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Die
Erfindung betrifft einen piezoelektrischen Pumpenantrieb, insbesondere
für Luftpumpen
mit einer Membran als Pumporgan, bei dem ein Resonanzschwingsystem,
das wenigstens eine mittels einer Resonanzfeder federelastisch gelagerte
Resonanzmasse aufweist und dessen Schwingungen von wenigstens einem
elektrisch aktivierten Piezoelement erzeugt werden, das Pumporgan
oszillierend antreibt, wobei das Piezoelement über die mit der Resonanzmasse
versehene Resonanzfeder mit dem Pumporgan in kraft- und bewegungsübertragender Antriebsverbindung
steht.
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Aus
DE 102 34 584 B3 ist
eine piezoelektrisch betätigbare
Pumpe bekannt, die einen Piezo-Aktuator, ein Pumporgan und ein dazwischen
angeordnetes, zur Übertragung
und Ver stärkung
der Schwingungen des Piezo-Aktuators geeignetes Feder-Masse-System
aufweist. Das Feder-Masse-System besteht aus zwei vorgespannten
koaxial zueinander in Reihe geschalteten Federn und einer zwischen
den Federn angeordneten und an den Federn aufgehängten Schwingmasse.
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Durch
eine starre Kopplung zwischen der Schwingmasse und dem beispielsweise
aus einer Membran bestehenden Pumporgan werden die vom Piezo-Aktuator über eine
der Federn angeregten Längsschwingungen
der Schwingmasse auf das Pumporgan übertragen, damit das Pumporgan
seine Pumphübe
ausführt.
Dabei ist auch die Möglichkeit vorgesehen,
dass das Pumporgan selbst als Schwingmasse ausgebildet ist, was
allerdings mit einer Membran als Pumporgan nicht möglich sein
dürfte.
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Bei
dieser piezoelektrisch angetriebenen Pumpe wird der sich μm-Bereich
liegende Arbeitshub des Piezo-Aktuators genutzt, um das Feder-Masse-System
zum Schwingen in Resonanz anzuregen. Es soll damit nicht nur ein
verbesserter Wirkungsgrad bei der Umwandlung von elektrischer in
mechanische Energie, sondern auch eine erhebliche Vergrößerung des
Arbeitshubs erzielt werden.
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Aufgrund
der linearen Anordnung der beiden bei den offenbarten Ausführungsbeispielen
angegebenen Schraubenfedern, welche in zueinander koaxialer Lage
gemeinsam die Schwingmasse tragen, bedarf die Schwingmasse einer
ihr Gewicht aufnehmenden Führung
oder Lagerung, die nicht ohne Lagerreibung zu realisieren ist. Eine
Lagerreibung hemmt ein freies Schwingen, so dass ein solches Feder-Masse-Schwingsystem
nicht frei schwingen und leicht außer Tritt fallen kann. Der
Resonanzeffekt, der die genannten Verbesserungen erbringen soll,
ist somit bei diesem System nicht ohne weiteres zu gewährleisten.
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Aus
EP 1 593 847 A2 ist
ein Resonanzpumpensystem bekannt, bei dem ein Resonanzschwingsystem
zur Ausführung
oszillierender Bewegungen vorgesehen ist, das aus einer Schwingfeder
besteht, die mit der Resonanzmasse verbunden ist.
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Zur
Aufrechterhaltung der oszillierenden Bewegungen des Resonanzschwingsystems
ist eine Energiequelle in Form eines Piezoelementes vorgesehen,
das über
einen Übertragungsarm
mit dem Pumporgan einer Fluid-Pumpe verbunden ist. Dabei besteht
das Piezoelement aus einem Flachstab der als Sieger arbeitet und
mit seinem einen schmalen Ende ortsfest eingespannt ist und an seinem
anderen Ende die Resonanzmasse bzw. Schwingmasse trägt. Als
Rückstellkraft
dient dabei die dem flachstabförmigen
Piezoelement innewohnende Elastizität. Als Pumporgan ist dort ein
Kolben vorgesehen, der oszillierend in einem Pumpzylinder zu bewegen
ist.
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Mit
Hilfe der sog. Resonanz- bzw. Schwingmasse soll bei diesem System
durch das in der Eigenfrequenz schwingende Piezoelement bei Schwingungsfrequenzen
zwischen 200 Hz und 2 KHz ein Pumpkolben bestätigt werden, der einen Durchmesser
von 0,1 mm bis 1 mm aufweist.
