DE102013215033A1

DE102013215033A1 - Membranpumpe mit elektrischem Schwingungserreger

Info

Publication number: DE102013215033A1
Application number: DE102013215033.4A
Authority: DE
Inventors: Michael Richter; Mathias Jotter; Wilfried Beyer
Original assignee: Kuhnke Automation GmbH and Co KG
Current assignee: Kuhnke Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2013-07-31
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft u.a. eine Membranpumpe (1) zur Förderung eines, vorzugsweise flüssigen und/oder gasförmigen, Fördermediums, mit einer bewegbaren Fördermembran (40) und einem Aktuator für die Fördermembran (40) zur Bewegung der Fördermembran (40) sowie ein Verfahren zum Betreiben der Membranpumpe (1). Die Membranpumpe (1) ist dadurch weitergebildet, dass der Aktuator als elektrischer Schwingungserreger (50) ausgebildet ist, wobei der elektrische Schwingungserreger (50) eine ringförmige Spulenanordnung (2) und eine einen ringförmigen Spalt (30) aufweisende Magnetanordnung (4) aufweist, wobei die ringförmige Spulenanordnung (2) in den ringförmigen Spalt (30) der Magnetanordnung (4) derart eingreift, dass die Spulenanordnung (2) und die Magnetanordnung (4) in einer axialen Richtung (X) relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Spulenanordnung (2) mit der Fördermembran (40) wirkverbunden oder verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur Förderung eines, vorzugsweise flüssigen und/oder gasförmigen, Fördermediums, mit einer bewegbaren Fördermembran und einem Aktuator für die Fördermembran zur Bewegung der Fördermembran. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines elektrischen Schwingungserregers und ein Verfahren zum Betreiben einer Membranpumpe.
Membranpumpen werden zum Pumpen von Gasen oder Flüssigkeiten eingesetzt. Hierbei verfügt die Membranpumpe über eine Membran, wobei die Membran einen Kolben der Membranpumpe von einem Arbeitsvolumen von dem Kolben und dem restlichen Antrieb der Membranpumpe dichtend abtrennt. Durch das Arbeitsvolumen der Membranpumpe wird das Fluid gefördert, wobei das Fluid durch eine Bewegung der Membran aus einer Zuförderleitung in das Arbeitsvolumen angesaugt wird und anschließend das Fluid aus dem Arbeitsvolumen in eine Abförderleitung durch eine Gegenbewegung gepumpt wird.
Insbesondere werden Membranpumpen bei medizinischen Geräten, wie zum Beispiel Inkubatoren oder dergleichen eingesetzt, da Membranpumpen kleine Volumina fördern können.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Membranpumpe bereitzustellen, bei der eine gut kontrollierbare Förderung eines Förderfluids sowie eine Ansteuerung in einem großen Frequenzbereich möglich sein soll.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Membranpumpe zur Förderung eines, vorzugsweise flüssigen und/oder gasförmigen, Fördermediums, mit einer bewegbaren Fördermembran und einem Aktuator für die Fördermembran zur Bewegung der Fördermembran, die dadurch weitergebildet wird, dass der Aktuator als elektrischer Schwingungserreger ausgebildet ist, wobei der elektrische Schwingungserreger eine ringförmige Spulenanordnung und eine einen ringförmigen Spalt aufweisende Magnetanordnung aufweist, wobei die ringförmige Spulenanordnung in den ringförmigen Spalt der Magnetanordnung derart eingreift, dass die Spulenanordnung und die Magnetanordnung in einer axialen Richtung relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Spulenanordnung mit der Fördermembran wirkverbunden oder verbunden ist.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, dass als Antrieb bzw. Hubantrieb für die Fördermembran einer Membranpumpe ein Schwingungserreger, der nach dem sogenannten Voice-Coil-Prinzip betrieben wird, eingesetzt wird, da bei Beaufschlagung der Spulenanordnung mit einem frequenten Steuersignal eine gute Linearität zwischen der Amplitude des elektrischen Ansteuersignals bzw. Eingangssignals und der Hubbewegung der Fördermembran erreicht wird, wodurch eine kontrollierbare Förderung und eine einfache Ansteuerung in einem breiten Frequenzbereich ermöglicht wird. Damit ist es möglich, sowohl die Fördermenge eines Fördermediums als auch die Förderfrequenz auf einfache Weise einzustellen oder zu regeln.
