DE102012012735B3

DE102012012735B3 - Piezoelektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe mit Squiggle-Motor zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen

Info

Publication number: DE102012012735B3
Application number: DE201210012735
Authority: DE
Inventors: Marco Menzer; Christoph Häusler
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2012-06-22
Filing date: 2012-06-22
Publication date: 2013-10-10
Anticipated expiration: 2032-06-23

Abstract

– Piezoelektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe (1) mit Squiggle-Motor (4) zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen, in Verbindung stehend mit einer Steuereinheit (34) und einer Energieversorgungseinheit (35) und zumindest umfassend – ein hohlräumiges Gehäuse (2), verschlossen mit einem oberen Deckel (7)/Verschluss und einem unteren Deckel (8)/Verschluss, – einen Kolben (3), der in einem kolbenführenden Zylinderbereich (22) eines Zylinders (43) innerhalb des Gehäuses (2) bewegt wird, – den eine für die lineare Kolbenbewegung vorgesehene Schubstange (6) aufweisenden Squiggle-Motor (4), der mit dem Kolben (3) in Kontakt steht, – einen Permanentmagnet (5), der Teil des Kolbens (3) ist, der eine sensorerfassbare magnetische Flussdichte aufweist, – einen zweigeteilten Verdichtungsraum (14), an dem der kolbenführende Zylinderbereich (22) endet, – einen Einlasskanal (13), der von der Außenseite des Gehäuses (2) zum kolbenführenden Zylinderbereich (22) führt, – einen Auslasskanal (16), der von der Außenseite des Gehäuses (2) zum kolbenführenden Zylinderbereich (22) führt, wobei der Einlasskanal (13) dem Verdichtungsraum (14) näher als der Auslasskanal (16) liegt, – einen Überstromkanal (17), der im Kolben (3) axial gerichtet von dem Verdichtungsraum (114) aus und im Kolben (3) mit zumindest einem offenen Seitenkanal (25, 26) in Richtung zu einer umfänglichen Nut (40) an der zylindrischen Oberfläche des Kolbens (3) geführt ist, wobei über die Nut (40) bei entsprechenden Stellungen des Kolbens (3) eine durchgängige Verbindung zum Einlasskanal (13) oder zum Auslasskanal (16) erreichbar ist, – einen Hallsensor (9), der den kolbenstellungsabhängigen Wert der jeweiligen magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten (5) in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (3) und somit die Stellung des Kolbens (3) erfasst ...

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe mit Squiggle-Motor zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen; wobei die Hubkolbenpumpe mit einer Steuereinheit und mit einer Energieversorgungseinheit in Verbindung steht.
Das ständige Streben nach Einsparung von Energie und Materialbedarf im Fahrzeug- und Maschinenbau verlangt zunehmend den Einsatz von funktionsintegriertem Leichtbau. Für integrierte Hydraulikaktoren ist es notwendig, den nötigen Betriebsdruck von ca. 1 bar bis 5 bar Überdruck bereitzustellen. Dies ist durch externe Pumpen möglich, für autonome Funktionsstrukturen aber nicht zweckmäßig. Zurzeit gibt es Pumpen, die sich zwar aufgrund ihrer Baugröße integrieren lassen, aber nicht den erforderlichen Druck bereitstellen können. Stellvertretend für die herkömmliche Pumpengestaltung sind piezoelektrische Mikropumpen, wie die PSS20 von Kippon Piezo gemäß der Druckschrift http://www.piezodata.com, Ladedatum: 27.02.2012: Piezoelectric Micro Pump PSS20, Datenblatt oder die Mikropumpe mp6 von Bartels-Mikrotechnik gemäß der Druckschrift http://www.bartels-mikrotechnik.de, Ladedatum: 01.03.2012: mp6 Mikropumpe zu nennen. Pumpen, die zwar den erforderlichen Druck erreichen, sind aufgrund ihrer Abmessungen zu groß. Hierzu zählen zum Beispiel Mikrozahnringpumpen von HNP Mikrosysteme GmbH gemäß der Druckschrift http://ww.hnp-mikrosysteme.de, Ladedatum: 07.03.2012 oder Membranpumpen von Sensor Technics gemäß der Druckschrift http://www.sensortechnics.com, Ladedatum: 07.03.2012.
Eine Kolbenpumpe ist in der Druckschrift DE 601 033 A beschrieben, wobei die Kolbenpumpe mit einem als Steuerorgan für die Saug- und Druckkanäle ausgebildeten Pumpenkolben und einem gleichachsig zu diesem angeordneten Speicherkolben, der bei Beendigung der Förderung mit dem Pumpenkolben in Berührung kommt, versehen ist.
Dabei besitzt der Speicherkolben einen kleineren Durchmesser als der Pumpenkolben und der Pumpenkolben führt seinen Saughub unter dem von der Feder hervorgerufenen Druck des Speicherkolbens aus, so dass während des Saughubs bis zum Beginn der Unterdrucksetzung der Flüssigkeit beide Kolben miteinander in Berührung bleiben und einen Stufenkolben bilden, wobei aber nach Beginn der Unterdrucksetzung der Flüssigkeit der Speicherkolben durch den Flüssigkeitsdruck von dem Pumpenkolben entfernt wird, bis er nach Eröffnung der Druckleitung durch den Pumpenkolben die Flüssigkeit in die Druckleitung verdrängt und sich schließlich wieder auf den Pumpenkolben setzt. Die Kolbenpumpe ist demnach aus vielen Komponenten aufgebaut. Die Kolbenpumpe hat unter anderem folgende Nachteile:

– Die Kolbenpumpe lässt sich nicht auf wesentlich geringe Dimensionen miniaturisieren und
– die gegensinnige Kraftwirkung von Arbeitskolben und Feder des Gegenkolbens minimiert die Leistungsfähigkeit der Kolbenpumpe.

