DE3926348A1

DE3926348A1 - Pumpenanordnung

Info

Publication number: DE3926348A1
Application number: DE3926348A
Authority: DE
Inventors: Reizo Naruse; Hiroyuki Igawa; Satoshi Nakamura; Teruo Simizu
Original assignee: Nippon Keiki Works Ltd
Current assignee: Nippon Keiki Works Ltd
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1990-03-15
Also published as: JP2887677B2; US4983876A; JPH02298679A; DE3926348C2

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Membranpumpenan ordnung mit einem längswirksamen piezoelektrischen Betäti ger.

Wie in Fig. 12 gezeigt, umfaßt eine bekannte piezoelektri sche Membranpumpenanordnung einen Einlaß 39 mit einem Kugel ventil 38, einen Auslaß 34 mit einem Kugelventil 35 und bi morphe Betätiger 36 und 37 an den beiden Seiten eines Pumpen raums. Wenn die Betätiger 36 und 37 durch Anlegen einer elek trischen Spannung in Schwingung kommen, wird wiederholt das Volumen des Pumpenraums geändert, so daß die Anordnung als ein Pumpmittel wirkt. Bei den bimorphen Betätigern 36 und 37 wird eine große Hysterese zwischen dem Hub und der anliegen den elektrischen Spannung beobachtet, und deswegen gibt es keine lineare Beziehung zwischen dem Hub und dem Spannungs verlauf, wie in Fig. 13 gezeigt. Bei dem in Fig. 14 darge stellten Experiment wurde ein mit einem Silikongummifilm be schichteter Betätiger verwendet.

Allgemein kann ein bimorpher Betätiger nur in einem Frequenz bereich in der Nähe der Resonanzfrequenz schwingen, so daß die Strömungsrate nicht proportional zur benutzten Frequenz ist. Weiter zeigt der bimorphe Betätiger die in Fig. 14(a) dargestellte Kugelverformung, so daß der Betätiger bezüglich Versetzung und Volumenänderung einen geringen Wirkungsgrad hat.

In der JP-A 1 59 778-1987, O. T. 15. 7. 1987, wird eine längs wirksame piezoelektrische Membranpumpe mit einem piezoelek trischen Element mit geringem Hub gezeigt. Der Pumpfluß dieser Pumpe ist damit ziemlich gering.

Die JP-U 1 03 580-1986, O. T. 1. 7. 86, zeigt eine Flüssigkeits pumpe mit einem Stößel und einem Hebel zur Hubverstellung. Bei dieser Pumpe ist es unmöglich, einen hohen Pumpfluß zu erreichen, wenn nicht Membranen mit großerm Durchmesser einge setzt werden.

Es ist damit ein Ziel der Erfindung, eine neuartige piezo elektrische Membranpumpenanordnung zu schaffen, bei der ein Membrankörper mit einem Film beschichtet ist und in Abhängig keit von einem längswirksamen piezoelektrischen Betätiger schwingen kann, und bei der ein Verstärkungsmechanismus ent halten ist, der den Hub des Betätigers verstärken kann, so daß der Pumpfluß durch Einstellen der Spannung und Frequenz des am Betätiger anliegenden Wechselstromes gesteuert werden kann.

Dazu schafft die Erfindung eine piezoelektrische Membranpum penanordnung, bei der in einem Gehäuse mit einem Einlaß mit einem Zustrom-Rückschlagventil und einem Auslaß mit einem Ab stromrückschlagventil ein Fach zur Aufnahme eines Verstär kungsmechanismus vorgesehen ist mit einem L-förmigen statio nären Teil, an dem eine Plattenfeder befestigt ist, wobei an einem vorderen Endabschnitt der Plattenfeder ein Hebeele ment des Verstärkungsmechanismus befestigt ist, der mit einem oberen Abschnitt eines längswirksamen piezoelektri schen Betätigers in Eingriff steht, und bei der ein mit einem Film beschichteter Membrankörper vorgesehen ist, wobei ein vorderer Endabschnitt des Hebelelements an einem Stütz element befestigt ist, das wiederum an einem U-förmigen Stützglied zum Abstützen des Membrankörpers befestigt ist, und das Stützelement über die Feder mit dem L-förmigen sta tionären Teil verbunden ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung bei spielsweise näher erläutert; in dieser zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht einer Pumpenanordnung nach einer ersten Ausführung der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung der Anordnung aus Fig. 1 nach Linie A-B der Fig. 1,

