DE19725685A1 - Fluid-Pumpe - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fluid-Pumpe nach dem Ober
begriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 30 37 380 A1 ist eine Fluid-Pumpe bekannt, die eine
Fluidkammer aufweist, die über zwei in Abhängigkeit vom Fluid
druck steuerbare Ventile mit einer Fluidquelle bzw. einem Ver
braucher in Verbindung steht. Als Verdrängerbauteil ist bei der
bekannten Pumpe eine Anordnung von mehreren Sätzen von Piezo
elementen vorgesehen, die die Fluidkammer fast vollständig aus
füllen. Die Piezoelement-Sätze werden nun elektrisch so ange
steuert, daß sie sich intermittierend ausdehnen und zusammen
ziehen und so eine Pumpwirkung erzeugen. Da die Volumenänderung
der Piezoelementanordnung klein ist, ist zur Erzielung größerer
Förderströme die Zusammenschaltung mehrerer Pumpen erforder
lich. Darüberhinaus sind wegen der erforderlichen Ventilschalt
zeiten derartige Pumpen für Verbraucher mit hoher Frequenzdyna
mik wenig geeignet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Fluid-
Pumpe der eingangs genannten Gattung so auszugestalten, daß sie
auch bei großen Fördervolumina hohen regelungstechnischen An
sprüchen genügt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das
Fluid eine elektrorheologische und/oder magnetorheologische
Flüssigkeit ist, daß die beiden Ventile elektro- und/oder ma
gnetorheologische Ventile sind, deren Ventilkanal mit einem
elektrischen und/oder magnetischen Feld beaufschlagbar ist und
daß das Verdrängerbauteil zumindest eine durch ein elektri
sches/magnetisches Feld elastisch verformbare und/oder ela
stisch verlagerbare Membrane bzw. ein elastisch verlagerbares
und/oder elastisch verformbares Bauteil zur Verdrängung von
Druckmittel und/oder Druckerzeugung gebildet ist.
Gemäß der Erfindung erfolgt eine direkte Druckmittelversorgung
von Verbrauchern bzw. eine direkte Druckerzeugung unter Vermei
dung herkömmlicher hydraulischer Anordnungen. Besondere An
triebs- und Pumpaggregate, Versorgungsleitungen und insbeson
dere mechanische Ventilanordnungen sind hierbei nicht erforder
lich. Dadurch können hohe Arbeitsfrequenzen erreicht werden,
die bei Einsatz mechanischer Ventilanordnungen nicht möglich
sind.
Elektrorheologische Flüssigkeiten bzw. magnetorheologische
Flüssigkeiten oder eine Flüssigkeit oder Flüssigkeitsmischung,
die sowohl elektrorheologische als auch magnetorheologische
Eigenschaften aufweist sind Flüssigkeiten, bei denen die rheo
logischen Eigenschaften stufenlos über das elektrische bzw.
magnetische Feld steuerbar sind. In der Regel handelt es sich
bei diesen Flüssigkeiten um Suspensionen, das heißt Flüssigkei
ten mit in einem Trägermedium suspendierten Festpartikeln, die
über das elektrische bzw. magnetische Feld polarisierbar sind.
Zum Beispiel erstarren unter Einwirkung eines genügend großen
elektrischen Feldes elektro-rheologische Flüssigkeiten. Die
Reaktionen der elektrorheologischen Flüssigkeiten auf ein elek
trisches Feld erfolgen sehr rasch. Elektrorheologische Flüssig
keiten werden in einer Vielzahl von Einrichtungen eingesetzt.
Bekannt ist der Einsatz bei Hydraulikventilen, Hydraulikzylin
dern, Vibratoren, Viskositätskupplungen, Stoßdämpfern oder
Motorlagern (Übersichtsartikel "Applications of the electro
rheological effect in engineering practice, Fluid Mechanics-
Soviet Research, Vol. 8, No. 4, July-August 1979"). In Fig. 14
dieser Veröffentlichung ist auch eine peristaltische Pumpe mit
Membranen als Verdrängungsbauteil beschrieben, jedoch sind hier
keine Forderungen nach hoher Frequenzdynamik zu erfüllen und es
sind demgemäß auch keine einer Fluidkammer zugeordnete steuer
bare Ventile vorgesehen.
