DE2717578C2

DE2717578C2 - Pumpe oder Verdichter

Info

Publication number: DE2717578C2
Application number: DE19772717578
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl.-Ing. 4690 Herne Hempelmann
Original assignee: PAUL PLEIGER MASCHINENFABRIK 5810 WITTEN
Current assignee: HEMPELMANN, WILLI, DIPL.-ING., 4690 HERNE, DE
Priority date: 1977-04-20
Filing date: 1977-04-20
Publication date: 1979-07-05
Also published as: DE2717578B1

Description

künstlich herstellen, indem man ein geschmolzenes Dielektrikum im elektrischen Feld polarisiert und es

Die Erfindung betrifft eine Pumpe oder einen dann in diesem Feld erstarren läßt Verdichter mit wenigstens einem in einem Zylinder Je nach dem zu fördernden Fluid kann es zweckmäßig

angeordneten Kolben. 30 sein, das piezo-elektrische Material des Kolbens mit

Bei bekannten Pumpen muß der Kolben durch einen einem dauerelastischen Kunststoff- oder Stahlmantel zu Exzenterantrieb (z. B. DE-OS 22 44 920), einen Schub- umgeben.

kurbelantrieb oder durch eine Taumelscheibe bei Zur Steuerung der im Zylinder vorgesehenen Ein-

Axislkolbenpumpen (z.B. DE-PS 12 71551) in dem und Auslaßöffnungen können Ventile verwendet wer- Zylinder hin und her bewegt werden, wodurch 35 den, wenn keine zu große Hubfolge des Kolbens Reibungswärme entsteht die als Verlust den Wirkungs- vorgesehen wird, so daß die an den Ventilen zu

grad beeinträchtigt Bei elektrischem Antrieb muß der bewegenden Massen den Betrieb der Pumpe nicht

elektrische Strom mittels eines Elektromotors in eine beeinträchtigen. Vor allem bei größeren Hubfolgen ist

Drehbewegung umgewandelt und diese wieder in eine es zweckmäßig, die Ein- und Auslaßöffnungen im Linearbewegung des Kolbens umgesetzt werden, 40 Zylinder durch ein piezo-elektrisches Element zu

wodurch der Wirkungsgrad weiterhin beeinträchtigt steuern, das in der gleichen Weise wie der Kolben, zu

wird. Hinzu kommt eine in der Regel relativ große diesem aber entsprechend phasenverschoben arbeitet

Lautstärke der pulsierenden Förderstromerzeugung Dieses Steuerelement kann als Steuerkolben ausgebil-

mittels Kolben und eine durch die mechanische det sein, der im gleichen Zylinder wie der Arbeitskolben

Umwandlung sich ergebende relativ begrenzte Dreh- 45 oder in einem getrennten Steuerzylinder angeordnet

zahl des Pumpensystems. sein kann. Die Ausgestaltung des Steuerkolbens kann

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine der eines üblichen hydraulischen Steuerkolbens mit

kinematisch einfach arbeitende Pumpe oder einen Ringnuten zum Verbinden und Absperren von zugeord-

solchen Verdichter mit hohem Wirkungsgrad zu neten Kanälen entsprechen, es ist aber auch eine

schaffen. 50 hülsenförmige Ausgestaltung des Steuerkolbens mög-

Diese Aufgabe wird bei der eingangs genannten lieh. Pumpe bzw. dem eingangs genannten Verdichter Für den Betrieb der Pumpe wird zweckmäßigerweise

erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben an den Stirnseiten des Kolbens über Leitungen eine

wenigstens zum Teil aus piezo-elektrischem Material Spannung angelegt. Die Längenänderungen des KoI-

besteht, das an eine Spannungsquelle angeschlossen ist. Ss bens können sowohl statisch als auch dynamisch