Eine Verdrängungspumpe ist in der Druckschrift US 3 333 548 A beschrieben, wobei in der Verdrängungspumpe ein Kolben einen Einlasskanal öffnet, um Flüssigkeit in eine Pumpenkammer einzulassen, der Kolben dann den Einlasskanal schließt und den Druck auf ein Federelement erhöht. Später wird ein Ausgangskanal derart geöffnet, dass die Rückwärtsbewegung des Federelementes die Flüssigkeit aus der Pumpenkammer durch den Auslasskanal hindurch ausstößt.
Die Verdrängungspumpe enthält einen Gegenkolben und eine Feder.
Ein Problem der Verdrängungspumpe ist die auftretende Reibung zwischen Gegenkolben und Gehäuse, wobei die Reibung den Wirkungsgrad der Pumpe vermindert.
Zudem vergrößert der Einsatz der zwei Komponenten (Gegenkolben und Feder) das Bauvolumen, was einer Miniaturisierung entgegenwirkt.
Weiterhin ist aufgrund der Trägheit des massebehafteten Gegenkolbens die Dynamik in Richtung von hohen Frequenzen begrenzt, d. h. hohe Fördermengen sind nicht möglich.
Eine volumetrische Mikropumpe ist in der Druckschrift EP 2 140 892 A1 beschrieben, wobei die Mikropumpe

– einen Vorratsbehälter zum Aufnehmen einer Menge von Fluid und
– eine Pumpe zum Abziehen von Fluid aus dem Vorratsbehälter und Zuführen des Fluids zum Auslass,
– wobei die Pumpe eine Pumpenkammer umfasst, die einen Einlass in Fluidverbindung mit dem Vorratsbehälter hat, und einen Kolben umfasst, der einen Teil mit einer größeren Querschnittsfläche und einen Teil einer kleineren Querschnittsfläche hat, der durch eine Wand der Pumpenkammer läuft.

Dabei

– ist der Vorratsbehälter ein flexibler Vorratsbehälter,
– hat der Einlass ein Rückschlagventil zum Verhindern des Eintritts von Fluid aus der Pumpenkammer in den flexiblen Vorratsbehälter,
– hat die Pumpenkammer einen Auslass zur Fluidverbindung und ein Rückschlagventil, das darin zum Verhindern des Eintritts von Fluid in die Pumpenkammer angeordnet ist, und
– läuft der Teil des Kolbens mit einer größeren Querschnittsfläche auch durch eine Wand der Pumpenkammer derart, wobei die Bewegung des Kolbens bewirkt, dass die Menge des einen der Teile des Kolbens, der innerhalb der Pumpenkammer angeordnet ist, sich vergrößert und die Menge des anderen der Teile sich verringert, um das Volumen des Fluids, das aus dem flexiblen Vorratsbehälter abgezogen und über den Auslass zur medizinischen Infusionsvorrichtung ausgestoßen wird, zu steuern.

Ein Problem der volumetrischen Mikropumpe sind die eingebauten Ventile. Das heißt, es sind wesentlich mehr Komponenten notwendig, um eine Mikropumpe herzustellen. Dies erhöht einerseits die Kosten, andererseits steigt das Bauvolumen aufgrund der Integration der vielen Ventile.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine piezoelektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe mit Squiggle-Motor zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen anzugeben, die derart geeignet ausgebildet ist, dass sowohl die Abmessungen der Hubkolbenpumpe wesentlich verringert werden als auch der mit ihr erzeugbare erforderlichen Druck der Flüssigkeit sowie von Flüssigkeit und Gas, die auch gemeinsam gefördert werden können, zum Betrieb der Funktionsstrukturen erhöht werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Die piezoelektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe mit Squiggle-Motor zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen steht in Verbindung mit einer Steuereinheit und einer Energieversorgungseinheit und umfasst gemäß Patentanspruch 1 zumindest

– ein hohlräumiges Gehäuse, verschlossen mit einem oberen Decke/Verschluss und einem unteren Deckel/Verschluss,
– einen Kolben, der in einem kolbenführenden Zylinderbereich eines Zylinders innerhalb des Gehäuses bewegt wird,
– den eine für die lineare Kolbenbewegung vorgesehene Schubstange aufweisenden Squiggle-Motor, der mit dem Kolben in Kontakt steht,
– einen Permanentmagnet, der Teil des Kolbens ist, der eine sensorerfassbare magnetische Flussdichte aufweist,
– einen zweigeteilten Verdichtungsraum, an dem der kolbenführende Zylinderbereich endet,
– einen Einlasskanal, der von der Außenseite des Gehäuses zum kolbenführenden Zylinderbereich führt,
– einen Auslasskanal, der von der Außenseite des Gehäuses zum kolbenführenden Zylinderbereich führt, wobei der Einlasskanal dem Verdichtungsraum näher als der Auslasskanal liegt,
– einen Überströmkanal, der im Kolben axial gerichtet von dem Verdichtungsraum aus und im Kolben mit zumindest einem offenen Seitenkanal in Richtung zu einer umfänglichen Nut an der zylindrischen Oberfläche des Kolbens geführt ist, wobei über die Nut bei entsprechenden Stellungen des Kolbens eine durchgängige Verbindung zum Einlasskanal oder zum Auslasskanal erreichbar ist,
– einen Hallsensor, der den kolbenstellungsabhängigen Wert der jeweiligen magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens und somit die Stellung des Kolbens erfasst,
– eine Druckfeder, die zwischen Kolben und Squiggle-Motor angeordnet ist und eine zum Betrieb des Squiggle-Motors erforderliche Vorspannung realisiert, und
– eine Membran, die den Verdichtungsraum in einen oberen Raumteil und einen unteren Raumteil teilt, wobei der obere Raumteil für die Flüssigkeit und der untere Raumteil für Gas vorgesehen sind,

Der Permanentmagnet des Kolbens weist den Kontakt zur Schubstange des Squiggle-Motors auf.
Die umfängliche Nut/Ringnut des Kolbens ermöglicht je nach Stellung des Kolbens einen offenen Anschluss vom Seitenkanal aus zum Einlasskanal oder einen offenen Anschluss vom Seitenkanal aus zum Auslasskanal zur Herstellung einer Strömungsverbindung vom Verdichtungsraum aus zur Umgebung.
Das hohlräumige Gehäuse kann im Wesentlichen mehrere Hohlräume:

– einen Einbauraum für den Squiggle-Motor,
– einen Zylinderbereich zur Führung der der Druckfeder zugeordneten Schubstange,
– den kolbenführenden Zylinderbereich und
– den zweigeteilten Verdichtungsraum.