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Dass
dabei keine großen
Pumpleistungen erzielt werden können,
liegt auf der Hand, zumal sog. piezoelektrische Biegeschwinger bei
Schwingfrequenzen über
100 Hz nur sehr kleine Biegeamplituden ausführen können und die Resonanzmasse
bzw. Schwingmasse mit zunehmender Schwingfrequenz potentiell abnimmt.
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Außerdem besteht
bei diesen bekannten Schwingsystemen die Gefahr, dass sie schon
bei geringen Kraftwiderständen
außer
Tritt fallen und stehen bleiben. Ein wesentlicher Grund für diese
Gefahr des außer
Tritt Fallens besteht darin, dass zwischen dem Pumporgan und dem
Piezoelement eine direkte starre Gelenkverbindung besteht, die im
mittleren Bereich des Piezoelementes an das Piezoelement angekuppelt
ist. An diesem Punkt sind die Auslenkamplituden weniger als halb
so groß wie
an dem freischwingenden, mit der Resonanzmasse bzw. Schwingmasse
versehenen Endabschnitt.
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In
der Fachliteratur werden solche Piezoelemente häufig auch Piezoaktoren genannt,
die um möglichst
große
Auslenkungen zu erzielen, häufig als
Vielschichtaktoren aufgebaut sind (Piezokeramik, Karl Ruschmeier,
ISBN 3-8169-1152-8).
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen piezoelektrischen Pumpenantrieb,
insbesondere für
Luftpumpen mit einer Membran, der eingangs genannten Art zu schaffen,
der bei einfachem und funktionssicherem Aufbau eine gegenüber dem
Bekannten wesentlich bessere Arbeitsleistung zu erbringen in der
Lage und in unterschiedlichen, den jeweiligen Anwendungsbedürfnissen
optimal anpassbaren baulichen Ausführungsformen realisierbar ist.
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Gelöst wird
diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch,
dass als Resonanzfeder und Träger
der Resonanzmasse wenigstens eine Blattfeder vorgesehen ist, auf
welche das Piezoelement an einem kurzen Hebelarmeinwirkt, und die
an einem längeren Hebelarm
die Resonanzmasse trägt.
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Durch
das erfindungsgemäße Prinzip
der Kraft- und Bewegungsübertragung
vom Piezoelement auf das Pumporgan über die mit der Resonanzmasse
versehene, als Blattfeder ausgebildete Resonanzfeder, wird nicht
nur die Gefahr des Außertrittfallens
bei Auftreten einer Arbeitslast vermindert sondern es wird auch
erreicht, dass die im Rhythmus des Piezoelementes schwingende Schwingmasse
ihre kinetische Energie weitgehend als Arbeitsenergie an das Pumporgan
weitergibt, so dass eine wesentlich höhere Pumpleistung und Funktionssicherheit
erzielt werden kann, als dies bei den bekannten piezoelektrischen
Antriebssystemen der Fall ist.
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Selbstverständlich ist
Voraussetzung für
diese effektive Arbeitsweise, dass Synchronizität zwischen dem Arbeitsrhythmus
des beispielsweise mit der Netzfrequenz von 50 Hz arbeitenden Piezoelementes
und der Eigenschwingung des Schwingsystems herrscht.
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Für die Realisierung,
d.h. die praktische Umsetzung des Erfindungsprinzips, stehen mehrere Möglichkeiten
zur Verfügung,
die in den Ansprüchen 2
bis 20 als vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung definiert
sind.
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Gegenüber einer
Schraubendruckfeder als Resonanzfeder hat die Verwendung einer Blattfeder den
Vorteil, dass diese nahezu lageunabhängig, d.h. in annähernd jeder
beliebigen Lage, frei schwingen kann. Bei einer Schraubendruckfeder
hingegen ist es erforderlich, dass diese zumindest annähernd in
vertikaler Lage mit der Resonanzmasse schwingt und diese trägt. Eine
das Gewicht der Resonanzmasse auf nehmende Lagerung oder Führung, die
mit Lagerreibung behaftet ist, wird nicht benötigt. Die Resonanzschwingung
kann somit allenfalls von den aufzubringenden Pumpkräften beeinflusst
werden.
