DE102005005051A1

DE102005005051A1 - Pumpe mit Piezoantrieb

Info

Publication number: DE102005005051A1
Application number: DE200510005051
Authority: DE
Inventors: Willi Dipl.-Ing. Hempelmann
Original assignee: MICRO MECHATRONIC TECHNOLOGIES; MICRO MECHATRONIC TECHNOLOGIES AG
Current assignee: MICRO MECHATRONIC TECHNOLOGIES; MICRO MECHATRONIC TECHNOLOGIES AG
Priority date: 2005-02-03
Filing date: 2005-02-03
Publication date: 2006-08-10
Also published as: EP1705373A1

Abstract

Pumpe mit Piezoantrieb, umfassend zwei an den Enden einer Verbindungsstange (1) angebrachte Kolben (2a, 2b), die jeweils in einem Zylinder (3a, 3b) geführt und mit einer Rollmembran (5a, 5b) verbunden sind, die zwischen Kolbenumfang und Zylinderinnenwand abrollbar ist, wobei zumindest ein Piezo-Motor (11) die starr miteinander verbundenen Kolben antreibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit Piezoantrieb, die bei einem kostengünstigen Aufbau eine hochgenaue Dosierung des zu pumpenden Mediums ermöglicht.
Dies wird durch eine Pumpe nach dem Anspruch 1 erreicht, wobei durch die Rollmembran an den Kolben eine Trennung des zu pumpenden Mediums von der Atmosphäre erreicht wird, sodass das zu pumpende Medium von der umgebenden Atmosphäre nicht kontaminiert werden kann. Bei kleinen Abmessungen der selbstansaugenden Pumpe können große Fördermengen und relativ hohe Drücke erreicht werden, sodass sich ein weites Anwendungsfeld bei einem sehr guten Wirkungsgrad ergibt.
Die Erfindung wird beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 in einer perspektivischen Ansicht den Aufbau der Pumpe mit nur einem Teil des Gehäuses,
2 eine Ansicht der einander gegenüberliegenden Kolben mit Antrieb,
3 eine perspektivische Ansicht eines Kolbens mit ausgefahrener Rollmembran,
4 eine perspektivische Ansicht des Kolbens mit eingerollter Rollmembran,
5 eine Ansicht der Verbindungsstange zwischen den Kolben, und
6 in einer Schnittansicht und in einer Draufsicht den Ventilaufbau.
1 und 2 zeigen zwei an den Enden einer Verbindungsstange 1 starr befestigte Kolben 2a und 2b, die jeweils im einem hülsenförmigen Zylinder 3a und 3b geführt sind, die in einem in 1 wiedergegebenen Gehäuseteil 4 montiert sind. An den äußeren Enden der Zylinder 3a, 3b ist jeweils eine schlauchförmige Rollmembran 5a, 5b auf dem Umfang an einer Scheibe 6a, 6b befestigt. Das gegenüberliegende Ende der schlauchförmigen Rollmembran ist am zugeordneten Kolben auf dessen Umfang befestigt, wie dies 3 zeigt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der nach innen gebogene Rand der Rollmembran inzwischen dem scheibenförmigen Kolben 2a und einem Kolbenkörper 2c fluiddicht eingeklemmt, sodass die Rollmembran den Außenumfang des Kolbens 2a umgibt. Der Außendurchmesser des Kolbenkörpers 2c entspricht in 3 und 4 dem des Kolbens 2a oder ist – wie in 2 dargestellt - kleiner als dieser. Wie 3 zeigt, ist der Rand des außen liegenden Endes der rohrförmigen Rollmembran 5 nach außen gewendet, sodass sich ein Flanschabschnitt 5c ergibt, der zwischen der Scheibe 6a, 6b und einem in 6 wiedergegebenen Flansch 3c des Zylinders 3a, 3b fluiddicht eingeklemmt ist.
