DE10201027C1 - Flüssigkeitspumpe - Google Patents

Abstract

Flüssigkeitspumpe (1) aus einem eine Pumpenkammer (10) umschließenden Pumpengehäuse (11) mit in der Pumpenkammer (10) einen Kolben (20) bewegenden Piezostellelementen (21, 22) und derart angebrachten Einlassventilen (12, 13) und Auslassventilen (14, 15), dass die Flüssigkeitspumpe (1) bei jeder Bewegung des Kolbens (20) einen Pumpeffekt durchführt, wobei die Piezostellelemente (21, 22) quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (20) mit Verstärkerrahmen (21a, 22a) zur Umsetzung des Hubs der Piezostellelemente (21, 22) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Flüssigkeitspumpe aus einem eine Pumpen­ kammer umschließenden Pumpengehäuse mit in der Pumpenkammer einen Kolben bewegenden Piezostellelementen und derart angebrachten Einlassventilen und Auslassventilen, dass die Flüssigkeitspumpe bei jeder Bewegung des Kolbens einen Pumpeffekt durchführt.

Bei konventionellen Flüssigkeitspumpen mit Piezostellelementen wird die Pump­ wirkung dadurch erzielt, dass die Pumpenkammer mit jedem Hub des Piezostell­ elements verkleinert wird und der dadurch entstehende Druck die Flüssigkeit transportiert.

So ist aus DE 33 20 443 A1 eine Flüssigkeitspumpe bekannt, bei der das mit Einlass- und Auslassventilen versehene Pumpengehäuse partiell aus einem schalenförmig vorgespannten piezoelektrischen Element besteht, welches sich beim Anlegen einer Spannung derart verformt, dass das Volumen der Pumpenkammer verkleinert wird, wodurch der Pumpeffekt erzielt wird.

Bei einer Flüssigkeitspumpe gemäß DE 87 04 314 U1 drückt ein Piezostellelement extern auf eine mit einer flexiblen Pumpenmembran ausgestattete Pumpenkam­ mer, wodurch ebenfalls deren Volumen bei jedem Hub des Piezostellelements verkleinert wird, wodurch die Flüssigkeit herausgepresst, also gepumpt wird.

Nachteilig wirkt sich bei derartigen Pumpsystemen aber das relativ kleine Verdrängervolumen der Pumpenkammer aus, so dass diese üblicherweise nur in Mikrosystemen angewendet werden. Die installierte Pumpleistung kann hierbei direkt auf ein notwendiges Piezovolumen umgerechnet werden. Um eine leistungsfähige Pumpe zu erhalten, muss somit entweder das Piezovolumen oder die Betriebsfrequenz erhöht werden. Beide Ansätze sind jedoch destruktiv, da zum einen ein erhöhter Piezoanteil die Kosten und das Gewicht in die Höhe treibt und zum anderen die Frequenz nicht beliebig erhöht werden kann.

DE 39 10 331 A1 offenbart eine Anordnung mit Flüssigkeitspumpe aus einem eine Pumpenkammer umschließenden Pumpengehäuäse mit derart angebrachten Einlass- und Auslaßventilen, dass die Pumpe bei jeder Bewegung des Kolbens einen Pumpeffekt durchführt. Der Kolben wird dabei durch zwei Erregerspulen direkt bewegt.

Aus JP 5164052 A und JP 11182421 A gehen Pumpen als bekannt hervor, bei denen Piezostellelemente anstelle eines elektromagnetischen Antriebs zur Bewe­ gung eines Kolbens eingesetzt werden.

Nachteilig bei Pumpen gemäß DE 39 10 331 A1 wirkt sich aus, dass ein elektromagnetischer Antrieb viel Energie bei geringer Pumpleistung benötigt und auch beim Einsatz von Piezostellelementen als Antrieb die Pumpleistung proportional zum Piezovolumen bleibt, wodurch die Kosten und Gewichtsproble­ matik nicht behoben werden kann.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flüssigkeitspumpe bereitzustellen, welche trotz geringem Piezovolumen eine große Pumpleistung realisiert.