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Erst
durch die Verwendung einer Blattfeder ist auch die erfindungsgemäß genutzte
Möglichkeit gegeben,
Hebelübersetzungen
und damit Bewegungsübersetzungen
vorzusehen und sinnvoll zu nutzen. Gerade durch die Hebelübersetzungen
lassen sich wesentlich höhere
Arbeitsleistungen bei besseren Wirkungsgraden erzielen und die Gefahr des
Außertrittfallens
erheblich vermindern. Das ganze System ist auch bei hoher Arbeitsleistung
weniger störanfällig.
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Durch
die besonders vorteilhafte Ausgestaltung nach Anspruch 9, nach der
eine Regulierfeder vorgesehen ist, besteht die Möglichkeit, die Resonanzfrequenz
des Schwingsystems auf die Arbeitsfrequenz des Piezoelements einzujustieren,
um optimale Arbeitsverhältnisse
zu erhalten.
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Anhand
der Zeichnungen wird die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigt:
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1 den
prinzipiellen Aufbau eines piezoelektrischen Pumpantriebs mit einer
als Blattfeder ausgebildeten Resonanzfeder in isometrischer Darstellung;
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1a eine
besondere Ausführungsform der
Resonanzfeder aus 1;
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2 die
Prinzipdarstellung der Ausführungsform
der 1 in vereinfachter Seitenansicht;
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2a und 2b den
piezoelektrischen Pumpenantrieb der 2 in zwei
anderen Arbeitspositionen
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2c eine
Stirnansicht IIc aus 2;
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2d die
Ausführungsform
der 2 in Stirnansicht gemäß IIc,
jedoch in Seitenlage;
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3 eine
andere Ausführungsform
des piezoelektrischen Pumpenantriebes in Seitenansicht;
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3a und 3b den
piezoelektrischen Pumpenantrieb der 3 in zwei
anderen Arbeitspositionen;
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3c eine
Stirnansicht IIIc aus 3;
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3d die
Ausführungsform
der 3 in Stirnansicht gemäß IIIc,
jedoch in Seitenlage;
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4 eine
weitere Ausführungsform
in schematischer Seitenansicht;
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4a und 4b den
piezoelektrischen Pumpenantrieb der 4 in zwei
anderen Arbeitspositionen;
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4c eine
Stirnansicht IVc aus 4;
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4d die
Ausführungsform
der 4 in Stirnansicht gemäß 4c, jedoch
in Seitenlage;
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5 eine
Variante schematischer Seitenansicht;
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5a und 5b den
piezoelektrischen Pumpenantrieb der 5 in zwei
anderen Arbeitspositionen;
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6 in
schematischer Stirnansicht ein Doppelpumpensystem mit einer zwei
Resonanzmassen tragenden Blattfeder als Resonanzfeder;
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7 ein
Doppelpumpsystem bestehend aus zwei in Parallelanordnung zusammengefügten piezoelektrischen
Pimpenantrieben gemäß 1 und 2;
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8 in
einem gemeinsamen Gestell zwei Antriebssysteme gemäß den 1 und 2,
die auf eine Doppelpumpe arbeiten, in schematischer Draufsicht IX
aus 9;
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9 die
Stirnansicht X aus 8;
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10 ein
weiteres Doppelpumpsystem in schematischer Draufsicht und
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11 ein
weiteres Doppelpumpsystem in schematischer Draufsicht.
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Bei
allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen bestehen die
verwendeten Piezoelemente 1 bevorzugt aus Vielschichtaktoren,
die als Stapelaktoren ausgebildet sind.
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In
den 1 und 2 ist ein piezoelektrischer
Pumpantrieb schematisch vereinfacht dargestellt, bei dem das aus
einem unteren horizontalen Schenkel 3, einem oberen horizontalen
Schenkel 4 und dem vertikalen Verbindungsstück 5 bestehende Gestell 2 auf
einem massiven Sockel 2' angeordnet ist,
der dem Gestell 2 die nötige
Stabilität
und Trägheitsmasse
verleiht um Eigenschwingungen des Gestells zu vermeiden.
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Als
Resonanzfeder 11/1 ist bei diesem Ausführungsbeispiel eine Blattfeder 21 vorgesehen,
die mit einem Ende 22 im vertikalen Verbindungsstück 5 des
Gestells 2 festsitzend befestigt ist. Dabei ist diese Resonanzfeder 11/1 bzw.
Blattfeder 21 so angeordnet, dass sie mit einem kurzen
Hebelarm 23 federnd auf dem Piezoelement 1 aufliegt.
