DE102006016571A1

DE102006016571A1 - Verfahren und Vorrichtung zum automatisierten Fördern von Flüssigkeiten oder Gasen

Info

Publication number: DE102006016571A1
Application number: DE102006016571A
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Bartels
Original assignee: Bartels Mikrotechnik GmbH
Current assignee: Bartels Mikrotechnik GmbH
Priority date: 2006-04-06
Filing date: 2006-04-06
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2026-04-07
Also published as: DE102006016571B4; WO2007115740A2; US20110158822A1; WO2007115740A3; JP2009532618A; EP2013477A2

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit einer Anzahl von wenigstens zwei Pumpkammern, deren Volumen sich bei Arbeitsbetrieb periodisch ändern, wobei jede Pumpkammer wenigstens ein Zufluss- und Abflussventil hat und alle Pumpkammern einen gemeinsamen Hauptzufluss und einen gemeinsamen Hauptabfluss haben und den Pumpkammern wenigstens ein Antrieb zugeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass die Volumen der Pumpkammern sich mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl ändern. Außerdem eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit einer Anzahl von wenigstens zwei Pumpkammern, deren Volumen sich bei Arbeitsbetrieb periodisch ändern, wobei die Pumpkammern derart ausgebildet und angeordnet sind, dass wenigstens zwei benachbarte Pumpkammern eine gemeinsame Wand umfassen, die derart ausgebildet ist, dass sie zur Änderung des Volumens der benachbarten Pumpkammern dient. Außerdem ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung derart angesteuert wird, dass sich die Volumen der Pumpkammern mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum automatisierten Fördern von Flüssigkeiten oder Gasen und insbesondere eine Pumpe.
Zum automatisierten Fördern von Flüssigkeiten oder Gasen ist eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt, die unter dem Begriff "Pumpe" zusammengefasst werden können.
Unterschieden werden kann zwischen "offenen" und "geschlossenen" Pumpen. Ein Beispiel einer offenen Pumpe ist ein Drehschaufelrad oder ein Förderband mit Flüssigkeitsgefäßen. Gemeinsamkeitsmerkmal aller geschlossenen Pumpen, dass ein abgegrenztes Volumen, das sich beispielsweise in einer Kammer oder einem Schlauch befindet, durch Änderung, sprich Verkleinerung, des für das Pumpmedium zur Verfügung stehenden Volumens (Kammervolumen) in Richtung eines Pumpausgangs befördert wird, und daran anschließend neues Pumpmedium mittels Vergrößerung des Pumpkammervolumens eingesogen wird. Die Flussrichtung wird im Allgemeinen durch entsprechende Ventile vorgegeben.
Bekannt sind beispielsweise Kolbenpumpen, bei denen ein Kolben während des Senkvorganges das in der Pumpkammer befindliche Volumen durch ein Auslassventil verdrängt und beim anschließenden Hubvorgang neues Pumpmedium durch ein Einlassventil ansaugt, oder Membranpumpen, bei denen sich eine Membran, die eine Wand der Pumpkammer bildet, periodisch hebt und senkt und somit das Kammervolumen vergrößert oder verkleinert. Zumeist erfolgt die Volumenänderung sinusförmig, woraus auch ein etwa sinusförmiger Ausstoß des Pumpmediums resultiert, wobei dieser nur während der positiven Halbwelle erfolgt; die negative Halbwelle dient dem Ansaugen neuen Pumpmediums.
Bekannt sind weiterhin Schlauchpumpen, bei denen mittels beweglicher, mechanischer Hilfsmittel ein elastisch deformierbarer Schlauch in einzelne Segmente unterteilt wird. Die mechanischen Hilfsmittel verschieben die Segmente entlang der Förderrichtung des Schlauches, womit ein Transport des Pumpmediums vom Einlass zum Auslass einhergeht. Im Gegensatz zu den kolbenbetriebenen Pumpen erfolgt hier der Ausstoß unterbrochen-kontinuierlich.
Außerdem sind sogenannte Impellerpumpen bekannt, die eine Flüssigkeit mittels einer in einem Flüssigkeitskanal angeordneten Schraube oder mittels einer Turbine befördern.
Der Stand der Technik weist jedoch die folgenden Nachteile auf.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Förderleistung P einer Einkammer-Kolbenpumpe und einer Schlauchpumpe über einen vollständigen Pumpzyklus. Auf der Abszisse ist die Zeit t aufgetragen.