Die Aufgabe wird bei einer Flüssigkeitspumpe der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Piezostellelemente quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens mit Verstärkerrahmen zur Umsetzung des Hubs der Piezostellelemente angeordnet sind.

Derartige Verstärker- bzw. Umsetzungsrahmen verändern die Bewegungsrichtung des Hubs. Außerdem wird die Bewegung mit hoher Kraft und geringem Hub, welche ein Piezostellelement auszeichnet, umgewandelt in eine Bewegung mit geringerer Kraft, dafür aber höherem Hub. Dies ist besonders bei Flüssigkeits­ pumpen von Vorteil, da hier auch eine reduzierte Kraft zum Pumpen ausreicht, der höhere Hub aber direkt die Pumpleistung vergrößert.

Hierdurch besitzt die erfindungsgemäße Flüssigkeitspumpe eine höhere Lei­ stungsdichte als konventionelle Flüssigkeitspumpen mit Piezoantrieb.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Piezostellelemente in Gegenspie­ leranordnung platziert. Die so differentiell arbeitetenden Piezostellelemente werden dabei über das Pumpengehäuse und den jeweiligen Gegenspieler vorge­ spannt. Hierdurch wird verhindert, dass die Piezostellelemente auf Zugbelastung beansprucht werden, was zu einer Verringerung der Belastung dieser Bauteile führt.

Die Frequenz der Piezostellelemente kann an die Fördermenge angepasst werden. Bevorzugt werden die Piezostellelemente aber in ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Eine Anpassung an die jeweils gewünschte Fördermenge kann hier über die Größe des Kolbens oder über den Hub der Piezostellelemente gewähr­ leistet werden. Der Resonanzbetrieb der Piezostellelemente gewährleistet eine höhere Energiekopplung, womit das notwendige Piezovolumen reduziert werden kann.

Die Ventile, welche den Fluss in und aus der Pumpenkammer regulieren, können aktiv in Abhängigkeit von der Frequenz der Piezostellelemente gesteuert werden, bevorzugt sind die Ein- und Auslassventile aber passive Ventile. Insbesondere bevorzugt handelt es sich um Feder-Masse-Schwinger. Bei diesen ist das Verhältnis der Federkonstante zur Masse auf die Frequenz der Piezostellelemente abgestimmt. Außerdem reagieren die Ventile auf die unterschiedlichen Druckver­ hältnisse in der Flüssigkeit und öffnen und schließen dabei selbstständig. Außerdem ist die hierfür vom Ventil benötigte Öffnungs- und Schließzeit auf die Frequenz der Pumpe angepasst.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.

Es zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Flüssigkeits­ pumpe mit Piezostellelementen, deren Hub mittels achtseitigen Verstär­ kungsrahmen umgesetzt werden.

Bei der in Fig. 1 gezeigten Flüssigkeitspumpe 1 wird die Pumpenkammer 10 durch das Pumpengehäuse 11 begrenzt. Dieses kann zur Erhöhung der Eigensteifigkeit und zur Verbesserung der Wärmeabführung äußere Rippen enthalten, welche allerdings nicht eingezeichnet sind. Die Pumpenkammer wird durch den Kolben 20 in zwei Teilkammern geteilt. Diese Teilkammern besitzen jeweils einen Zufluss mit einem Einlassventil 12, 13 und jeweils einen Ausfluss mit einem Auslassventil 14, 15.

