DE102007030043A1

DE102007030043A1 - Piezoelektrisch angetriebene Dosierpumpe

Info

Publication number: DE102007030043A1
Application number: DE200710030043
Authority: DE
Inventors: Stefan Barten; Karl-Heinz Hirschmann; Arne Sommerfeld
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-06-26
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2009-01-02

Abstract

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrisch angetriebene Dosierpumpe. Um eine preisgünstige Pumpe für einen nahezu kontinuierlichen Förderstrom zu erhalten, ist eine piezoelektrisch betreibbare Dosierpumpe mit einem beweglichen Kolben (2, 3, 4) vorgesehen, dem ein Piezostapeltranslator (6) zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von der angelegten Spannung seine Länge variiert, wobei der Kolben (2, 3, 4) über eine Ansaugöffnung (5) im Gehäuse das zu fördernde Medium ansaugt, das auf der Druckseite der Dosierpumpe durch eine Ausströmöffnung (12) im Gehäuse gedrückt wird, wobei der Kolben ein Stufenkolben (2, 3, 4) ist, dessen saugseitiges Hubvolumen größer ist als dessen druckseitiges Hubvolumen, wobei der Kolben mit einem Ventil (10) ausgerüstet ist, das sich bei der Expansion des Piezostapeltranslators (6) und der dadurch erzeugten Vorwärtsbewegung des Kolbens öffnet, während bei der Kontraktion des Piezostapeltranslators (6) und der damit erzeugten Rückwärtsbewegung das Ventil (10) im Stufenkolben (2, 3, 4) schließt, wodurch der druckseitige Stufenkolbenteil (4) das druckseitige Hubvolumen in die Ausströmöffnung (12) drückt und gleichzeitig der saugseitige Stufenkolbenteil (3) das saugseitige Hubvolumen durch ein sich öffnendes saugseitiges Einlassventil (9) ansaugt, so dass sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Stufenkolbens (2, 3, 4) als auch bei der Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens (2, 3, 4) bevorzugt das gleiche Volumen gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrisch angetriebene Dosierpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Verwendung findet diese Pumpe zur Förderung und Dosierung von kleinen Flüssigkeitsmengen, wenn gleichzeitig auch höhere Drücke gefordert sind. Mit dieser Dosierpumpe lassen sich vorteilhaft aggressive Medien fördern, weshalb diese Dosierpumpe auch in der Verfahrenstechnik, in Kraftfahrzeugen und in der Biomedizin eingesetzt werden kann. Für viele Anwendungen ist ein pulsationsarmer Förderstrom in sämtlichen Arbeitsbereichen gefordert, der mit der piezoelektrisch angetriebenen Pumpe erzielt wird.
Die Förderstromschwankungen bei bekannten Kolbenverdrängern, die als Dosierpumpen eingesetzt werden, entstehen durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens, der nur während einer Bewegungsrichtung fördert und in der anderen Bewegungsrichtung nur ansaugt. Hinzu kommt der Umschalthub der verwendeten Ventile, der für eine zusätzliche Schwankung des Förderstroms sorgt. Solche Dosierpumpen sind aus den Druckschriften DE 43 28 621 C2 , DE 23 15 842 A und DE 102 27 659 B4 bekannt. Die Schwankungen treten besonders bei niedrigen Temperaturen auf. Weitere Nachteile dieser Dosierpumpen sind das große Bauvolumen, die hohe Teilezahl und die aufwendige Montage.
Die Dosierpumpe aus der Druckschrift DE 102 27 659 B4 weist zusätzlich einen Druckspeicher auf, der eine Glättung des Förderstroms bewirkt. Nachteilig ist, dass der Druckspeicher zunächst befüllt werden muss und sich nach dem Abschalten des Kolbenantriebs unkontrolliert entleert.
Darüber hinaus ist aus der Druckschrift EP 1 715 177 A1 eine Pumpe bekannt, die für den Antrieb des Kolbens einen piezoelektrischen Aktuator verwendet. Der Nachteil dieser Lösung liegt in der Anordnung der verwendeten Ventile und dem damit verbundenen großen Totvolumen. Um ein gutes Ansaugverhalten zu gewährleisten, muss das Verhältnis von Tot- zu Hubvolumen möglichst klein sein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preisgünstige Pumpe zu schaffen, die ohne Druckspeicher einen nahezu kontinuierlichen Förderstrom erzeugt und gegen die Umwelt zuverlässig abgedichtet ist.
