DE3320443A1

DE3320443A1 - Fluessigkeitspumpe

Info

Publication number: DE3320443A1
Application number: DE19833320443
Authority: DE
Inventors: Kenth Åkersberga Nilsson
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1983-06-06
Filing date: 1983-06-06
Publication date: 1984-12-06
Anticipated expiration: 2003-06-07
Also published as: DE3320443C2

Description

Flüssigkeitspumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine FlüssigKeitspumpe bestehend aus einem Hohlkörper mit einem Einlassventil, das an eine Flüssigkeitspumpe angeschlossen ist und einem Auslassventil, wobei der Pumpeffekt durch Volumenänderung des Hohlkörpers erzeugt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flüssigkeitspumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die- mit möglichst wenigen mechanisch bewegbaren Teilen auskommt und dadurch in ihrem Aufbau besonders einfach ist, die sich für Miniaturisierung eignet, die bis hin zu hohen Frequenzen zuver'assig arbeitet und bei der das Pumpvolumen auf einfache Weise kontinuierlich verändert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemass dadurch gelöst, dass der Hohlkörper mindestens einen mechanisch schalenförmig vorgespannten derart kontaktierten piezoelektrischen Wandler aufweist, dass sich bei einer Spannungsänderung an der Kontaktierung dessen Oberflache verkleinert. Die Verkleinerung der Oberfläcne resultiert praktisch in einer Streckung des schalenförmigen Wandlers, d.h.,dass die Wölbung dieser Schale mehr und mehr abnimmt und damit auch das durch diese Scnale eingeschlossene Volumen. Die Oberflächenverkleinerung kann maximal dazu führen, dass der Wandler absolut plan ist. Die Verminderung des Schalenvolumens stellt das Pumpvolumen dar.
Auf mechanisch bewegbare Teile kann bei dieser Pumpe vollständig verzichtet werden. Allein durch Änderung der Amplitude der an die Kontaktierung angelegten Spannung kann das Pumpvolumen auf einfache Weise verändert werden. Diese Flüssigkeitspumpe arbeitet bis zu hohen Frequenzen mit unveränderter Genauigkeit.Eine Grenze wird praktisch durch die benötigte Nacnfüllzeit festgelegt.
Der mechanisch schalenförmig vorgespannte Wandler besteht vorteilhafterweise aus bilaminarem Material, beispielsweise einer Nickelunterlage, die schalenförmig vorgeformt und auf die Piezokeramik aufgebracht ist.
Zum Pumpen sind jeweils lediglich kurze Spannungsimpulse notwendig, da durch die mechanische Vorspannung der Wandler nach Beendigung der Spannungsimpulse automatisch in seine Ausgangslage zurückkehrt.
Als Ein- bzw.Auslassventile können einfache Rückschlagventile vorgesehen sein. Im einfachsten Fall kann die Flüssigkeitspumpe aus einer planen Metallplatte bestehen, auf die der Rand des schalenförmigen Wandlers geschweisst ist. Ein- und Auslassventil können sich in der Platte befinden. Ebenso ist es möglich,ein oder beide Venil(e) im Wandler anzuordnen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Hohlkörper der Flüssigkeitspumpe zwei Wandler aufweist, die entweaer gleichsinnig oder gegensinnig gekrümmt sind. Die Ränder der beiden Wandler können direkt miteinander verbunden sein. Eine konstruktiv besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass sich zwiscnen den Wandlern ein Distanzteil befindet - im einfacnsten Fall ein Metallring - der mit den Rändern der Wandler starr verbunden wird. Dieser Metallring kann beispielsweise auch die Ventile enthalten.
Durch die vorgesehenen zwei Wandler wird die Regulierung der Pumpleistung noch einfacher. An die Kontaktierung jeden Wandlers wird zur Excitation wiederum ein Spannungsimpuls angelegt. Durch ein Phasenschiebungsglied zwischen diesen beiden Spannungsimpulsen lässt sich die Pumpleistung kontinuierlich verändern.
So ergibt beispielsweise eine gleichzeitige Ansteuerung der Flüssigkeitspumpe mit zwei gegensinnig gekrümmten Wandlern, d.h. also eine Ansteuerung mit einer Phasenverschiebung 0 zwischen den beiden Spannungsimpulsen, eine maximale Pumpleistung. Bei einer Phasenverschiebung von 180 Grad hingegen ist bei einer derartigen Flüssigkeitspumpe die Pumpleistung praktisch 0.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Anhand von 14 Figuren werden im folgenden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben und erläutert. Dabei zeigt Fig. 1 eine erste Ausführungsform der erfindungsgemässen Flüssigkeitspumpe schematisch im Querschnitt, Fig. 2 die gleiche Flüssigkeitspumpe in Draufsicht, Fig. 3 eine Flüssigkeitspumpe mit zwei ge gegensinnig gekrümmten wandlern und Fig. 4 schliesslich eine Flüssigkeitspumpe mit zwei gleichsinnig gekrümmten Wandlern.
In der Fig. 1 ist mit 1 eine starre metallische Platte bezeichnet, in die zwei Ventile 2 und 8 eingesetzt sind. Auf der Platte ist der schalenförmige piezoelektrische Wandler 3 befestigt, der aus einem bilaminaren Material aus einer Nickelschicht 4 und einer Schicht 5 aus Piezokeramk aufgebaut ist. Der Rand dieses schalenförmigen Wandlers ist beispielsweise durch Schweissen mit der Platte starr verbunden, wie in den Punkten 6 und 7 angedeutet. Die beiden Ventile 2 und 8 sind Einwegventile, wobei das Ventil 2 Flüssigkeit aus der zwischen Platte 1 und dem schalenförmigen Wandler 3 gebildeten Hohlraum 10 ausströmen lässt, während das Ventil 8 Flüssigkeit von der Leitung 9 in den Hohlraum 10 hineinströmen lässt.
In der schematischen Schnittzeichnung der Fig. 1 ist auf die Darstellung der Kontakt-ierung des Wandlers verzichtet worden. Wird nun eine derartige elektrische Spannung an die Kontaktierung des Wandlers gelegt, dass dieser sich verkürzen will, so resultiert das darin, dass die Wölbung des Wandlers 3 abnimmt. Bei ausreichender Spannung legt sich der Wandler plan gegen die Platte 1. Das dieser Volumenänderung entsprechende Fliissigkeitsvolumen - im Extremfall also das gesamte Volumen der Kammer 10 - wird dabei durch die Düse 2 ausgestossen. Nach Beendigung des Spannungsimpulses kehrt der Wandler automatisch in seine Ausgangslage zurück. Dabei schliesst das Ventil 2 und das Ventil 8 öffnet, so dass durch den entstandenen Unterdruck in der Kammer 10 Flüssigkeit über die Leitung 9 nachströmen kann.
Selbstverständlich kann auch das Ventil 2 an eine Ausgangsleitung zur Weiterführung der gepumpten Flüssigkeit angeschlossen sein. Ebenso ist es denkbar, dass anstelle der Leitung 9 zur Zufuhr von Flüssigkeit die gesamte Pumpe in einem Gehäuse mit Flüssigkeit angeordnet ist. Diese Flüssigkeitspumpe kann mit sehr grossen Frequenzen arbeiten, die im Grunde genommen lediglich durch die Resonanzfrequenz des Wandlers und im wesentlichen durch die Nachfüllzeit begrenzt ist. Die Pumpe eignet sich besonders für miniaturisierte Ausführungen, beispielsweise für implantierbare Infusionspumpen oder dergleichen.Der Durchmesser der gesamten Pumpe braucht lediglich einige Millimeter zu betragen. Die Pumpe arbeitet friktions- und praktisch verschleissfrei und garantiert bei hoher Lebensdauer eine stets gleichbleibend gute Pumpleistung.DarüDer hinaus ist der "HUB" dieser Pumpe leicht regelbar, indem die Amplitude der an die Kontaktierung angelegten Spannungsimpulse variiert wird. Eine derartige Änderung der Ansteuerspannung lässt sich einfach und in bekannter Weise auch bei implantierten Geräten von ausserhalb des Körpers - beispielsweise über einen Programmierer - durchführen.
Fig. 2 zeigt die Flüssigkeitspumpe gemäss Fig. 1 in einer schematischen Draufsicnt. Dabei ist die kreisförmige Platte 1 sowie der Wandler 3 zu sehen.
Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemässen Flüssigkeitspumpe. Anstelle der in Fig.1 verwendeten Platte ist ein ringför:niges Distanzteil 20 vorgesehen, auf aas beidseitig je ein Wandler 21 bzw.
22 aufgeschweisst ist. Die Wandler sind dabei gegensinnig gekrümmt. Das Ein- bzw. Auslassventil 23 bzw. 214 ist in diesem Ausführungsbeispiel in as Distanzteil 20 eingefügt. Bei gleichphasiger Ansteuerung der beiden Wandler 21 und 22 kann eine gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 doppelte Pumpleistung erzielt werden. Durch eine Phasenverschiebung in den an die beiden Wandler angelegten Spannungsimpulse kann die Pumpleistung kontinuierlich bis auf 0 heruntergeregelt werden.
Fig. 14 zeigt ein Ausführungsbeispiel entsprechend dem der Fig. 3 mit dem Unterschied, dass die beiden Wandler gleichsinnig gekrümmt sind. Gleiche Teile sind daher mit gle chen Bezugszeichen versehen. Auch hierbei kann durch unterschiedliche Phasenansteuerung wiederum die Pumpleistung variiert werden.
In beiden Ausführungsbeispielen gemäss Fig. 3 bzw. 4 ist es auch möglich,nur einen der Wandler anzusteuern.
8 Patentansprüche 4 Figuren