Die beiden Deckel können mittels Verschraubungen am hohlräumigen Gehäuse befestigt sein.
Der Permanentmagnet kann an der oberen Fläche des Kolbens befestigt sein und kann sich mit dem Kolben bewegen.
Der Permanentmagnet weist einen kleineren Durchmesser als der Kolben und als der Zylinder auf.
Der auf der oberen Fläche des Kolbens befindliche Permanentmagnet kann einen magnetumfänglichen, radial zur Kolbenachse gerichteten Vorsprung/Ringvorsprung zur unteren endseitigen Stützung der Druckfeder aufweisen.
Die beiden Zylinderbereiche gehen zum Zylinder ineinander über und weisen denselben Durchmesser auf, um eine Mitbewegung des Permanentmagneten mit dem Kolben zu ermöglichen.
Der Hallsensor kann vorzugsweise im unteren Teil des Gehäuses, insbesondere im unteren Deckel/Verschluss eingebracht sein. Wesentlich ist es, dass der Hallsensor innerhalb der Reichweite der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten angeordnet ist.
Der Squiggle-Motor weist eine als Schubstange dienende Gewindestange/Welle auf, die in linearer axialer Richtung des Gehäuses piezoelektrisch bewegt wird und die durch den Kontakt mit dem am Kolben befestigten Permanentmagneten den Kolben im Zylinderbereich bewegt.
In die untere Fläche des Kolbens kann der Überstromkanal in den Kolben eintreten und axial zur Kolbenachse innerhalb des Kolbens verlaufen, bis der Überstromkanal in zumindest einen radial gerichteten Seitenkanal abgebogen ist, der an eine an der Oberfläche des Kolbens befindliche umfängliche Nut/Ringnut geführt ist.
Der Punktkontakt kann zwischen dem unteren Ende der Schubstange und der zur Schubstange gerichteten Oberfläche des Permanentmagneten vorhanden sein.
Der untere Raumteil des Verdichtungsraumes kann ein mit Gas befülltes Ausgleichsvolumen bilden.
Das Gehäuse der Hubkolbenpumpe kann zylindrisch ausgebildet sein.
Eine Dichtung zwischen Kolben und dem kolbenführenden Zylinderbereich des Gehäuses kann durch eine enge Spielpassung in Verbindung mit einem dünnen Ölfilm realisiert sein.
Die Steuereinheit kann mit der Energieversorgungseinheit über eine Leitung verbunden sein sowie Leitungen zum Squiggle-Motor als auch Leitungen zum Hallsensor aufweisen.
Die Hubkolbenpumpe kann im Miniaturformat ausgebildet sein, wobei die Abmessungen der Hubkolbenpumpe ca. 35 mm in der Länge und 10 mm im Durchmesser betragen, wobei eine weitere Miniaturisierung in Länge und in Durchmesser möglich ist.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe erläutert.
Der Kolben befindet sich, wie oben beschrieben, in dem kolbenführenden Zylinderbereich innerhalb des Gehäuses des Kompressors, wobei der Kolben in linearer axialer Richtung bewegt wird.
Befindet sich der Kolben am oberen Totpunkt, so ist der Einlasskanal geöffnet und Fluid bzw. Frischgas strömt in den Verdichtungsraum. Im folgenden Schritt wird der Kolben nach unten gedrückt. Dabei schließt der Einlasskanal und das Fluid/Gas im Verdichtungsraum wird komprimiert. Der Komprimierungs-Vorgang geschieht solange, bis der Kolben am unteren Totpunkt angekommen ist. In der unteren Totpunkt-Stellung des Kolbens ist der Auslasskanal geöffnet und das komprimierte Fluid/Gas wird über den im Kolben befindlichen Überströmkanal mit Seitenkanal/mit Seitenkanälen sowie dem im Gehäuse befindlichen Auslasskanal ausgestoßen. Ist der Ausstoß-Vorgang beendet, wird der Kolben wieder nach oben gezogen. Dabei wird der Auslasskanal geschlossen und im Verdichtungsraum entsteht ein Unterdruck. Die Membran wölbt sich nach oben. Befindet sich der Kolben wieder am oberen Totpunkt, wird der Einlasskanal geöffnet und es findet ein Druckausgleich zwischen dem Verdichtungsraum und der Umgebung statt.
Nun beginnt der Vorgang erneut.
Wird der Kolben über den oberen Totpunkt hinaus bewegt und hat die Kolbenunterkante ihre Stellung auch über dem Auslasskanal, so dass gleichzeitig Einlasskanal und Auslasskanal geöffnet sind, besteht die Möglichkeit, einen Druckausgleich zwischen dem Einlasskanal und dem Auslasskanal herzustellen
Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird mittels eines Ausführungsbeispieles anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe in perspektivischer Darstellung bei einer Stellung des Kolbens, bei der sowohl Einlasskanal und Auslasskanal verschlossen sind, sowie eine schematische Verbindung des Kompressors mit einer Steuereinheit und einer zugehörigen Energieversorgungseinheit,
2a eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe mit einer Position des Kolbens am oberen Totpunkt,
2b eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe mit einer Bewegungs-Position des Kolbens auf dem Wege nach unten,
2c eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe mit einer Position des Kolbens am unteren Totpunkt,
2d eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe mit einer Position des Kolbens über dem unteren Totpunkt auf dem Wege nach oben und
2e eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe mit einer Position des Kolbens über dem oberen Totpunkt hinaus und oberhalb des Auslasskanals mit einem Druckausgleich zwischen Einlasskanal und Auslasskanal.
Im Folgenden werden die 1 und alle 2 gemeinsam betrachtet.
In 1 ist ein Aufbau einer erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1 zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen in einer perspektivischen Darstellung gezeigt, wobei die Hubkolbenpumpe 1 mit einer Steuereinheit 34 und mit einer Energieversorgungseinheit 35 in Verbindung steht und zumindest umfasst