Durch die Beaufschlagung von elektrischen Signalen mittels einer Steuereinrichtung oder Steuerelektronik wird die schwingfähige und erregte Spulenanordnung in mechanische Schwingungen versetzt. Hierbei ist der Schwingungserreger mit der Fördermembran z.B. über einen Bolzen als Hubkolben verbunden, die von dem elektrischen Schwingungserreger aufgrund seiner periodischen Auslenkung in Schwingung versetzt wird, wodurch die Fördermembran im Wechsel eine Ansaugbewegung und eine Pumpbewegung periodisch ausführt.
Ferner zeichnet sich eine Weiterbildung der Membranpumpe dadurch aus, dass die Magnetanordnung, insbesondere unter Verwendung eines Federsystems, in einem oder an einem Gehäuse, vorzugsweise einem Gehäuse der Membran, seismisch entkoppelt angeordnet ist, wobei insbesondere die Magnetanordnung schwingfähig gelagert ist.
Hierdurch wird erreicht, dass aufgrund der schwingungsmäßigen Entkoppelung der Magnetanordnung ein seismisch aufgehängtes Magnetsystem im Gehäuse der Membranpumpe bereitgestellt wird, wodurch Rückstöße durch die Magnetanordnung nicht auf das Gehäuse der Membranpumpe übertragen werden, wodurch vorteilhafterweise sich ein besonders geräuscharmer bzw. leiser Betrieb der Membranpumpe ergibt. Hierbei ist die Magnetanordnung vorzugsweise unter Verwendung von zentrierenden Federn innerhalb des Gehäuses entkoppelt angeordnet, wobei die Magnetanordnung hierbei mit der Spule der zu Schwingungen angeregten Spulenanordnung wechselwirkt.
Vorzugsweise ist ferner die Magnetanordnung mittels einer Federeinrichtung, insbesondere einer Zentrierfedereinrichtung oder dergleichen, von der Spulenanordnung schwingfähig entkoppelt, wobei insbesondere die Spulenanordnung unter Verwendung einer Federeinrichtung, insbesondere Zentrierfedereinrichtung, mit einem Gehäuse, insbesondere einem Gehäuse der Membranpumpe, entkoppelt verbunden ist. Hierdurch wird eine Schwingungsentkoppelung der Membrananordnung zum Gehäuse bzw. zur Membranpumpe entbehrlich, wodurch sich auch der Aufbau der Membranpumpe zusätzlich vereinfacht. Insgesamt wird dadurch ein vibrationsarmer und leiser Betrieb der Membranpumpe erreicht, da bei der seismischen Anordnung bzw. Aufhängung der Magnetanordnung die Kraftimpulse vom Gehäuse, in dem die seismisch entkoppelte Magnetanordnung und die Spulenanordnung angeordnet sind, entkoppelt sind.
Außerdem ist es bei der Membranpumpe bevorzugt, dass die Magnetanordnung und die Spulenanordnung jeweils mittels bzw. unter Verwendung einer Federeinrichtung, z.B. einer Zentrierfedereinrichtung, mit einem, vorzugsweise gemeinsamen, Gehäuse, vorzugsweise einem Gehäuse der Membranpumpe, verbunden sind.
Überdies zeichnet sich die Membranpumpe in einer Ausführungsform dadurch aus, dass ein Bolzen als eine Art Hubkolben für die Fördermembran an der Spulenanordnung angeordnet ist, wobei der Bolzen mit der Fördermembran verbunden ist, und wobei insbesondere in axialer Richtung durch die Magnetanordnung ein Durchgangsloch vorgesehen ist, durch den sich der Bolzen des Schwingungserregers erstreckt. Insbesondere sind der Bolzen und das Durchgangsloch vorzugsweise zum Tragen bezüglich der Spulenanordnung angeordnet, wodurch sich der Bolzen und das Durchgangsloch sich entlang der Längsachse der Spulenanordnung und des Schwingungserregers erstrecken. Durch eine oder die zentrale Führung des Bolzens wird erreicht, dass der Schwingungserreger unempfindlich gegen ein Verkanten der Bestandteile Spulenanordnung, Magnetanordnung und Bolzen zueinander ist und eine sichere Führung der Teile ermöglicht.
