DE4127860A1 - Pumpensystem zur foerderung von fluessigen oder gasfoermigen medien - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pumpensystem zur Förderung von flüs­ sigen oder gasförmigen Medien gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Solche Pumpensysteme zählen in den verschiedensten Ausführungsformen und für die verschiedensten Zwecke zum Stand der Technik. Jedes dieser Sy­ steme hat sich für den ihr zugeordneten Zweck bewährt, ist aber auch mit Nachteilen behaftet. Im einen Fall muß sehr niederfrequent gearbeitet werden, im anderen Fall ist die Trägheit des Antriebs zu groß oder im dritten Fall sind die Verlustleistungen zu hoch usw.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpensystem der eingangs genannten Art aufzuzeigen, dessen Pumpfrequenzen bis in den kHz-Bereich und höher reichen, eine schnelle Regelbarkeit aufweisen, na­ hezu verlustleistungsfrei sind und kaum einem Verschleiß unterliegen.

Diese Aufgabenkombination wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maß­ nahmen in überraschend einfacher zuverlässiger Weise gelöst. In den Un­ teransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele erläutert.

Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,

Fig. 2 eine perspektivische Skizze für ein Ausführungsbeispiel mit ge­ rollter Piezofolie in schematischer Darstellung,

Fig. 3 eine perspektivische Skizze für ein Ausführungsbeispiel mit ge­ falteter Piezofolie in schematischer Darstellung.

Wie aus der Fig. 1 der Zeichnung hervorgeht, basiert das dort darge­ stellte Pumpensystem auf einer beidseitig elektrisch leitend beschichte­ ten Folie 10 aus einem piezoelektrischen Material - beispielsweise PVDF (Polyvinylidendifluorid). Diese Piezofolie 10 befindet sich nun gefaltet (Fig. 3) oder doppellagig gerollt (Fig. 2) in einem mit Flüssigkeit 15 mit geringer Kompressibilität gefüllten Druckgefäß DG, welches mit einer Membran 16 zum Rezipienten 13 hin abgeschlossen ist. Dem Rezipienten 13 sind ein Einlaßventil 14a und ein Auslaßventil 14b zugeordnet. Über elektrische Anschlüsse 11 wird an die Piezofolie 10 eine elektrische Steuerspannung 12 angelegt, die eine Polarisation und damit eine Ände­ rung der Foliendicke bewirkt. Der hierdurch veränderte Druck im Druckge­ fäß DG bewegt nun die Membran 16, die ihrerseits das Volumen des Rezi­ pienten 13 variiert.

Durch periodische Spannungsänderung wird nun in Verbindung mit den bei­ den Ventilen 14a, 14b eine Pumpwirkung erzielt. Damit ist aber nun ein Pumpensystem geschaffen, das sehr hochfrequent arbeitet (kHz-Bereich und höher), aufgrund der geringen Trägheit des Antriebes eine schnelle Re­ gelbarkeit aufweist und da die Piezoelektrika im Prinzip leistungsfrei steuerbar sind, nur sehr geringe Verlustleistungen auftreten, weil ohm­ sche und induktive Verluste völlig entfallen. Weiterhin ist noch wesent­ lich, daß dieses Pumpensystem nahezu verschleißfrei ist.

Die Spannungsänderung und damit die Dickenänderung haben so schnell zu erfolgen, daß aufgrund der Massenträgheit der Folie und der Flüssigkeit (bei der gefalteten Folie) die Querkontraktion der Dickenänderung nicht folgen kann. Daraus resultiert die Volumenänderung der Folie.

Für den quasistatischen bzw. langsam veränderlichen Betrieb muß die Querkontraktion durch die Dicke und durch die elastischen Eigenschaften mindestens einer der elektrisch leitenden Beschichtungen (Elektroden) verhindert werden, beispielsweise durch eine, mit der piezoelektrischen Folie verklebten Al-Folie con ca. 1/10 der Dicke der piezoelektrischen Folie aus PVDF.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, anstelle einer Membran 13 das Druckgefäß DG durch einen Zylinder mit Kolben (nicht ge­ zeichnet) abzuschließen, wobei der Durchmesser des Zylinders dem ge­ wünschten Kolbenhub angepaßt werden muß. Dies ist für jeden Fachmann, der das vorliegende Pumpensystem kennengelernt hat, problemlos zu reali­ sieren.