Der mit der Scheibe 6a bzw. 6b verbundene Zylinder 3a, 3b hat jeweils einen Innendurchmesser, der größer als der Außendurchmesser des Kolbens 2 ist, sodass bei der Pumpebewegung zwei Lagen der Rollmembran 5 zwischen Kolbenaußenumfang und Zylinderinnenumfang ausgebildet werden können, wie dies 4 zeigt, wobei in 4 wie auch in 3 die Zylinderhülse 3a zur Verdeutlichung der Darstellung nicht wiedergegeben ist.
Die aus einer Folie bestehende Rollmembran kann eine Dicke von etwa 0,03 mm haben. Sie trennt das Fördermedium von der umgebenden Atmosphäre. Bei der Hubbewegung eines Kolbens entsteht ein Betriebsdruck, der die Rollmembranfolie gegen die Wand des Zylinders 3 und gegen den Kolben drückt. Der Spalt zwischen Kolben und Zylinder kann sehr klein, beispielsweise 0,5 mm ausgelegt werden, sodass nur eine geringe wirksame Druckfläche an der Umlenkstelle der Rollmembran entsteht. Wenn beispielsweise der Innendurchmesser des Zylinders 7 mm und der Außendurchmesser des Kolbens 6,5 mm beträgt und die Rollmembran eine Dicke von 0,05 mm hat, ergibt sich bei einem Betriebsdruck von 10 bar eine auf die Rollmembran wirkende Kraft von 5 N. Durch diese Krafteinwirkung tritt keine Längenänderung an der Rollmembran auf, sodass sich eine gute Steifigkeit des Pumpsystems ergibt.
Zwischen einer Anschlussscheibe 16a, 16b und der Scheibe 6a bzw. 6b ist eine in 6 erkennbare Scheibe 7 aus einer weichen Folie eingespannt, die mit Ventilen in der Form von Folienklappen 7a, 7b versehen ist. 6a zeigt, wie durch Pfeile angedeutet, die Ventilstellung beim Abgabehub des in 6 nicht wiedergegebenen Kolbens und 6b den Ansaughub. Die Folienklappe 7b bildet ein Ansaugventil, während die Folienklappe 7a ein Abgabeventil bildet. In der Scheibe 6b sind beabstandet Bohrungen 6c ausgebildet, die den Zylinderraum mit dem Ventilbereich verbinden, wobei in der Stirnfläche der Scheibe 6b eine etwa ovale bzw. langgestreckte Ausnehmung 6e mit abgerundeten Enden ausgebildet ist, in die hinein sich die Folienklappe 7b bewegen kann, wie 6b zeigt. Eine entsprechende Ausnehmung 16e ist in der Anschlussscheibe 16b für die Folienklappe 7a ausgebildet. Die Boh rungen 6c münden am jeweils radial innenliegenden Bereich der Ausnehmungen 6e bzw. 16e. Am radial äußeren Ende der Ausnehmungen ist in der Anschlussscheibe 16b jeweils eine Bohrung 16c ausgebildet, die in eine größere Anschlussbohrung 16d übergeht, an der entsprechende Anschlussleitungen eingesetzt werden können.
Die die Ventile 7a, 7b bildende Folie 7 ist derart weich ausgelegt, dass partikelförmige Fremdkörper beim Anlegen der Folie an der jeweiligen Anschlagfläche an der Scheibe 6a, 6b bzw. 16a, 16b eingebettet werden können.
Zwischen den beiden Kolben 2a und 2b ist ein Seil 8 (2) gespannt, das jeweils an einer am Kolbenkörper 2c ausgebildeten Öse 2d (3, 4) oder in anderer Weise z. B. an den Enden der Verbindungsstange 1 (5) befestigt ist. Zur Vorspannung und zur Kompensation von Längenänderungen des Seils 8 ist an einem Seilende eine Spiralfeder 8a integriert, über die das Seilende mit der zugeordneten Öse verbunden ist. Das Seil 8 ist um eine Antriebswelle 9 geschlungen, die sich quer zum Seil 8 erstreckt und in Lagerböcken 4a des Gehäuses verdrehbar gelagert ist. Vorzugsweise ist die Antriebswelle 9 zur Reibungsminderung beidseitig auf gehärteten Spitzen 9a (2) in Lagerkörpern 9b gelagert.