Bei dem Schwingungserreger erstreckt sich die ringförmige Spule der Spulenanordnung um eine Längs- bzw. Mittelachse, die auch als Längsachse des Schwingungserregers bezeichnet wird. Die Spulenanordnung und die Magnetanordnung sind in axialer Richtung, das heißt in Richtung der vorgenannten Längsachse relativ zueinander beweglich, wobei sich die Spulenanordnung in Richtung ihrer Längs- bzw. Mittelachse in dem Spalt der Magnetanordnung bewegt. Dabei ist die Spulenanordnung insbesondere auf einer ringförmigen Wandung aufgebracht, wobei der Spalt der Magnetanordnung sich insbesondere parallel zu dieser Wandung erstreckt, an der die Spulenanordnung aufgebracht ist. Durch eine elektrische Erregung mittels eines Frequenzsignals durch eine Steuereinrichtung tritt die Spule der Spulenanordnung in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld der Magnetanordnung, so dass die Spule relativ zu der Magnetanordnung in Bewegung bzw. in Schwingung entlang der Längsachse versetzt wird.
Hierbei weist vorzugsweise die Magnetanordnung einen äußeren Magnettopf und einen darin angeordneten Magnetkern, insbesondere einen Permanentmagneten, auf, wobei sich der Kern bzw. der Permanentmagnet auf dem von einem Boden des Magnettopfes derart in axialer Richtung erstreckt, dass zwischen dem Außenumfang des Kerns und dem Innenumfang des Magnettopfes der ringförmige Spalt ausgebildet ist. Dabei ist der Magnettopf vorzugsweise als kreisförmiger Boden ausgebildet, auf dem ausgehend sich eine, zylindrische, insbesondere kreiszylindrische, Umfangswandung erstreckt. Insbesondere sind der Magnettopf, der Kern, insbesondere Permanentmagnet, und die Spulenanordnung im Wesentlichen konzentrisch zueinander um die Längsachse des Schwingungserregers herum angeordnet und in Richtung der Längsachse relativ zueinander beweglich. Hierbei ist die Breite des Spalts zwischen dem Kern und dem Magnettopf so gewählt, dass sie größer als die Dicke der Spulenanordnung in radialer Richtung ist, wodurch die Spulenanordnung die Wandungen des Spaltes nicht berührt und somit der Spalt in axialer Richtung frei beweglich ist.
Der mit der Fördermembran verbundene Bolzen des Schwingungserregers ist vorzugsweise an einer der Spulenanordnung abgewandten Axialseite der Magnetanordnung axial beweglich und zentriert geführt, wodurch der Bolzen sich nur in axialer Richtung, das heißt in Richtung der Längsachse bewegt. Hierbei ist es im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass die Führung des Bolzens mittels einer Lagerung, wie zum Beispiel einem Gleitlager oder dergleichen, erfolgt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Membranpumpe ist vorgesehen, dass ein Sensor zur Erfassung der relativen Bewegung der Spulenanordnung und der Magnetanordnung vorgesehen ist, wobei insbesondere der, vorzugsweise piezoelektrische oder elektrodynamische, Sensor zur Erfassung der relativen Bewegung zumindest einer Spule der ringförmigen Spulenanordnung, ausgebildet ist. Unter Verwendung des Sensors ist es möglich, einen integrierten Sensor bereitzustellen, wobei durch die Erfassung der Relativbewegung zwischen der Spulenanordnung und der Magnetanordnung der Betrieb der Membranpumpe geregelt werden kann. Mittels des Sensors ist es beispielsweise möglich, den Hub der Fördermembran zu erfassen, wobei die Messgröße zum Membranhub proportional ist und somit ein Maß für die Fördermenge der Membranpumpe ist bzw. darstellt.
Mittels des, vorzugsweise integrierten, Sensors ist es möglich, den Hub und die Hubgeschwindigkeit der Spulenanordnung bzw. der Fördermembran zu erfassen, so dass die Abhängigkeit der erfassten Messgrößen die Bewegung der Spulenanordnung geregelt wird. Hierdurch wird ein Regelkreis ausgebildet, wodurch ein vorbestimmtes Schwingungsprofil der Spulenanordnung eingestellt wird. Dabei ist es möglich, das Schwingungsprofil beispielsweise durch die Signalform, die Frequenz und die Amplitude des Frequenzsignals, mit dem die Spule bzw. die Spulenanordnung beaufschlagt bzw. erregt wird, einzustellen. Hierbei ist es in einer Ausführungsform vorgesehen, dass der Sensor zur Erfassung der relativen Bewegung zwischen der Spulenanordnung und der Magnetanordnung eine Spule der ringförmigen Spulenanordnung verwendet, wobei die Erfassung der in der Spule der Spulenanordnung auftretenden Stromänderungen und Spannungsänderungen aufgrund der beim Eintauchen der Spulenanordnung und Magnetanordnung auftretenden Induktion erfolgt.
