DE19539020A1 - Pumpe zur Förderung gasförmiger oder flüssiger Medien - Google Patents

Description

1. Einleitung

Pumpen werden in nahezu allen Bereichen der Technik, insbe­ sondere in der hydraulischen Steuer- und Regelungstechnik, der Medizintechnik, der Automobiltechnik, der Verfahrens- und Prozeßtechnik und in zunehmendem Maße auch in der Mikrosy­ stemtechnik zur Druckerzeugung und Förderung von Flüssigkei­ ten und Gasen eingesetzt. Entsprechend der ihnen jeweils zu­ gewiesenen Funktion und Aufgabe, müssen die Pumpen unter­ schiedlichsten Anforderungen genügen. Unabhängig vom Einsatz­ gebiet sollen die Pumpen aber immer eine hohe Betriebszuver­ lässigkeit besitzen, effizient und wartungsfrei arbeiten und möglichst kompakt aufgebaut sein.

Die Leistungsfähigkeit der zur Förderung kleiner bis mittle­ rer Volumina eingesetzten Pumpen ließe sich durch Verwendung piezoelektrischer, elektrostriktiver oder magnetostriktiver Aktoren als Antrieb erheblich verbessern, da diese kompakt aufgebauten elektromechanischen Wandler eine hohe Energie­ dichte besitzen, elektrische Energie effektiv in mechanische Energie umwandeln und Arbeitsfrequenzen von bis zu mehreren Kilohertz ermöglichen. Beim Einbau der Aktoren in konventio­ nelle Ventilpumpen kommen die Vorteile dieser Wandler aller­ dings nicht zum tragen. So liegt die zulässige Betätigungs­ frequenz der üblicherweise verwendeten Rückschlag- bzw. Blattventile deutlich unterhalb der maximalen Betätigungsfre­ quenz des Aktors, was die Arbeitsfrequenz der Pumpe und damit auch deren Förderleistung begrenzt. Probleme bereitet auch das die Förderleistung reduzierende Schluckvolumen der Venti­ le und deren Neigung, vergleichsweise schnell zu verschmut­ zen.

2. Stand der Technik

In der Entwicklung befinden sich zur Zeit eine Vielzahl von Typen miniaturisierter Membranpumpen mit mikromechanisch her­ gestellten Ventilen und Pumpenkammern (s. beispielsweise [1- 3]). Als Antriebselemente dienen vorzugsweise piezoelektri­ sche Aktoren, welche die die jeweilige Pumpenkammer abdich­ tende Membran periodisch deformieren und dadurch das Kammer­ volumen zyklisch ändern.

Ventillose Mikropumpen sind aus [4, 5] bekannt. Den Pumpenein­ laß und Pumpenauslaß bilden sogenannte Diffusor/Düse-Ele­ mente, die keine bewegten mechanischen Teile aufweisen und im einfachsten Fall aus einer konischen Bohrung bestehen.

Die in [6] beschriebene Mikropumpe besitzt eine von einem piezoelektrischen Aktor angetriebene Platte, die dem in einem Kanal oder Spalt strömenden Medium eine Oszillationsbewegung aufprägt. Da die stark strukturierte Oberfläche der Platte dem in Richtung Auslaß fließenden Medium den kleineren Strö­ mungswiderstand bietet, wird Masse vom Pumpeneinlaß zum Pum­ penauslaß transportiert.

3. Ziele und Vorteile der Erfindung

Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer kompakten und be­ triebssicheren Pumpe zur Förderung gasförmiger oder flüssiger Medien. Die Pumpe soll einen einfachen Aufbau besitzen, ko­ stengünstig herzustellen sein und auch bei hohen Betriebsfre­ quenzen im Bereich von f = 10-30 kHz noch zuverlässig und nahezu verschleißfrei arbeiten. Eine Pumpe mit den in Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmalen besitzt diese Eigenschaften. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Pumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung ermöglicht den Bau ventilloser Pumpen, deren Förderleistung bzw. Förderdruck durch die Art der Verschal­ tung der als Ein- und Auslaß dienenden Diffusor/Düse-Elemente den jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden kann. Darüber­ hinaus läßt sich die Pumpleistung sowohl über die Frequenz als auch über die Amplitude des dem Schwingungserreger der Pumpe zugeführten Ansteuersignals in weiten Grenzen verän­ dern. Liegt die Ansteuerfrequenz im Ultraschallbereich, ar­ beiten die Pumpen trotz hoher Förderleistung äußerst ge­ räuscharm. Selbst feststoffhaltige oder partikelbelastete Fluide beeinträchtigen die Funktionsweise der Pumpen nicht. Sollten dennoch Verschmutzungen auftreten, lassen sich diese durch einen Ultraschallbetrieb der Pumpen beseitigen.

4. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu­ tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine mit Diffusor/Düse-Elementen ausgestattete aku­ stische Pumpe;

Fig. 2 mögliche Anordnungen der Diffusor/Düse-Elemente im Gehäuse der akustischen Pumpe;

Fig. 3 bis 5 Ausführungsbeispiele akustischer Pumpen, deren Schwingungserreger einen auf einen Kolben bzw. eine Membrane wirkenden Piezoaktor aufweist;

Fig. 6 und 7 akustische 5 · (λ/2)-Pumpen mit parallelgeschal­ teten Förderstufen.

5. Ausführungsbeispiele akustischer Pumpen

Das Metall- oder Spritzgehäuse G der in Fig. 1 schematisch dargestellten akustischen Pumpe besitzt eine als Resonator dienende zylindrische Bohrung B, die ein gedichtet in das Ge­ häuse G eingebauter elektromechanischer Wandler SE endseitig abschließt. Der mit elektrischen Anschlüssen versehene Wand­ ler SE hat die Aufgabe, stehende akustische Wellen in der mit einem Gas oder einer Flüssigkeit gefüllten Pumpenkammer PK anzuregen. Er ist derart in der Gehäusebohrung B montiert, daß sein axialer Abstand l zur gegenüberliegenden Gehäusewand W der Resonanzbedingung

l = l_res = n · (λ/2) (1)

genügt. In Gleichung (1) bezeichnen λ die Wellenlänge der an­ geregten akustischen Schwingung und n = 1, 2, 3, . . . die Schwingungsmode. Unter Berücksichtigung der Schallgeschwin­ digkeit v_F in dem zu fördernden Medium und der durch das An­ steuersignal U vorgegebenen Anregungsfrequenz f läßt sich Gleichung (1) zu

l = l_res = n · [v_F/(2f)] (2)

umformen. Falls man Wasser fördern (v_F = 1500 m/s) und man die Pumpe bei einer Frequenz f = 20 kHz in der niedrigsten Schwingungsmode n = 1 betreiben will, muß die Pumpenkammer PK somit eine Länge l = 3,75 cm aufweisen. Um einen stabilen Be­ trieb der Pumpe zu gewährleisten, sollten die transversalen Abmessungen der Kammer PK kleiner sein als die Wellenlänge λ der angeregten Schwingung. Im betrachteten Fall kann der Durchmesser der Kammer PK daher beispielsweise d = 3 cm be­ tragen.

Als elektromechanischer Wandler SE kommen insbesondere piezo­ elektrische Aktoren in Betracht. Diese in allen Bereichen der Schall-/Ultraschallerzeugung häufig verwendeten Aktoren be­ sitzen den gewünschten kompakten Aufbau. Sie sind kostengün­ stig in großen Stückzahlen herzustellen und sehr langlebig. Weniger verbreitet sind die ebenfalls als elektromechanischer Wandler SE für die akustischen Pumpe in Frage kommenden elek­ trostriktiven und magnetostriktiven Aktoren.

Betreibt man die akustische Pumpe in der niedrigsten Schwin­ gungsmode n = 1, so bilden sich im Bereich der Gehäusewand W und der kammerseitigen Oberfläche des elektromechanischen Wandlers SE Druckbäuche (Schwingungsknoten) und in der Mitte der Pumpenkammer PK ein Druckknoten (Schwingungsbauch) aus. An den durch Pfeile markierten Stellen schwankt der Kammer­ druck also periodisch zwischen zwei Extremwerten p_max (Über­ druck) und p_min (Unterdruck), während er in der Kammermitte annähernd konstant bleibt. Die gestrichelte und die durchge­ zogene Kurve in Fig. 1 repräsentieren somit die Einhüllende des Druckverlaufs der stehenden akustischen Welle.

