DE60317850T2

DE60317850T2 - Pumpenventil

Info

Publication number: DE60317850T2
Application number: DE60317850T
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Suwa-shi Nagano-ken Takagi; Takeshi Suwa-shi Nagano-ken Seto
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2003-06-02
Publication date: 2008-11-27
Anticipated expiration: 2023-06-03
Also published as: EP1369587A2; CN1467376A; US20040013539A1; DE60317850D1; JP4378937B2; CN1307370C; US7059836B2; JP2004060633A; EP1369587A3; EP1369587B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängerpumpe zum Bewegen eines Fluids durch Ändern des Volumens innerhalb einer Pumpenkammer beispielsweise mittels eines Kolbens oder einer Membran, und sie bezieht sich insbesondere auf eine höchst zuverlässige Pumpe mit hoher Durchflußleistung.
Eine solche Pumpe dieser Art hat insgesamt einen Aufbau mit einem Rückschlagventil, welches zwischen einem Einlaufweg und einer Pumpenkammer, deren Volumen veränderbar ist, und zwischen einem Auslaufweg und der Pumpenkammer angeordnet ist. (Siehe z. B. Patentdokument 1.)
Es gibt eine Pumpenkonstruktion, die durch Nutzung des Viskositätwiderstandes eines Fluids das Fluid zum Strömen in einer Richtung veranlaßt. Diese Konstruktion umfaßt ein Ventil an einem Auslaßweg. In der Konstruktion ist der Widerstand in einem Einlaufweg größer als im Auslaufweg, wenn das Ventil geöffnet ist. (Siehe z. B. Patentdokument 2).
Es gibt auch eine Pumpenkonstruktion, die es ermöglicht, die Zuverlässigkeit einer Pumpe ohne Benutzung eines beweglichen Teils als Ventil zu erhöhen. Die Konstruktion umfaßt eine zusammenpreßbare strukturelle Vorrichtung mit einem Einlaufweg und einem Auslaufweg, die so gestaltet sind, daß ein Druckabfall je nach der Fluidströmungsrichtung unterschiedlich ist (siehe z. B. Patentdokument 3 und Nichtpatentdokument 1). Patentdokument 1 bezieht sich auf die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 10-220357 . Patentdokument 2 bezieht sich auf die ungeprüfte japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 08-312537 . Patentdokument 3 bezieht sich auf die veröffentlichte japanische Übersetzung der internationalen PCT-Veröffentlichung für die Patentanmeldung Nr. 08-506874 . Nichtpatentdokument Nr. 1 bezieht sich auf Anders Olsson "An Improved Valve-Less Pump Fabricate Using Deep Reactive Ion Etching" 1966, IEEE 9. International Workshop an Microelectromechanical Systems, SS. 479 bis 484.
Allerdings ist bei der im Patentdokument 1 offenbarten Konstruktion ein Rückschlagventil sowohl am Einlaufweg als auch am Auslaufweg erforderlich, so daß der Druckverlust groß ist, wenn Fluid durch die beiden Rückschlagventile strömt. Da die Rückschlagventile sich häufig öffnen und schließen, können sie außerdem ermüden und beschädigt werden, wodurch die Zuverlässigkeit der Pumpe um so geringer wird, je größer die Anzahl der benutzten Rückschlagventile ist. In der im Patentdokument 2 offenbarten Konstruktion muß der Strömungswiderstand am Einlaufweg groß sein, um die Rückströmung zu verringern, die am Einlaufweg bei einem Pumpenablaßschritt auftritt. Wenn er groß gemacht wird, ist der Saugschritt erheblich länger als der Druckschritt, denn in einem Pumpensaugschritt tritt Fluid entgegen dem Strömungwiderstand in die Pumpenkammer ein. Deshalb wird die Frequenz eines Druck-Saug-Zyklus der Pumpe ziemlich gering.
In Pumpen, in denen ein Kolben oder eine Membran vertikal bewegt wird, ist bei gleicher Fläche des Kolbens und der Membran im allgemeinen die Frequenz der vertikalen Bewegung um so größer, je größer die Durchflußleistung und damit die Förderung. Bei der im Patentdokument 2 offenbarten Konstruktion kann, wie gesagt, die Pumpe nur mit niedriger Frequenz betrieben werden, so daß keine kleine Pumpe mit großer Förderung vorgesehen werden kann.
Bei der im Patentdokument 3 offenbarten Konstruktion hat die Nettodurchflußleistung deshalb nur eine Richtung, weil ein Unterschied zwischen Druckabfällen besteht, der von der Strömungsrichtung des Fluids abhängt, welches durch die komprimierende strukturelle Vorrichtung entsprechend einer Zunahme oder Abnahme des Volumens der Pumpenkammer fließt. Aus diesem Grund nimmt die Rückströmung zu, wenn externer Druck (Lastdruck) an der Auslaufseite der Pumpe steigt, und bei hohem Lastdruck wird kein Pumpenbetrieb mehr durchgeführt. Gemäß dem Nichtpatentdokument 1 hat der maximale Lastdruck eine Größenordnung von 0,760 Atmosphären.