Die beiden oben erstgenannt beschriebenen Pumpenvarianten haben den Nachteil, dass die Förderrate, also das Pumpvolumen in Abhängigkeit von der Zeit, über einen einzelnen Pumpzyklus (Periode) betrachtet stark schwankt, wie in 1 dargestellt. Das Förderverhalten einer Kolbenpumpe ist durch die durchgezogene bzw. gestrichelte sinusförmige Kurve angegeben, und das Förderverhalten einer Schlauchpumpe ist als punktierte Rechteckkurve dargestellt, die zu Beginn und am Ende des vollen Pumpzyklus zu Null wird.
Während bei Kolbenpumpen mit lediglich einer Pumpkammer die erste Hälfte des Pumpzyklus' zum Leeren der Pumpkammer verwendet wird (1; durchgezogene Kurve), erfolgt während der zweiten Hälfte des Pumpzyklus' kein Ausbringen, sondern lediglich ein Ansaugen von neuem Pumpmedium (gestrichelte Kurve). Die Pumprate entspricht hier schematisch der Höhe der Kurve; betrachtet man den Ausgang isoliert, so beobachtet man hier zunächst einen schwachen, dann stetig anschwellenden, dann wieder abnehmenden und schließlich versiegenden Flüssigkeitsstrom, daran anschließend eine Pause in welcher überhaupt keine Flüssigkeit gefördert wird. Mittels eines anderen als des sinusförmigen Betriebes des Förderkolbens kann zwar die Pumprate während des Ausbringens konstanter gehalten werden, es bleibt jedoch immer die Ansaugpause am Ende des Ausbringens.
Schlauchpumpen arbeiten mit einem mechanischen Hilfsmittel (Klemmvorrichtung o.ä.), welches einen Teil des Schlauches zusammenquetscht und somit eine Art "Kolbenwand" erzeugt. Diese wird dann in Richtung des Pumpen- und Schlauchausganges verschoben, wobei das vor ihr befindliche Volumen weiter getrieben wird, und sich hinter ihr ein Unterdruck ausbildet, durch welchen neues Fördermedium angesogen wird. Schlauchpumpen erreichen zwar über einen von der Länge der einzelnen Fördersegmente abhängigen Zeitraum hinweg eine recht konstante Förderrate; diese wird jedoch in wiederkehrenden Abständen abrupt zu Null, wenn jeweils ein Segment endet. Das dieses Segment definierende mechanische Hilfsmittel hebt am Ende des Förderzyklus' vom Schlauch ab. Da der mittels der Klemmvorrichtung zusammengedrückte Schlauchabschnitt gerade kein Volumen beinhaltet (er diente ja als Kolbenwand), wird in diesem Moment auch kein Fördermedium ausgebracht. Die hier beschriebene pulsierende Förderung des Pumpmediums und das schematisch in 1 dargestellte Förderverhalten der Eingangs beiden erstgenannten Pumpen ist oftmals unerwünscht.
Außerdem kann selbst mittels Nebeneinanderschalten mehrerer, zueinander phasenversetzt arbeitender, separater Pumpen keine Gesamtförderrate erreicht werden, die einen deutlich kontinuierlicheren Verlauf als die jeder Einzelpumpe aufweist. Hierbei erhöhen sich auch die Kosten sowie der Raumbedarf für eine entsprechende Anzahl von Pumpen.