Mit der Antriebswelle 9 sind zwei beabstandete Scheiben 10, 10' drehfest verbunden, an deren Außenumfang bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Piezoantriebe 11.1 bis 11.4 angreifen, die die Scheiben 10, 10' impulsweise in eine Drehbewegung versetzen, sodass die Antriebswelle 9 eine schrittweise Drehbewegung ausführt und über das Seil 8 die Kolben 2a, 2b zum Ausführen einer Hub- und Saugbewegung antreibt.
Das Seil 8 kann zur Erzielung eines festen Reibschlusses mehrfach um die Antriebswelle 9 gewickelt sein. Das um die Welle 9 gewickelte Seil 8 bildet ein Schlingbandgetriebe, durch das sich ein z. B. gegenüber einem Zahnradantrieb spielfreier Antrieb ergibt, durch den zudem ein hohes Übersetzungsverhältnis erzielbar ist.
Bei dem dargestellten Ausführunsbeispiel werden an sich bekannte Piezo-Motoren 11.1 bis 11.4 verwendet. In einer Maximalausstattung können bis zu acht Piezo-Motore vorgesehen werden, wobei jeweils vier eine Scheibe bzw. ein Rad 10 bzw. 10' antreiben. Ein derartiger Piezo-Motor erzeugt eine Umfangskraft von 0,3 bis 0,5 N. Zur Erhöhung des Drehmomentes kann ein Schlingbandgetriebe mit einem Übersetzungsverhältnis von 15 bis 25 vorgesehen werden zwischen Durchmesser eines Rades 10 und dem der Welle 9.
Dreht sich das Rad 10, 10' durch Einwirken der Piezo-Motoren, so dreht sich auch die Antriebswelle 9 synchron. Dadurch entsteht eine Linearkraft in Achsrichtung der beiden Kolben, die eine Doppelkolbenpumpe bilden.
5 zeigt den Aufbau der Verbindungsstange 1 mit Kolben 2 in der in 2 wiedergegebenen Bauform, während 3 und 4 einen abgewandelten Aufbau wiedergeben. Die Zylinderhülsen 3a und 3b sind in 5 weggelassen. Wie dargestellt, sind die Kolben 2a, 2b mit dem Kolbenkörper 2c verschraubt, wobei die in 5 nicht wiedergegebene Rollmembran über eine konische Fläche an der Rückseite der Kolben 2a, 2b fluiddicht eingeklemmt wird in eine entsprechend konische Innenfläche am Kolbenkörper 2c. Das Seil 8 kann wie dargestellt in einer Querbohrung der Verbindungsstange 1 oder an einem Stift an den Enden der Verbindungsstange befestigt sein, der quer durch die Verbindungsstange geführt ist.

Claims

Pumpe mit Piezoantrieb, umfassend zwei an den Enden einer Verbindungsstange (1) angebrachte Kolben (2a, 2b), die jeweils in einem Zylinder (3a, 3b) geführt und mit einer Rollmembran (5a, 5b) verbunden sind, die zwischen Kolbenumfang und Zylinderinnenwand abrollbar ist, wobei zumindest ein Piezo-Motor (11) die starr miteinander verbundenen Kolben antreibt.
Pumpe nach Anspruch 1, wobei ein Seil (8) zwischen den Kolben (2a, 2b) gespannt ist, das um eine Antriebswelle (9) geschlungen ist, die von dem Piezoantrieb schrittweise in Drehbewegung versetzt wird.
Pumpe nach Anspruch 2, wobei zwei beabstandete Räder (10) mit der Antriebswelle (9) verbunden sind und auf dem Außenumfang der Räder wenigstens ein Piezo-Motor (11.1 bis 11.4) angreift.
Pumpe nach Anspruch 2, wobei die Antriebswelle (9) beidseitig auf gehärteten Spitzen gelagert ist.
Pumpe nach Anspruch 2, wobei eine Feder (8a) in das Seil (8) integriert ist.