Um diese Probleme zu überwinden, ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe bereitzustellen, die wegen der Benutzung von weniger mechanischen AUF-ZU-Ventilen einen geringeren Druckverlust hat und erhöhte Zuverlässigkeit, die bei hohem Lastdruck benutzt und mit hoher Frequenz betrieben werden kann und die einen hohen Antriebswirkungsgrad hat, weil das Fluidfördervolumen pro Pumpperiode erhöht ist.
Dieses Ziel wird mit einer Pumpe gemäß Anspruch 1 erreicht. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind der Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Zu der Ansteuereinrichtung gehört eine Einrichtung zum Steuern der Versetzung, welche die Bewegung der beweglichen Wand anhand erfaßter Informationen steuert, die von einer Pumpendruck-Erfassungseinrichtung kommen, welche den Druck im Innern der Pumpe wahrnimmt. Weil die Versetzungssteuereinrichtung gemäß der Erfindung veranlaßt wird, die Bewegung der beweglichen Wand entsprechend dem Druck im Innern der Pumpe angemessen zu steuern, wird das Fluidfördervolumen pro Pumpperiode erhöht, so daß es möglich ist, eine Pumpe mit hohem Antriebswirkungsgrad bereitzustellen.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
1 einen vertikalen Schnitt durch den Aufbau einer Pumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2 Kurven von Zustandsmengen während des Betriebs der Pumpe;
3 eine Kurve eines Zustands, bei dem der Druck im Innern einer Pumpenkammer nicht ausreichend erhöht ist, weil die Zeit zum Reduzieren des Volumens der Pumpenkammer lang ist;
4 Kurven von Zustandsmengen bei Versetzung einer Membran in der Richtung, in der die Pumpenkammer durch den Betrieb der Pumpe selbst im Anschluß an eine Druckminderung im Innern der Pumpenkammer auf einen Wert unterhalb eines Lastdrucks komprimiert wird;
5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem Fluidfördervolumen und der Zeit (Anstiegszeit) bis die Membran die maximale Versetzungsposition in der Pumpe erreicht;
6 ein Blockschaltbild einer Ansteuereinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ein Fließschema der von der Ansteuereinrichtung durchgeführten Betriebsschritte;
8(a) und (8b) jeweils eine Kurve eines Zustands, bei dem vorherbestimmte Einzelimpulse in eine Membran in der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung eingegeben werden;
9(a) 9(b) je eine Kurve eines Zustands, bei dem vorherbestimmte Einzelimpulse, die sich von den in 8(a) und 8(b) benutzten unterscheiden, in die Membran in der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung eingegeben werden.
Zunächst soll der Aufbau einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung unter Hinweis auf 1 beschrieben werden.
1 ist eine senkrechte Schnittansicht der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung. Im unteren Teil eines kreiszylindrischen Gehäuses 7 ist eine kreisförmige Membran 5 angeordnet. Der äußere Umfangsrand der Membran 5 ist elastisch verformbar am Gehäuse 7 befestigt und abgestützt. Eine piezoelektrische Vorrichtung 6, die als Betätigungsvorrichtung zum Bewegen der Membran 5 dient und sich in vertikaler Richtung in 1 dehnt und zusammenzieht, ist an der Unterseite der Membran 5 angeordnet.
Ein schmaler Raum zwischen der Membran 5 und der oberen Wand des Gehäuses 7 bildet eine Pumpenkammer 3. Ein Einlaufweg 1 mit einem Rückschlagventil 4 als Strömungswiderstand und ein Auslaufweg 2, der eine Leitung mit einem kleinen Loch ist, die stets zur Pumpenkammer 3 geöffnet ist, selbst während des Betriebs der Pumpe. Ein Teil des Außenumfangs eines den Einlaufweg 1 bildenden Bauteils ist ein Einlaufverbindungskanal 8 zum Anschluß einer nicht gezeigten äußeren Vorrichtung an die Pumpe. Ein Teil des Außenumfangs eines den Auslaufweg 2 bildenden Bauteils ist ein Auslaufverbindungskanal 9 zum Anschluß einer nicht gezeigten äußeren Vorrichtung an die Pumpe. Im Einlaufweg und Auslaufweg sind abgerundete Bereiche 15a und 15b an der jeweiligen Eintrittsseite eines Arbeitsfluids vorgesehen.
Hier wird eine "Inertanz" L (Trägheit) definiert. Wenn die Querschnittsfläche eines Strömungsweges S ist, ist die Länge des Strömungsweges I und die Dichte des Arbeitsfluids ρ, L = ρ·I/S. Wenn der Unterschied zwischen den Drücken in den Strömungswegen ΔP und die Durchflußleistung des in einem Strömungsweg fließenden Fluids Q ist, und wenn eine Formel zum Bestimmen der Bewegung eines Fluids im Innern eines Strömungsweges mittels der Inertanz L transformiert wird, wird die Beziehung ΔP = L·dQ/dt abgeleitet.
Anders ausgedrückt, die Inertanz L zeigt den Grad des Einflusses an, den eine Druckeinheit auf Änderungen der Durchflußleistung im Verlauf der Zeit hat. Je größer die Inertanz L, um so kleiner ist die Änderung der Durchflußleistung mit der Zeit, während die Änderung der Durchflußleistung mit der Zeit um so größer ist, je kleiner die Inertanz L ist.