Die bekannten Impellerpumpen oder turbinenartigen Pumpen fördern eine Flüssigkeit zwar sehr gleichmäßig, benötigen aber einen Rotationsantrieb und sind auch deshalb insbesondere in miniaturisierter Bauart nur aufwendig und kostspielig herstellbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren anzugeben, das bei hoher Förderleistung eine weitestgehende pulsationsfreie Förderung eines Pumpmediums ermöglicht. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist außerdem, eine für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete Vorrichtung anzugeben, die auf einfache und kostengünstige Weise auch miniaturisiert herstellbar ist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Merkmalen der Unteransprüche und/oder der nachfolgenden Beschreibung erwähnt, die von schematischen Zeichnungen begleitet ist. Hierzu zeigt:
1 die Förderleistung einer herkömmlichen Kolbenpumpe und einer herkömmlichen Schlauchpumpe;
2 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
4a und b eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführung der vorliegenden Erfindung;
5a und b eine Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 4;
6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Antriebsprinzips und Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens; und eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung von 4 und 5;
7a den Hub der Verdränger der Vorrichtung von 6, 7b den Gesamthub der Vorrichtung von 6 und 7c die Pumpleistung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in Abhängigkeit der Kammeranzahl;
8a und b eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung;
9a eine Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung und 9b eine Abwandlung der Ausführung von 9a; und
10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Vorrichtung zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien mit einer Anzahl von wenigstens zwei Pumpkammern, deren Volumen sich bei Arbeitsbetrieb periodisch ändern, wobei jede Pumpkammer wenigstens ein Zufluß- und Abflußventil hat, und alle Pumpkammern einen gemeinsamen Hauptzufluss und einen gemeinsamen Hauptabfluss haben, und wobei den Pumpkammern wenigstens ein Antrieb zugeordnet ist, der derart ausgebildet ist, dass die Volumen der Pumpkammern sich mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl ändern.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem insbesondere eine Vorrichtung zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien mit einer Anzahl von wenigstens zwei Pumpkammern, deren Volumen sich bei Arbeitsbetrieb periodisch ändern, wobei die Pumpkammern derart ausgebildet und angeordnet sind, dass wenigstens zwei benachbarte Pumpkammern eine gemeinsame Wand umfassen, die derart ausgebildet ist, dass sie zur Änderung des Volumens der benachbarten Pumpkammern dient.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorsehung der Änderung des Volumens der Pumpkammern mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl und insbesondere mittels der erfindungsgemäßen Kopplung der Antriebe wird vorteilhaft eine hohe Pumpleistung bei besonders gleichmäßiger Förderrate erzielt.
Geeigneter Weise können bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die gemeinsamen Wände mit den Antrieben gekoppelt sein und/oder die Antriebe umfassen.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst außerdem insbesondere eine Vorrichtung mit einer Vielzahl von Pumpkammern und vorteilhaft mit weniger als 7 Pumpkammern und noch vorteilhafter mit 3 Pumpkammern, wobei für den Antrieb der Pumpkammern wenigstens eine Anzahl von Antrieben bereitgestellt ist, die der Anzahl der Pumpkammern entspricht, wobei die Pumpkammern geeigneter Weise derart ausgebildet und angeordnet sind, dass alle Pumpkammern einen ersten gemeinsamen Antrieb mit einer ersten benachbarten Pumpkammer und einen zweiten gemeinsamen Antrieb mit einer zweiten benachbarten Pumpkammer haben, wobei die Antrieben derart ausgebildet sind, dass sie zur Änderung des Volumens der jeweils benachbarten Pumpkammern dienen.
Bei der vorteilhaften Ausführung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem mit der Wand einer Pumpkammer einstückigen Antrieb, kann der Antrieb vorteilhaft wenigstens teilweise als schwingenden Membran ausgebildet sein und vorteilhaft als Piezoscheibenaktuator ausgebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst außerdem geeigneter Weise einen druckentkoppelten Abfluß.
Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem insbesondere ein Verfahren zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Verwendung der vorstehend genannten erfindungsgemäßen Vorrichtung, wobei die Vorrichtung geeigneter Weise derart angesteuert wird, dass sich die Volumen wenigstens zweier Pumpkammern mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl ändern. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verfahren mit einer besonders hohen Pumpleistung und gleichmäßigen Förderrate bereitgestellt.