Fig. 3 eine Längsschnittdarstellung eines erfindungsgemä ßen Membrankörpers,

Fig. 4 eine Längsschnittdarstellung einer anderen Ausfüh rung eines erfindungsgemäßen Membrankörpers,

Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Hauptabschnitts einer Pumpenanordnung gemäß einer zweiten Ausfüh rung der Erfindung,

Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Hauptabschnitts einer Pumpenanordnung nach einer dritten Ausfüh rung der Erfindung,

Fig. 7 eine Längsschnittdarstellung eines Teils der Pum penanordnung aus Fig. 6,

Fig. 8 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi schen der angelegten elektrischen Spannung und dem Pumpfluß pro Sekunde,

Fig. 9 eine schematische perspektivische Darstellung eines Parallelhubs bei einem erfindungsgemäßen Membrankörper,

Fig. 10 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi schen Frequenz und Pumpfluß pro Sekunde bei einer erfindungsgemäßen Pumpenanordnung,

Fig. 11 Wechselstrom-Wellenformen, die bei der erfindungs gemäßen Pumpenanordnung Verwendung finden können,

Fig. 12 eine schematische Längsschnittansicht einer be kannten bimorphen piezoelektrischen Membranpumpe,

Fig. 13 eine graphische Darstellung der Beziehung zwi schen der Versetzung und der Gleichspannung bei der bimorphen Membranpumpe nach Fig. 12, und

Fig. 14 eine grundsätzliche Darstellung einer Kugel- und einer Kegel-Membranverformung.

Es werden nun anhand der Zeichnung bevorzugte Ausführungen der Erfindung erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Pumpenanordnung gemäß einer ersten Ausführung der Erfindung mit einem Gehäu se 1, einem Membrankörper 9 und einem Fach 2 zur Aufnahme eines Verstärkungsmechanismus.

Ein Einlaß 3 und ein Auslaß 4 sind in einem oberen Abschnitt des Gehäuses 1 angebracht. Unter dem Einlaß 3 ist ein hohler Bereich 5 vorgesehen mit einem etwas größeren Durchmesser als dem des Einlasses 3. Im Bodenabschnitt des hohlen Berei ches 5 ist ein Einlaß-Rückschlagventil 5 a vorgesehen.

Unter dem Auslaß 4 ist ebenfalls ein hohler Bereich 6 mit einem den Durchmesser des Auslasses 4 übertreffenden Durch messer vorgesehen, und im Bodenabschnitt des hohlen Bereichs 6 ist ein Auslaß-Rückschlagventil 6 a vorgesehen.

Der Membrankörper 9 ist mit einem Film 10 beschichtet oder an einem Film befestigt. Der Film 10 besteht aus einem ela stischen Material wie Gummi. Über dem Membrankörper 9 und unter dem Einlaß-Rückschlagventil 5 a und dem Auslaß-Rück schlagventil 6 a ist ein Pumpenraum 8 gebildet.

Wie bereits erklärt, ist der Membrankörper 9 erfindungsgemä ßer Art mit einem Film 10 beschichtet oder ein Film 10 an ihm befestigt, und zwar an der dem Pumpenraum 8 zugewendeten Seite des Substrats 9 a des Membrankörpers 9, wie im einzel nen in Fig. 3 weiter gezeigt.