Durch den Einsatz elektro- und/oder magnetorheologischer Venti
le, die hohe Schaltfrequenzen ermöglichen, in Verbindung mit
einer elastisch verformbaren Membrane als Verdrängerbauteil der
Pumpe, die ebenfalls eine sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit
aufweist, ist die erfindungsgemäße Pumpe als Antriebseinheit
für z. B. Hydraulikzylinder mit hoher Frequenzdynamik geeignet.
Da die zur Steuerung z. B. elektrorheologischer Ventile erfor
derliche Stromdichte sehr gering ist und beispielsweise in der
Größenordnung von 10 uA/cm liegt, können elektrorheologische
Ventile ohne weiteres mit einer Halbleiterelektronik angesteu
ert werden, wobei sich die Möglichkeit der digitalen Ansteue
rung mit üblicher Rechnergeschwindigkeit ergibt. Bei der erfin
dungsgemäßen Pumpe tritt sowohl der Strömungsmodus (Flow-mode)
als auch auf Grund der Membranenbewegung der Quetschmodus
(Sqeeze-mode) und der Schermodus (Shear-mode) der elektrorheo
logischen bzw. magnetorheologischen Flüssigkeiten auf. Näheres
hierzu findet sich in dem Buch "Technischer Einsatz neuer Akto
ren", Expert Verlag, Renningen-Malmsheim, 1995, Kapitel 3.2.1
und Bild 3.1.
Da bei der Ansteuerung der elektrorheologischen Ventile keine
Massen bewegt werden müssen und da die zu bewegende Masse des
Verdrängerbauteils in der Bauweise als Membrane sehr gering
ist, können sehr hohe Arbeitsgeschwindigkeiten erreicht werden.
Gleichwohl sind die dabei auftretenden Beschleunigungskräfte
verhältnismäßig gering, so daß die Pumpe mit geringem Energie
aufwand betrieben werden kann.
Bei einer Pumpe, die mehrere Fluidkammern aufweist, die zu
einer Einheit zusammengeschaltet sind, ist, da hier ein wech
selseitiges Pumpen erfolgt, ein kontinuierlicher Förderstrom
gewährleistet. Dies läßt sich auch dadurch erreichen, daß eine
Membrane zwei nebeneinander liegenden Fluidkammern zugeordnet
ist, so daß die Fluidkammern einerseits einen Saughub und ande
rerseits einen Druckhub ermöglichen.
Fertigungsgünstig sind die Ausführungsformen nach den Merkmalen
der Patentansprüche 5 bis 7.
Eine gegenüber Druck unempfindliche Ausführungsform der Erfin
dung ergibt sich durch eine Anordnung von Stützflächen auf der
dem Fluid abgewandten Membranseite.
Es können Membranen verschiedenster Formen und Biegelinien
eingesetzt werden. Die Membranen können elastisch verformbar
und/oder elastisch verlagerbar sein.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
beschrieben, die in der Zeichnung dargestellt sind.
Es zeigen:
Fig. 1 in vereinfachter Darstellung eine Fluid-Pumpe,
Fig. 2 in ebenfalls vereinfachter Darstellung eine Fluid-
Pumpe als Antriebseinheit für einen Hydraulikzy
linder,
Fig. 3 und 4 Verdrängerbauteile
Fig. 5 in vereinfachter Darstellung eine Kolbenpumpe.
Die in Fig. 1 dargestellte Pumpe 1 stellt einen elektrorheolo
gischen Flüssigkeitsantrieb dar. Sie ist im dargestellten Bei
spiel in einem Gehäuse 2 angeordnet. In einem Behälter 3 befin
det sich eine elektrorheologische Flüssigkeit. Über eine Lei
tung 4, die beispielsweise als ein Spalt mit der Breite h aus
geführt ist, gelangt die Flüssigkeit zu einem elektrorheologi
schen Ventil 5, das das Einlaßventil der Pumpe 1 bildet.