Nachfolgend werden anhand der schematischen Zeichnungen vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben:
2 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit zwei benachbart angeordneten Pumpkammern 10, die beispielsweise und vorteilhaft etwa das gleiche Volumen V haben und jeweils ein Einlaßventil 11 und ein Auslaßventil 12 und einen gemeinsamen Hauptzufluss 110 und einen gemeinsamen Hauptabfluss 120 haben. Die beiden benachbarten Pumpkammern 10 haben einen gemeinsamen Antrieb A, der als zumindest teilweise bewegliche gemeinsame Wand 13 ausgebildet ist. Bei Arbeitsbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 von 2 mit dem Antrieb A wird jeweils das Volumen V einer Kammer 10 vergrößert, währen d gleichzeitig das Volumen der anderen Kammer 10 verkleinert wird, so dass bei geeigneter Ansteuerung des Antriebs A eine gegenüber einer herkömmlichen Vorrichtung von 1 verbesserte Pumpleistung P erzielt wird. Die Pumpkammern 10 der Vorrichtung 1 von 2 können außer dem gemeinsamen Antrieb A an den dem Antrieb A gegenüberliegenden Seiten jeweils einem weiteren Antrieb umfassen, wodurch die Pumpleistung P weiter verbessert wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit drei benachbart angeordneten Pumpkammern 10, die beispielsweise und vorteilhaft etwa das gleiche Volumen V haben und jeweils ein Einlaßventil 11 und ein Auslaßventil 12 und einen gemeinsamen Hauptzufluß 110 und einen gemeinsamen Hauptabfluß 120 haben. Der Aufbau der Vorrichtung 1 von 3 entspricht im wesentlichen dem Aufbau der Vorrichtung 1 von 2, wobei die mittlere Pumpkammer 10 mit den ihr benachbarten Pumpkammern 10 jeweils einen gemeinsamen Antrieb A hat, der geeigneter Weise als zumindest teilweise bewegliche gemeinsame Wand 13 ausgebildet sein kann. Bei geeigneter Ansteuerung der Antriebe A wird eine gegenüber dem Stand der Technik von 1 und der Ausführung von 2 verbesserte Pumpleistung und gleichmäßigere Förderrate erzielt. Die verbesserte Pumpleistung und Förderrate, die geeignete erfindungsgemäße Ansteuerung und das erfindungsgemäße Verfahren werden in der nachfolgenden Beschreibung anhand von 5 und 6 detailliert beschrieben. Es ist klar, dass die beiden äußeren Pumpkammern 10 der Vorrichtung von 1 ebenfalls weitere Antriebe A umfassen können, die geeigneter Weise ebenfalls als bewegliche Wände 13 ausgebildet sein können.
4 zeigt eine schematische Darstellung einer Abwandlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 von 3, die im wesentlichen der Vorrichtung 1 von 3 entspricht, mit dem Unterschied, dass zwei mittlere Pumpkammern 10 einen gemeinsamen Antrieb A umfassen und außerdem beide mittleren Pumpkammern 10 benachbart mit einer dritten Pumpkammer 10 angeordnet sind, und mit der dritten Pumpkammern 10 einen gemeinsamen Antrieb A haben. In der Ausführung von 4 wird dies konstruktiv vorteilhaft derart gelöst, dass zwei außen liegende Pumpkammern 10 über einen Kanal 101 mit einander verbunden sind und auf diese Weise die dritte Pumpkammer 10 bereitgestellt ist. 4a zeigt einen schematischen Draufsicht auf die erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 und 4b zeigt eine schematische Seitenansicht aus der Richtung S von 4a.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Abwandlung der Vorrichtung 1 von 4, die sich von der vorstehend beschriebenen Ausführung von 4 lediglich durch die Anordnung der Einlaßventile 11 und der Auslaßventile 12 unterscheidet. Hierbei zeigt 5a einen schematischen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 und 5b eine schematische perspektivische Darstellung des Schnitts von 5a.
Am Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 von 5a und b und im Zusammenhang mit 6 mit beispielsweise und vorteilhaft drei Pumpkammern 10 wird nachfolgend das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erläutert. Es sei vorangestellt, dass das Prinzip auch alle anderen Kammerzahlen n größer 1 umfasst.
Die Vorrichtung 1 von 5 und 6 umfasst die stapelförmig angeordneten Pumpkammern 10, die durch die Antriebe A und beweglichen Wände 13 voneinander getrennt sind. Jede Pumpkammer 10 hat ein Einlassventil 11, sowie ein Auslassventil 12. Mittels der Bewegungen der Wände 13 wird das Volumen V der jeweiligen durch diese Wände 13 begrenzten Pumpkammer 10 zyklisch verändert. Die besondere Förderwirkung wird dadurch erzielt, dass eine Pumpkammer 10 durch zwei phasenversetzt etwa sinusförmig schwingende Wände 13 begrenzt wird.
Die Wände 10 können beispielsweise als zylindrische Verdränger ausgebildet sein, die – ausgehend von einer Ruhelage – das ihnen jeweils zugeordnete Volumen V zumindest teilweise leeren bzw. dessen Rauminhalt entsprechend vergrößern. Das dargestellte Prinzip gilt jedoch auch für anders ausgebildete Verdränger, und/oder solche, deren Bewegung nicht genau sinusförmig abläuft, solange deren Bewegungsmuster gleichartig und mit einem Phasenversatz der Verdrängerbewegungen von jeweils etwa 120° bzw. 240° verläuft.