Dieses ist seinerseits in geringem Abstand vom vertikalen Verbindungsstück 5 des
Gestells 2 auf dem unteren Hori zontalschenkel 3 angeordnet,
so dass zwischen dem Auflagepunkt A und dem eingespannten Ende 22 der
Blattfeder 21 ein kurzer Hebelarm 23 besteht. Diese
Blattfeder 21 ist bei dieser Ausführungsform auf der anderen
Seite des Auflagepunktes A mit einem längeren Hebelarm 24 versehen,
der einen rückwärts gebogenen
Endabschnitt 25 aufweist, an dem eine Resonanzmasse 12/1 unterseitig
befestigt ist. Dieser durch den Bogen 26 einstückig mit
dem längeren
Hebelarm 24 verbundene Endabschnitt 25 ist mit einer
parallel zum Hebelarm 24 verlaufenden Verlängerung 25' versehen, an
welcher eine Balancemasse 27 befestigt ist, die eine zumindest
annähernde
Parallelschwingung des Endabschnitts 25 bzw. 25' zu seiner Erstreckungsrichtung
bewirkt.
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Durch
einen Stößel 13 ist
der Endabschnitt 25 direkt mit einem Pumporgan 14 einer
auf dem Horizontalschenkel 4 des Gestells angeordneten
Fluidpumpe 15 verbunden. Diese Fluidpumpe 15 hat
einen horizontalen Auslass 16, durch den das gepumpte Fluid
nach außen
strömt.
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Bei
dieser Anordnung und dieser aus einer gebogenen Blattfeder 21 bestehenden
Resonanzfeder 11/1 steht das Piezoelement 1 über die
Resonanzfeder 11/1 und den Verbindungsstößel 13 unmittelbar
mit dem Pumporgan 14 der Fluidpumpe 15 in kraft-
und bewegungsübertragender
Verbindung.
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Diese
Kraftflußbedingung
ist auch bei den übrigen
Ausführungsbeispielen,
die nachfolgend noch näher
beschrieben werden, erfüllt.
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Um
eine Möglichkeit
zu haben, die Eigenfrequenz des aus der Resonanzfeder 11/1 und
der Resonanzmasse 12/1 sowie der Balancemasse 27 bestehenden
Schwingsystems auf den Arbeitsrhythmus des Piezoelementes 1 einjustieren
zu können,
ist eine Regulierfeder 30 vorgesehen, die in geringem Abstand
von dem Auflagepunkt A, an dem die Blattfeder 21 auf dem
Piezoelement 1 aufliegt, auf den längeren Hebelarm 24 der
Blattfeder 21 einwirkt. Die Druckkraft dieser Regulierfeder 30 ist
mittels einer im oberen Horizontalschenkel 4 sitzenden
Stellschraube 29 mit Kontermutter 28 justierbar
und fixierbar. Diese Stellschraube 29 ist an ihrem unteren
Ende mit einer zylindrischen Aufnahmehülse 33 versehen, in der
das obere Ende der Regulierfeder 30 geführt ist. Das untere Ende dieser
Regulierfeder 30 stützt
sich über
ein Druckstück 34 auf
dem längeren
Hebelarm 24 der Blattfeder 21 ab, so dass die
Blattfeder 21 insgesamt dauernd unter einer gewissen Vorspannung, also
federnd, auf dem Piezoelement 1 aufliegt.
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Diese
Ausführungsform
des erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Pumpenantriebs kann sowohl in der in den 1 und 2 dargestellten
Arbeitslage betrieben werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit,
die in den 2a bzw. 2b bzw. 2d dargestellten
Arbeitslagen zu wählen.
In 2a ist die Arbeitslage derart, dass die Blattfeder 21 eine
stehende vertikale Lage einnimmt, während sie in 2b eine
hängende
vertikale Lage einnimmt. In diesen Positionen liegt das Gewicht
der Resonanzmasse 12/1 bzw. Balancemasse 27 nicht
auf dem Piezoelement 1 auf.
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Dasselbe
kann auch erreicht werden, indem das Gestell 2, gemäß 2d seitlich
gelagert wird, so dass der Hebelarm 24 der Blattfeder 21 mit
seiner Flachseite eine vertikale Lage einnimmt, seine Längsseiten
jedoch horizontal verlaufen.