Am Ort maximaler Druckamplitude münden der Einlaß E und der Auslaß A in die Pumpenkammer PK. Ein- und Auslaß E/A sind je­ weils als konische Bohrung ausgebildet, deren Querschnitt sich in Richtung Wandler SE erweitert (Einlaß E) bzw. ver­ jüngt (Auslaß A). Als strömungstechnisch anisotrope Elemente hängt ihr Strömungswiderstand von der Fließrichtung des Medi­ ums ab, wobei die als Diffusor wirkende Bohrung einen größe­ ren, die als Düse wirkende Bohrung hingegen einen vergleichs­ weise kleineren Durchfluß bei gleicher und konstanter Druck­ differenz ermöglicht (s. [4, 5]). So begünstigt die Bohrung E das Einströmen des Mediums in die Pumpenkammer PK (Unterdruck in der Kammer), während sie dem ausströmendem Medium den grö­ ßeren Strömungswiderstand bietet (Überdruck in der Kammer PK). Demgegenüber wirkt der Auslaß A beim Ansaugen des Medi­ ums als Düse (großer Strömungswiderstand), in umgekehrter Richtung durchströmt hingegen als Diffusor (kleiner Strö­ mungswiderstand). In Folge der im Bereich der beiden Diffu­ sor/Düse-Elemente E/A periodisch auftretenden Druckwechsel wird das Medium daher vom Einlaß E zum Auslaß A gefördert bzw. ein Druckgradient in Diffusorrichtung aufgebaut. Falls der halbe Öffnungswinkel der konischen Bohrungen E/A α/2 ≈ 8° beträgt und deren kleinster Durchmesser im Bereich von d ≈ 0,5 mm liegt, so erzeugt die mit einem Signal der Fre­ quenz f = 20 kHz angesteuerte Pumpe einen Maximaldruck von p_max ≈ 18 bar.

Die Fig. 2a bis d zeigen weitere Ausführungsbeispiele aku­ stischer λ/2-Resonatorpumpen. Sie unterscheiden sich von der oben beschriebenen, in Fig. 2e nochmals dargestellten Pumpe lediglich in der Lage ihrer als Einlaß bzw. Auslaß dienenden Diffusor/Düse-Elemente E/A. So ist es beispielsweise möglich, den zylindrischen Mantel des Gehäuses G mit konischen Bohrun­ gen E/A zu versehen, diese auf derselben Seite, gegenüberlie­ gend oder winkelversetzt anzuordnen (s. Fig. 2a, c, d) oder den Einlaß/Auslaß in den Schwingungserreger SE zu integrieren (s. Fig. 2b). Um eine optimale Pumpleistung zu erzielen, sollten sowohl der Einlaß E als auch der Auslaß A immer an einer Stelle maximaler Druckamplitude in die Kammer PK mün­ den. Abweichungen von diesen durch die Druckmaxima definier­ ten Orten sind möglich, allerdings mit einer Verringerung der Pumpleistung verbunden.

Der elektromechanische Wandler der in Fig. 3 dargestellten Pumpe besteht aus einem piezoelektrischen Aktor P und einem vom Aktor P angetriebenen, in der zylindrischen Pumpkammer PK axialverschiebbar angeordneten Kolben K. Für die Abdichtung der Pumpkammer PK sorgt ein den topfförmigen Teil des Kolbens K umschließender O-Ring OR. Da der sich am Boden der linken Gehäusekammer AK abstützende Piezoaktor P den Kolben K nur unwesentlich in der Pumpkammer PK verschiebt (Δl ≈ 10^-3 l, Aktorlänge l = 3 cm) ist der O-Ring OR keinem großen Ver­ schleiß unterworfen. Die transiente Arbeitsweise des Piezoak­ tors P macht es erforderlich, ihn mit Hilfe der zwischen ei­ ner Stufe der Gehäusebohrung B und dem ringförmigen Ansatz des Kolbens K angeordneten Tellerfeder T mechanisch vor zu­ spannen. Die Tellerfeder T hat außerdem die Aufgabe, den Ak­ tor P zu fixieren, ihn vor einer mechanischen Zerstörung durch innere Zugspannungen zu schützen und die Rückführung des Kolbens K in die Ruhelage zu unterstützen.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Pumpe wird die Längenände­ rung des Piezoaktors P über eine mit dem Gehäuse G ver­ schraubte Membrane M auf das Fördermedium übertragen. Verwen­ det man eine Membrane M hinreichender Steifigkeit, insbeson­ dere eine Stahlmembrane, kann diese die Aufgaben der in Fig. 3 gezeigten Tellerfeder T übernehmen. Die Membrane M sorgt dann für die mechanische Druckvorspannung des Piezoaktors P und gewährleistet dessen bündige Anlage am Gehäuseboden. Au­ ßerdem dichtet sie die mit dem Fördermedium gefüllte Pumpen­ kammer PK gegenüber der den Piezoaktor P aufnehmenden Gehäu­ sekammer AK ab.