Die kombinierte (gesamte) Inertanz einer Vielzahl parallel geschalteter Strömungswege und die gesamte Inertanz einer Vielzahl von Strömungswegen, die unterschiedliche Gestalt haben und in Reihe geschaltet sind, werden durch Kombinieren der Inertanzen der einzelnen Strömungswege in der gleichen Weise berechnet wie Induktivitäten von Bauelementen, die in einem elektrischen Schaltkreis parallel geschaltet und in Reihe verbunden sind, kombiniert beziehungsweise berechnet werden.
Hier bezieht sich der Einlaufweg auf einen Strömungsweg bis zu einer Stirnfläche an einer Fluideintrittsseite des Einlaufverbindungskanals 8 aus dem Innern der Pumpenkammer 3. Wenn allerdings in den Verbindungskanal eine Pulsationsabsorbiereinrichtung geschaltet ist, bezieht sich der Einlaufweg auf einen Strömungsweg bis zu einem Verbindungsbereich mit der Pulsationsabsorbiereinrichtung vom Inneren der Pumpenkammer. Wenn eine Vielzahl von Pumpeneinlaufwegen 1 zusammenkommen, beziehen sich die Einlaufwege auf Strömungswege aus dem Innern der Pumpenkammer 3 bis zu einem Vereinigungsbereich der Einlaufwege. Das gilt sinngemäß auch für den Auslaufweg.
Unter Hinweis auf 1 werden die Symbole der Längen und Flächen des Einlaufweges 1 und des Auslaufweges 2 beschrieben. Der Einlaufweg 1, die Länge und Fläche eines Kanalabschnitts mit kleinem Durchmesser in der Nähe des Rückschlagventils 4 sind L1 bzw. S2, und die Länge und Fläche des übrigen Kanalabschnitts mit großem Durchmesser sind L2 bzw. S2. Im Auslaufweg 2 sind Länge und Fläche des Kanals des Auslaufwegs 2 L3 bzw. S3.
Die Beziehung zwischen den Inertanzen des Einlaufwegs 1 und des Auslaufwegs 2 werden mit Hilfe dieser Symbole und der Dichte ρ eines Arbeitsfluids beschrieben.
Die gesamte Inertanz des Einlaufweges 1 wird berechnet durch ρ·L1/Si + ρ·L2/S2. Andererseits wird die gesamte Inertanz des Auslaufweges 2 berechnet durch ρ·L3/S3. Diese Strömungswege sind in den Größen ausgeführt, welche die Beziehung ρ·L1/Si + ρ·L2/S2 < ρ·L3/S3 erfüllen.
Bei der im vorgehenden beschriebenen Konstruktion ist die Gestalt der Membran 5 nicht auf eine kugelförmige Gestalt begrenzt. Um beispielsweise Konstruktionsteile der Pumpe vor übermäßigem Lastdruck zu schützen, der beim Anhalten der Pumpe zum Tragen kommen mag, kann ein Ventilelement am Auslaufweg 2 vorgesehen werden, sofern der Auslaufweg 2 mindestens dann zur Pum penkammer geöffnet ist, wenn die Pumpe arbeitet. Ferner braucht das Rückschlagventil 4 nicht nur von einer Bauart zu sein, die einen Öffnungs- und Schließvorgang mittels Druckunterschied eines Fluids durchführt, sondern kann auch von einer Bauart sein, die einen Öffnungs- und Schließvorgang mit einer anderen Kraft als der durch den Druckunterschied eines Fluids erzeugten steuern kann.
Als Betätigungsvorrichtung 6 zum Bewegen der Membran 5 kann jede beliebige Art von Betätigungsvorrichtung benutzt werden, sofern sie sich dehnt und kontrahiert. Im Pumpenaufbau der vorliegenden Erfindung sind die Betätigungsvorrichtung und die Membran miteinander ohne einen die Versetzung vergrößernden Mechanismus verbunden, so daß die Membran mit hoher Frequenz betätigt werden kann. Bei Verwendung der piezoelektrischen Vorrichtung 6, die eine hohe Reaktionsfrequenz hat, wie beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, ist es deshalb möglich, die Durchflußleistung durch hochfrequentes Ansteuern zu erhöhen, so daß eine kleine Pumpe mit hoher Förderung vorgesehen werden kann. Ähnlich kann auch eine riesige magnetostriktive Vorrichtung mit Hochfrequenzcharakteristik benutzt werden.
Da ein mechanisches AUF-ZU-Ventil nur an der Saugseite vorgesehen werden muß, ist die Verringerung der Durchflußleistung durch Ventile kleiner, was die Zuverlässigkeit erhöht.
Die Bewegung der Membran soll unter Hinweis auf die 2 bis 5 beschrieben werden.
2 zeigt Wellenverläufe, wenn die Pumpe betätigt worden ist, das heißt eine Wellenform W1 einer Versetzung der Membran 5, eine Wellenform W2 eines Innendrucks der Pumpenkammer 3, eine Wellenform W3, einer Volumengeschwindigkeit eines den Auslaufweg 2 durchfließenden Fluids (d. h. Querschnittsfläche des Auslaßkanals × Geschwindigkeit des Fluids; in diesem Fall ist die Volumengeschwindigkeit äquivalent zur Durchflußleistung), und eine Wellenform W4 einer Volumengeschwindigkeit eines durch das Rückschlagventil 4 fließenden Fluids. Ein in 2 gezeigter Lastdruck P_fu ist ein Fluiddruck an einem Ort stromabwärts des Auslaufweges 2, während ein Saugseitendruck P_ky ein Fluiddruck an einem Ort stromaufwärts des Einlaufweges 1 ist.