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Die 2a und 2b stellen
in diesem Falle jeweils eine Draufsicht von oben dar.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 3 sind zwei gleiche Blattfedern 21/1 und 21/2 in
geringem Abstand übereinander
angeordnet, deren Enden 22 jeweils im vertikalen Verbindungsstück 5 des
Gestells 2 starr befestigt sind. Dabei liegt die untere Blattfeder 21/1 in
der gleichen Weise wie der Hebelarm 24 der Blattfeder 21 auf
dem Piezoelement 1 auf, das auch die gleiche Lage einnimmt
wie in 2.
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Die
freien Enden dieser Blattfedern 21/1 und 21/2 sind
gelenkig durch einen Verbindungssteg 36 miteinander verbunden.
Dieser Verbindungssteg 36 ist einerseits durch ein Winkelstück 37 und
den Stößel 13 mit
dem Pumporgan 14 der Fluidpumpe 15 verbunden.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
ist eine Regulierfeder 30 vorgesehen, die in analoger Weise auf
die obere Blattfeder 21/2 einwirkt und deren Vorspannung
mittels einer Stellschraube 29 zur Einjustierung der Eigenfrequenz
des Schwingsystems einstellbar ist. Wie beim Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 ist zur Fixierung der Einstellschraube 29 eine
Kontermutter 28 vorgesehen. Im übrigen ist der Aufbau gleich
wie beim Ausführungsbeispiel
der 2.
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Die
Schwingungen des Schwingsystems erfolgen, wie bei allen anderen
Ausführungsbeispielen, jeweils
in Richtung des Doppelpfeils 31.
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Auch
bei dieser Ausführungsform
sind verschiedene Arbeitspositionen möglich. Außer der in 3 dargestellten
Arbeitsposition, bei der das Verbindungsstück 5 des Gestells 2 vertikal
verläuft,
sind auch die in 3a und 3b dargestellten
Arbeitsstellungen möglich,
in denen dieses Verbindungsstück 5 jeweils
eine horizontale Lage einnimmt und die Schenkel 3 und 4 zusammen
mit dem Sockel 2' jeweils
vertikal verlaufen. In diesen Arbeitsstellungen verlaufen auch die
Blattfedern 21/1 und 21/2 vertikal, wobei sie
in der Arbeitsstellung der 3a eine
stehende und in der Arbeitsstellung der 3b eine hängende Lage
einnehmen.
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Eine
weitere, in 3d dargestellte Arbeitsposition
ist dadurch möglich,
dass das Gestell 2 mit der Sockelplatte 2' auf der Seite
liegend positioniert wird, so dass die 3 eine Draufsicht
darstellt.
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In 4 ist
eine weitere sehr einfache Ausführungsform
schematisch vereinfacht dargestellt, diese unterscheidet sich von
der Ausführungsform der 1 und 2 lediglich
dadurch, dass die Resonanzmasse 12/1 auf einer völlig flachen
ebenen Resonanzfeder 11 in Form einer Blattfeder 21/3 vorgesehen
ist. Das Gestell 2 ist in diesem Fall etwas niedriger ausgebildet,
was bedeutet, dass der obere Horizontalschenkel 4 einen
geringeren vertikalen Abstand vom unteren Horizontalschenkel 3 aufweist und
dementsprechend das vertikale Verbindungsstück 5 kürzer ausgestaltet
ist. Bei dieser Ausführungsform
der Blattfeder 21/3 ist die Resonanzmasse über einen
Stößel 13 wiederum
mit dem Pumporgan 14 der Fluidpumpe 15 kraft-
und bewegungsübertragend
verbunden und auf einem längeren
Hebelarm 24 der Blattfeder 21/3 angeordnet. Außerdem besitzt diese
Blattfeder eine die Resonanzmasse 12/1 nach außen überragende
Verlängerung 25', die mit einer Balancemasse 27 versehen
ist.
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Auch
hier finden die Schwingungen in Richtung des Doppelpfeiles 31 statt
und zwar im Arbeitsrhythmus des Piezoelements 1, die der
Eigenfrequenz dieses Schwingungssystems entspricht.
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Auch
zu diesem Ausführungsbeispiel
der 4 zeigen die 4a und 4b,
dass außer
der in 4 dargestellten vertikalen Arbeitslage, wenigstens
zwei weitere Arbeitslagen möglich
sind, in denen die Blattfeder 21 eine vertikale Lage einnimmt,
wobei das Gestell 2 jeweils um 90° in der einen oder anderen Richtung
verdreht ist. Auch die in 4d dargestellte
Seitenlage ist hier möglich.