Das elektrorheologische Ventil 5 weist einen elektrischen Kon
densator auf, dessen beide Kondensatorplatten 5a im Abstand
zueinander angeordnet sind. Dieser Abstand der Kondensatorplat
ten 5a kann beispielsweise in gleicher Größe wie die vorher
genannte Spaltbreite h gewählt werden.
Im Abstand zum Ventil 5 ist als Verdrängerbauteil in einer
zwischen den Ventilen 5,8 angeordneten Fluidkammer 7 eine Mem
brane 6 angeordnet, die mit dem Ventil 5 und einem nachgeschal
teten elektrorheologischen Ventil 8 in Verbindung steht. Das
Ventil 8 bildet das Auslaßventil der Pumpe 1. Das elektrorheo
logische Ventil 8 ist in gleicher Weise aufgebaut wie das elek
trorheologiche Ventil 5 und weist ebenfalls zwei Kondensator
platten 8a auf, die im Abstand zueinander angeordnet sind,
beispielsweise ebenfalls im Abstand h.
Das Ventil 8 ist über eine Druckleitung 9 mit einem Verbraucher
10 verbunden, von dem eine Rücklaufleitung 11 zum Behälter 3
führt.
Wenn an die beiden Kondensatorplatten 5a des Ventils 5 bzw. 8a
des Ventils 8 eine elektrische Spannung gelegt wird, baut sich
zwischen den Kondensatorplatten 5a bzw. 8a ein elektrisches
Feld auf, unter dessen Wirkung die Viskosität der dazwischen
befindlichen elektrorheologische Flüssigkeit geändert werden.
In der Ausgangsstellung ist der gesamte geschlossene hydrauli
sche Flüssigkeitskreislauf mit elektrorheologischer Flüssigkeit
gefüllt.
Durch eine nicht näher beschriebene und nicht dargestellte
Steuereinrichtung wird zunächst eine elektrische Spannung an
die Kondensatorplatten 5a des Ventils 5 gelegt. Diese elektri
sche Spannung wird so groß gewählt, daß die elektrorheologische
Flüssigkeit zwischen den Kondensatorplatten 5a erstarrt, so daß
das Ventil verschlossen ist.
Durch Anlegen einer variablen elektrischen Spannung wird nun
mehr die Membrane 6 elastisch verformt, so daß Flüssigkeit aus
der Fluidkammer 7 verdrängt wird. Dadurch wird die in der
Fluidkammer 7 befindliche Flüssigkeit zum Verbraucher 10 ge
pumpt. Da die Hubbewegung der Membrane 6 elektrisch variiert
werden kann, ist das Fördervolumen kontinuierlich variabel
regelbar.
Die Membrane 6 könnte beispielsweise auch aus einem magnetoela
stischen Werkstoff ausgebildet sein, so daß durch ein variables
magnetisches Feld die Membrane 6 elastisch verformt wird.
Anschließend wird eine ausreichende elektrische Spannung an die
Kondensatorplatten 8a des Ventils 8 gelegt, um die elektrorheo
logische Flüssigkeit innerhalb des Ventils 8 erstarren zu las
sen, so daß das Ventil 8 geschlossen ist. Gleichzeitig wird der
das Einlaßventil 5 bildende Kondensator entladen, so daß die
elektrorheologische Flüssigkeit dort wieder fließfähig wird.
Durch Umpolung der Spannung an der Membrane 6 wird Flüssigkeit
durch das Einlaßventil 5 in die Fluidkammer 7 gesaugt, und der
beschriebene Pumpvorgang wird wiederholt.
Eine entgegengesetzt gerichtete Förderung der elektrorheologi
schen Flüssigkeit ist möglich, wenn die Ventile 5 und 8 in
umgekehrter Reihenfolge zu dem bisher beschriebenen Vorgang ge
schlossen und geöffnet werden.