– ein hohlräumiges Gehäuse 2, verschlossen mit einem oberen Deckel 7 und einem unteren Deckel 8,
– einen Kolben 3, der in einem kolbenführenden Zylinderbereich 22 eines Zylinders 43 innerhalb des Gehäuses 2 bewegt wird,
– einen eine für die lineare Kolbenbewegung vorgesehene Schubstange 6 aufweisenden Squiggle-Motor 4, der mit dem Kolben 3 in Kontakt steht,
– einen Permanentmagnet 5, der Teil des Kolbens 3 ist, der eine sensorerfassbare magnetische Flussdichte aufweist,
– einen zweigeteilten Verdichtungsraum 14, an dem der kolbenführende Zylinderbereich 22 endet,
– einen Einlasskanal 13, der von der Außenseite des Gehäuses 2 zum kolbenführenden Zylinderbereich 22 führt,
– einen Auslasskanal 16, der von der Außenseite des Gehäuses 2 zum kolbenführenden Zylinderbereich 22 führt, wobei der Einlasskanal 13 dem Verdichtungsraum 14 näher als der Auslasskanal 16 liegt,
– einen Überströmkanal 17, der im Kolben 3 axial gerichtet von dem Verdichtungsraum 14) aus und im Kolben 3 mit zumindest einem offenen Seitenkanal 25, 26 in Richtung zu einer umfänglichen Nut/Ringnut 40 an der zylindrischen Oberfläche des Kolbens 3 geführt ist, wobei über die Nut 40 bei entsprechenden Stellungen des Kolbens 3 eine durchgängige Verbindung zum Einlasskanal 13 oder zum Auslasskanal 16 erreichbar ist,
– einen Hallsensor 9, der den kolbenstellungsabhängigen Wert der jeweiligen magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten 5 in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens 3 und somit die Stellung des Kolbens 3 erfasst,
– eine Druckfeder 10, die zwischen Kolben 3 und Squiggle-Motor 4 angeordnet ist und eine zum Betrieb des Squiggle-Motors 4 erforderliche Vorspannung realisiert, und
– eine Membran 19, die den Verdichtungsraum 14 in einen oberen Raumteil 21 und einen unteren Raumteil 20 teilt, wobei der obere Raumteil 21 für die Flüssigkeit und der untere Raumteil 20 für Gas vorgesehen sind.

Der Permanentmagnet 5 des Kolbens 3 weist den Kontakt 11 zur Schubstange/Gewindestange/Welle 6 des Squiggle-Motors 4 auf.
Die umfängliche Nut/Ringnut 40 des Kolbens 3 ermöglicht je nach Stellung des Kolbens 3 einen offenen Anschluss vom Seitenkanal 25, 26 aus zum Einlasskanal 13 oder einen offenen Anschluss vom Seitenkanal 25, 26 aus zum Auslasskanal 16 zur Herstellung einer Strömungsverbindung vom Verdichtungsraum 14 aus zur Umgebung 18.
Die Ringnut 40 hebt bei einer Verdrehung des Kolbens 3 im Zylinder 43 eine Beeinträchtigung der linearen Kolbenbewegung und von der linearen Kolbenbewegung zugeordneten Kolbenfunktionen auf.
Das hohlräumige Gehäuse 2 umfasst im Wesentlichen mehrere Hohlräume:

– einen Einbauraum 32 für den Squiggle-Motor 4,
– einen Zylinderbereich 33 zur Führung der der Druckfeder 10 zugeordneten Schubstange 6,
– den kolbenführenden Zylinderbereich 22 und
– den zweigeteilten Verdichtungsraum 14,

