsätzlich zeigt sich, dass für die Anwendung
der erfindungsgemäß pulsierten
Betriebsart einer Mikropumpe vielfältige Materialwahl, Materialkombination
sowie Pumpendesign denkbar sind, sodass die Anwendung auf kein spezifisches
Pumpenmodel mit einem Heizelement beschränkt ist. Hierbei wird der Energieverbrauch
der Mikropumpe durch eine pulsierte Betriebsart im Vergleich zu
einem kontinuierlichen Betrieb weiterhin verringert.
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Die Erfindung ermöglicht ein neues Prinzip einer
verdampfungsbasierten Mikropumpe für niedrige Flussraten. Die
erfindungsgemäße Mikropumpe besitzt
trotz ihrer Einfachheit eine hohe Zuverlässigkeit und niedrige Herstellungskosten.
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Die Abhängigkeit der erfindungsgemäßen Mikropumpe
von äußeren Einflüssen, wie
z. B. der Umgebungstemperatur oder der Luftfeuchtigkeit wird im
Vergleich zum Stand der Technik verbessert, wobei insbesondere bei
bevorzugten Ausführungsformen
mit einem Sorptionsmittel in einem abgeschlossenen Gasraum über dem
Kanal, aus dem das Fluid verdampft, eine Minimierung der äußeren Einflüsse gegeben
ist.
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Wie bereits oben erwähnt, ist
bei einer vorteilhaften Ausführungsform
einer Mikropumpe die Signallänge,
Heizleistung und/oder der zeitliche Abstand zwischen zwei Signalen
durch die Steuereinheit veränderbar.
Dabei ist sowohl die Veränderung einer
sowie mehrerer Größen denkbar.
Durch eine diskontinuierliche Steuerung des Heizelementes, bei der
z. B. Pulse während
der Heizphase durch die Steuereinheit variiert werden sowie deren
Abstände, ist
eine Unterteilung des verdampften Fluids in Inkremente zulässig, sodass
in einer bevorzugten Ausführungsform
eine digitalisierte Steuerung der Flussrate mittels der Steuereinheit
möglich
wird. Beispielsweise erfolgt dann die Steuerung durch elektrische
Signale der Steuereinheit. Bei einer bevorzugten Ausführungsform
werden die Signale der Steuereinheit an eine Widerstandsheizung
als Heizelement weitergeleitet. Es ist jedoch auch jegliche andere
Form eines Heizelementes denkbar. So kann z. B. eine geeignete Vorrichtung,
die die Flüssigkeit
mit Hilfe von elektromagnetischer Strahlung erwärmt, als Heizelement dienen.
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Unter fluidischen Transportelementen
im Sinne der Erfindung sind alle Strukturen zu verstehen, die einen
Transport von Flüssigkeit
ermöglichen.
Dies kann in einer bevorzugten Ausführungsform ein Kanal sein,
der beispielsweise so ausgebildet ist, dass ein Nachfließen zumindest
eines Teils des Fluids ins Kanalende durch Kapillarkräfte verursacht
wird. Es sind auch mehrere Kanäle
oder andere Transportelemente innerhalb einer Mikropumpe denkbar.
Beispielsweise können
derartige Transportelemente aus verdrillten oder parallelen Einzelfäden, die
Litzen bilden, gebildet werden. Eine solche Ausgestaltung des Transportelementes
erweist sich für höhere Flussraten
als besonders vorteilhaft, da hier in besonderem Maße eine
effektive Verdampfung der Flüssigkeit
erfolgen kann. Es sind jedoch auch eine Membran oder mikroporöse Strukturen,
durch die eine Verdampfung der Flüssigkeit ermöglicht wird, als
Transportelemente denkbar. Die genannten Transportelemente können hierbei
jeweils über
ein Heizelement oder mehrere Heizelemente verfügen. Hierbei kann auch ein
Heizelement für
mehrere Transportelemente dienlich sein. Bei einer derartigen Ausführungsform
kann durch die im Transportelement befindliche Flüssigkeit
die erzeugte Wärmemenge
weitergeleitet werden, sodass sich die Verwendung eines Heizelementes
für mehrere
Transportelemente als hinreichend erweist.