Dabei ist es bei einer Ausführungsform eine Regelungseinrichtung vorgesehen, die eine Bestromung zumindest einer Spule der Spulenanordnung in Abhängigkeit eines Ausgangssignals des Sensors regelt, wodurch eine genaue Regelung der Hubbewegung der Magnetanordnung und der Spulenanordnung relativ zueinander erreicht wird.
Gelöst wird die Aufgabe auch durch eine Verwendung eines elektrischen Schwingungserregers in einer Membranpumpe, insbesondere in einer voranstehend beschriebenen Membranpumpe, als Aktuator für eine Fördermembran der Membranpumpe, wobei der elektrische Schwingungserreger eine ringförmige Spulenanordnung und eine einen ringförmigen Spalt aufweisende Magnetanordnung aufweist, wobei die ringförmige Spulenanordnung in den ringförmigen Spalt der Magnetanordnung derart eingreift, dass die Spulenanordnung und die Magnetanordnung in einer axialen Richtung relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Spulenanordnung mit der Fördermembran wirkverbunden oder verbunden ist und wobei die Magnetanordnung, insbesondere unter Verwendung eines Federsystems, in einem oder an einem Gehäuse, vorzugsweise einem Gehäuse der Membranpumpe, seismisch entkoppelt angeordnet ist.
Ferner wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer voranstehend beschriebenen Membranpumpe, beispielsweise für ein medizinisches Gerät oder dergleichen, wobei der elektrische Schwingungserreger, insbesondere die ringförmige Spulenanordnung, mittels einer Steuereinrichtung mit einem, vorzugsweise regelmäßigen oder sinusförmigen, Frequenzsignal als Eingangssignal beaufschlagt wird, so dass die Fördermembran durch eine axiale Bewegung der in Schwingungen versetzten Spulenanordnung relativ zur Magnetanordnung eine Hubbewegung ausführt.
Dadurch, dass die Magnetanordnung des Schwingungserregers als ein seismisch aufgehängtes Magnetsystem bzw. Magnetanordnung ausgebildet ist, wird vorzugsweise die Spule der Spulenanordnung mit Signalen beaufschlagt, deren Frequenz im Bereich der Resonanzfrequenz des Schwingungssystems bzw. der Magnetanordnung ausgebildet ist, so dass eine geringe Leistungsaufnahme des Membranpumpenantriebs und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden.
Aufgrund der schwingfähigen und entkoppelten Anordnung der Spulenanordnung und der Magnetanordnung im Gehäuse der Membranpumpe entsteht bei Anregung der Spulenanordnung eine relative nutzbare Kraft zwischen der Schwingspule der Spulenanordnung und dem trägheitsbedingt in relativer Ruhe befindlichen Magneten der seismisch entkoppelten Magnetanordnung. Bei Anregung in der Nähe der Resonanzfrequenz beginnt die Magnetanordnung ebenfalls zu schwingen, insbesondere in einem Phasenwinkel von 90° nacheilend zur Schwingspule bzw. Spulenanordnung. Wird die Spulen-Magnet-Anordnung genau in ihrer Resonanzfrequenz erregt, nimmt die Amplitude der erzeugten Kraft zu im Vergleich zu einer Anregung außerhalb, z.B. oberhalb, der Resonanzfrequenz. Insbesondere ist es bevorzugt, beide schwingende Massen in Resonanz schwingen zu lassen, da der Wirkungsgrad als Relation zwischen der zugeführten elektrischen Anregung (Frequenzsignal) und der nutzbaren mechanischen Arbeit zur Förderung des Fördermediums besonders günstig ist. Dadurch, dass die Spulenanordnung und die Magnetanordnung unter Verwendung von zentrierenden Federsystemen oder Federeinrichtungen entkoppelt in einem Gehäuse angeordnet sind, wird der Rückstoß beispielsweise eines mit der Spulenanordnung verbundenen Bolzens nicht auf das Gehäuse der Membranpumpe übertragen, wodurch sich auch ein besonders geräuscharmer Betrieb der Membranpumpe ergibt.