32

33

22

14

41

22

33

43

Die beiden Deckel 7, 8 können mittels Verschraubungen (nicht eingezeichnet) am hohlräumigen Gehäuse 2 befestigt sein. Anstelle der Deckel 7, 8 können andere Verschlüsse vorgesehen sein. Z. B. kann anstelle eines abgedichteten unteren Deckels 8 das Raumteil 20 als ein Einheitsteil ohne Deckel ausgebildet sein.
Der Permanentmagnet 5 kann an der oberen Fläche 29 des Kolbens 3 befestigt und bewegt sich mit dem Kolben 3.
Der Permanentmagnet 5 hat einen kleineren Durchmesser als der Kolben 3 und als der Zylinder 43, wobei als Zylinder 43/Zylinderbereiche 22, 33 die Räume definiert sind, in denen sich der Kolben 3 und/oder die Schubstange 6 bewegen.
Der auf der oberen Fläche 29 des Kolbens 3 befindliche Permanentmagnet 5 kann einen magnetumfänglichen, radial zur Kolbenachse 24 gerichteten Vorsprung/Ringvorsprung 44 zur unteren endseitigen Stützung der Druckfeder 10 aufweisen. Ohne den Ringvorsprung 44 kann das untere Ende der Druckfeder 10 auf der oberen Fläche 27 des Kolbens 3 aufliegen.
Die beiden Zylinderbereiche 22, 33 gehen zum Zylinder 43 ineinander über und weisen denselben Durchmesser auf, um eine Mitbewegung des Permanentmagneten 5 mit dem Kolben 3 zu ermöglichen.
Der Hallsensor 9 ist vorzugsweise im unteren Teil des Gehäuses 2, insbesondere im unteren Deckel 8/Verschluss eingebracht, kann aber auch in anderen Teilen des Gehäuses 2 eingebracht sein. Wesentlich ist es, dass er innerhalb der Reichweite der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten 5 angeordnet ist.
Der Squiggle-Motor 4 arbeitet nach dem piezoelektrischen Ultraschallprinzip, wobei der Squiggle-Motor 4 eine als Schubstange 6 dienende Gewindestange/Welle aufweist, die in linearer axialer Richtung des Gehäuses 2 piezoelektrisch bewegt wird und die durch den Kontakt mit dem am Kolben 3 befestigten Permanentmagneten 5 den Kolben 3 im Zylinderbereich 22 bewegt.
Die die Vorspannung aufweisende Druckfeder 10 zwischen Kolben 3 und Motorgehäuse 31 ist derart realisiert, dass sich das eine obere Ende 29 der Druckfeder 10 am unteren Teil des Antriebsgehäuses 31 des Squiggle-Motors 4 und sich das andere, dem oberen Ende gegenüberliegende untere Ende 30 der Druckfeder 10 auf der oberen Fläche 27 des Kolbens 3, auf der auch der Permanentmagnet 5 befestigt ist, befinden.
In die untere Fläche 28 des Kolbens 3 der Überstromkanal 17 in den Kolben 3 eintritt und axial zur Kolbenachse 24 innerhalb des Kolbens 3 verläuft, bis der Überstromkanal 17 in zumindest einen radial gerichteten Seitenkanal 25, 26 abgebogen ist, der an eine an der Oberfläche des Kolbens 3 befindliche umfängliche Nut/Ringnut 40 geführt ist.
Der Kontakt 11 zwischen dem unterem Ende der Schubstange/Gewindestange/Welle 6 des Squiggle-Motors 4 und dem Permanentmagneten 5 ist ein Punktkontakt, wobei die Schubstange/Gewindestange/Welle 6 momentenfrei gelagert ist.
Der Punktkontakt 11 ist zwischen dem unteren Ende der Schubstange/Gewindestange/Welle 6 und der zur Schubstange/Gewindestange/Welle 6 gerichteten Oberfläche des Permanentmagneten 5 vorhanden.
Der untere Raumteil 20 des Verdichtungsraumes 14 bildet ein mit Gas befülltes Ausgleichsvolumen.
Das Gehäuse 2 der Hubkolbenpumpe 1 ist zylindrisch ausgebildet.
Eine Dichtung zwischen Kolben 3 und dem kolbenführenden Zylinderbereich 22 des Gehäuses 2 ist durch eine enge Spielpassung in Verbindung mit einem dünnen Ölfilm realisiert.
Die Hubkolbenpumpe 1 ist vorzugsweise in Miniaturformat ausgebildet, wobei die Abmessungen der Hubkolbenpumpe 1 ca. 35 mm in der Länge und 10 mm im Durchmesser betragen, wobei eine weitere Miniaturisierung in Länge und in Durchmesser möglich ist.
Der Kontakt 11 zwischen dem Ende der Gewindestange 6 des Squiggle-Motors 4 und dem Permanentmagneten 5 stellt einen Punktkontakt wegen einer notwendigen Momentenfreiheit für die Gewindestange/Welle des Squiggle-Motors dar.
In 1 ist außerdem neben dem Aufbau der Hubkolbenpumpe 1 die damit in Verbindung stehenden Steuereinheit 34 und die zugehörige Energieversorgungseinheit 35 schematisch dargestellt. Die Steuereinheit 34 ist mit der Energieversorgungseinheit 35 über eine energieversorgungstechnische Leitung 37 verbunden sowie weist signaltechnische und energieversorgungstechnische Leitungen 38 zum Squiggle-Motor 4 als auch signaltechnische und energieversorgungstechnische Leitungen 39 zum Hallsensor 9 auf.
Die Erfindung betrifft im Wesentlichen somit eine Hubkolbenpumpe 1 im Miniaturformat. Die Hubkolbenpumpe 1 enthält einen Kolben 3, der in den angegebenen 1 und 2a bis 2e in einem Gehäuse 2 bewegt wird. Als Antrieb 4 wird ein Squiggle-Motor gemäß der Druckschrift http://www.newscaletech.com, Ladedatum: 20.09.2010: SQL-3-4_Motor_datasheet.pdf verwendet, der nach dem piezoelektrischen Ultraschallprinzip arbeitet.
Der Kolben 3 wird in dem innerhalb des Gehäuses 2 befindlichen kolbenführenden Zylinderbereich 22 geführt.
Die Kopplung zwischen Squiggle-Motor 4 und Kolben 3 wird durch den am Kolben 3 befestigten Permanentmagneten 5 realisiert, der die Verbindung zur Gewindestange 6 des Antriebs 4 über die Magnetkraft sicherstellt. Der Vorteil dieser Verbindung ist der Punktkontakt 11 zwischen dem unteren Ende der Gewindestange 6 und der zur Gewindestange 6 gerichteten Oberfläche des Permanentmagneten 5. Der Punktkontakt 11 ist notwendig, da der Squiggle-Motor 4 kein Drehmoment übertragen kann und als Linearmotor nur Kräfte in axialer Richtung generiert. Die für die Ansteuerung notwendige Position des Kolbens 3 wird über einen im unteren Deckel 8 angebrachten Hallsensor 9 ermittelt, der den kolbenstellungsabhängigen Wert der magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten 5 und somit die entsprechende Stellung des Kolbens 3 erfasst.