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Das oder die Heizelemente sind in
der Weise innerhalb des Bereiches des Transportelementendes positioniert,
dass sich das oder die Heizelemente z. B. innerhalb eines Kanalendes
befinden. Es ist jedoch auch möglich,
dass die Heizelemente außerhalb
des Transportelementendes, aber in direkter Nachbarschaft zu ihm
positioniert sind. Beispielsweise sei hier eine Ausführungsform
genannt, bei der das Heizelement an ein Kanalende angrenzt, sich
jedoch außerhalb
des Kanals befindet. Wird das Transportelement aus einer Membran
gebildet, kann diese beispielsweise aus einem mit porösem Material
gefüllten
Kanal bestehen, es ist jedoch auch eine Ausführungsform mit einer Membran
denkbar, wie sie beispielhaft in der Patentanmeldung
EP 1 167 757 beschrieben ist. Das
Transportelement kann vorzugsweise in sequentieller Weise mit einem
zweiten weiteren Transportelement fluidisch verbunden sein. Vorzugsweise
ist das zweite Transportelement wiederum mit einem zweiten Flüssigkeitsreservoir
verbunden, sodass innerhalb des ersten Transportelementes eine Mischung
der Flüssigkeiten
aus dem ersten und dem zweiten Flüssigkeitsreservoir erfolgt. Diese
Ausführungsform
ist besonders dann vorteilhaft, wenn die zu transportierende Flüssigkeit schlecht
zu ver dampfende Substanzen enthält,
sodass es zur Aufkonzentration und Ablagerung dieser Substanzen
am Transportelementende kommen kann. Eine Verdünnung der zu transportierenden Flüssigkeit
mittels eines zweiten Flüssigkeitsreservoirs
verhindert somit die Verstopfung des Transportelementes und gewährleistet
einen konstanten Flüssigkeitstransport über lange
Zeiträume.
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Das im Wesentlichen vollständig verdampfte Fluid
kann beispielsweise aus dem Transportelement in die Umgebung der
Mikropumpe entweichen. Vorteilhafterweise besteht jedoch auch die
Möglichkeit die
verdampfte Flüssigkeit
in einen Sorptionsbereich zu leiten, sodass die Umgebung oder wahlweise
der Sorptionsbereich mindestens einen Teil des Verdampfungsbereiches
der Pumpe darstellt.
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Der Sorptionsbereich ist dann außerhalb
des fluidischen Transportelementes angeordnet und enthält ein Sorptionsmittel.
Das Sorptionsmittel kann hierbei die verdampfte Flüssigkeit
aufnehmen, sodass die Flüssigkeit
im Wesentlichen vollständig
von dem Sorptionsmittel aufgefangen wird und der Dampfdruck im Verdampfungsbereich
im Wesentlichen konstant bleibt. Außer vom Dampfdruck des Verdampfungsbereiches
der Pumpe hängt
die Transportrate der Flüssigkeit. – wie bereits
oben erwähnt – von der
Temperatur ab, die wiederum unter anderem die Viskosität der Flüssigkeit
beeinflusst. Die Viskosität
der Flüssigkeit
sowie die Oberflächenspannung sinkt
mit steigender Temperatur. In entgegengesetzter Richtung wirkt eine
steigende Temperatur auf die Verdunstungsrate. Es ergibt sich folglich
ein komplexer Zusammenhang zwischen Flussrate und der Temperatur
der Umgebung der Mikropumpe, der zu Schwankungen in der Flussrate
führen
kann. Dies ist besonders bei Pumpen mit einer hohen Basisflussrate
der Fall, da die Basisflussrate eine direkte Abhängigkeit zu den Eigenschaften
der Umgebung hat. Durch geeignete Wahl des Sorptionsmittels kann
jedoch gewährleistet
werden, dass die Abhängigkeit von
den Umgebungsbedingungen gering ist, sodass durch die beschriebenen
bevorzugte Ausführungsform
Störeinflüsse im Wesentlichen
beseitigt werden.
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Ein Beispiel für eine Pumpe mit einem Sorptionsmittel,
bei der jedoch die Gesamtmenge der zu transportierenden Flüssigkeit
durch die Aufnahmekapazität
des Sorptionsmittels begrenzt ist, wird in der Patentanmeldung
EP 1 167 757 beschrieben.