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Wie
Versuche gezeigt haben, kann es von Vorteil sein, wenn der auf dem
Piezoelement 1 aufliegende Abschnitt der Blattfeder 21 über einen
Bereich, der einen Teil des kurzen Hebelarms 23 und wenigstens
einen Teil des längeren
Hebelarms 24 umfasst, als in sich starres Teil ausgebildet
bzw. durch ein- oder beidseitig aufgelegte starre Plattenkörper 38 und 39 oder
durch Längssicken
versteift ist, so dass zwar die Schwingfähigkeit der Blattfeder 21 insgesamt
erhalten bleibt, aber in diesem versteiften Bereich keine Durchbiegung
der Blattfeder 21 erfolgen kann.
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Diese
Ausführungsform
kann bei allen mit Blattfedern 21 ausgerüsteten Ausführungsbeispielen angewandt
werden.
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Beider
Ausführungsform
in 5 ist eine dreischenklige Blattfeder 21/3 mit
ihrem unteren zum vertikalen Verbindungsstück 5 des Gestells 2 hin
verlängert
und mit ihrem Ende 22 festsitzend auf die gleiche Weise
befestigt, wie die Blattfeder 21 beim Ausführungsbeispiel
der 2.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
gemäß 5 steht
der untere horizontale Schenkel 41 der Blattfeder 21/3 unter
dem Einfluss eines Zugstiftes 44', dem eine Regulierfeder 30' zugeordnet
ist. Diese Regulierfeder 30' sitzt
in einer zylindrischen unterseitigen Ausnehmung 48' des unteren
Horizontalschenkels 3 des Gestells 2 und kann
mit einer Stellmutter 52 bezüglich ihrer Vorspannung einge stellt
werden. Mit Hilfe dieser Reguliereinrichtung kann die Eigenfrequenz
des Schwingsystems beeinflusst und auf die Arbeitsfrequenz bzw.
auf den Arbeitszyklus des Piezoelements 1 einjustiert werden.
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Der
Vollständigkeit
halber sei auch hier erwähnt,
dass die Ausführungsform
gemäß der 5 jeweils
unterschiedliche Arbeitspositionen einnehmen kann und zwar, wie
die 5a, 5b zeigen, im Wesentlichen die
gleichen wie die Ausführungsformen
der 2 bis 4.
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In 6 ist
eine weitere Ausführungsform des
erfindungsgemäßen piezoelektrischen
Pumpenantriebs in schematischer Vereinfachung dargestellt, bei der
die Resonanzfeder 11/1 als ebene Blattfeder 21/5 ausgebildet
ist. Diese Blattfeder 21/5 ist in einem Gestell 2/1 gelagert,
das aus einem horizontalen massiven Unterteil 60 besteht,
auf welches ein brückenartiges
Oberteil 61 mittels zweier vertikaler Stützen 62 und 63 aufgesetzt
ist. An der planebenen Unterseite 64 ist das Piezoelement 1 zentrisch
angeordnet und zwar so, dass es sich federnd auf der Längsmitte
M der Blattfeder 21/5 abstützt. Diese Blattfeder 21/5 liegt
dabei auf den Schneiden zweier prismenartiger Stützlager 65 und 66 auf,
die symmetrisch zur Längsmitte M
in einem seitlichen Abstand von dieser angeordnet sind, der dem
kurzen Hebelarm 23 der Blattfeder 21/5 entspricht.
Die jeweils längeren
Hebelarme 24 durchragen fensterartige Ausnehmungen 67 und 68 der
vertikalen Stützen 62 und 63 und
sind an ihren jeweils außerhalb
des Gestells 2/1 liegenden Enden mit den Resonanzmassen 12/1 versehen.
Zugleich sind diese äußeren Enden
jeweils über
die Stößel 13 mit
dem Pumporgan 14 einer Fluidpumpe 15 kraft- und
bewegungsübertragend
verbunden. Auch hier finden die Schwingungen der längeren Hebelarme 24 der
Blattfeder 21/5 jeweils in Richtung der Doppelpfeile 31 statt
und zwar wiederum synchron zu den Arbeitszyklen bzw. der Arbeitsfrequenz
des Piezoelements 1.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
der 6 sind die beiden Fluidpumpen 15 durch
Verbindungsleitungen 17 und 18 an einen gemeinsamen
Ausgang 19 angeschlossen.
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In 7 ist
ein Ausführungsbeispiel
dargestellt, bei dem zwei piezoelektrische Pumpantriebe gemäß 1 und 2 in
Parallellage zu einem gemeinsamen Doppelpumpsystem zusammengefügt sind.