6a, b und c zeigen exemplarisch drei charakteristische Zustände beim Arbeitsbetrieb der Vorrichtung 1 während eines kompletten Pumpzyklus. Die Stellungen der Verdränger 13 von 6a, b und c sind auch in 7 angegeben (senkrechte Striche bei 1/2π, π und 3/2π). Im Zustand von 6a (t = 1/2π) ist die linke Membran gerade am oberen Umkehrpunkt, die mittlere Membran zwischen einem Umkehrpunkt und der Mittellage, und die rechte Membran zwischen der Mittellage und einem Umkehrpunkt. Die Pfeile von 6 geben die Bewegungsrichtungen bzw. den Fluss des Pumpmediums an, wobei ein fehlender Pfeil Stillstand bedeutet. Die Stellung der mit Bezugszeichen versehenen Ventile ist offen und der Ventile ohne Bezugszeichen geschlossen. Bewegen sich zwei Verdränger 13 relativ gesehen aufeinander zu, so erhöht sich der Pumpkammerdruck und Volumen strömt aus (siehe z.B. 6a und b linke Pumpkammer). Bewegen sich die Verdränger 13 relativ gesehen voneinander weg, so verringert sich der Pumpkammerdruck und Volumen strömt ein (siehe z.B. 6a mittlere Pumpkammer und 6b linke Pumpkammer). Bewegen sich die Verdränger 13 im Gleichklang, so ändert sich das Pumpkammervolumen nicht, und es strömt kein Medium ein oder aus (siehe z.B. 6b mittlere Kammer).
Im Folgenden werden die dem erfindungsgemäßen Prinzip zugrunde liegenden Formeln genannt und erläutert. Auch hier wird auf das vorstehende Beispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 von 5 und 6 zurückgegriffen; sinngemäß lassen sich die Formeln auch auf jede andere Pumpkammeranzahl n umschreiben.
Kammervolumen V und Verdränger 13
Die Vorrichtung 1 umfasst drei Pumpkammern 10 jeweils mit einem geeigneter weise und der Einfachheit halber etwa gleichen Volumen V, die hier mit V1, V2 und V3 gekennzeichnet sind. Es ist klar, daß sich die Volumen V auch unterscheiden können.
Es sei angemerkt, dass bei der Vorrichtung von 5 und 6 das Volumen V einer der Pumpkammern 10 aus zwei Halbvolumina zusammengesetzt ist, die mittels eines Kanals 101 verbunden sind, so dass effektiv nur ein einziges Volumen V zu betrachten ist.
Der Hub m der drei Verdränger 13 wird nachfolgend jeweils mit m₁, m₂, und m₃ gekennzeichnet und ist in 7 dargestellt. Ein Pumpzyklus hat die Länge 2π.
Förderleistung der einzelnen Pumpkammern 10, Gesamtförderleistung Geht man zunächst von einem geschlossenen System aus (Ein- und Ausgang sind zusammengeschaltet, eventuelle Ventile sind immer offen), so gilt: Vgesamt = V1 + V2 + V3 = const. Gleichung (1)
Die Förderleistung einer einzelnen Kammer 10 wird durch die Menge an transportiertem Volumen je Zeiteinheit definiert. Dieses ergibt sich aus der Differenz der Verdrängerhübe m, die das jeweilige Volumen V umschließen, multipliziert mit der Grundfläche A der Verdränger 13, die der Einfachheit halber auch als etwa gleich groß angenommen werden.
Die gesamte Pumpleistung P setzt sich aus den einzelnen Volumenströmen zusammen:
Ventile 11, 12
Jede Kammer 10 hat geeigneter Weise ein Auslassventil 12 und ein Einlassventil 11, die der Funktion nach wie in 6 dargestellt angeordnet sind.
Die Funktion eines Rückschlagventils kann sehr einfach dadurch beschrieben werden, dass es den Fluss nur bei positivem Druck passieren lässt, bei negativem hingegen nicht.
Sinngemäß gilt dann auch:
Verdrängerbewegung
Die das Kammervolumen V verdrängenden Verdränger 13 führen zyklische Bewegungen durch. Entspricht der Hub m beispielsweise einer Sinusschwingung, so gilt:
Hierbei ist m der Hub, M die Amplitude, τ die Zykluszeit, ω die Kreisfrequenz, und φ die Phasenverschiebung.
