DE3926348C2

DE3926348C2 -

Info

Publication number: DE3926348C2
Application number: DE3926348A
Authority: DE
Inventors: Reizo Naruse; Hiroyuki Igawa; Satoshi Nakamura; Teruo Tokio/Tokyo Jp Simizu
Original assignee: NIPPON KEIKI WORKS Ltd TOKIO/TOKYO JP
Current assignee: NIPPON KEIKI WORKS Ltd TOKIO/TOKYO JP
Priority date: 1988-08-11
Filing date: 1989-08-09
Publication date: 1993-06-17
Also published as: JPH02298679A; US4983876A; JP2887677B2; DE3926348A1

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrische Membranpumpenan ordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Membranpumpenanordnung ist aus der dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zugrundeliegenden JP 62-1 59 778 A bekannt. Aufgrund der sehr geringen Ausdehnbarkeit des längswirksamen piezoelektrischen Betätigers ist der Membranhub bei dieser bekannten Membranpumpenanordnung und damit auch der Pumpfluß der dadurch gebildeten Pumpe sehr gering.

Mechanische Verstärkungseinrichtungen sind aus der JP 61-1 03 580 U sowie aus der DE-AS 10 81 179 bekannt, doch weisen beide aus diesen Entgegenhaltungen bekannte, elektromagnetisch angetriebene Pumpen reibungsbehaftete Teile auf, die die Steuerung eines sehr niedrigen Durchflusses unmöglich machen. Darüber hinaus sorgen die reibungsbehafteten Teile dieser bekannten Pumpen für einen nicht unerheblichen Verschleiß, so daß diese Pumpen nicht wartungsfrei arbeiten können.

Wie in Fig. 12 gezeigt, umfaßt eine bekannte piezoelektrische Membranpumpenanordnung einen Einlaß 39 mit einem Kugelventil 38, einen Auslaß 34 mit einem Kugelventil 35 und bimorphe Betätiger 36 und 37 an den beiden Seiten eines Pumpenraums. Wenn die Betätiger 36 und 37 durch Anlegen einer elektrischen 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.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine piezoelektrische Membranpumpenanordnung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, deren Pumpfluß über einen größeren Bereich steuerbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Durch das Vorsehen des Verstärkungsmechanismus wird auf einfache, wirkungsvolle Weise die Längsveränderung des piezoelektrischen Betätigers auf den Membrankörper verstärkt übertragen, wodurch die Wirksamkeit der Pumpe erhöht wird. Das Vorsehen der Feder bewirkt eine Biegespannung auf das Hebelteil, so daß dieses auch bei entlastetem piezoelektrischen Betätiger in Anlage an den piezoelektrischen Betätiger gehalten wird. Gleichzeitig wird durch die Feder bei entlastetem piezoelektrischem Betätiger die Membran in die Saugstellung zurückgezogen.

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 5a 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 6a 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 5a und dem Auslaß-Rück schlagventil 6a 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 der Unterschicht 9a 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 10a, 10b und 10c vorgesehen. Außerdem befindet sich eine Nut oder ein Einschnitt 10d 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 10b und 10c versehen ist. So kann der gesamte Membrankörper 9 nach Erregung durch den Be tätiger 11 parallel zu sich selbst in Vertikalrichtung oszil liert werden 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 ¹/₄πD² × ε (Fig. 9). Die Volumenänderung bei einer Kugelver formung nach Fig. 14(a) beträgt ¹/₄πD² × ε ÷ 2, während bei einer Kegelverformung nach Fig. 14(b) die Volumenände rung ¹/₄πD² × 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 5a bzw. 6a 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 7a und einen rechten Stützabschnitt 7b 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 7a und an dem rechten Stützabschnitt 7b 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 5a 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 6a. Die Feder 13 ist mit ihrem vorderen Endabschnitt 25 über ein Federhalteteil 27a 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 7b und einen linken Stützabschnitt 7a aufweist. Der Membran körper 9 ist mit den beiden Stützabschnitten 7a und 7b 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 6a ist geschlossen, und das Ein laßventil 5a geöffnet, so daß die zu pumpende Flüssigkeit durch den Einlaß 3 und den Hohlraum 5 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 6a ist geöffnet und das Einlaßventil 5a 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

1. Piezoelektrische Membranpumpenanordnung mit einem Gehäuse mit einem Einlaß und einem Auslaß, in denen ein Einlaßrückschlagventil und ein Auslaßrückschlagventil untergebracht sind und die in einem Pumpenraum innerhalb des Gehäuses münden, einem mit einem Film beschichteten Membrankörper, der einen Wandungsabschnitt des Pumpraumes bildet, sowie einem am Gehäuse vorgesehenen Fach zur Aufnahme eines auf den Membrankörper wirkenden längswirksamen piezoelektrischen Betätigers, dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Fach (2) ein Verstärkungsmechanismus vorgesehen ist, der ein L-förmiges stationäres Teil (12) mit einer an dessen einem Schenkel befestigten Plattenfeder (15) aufweist,
daß ein vorderer, freier Endabschnitt der Plattenfeder an einem Hebelteil (14) des Verstärkungsmechanismus befestigt ist, welches wiederum mit einem oberen Abschnitt des sich zwischen dem L-förmigen Teil (12) und dem Hebelteil (14) erstreckenden längswirksamen piezoelektrischen Betätigers (11) in Eingriff steht,
daß ein vorderer freier Endabschnitt des Hebelteils (14) mit einem auf den Membrankörper (9) wirkenden Stützelement (27) verbunden ist und
daß das Stützelement (27) oder das Hebelteil (14) über eine Feder (13) mit dem anderen Schenkel des L-förmigen stationären Teils (12) verbunden ist.

2. Piezoelektrische Membranpumpenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Stützelement (27) ein U-förmiges Stützglied (7) zum Abstützen des Membrankörpers (9) befestigt ist.