Dabei sind jeweils die beiden unteren Schenkel 3 der Gestelle 2 unterseitig
bündig
aneinander gefügt und
die beiden Fluidpumpen 15 sind ähnlich wie beim Ausführungsbeispiel
der 6 durch Verbindungsleitungen 17 und 18 auf
einen gemeinsamen Ausgang 19 geschaltet.
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Ob
dabei die beiden Schwingsysteme exakt synchron schwingen, spielt
für die
erzielte doppelte Pumpleistung, die am gemeinsamen Ausgang 19 zur Verfügung steht,
keine wesentliche Rolle.
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Wie
die 8 und 9 zeigen, besteht auch die Möglichkeit,
zwei Pumpsysteme der in 1 und 2 dargestellten
Art so anzuordnen, dass ihre Resonanzfedern 11/1 auf eine
gemeinsame Fluidpumpe 15/1 arbeiten und an deren Ausgang 16 die
doppelte Pumpleistung zur Verfügung
stellen. Dabei sind die jeweils oberen und unteren Schenkel 3 und 4 durch
einen gemeinsamen rückseitigen
Verbindungssteg 5/2 zu einem gemeinsamen Gestell 2/2 zusammengefügt. Die
Fluidpumpe 15/1 ist zwischen den Schenkeln 4 des
Gestells 2/2 angeordnet. Die Schwingungen der beiden Resonanzfedern 11/1 erfolgen
in Richtung der Doppelpfeile 31.
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Während 8 diese
Anordnung in Draufsicht zeigt, gibt die 9 eine Stirnansicht
X aus 8 wieder.
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Beim
Ausführungsbeispiel
der 10 sind ebenfalls zwei jeweils auf eine Fluidpumpe 15 wirkende
Resonanzschwingsysteme vorgesehen, deren prinzipieller Grundaufbau
demjenigen der 8 bzw. den 1 und 2 entspricht.
Aufbaumäßig ist
jedoch dadurch eine Vereinfachung erzielt, dass das Gestell 2 lediglich
einen linken und einen rechten Schenkel 73 und 74 aufweist,
die vertikal erstreckend an einem unteren horizontalen Verbindungsstück 5' befestigt sind.
An den oberen Enden dieser Schenkel 73 und 74 sind
außenseitig
jeweils die Fluidpumpen 15 angebracht, deren Pumporgane 14 über die
Stößel 13 mit
den Endabschnitten 25 der jeweils einen Bogen 26 aufweisenden
Resonanzfedern 11/1 verbunden sind. Wie beim Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 tragen diese Endabschnitte 25 jeweils
die Resonanzmasse 12/1 und an den, in diesem Falle nach
unten gerichteten Verlängerungen 25', die Balancemassen 27.
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Zur
wesentlichen baulichen Vereinfachung trägt auch die Tatsache bei, dass
die beiden sich in diesem Falle vertikal erstreckenden Schenkel 21' der Blattfedern 21 durch
einen Verbindungsbogen 75 einstückig miteinander verbunden
sind. Dieser Verbindungsbogen 75 ist mittels eines halbrunden Spannstückes 76 und
einer Spannschraube 77 in einem kalottenartigen Lagerteil 78 eingespannt.
Mittels dieser Schraube 77 ist das Lagerteil 78 zugleich
auch an der Innenseite des Verbindungsstücks 5' fixiert. Über eine Brücke 79 ist ein vertikaler,
schenkelartiger Träger 80 mittig
zwischen den beiden Schenkeln 21' der Resonanzfedern 11/1 angeordnet,
an dem beidseitig die Piezoelemente 1 befestigt sind, an
welchen die Federschenkel 21' federnd
anliegen. Auch hier bilden die Federschenkel 21' wieder einen
kurzen Hebelarm 23 zwischen dem Lagerteil 78 und
der Auflagestelle A, an dem sie an den Piezoelementen 1 federnd
anliegen sowie längere
Hebelarme 24, die über
die Bogenabschnitte 26 mit den Endabschnitten 25 verbunden
sind.
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Wie
beim Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 sind auch hier Justiereinrichtungen
mit je einer Regulierfeder 30 und Stellschrauben 29 sowie Kontermuttern 28 vorgesehen,
die in analoger Weise wie die Ausführungsform der 2 angeordnet
sind und funktionieren.