Nachstehend soll rechnerisch ein Ausführungsbeispiel aufgezeigt werden. Hierbei wird ein zylindrisches Druckgefäß DG mit einem Durchmesser D 30 mm, einer Höhe H = 50 mm und damit mit einem Volumen V = 35 cm³ zu­ grunde gelegt. Die Dicken-Dimensionierung der Piezofolie 10 soll 100 µm sein. Wie vorstehend bereits ausgeführt, muß die Folie 10 so gefal­ tet oder doppellagig gerollt im Druckgefäß DG untergebracht werden, daß keine Kontaktierung der beiden Kontaktflächen auftreten kann.

Die Folienfläche, die maximal in dem Volumen V des Druckgefäßes DG un­ tergebracht wird, ist A_F = 3500 cm². Unter Zugrundelegung eines Füllfaktors F_f = 0,6 wird A_Feff = 2000 cm².

Die Änderung der Dicke D der Piezofolie 10 bei einer elektrischen Span­ nung von 1000 V beträgt 1 Promille: ΔD = 0,1 µm. Daraus ergibt sich unter der Voraussetzung, daß die Änderung der Dicke D nicht durch gegen­ läufige Änderung von Länge oder Breite der Folie 10 kompensiert werden kann:
ΔV = 20 mm³.

Das Druckgefäß 10 ist mit einer inkompressiblen Flüssigkeit - beispiels­ weise Glycerin mit K = 4.7 × 13³ MPa - gefüllt.

Die Druckänderung durch Volumenänderung errechnet sich aus:
Δp = K AV/V = 4,7 × 10³ MPa 20 mm³/35 000 mm³ = 2,7 MPa
dies entspricht ungefähr 27 bar.

Wird nun nicht eine Membran sondern ein Zylinder mit Kolben an das Druckgefäß 10 angeschlossen, so wird ein Durchmesser von D_K = 2 mm und eine Fläche von A_K = 3 mm² angenommen. Die Durchrechnung dieses Aus­ führungsbeispiels ergibt, daß der Kolben mit einer Kraft von 8,1 N und einem Hub von 6 mm bewegt wird.

Claims (5)

1. Pumpensystem zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien in einem Druckgefäß, das mittels einer Membran zum Rezipienten hin abge­ schlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig elektrisch lei­ tend beschichtete Folien (10) aus einem piezoelektrischen Material ge­ faltet oder doppellagig mit einem bestimmten Zwischenraum voneinander gerollt in dem entsprechend geformten Druckgefäß (DG) in einer Flüssig­ keit (15) mit geringer Kompressibilität angeordnet und über elektrische Anschlüsse (11) mit einer Spannungsquelle (12) verbunden sind, deren pe­ riodische elektrische Spannungen eine Änderung der Foliendicke bewirken, die über die Membran (16) das Volumen des Rezipienten (13) variieren, wobei dem Rezipienten (13) ein Einlaß- (14a) und ein Auslaßventil (14b) zugeordnet sind.

2. Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (DG) anstelle einer Membran (16) einen Zylinder mit Kolben als Abschluß aufweist, wobei der Zylinderdurchmesser dem gewünschten Kolbenhub entsprechend bemessen ist.

3. Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als piezoelektrisches Folienmaterial PVDF (Polyvinyliden­ difluorid) verwendet wird.

4. Pumpensystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die Piezofolien (10) im Druckgefäß (DG) so gefaltet oder dop­ pelt gerollt angeordnet sind, daß eine Kontaktierung der Folienflächen miteinander ausgeschlossen ist.

5. Pumpensystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeich­ net, daß die inkompressible Flüssigkeit (15) im Druckgefäß (DG) Glyze­ rin ist.