Wie die Wellenform W1 der Versetzung der Membran 5 andeutet, entspricht ein Bereich, in dem die Neigung der Wellenform positiv ist, einem Prozeß, bei dem sich die piezoelektrische Vorrichtung ausdehnt und das Volumen der Pumpenkammer 3 verkleinert. Ein Bereich, in dem die Neigung der Wellenform negativ ist, entspricht einem Prozeß, bei dem sich die piezoelektrische Vorrichtung 6 zusammenzieht und das Volumen der Pumpenkammer 3 vergrößert. Jedes horizontale Wellenformintervall, in dem die Membran 5 um etwa 4,5 μm verlagert wird, entspricht der maximalen Versetzungsposition der Membran 5, das heißt der Versetzungsposition der Membran 5, wo das Volumen der Pumpenkammer 3 minimal wird.
Wie die Wellenform W2 der Änderung des Innendrucks in der Pumpenkammer 3 andeutet, beginnt der Innendruck in der Pumpenkammer 3 zu steigen, wenn das Volumen der Pumpenkammer 3 abzunehmen beginnt. Ehe die Minderung des Volumens der Pumpenkammer 3 vollendet ist, hat der Innendruck in der Pumpenkammer 3 seinen maximalen Wert erreicht und beginnt abzunehmen. Der Punkt, an dem der Innendruck maximal ist, entspricht einem Punkt, wo eine Volumengeschwindigkeit des von der Membran 5 verdrängten Fluids und die Volumengeschwindigkeit des Fluids im Auslaufweg 2, gezeigt durch die Wellenform 3, gleich werden.
Das liegt daran, daß vor diesem Zeitpunkt (Volumengeschwindigkeit des Verdrängungsfluids) – (Volumengeschwindigkeit des Fluids im Auslaufweg 2) > 0, das Fluid im Innern der Pumpenkammer 3 entsprechend komprimiert wird, so daß der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 steigt, während nach diesem Zeitpunkt (Volumengeschwindigkeit des Verdrängungsfluids) – (Volumengeschwindigkeit des Fluids im Auslaufweg 2) < 0, so daß das Ausmaß der Komprimierung auf der Fluidseite der Pumpenkammer 3 entsprechend verringert wird, was eine Minderung des Drucks im Innern der Pumpenkammer 3 zur Folge hat.
Wenn eine Volumenänderung des Fluids in der Pumpenkammer 3 zu jedem dieser Zeitpunkte ΔV ist, ändert sich der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 entsprechend der Beziehung zwischen der Komprimierbarkeit des Fluids und einer Gleichung ΔV = (Volumen des von der Membran verdrängten Fluids) + (Fluidsaugvolumen) – (Fluiddruckvolumen). Selbst bei abnehmendem Volumen der Pumpenkammer 3 kann also der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 kleiner sein als der Lastdruck P_fu.
Wenn für den in 2 dargestellten Fall der Druck in der Pumpenkammer 3 niedriger wird als der saugseitige Druck P_ky und einen Wert von nahezu zu absolut Null Atmosphären erreicht, verwandeln sich in dem Arbeitsfluid aufgelöste Komponenten in Gase und Blasen, so daß es zu einer Belüftung und Cavitation kommt. Eine Sättigung erfolgt bei einem Druck in der Nähe von absolut Null Atmosphären. Wenn aber Druck auf das gesamte Strömungswegsystem einschließlich der Pumpe ausgeübt wird, und wenn der saugseitige Druck P_ky ausreichend hoch ist, kann sich keine Belüftung und Cavitation einstellen.
Wie die Wellenform W3 der Volumengeschwindigkeit des Fluids im Auslaufweg 2 anzeigt, gibt es im Auslaufweg 2 eine Periode, während der der Druck in der Pumpenkammer 3 größer ist als der Lastdruck P_fu, und diese Periode entspricht im wesentlichen einer Periode, bei der die Volumengeschwindigkeit des Fluids zunimmt. Ist der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 niedriger als der Lastdruck P_fu, beginnt die Volumengeschwindigkeit des Fluids im Auslaufweg 2 abzunehmen.
Wenn ΔP_out der Unterschied zwischen dem Druck im Innern der Pumpenkammer 3 und dem Lastdruck P_fu ist, der Strömungswiderstand im Auslaufweg 2 R_out ist, die Inertanz L_out und die Volumengeschwindigkeit des Fluids Q_out, dann ergibt sich folgende Formel (1) hinsichtlich des Fluids im Auslaufweg 2:
Die Änderungsgeschwindigkeit der Volumengeschwindigkeit des Fluids gleicht also der Differenz zwischen P_out und R_out·Q_out, dividiert durch die Inertanz L_out. Ein durch Integration der Volumengeschwindigkeit des Fluids erhaltener Wert, angedeutet durch die Wellenform W3, für eine Periode wird das Fluidfördervolumen pro Periode.