Der Kolben, welcher mittels konventioneller Mittel gegen das Pumpengehäuse abgedichtet ist, wird durch ein erstes und zweites Piezostellelement 21, 22 derart bewegt, dass eine Teilkammer vergrößert wird, während die andere Teilkammer gleichzeitig im Volumen verkleinert wird. So vergrößert sich beispielsweise die linke Teilkammer, wenn der Kolben in der Figur nach rechts bewegt wird. Hierbei ist das Einlassventil 12 geöffnet und das Auslassventil 14 geschlossen, während das Einlassventil 13 geschlossen und das Auslassventil 15 geöffnet ist. Somit wird Flüssigkeit in die linke Teilkammer gesaugt, während durch die Kompression in der rechten Teilkammer und durch die Ventilstellung die dort enthaltene Flüssig­ keit herausgedrückt, also gepumpt wird. Bei einer umgekehrten Bewegung des Kolbens 20 werden die offenen Ventile geschlossen und die geschlossenen Ventile geöffnet, wodurch die zuerst in die linke Teilkammer gesaugte Flüssigkeit nun herausgepumpt wird, während sich die rechte Teilkammer wieder füllt. Die verschiedenenen Zugangsleitungen können dabei von einer Zentralleitung ver­ sorgt werden, genauso, wie die gepumpte Flüssigkeit in einer Gesamtleitung vereinigt werden kann. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch jede Bewegung des Kolbens 20 ein Pumpvorgang durchgeführt wird.

Die Bewegung des Kolbens 20 in der Pumpenkammer 10 wird durch ein erstes Piezostellelement 21 und ein zweites Piezostellelement 22 gewährleistet. Dabei sind die Piezostellelemente 21, 22 mit ihrem Hub quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 20 eingebaut. Die Umsetzung der Bewegungsrichtung erfolgt dabei über einen ersten und einen zweiten Verstärkungsrahmen 21a, 22a. Derartige Verstär­ kungsrahmen bestehen beispielsweise aus massiven Rahmenteilen, die ein Achteck bilden, bei denen an zwei gegenüberliegenden Seiten die Kraft des Piezostellelements angreift, wobei die Rahmenteile an den Ecken des Achtecks über Biegeelemente flexibel ausgestaltet sind.

Eine Hubbewegung des ersten Piezostellelements 21 bewirkt dabei eine Streckung des Rahmens in Richtung des Hubs und somit eine Zugbewegung am Kolben 20, wodurch der zweite Verstärkungsrahmen 22a entlang der Bewegungs­ richtung des Kolbens 20 gedehnt und das zweite Piezostellelement 22 gestaucht wird. Auf diese Weise sind die Piezostellelemente 21, 22 vorgespannt und werden bei der Rückbewegung nicht auf Zug belastet. Bei den Einlassventilen 12, 13 und den Auslassventilen 14, 15 handelt es sich um passive Ventile, nach dem Feder- Masse-Prinzip. Hierbei ist das Verschlussteil des Ventils (nicht dargestellt) an eine mit einer charakteristischen Frequenz schwingende Feder-Masse-Komponente gekoppelt. Diese Frequenz ist dabei auf die Frequenz der Piezostellelemente abgestimmt, so dass möglichst geringe Schalt- bzw. Öffnungs- oder Schließzeiten entstehen.

Claims (5)

1. Flüssigkeitspumpe (1) aus einem eine Pumpenkammer (10) umschließenden Pumpengehäuse (11) mit in der Pumpenkammer (10) einen Kolben (20) bewegenden Piezostellelementen (21, 22) und derart angebrachten Einlass­ ventilen (12, 13) und Auslassventilen (14, 15), dass die Flüssigkeitspumpe (1) bei jeder Bewegung des Kolbens (20) einen Pumpeffekt durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21, 22) quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (20) mit Verstärkerrahmen (21a, 22a) zur Umsetzung des Hubs der Piezostellemente (21, 22) angeordnet sind.

2. Flüssigkeitspumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21, 22) in einer Gegenspieleranordnung platziert sind und über das Pumpengehäuse (11) vorgespannt sind.

3. Flüssigkeitspumpe (1) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21, 22) in ihrer Resonanzfrequenz schwingen.

4. Flüssigkeitspumpe (1) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (12, 13) und Auslassventile (14, 15) passive Ventile sind.

5. Flüssigkeitspumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Ventile auf die Frequenz der Piezostellelemente (21, 22) abgestimmte Feder-Masse-Schwinger sind.