Durch die beschriebene Pumpfunktion wird ein intermittierender
Förderstrom erreicht. Ein weitgehend kontinuierlicher Förder
strom kann erreicht werden, wenn zwei Pumpen der beschriebenen
Bauart parallelgeschaltet und abwechselnd erregt werden bzw.
eine Pumpe zwei parallelgeschaltete Fluidkammern aufweist.
Durch Anordnung von zwei Fluidkammern nebeneinander, die eine
gemeinsame Membrane aufweisen, läßt sich ebenfalls ein weitge
hend kontinuierlicher Förderstrom einstellen.
Fig. 2 zeigt den Einsatz einer erfindungsgemäßen Pumpe als
Antriebseinheit für einen doppelt wirkenden Hydraulikzylinder.
In einem Zylinder 12 ist ein Kolben 13 hin- und herbewegbar
geführt, der mit einer aus dem Gehäuse 14 des Hydraulikzylin
ders 12 herausgeführten Kolbenstange 15 verbunden ist. Der
Kolben 13 unterteilt den Zylinder 12 in zwei Zylinderkammern
12a und 12b. Die eine Zylinderkammer 12a ist über eine Hydrau
likleitung 16 mit den Ventilen 5 und 5' der Fluid-Pumpe 1 ver
bunden, während die andere Zylinderkammer 12b über eine Leitung
17 mit den Ventilen 8 und 8' verbunden ist. Es sind zwei neben
einanderliegende Fluidkammern 7 und 7' vorgesehen, zwischen
denen eine beiden Fluidkammern 7 und 7' gemeinsame Membrane 6
angeordnet ist. Die Membrane 6 ist mehrschichtig aufgebaut und
weist eine isolierende Schicht auf, die zwischen zwei leitfähi
gen, z. B. metallischen Schichten angeordnet ist. Um die Mem
brane 6 in die gestrichelt dargestellte Lage zu verformen, wird
an die in der Darstellung rechte Metallschicht der Membrane 6
und an den dieser gegenüberliegenden isolierten Bereich 20' des
Gehäuses eine gleichpolige elektrische Spannung gelegt, was
in der Zeichnung durch die beiden + Symbole dargestellt ist.
Die linke Metallschicht der Membrane 6 und der dieser gegen
überliegende isolierte Gehäusebereich 20 sind entgegengesetzt
spannungsbeaufschlagt, in der Zeichnung gekennzeichnet durch
ein + und ein - Symbol. Durch Umschalten dieser Spannungen wir
die Membrane 6 in die andere, dem Wandbereich 20' zugewandte
ausgelenkte Stellung gebracht. Ist das Ventil 5 geschlossen und
wird die Membrane 6 in die gestrichelt dargestellte Lage ver
formt, wird Fluid bei offenem Ventil 8 in die Zylinderkammer
12b gedrückt. Das Ventil 8' ist dabei geschlossen, das Ventil
5' ist geöffnet, so daß Fluid aus der Zylinderkammer 12a in die
Fluidkammer 7'gelangt. Da es sich um ein geschlossenes System
handelt, sind zur Berücksichtigung von Temperaturänderungen
Volumenausgleichseinrichtungen vorzusehen, die hier nicht dar
gestellt sind, oder die Temperatur muß konstant gehalten wer
den. Diese Anordnung liefert auch einen weitgehend kontinuier
lichen Förderstrom.
Beide Zylinderkammern 12a und 12b sind in der Ausgangslage mit
dem halben Systemdruck des max. möglichen Drucks vorgespannt;
die Membrane 6 befindet sich in einer der beiden ausgelenkten
Lagen. Die abwechselnde Druckbeaufschlagung der Zylinderkammern
12a und 12b erfolgt durch Betätigung der Pumpe 1 in der vorher
beschriebenen Weise.