Das Pumpenkonzept basiert auf dem kontrollierten Transport von Flüssigkeiten
durch eine Membran in einen Gasraum, in dem sich ein Sorptionsmittel
befindet. Solange es dem Sorptionsmittel in der Kammer gelingt,
dem Dampfdruck unter dem Sättigungs dampfdruck
zu halten, wird Flüssigkeit
aus der Membran in die Kammer verdunstet. Aufgrund der verdunsteten Flüssigkeit
wird kontinuierlich durch die Kapillarkräfte in der Membran Flüssigkeit
aus einem Flüssigkeitsreservoir
nachgeliefert. Eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer Mikropumpe
in Kombination mit einer analogen Anordnung eines Sorptionsbereiches ermöglicht neben
der verbesserten Steuerung der Flussrate die Abhängigkeit vom Dampfdruck zu
begünstigen.
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Der Begriff „Sorptionsmittel" soll sowohl Adsorbiermittel
als auch Absorbiermittel umfassen. Als Sorptionsmittel sind beispielsweise
Kieselgele, Molekularsiebe, Aluminiumoxide, Cellulite, Tone, Aktivkohle,
Natriumsulfat, Phosphorpentoxid usw. geeignet.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird
die Umgebungstemperatur der Mikropumpe z. B. in einem Mikrodialyse-
oder Ultrafiltrationssystem durch einen engen Kontakt zum menschlichen
Körper
weitgehend konstant gehalten. Hierbei ist ein direkter Kontakt des
Gehäuses,
in dem sich die Pumpe befindet, mit der Körperoberfläche von Vorteil, da somit eine
annähernd
konstante Umgebungstemperatur gewährleistet werden kann. Weiterhin
kann eine konstante Temperierung der Umgebung vorteilhafterweise
dadurch unterstützt
werden, dass die nicht an den Körper
anliegende Seite des Pumpensystems thermisch isoliert wird. Eine
Abhängigkeit
der Flussrate von störenden
Einflüssen
der Umgebung wird somit ebenfalls weitestgehend minimiert.
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Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung
ein Verfahren zum Betreiben einer Mikropumpe. Durch Aussenden eines
ersten Signals wird eine Heizphase initiiert, die eine Wärmeentwicklung
innerhalb eines fluidischen Transportelementes einer Mikropumpe
im Bereich des Transportelementendes hervorruft. In Abhängigkeit
des ausgesendeten Signals findet eine Heizphase für einen
definierten Zeitraum T2 statt. Aufgrund der erzeugten Wärmemenge
verdampft mindestens ein Teil einer Flüssigkeit, die sich im Inneren
des Transportelementes befindet. Die im Wesentlichen vollständig verdampfte
Flüssigkeit
entweicht aus dem Transportelement. Nach Abschluss der Heizphase
kühlt der
Bereich des Transportelementendes ab, wobei zumindest ein Teil der
Flüssigkeit
in das Transportelementende nachfließt. Nach einem bestimmten Zeitraum
T1 nach Aussenden des ersten Signals wird ein zweites Signal gesendet,
das eine erneute Heizphase initiiert. Erneut wird Flüssigkeit
aus dem Transportelement verdampft. Durch wiederholte Initiierung
von Heiz- und Ruhephase, wie beschrieben, fließt Flüssigkeit in der Weise in das Transportelementende
nach, dass sich eine bestimmte Flussrate einstellt.
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Vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens ergeben
sich wie bereits beschrieben.
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Die Erfindung beinhaltet weiterhin
ein Mikrodialyse- sowie ein Ultrafiltrationssystem mit einer Pumpe
wie beschrieben, wobei vorteilhafterweise das Mikrodialyse- oder
Ultrafiltrationssystem einen stromabwärts der Mikrodialyse- oder
Ultrafiltrationsmembran angeordneten Sensor zur Detektion eines oder
mehrerer Analyten in der Flüssigkeit
besitzt. Bei dem Ultrafiltrationssystem wird – wie bereits beschrieben – durch
die Membran Körperflüssigkeit
in einen Kanal eingezogen, sodass ein oder mehrere Analyten in der
Körperflüssigkeit
detektiert werden können.
