DE19725685A1 - Fluid-Pumpe - Google Patents

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.