Für die Ableitung d/dt eines Kammerhubes m_i ergibt sich demnach:
Hierbei ist zu beachten, dass gilt: φ1 = 0 φ2 = 13 ·2π = 23 π φ3 = 13 ·2π = 43 π
Die Phasenverschiebungen der Verdränger 13 zueinander betragen also im betrachteten Beispiel mit drei Kammern 10 2/3 π (dies entspricht 120°) bzw. 4/3 π (dies entspricht 240°).
Allgemein gilt für den Phasenunterschied
wobei n die Kammeranzahl ist.
Für eine Kopplung der Verdrängerbewegungen müssen die Ausdrücke für dm_i/dt mit i = 1 bis 3 nur noch in Gleichung (3) eingesetzt werden. und man erhält die gesamte Fördermenge der Vorrichtung in Abhängigkeit von der Zeit. Setzt man für die Zykluszeit τ = 2π ein, so stellen sich die Einzelförderraten und die Gesamtförderrate auf den Querschnitt A normiert wie in 7b dar.
Aus der Abbildung ist auch ersichtlich, dass sich die Gesamtförderrate G aus den einzelnen Förderraten zweier jeweils benachbarter Pumpkammern 10 zusammensetzt.
Es sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Prinzip nur dann umsetzbar ist, wenn die durch ein Auslassventil 12 fließende Ausflussmenge unabhängig von der Menge der jeweils aus den anderen Auslassventilen 12 ist, die Kammerauslässe also druckentkoppelt sind.
Kammerzahl (n)
Das Prinzip einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 ist nicht auf das obige Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 1 mit drei n = 3 Pumpkammern 10 beschränkt, wobei bei zunehmender Kammerzahl n die Förderrate P steigt, und wobei jedoch bei ungeraden Kammerzahlen n eine geringere Pulsation als gerade Kammerzahlen n verursachen.
Da, wie gezeigt, die Förderleistung P mit steigender Kammeranzahl n ebenfalls steigt, stellt sich die Frage, ob die Förderleistung P beliebig gesteigert werden kann, oder ob es einen Grenzwert gibt, der auch bei einer theoretischen Anzahl von unendlich vielen Kammern nicht erreicht oder gar überschritten werden kann.
Hierzu kann zunächst der Mittelwert der Gesamtförderrate einer Vorrichtung 1 betrachtet werden. Dieser entspricht dem Integral der Gesamtförderleistung P über einen vollen Zyklus:
Vergleicht man nun die mittlere Förderrate in Abhängigkeit der Kammeranzahl n, so ergibt sich der 7c dargestellte Zusammenhang. Hiernach existiert ein Grenzwert, der auch bei immer größer werdenden Kammerzahlen n nicht überschritten werden kann. Ab einer Anzahl von n = 7 Kammern ist nur noch ein Zuwachs von wenigen Prozent möglich, und bei ab n = 15 Kammern ist praktisch keine weitere Steigerung der mittleren Gesamtförderrate möglich. (Die im Graphen angegebenen Werte stammen aus der Berechnung einer miniaturisierten Vorrichtung mit realistischen Parametern.)
Vergleich mit einer Kombination aus mehreren separat angeordneten Vorrichtungen
Es scheint nahe liegend, anstelle der zunächst aufwendig erscheinenden erfindungsgemäßen Kammerkopplung mehrere separat arbeitende Vorrichtungen phasenversetzt zueinander arbeiten zu lassen und deren Gesamtausstoß als Gesamtförderrate zu betrachten. Jede der Vorrichtungen besitzt einen eigenen Eingang, welcher an einen gemeinsamen Hauptzufluss angeschlossen ist, und einen eigenen Ausgang, der in ein Fördervolumen mit Atmosphärendruck mündet.
Die Gesamtförderrate von separaten Vorrichtungen liegt jedoch (bei geringer Kammeranzahl) deutlich unter der Gesamtförderrate einer der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Dieser Effekt beruht auf der Tatsache, dass mittels der Verdränger 13 ein deutlich größeres Verdrängungsvolumen erzeugt werden kann.
Es ist jedoch zu beachten, dass dieser Vorteil nicht für beliebige Kammerzahlen n gilt. Aus 7c geht hervor, dass die Steigerung des geförderten Volumens bei n = 2 und n = 3 stark ansteigt, dann jedoch immer flacher wird. Der Grund hierfür ist die Tatsache, dass bei größerer Kammeranzahl die Phasenunterschiede zwischen den Nachbarkammern immer kleiner werden; die Verdränger 13 schwingen immer mehr im Gleichtakt, die Volumenvergrößerung durch teilweise entgegengesetzt schwingende Verdränger ist dann kaum mehr gegeben. Bei parallel arbeitenden, ungekoppelten Vorrichtungen hingegen wächst die Gesamtförderrate proportional zur Anzahl der Pumpen, es existiert kein „Sättigungsbereich". Allerdings spielen größere Pumpen- bzw. Kammeranzahl als n = 5 aus konstruktiven und wirtschaftlichen Gründen in der Praxis eine untergeordnete Rolle, wohingegen gerade die Kammeranzahl n = 3 sowohl aufgrund der höheren Förderleistung, als auch der geringeren Pulsation besonders vorteilhaft ist.