Dazu ist in einer Ausführungsform des Verfahrens weiter vorgesehen, dass die Spulenanordnung mit einem Frequenzsignal in der Resonanzfrequenz oder im Bereich der Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt wird. Im Bereich der Resonanzfrequenz als bevorzugter Frequenzbereich wird der Frequenzbereich verstanden, indem die Anregungsfrequenz für die Spulenanordnung so gewählt ist, dass mindestens 50%, vorzugsweise mehr als 60% oder 70% oder 80%, der maximalen Kraft bei der Resonanzfrequenz (als Referenzwert) erreicht werden.
Dazu ist weiter vorgesehen, dass die in einem Gehäuse schwingfähig angeordnete Spulenanordnung des Schwingungserregers und die in dem Gehäuse schwingfähig angeordnete, vorzugsweise seismisch entkoppelte, Magnetanordnung des Schwingungserregers voneinander entkoppelt zu Schwingungen angeregt werden.
Insbesondere ist hierbei vorgesehen, dass die schwingfähig angeordnete Magnetanordnung zu Schwingungen mit einer, vorzugsweise nacheilenden, Phasenverschiebung von größer 0°, insbesondere von 90°, zu der zu Schwingungen angeregten Spulenanordnung, vorzugweise in der Resonanzfrequenz oder im Bereich der Resonanzfrequenz, angeregt wird.
Insgesamt wird beim Betrieb bzw. Anregung der Spulenanordnung bei der Resonanzfrequenz des Schwingungserregers eine geringe Leistungsaufnahme des Membranpumpenantriebs bei einem hohen Wirkungsgrad erreicht. Darüber hinaus zeichnet sich der Betrieb der Membranpumpe durch einen vibrationsarmen Betrieb aufgrund der Entkopplung des Kraftimpulses bei einer seismischen Aufhängung der Magnetanordnung aus, wodurch keine zusätzliche Schwingungsentkoppelung der Magnetanordnung zum Gehäuse der Membranpumpe erforderlich ist.
Weitere Merkmale der Erfindung werden aus der Beschreibung erfindungsgemäßer Ausführungsformen zusammen mit den Ansprüchen und den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllen.
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, wobei bezüglich aller im Text nicht näher erläuterten erfindungsgemäßen Einzelheiten ausdrücklich auf die Zeichnungen verwiesen wird. Es zeigen:
1 schematisch einen Schnitt durch eine Membranpumpe gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel und
2 schematisch einen Querschnitt durch eine Membranpumpe gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
In den Zeichnungen sind jeweils gleiche oder gleichartige Elemente und/oder Teile mit denselben Bezugsziffern versehen, so dass von einer erneuten Vorstellung jeweils abgesehen wird.
In den 1 und 2 sind jeweils Ausführungsbeispiele für eine Membranpumpe 1, die mit einem erfindungsgemäßen Schwingungserreger 50 als Aktuator für eine Fördermembran 40 ausgebildet ist, dargestellt. Die Membranpumpe 1 umfasst ein Arbeitsvolumen und einen Zulauf 42 und einen Ablauf 44, so dass durch eine Hubbewegung der Fördermembran 40 aus dem Zulauf 42 eine Flüssigkeit oder ein Gas in das Arbeitsvolumen 46 gefördert wird. Hierbei ist ein Ventil am Ablauf 44 geschlossen. Durch eine lineare Hubbewegung in die Gegenrichtung wird der Zulauf 42 mittels eines Ventils geschlossen, so dass aus dem Arbeitsvolumen 46 die Flüssigkeit oder das Gas über den geöffneten Ablauf 44 abgegeben wird. Dabei ist der Zulauf 42 entsprechend geschlossen, während das Ventil am Ablauf 44 geöffnet ist.
Zum Antrieb der Fördermembran 40 ist ein elektrischer Schwingungserreger 50 vorgesehen, wobei der Schwingungserreger 50 in einem Gehäuse 38 der Membranpumpe 1 angeordnet ist. Der Schwingungserreger 50 besteht aus zwei wesentlichen Teilen, die relativ zueinander beweglich sind. Hierbei umfasst der Schwingungserreger 50 eine Spulenanordnung 2 sowie eine Magnetanordnung 4. Die Spulenanordnung 2 und die Magnetanordnung 4 sind relativ zueinander beweglich im Gehäuse 38 angeordnet und können relativ zueinander schwingen.