Der obere Deckel 7 und der untere Deckel 8 können durch Verschraubungen am Längskörper des Gehäuses 2 befestigt sein, wobei der obere Deckel 7 den im Gehäuse 2 befindlichen Einbauraum 32 für den Squiggle-Motor 4 und der untere Deckel 8 den Verdichtungsraum 14 verschließen.
Die Druckfeder 10 zwischen Kolben 3 und Squiggle-Motor 4 realisiert die zum Betrieb des Squiggle-Motors 4 erforderliche Vorspannung. Dabei befindet sich das eine obere Ende 29 der Druckfeder 10 am unteren Teil des Gehäuses 31 des Squiggle-Motors 4 und das andere untere Ende 30 der Druckfeder 10 auf der oberen Fläche 27 des Kolbens 3, auf der auch der Permanentmagnet 5 befestigt ist.
Die Druckfeder 10 befindet sich also zwischen Kolben 3 und Antriebsgehäuse 31 und dient der zum effektiven Betrieb des Squiggle-Motors 4 notwendigen Vorspannung zwischen Squiggle-Motor-Welle 6 und Squiggle-Motorgehäuse 31. Hierbei wird die Feder 10 im vorgespannten, d. h. zusammengedrückten Zustand in axialer Richtung in die Hubkolbenpumpe 1 eingebaut, sodass die Feder 10 sowohl am oberen Totpunkt 12 als auch am unteren Totpunkt 15 eine ausreichende Kraft in Längsrichtung auf die Gewindestange/Welle 6 ausübt. Dabei darf es aber keinen Kontakt zwischen Welle 6 und Feder 10 geben, da sonst über das entstehende Reibmoment die Funktion des Squiggle-Motors 4 nicht mehr gegeben ist.
In die untere Fläche 28 des Kolbens 3, die zum Verdichtungsraum 14 gerichtet ist, tritt der Überstromkanal 17 in den Kolben 3 ein und verläuft axial zur Kolbenachse 24, bis der Überstromkanal 17 innerhalb des Kolbens 3 in zumindest einen abgebogenen Seitenkanal geführt ist, d. h. in 1 der Überströmkanal 17 sich in zwei radial gerichtete Seitenkanäle 25, 26 teilt, die in einen an der Oberfläche des Kolbens 3 befindliche umfängliche Nut mündet/münden. Der Kolben 3 ist axial frei drehbar und mit der umfänglichen Nut versehen, so dass die Seitenkanäle 25, 26 sich nicht zwingend in Richtung des Einlasskanals 13 bzw. des Auslasskanals 16 zeigen müssen. Dabei stellt die obere Fläche 27 des Kolbens 3, an der auch der Permanentmagnet 5 befestigt ist, eine geschlossene Fläche dar.
Der untere Teil der Hubkolbenpumpe, der den Verdichtungsraum 14 darstellt, wird durch die Membran 19 zweigeteilt. Da Flüssigkeiten nicht kompressibel sind, ist das mit Gas befüllte Ausgleichsvolumen im unteren Raumteil 20 des Verdichtungsraumes 14 erforderlich.
In 2a ist eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1 mit einer Position des Kolbens 3 am oberen Totpunkt 12, aber ohne den Punktkontakt mit der Gewindestange 6 des als Linearantrieb fungierenden Squiggle-Motors 4 gezeigt.
In 2b ist eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe 1 nach 1 und 2a mit einer Bewegungs-Position des Kolbens 3 auf dem Wege nach unten gerichtet in Richtung zum Verdichtungsraum 14, aber ohne den Punktkontakt 11 mit der Gewindestange 6 des als Linearantrieb fungierenden Squiggle-Motors 4 gezeigt.
In 2c ist eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe 1 gemäß 1 und 2b mit einer Position des Kolbens 3 am unteren Totpunkt 15, aber ohne den Punktkontakt 11 mit der Gewindestange 6 des als Linearantrieb fungierenden Squiggle-Motors 4 gezeigt.
In 2d ist eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe 1 mit einer Position des Kolbens 3 oberhalb des unteren Totpunktes 15 nach 2c gezeigt.
In 2e ist eine perspektivische Darstellung der unteren Hälfte der Hubkolbenpumpe 1 mit einer Position des Kolbens 3 über den oberen Totpunkt 12 hinaus oberhalb des Auslasskanals 16 mit einem Druckausgleich zwischen Einlasskanal 13 und Auslasskanal 16 nach 2d gezeigt.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1 gemäß der 2a, 2b, 2c, 2d und 2e erläutert.
Der Kolben 3 befindet sich in dem kolbenführenden Zylinder 22 innerhalb des Gehäuses 2 der Hubkolbenpumpe 1, in der der Kolben 3 in linearer axialer Richtung längs der Kolbenachse 24 durch die als Schubstange 6 wirkende Gewindestange des Squiggle-Motors 4 bewegt wird, am oberen Totpunkt 12 (2a). Somit ist der Einlasskanal 13 geöffnet und das Fluid strömt in den oberen Raumteil 21 des Verdichtungsraumes 14. Im folgenden Schritt (2b) wird der Kolben 3 nach unten in Richtung zum Verdichtungsraum 14 bewegt. Dabei wird der Einlasskanal 13 geschlossen. Das Gas im unteren Raumteil 20 des Verdichtungsraumes 14 wird komprimiert. Der Komprimierungs-Vorgang, verbunden mit der Wölbung der Membran 19, geschieht solange, bis die Kolbenunterkante 36 des Kolbens 3 am unteren Totpunkt 15 (2c) angekommen ist. In der dem unteren Totpunkt 15 zugeordneten Stellung des Kolbens 3 ist der Auslasskanal 16 geöffnet und der Einlasskanal 13 geschlossen. Das komprimierte Gas im unteren Raumteil 20 des Verdichtungsraumes 14 drückt das Fluid über den im Kolben 3 befindlichen Überströmkanal 17 sowie über den Auslasskanal 16 nach außen. Ist dieser Ausstoß-Vorgang beendet, wird der Kolben 3 wieder nach oben in Richtung zum Squiggle-Motor 4 gezogen (2c). Dabei wird der Auslasskanal 16 geschlossen und im oberen Raumteil 21 und im unteren Raumteil 20 des Verdichtungsraumes 14 entsteht ein Unterdruck. Die im Verdichtungsraum 14 befindliche Membran 19 wölbt sich nach oben in Richtung zum Squiggle-Motor 4. Befindet sich die Kolbenunterkante 36 des Kolbens 3 wieder am oberen Totpunkt 12 (2a), wird der Einlasskanal 13 geöffnet und es findet ein Druckausgleich zwischen dem oberen Teil 21 des Verdichtungsraumes 14 und der Umgebung 18 statt.
Nun beginnt der Vorgang erneut.
Die Kolbenunterkante 36 stellt dabei die seitliche Ansicht der unteren Fläche 28 des Kolbens 3 dar.
Wird die Kolbenunterkante 36 des Kolbens 3 über den oberen Totpunkt 12 hinaus bis zumindest in die Position 23 über den Auslasskanal 16 bewegt (2e), so dass gleichzeitig Einlasskanal 13 und Auslasskanal 16 geöffnet sind, besteht die Möglichkeit, einen Druckausgleich zwischen dem Einlasskanal 13 und dem Auslasskanal 16 herzustellen.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 1 bestehen