Es ist jedoch klar, dass auch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 gemäß der Ausführung von 2 und 3 gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Förderleistung und geringere Pulsation haben, was durch ähnliche Berechnungen wie die vorstehende Berechnungen zu der Ausführung von 5 und 6 gezeigt werden kann. Es ist auch klar, dass die Ausführungen von 4 bis 6 neben den in den Zeichnungen dargestellten Antrieben A weitere Antriebe A haben können.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit drei benachbart angeordneten Pumpkammern 10, deren gemeinsame Antriebe A ebenfalls geeigneter Weise als zumindest teilweise bewegliche gemeinsame Wände 13 ausgebildet sind, wobei die gemeinsame Wände 13 etwa sternförmig angeordnet sind und die Vorrichtung 1 etwa zylindrisch ausgebildet ist. Hierbei zeigt 8a eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung 1 und 8b eine schematische Seitenansicht aus der Richtung S von 8a. 8 ist zu entnehmen, dass die Einlaßventile 11 und Auslaßventile 12 beispielsweise und vorteilhaft an den gegenüberliegenden Wänden der Vorrichtung 1 angeordnet sind.
9a zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 mit drei benachbart angeordneten Pumpkammern 10, die beispielsweise und vorteilhaft ebenfalls etwa das gleiche Volumen V haben und die etwa entlang eines Ringes angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit und Einfachheit halber wurden bei 9 auf die Darstellung der Ventile verzichtet. Bei der Ausführung von 9a umfassen die drei Pumpkammern 10 jeweils einen ersten und zweiten Kammerraum, die über einen Kanal 101 miteinander verbunden sind. Außerdem sind die drei Pumpkammern 10 derart aufeinanderfolgend angeordnet, dass jede Pumpkammer 10 eine gemeinsame Wand 13 mit zwei weiteren Pumpkammern 10 hat, wobei die gemeinsame Wand 13 geeigneter Weise zumindest teilweise als gemeinsamer Antrieb A zweier Pumpkammern 10 ausgebildet ist.
9b zeigt eine schematische Darstellung einer Abwandlung der Vorrichtung 1 von 9a mit den Pumpkammern 10, die ebenfalls benachbart und etwa entlang eines Ringes angeordnet sind, wobei jede Pumpkammer 10 über einen Kanal 101 mit zwei benachbarten Pumpkammern 10 verbunden ist und die Kanäle 101 jeweils geeignete gemeinsame Antriebe A umfassen.
Für ein geeignetes Verfahren zum Betrieb der Ausführungen von 8 und 9 wird geeigneter Weise das anhand der Ausführungen von 5 und 6 vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Verfahren verwendet.
Es ist klar, dass die Ausführungen von 8 und 9 auch mehr als drei Pumpkammern 10 umfassen können und neben den Antrieben A außerdem weitere Antriebe A umfassen können.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 gemäß einer weiteren Ausführung der vorliegenden Erfindung mit ebenfalls drei oder mehr Pumpkammern 10 und entsprechenden Antrieben A, Einlaßventilen 11, Auslaßventilen 12 einem gemeinsamen Hauptzufluß 110 und einem gemeinsamen Hauptabfluß 120.
Erfindungsgemäß sind bei der Ausführung von 10 die Pumpkammern 10 etwa kanalartig und mäanderderförmig angeordnet. Geeigneter Weise haben die erfindungsgemäßen kanalartigen Pumpkammern 10 gemeinsame Antriebe A, die ebenfalls als zumindest teilweise gemeinsame bewegliche Wand 13 ausgebildet sind und vorteilhaft aufeinanderfolgend entlang einer Linie angeordnet sind.