Die Spulenanordnung 2 weist ferner eine kreisringförmige gewickelte Spule 6 auf, wobei die Spule 6 an einem Spulenträger 8 angeordnet ist, der als kreisförmiger Vorsprung von einer Tragplatte 10 in axialer Richtung X vorsteht. Hierbei weist die Tragplatte 10 einen kreisförmigen Außenumfang auf und erstreckt sich hierbei konzentrisch zu der Längsachse X, die auch als Mittelachse des Schwingungserregers 50 bezeichnet wird. Der Spulenträger 8 selbst ist als zylindrische Wand ausgebildet, der in axialer Richtung X von der Tragplatte 10 hervorsteht, wobei die zylindrische Wand des Spulenträgers 8 die Spule 6 trägt. Des Weiteren ist an der Tragplatte 10 ein elektrischer Anschlussstecker 12 für den elektrischen Anschluss der Spule 6 angebracht.
Außerdem ist in die Tragplatte 10 zentral ein Bolzen 14 eingesetzt, der aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet ist und sich in Richtung der Längsachse X zu beiden Seiten der Tragplatte 10 erstreckt. Das der Fördermembran 40 zugewandte Ende des Bolzens 14 ist mit der Fördermembran 40 verbunden, so dass bei axialer Bewegung des Bolzens 40 dieser eine reversible, lineare Hubbewegung ausführt, wenn die Spulenanordnung 2 in Schwingungen versetzt wird.
Neben der Spulenanordnung 2 weist der Schwingungserreger 50 die Magnetanordnung 4 auf, die aus einem Magnettopf 18 aus einem weichmagnetischen Material besteht. Der Magnettopf 18 weist hierbei vorzugsweise einen zylindrischen, insbesondere kreiszylindrischen, Boden 20 auf, von dem aus sich am Umfang in axialer Richtung X eine kreiszylindrische Umfangswandung 22 erstreckt. Vorzugsweise sind der Boden 20 und die Umfangswandung 22 einstückig in einer topfartigen Ausführung ausgebildet.
Ferner weist die Magnetanordnung 4 einen in axialer Richtung X konzentrisch ausgerichteten Kern 22 auf, der sich zu der Umfangswandung 22 von dem Boden 20 erstreckt. Insbesondere ist der Kern 22 aus zwei Teilen gebildet, einem kreiszylindrischen, scheibenförmigen Permanentmagneten 26 und einer kreiszylindrischen, scheibenförmigen Polplatte 28. Der Magnet 26 und die Polplatte 28 sind in axialer Richtung X so aufeinandergesetzt, dass der Magnet 26 am Boden 20 des Magnettopfes 18 angeordnet ist und die Polplatte 28 das freie Ende, das vom Boden 22 abgewandte Ende des Kerns 24 bildet.
Der Kern 24 weist hierbei einen Außendurchmesser auf, der geringer als der Innendurchmesser der Umfangswandung 22 des Magnettopfes 18 ist, wodurch ein ringförmiger Spalt 30 zwischen dem Kern 24 und insbesondere der Polplatte 28 sowie der umgebenden Umfangswandung 22 des Magnettopfes 18 gebildet wird. In den Spalt 30 greift die Spulenanordnung 2 mit ihrem ringförmigen Spulenträger 8 und der darauf angeordneten Spule 6 ein, so dass die Spule 6 zwischen der Außenwandung der Polplatte 28 und dem Innenumfang der Umfangswandung 22 angeordnet ist.
Bei Bestromung bzw. Erregung erzeugt die Spule 6 ein Magnetfeld, das in Wechselwirkung mit dem Magnetfeld, das von dem Permanentmagneten 26 erzeugt wird, wechselwirkt. Wenn die Spule mit einer Wechselspannung angeregt wird, wird die Spule 6 relativ zu der Magnetanordnung 4 in Schwingungen in Richtung der Längsachse X versetzt. Die Tragplatte 10 schwingt entsprechend mit der Spulenanordnung 2, wobei die Schwingung auf den Bolzen 14 übertragen wird.
Darüber hinaus sind zur Anordnung der Spulenanordnung 2 im Gehäuse 38 seitlich an der Tragplatte 10 mehrere Zentrierfedern 32 angeordnet, so dass die Tragplatte 10 der Spulenanordnung 2 zentrisch innerhalb des Gehäuses 38 schwingfähig gehaltert ist. Insbesondere sind die Zentrierfedern 32 als Blattfedern ausgebildet, wodurch die Tragplatte 10 eine gerichtete Linearbewegung in Richtung der Längsachse X ausführen kann. Einer Torsionsbewegung oder eine radiale Bewegung ist hierdurch nicht möglich.