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Wie
beim Ausführungsbeispiel
der 7 sind auch hier die beiden Fluidpumpen 15 über Verbindungsleitungen 17 und 18 auf
einen gemeinsamen Ausgang 19 geschaltet.
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Bei
allen Ausführungsbeispielen,
bei denen die Resonanzfeder als Blattfeder 21 ausgebildet
ist und das Aufbauprinzip der 1 und 2 verwirklicht
ist, d. h. bei den Ausführungsbeispielen
der 2 bis 4 sowie 5 bis 10,
wird in vorteilhafter Weise zur Erhöhung der Arbeitsleistung die Hebelübersetzung
ausgenutzt, die zwischen dem kurzen Hebel 23 und dem längeren Hebel 24 der Blattfeder
besteht und die dazu führt,
dass das Schwingsystem, das die Fluidpumpe 15 zu betätigen hat,
auch bei minimalen Auslenkungen des Piezoelements 1 wesentlich
größere Schwingungsamplituden ausführt, die
zur Betätigung
des Pumporgans 14 genutzt werden.
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Auch
bei dem Ausführungsbeispiel
der 11 wird eine solche Hebelübersetzung ausgenutzt. Dabei
sind zwei in einem horizontalen unteren Schenkel 81 festsitzend
befestigte, als Blattfedern 21/6 ausgebildete Resonanzfedern 11/2 vorgesehen. Zwischen
diesen vertikalen Blattfedern 21/6 ist auf dem Schenkel 81 mittig
ein Piezoelement 1 angeordnet, das seine Auslenkungen in
vertikaler Richtung, also parallel zu den Blattfedern 21/6 ausführt.
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Zur Übertragung
der vertikalen Auslenkungen des Piezoelements 1 auf die
beiden Blattfedern 21/6 sind zwei zueinander rautenartig
angeordnete gleichschenklige Kniegelenke vorgesehen, die jeweils
aus einem unteren Hebel 85 und einem oberen Hebel 86 sowie
einem diese beiden Hebel 85 und 86 miteinander,
verbindenden Gelenk 87 bestehen, wobei das Gelenk 87 durch
einen Verbindungsstab 88 jeweils mit einer Blattfeder 21/6 verbunden
ist. Durch diese Kniegelenke werden die vertikalen Auslenkungen
des Piezoelements 1 in horizontale Bewegungen umgesetzt,
so dass die beiden Blattfedern 21/6 jeweils eine nach außen gerichtete
Auslenkung erfahren.
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Um
eine federnde Belastung des Piezoelements 1 durch die beiden
sich darauf abstützenden Hebel 85 zu
erhalten, sind beide Gelenke 87 durch eine Zugfeder 91,
die justierbar sein sollte, miteinander verbunden. Die beiden oberen
Hebel 86 der beiden Kniegelenke stützen sich an der Unterseite
des Schenkels 4 ab.
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Oberhalb
des oberen Schenkels 4 sind die Enden der jeweils längeren Hebelarme 24 der
Blattfedern 21/6 mit außenseitig angebrachten Resonanzmassen 12/1 versehen
und zugleich über
Stößel 13 mit
den Pumporganen 14 einer Doppelfluidpumpe 15/1 kraft-
und bewegungsübertragend
ver bunden, so dass ihre Schwingbewegungen die Pumporgane 14 betätigen.
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Dabei
durchragen die Blattfedern 21/6 jeweils Ausnehmungen 89 und 90 des
oberen Schenkels 4, auf dem die Doppelfluidpumpe 15/1 mittig
angeordnet ist.
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Mit
Hilfe von auch bei diesem Ausführungsbeispiel
vorgesehener Regulierfedern 30 und Stellschrauben 29,
lässt sich
die Eigenfrequenz der beiden Blattfedern 21/6 jeweils in
gewissem Umfang justieren, so dass auch hierbei in einfacher Weise
Synchronismus zwischen der Eigenfrequenz der beiden Schwingsysteme
und dem Arbeitszyklus bzw. der Arbeitsfrequenz des Piezoelements 1 erreicht
werden kann.
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Bei
der in 11 dargestellten Anordnung ist die
Auslenkamplitude der oberen Blattfederenden etwa sechsmal größer als
die vertikale Auslenkung des Piezoelementes 1.
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Zu
erwähnen
ist noch, dass als Pumporgane statt der in den Ausführungsbeispielen
erwähnten Pumpmembranen
auch Pumpkolben verwendet werden können.