Wenn der Druck in der Pumpenkammer 3 geringer wird als der saugseitige Druck P_ky, wie durch die Wellenform W4 der Änderung der Volumengeschwindigkeit des durch das Rückschlagventil 4 im Einlaufweg 1 strömenden Fluids gezeigt, öffnet sich das Rückschlagventil aufgrund des Druckunterschieds, so daß die Volumengeschwindigkeit des Fluids zu steigen beginnt. Wenn der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 auf einen größeren Wert als den saugseitigen Druck P_ky steigt, beginnt die Volumengeschwindigkeit des Fluids abzunehmen. Die Betätigung des Rückschlagventils 4 verhindert ein Zurückströmen.
Wenn ΔP_in der Unterschied zwischen dem Druck in der Pumpenkammer 3 und dem saugseitigen Druck P_ky ist, der Strömungswiderstand im Auslaufweg 2 R_in ist, die Inertanz L_in, die Volumengeschwindigkeit des Fluids Q_in, gilt folgende Formel (2) für das Fluid im Einlaufweg 1:
Die Änderungsgeschwindigkeit der Fluidvolumengeschwindigkeit gleicht also der Differenz zwischen ΔP_in und R_in·Q_in dividiert durch die Inertanz L_in im Einlaufweg 1.
Ein durch Integration der Volumengeschwindigkeit des Fluids erhaltener Wert, dargestellt durch die Wellenform W4 für eine Periode, wird das Saugfluidvolumen pro Periode. Das Saugfluidvolumen gleicht dem Fluidfördervolumen, wie mittels der Wellenform W3 berechnet.
Da bei der Pumpenkonstruktion die Inertanz des Einlaufweges 1 kleiner ist als die Inertanz des Auslaufweges 2, fließt das Fluid im Einlaufweg 1 mit großer Änderungsgeschwindigkeit der Fluidgeschwindigkeit ein, so daß das Saugfluidvolumen (= Fluidfördervolumen) erhöht werden kann.
3 zeigt Wellenformen für den Fall, daß bei gleichem Ausmaß der Versetzung der piezoelektrischen Vorrichtung die Zeit zum Versetzen in der Richtung, in der das Volumen der Pumpenkammer kleiner wird, länger ist und der Druck im Innern der Pumpenkammer nicht ausreichend erhöht wird (W1 ist eine Wellenform der Versetzung der Membran, wenn die Pumpe betätigt wurde, während W2 eine Wellenform des Drucks im Innern der Pumpenkammer ist).
Bei dem in 3 gezeigten Betriebszustand, zu einem Zeitpunkt, bei dem der Schritt zum Vergrößern des Pumpenkammervolumens (nicht gezeigt) gestartet wird, gleicht der Druck im Innern der Pumpenkammer dem Lastdruck P_fu. Selbst wenn der Druck in der Pumpenkammer durch eine Vergrößerung des Volumens der Pumpenkammer aufgrund abnehmender Versetzung der Membran verringert wird, damit der Innendruck in der Pumpenkammer kleiner wird als der saugseitige Druck, muß die Membran stark verlagert werden, wodurch die Leistung der Pumpe beträchtlich reduziert wird. In manchen Fällen wird aber der Druck im Innern der Pumpenkammer nicht niedriger als der saugseitige Druck, so daß ein Saugventil nicht öffnet. Im Auslaufweg wird deshalb das Volumen der Strömung in Ablaßrichtung und das Volumen der Rückströmung in Richtung ins Innere der Pumpenkammer gleich, so daß die Pumpe nicht als Pumpe funktioniert.
Das Arbeitsprinzip der Pumpe mit dem erfindungsgemäßen Aufbau unterscheidet sich von dem einer verwandten Verdrängerpumpe, die ein Fluidfördervolumen (genauer gesagt, eine Menge gleich dem Verdrängungsvolumen × Volumenwirkungsgrad) durch Verlagern einer Membran in einer Periode des Pumpbetriebs abgibt. Ein Unterscheidungsmerkmal der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung besteht also darin, daß die Versetzgeschwindigkeit im Verfahrensschritt der Membran 5 zum Verkleinern des Pumpenkammervolumens und der Zeitsteuerung zwischen Änderungen des Drucks im Innern der Pumpe und dem Schritt zur Vergrößerung des Pumpenkammervolumens die Pumpenförderung stark beeinflussen.
Es soll zunächst ein Verfahren zum Bewegen der Membran beschrieben werden, mit dem die Pumpe veranlaßt wird, zufriedenstellend als Pumpe zu arbeiten.
Wie schon gesagt, ändert sich der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 entsprechend der Beziehung zwischen einer Volumenänderung des Fluids in der Pumpenkammer 3 und der Komprimierungsrate des Fluids. Wenn das Fluidfördervolumen größer ist als die Summe des Verdrängungsvolumens und des Fluidsaugvolumens, kann der Druck im Innern der Pumpenkammer auch bei abnehmendem Volumen der Pumpenkammer 3 kleiner werden. Durch die Versetzungsgeschwindigkeit beim Verfahrensschritt der Membran 5 zur Verringerung des Pumpenkammervolumens ändert sich darüber hinaus das Ausmaß der Verringerung des Drucks im Innern der Pumpenkammer.