Ferner ist der Magnettopf 18 der Magnetanordnung 4 im unteren Bereich ebenfalls unter Verwendung von Zentrierfedern 36 zentrisch innerhalb des Gehäuses 38 schwingfähig gehaltert, wodurch die Magnetanordnung 4 seismisch entkoppelt und schwingfähig gehaltert ist.
Bei Beaufschlagung der Spule 6 der Spulenanordnung 2 mit einem sinusförmigen Signal beginnt die Spulenanordnung 2 zu schwingen. Wird hierbei die Spulenanordnung 2 im Bereich der Resonanzfrequenz des genannten Systems, bestehend aus der Magnetanordnung 4, der Spulenanordnung 2 und dem Bolzen 14, angeregt, wird auch die schwingfähig gelagerte und entkoppelte Magnetanordnung 4 in Schwingungen versetzt, wobei die Magnetanordnung 4 mit einer Phasenverschiebung von 90° gegen bzw. zur Schwingbewegung der Spulenanordnung 2 schwingt. Hierdurch wird ein geräuscharmer Betrieb der Membranpumpe 1 erreicht, da die Rückstoßkräfte des Bolzens 14 stark gedämpft auf das Gehäuse 38 übertragen werden.
Während bei Frequenzen oberhalb der Resonanzfrequenz die Masse des Magnetsystems sowie der Magnetanordnung ein Widerlager für die Kräfte des Spulenantriebs bildet, gerät die Masse des Magnetsystems bzw. der Magnetanordnung bei Resonanz ebenfalls in Schwingung. Dadurch und durch die seismische Aufhängung wird trotz des Resonanzfalles die Übertragung von Störschwingungen auf ein bzw. das Gehäuse nicht erhöht.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Membranpumpe 1 dargestellt, wobei im Vergleich zum Ausführungsbeispiel in 1 die Magnetanordnung 4 über ein Federsystem 37 mit der Tragplatte 10 der Spulenanordnung 2 verbunden ist. Auch hierbei ist die Magnetanordnung 4 schwingfähig gegenüber der Spulenanordnung 2 gehaltert und seismisch entkoppelt.
Darüber hinaus ist für die Membranpumpe 1 eine (hier nicht dargestellte) Steuereinrichtung, wie z.B. eine Steuerelektronik, vorgesehen, die entsprechende Ansteuersignale erzeugt.
In einer weiteren (hier nicht dargestellten) Ausgestaltung ist ein Sensor zur Erfassung der relativen Bewegung zwischen der Spulenanordnung 2 und der Magnetanordnung 4 vorgesehen, wobei insbesondere hierbei der Sensor eine Spule der ringförmigen Spulenanordnung 2 nutzt. Entsprechend ist in diesem Fall eine Regelungseinrichtung vorgesehen, wodurch eine Bestromung der Spule die Spulenanordnung in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Sensors regelt.
Alle genannten Merkmale, auch die den Zeichnungen allein zu entnehmenden sowie auch einzelne Merkmale, die in Kombination mit anderen Merkmalen offenbart sind, werden allein und in Kombination als erfindungswesentlich angesehen. Erfindungsgemäße Ausführungsformen können durch einzelne Merkmale oder eine Kombination mehrerer Merkmale erfüllt sein. Im Rahmen der Erfindung sind Merkmale, die mit „insbesondere“ oder „vorzugsweise“ gekennzeichnet sind, als fakultative Merkmale zu verstehen.
Bezugszeichenliste

1: Membranpumpe
2: Spulenanordnung
4: Magnetanordnung
6: Spule
8: Spulenträger
10: Tragplatte
12: Anschlussstecker
14: Bolzen
18: Magnettopf
20: Boden
22: Umfangswandung
24: Kern
26: Magnet
28: Polplatte
30: Spalt
32: Zentrierfeder
36: Zentrierfeder
37: Federsystem
38: Gehäuse
40: Fördermembran
42: Zulauf
44: Ablauf
46: Arbeitsvolumen
50: Schwingungserreger
X: axiale Richtung

Claims

Membranpumpe (1) zur Förderung eines, vorzugsweise flüssigen und/oder gasförmigen, Fördermediums, mit einer bewegbaren Fördermembran (40) und einem Aktuator für die Fördermembran (40) zur Bewegung der Fördermembran (40), dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator als elektrischer Schwingungserreger (50) ausgebildet ist, wobei der elektrische Schwingungserreger (50) eine ringförmige Spulenanordnung (2) und eine einen ringförmigen Spalt (30) aufweisende Magnetanordnung (4) aufweist, wobei die ringförmige Spulenanordnung (2) in den ringförmigen Spalt (30) der Magnetanordnung (4) derart eingreift, dass die Spulenanordnung (2) und die Magnetanordnung (4) in einer axialen Richtung (X) relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Spulenanordnung (2) mit der Fördermembran (40) wirkverbunden oder verbunden ist.