Claims

Patentansprüche F Mi Flüssigkeitspumpe bestehend aus einem Hohlkörper mit einem Einlassventil, das an eine Fltissigkeitszufuhr angeschlossen ist und einem Auslassventil, wobei der Pumpeffekt durch Volumenänderung des Hohlkörpers erzeugt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , dass der Hohlkörper zumindest einen mechanisch schalenförmig vorgespannten derart kontaktierten plezoerlektrischen Wandler (3;21) aufweist, dass sich bei einer Spannungsänderung an der Kontaktierung dessen Oberfläche verkleinert.
2. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hohlkörper ein Metallteil (1;20) aufweist, mit dem der Rand des Wandlers (3;21,22) starr verbunden ist.
3. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hohlkörper zwei gleichsinnig gekrümmte Wandler (21,22) aufweist.
4. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 1 oder 2, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Hohlkörper zwei gegensinnig gekrümmte Wandler (21,22) aufweist.
Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 3 oder 4,d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die beiden Wandler (21,22) durch ein Distanzteil (20) mit bestimmten Abstand zueinander angeordnet sind.
6. Flüssigkeitspumpe nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t ,dass der Rand jeden Wand- lers (21,22) auf einer Seite des Distanzteiles (20) befestigt ist.
7. Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest ein Ventil (23,2) in dem Distanzteil (20) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Regeln der Pumpleistung einer Flüssigkeitspumpe nach einem der Ansprüche 3 bis 7, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Extation der beiden Wandler (21,22) Spannungsimpulse an die entsprechende Kontaktierung gelegt wird, wobei die Phasenlage der Spannungsimpulse zueinander einstellbar ist.