Für eine
Mikrodialyse kann direkt Perfusat als zu verdampfende Flüssigkeit
eingesetzt werden, das durch einen Mikrodialysekatheter hindurchgeführt wird,
um Analyt aufzunehmen. Alternativ ist es möglich, eine Vielzahl von Flüssigkeiten,
wie z. B. eine Ringerlösung,
vorzusehen, bei denen eine fluidisch Ankopplung erfolgt. Hierbei
wird bei der Ultrafiltration der Verdampfungsprozess verwendet,
um einen Unterdruck im Kanal zu erzeugen, der Körperflüssigkeit in einen Ultrafiltrationskatheter
einzieht.
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Die vorliegende Erfindung wird anhand
von Figuren näher
erläutert.
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1:
Mikropumpe mit Heizelement
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2:
Mikropumpe mit hoher Grundverdampfungsrate und Sorptionsbereich
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3:
Pulsabfolgen während
einer Heiz- und Ruhephase
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4:
Schaltbild eines Pulsgenerators
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1 zeigt
den Aufbau einer Mikropumpe. Kern der Pumpe ist eine Stahllitze
(
1), welche sich in einem Messingmantel (
2) befindet.
Das Heizelement (
3) wird von einem gewickelten Konstantandraht,
der sich am Ende der Litze (
1) befindet, gebildet. Der
Widerstand des Konstantandrahtes ist im Wesentlichen temperaturunabhängig, sodass
für die
Leistung (P) des Heizelementes gilt:
, wobei gilt: U = Spannung
und R = Widerstand
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Für
die gebildete Wärmemenge
(Q gilt dabei in guter Näherung: Q = P·t, wobei
t die Zeitdauer ist, für
die der Widerstand vom Strom durchflossen wird.
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Über
die Steuerung der anliegenden Spannung bei ausgewählter Zeitdauer
ist somit die gebildete Wärmemenge
bestimmbar. Die gebildete Wärmemenge
(Q) ist wiederum direkt proportional zum Volumen (V) des verdampften
Fluids. V = K·Q
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Hierbei wird die Proportionalitätskonstante (K)
durch die fluidspezifische Wärmemenge
bestimmt, die notwendig ist, um das Fluid, ausgehend von der Temperatur
des Fluids in der Ruhephase, zu verdampfen.
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Die Flussrate (V) ist somit direkt
proportioniert zur Heizleistung V = K·P
-
Die Stahllitze (1) bildet
das fluidische Transportelement mit einem Querschnitt von ca. 100 μm. Die Heizung
(3) ist mit elektrischen Anschlüssen (4) verbunden.
Am anderen Ende der Stahllitze ist das fluidische Transportelement
mit einem Flüssigkeitsreservoir
(5) über
einen Kanal verbunden. Die fluidische Verbindung wird mittels eines
geeigneten Klebers, wie z. B. eines Epoxydharzes (6) abgedichtet. Im
Transportelement (1) befindet sich die zu transportierende
Flüssigkeit
(7) durch Aktivieren des Heizelementes (3) mittels
eines elektrischen Signals findet ein Verdampfen der Flüssigkeit
statt, welches in der 1 durch
Dampf (8) schematisch dargestellt ist. Hieraus resultiert
eine Pumpwirkung, sodass sich eine Flussrate in Abhängigkeit
der gebildeten Wärmemenge
einstellt. Mit der dargestellten Mikropumpe können z. B. Flussraten zwischen
1 bis 1000 nl/min erzielt werden.
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2 zeigt
eine Mikropumpe, bei der das fluidische Transportelement durch eine
Membran (10) gebildet wird. Die Membran (10) steht
mit einem Fluidreservoir (5) in Verbindung. An der Membran
(10) sind zwei Heizelemente (3) positioniert.