In der Fig. 3 ist ein Verdrängerbauteil dargestellt, das an
Stellen der elastisch biegbaren Membrane 6 in Fig. 2 eingesetzt
werden kann. Das Verdrängerbauteil umfaßt eine zentrale Mem
brane 6', die nahezu starr ausgebildet ist und an der Stelle
der Membrane 6 in Fig. 2 eingebaut ist. Beiderseits der Mem
brane 6' sind Membranen 6'' und 6''' angeordnet und jeweils
mittels elastisch verformbarer Bauteile, im dargestellten Bei
spiel Faltenbälge 30, 30', an der Membrane 6' bzw. am Gehäuse
abgestützt. Die Membranen 6', 6'' und 6''' weisen elastisch
leitfähige Oberflächen auf, die elektrisch beaufschlagbar sind.
Wird an die in der Darstellung rechte Oberfläche der Membran 6'
und an die linke Oberfläche der Membran 6'' eine gleichpolige
elektrische Spannung gelegt, was durch die beiden + Symbole
angedeutet ist, verlagert sich die Membrane 6'' nach rechts.
Wird an die in der Darstellung linke Oberfläche der Membrane 6'
eine positive und an die rechte Oberfläche der Membrane 6'''
eine negatische elektrische Spannung angelegt, verlagert sich
die Membrane 6''' nach rechts. Durch das offene der beiden
Ventile 5', 8' (Fig. 2) wird durch die Membranverlagerung der
Membrane 6'' Fluid-in die zugehörige Zylinderkammer gedrückt,
während durch das offene der beiden Ventile 5, 8 Fluid durch
die Membranverschiebung der Membrane 6''' aus der angeschlosse
nen Zylinderkammer abgeführt wird. Durch Umschalten dieser
Spannungen werden die Membranen 6'' und 6''' in die anderen
Stellungen gebracht.
Ist die zentrale, nahezu starre Membrane 6' in einer in Fig. 4
nur prinzipiell dargestellten Ausführungsform mit dem Randbe
reich elastisch und die Fluidkammern 7, 7' trennend im Gehäuse
abgestützt, kann mittels elektrischer Spannungsbeaufschlagung
der Wandbereiche des Gehäuses und der gegenüberliegenden elek
trisch leitfähigen Oberflächen der Membrane 6' eine Verlagerung
der Membrane 6' bewirkt werden. Diese Ausführungsform ent
spricht der Ausführungsform in Fig. 2 bis auf die elastisch
verlagerbare Membrane 6' anstelle der elastisch verformbaren
Membrane 6. Es wird linear über dem Hub Volumen angesaugt bzw.
verdrängt. Die Pumpwirkung wird erhöht, wenn die Membrane 6'
sowohl elastisch verformbar als auch elastisch verlagerbar ist.
In der Fig. 5 ist in prinzipieller Darstellung eine nach der
Erfindung gestaltete Kolbenpumpe dargestellt. Der Kolben 40 ist
in einer Fluidkammer zwischen Elastikelementen 41, 42 gelagert.
Der Kolben begrenzt die Fluidkammern 7, 7' und ist auf seinen
Stirnflächen 43, 44 elektrisch leitend ausgebildet. Die gegen
überliegenden Gehäusebereiche sind ebenfalls elektrisch leitend
ausgebildet. Durch gleichpolige bzw. ungleichpolige Spannungs
beaufschlagung erreicht man im dargestellten Beispiel in der
Fluidkammer 7 einen Verdrängungshub und in der Fluidkammer 7'
einen Saughub des elastisch gelagerten Kolbens. Es wird linear
über den Hub Volumen angesaugt bzw. verdrängt.
Eine Verbesserung der Pumpwirkung ergibt sich bei Ausgestaltung
der Stirnflächen als Membranen eines Hohlkolbens.
