Dampbellen

Sandia National Laboratories uit Albuquerque kwam eind vorig jaar met een micro-stoommachine. Het apparaat bestaat uit een cilinder met vloeistof waarin een zuigertje met een omtrek van 2 bij 6 micron beweegt. Het werkt eenvoudig. Een verwarmingselementje in de cilinder zorgt voor een dampbel en die drukt het zuigertje weg. Bij afkoeling duwt een veertje alles weer op zijn plaats. Sandia meldt dat het mechaniekje 'het gebruik van micromechanische werktuigen gunstig zal beïnvloeden'.

Toch stelt het gevalletje weinig voor, want in tegenstelling tot zijn voorlopers uit de vorige eeuw drijft het niets aan. Sandia deed weinig meer dan een bewezen mechanisme verpakken in een voor leken aansprekende microvibrator. Wie de microstoomtechniek bestudeert ontdekt dat hier geen nieuws onder de zon is. Duwen met dampbelletjes wordt al jaren toegepast in inkjetprinters. Laat bij het stoommachientje de zuiger weg, zorg voor een constante inktaanvoer, en je hebt een inkjet.

Expanderende dampbellen zijn krachtig. Redwood Microsystems, een bedrijf in het Silicon Valley-stadje Menlo Park, gebruikt ze als sluitingsmechanisme in een mini-gaskraan. Het instrumentje is fluistor gedoopt, een samentrekking van fluid en transistor. In de fluistor wekt een verwarmingsspiraal in een afgesloten kamer een expanderende dampbel op. Een van de wanden in dit mini-expansievat bestaat uit een flexibel membraan van eenkristallijn silicium en dit bolt op bij drukopbouw. Met dit vlies kan de doorstroom van gas door een opening nauwkeurig worden geregeld. De sluitkracht is niet gering. De fluistor weerstaat drukken tot 7 Bar.

Redwood verkondigt dat gassen met de fluistor 10.000 maal nauwkeuriger kunnen worden gedoseerd dan met de huidige solenoïd-kleppen die werken op basis van een elektromagnetisch sluitingsprincipes. Mark Zdeblick, chief technical officer van Redwood claimt dat zijn fluistors veel robuuster zijn dan solenoïdkleppen die last kunnen hebben van wrijving, slijtage en na-ijleffecten. De fluistor kan gassen met een nauwkeurigheid van 0,1 procent over een temperatuurbereik van 0 tot 55° C doseren.

Behalve voor dosering van brandstof en chemicaliën worden gaskleppen binnen de industrie veel gebruikt voor de aansturing van zuignappen voor het verplaatsen van produkten. In een halfgeleiderfabriek worden silicium-wafels bijvoorbeeld met zuignappen gemanipuleerd en sommige spuitgietmachines gebruiken dit principe om er automatisch kunststofprodukten mee uit matrijzen te nemen.

Enkele maanden geleden besloten het Lawrence Livermore National Laboratory en Redwood om de fluistor gezamenlijk verder te ontwikkelen. Ze willen onder meer de sluitsnelheid verbeteren, want damp-kleppen zijn trager dan magneetkleppen. Men reserveert hiervoor 7 miljoen dollar.

Heb je eenmaal een opbollend membraan, dan heb je ook de krachtbron voor een pompje. Dit kan worden gebruikt om vloeistof mee aan te zuigen en weg te duwen. Het bewegende membraan maakt dan onderdeel uit van een kamer waarop twee éénweg-kleppen (een in- en uitstroomopening) uitkomen. Door de ene klep kan vloeistof naar buiten stromen als het membraan opbolt. Door de andere stroomt massa naar binnen als het membraan weer in rusttoestand terugkeert.

Op deze manier werkt ook de minipomp van ingenieursbureau Twente Technology Transfer BV (3T) en de Universiteit Twente (UT) die wordt geperfectioneerd met een opwarmbare gaskamer als krachtbron. De belangstelling voor zulke micropompen neemt sterk toe.

Op de universiteit van Californië in Berkeley werkt men intussen aan een heel nieuw concept. Het gaat om pompen waarbij dampbellen door kleine buisjes vloeistoffen voortduwen. Het microbellenblazen gebeurt op warmte-elementjes in met vloeistof gevulde buisjes.

Bellen-enthousiast Albert Pisano van het Berkeley Sensor en Actuator Center: “Dampbellen zijn te vormen en nauwkeurig op dezelfde grootte te houden. Met optische metingen zien we geen oscillaties, en dat betekent dat de variatie in diameter minder dan een halve micron is. Doordat we de dampbellen gemakkelijk van warmplaatje naar warmplaatje kunnen laten springen kunnen we er vloeistoffen mee door pijpjes voortduwen.”

Dit alles is te danken aan de oppervlaktespanning. Die manifesteert zich, net als statische elektriciteit, op micro-schaal als een relatief grote kracht. Een dampbel met een doorsnede van enkele duizendsten millimeters in een micronkanaaltje is net zo functioneel als de zuiger van een injectiespuit.