Beim Aktivieren der Heizelemente wird die gebildete Wärme an den
Heizelementen mittels der zu transportierenden Flüssigkeit
(7) innerhalb der Membran weitergeleitet. Es findet ein
gleichmäßiges Verdampfen
der Flüssigkeit
aus der Membran in einen Sorptionsbereich (14) statt. Im
Sorptionsbereich befindet sich ein Sorptionsmittel (15)
das die verdampfte Flüssigkeit
absorbiert. Der Sorptionsbereich (14) wird durch das Pumpengehäuse (16)
eingeschlossen. Mittels der dargestellten Anordnung einer Mikropumpe
ist es möglich, die
Funktionsweise der Pumpe im wesentlichen unabhängig von Eigenschaften der
Umgebung, wie z. B. der Luftfeuchtigkeit, zu gewährleisten. Aufgrund des Kapillar effektes
der Membranstruktur und des Sorptionsmittels, das einen konstanten
Dampfdruck im Sorptionsbereich gewährleistet, wird eine Pumpwirkung
auch ohne zusätzliches
Heizen erzielt, sodass eine Basis- oder Grundflussrate bewirkt wird. Die
dargestellte Anordnung ermöglicht
somit eine gezielte Steuerung einer Flussrate, die größer ist
als die Basis- oder Grundflussrate der Mikropumpe.
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3a und 3b zeigen beispielhaft eine
Pulsfolge mit drei Pulsen (31), die jeweils während der Heizphase
T2 (30), durch einen Strom I gebildet werden. Nach der
Heizphase (30) wird der Stromfluss unterbrochen, sodass
die Heizleistung in der Ruhephase T1 (33) gleich null ist.
Die Heizleistung während
der Heizphase ist im gezeigten Beispiel konstant. 3a unterscheidet sich zu 3b aufgrund einer reduzierten Heizleistung
während
der Heizphase. Die Länge
der Heiz- und Ruhephasen sind in 3a und 3b identisch. Eine Verringerung
der Heizleistung führt
unter den dargestellten Bedingungen zu einer Reduzierung der gebildeten
Wärmemenge, sodass
eine erniedrigte Flussrate im Vergleich zu 3a resultiert.
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3c zeigt
beispielhaft eine Pulsabfolge während
einer Heiz- und Ruhephase, wobei die Heizphase T2 (30)
in drei gleich lange Pulse (31) unterteilt wird bei identischer
Leistung. Die Pulse (31) werden durch Pulspausen (32)
für eine
Zeitdauer, t, unterbrochen. Die Zeitdauer der Pulspause sowie der
Pulse ist dabei identisch gewählt.
Nach dem letzten Heizpuls beginnt die Ruhephase T1 (33).
Die Ruhephase wird unterbrochen durch eine Pulskombination von 3 kurzen
Heizpulsen (34), wobei die Pulspausen zwischen den Heizpulsen
(34) deutlich länger
als die Zeitdauer der Pulse ist. Es folgt erneut eine Ruhephase
(33) sowie eine Heizphase (30).
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Aufgrund der Heizphase (30)
findet eine definierte Wärmeentwicklung
im Transportelement statt. Durch die Wahl der kurz hintereinander
folgenden Pulse kann die entwickelte Wärmemenge präzise gesteuert werden, ohne
dass ein übermäßiges Aufheizen
des Transportelementendes erfolgt. In Folge der Wärmeentwicklung
verdampft die im Transportelement vorhandene Flüssigkeit. Hierbei erfolgt während der
Heizphase kein erneutes Befüllen
des Transportelementendes. Erst während der Ruhephase (33)
kommt es erneut zur Befüllung
des Transportelementende, wobei Flüssigkeit aus einem Flüssigkeitsreservoir
in das Transportelementende nachfließt. Die Heizpulse (34)
dienen dazu, eine konstante Pumpenleistung zu gewährleisten,
ohne dass es zum Einbruch der Flussrate während der Ruhephasen kommt.
Des weiteren vermeiden die Heizpulse (34) Schwankungen
der Flussrate, die bei zu lang gewählten Ruhephasen auftreten
können.
Dies ist durch eine gewisse Trägheit
des Systems begründet,
da das Nachfließen
der ver dampften Flüssigkeit
erst einige Zeit nach Ende eines Heizimpulses einsetzt. Das Einfügen eines
leistungsärmeren
Heizblockes, wie es durch die Heizpulse (34) dargestellt
ist, ermöglicht
folglich eine konstante Flussrate bei minimalem Energieverbrauch.