Der Hydraulikzylinder kann als hydraulischer Belastungszylinder
eingesetzt werden. Statt einer beidseitig nach außen geführten
Kolbenstange kann die Kolbenstange einseitig nach außen geführt
werden. An der Kolbenstange des Belastungszylinders kann z. B.
ein Prüfling angeschlossen werden, der einer druckmittelindu
zierten statischen oder dynamischen Belastung ausgesetzt werden
soll. Durch wechselseitige Ansteuerung der beiden Zylinderkam
mern können sowohl statische als auch dynamische Kräfte in
beiden Bewegungsrichtungen der Kolbenstange erzeugt werden. Bei
dynamischen Vorgängen ist es erfindungsgemäß möglich, sehr
schnelle oszillierende Bewegungen zu erzeugen und Erregungen im
Resonanzbetrieb vorzusehen.
Statt des in der Fig. 2 dargestellten Längszylinders können
auch Drehzylinder (Flügelzellenzylinder) für drehende Bewegun
gen bzw. Schwenkbewegungen vorgesehen werden.
Claims (13)
1. Fluid-Pumpe mit zumindest einem antreibbaren Verdrängerbau
teil, dessen zumindest eine Fluidkammer (7, 7') mit zwei
steuerbaren Ventilen (5, 5', 8, 8') verbunden ist, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Fluid eine elektrorheologische und/
oder magnetorheologische Flüssigkeit ist, daß die beiden
Ventile (5, 5', 8, 8') elektro- und/oder magnetorheologische
Ventile sind, deren Ventilkanal mit einem elektrischen
und/oder magnetischen Feld beaufschlagbar ist und daß das
Verdrängerbauteil zumindest eine durch ein elektrisches/
magnetisches Feld elastisch verformbare und/oder elastisch
verlagerbare Membrane (6) zur Verdrängung von Druckmittel
und/oder Druckerzeugung (6) gebildet ist.
2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fluidkammer (7, 7') in einem geschlossenen hydraulischen
Flüssigkeitskreislauf angeordnet ist.
3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
Fluidkammer (7, 7') mit einem hydraulischen Zylinder (14) in
Verbindung steht, in dem ein fluidbetätigbarer Kolben (13)
mit einer ein- oder beidseitig nach außen führenden Kolben
stange (15) angeordnet ist.
4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere Fluidkammern (7, 7') zu einer
Einheit zusammengeschaltet sind.
5. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Membrane in der Wand der Fluidkam
mer als Teil einer Elektrodeneinrichtung angeordnet ist.
6. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wände der Fluidkammer (7) zumindest
eine Ausnehmung aufweisen, in der isoliert die Membrane
angeordnet ist.
7. Pumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die
Ausnehmung und die Membrane kreisförmig ist.
8. Pumpe nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, dadurch gekennzeich
net, daß auf der dem Fluid abgewandten Membranseite Stütz
flächen angeordnet sind.
9. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die dem Fluid zugeordnete Membranober
fläche spitzenförmige Ausformungen aufweist.
10. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Membrane elastisch gelagert ist.
11. Pumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die den
Rand der Membrane umgebende elastische Lagerung Einprägun
gen zur Erhöhung der Flexibilität aufweist.
12. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zumindest eine Membrane (6) zwei Fluid
kammern (7, 7') zugeordnet ist.
13. Fluid-Pumpe mit zumindest einem antreibbaren Verdrängerbau
teil, dessen zumindest eine Fluidkammer (7, 7') mit zwei
steuerbaren Ventilen (5, 5', 8, 8') verbunden ist, wobei das
Fluid eine elektrorheologische und/oder magnetorheologi
sche Flüssigkeit ist, und die beiden Ventile (5, 5', 8, 8')
elektro- und/oder magnetorheologische Ventile sind, deren
Ventilkanal mit einem elektrischen und/oder magnetischen
Feld beaufschlagbar ist und wobei das Verdrängerbauteil zu
mindest ein durch ein elektrisches/magnetisches Feld ela
stisch verformbares und/oder elastisch verlagerbares Bau
teil zur Verdrängung von Druckmittel und/oder Druckerzeu
gung (6) gebildet ist.
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