Während eines Schritts zum Verringern des Pumpenkammervolumens oder wenn die Membran 5 am Ort ihrer maximalen Versetzung angehalten ist, ermöglicht es das Ansteuern der Membran 5 infolge einer solchen Wahl der Versetzungsgeschwindigkeit, daß der Druck in der Pumpenkammer 3 dem saugseitigen Druck angeglichen oder geringer wird als dieser, den Druck im Innern der Pumpenkammer auf einen Wert zu erniedrigen, der dem saugseitigen Druck gleicht oder geringer ist als dieser, ohne die Membran 5 in Richtung auf eine Vergrößerung des Volumens der Pumpenkammer zu verlagern. Unter dieser Bedingung bleibt also der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 eine Zeit lang auf einem Wert unterhalb des saugseitigen Drucks erhalten, wenn die Membran mit hoher Versetzungsgeschwindigkeit angesteuert wird und zwar selbst während der Zeit, während der die Membran in Richtung auf eine Verkleinerung des Pumpenvolumens bewegt und am Ort ihrer maximalen Versetzung angehalten wird. Es kann also Fluid aus dem Einlaufweg fließen.
Wenn der Schritt zum Vergrößern des Pumpenkammervolumens während einer Zeit durchgeführt wird, während der der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 dem saugseitigen Druck gleicht oder niedriger ist als dieser, kann darüberhinaus fast die gesamte Verlagerung der Membran genutzt werden, um das Fluid zum Strömen in die Pumpenkammer zu veranlassen, während der Druck in der Pumpe auf einem niedrigeren Wert als dem saugseitigen Druck gehalten wird. So kann die Durchflußleistung zusätzlich dadurch erhöht werden, daß das begrenzte Ausmaß der Versetzung der Betätigungsvorrichtung wirksam genutzt wird.
Die Membran 5 kann so angesteuert werden, daß der maximale Wert des Drucks im Innern der Pumpenkammer 3 dem Lastdruck gleich oder mehr als doppelt so hoch wird wie dieser, abzüglich dem saugseitigen Druck. W2 in 3 gibt einen Druckzustand wieder, der diese Bedingung kaum erfüllt.
Wenn das geschieht, ist durch natürliche Vibration des Fluids im Auslaufweg und in der Pumpenkammer die Amplitude des Drucks in der Pumpe ein Wert, der einer Differenz zwischen dem Lastdruck und dem saugseitigen Druck im wesentlichen gleicht, und das Fluid vibriert mit dem Lastdruck als zentralem Wert, so daß der Druck im Innern der Pumpe allein durch Druckvibration auf einen Wert erniedrigt werden kann, der dem saugseitigen Druck gleicht oder weniger als ein Wert in der Nähe des saugseitigen Drucks ist.
Insbesondere kann durch Ansteuern der Membran 5, so daß der maximale Druck in der Pumpenkammer 3 ein Wert gleich dem Lastdruck oder mehr als der zweifache desselben wird, der Druck in der Pumpenkammer 3 zuverlässig auf einen Wert reduziert werden, der niedriger ist als der saugseitige Druck, so daß der Druck in der Pumpenkammer 3 eine Zeitlang niedriger gehalten wird als der saugseitige Druck, was es dem Fluid ermöglicht, aus dem Einlaufweg zu fließen.
Je nach der Versetzungsgeschwindigkeit beim Schritt der Verringerung des Pumpenkammervolumens mittels der Membran 5 wird allein durch Bewegen der Membran in Richtung auf eine Verkleinerung des Pumpenkammervolumens und Anhalten der Membran an der Stelle der maximalen Versetzung der maximale Druck im Innern der Pumpenkammer 3 gleich wie der Lastdruck oder mehr als zweimal so groß wie dieser, so daß es möglich ist, das Fluid zu veranlassen, aus dem Einlaufweg in die Pumpenkammer zu fließen.
Wenn der Schritt zur Pumpenkammervolumenvergrößerung während der Zeit durchgeführt wird, während der der Druck in der Pumpenkammer 3 dem saugseitigen Druck gleicht oder niedriger ist als dieser, kann fast die ganze Verlagerung der Membran 5 genutzt werden, um das Fluid zum Fließen in die Pumpenkammer zu veranlassen, während der Druck im Innern der Pumpe auf einem niedrigeren Wert als der saugseitige Druck gehalten wird. Das begrenzte Ausmaß der Versetzung der Betätigungsvorrichtung kann also wirksam genutzt werden, um die Durchflußleistung zu erhöhen.
Die Membran 5 kann so angesteuert werden, daß die Zeit, während der der Druck im Innern der Pumpe niedriger ist als der saugseitige Druck 60% oder mehr einer Bewegungsperiode der Membran entspricht. Der in 2 dargestellte Ansteuervorgang ist ein Beispiel, welches diese Bedingung erfüllt. Wenn die Membran 5 unter dieser Bedingung angesteuert wird, kann die Saugzeit der Pumpe verlängert und infolgedessen eine größere Menge Fluid aus dem Einlaufweg in die Pumpenkammer eingesaugt werden.
Je nach der Versetzungsgeschwindigkeit im Schritt zur Reduzierung des Pumpenkammervolumens mittels der Membran 5 oder allein durch Bewegen der Membran in Richtung auf eine Verkleinerung des Volumens der Pumpenkammer und Anhalten der Membran an der Stelle ihrer maximalen Versetzung entspricht die Zeit, während der der Druck in der Pumpe niedriger ist als der saugseitige Druck 60% einer Bewegungsperiode der Membran oder ist größer als 60%. Während dieser Zeit ist es folglich möglich, Fluid aus dem Einlaufweg in die Pumpenkammer zu saugen.