Im topfförmigen Gehäuse G der in Fig. 5 gezeigten Pumpe regt ein heute üblicherweise als Schall-/Ultraschallerzeuger ver­ wendeter Membranbiegeschwinger stehende akustische Wellen an. Sein bimorpher Aufbau aus piezoelektrischen Aktor P und Mem­ brane M ermöglicht sowohl eine Hubtransformation als auch ei­ ne akustische Impedanzanpassung an das zu fördernde Medium. Die Pumpe besitzt dann den größten Wirkungsgrad, wenn die Ei­ genresonanz der Membrane M der Resonanzfrequenz der Pumpe entspricht.

Wie oben erläutert, lassen sich die bisher beschriebenen Pum­ pen durch Erhöhen der Anregungsfrequenz f oder durch Verlän­ gerung der Pumpenkammer PK auch in Resonanzmoden n < 1 be­ treiben. Dies steigert die Förderleistung bzw. erhöht den Förderdruck. Entsprechende Pumpen zeigen die Fig. 6 und 7, wobei die Pumpenkammern K jeweils eine Länge l = 5 · λ/2 auf­ weisen.

Die in Fig. 6 dargestellte Pumpe besitzt insgesamt 6 koni­ sche Bohrungen E_i/A_i welche jeweils am Ort maximale Druck­ schwankungen (Druckbäuche) in die Kammer PK münden. Der Ab­ stand aufeinanderfolgender, antiparallel orientierter Bohrun­ gen E_i/A_i entspricht jeweils der halben Wellenlänge λ/2 der in der Kammer K angeregten akustischen Schwingung. Während alle als Einlässe dienenden, sich ins Gehäuseinnere erwei­ ternden Bohrungen E_i mit der Ansaugleitung AL in Verbindung stehen, münden sämtliche Auslässe A_i in eine gemeinsame För­ derleitung FL. Diese Anbindung der Ein-/Auslässe E_i/A_i an die zugeordneten Sammelleitungen AL/FL hat zur Folge, daß alle Bohrungen E_i/A_i während der ersten Hälfte der Schwingungspe­ riode (durchgezogene Kurve) als Diffusor arbeiten. Das Medium wird in dieser Phase durch die Bohrungen A_i in die Förderlei­ tung FL gedrückt. Gleichzeitig strömt neues Medium über die Bohrungen E_i in die Kammer PK nach und füllt diese auf. Wäh­ rend der zweiten Hälfte der Schwingungsperiode (gestrichelte Kurve) wirken sämtliche Bohrungen E_i/A_i hingegen als Düse, die das Ansaugen bzw. Ausstoßen des Mediums erheblich behin­ dern. Eine Förderung des Mediums findet daher jeweils nur während der ersten Halbperiode der Schwingung statt.

Um die volle Schwingungsperiode für Pumpzwecke zu nutzen und damit die Förderleistung weiter zu erhöhen, münden insgesamt zwölf, in zwei Reihen zu je sechs angeordnete konische Boh­ rungen E_i/E_i′/A_i/A_i′ an Orten maximaler Druckamplitude in die zylindrische Kammer K der in Fig. 7 dargestellten Pumpe. Der Abstand benachbarter, antiparallel orientierter Bohrungen A_i/E_i bzw. E_i′/A_i′ beträgt jeweils wieder Al= λ/2. Die radial gegenüberliegend angeordneten Bohrung A_i/E_i′ erweitern/ver­ jüngen sich jeweils in derselben Richtung, münden jedoch in verschiedene Sammelleitungen AL/FL. Dies hat zur Folge, daß das Medium während der ersten Hälfte der Schwingungsperiode (durchgezogene Kurve) durch die unteren Bohrungen A_i/E_i aus­ gestoßen/angesaugt wird, die oberen Bohrungen A_i′/E_i′ hinge­ gen als Düse im Sperrbetrieb arbeiten. In der zweiten Halbpe­ riode (gestrichelte Kurve) kehren sich die Verhältnisse um. Nun sind im wesentlichen nur die als Diffusor arbeitenden oberen Bohrungen A_i′/E_i′ am Volumenaustausch beteiligt, wäh­ rend die unteren Bohrungen A_i/E_i dem Medium als Düse den grö­ ßeren Strömungswiderstand bieten.

6. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der akustischen Pumpen

Die Erfindung beschränkt sich selbstverständlich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele. So ist es ohne weiteres möglich:

• - jeweils mehrere Ein- und Auslässe E/A im Pumpengehäuse G vorzusehen;
• - die Oberfläche der Ein- und Auslässe E/A ein- oder mehr­ stufig auszuführen oder in anderer Weise (schuppen-/säge­ zahnförmig) zu strukturieren;
• - Einlaß E und/oder Auslaß A als ringförmige, sich konisch erweiternde Bohrung auszubilden,
• - die Diffusor/Düse-Elemente durch andere Bauelemente mit ei­ nem von der Strömungsrichtung abhängigen Strömungswider­ stand zu ersetzen und diese ggf. in die dem Einlaß bzw. Auslaß zugeordneten Anschlüsse bzw. Anschlußleitungen zu integrieren;
• - die Querschnittsfläche der Pumpenkammer PK beispielsweise quadratisch, rechteckförmig, hexagonal oder elliptisch aus­ zubilden, wobei die größte Querabmessung d_max der Bedingung d_max λ genügt.

7. Literatur

[1] Sensors and Actuators, 15 (1988); S. 153-167.
[2] Sensors and Actuators, A21-A23 (1990); S. 189-192.
[3] Sensors and Actuators, A21-A23 (1990); S. 203-206.
[4] Sensors and Actuators, A39 (1993); S. 159-167.
[5] Sensors and Actuators, A46-A47 (1995); S. 549-556.
[6] DE 42 23 019 C1.

Claims (9)

1. Pumpe zur Förderung gasförmiger oder flüssiger Medien, bei der

• a) ein elektromechanischer Wandler (SE) eine stehende akusti­ sche Welle in einer mit dem Medium gefüllten ersten Kammer (PK) des Pumpengehäuses (G) anregt,
• b) mindestens ein Einlaß (E) und mindestens ein Auslaß (A) jeweils an einem Ort in die erste Kammer (PK) münden, wo sich der Kammerdruck periodisch ändert und
• c) Ein- und Auslaß (E, A) jeweils derart ausgebildet sind, daß sie dem in die erste Kammer (PK) strömenden Medium bzw. dem aus der ersten Kammer (PK) strömenden Medium ei­ nen kleineren Strömungswiderstand bieten als dem jeweils in umgekehrter Richtung strömenden Medium.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (SE) die erste Kammer (PK) endseitig abschließt.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektromechanische Wandler (SE) einen Aktor (P) auf­ weist, dessen Abmessungen und/oder Form sich steuerbar ändern läßt.

4. Pumpe nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen piezoelektrischen, elektrostriktiven, magnetostrikti­ ven, elektromagnetischen oder elektrodynamischen Aktor (P).

5. Pumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (P) auf ein die erste Kammer (PK) endseitig ab­ schließendes Biegeelement (M) oder auf einen in der ersten Kammer (PK) verschiebbar angeordneten Kolben (K) wirkt.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktor (P) in einer zweiten Kammer (AK) des Gehäuses (G) angeordnet und ggf. durch ein Federelement (T) belastet ist.

7. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Diffusor/Düse-Element als Ein- oder Auslaß (E, A).

8. Pumpe nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Bohrung (E, A) als Einlaß und/oder Auslaß, deren Quer­ schnittsfläche sich in Richtung einer Symmetrieachse vergrö­ ßert.

9. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von Einlässen und Auslässen (E_i, A_i) in die erste Kammer (PK) münden, daß Ein- und Auslässe (E_i, A_i) je­ weils abwechselnd und äquidistant aufeinanderfolgend angeord­ net sind, wobei der Abstand benachbarter Ein- und Auslässe (E_i, A_i) jeweils die Hälfte der Wellenlänge der in der ersten Kammer (PK) angeregten stehenden akustischen Welle entspricht und daß die Einlässe (E_i) in eine gemeinsame Ansaugleitung (AL), die Auslässe (A_i) in eine gemeinsame Förderleitung (FL) münden.