– zum Einen in der Miniaturisierung der Baugröße (L × D ca. 35 × 10 mm²) in Verbindung mit der Generierung von großen – im Vergleich zu anderen Pumpen ähnlicher Baugröße – Drücken (bis zu 5 bar). Damit lässt sich die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe 1 direkt in eine Funktionsstruktur einbinden und die Verwendung externer Pumpen entfällt.
– Zum Anderen arbeitet die Hubkolbenpumpe 1 völlig ventilfrei. Das erspart den Einsatz von zusätzlichen und vor allem sehr kleinen Komponenten, was die Herstellungskosten erheblich senkt und Wartungsarbeiten minimiert.
– Des Weiteren wird die Dichtung zwischen Kolben 3 und dem kolbenführenden Zylinderbereich 22 des Gehäuses 2 durch eine enge Spielpassung in Verbindung mit einem dünnen Ölfilm realisiert. Das bewirkt, dass die gegeneinander bewegten Teile – insbesondere der Kolben 3 und der kolbenführende Zylinderbereich 22 – nahezu reibungsfrei gleiten und die Verlustenergie deutlich minimiert wird.

Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Gehäuse
3: Kolben
4: Squiggle-Motor
5: Permanentmagnet
6: Schubstange des Squiggle-Motors
7: Oberer Deckel/Verschluss
8: Unterer Decke/Verschluss
9: Hallsensor
10: Druckfeder
11: Punktkontakt/Kontakt
12: Oberer Totpunkt
13: Einlasskanal
14: Verdichtungsraum
15: Unterer Totpunkt
16: Auslasskanal
17: Überströmkanal
18: Umgebung
19: Membran
20: Unterer Raumteil des Verdichtungsraumes
21: Oberer Raumteil des Verdichtungsraumes
22: Kolbenführender Zylinderbereich
23: Position des Kolbens für den Druckausgleich
24: Kolbenachse
25: ein erster Seitenkanal
26: ein zweiter Seitenkanal
27: obere Fläche
28: untere Fläche
29: oberes Ende der Druckfeder
30: unteres Ende der Druckfeder
31: Motorgehäuse
32: Einbauraum
33: Zylinderbereich für die druckfederbezogene Schubstange
34: Steuereinheit
35: Energieversorgungseinheit
36: Kolbenunterkante
37: Leitung
38: Leitung
39: Leitung
40: Umlaufende Nut/Ringnut
41: Gehäuseachse
43: Zylinder
44: Umlaufender Vorsprung/Ringvorsprung