Wenn der Schritt zur Vergrößerung des Pumpenkammervolumens während der Zeit durchgeführt wird, während der der Druck in der Pumpenkammer 3 dem saugseitigen Druck gleicht oder niedriger ist als dieser, kann nahezu die gesamte Versetzung der Membran 5 genutzt werden, um das Fluid in die Pumpenkammer einströmen zu lassen, während der Druck im Innern der Pumpe auf einem niedrigeren Wert als dem saugseitigen Druck gehalten wird. Auf diese Weise kann die Saugzeit länger werden, und das begrenzte Ausmaß der Versetzung der Betätigungsvorrichtung wird wirksam genutzt. Die Durchflußleistung kann folglich erhöht werden.
Als nächstes wird ein Verfahren zum Bewegen der Membran zur Überwindung eines anderen Problems beschrieben.
Wenn die Inertanz-Definitionsgleichung zeitintegriert ist:
Da die Inertanz eine Konstante ist, ist in einem Kanal das Ausmaß der Änderung der Fluidvolumengeschwindigkeit Q des Fluids im Kanal während dieser Zeit um so größer, je größer der Integralwert der Differenz zwischen den Drücken an beiden Enden des Kanals ist. Je größer der Integralwert der Differenz zwischen dem Druck in der Pumpenkammer 3 und dem Lastdruck P_fu am Auslaufweg 2 ist, um so schneller fließt das Fluid im Auslaufweg 2 in Richtung zum Ablaß, (das heißt um so größer ist das Moment des strömenden Fluids). Bis zur Verringerung des Moments des Fluids kann eine große Menge Fluid vom Einlaufweg 1 in die Pumpenkammer 3 fließen. Den Wert auf der linken Seite der Formel (3) groß zu machen, erzeugt mit anderen Worten für den Auslaufweg 2 den Effekt, daß die Strömungsabgabeleistung (= Saugdurchflußleistung) der Pumpe pro Pumpzyklus vergrößert wird. Wenn die Versetzungsgeschwindigkeit im Schritt zur Verringerung des Pumpenkammervolumens mittels der Membran erhöht wird, neigt auch der Wert an der linken Seite der Formel (3) zu einer Erhöhung.
4 zeigt Wellenformen für die Verlagerung der Membran 5 in der Richtung, in der die Pumpenkammer 3 infolge einer Druckminderung in der Pumpenkammer 3 auf einen Wert unterhalb des Lastdrucks P_fu komprimiert wird. Anders als bei der Pumpe auf der Grundlage von 3 wirkt in diesem Fall die Pumpe als eine Pumpe, hat aber die folgenden Schwierigkeiten. Wenn im Anschluß an eine Druckminderung im Innern der Pumpenkammer 3 auf einen Wert unterhalb des Lastdrucks P_fu die Membran 5 versetzt wird, trägt dies nicht zu einer Erhöhung des Drucks in der Pumpe bei, so daß dies nicht die Wirkung hat, den Wert an der linken Seite der Formel (3) zu erhöhen. Auch die Pumpenförderung nimmt nicht zu. Da andererseits bei einer Verlagerung der piezoelektrischen Vorrichtung 6 Energie verbraucht wird, wird die Eingabe in die Pumpe erhöht und dementsprechend der Pumpwirkungsgrad reduziert.
Als nächstes wird die Versetzungsgeschwindigkeit beim Schritt der Reduzierung des Pumpenkammervolumens mittels der Membran 5 beschrieben, was erforderlich ist, um ein solches Problem zu lösen.
Da, wie 3 zeigt, Druckvibration in der Pumpenkammer mit der natürlichen Vibrationsperiode des Fluids im Auslaufweg 2 und der Pumpenkammer 3 mit dem Lastdruck P_fu als einem zentralen Wert erfolgt, entspricht die Periode, während der der Druck in der Pumpenkammer 3 dem Lastdruck P_fu gleicht oder größer ist als dieser, etwa der Hälfte der natürlichen Vibrationsperiode des Fluids im Auslaufweg 2 und der Pumpenkammer 3.
Wenn die Versetzungsgeschwindigkeit beim Schritt zur Reduzierung des Pumpenkammervolumens mittels der Membran 5 der Versetzungsgeschwindigkeit gleicht oder größer ist als die Versetzungsgeschwindigkeit, bei der die Membran die maximale Versetzungsposition in 1/2 einer natürlichen Vibrationsperiode T erreicht, trägt das Ausmaß der Versetzung der Membran 5 zur Erhöhung des Wertes an der linken Seite der Formel (3) bei, ohne nutzlos benutzt zu werden, so daß die Pumpenförderung erhöht werden kann.