Hierbei wird der piezo-elektrische Effekt für eine stattfinden. Es kann eine Gleichspannung mit einer Pumpe oder einen Verdichter ausgenutzt. Durch Polarität angelegt werden, die zu der Polarisation des Anlegen einer Spannung am Kolben oder durch Ändern Kolbens entgegengerichtet ist, so daß sich dieser

einer am Kolben anliegenden Spannung ändert dieser verkürzt Bei umgekehrter Polarität der angelegten

seine Abmessung, wie auch z. B. bei Kompression eines μ Gleichspannung ergibt sich eine Verlängerung des

piezoelektrischen Körpers dieser sein elektrisches Kolbens, Die Gleichspannung kann auch durch eine

Gesamtmoment ändert. Diese Änderung der Kolbenab- entsprechende Steuereinrichtung impulsförmig am

messung dient als Hub, um ein bestimmtes Volumen Kolben angelegt werden. Wird eine Wechselspannung

eines Fluids zu verdrängen. Eine solche piezo-elektri- am Kolben angelegt, so verlängert und verkürzt sich

sehe Pumpe ist in ihrem Aufbau sehr einfach, da 65 dieser in Abhängigkeit von der Frequenz dieser

Einrichtungen für die Umwandlung der elektrischen Wechselspannung. Energie in Pumpbewegungen entfallen. Es sind keine Um eine ausreichende Fördermenge der Pumpe zu

mechanisch bewegten Teile wie bei einer herkömmli- erreichen, wird wegen der geringen Ausdehnung des

Kolbens eine entsprechend große Kolbenfläehe vorgesehen. Zur Steuerung der Fördermenge kann einerseits die angelegte Spannung erhöht oder verringert werden, so daß sich die Längenftnderungen des Kolbens entsprechend vergrößern oder verkleinern, und andererseits kann bei angelegter Wechselspannung die Frequenz erhöht oder verringert werden. Durch eine entsprechend hohe Frequenz von beispielsweise mehreren tausend Hertz kann eine im Verhältnis zur Kolbenausdehnung erhebliche Fördermenge erzielt werden. In einem solchen Falle wird anstelle eines konventionellen Ventilsystems mit Federmassen eine piezoelektrische Steuerung der Ein- und Auslaßöffnungen vorgesehen.

Es sind verschiedene Anordnungen des piezoelektrischen Kolbens in einem Zylinder möglich. So kann sich der Kolben auf einer Seite an der Stirnwand des Zylinders abstützen, so daß' sich die andere Seite im Zylinderraum als Kolbenfläche hin- und herbewegt Auch kann der Kolben etwa in der Mitte eines Zylinder j angeordnet werde», so daß er bei seiner Ausdehnung mit beiden Seiten jeweils gegen einen Zylinderraum arbeitet In diesem Falle werden beiderseits des Kolbens Ein- und Auslaßöffnungen im Zylinder vorgesehen. Nach einer anderen möglichen Anordnung können in einem längeren Zylinder zwei Kolben in einem Abstand voneinander angeordnet werden, die zwischen sich einen Zylinderraum begrenzen und gegeneinander arbeiten.

Mit einer piezoelektrischen Pumpe nach der Erfindung können Drücke in der Größenordnung von 500 bar und mehr erreicht werden. Aufgrund der leichten Steuerbarkeit durch Frequenzänderung kann eine piezoelektrische Pumpe auch ak> Dosierpumpe mit genauer Dosierung verwendet werden.

Eine Pumpe nach der Erfindung kann geringe Abmessungen haben, und in Verbindung mit dem einfachen Aufbau ergibt sich ein geringes Gewicht

relativ zur Förderleistung, Da die piezoelektrische Ausdehnung und Zusammenziehung des Kolbens keine nennenswerten Reaktionskräfte auf das Pumpengehäuse überträgt, bedarf es keiner starken Verankerung des Pumpengehäuses,

Eine piezoelektrische Pumpe nach der Erfindung kann zum Fördern unterschiedlichster Fluide eingesetzt werden.