Erfindungsgemäß wird das gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Es ist eine piezoelektrisch angetriebene Dosierpumpe mit einem beweglichen Kolben vorgesehen, dem ein Piezostapeltranslator zugeordnet ist, der den Kolben bewegt, indem er in Abhängigkeit von der angelegten Spannung seine Länge verändert. Der Kolben saugt über eine Einströmöffnung im Gehäuse das zu fördernde Medium an, das er anschließend auf der Druckseite der Dosierpumpe durch eine Ausströmöffnung im Gehäuse drückt. Der Kolben ist ein Stufenkolben, dessen saugseitiges Hubvolumen größer ist, als dessen druckseitiges Hubvolumen. Der Kolben ist mit einem Ventil ausgerüstet, das sich bei der Expansion des Piezostapeltranslators und der damit verbundenen Vorwärtsbewegung des Kolbens öffnet, wodurch das im Ansaugraum befindliche Flüssigkeitsvolumen durch eine Bohrung im Stufenkolben hindurch in den druckseitigen Hubraum fließt und diesen füllt. Der Überschuss d. h. die Differenz zwischen saugseitigen und druckseitigen Hubraum wird in die Ausströmöffnung gedrückt. Bei der Kontraktion des Piezostapeltranslators und der damit verbundenen Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens schließt das Ventil im Stufenkolben, dem zufolge der druckseitige Stufenkolbenteil das druckseitige Hubvolumen in die Ausströmöffnung drückt und gleichzeitig der saugseitige Stufenkolbenteil das saugseitige Hubvolumen durch ein sich öffnendes saugseitiges Einlassventil ansaugt. Sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Stufenkolbens als auch bei der Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens wird Volumen in die Ausströmöffnung gefördert, wenn die Kolbenflächen ein dementsprechendes Verhältnis zueinander haben, die Ventile unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen und der Piezostapeltranslator über die angelegte Spannung so gesteuert bzw. geregelt wird, dass sich ein kontinuierlicher Volumenstrom einstellt.
Vorzugsweise ist ein Stufenkolben vorgesehen, dessen Saugseitiges Hubvolumen doppelt so groß ist, wie dessen druckseitiges Hubvolumen. Dadurch wird sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Stufenkolbens als auch bei dessen Rückwärtsbewegung das gleiche Volumen gefördert. Weiterhin sind ein Kolbenteil für die Saugseite und ein Kolbenteil für die Druckseite im Abstand zueinander angeordnet und durch eine Kolbenstange miteinander verbunden.
In einer bevorzugten Bauweise der Dosierpumpe sind die verwendeten Ventile unterschiedlich, wobei das saugseitige Ventil bevorzugt ein Sitzventil mit einer Kraftrichtungsumleitung ist, bei dem die für die druckabhängige Steuerung der Strömungsvorgänge notwendige ventilschließende Zugkraft mittels einer Druckfeder erzeugt wird. Aufgrund dieser Bauweise besitzt das saugseitige Ventil ein geringes Totvolumen, wodurch das Verhältnis von Schad- zu Arbeitsraum saugseitig minimiert wird. Dadurch wird bereits bei minimalen Hubbewegungen des Stufenkolbens ein Ansaugen erreicht und bei geringen Hüben des Stufenkolbens eine Förderung erzielt. Das Ventil im Stufenkolben ist bevorzugt ein Kugelsitzventil. Hohe Hub- und Förderfrequenzen sind möglich, da es aufgrund der unterschiedlichen Eigenfrequenzen der Ventile zu keine dynamische Kopplung zwischen den Ventilen über die Flüssigkeitssäule kommt.