Mit der vorstehend beschriebenen Ausbildung und Anordnung der Pumpkammern 10 und der Antriebe A wird eine besonders kompakte Bauform in einer Ebene erzielt, die insbesondere miniaturisiert auf kostengünstige weise hergestellt werden kann. Es ist klar, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 von 10 auch lediglich zwei kanalartig ausgebildete und etwa in einer Ebene aufeinanderfolgend angeordnete Pumpkammern 10 umfassen kann und außerdem auch mehr als drei derartige Pumpkammern 10 umfassen kann.
Es ist außerdem klar, daß die Vorrichtung 1 von 10 auch weitere Antriebe A der Pumpkammern 10 umfassen kann.

Claims

Vorrichtung (1) zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit einer Anzahl (n) von wenigstens zwei Pumpkammern (10), deren Volumen (V) sich bei Arbeitsbetrieb periodisch ändern, wobei: jede Pumpkammer (10) hat wenigstens ein Zufluss- und Abflussventil (12); und alle Pumpkammern (10) haben einen gemeinsamen Hauptzufluss (110) und einen gemeinsamen Hauptabfluss (120); und den Pumpkammern (10) ist wenigstens ein Antrieb (A) zugeordnet, der derart ausgebildet ist, dass die Volumen (V) der Pumpkammern (10) sich mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl (n) ändern.
Vorrichtung (1) zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien, mit einer Anzahl (n) von wenigstens zwei Pumpkammern (10), deren Volumen (V) sich bei Arbeitsbetrieb periodisch ändern, wobei: die Pumpkammern (10) sind derart ausgebildet und angeordnet, dass wenigstens zwei benachbarte Pumpkammern (10) eine gemeinsame Wand (13) umfassen, die derart ausgebildet ist, dass sie zur Änderung des Volumens (V) der benachbarten Pumpkammern (10) dient.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 und 2 mit den Merkmalen der Vorrichtung (1) von Anspruch 1 und 2, wobei die gemeinsamen Wände (13) mit den Antrieben (A) gekoppelt sind und/oder die Antriebe (A) umfassen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit einer Anzahl (n) von weniger als sieben Pumpkammern (10).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5 mit einer Anzahl (n) von drei Pumpkammern (10).
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, mit einer Anzahl von wenigstens (2n – 1) Antrieben.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 4 oder 5, mit einer Anzahl von wenigstens (2n) Antrieben.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 wobei: die Pumpkammern (10) sind derart ausgebildet und angeordnet, dass wenigstens eine erste Pumpkammer (10) einen ersten gemeinsamen Antrieb (A) mit einer ersten benachbarten Pumpkammer (10) und einen zweiten gemeinsamen Antrieb (A) mit einer zweiten benachbarten Pumpkammer (10) umfasst, wobei die Antriebe (A) derart ausgebildet sind, dass sie zur Änderung des Volumens (V) der jeweils benachbarten Pumpkammern (10) dienen.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 wobei: die Pumpkammern (10) sind derart ausgebildet und angeordnet, dass alle Pumpkammern (10) einen ersten gemeinsamen Antrieb (A) mit einer ersten benachbarten Pumpkammer (10) und einen zweiten gemeinsamen Antrieb (A) mit einer zweiten benachbarten Pumpkammer (10) haben, wobei die Antriebe (A) derart ausgebildet sind, dass sie zur Änderung des Volumens (V) der jeweils benachbarten Pumpkammern (10) dienen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: die gemeinsamen Antriebe (A) sind wenigstens teilweise als schwingende Membran ausgebildet.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei: die gemeinsamen Antriebe (A) sind wenigstens teilweise als Piezoscheibenaktuator ausgebildet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei: die Pumpkammern (10) sind aufeinander folgend und/oder übereinander und/oder in einer Ebene und/oder entlang eines Rings und/oder entlang eines Kreises angeordnet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei: wenigstens eine der Pumpkammern (10) ist zylinderförmig oder quaderförmig oder kugelförmig oder kanalartig ausgebildet.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei: die Volumen (V) und Volumenänderungen der Pumpkammern (10) sind etwa identisch.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei: ein Abfluß und Zufluß der Pumpkammern (10) druckentkoppelt ausgebildet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei: die Ventile der Pumpkammern (10) sind passive Rückschlagventile und/oder aktive steuerbare Ventile.
Verfahren zum Fördern von flüssigen und/oder gasförmigen Medien unter Verwendung der Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei: die Vorrichtung (1) wird derart angesteuert, dass sich die Volumen (V) der Pumpkammern (10) mit einer Phasenverschiebung von 2π/Kammeranzahl (n) ändern.