Der Film 10 besteht aus einem streckbaren elastischen Mate rial wie Gummi, und auf der Oberfläche des Randabschnitts des Films 10 sind eine Vielzahl von Vorsprüngen oder Rippen 10 a, 10 b und 10 c vorgesehen. Außerdem befindet sich eine Nut oder ein Einschnitt 10 d an der Rückfläche des Randbereichs, und zwar noch innerhalb des Films 10.

Ein anderer Membrankörper 9 nach Fig. 4 besitzt einen Film teil 10 des Membrankörpers 9, der an seinem Randabschnitt mit Vorsprüngen bzw. Rippen 10 b und 10 c versehen ist. So kann der gesamte Membrankörper 9 nach Erregung durch den Be tätiger 11 parallel zu sich selbst in Vertikalrichtung oszil liert werden kann und es besteht keine Gefahr, daß die Membran sich bei ihrer Schwingung kugelartig verformt.

Andererseits sind bekannte Membranen durchgehend homogen aus gebildet, so daß beim Schwingen eine Kugel- oder Kegel-Ver formung auftritt. Beispielsweise sind derartige bekannte Mem branen aus einer einzigen Metallplatte aufgebaut, oder es wird eine Membran verwendet, bei der eine Metallplatte, durch die sich konische Schlitze erstrecken, mit einem Film beschichtet ist. Diese bekannten Membranen werden mit ihren Randbereichen an einem stationären Teil befestigt. Wenn die bekannten Membranen in Schwingungen versetzt werden, zeigen sie entweder die in Fig. 14a gezeigte Kugel- oder die in Fig. 14b gezeigte Kegel-Verformung.

Im Gegensatz dazu ist der Membrankörper 9 erfindungsgemäßer Art an einer elastischen Schicht so angebracht, daß der ge samte Membrankörper 9 sich parallel zu sich selbst in Verti kalrichtung verschieben kann, wie in Fig. 9 dargestellt ist. Damit verändert sich die Größe des Pumpenraums 8 um

¹/₄ π D ² × ε (Fig. 9). Die Volumenänderung bei einer Kugelver formung nach Fig. 14(a) beträgt ¹/₄ π D ² × ε ÷ 2, während bei einer Kegelverformung nach Fig. 14(b) die Volumenände rung ¹/₄ π D ² × ε ÷ 3 beträgt.

Wenn ein längswirksamer Betätiger benutzt wird, ist zu beob achten, daß eine gute Linearität zwischen dem Hub und der an gelegten elektrischen Spannung auftritt, im Gegensatz zu dem Zusammenhang bei einem bimorphen Betätiger, der nur eine schlechte Linearität zwischen Versetzung und Spannung zeigt.

Das Fach 2 ist an dem Gehäuse 1 über Schrauben 20 und 21 (Fig. 1) befestigt. Bei dieser Ausführung sind die Eingangs- und Auslaß-Rückschlagventile 5 a bzw. 6 a als Pilzventile aus geführt, es ist jedoch gleich gut möglich, auch andere Ven tilarten zu benutzen.

In dem Fach 2 ist ein Hauptanteil eines Verstärkermechanis mus in der nachfolgend beschriebenen Weise untergebracht.

Wie Fig. 1 und 2 zeigen, ist eine Plattenfeder 15 an der In nenseite eines L-förmigen stationären Teils 12 angebracht. Ein Endabschnitt eines längswirksamen Betätigers 11 ist an dem L-förmigen stationären Teil 12 befestigt, und der andere Endabschnitt des Betätigers 11 ist mit einer Innenseite eines Hebelteils 14 verbunden.

Das Hebelteil 14 ist mittels einer Schraube 22 an der Plat tenfeder 15 befestigt. Ein Stützelement 27 ist an dem Hebel teil 14 mittels einer Schraube 23 befestigt, und der vordere Abschnitt des Hebelteils 14 ist mit einem U-förmigen Stütz glied 7 fest verbunden, das einen linken Stützabschnitt 7 a und einen rechten Stützabschnitt 7 b besitzt. Das Stützele ment 27 ist mit einer Feder 13 verbunden, die wiederum über eine Schraube 26 an dem L-förmigen stationären Teil 12 ange bracht ist.

Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt nach Linie A-B in Fig. 1, und hier ist das Stützelement 27 für den Membrankörper 9 im einzelnen gezeigt. Der Membrankörper 9 ist an dem linken Stützabschnitt 7 a und an dem rechten Stützabschnitt 7 b des U-förmigen Stützgliedes 7 befestigt.

Fig. 5 zeigt eine schematische Teilansicht einer Pumpenanord nung nach einer zweiten Ausführung der Erfindung, und zwar ist hier das Fach 2 zur Aufnahme des Verstärkungsmechanismus seitlich am Gehäuse 1 angebracht. Nach der zweiten Ausfüh rung mit der seitlichen Anordnung des Verstärkungsmechanis mus ist es möglich, eine kompaktere Pumpenanordnung herzu stellen. Eine Längsschnittansicht durch das Gehäuse 1 bei der zweiten Ausführung entspricht der in Fig. 1 dargestell ten.

Eine dritte Ausführung der Erfindung ist in Fig. 6 und 7 ge zeigt, wobei Fig. 6 eine schematische perspektivische Dar stellung eines Hauptteils einer Pumpenanordnung nach dieser dritten Ausführung zeigt, während Fig. 7 einen Längsschnitt darstellt.

Bei der dritten Ausführung sind der Einlaß 3 und das Einlaß rückschlagventil 5 unter dem Pumpenraum 8 angeordnet, wie Fig. 7 zeigt. Hier ist eine Kugel 5 a im Rückschlagventil 5 eingesetzt. Der Auslaß 4 und das Auslaß-Rückschlagventil 6 sind über dem Pumpenraum 8 angeordnet, und auch das Auslaß- Rückschlagventil 6 verwendet eine Kugel 6 a. Die Feder 13 ist mit ihrem vorderen Endabschnitt 25 über ein Federhalteteil 27 a an dem L-förmigen stationären Teil 12 angebracht.

Es wird nun der Betrieb der erfindungsgemäßen Pumpenanord nung beschrieben.

Bei der ersten Ausführung besitzt die Pumpenanordnung nach Fig. 1 und 2 einen längswirksamen piezoelektrischen Betäti ger 11. Falls ein Wechselstrom (der nur zwischen Null und Plus verläuft, ohne Abschnitte negativer Polarität) an den Betätiger 11 angelegt wird, schwingt der Betätiger 11 in Ver tikalrichtung, und diese Vertikalschwingung wird mittels des Hebelteils 14 des Verstärkermechanismus verstärkt.

Der vordere Endabschnitt des Hebelteils 14 ist an dem Stütz element 27 befestigt, das wieder mit dem U-förmigen Stütz glied 7 verbunden ist, welches einen rechten Stützabschnitt 7 b und einen linken Stützabschnitt 7 a aufweist. Der Membran körper 9 ist mit den beiden Stützabschnitten 7 a und 7 b so verbunden, der in Vertikalrichtung in Reaktion auf die Schwingbewegung des Betätigers 11 oszillieren kann.

Falls sich der Membrankörper 9 in seine untere Stellung bege ben hat, steht der Innenbereich des Pumpenraums 8 unter Un terdruck, das Auslaßventil 6 a ist geschlossen, und das Ein laßventil 5 a geöffnet, so daß die zu pumpende Flüssigkeit durch den Einlaß 3 und den Hohlraum 6 in den Pumpenraum 8 strömt.

Wenn der Membrankörper 9 sich dann in seine obere Lage zu rückbewegt hat, steht der Pumpenraum 8 unter Überdruck, das Auslaßventil 6 a ist geöffnet und das Einlaßventil 5 a ge schlossen, so daß die Flüssigkeit aus dem Pumpenraum 8 durch den Hohlraum 6 und den Auslaß 4 austritt.