Verhalten sich die Hubvolumen bzw. Querschnittsflächen der Kolben von Saug- und Druckseite etwa wie 2:1, so ist der Förderstrom im Mittel bei beiden Bewegungsrichtungen gleich. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines piezoelektrischen Aktuators kann im Gegensatz zu elektromagnetisch betriebenen Dosierpumpen die Kolbenbewegung durch den piezoelektrischen Aktuator bei der Hin- und Rückbewegung über die elektrische Spannung gesteuert oder geregelt werden. Dadurch wird der Nachteil von elektromagnetisch betriebenen Dosierpumpen vermieden, bei denen in einer Richtung die Hubbewegung mittels einer Feder bewirkt wird, weshalb sich die Bewegung des Kolbens frei einstellt, dass heißt, nicht steuer- oder regelbar ist. Durch eine geeignete zwangsweise Steuerung des piezoelektrischen Antriebes kann ein nahezu konstanter Förderstrom erzielt werden. Die kleinen bewegten Massen von Kolben und Ventilen erlauben in Verbindung mit dem piezoelektrischen Aktuator hohe Hub- und Förderfrequenzen des Kolbens, wodurch im Vergleich zu den bekannten Dosierpumpen größere Fördervolumen erzielbar sind und ein größerer Verstellbereich abgedeckt wird.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, das saugseitige Ventil als Plattenventil in Membranbauweise auszuführen.
Weiterhin kann das Ventil im Stufenkolben als Plattenventil ausgeführt sein.
Zur Vermeidung einer pulsierenden Förderung wird die Spannung am Piezostapeltranslator so geführt, dass kein Verweilen des Kolbens in seinen Endlagen auftritt, wodurch ein nahezu pulsationsfreier Volumenstrom erzeugt wird. Bevorzugt wird an den Piezostapeltranslator ein Sinussignal oder ein Dreiecksignal angelegt.
Zur Erhöhung der erreichbaren Zugkraft des Piezostapeltranslators und dem damit verbundenen maximalen Förderdruck, ist der Piezostapeltranslators mechanisch vorgespannt bzw. der Stufenkolben federbelastet.
Als Piezostapeltranslator ist vorzugsweise ein Ringpiezostapeltranslators vorgesehen. Das saugseitige und das druckseitige Stufenkolbenteil sind mittels Elastomerdichtungen abgedichtet sind. Die beiden Dichtungen können O-Ringe oder Quadringe oder elastisch verformbare Membranen sein.
Weiterhin können diese beiden Kolbenteile mit elastisch verformbaren Dichtungen aus Metall abgedichtet sein. Es ist zweckmäßig, dass die durch das Fördermedium benetzten Bauteile aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff ausgeführt sind.
Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispieles erläutert.
Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosierpumpe;
2 einen vergrößerten Ausschnitt der Saugseite der Pumpe mit einem Einlassventil, einem Kugelventil und dem Ansaugraum.
In der 1 ist die Pumpe im spannungslosen Zustand dargestellt, d. h. der Kolben befindet sich in der Ruheposition. Zum Schutz der Bauteile vor Schmutzpartikeln ist im Ansaugkanal ein Filtersieb 1 eingebaut.
Alle vom Fördermedium benetzten Bauteile der Dosierpumpe sind aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff hergestellt, so dass auch aggressive Fördermedien mit der Dosierpumpe gefördert und dosiert werden können. Der Stufenkolben ist aus den Einzelteilen Kolbenstange 2, Kolbenteil Saugseite 3 und Kolbenteil Druckseite 4 zusammengebaut. Für die Bewegung des Stufenkolbens in Richtung der Ansaugöffnung 5 wird ein Piezostapeltranslator 6 mit Spannung versorgt, so dass er expandiert. In Abhängigkeit von der Höhe der angelegten Spannung bewegt sich der Stufenkolben in Richtung eines Bauteils Ventilsitz Saugseite 7 und legt sich im Grenzfall an dessen Stirnfläche an. Durch die Bewegung verkleinert sich der Ansaugraum 8, der nachfolgend auch als Arbeitsraum bezeichnet wird. Während dieser Bewegung ist ein Einlassventil 9 infolge des anliegenden Drucks zur Saugseite hin dicht geschlossen. Das zuvor angesaugte Fördermedium fließt während dieser Bewegung über ein im Stufenkolben eingebautes Kugelventil 10 in einen Druckraum 11. Bei der Bewegung in Richtung Ansaugöffnung 5 füllt sich der Druckraum 11. Das überschüssige Fördermedium wird aus dem Arbeitsraum 8 in eine Ausströmöffnung 12 gefördert. Zur Erzeugung der anschließenden Rückbewegung in die Ruheposition des Stufenkolbens wird die an den Piezostapeltranslator 6 angelegte Spannung verringert oder umgepolt. Dadurch bewegt sich der Stufenkolben wieder in Richtung Ausströmöffnung 12. Das saugseitige Einlassventil 9 öffnet sich und der Stufenkolben saugt infolge der Volumenvergrößerung des Arbeitsraums 8 das zu fördernde Medium in den Arbeitraum 8. Das Kugelventil 10 wird bei der Bewegungsumkehr durch die Feder zwangsweise geschlossen. Das im Druckraum 11 befindliche Fördermedium wird gleichzeitig in die Ausströmöffnung 12 gefördert. Als Ergebnis wird sowohl beim Hin- und als auch beim Rückhub ein durch den Stufenkolben definiertes Volumen in die Ausströmöffnung 12 gefördert. Bei einem Verhältnis der Stirnflächen des Kolbens von etwa 2:1 sind die geförderten Teilvolumina jeweils gleich groß. Die Dosierpumpe benötigt trotz ihrer Doppelhubcharakteristik erfindungsgemäß nur zwei Ventile. Das Ansaugen erfolgt nur bei der Bewegung des Stufenkolbens in Richtung Ausströmöffnung 12. Das angesaugte Volumen entspricht dem während des Hin- und Rückhubs geförderten Volumen. Dadurch wird erfindungsgemäß das Ansaugverhalten der Pumpe verbessert, da der konstruktiv bedingte anteilige Schadraum bezogen auf das Volumen des Arbeitsraum 8 günstiger ausfällt.