Beispielsweise kann sie auch als Axialkolbeneinheit in Verbindung mit einem entsprechend groß dimensioiierten Hydromotor betrieben werden. Je nach Fördermenge kann die Pumpe auch im Ultraschallbereich gefahren werden, so daß eine Geräuschbelästigung entfällt Wird die Pumpe im Schallbereich gefahren, so kann aufgrund ihres zylindrischen Aufbaus leicht eine Schalldämpfung angebracht werden.

Werden bei dem erfindungsgemäßen Aufbau an den Ein- und Auslaßschlitzen des Zylinders keine Ventile oder Steuerelemente vorgesehen, so kann der piezoelektrische Kolben in einem geschlossenen Drucksystem zur Impuls- und Informationsübertragung verwendet werden. Hierbei könnte mit einer Trägerfrequenz von mehreren Kilohertz gearbeitet werden, der eine entsprechende Frequenz- oder Amplitudenmodulation überlagert wird. Damit ergibt sich durch die erfindungsgemäße Anordnung eines piezo-elektrischen Kolbens in einem Zylinder, sei es für die Förderung eines Fluids oder für die Erzeugungen Druckwellen in einem Fluid, ein breites Verwendungsgebiet

Als Material für den Kolben oder Druckwellenerzeuger können die verschiedenen bekannten piezo-elektrischen Werkstoffe verwendet werden, sei es. daß diese im Normalzustand ohne angelegte Spannung bereits ein elektrisches Moment aufweisen oder im Normalzustand neutral sind. Es können ferroelektrische Materialien verwendet werden, die bei einer zyklischen Elektrisierung eine Hystereseschleife zeigen.

Claims

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chen Pumpe vorhanden, wodurch sich eine geringe

Patentansprüche; Störanfälligkeit ergibt, praktisch keine Reibung auftritt

und damit ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden kann,

K Pumpe oder Verdichter mit wenigstens einem in Aus der GB-PS 1463 195 ist es zwar bekannt, die

einem Zylinder angeordneten Kolben, dadurch s Ausdehnung eines piezoelektrischen Elements für

gekennzeichnet, daß der Kolben wenigstens Einstellzwecke eines Maschinenteils relativ zu einem

zum Teil aus piezo-elektrischem Material besteht, anderen auszunutzen, jedoch ist hierbei keine Pumpbe-

das an eine Spannungsquelle angeschlossen ist wegung erwünscht, vielmehr wird die Ausdehnung des
2. Pumpe oder Verdichter nach Anspruch 1, piezoelektrischen Elements in einer bestimmten dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben aus io Stellrichtung entsprechend gesteuert Dies ist auch bei piezo-elektrischem Material besteht, das von einem der Stelleinrichtung nach der US-PS 35 51 764 der Fall, dauerelastischen Kunststoff- oder Metallmantel bei der zum schrittweisen Vorwärtsbewegen eines umgeben ist Stellgliedes jeweils die Ausdehnung piezo-elektrischer
3. Pumpe oder Verdichter nach den Ansprüchen 1 Elemente ausgenutzt wird, wobei ein piezo-elektrisches und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Steuerung 15 Kupplungselement vorgesehen ist, das jeweils dann die der Ein- und Auslaßöffnungen im Zylinder piezo- erforderliche Verbindung herstellt, wenn sich die für die elektrische Steuerelemente vorgesehen sind, die an Vorwärtsbewegung vorgesehenen piezoelektrischen eine Spannungsquelle angeschlossen sind. Elemente in der vorgegebenen Richtung ausdehnen.
4. Pumpe oder Verdichter nach den Ansprüchen 1 Auch bei dieser Stelleinrichtung handelt es sicn nicht um bis 3, dadurch gekennzeichnet daß als piezo-elektri- 20 eine Pumpe oder einen Verdichter.

sches Material ein Elektret vorgesehen ist Für den Kolben einer Pumpe oder eines Verdichters

kann ein natürliches piezo-clektrisches Materia! verwendet werden, dessen Achse bzw. Vorzugsrichtung in Längsrichtung des Kolbens liegt Man kann ferner

25 Elektrete, die als Kolbenmaterial verwendet werden,