Wenn sich der Betätiger 11 zusammenzieht, kann er keine Kraft übertragen, da der Betätiger 11 keine Zugspannungen aushält. Deswegen ist die Feder 13 vorgesehen, die das U-för mige Stützglied 7 zur Bewegung nach unten bringt. Wie be reits erklärt, wird der Ansaug- und der Ausstoßtakt für die Flüssigkeit durch die vertikale Schwingung des längswirksa men piezoelektrischen Betätigers 11 so lange ausgeführt, wie dieser Betätiger oszilliert.

Bei der zweiten Ausführung der Pumpenanordnung nach Fig. 5 besteht nur der Unterschied, daß der Verstärkungsmechanismus seitlich am Gehäuse 1 angebracht ist. Die Betätigung und die Auswirkung der Pumpenanordnung nach der zweiten Ausführung sind im Grund die gleichen wie bei der ersten Ausführung.

Bei der Pumpenanordnung nach der dritten Ausführung gemäß Fig. 6 sind Einlaß 3 und Einlaß-Rückschlagventil 5 unter dem Gehäuse 1 angeordnet, während Auslaß 4 und Auslaß-Rückschlag ventil 6 sich über dem Gehäuse 1 befinden, so daß der Mem brankörper 9 in Querrichtung schwingt. Auch diese Pumpenan ordnung wirkt in gleicher Weise wie die erste oder zweite be schriebene Anordnung.

Infolge des Aufbaus der Pumpenanordnung kann der Pumpfluß in einem breiten Bereich durch entsprechende Einstellung von Frequenz und Spannung von einem sehr geringen Wert bis zu einem hohen Wert genau gesteuert werden.

Fig. 8 zeigt die Beziehung zwischen dem Pumpfluß und der an liegenden Spannung, während Fig. 10 den Einfluß der Frequenz auf den Pumpfluß darstellt. Es ist daraus der eindeutige Zu sammenhang zwischen den eingezeichneten Größen zu entnehmen.

Wenn eine Wechselspannung mit Sinusform nach Fig. 11(1) an gelegt wird, kann die Pumpenanordnung mit großer Laufruhe be trieben werden. Beim Anlegen einer Rechteckwelle nach Fig. 11(2) tritt ein größeres Geräusch auf, jedoch ist, wie in Fig. 8 und 10 gezeigt, ein höherer Pumpfluß zu erreichen. Al ternativ können auch die Spannungsverläufe nach den anderen Kurven (3) bis (6) angewendet werden, d. h. abgerundete Recht eckspannung, Dreieckspannung oder Sägezahnspannung mit unter schiedlicher Neigungslage der Anstiegs- bzw. Abfallflanken.

Claims

Piezoelektrische Membranpumpenanordnung, bei der in einem Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß, in denen je weils Einlaßrückschlagventil bzw. Auslaßrückschlagventil untergebracht sind, ein Fach zur Aufnahme eines Verstär kungsmechanismus vorgesehen ist, in dem sich ein L-förmi ges stationäres Teil mit daran befestigter Plattenfeder befindet, ein vorderer Endabschnitt der Plattenfeder mit einem Hebelteil des Verstärkermechanismus verbunden ist, der wiederum mit einem oberen Abschnitt eines längswirksa men piezoelektrischen Betätigers verbunden ist, wobei ein mit einem Film beschichteter Membrankörper vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorderer Endab schnitt des Hebelteils (14) mit einem Stützelement (27) verbunden ist, an welchem wiederum ein U-förmiges Stütz glied (7) zum Abstützen des Membrankörpers (9) angebracht ist, wobei das Stützelement (27) über eine Feder (13) mit dem L-förmigen stationären Teil (12) verbunden ist.