Das saugseitige Einlassventil 9 besteht aus einer Einlassventildruckfeder 13, einem Ventilteller 14 und einem Ventilkörper 15. Die Einlassventildruckfeder 13 ist vorgespannt einbaut, so dass eine Druckkraft vom Federteller 14 auf den Ventilsitz im Bauteil Ventilsitz Saugseite 7 ausgeübt wird. Über den Federteller 14 wird die Druckkraft der Feder in eine auf das Einlassventil 9 wirkende Zugkraft umgewandelt, so dass der Ventilkörper 15 im drucklosen Zustand den Ventilsitz zuverlässig verschließt.
Das vorzugsweise zu verwendende Kugelventil 10 im Stufenkolben ist für ein gutes Ansaugverhalten der Pumpe bereits im drucklosen Zustand vorgespannt, um eine gute Abdichtung des Arbeitsraums 8 beim Ansaugen zu gewährleisten. Zusätzlich wird durch die Vorspannung bei der Bewegung des Stufenkolbens zur Ansaugöffnung 5 hin ein Grunddruckniveau im Arbeitsraum 8 erreicht, welches für ein sicheres Schließen des saugseitigen Einlassventils 9 erforderlich ist. Anstelle des Kugelventils können prinzipiell aber auch andere Ventilarten wie ein Plattenventil verwendet werden. Ausschlaggebend für die Funktion auch bei höheren Ansteuerfrequenzen ist, dass die beiden Ventile eine unterschiedliche Charakteristik, speziell eine unterschiedliche Ei genfrequenz besitzen, die oberhalb der Hubfrequenz liegt, damit eine dynamische Wechselwirkung zwischen den Ventilen über das Fördermedium ausgeschlossen und ein sicheres Abdichten und Öffnen der Ventile gewährleistet ist.
In die Bauteile Kolbenteil Saugseite 3 und Kolbenteil Druckseite 4 sind jeweils zwei O-Ringnuten eingebracht, in denen sich O-Ringe 16 und 17 befinden. Diese O-Ringe dienen zur Abdichtung des Arbeitsraums 8 und des Druckraums 11. Aufgrund der Vorspannung dieser Dichtelemente und des geringen Kolbenhubes sind beide Räume dicht, so dass es zu keinem Kontakt zwischen dem Fördermedium und dem Piezostapeltarnslator 6 kommt. An Stelle der O-Ringe 16 und 17 können wegen des kleinen Kolbenhubs auch elastisch verformbare Dichtungen, wie z. B. Membranen, eingebaut werden. Die Abdichtung der gesamten Pumpe erfolgt über Bauteile Anschluss Saugseite 18, Ventilsitz Saugseite 7, Stufenkolben und Anschluss Druckseite 19. Zusätzlich dichten O-Ringe 20 und 21 das Bauteil Ventilsitz Saugseite 7 ab.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4328621 C2 [0003]
- DE 2315842 A [0003]
- DE 10227659 B4 [0003, 0004]
- EP 1715177 A1 [0005]

Claims

Piezoelektrisch betreibbare Dosierpumpe mit einem beweglichen Kolben (2, 3, 4), dem ein Piezostapeltranslator (6) zugeordnet ist, der in Abhängigkeit von der angelegten Spannung seine Länge variiert, wobei der Kolben (2, 3, 4) über eine Ansaugöffnung (5) im Gehäuse das zu fördernde Medium ansaugt, das auf der Druckseite der Dosierpumpe durch eine Ausströmöffnung (12) im Gehäuse gedrückt wird, wobei der Kolben ein Stufenkolben (2, 3, 4) ist, dessen saugseitiges Hubvolumen größer ist als dessen druckseitiges Hubvolumen, wobei der Kolben mit einem Ventil (10) ausgerüstet ist, das sich bei der Expansion des Piezostapeltranslators (6) und der dadurch erzeugten Vorwärtsbewegung des Kolbens öffnet, wodurch das in einem Ansaugraum (8) befindliche Volumen durch den Stufenkolben (2, 3, 4) den druckseitigen Hubraum (11) füllt und den Überschuss in die Ausströmöffnung (12) drückt, während bei der Kontraktion des Piezostapeltranslators (6) und der damit erzeugten Rückwärtsbewegung das Ventil (10) im Stufenkolben (2, 3, 4) schließt, wodurch der druckseitige Stufenkolbenteil (4) das druckseitige Hubvolumen in die Ausströmöffnung (12) drückt und gleichzeitig der saugseitige Stufenkolbenteil (3) das saugseitige Hubvolumen durch ein sich öffnendes saugseitiges Einlassventil (9) ansaugt, so dass sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Stufenkolbens (2, 3, 4) als auch bei der Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens (2, 3, 4) bevorzugt das gleiche Volumen gefördert wird, wobei die Ventile unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen und die Bewegung des Piezostapeltranslators (6) über die angelegte Spannung geführt wird, wodurch sich der einstellende Volumenstrom in beide Bewegungsrichtungen des Stufenkolbens (2, 3, 4) steuern und bedarfsweise regeln lässt.
Dosierpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stufenkolben (2, 3, 4) vorgesehen ist, dessen saugseitiges Hubvolumen doppelt so groß ist, wie dessen druckseitiges Hubvolumen.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kolbenteil (3) für die Saugseite und ein Kolbenteil (4) für die Druckseite im Abstand zueinander angeordnet und durch eine Kolbenstange (2) miteinander verbunden sind.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Ventile (9, 10) unterschiedlich sind.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das saugseitige Ventil (9) ein Sitzventil mit einer Kraftrichtungsumleitung ist, bei dem die für die druckabhängige Steuerung der Strömungsvorgänge notwendige ventilschließende Zugkraft mittels einer Druckfeder (13) erzeugt wird.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das saugseitige Ventil (9) als Plattenventil in Membranbauweise ausgeführt ist.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventil im Stufenkolben (2, 3, 4) ein Kugelsitzventil (10) vorgesehen ist.
Dosierpumpe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Ventil im Stufenkolben ein Plattenventil vorgesehen ist.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung einer pulsierenden Förderung die Spannung am Piezostapeltranslator (6) so geführt wird, dass kein Verweilen des Kolbens in seinen Endlagen auftritt, wodurch ein nahezu pulsationsfreier Volumenstrom erzeugt wird.
Dosierpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Piezostapeltranslator (6) ein Sinussignal angelegt wird.
Dosierpumpe nach Anspmruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an den Piezostapeltranslator (6) ein Dreiecksignal angelegt wird.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der erreichbaren Zugkraft des Piezostapeltranslators (6) und dem damit verbundenen maximalen Förderdruck, der Piezostapeltranslators (6) mechanisch vorgespannt bzw. der Stufenkolben (2, 3, 4) federbelastet ist.
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Piezostapeltranslator (6) ein Ringpiezostapeltranslator vorgesehen ist..
Dosierpumpe nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (3, 4) mit Elastomerdichtungen abgedichtet sind.
Dosierpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtungen O-Ringe (16, 17) oder Quadringe sind.
Dosierpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Dichtungen elastisch verformbare Membranen sind.
Dosierpumpe nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenteile (3, 4) mit elastisch verformbaren Dichtungen aus Metall abgedichtet sind.
Dosierpumpe nach mindesten einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die durch das Fördermedium benetzten Bauteile aus einem korrosionsbeständigen Werkstoff ausgeführt sind.