Claims

Piezoelektrisch angetriebene Hubkolbenpumpe (1) mit Squiggle-Motor (4) zum Einbau in autonome Funktionsstrukturen, in Verbindung stehend mit einer Steuereinheit (34) und einer Energieversorgungseinheit (35) und zumindest umfassend – ein hohlräumiges Gehäuse (2), verschlossen mit einem oberen Deckel (7)/Verschluss und einem unteren Deckel (8)/Verschluss, – einen Kolben (3), der in einem kolbenführenden Zylinderbereich (22) eines Zylinders (43) innerhalb des Gehäuses (2) bewegt wird, – den eine für die lineare Kolbenbewegung vorgesehene Schubstange (6) aufweisenden Squiggle-Motor (4), der mit dem Kolben (3) in Kontakt steht, – einen Permanentmagnet (5), der Teil des Kolbens (3) ist, der eine sensorerfassbare magnetische Flussdichte aufweist, – einen zweigeteilten Verdichtungsraum (14), an dem der kolbenführende Zylinderbereich (22) endet, – einen Einlasskanal (13), der von der Außenseite des Gehäuses (2) zum kolbenführenden Zylinderbereich (22) führt, – einen Auslasskanal (16), der von der Außenseite des Gehäuses (2) zum kolbenführenden Zylinderbereich (22) führt, wobei der Einlasskanal (13) dem Verdichtungsraum (14) näher als der Auslasskanal (16) liegt, – einen Überstromkanal (17), der im Kolben (3) axial gerichtet von dem Verdichtungsraum (114) aus und im Kolben (3) mit zumindest einem offenen Seitenkanal (25, 26) in Richtung zu einer umfänglichen Nut (40) an der zylindrischen Oberfläche des Kolbens (3) geführt ist, wobei über die Nut (40) bei entsprechenden Stellungen des Kolbens (3) eine durchgängige Verbindung zum Einlasskanal (13) oder zum Auslasskanal (16) erreichbar ist, – einen Hallsensor (9), der den kolbenstellungsabhängigen Wert der jeweiligen magnetischen Flussdichte des Permanentmagneten (5) in Abhängigkeit von der Stellung des Kolbens (3) und somit die Stellung des Kolbens (3) erfasst, – eine Druckfeder (10), die zwischen Kolben (3) und Squiggle-Motor (4) angeordnet ist und eine zum Betrieb des Squiggle-Motors (4) erforderliche Vorspannung realisiert, und – eine Membran (19), die den Verdichtungsraum (14) in einen oberen Raumteil (21) und einen unteren Raumteil (20) teilt, wobei der obere Raumteil (21) für die Flüssigkeit und der untere Raumteil (20) für Gas vorgesehen sind, wobei der Squiggle-Motor (4) die Schubstange (6) in linearer axialer Richtung des Gehäuses (2) piezoelektrisch bewegt und die Schubstange (6) durch den Kontakt mit dem am Kolben (3) befestigten Permanentmagneten (5) den Kolben (3) im Zylinderbereich (22) bewegt, wobei der Kontakt (11) zwischen der Schubstange (6) des Squiggle-Motors (4) und dem Kolben (3) ein momentenfreier Punktkontakt ist und wobei die die Vorspannung aufweisende Druckfeder (10) zwischen Kolben (3) und Antriebsgehäuse (31) des Squiggle-Motors (4) derart realisiert ist, dass sich das eine obere Ende (29) der Druckfeder (10) am unteren Teil des Antriebsgehäuses (31) und sich das andere, dem oberen Ende gegenüberliegende untere Ende (30) der Druckfeder (10) auf der oberen Fläche (27) des Kolbens (3) befinden.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (5) des Kolbens (3) den Kontakt (11) zur Schubstange (6) des Squiggle-Motors (4) aufweist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die umfängliche Nut/Ringnut (40) des Kolbens (3) je nach Stellung des Kolbens (3) einen offenen Anschluss vom Seitenkanal (25, 26) aus zum Einlasskanal (13) oder einen offenen Anschluss vom Seitenkanal (25, 26) aus zum Auslasskanal (16) zur Herstellung einer Strömungsverbindung vom Verdichtungsraum (14) aus zur Umgebung (18) ermöglicht.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hohlräumige Gehäuse (2) im Wesentlichen mehrere Hohlräume: – einen Einbauraum (32) für den Linearantrieb (4), – einen Zylinderbereich (33) zur Führung der der Druckfeder (10) zugeordneten Schubstange (6), – den kolbenführenden Zylinderbereich (22) und – den zweigeteilten Verdichtungsraum (14). umfasst, wobei die Hohlräume (32, 33, 22, 14) in dieser Reihenfolge längs der Gehäuseachse (41) miteinander in Verbindung stehen und die beiden Zylinderbereiche (22, 33) den durchgängigen Zylinder (43) bilden.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Deckel (7, 8) mittels Verschraubungen am hohlräumigen Gehäuse (2) befestigt sind.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (5) an der oberen Fläche (29) des Kolbens (3) befestigt ist und sich mit dem Kolben (3) bewegt.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (5) einen kleineren Durchmesser als der Kolben (3) und als der Zylinder (43) aufweist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der auf der oberen Fläche (29) des Kolbens (3) befindliche Permanentmagnet (5) einen magnetumfänglichen, radial zur Kolbenachse (24) gerichteten Vorsprung/Ringvorsprung (44) zur unteren endseitigen Stützung der Druckfeder (10) aufweist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Zylinderbereiche (22, 33) zum Zylinder (43) ineinander übergehen und denselben Durchmesser aufweisen, um eine Mitbewegung des Permanentmagneten (5) mit dem Kolben (3) zu ermöglichen.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hallsensor (9) vorzugsweise im unteren Teil des Gehäuses (2), insbesondere im unteren Deckel (8)/Verschluss eingebracht ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die untere Fläche (28) des Kolbens (3) der Überstromkanal (17) in den Kolben (3) eintritt und axial zur Kolbenachse (24) innerhalb des Kolbens (3) verläuft, bis der Überstromkanal (17) in zumindest einen radial gerichteten Seitenkanal (25, 26) abgebogen ist, der an eine an der Oberfläche des Kolbens (3) befindliche umfängliche Nut/Ringnut (40) geführt ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Punktkontakt (11) zwischen dem unteren Ende der Schubstange (6) und der zur Schubstange (6) gerichteten Oberfläche des Permanentmagneten (5) vorhanden ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Raumteil (20) des Verdichtungsraumes (14) ein mit Gas befülltes Ausgleichsvolumen bildet.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) der Hubkolbenpumpe (1) zylindrisch ausgebildet ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung zwischen Kolben (3) und dem kolbenführenden Zylinderbereich (22) des Gehäuses (2) durch eine enge Spielpassung in Verbindung mit einem dünnen Ölfilm realisiert ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenpumpe (1) mit einer Steuereinheit (34) und einer zugehörigen Energieversorgungseinheit (35) in Verbindung steht, wobei die Steuereinheit (34) mit der Energieversorgungseinheit (35) über eine Leitung (37) verbunden ist sowie Leitungen (38) zum Squiggle-Motor (4) als auch Leitungen (39) zum Hallsensor (9) aufweist.
Hubkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubkolbenpumpe (1) in Miniaturformat ausgebildet ist, wobei die Abmessungen der Hubkolbenpumpe (1) ca. 35 mm in der Länge und 10 mm im Durchmesser betragen, wobei eine weitere Miniaturisierung in Länge und in Durchmesser möglich ist.