Nach einer wiederholten Ruhephase (33) setzt erneut die
Heizphase (30) ein.
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Die dargestellten Pulsabfolgen sollen
nur ein Beispiel von vielen Möglichkeiten
veranschaulichen. Die beschriebene Kombination der Pulse sowie andere
Varianten lassen sich dabei leicht in einer entsprechenden Elektronik
in der Steuereinheit der Mikropumpe umsetzen.
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4 zeigt
vereinfacht ein Blockschaltbild, welches beispielhaft zur Steuerung
der Heizung verwendet wird. Der Pultsgenerator beinhaltet einen
Mikroprozessor (40), der mit einem Digital/Analog-Wandler
(41) über
eine Leistungsendstufe (42) mit einem Heizelement (44)
kontaktiert wird.
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Mittels eines Netzteils (43)
wird der Pulsgenerator mit Strom gespeist. Zur Erzeugung einer Pulsfolge,
wie in 4 b dargestellt,
wird der programmierbare Mikroprozessor in einer für ihn passenden
und vom Hersteller bereitgestellten Programmiersprache programmiert.
Anhand der schematisch dargestellten Pulsfolge werden nachfolgend
die einzelnen Programmierschritte näher erläutert. Hierbei erfolgen die
Programmierschritte jeweils mit einer Pause, ohne dass in der Beschreibung
dieses jeweils dargestellt wird.
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Zuerst wird ein Startbefehl für den Ablauf
des Programmes gegeben
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- – Der
Mikroprozessor übermittelt
dann einen Spannungswert, der der Leistung während des ersten Pulses entspricht
sowie
- – die
Zeitdauer des ersten Pulses, sodass analog zu 3 ein Puls (31) definiert wird.
Anschließend
wird
- – ein
Spannungswert, der der Leistung während der ersten Pulspause
entspricht sowie
- – die
Zeitdauer der ersten Pulspause bestimmt und übermittelt.
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Zur n-fachen Wiederholung des Pulses
wird ein Rekursionsbefehl mittels der genannten Schritte definiert.
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Die dargestellten Programmierschritte
ergeben somit eine erste Heizphase (30), wie sie bereits in 3c verbildlicht wurde.
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Anschließend wird
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- – ein
Spannungswert, der der Leistung während einer ersten langen Pause
entspricht übermittelt sowie
- – die
Zeitdauer einer ersten langen Pause, sodass es zur Ausbildung einer
Ruhephase (33) kommt.
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Zur periodischen Wiederholung von
Heiz- und Ruhephase wird wiederum ein Rekursionsbefehl durch die
dargestellten Schritte charakterisiert.
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Soll die Mikropumpe nicht weiter
betrieben werden, erfolgt ein Stopbefehl zum Anhalten des Programmablaufs,
sodass im Wesentlichen keine Pumpenwirkung oder im Falle einer Mikropumpe
mit hoher Verdampfungsrate (s. 2)
die entsprechende Basisflussrate wieder erzielt wird.
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Die gemäß der obigen Anweisung vom
Mikroprozessor generierte digitale Datenreihe wird vom D/A-Wandler
in eine analoge Zeit/Spannungskurve umgesetzt. Diese Zeit/Spannungskurve
entspricht der Pulsfolge, wie in 4b dargestellt.
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In der Leistungsendstufe, die ihre
Leistung vom Netzteil bezieht, wird die Pulsfolge verstärkt und als
Heizstrom durch das Heizelement geleitet.
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Die dargestellte Pulsfolge ist beispielhaft
zu verstehen. Prinzipiell können
z. B. auch komplexere Pulsfolgen gemäß dem oben angegebenen Prinzip programmiert
und generiert werden. Ebenso ist es möglich, durch Rückkopplung über einen
Messfühler zur
Erfassung einer Temperatur oder einer Strömungsgeschwindigkeit eine Regelung
der Flussrate zu erreichen. Hierbei kann eine Regelung der Flussrate
z. B. dadurch erfolgen, dass Einfluss auf die Länge von Pulsen oder Pausen
oder auf die Leistungsabgabe genommen wird: Eine derartige Regelung der
Flussrate kann dann unter anderem auch mittels einer a-periodischen
Pulsfolge bewirkt werden.