Membranpumpe (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (4), insbesondere unter Verwendung eines Federsystems (36), in einem oder an einem Gehäuse (38), vorzugsweise einem Gehäuse (38) der Membranpumpe (1), seismisch entkoppelt angeordnet ist, wobei insbesondere die Magnetanordnung (4) schwingfähig gelagert ist.
Membranpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (4) mittels einer Federeinrichtung (37) von der Spulenanordnung (2) schwingfähig entkoppelt ist, wobei insbesondere die Spulenanordnung (2) unter Verwendung einer Federeinrichtung mit einem Gehäuse (38), insbesondere einem Gehäuse (38) der Membranpumpe (1), entkoppelt verbunden ist.
Membranpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (4) und die Spulenanordnung (2) jeweils mittels einer Federeinrichtung mit einem, vorzugsweise gemeinsamen, Gehäuse, vorzugsweise einem Gehäuse der Membranpumpe (1), verbunden ist.
Membranpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bolzen (14) an der Spulenanordnung (2) angeordnet ist, wobei der Bolzen (14) mit der Fördermembran (40) verbunden ist, und wobei insbesondere in axialer Richtung durch die Magnetanordnung (4) ein Durchgangsloch vorgesehen ist, durch den sich der Bolzen (14) erstreckt.
Membranpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sensor zur Erfassung der relativen Bewegung zwischen der Spulenanordnung (2) und der Magnetanordnung (4) vorgesehen ist, wobei insbesondere der, vorzugsweise piezoelektrische oder elektrodynamische, Sensor zur Erfassung der relativen Bewegung zumindest einer Spule der ringförmigen Spulenanordnung (2), ausgebildet ist.
Verwendung eines elektrischen Schwingungserregers (50) in einer Membranpumpe (1), insbesondere in einer Membranpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, als Aktuator für eine Fördermembran (40) der Membranpumpe (1), wobei der elektrische Schwingungserreger (50) eine ringförmige Spulenanordnung (2) und eine einen ringförmigen Spalt (30) aufweisende Magnetanordnung (4) aufweist, wobei die ringförmige Spulenanordnung (2) in den ringförmigen Spalt (30) der Magnetanordnung (4) derart eingreift, dass die Spulenanordnung (2) und die Magnetanordnung (4) in einer axialen Richtung (X) relativ zueinander bewegbar sind, wobei die Spulenanordnung (2) mit der Fördermembran (40) wirkverbunden oder verbunden ist, und wobei die Magnetanordnung (4), insbesondere unter Verwendung eines Federsystems (36), in einem oder an einem Gehäuse (38), vorzugsweise einem Gehäuse (38) der Membranpumpe (1), seismisch entkoppelt angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Membranpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der elektrische Schwingungserreger (50), insbesondere die ringförmige Spulenanordnung (2), mittels einer Steuereinrichtung mit einem, vorzugsweise regelmäßigen oder sinusförmigen, Frequenzsignal beaufschlagt wird, so dass die Fördermembran (40) durch eine axiale Bewegung der Spulenanordnung (2) eine Hubbewegung ausführt.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenanordnung (2) mit einem Frequenzsignal in der Resonanzfrequenz oder im Bereich der Resonanzfrequenz zu Schwingungen angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Gehäuse schwingfähig angeordnete Spulenanordnung (2) des Schwingungserregers (50) und die in dem Gehäuse schwingfähig angeordnete Magnetanordnung (4) des Schwingungserregers (50) voneinander entkoppelt zu Schwingungen angeregt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die schwingfähig angeordnete Magnetanordnung (4) zu Schwingungen mit einer, vorzugsweise nacheilenden, Phasenverschiebung von größer 0°, insbesondere von 90°, zu der zu Schwingungen angeregten Spulenanordnung (2), vorzugweise in der Resonanzfrequenz oder im Bereich der Resonanzfrequenz, angeregt wird.