Hier kann die Membran 5 mit Versetzungsgeschwindigkeit verlagert werden, die sich mit der Zeit ändert, wobei in diesem Fall die Membran 5 nicht mit einer konstanten Versetzungsgeschwindigkeit in Richtung auf eine Verringerung des Volumens der Pumpenkammer versetzt wird, wie in 2 und 4 gezeigt. Wenn hier eine durchschnittliche Versetzungsgeschwindigkeit in mindestens einer Hälfte oder mehr als der Hälfte des ganzen Schrittes der Membran 5 in Richtung auf eine Reduzierung des Volumens der Pumpenkammer festgelegt wird, und die durchschnittliche Versetzungsgeschwindigkeit so gesetzt wird, daß sie der Versetzungsgeschwindigkeit gleicht oder größer ist als die Versetzungsgeschwindigkeit, mit der die Membran 5 die maximale Versetzungsposition in 1/2 der natürlichen Vibrationsperiode T erreicht, trägt das Ausmaß der Versetzung der Membran 5 zur Erhöhung des Wertes an der linken Seite der Formel (3) praktisch ohne nutzlos eingesetzt zu werden bei. Die Pumpenförderung kann also erhöht werden.
5 ist eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen der Zeit, die die Membran 5 braucht, um die maximale Versetzungsposition zu erreichen, und dem Fluidfördervolumen für eine Periode, wobei die maximale Versetzungsposition der Membran 5 die gleiche ist. In 5 ist die natürliche Vibrationsperiode des Fluids in der Pumpenkammer 3 und im Auslaufweg 2 durch T wiedergegeben (in der Kurve ist die natürliche Frequenz 1/T = 9,5 kHz). Aus 5 geht hervor, daß, wenn die Zeit, die die Membran 5 braucht, um in Richtung auf Verringerung des Volumens der Pumpenkammer 3 verlagert zu werden, zu kurz ist, der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 zu stark erhöht wird, auch wenn das Fluidvolumen für eine Periode nicht zunimmt. Folglich ergeben sich Probleme hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der Membran 5 und des Rückschlagventils 4. Wenn die durchschnittliche Versetzungsgeschwindigkeit im Schritt zur Reduzierung des Pumpenkammervolumens mittels der Membran geringer wird als die Versetzungsgeschwindigkeit, mit der die Membran die maximale Versetzungsposition in einer Zeit von weniger als 1/10 der natürlichen Vibrationsperiode T erreicht, ergeben sich Schwierigkeiten hinsichtlich der Dauerhaftigkeit des Rückschlagventils 4 und der Membran 5.
Wenn das Ansteuern der piezoelektrischen Vorrichtung 6 so gesteuert wird wie oben beschrieben, kann die Dauerhaftigkeit der Pumpe vergrößert und das begrenzte Ausmaß der Versetzung der Membran 5 wirksam genutzt werden, um die Durchflußleistung zu verbessern. Deshalb ist es möglich, eine kleine, leichte, Hochleistungspumpe vorzusehen, für die die Leistung der piezoelektrischen Vorrichtung 6 angemessen ausgenutzt wird. Außerdem kann die Pumpe unter hohem Lastdruck arbeiten und hat einen hohen Antriebswirkungsgrad aufgrund der Erhöhung des Fluidfördervolumens pro Periode. Wenn die Hälfte der natürlichen Vibrationsperiode T des Auslaufweges 2 und der Pumpenkammer 3 abläuft, wird der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 weniger als der Lastdruck. Wenn die Membran 5 in der Richtung verlagert wird, in der das Volumen der Pumpenkammer 3 erhöht wird im Anschluß an eine Zeitperiode T/2 ab dem Anfang der Bewegung der Membran 5 in Richtung auf eine Verkleinerung des Volumens der Pumpenkammer, braucht infolgedessen der Wert auf der linken Seite der Formel (3) nicht verkleinert zu werden. Mit anderen Worten, die Membran kann in ihren Zustand vor Versetzung zurückkehren, ohne die Strömungsabgabeleistung der Pumpe zu reduzieren.
Nachfolgend werden Ansteuermittel gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, die dann angewandt werden, wenn das Fluidfördervolumen für eine Periode durch das Steuern der Bewegung der Membran 5 in Richtung auf eine Reduzierung des Volumens der Pumpenkammer 3 erhöht werden soll.
6 ist ein Blockschaltbild einer Ansteuereinrichtung 20, die den Betrieb einer piezoelektrischen Vorrichtung 6 steuert.
Die Ansteuereinrichtung 20 weist eine Triggersignalerzeugerschaltung 22, die ein Triggersignal erzeugt, eine Verstärkerschaltung 24 und eine Versetzungssteuereinrichtung 26 auf.
Die Triggersignalerzeugerschaltung 22 ist eine Schaltung, die ein Triggersignal zu einer bestimmten festen Periode erzeugt. Die Verstärkerschaltung 24 verstärkt die elektrische Leistung eines Eingangssignals auf eine vorherbestimmte elektrische Leistung, die für das Ansteuern der piezoelektrischen Vorrichtung 6 benötigt wird, und liefert die verstärkte elektrische Leistung an die piezoelektrische Vorrichtung 6.
Die Versetzungssteuereinrichtung 26 gibt einen Spannungswellenverlauf für eine Periode aus, wenn sie ein Triggersignal empfängt. Die Versetzungssteuereinrichtung 26 steuert eine Versetzungsgeschwindigkeit durch Ändern einer Versetzungszeit, wobei eine von der Membran 5 erreichte Versetzungsposition erhalten bleibt, anhand eines Erfassungswertes von einem Druckmeßfühler (Pumpendruck-Erfassungseinrichtung) 28, der in der einen Auslaufweg 2 und eine Pumpenkammer 3 umfassenden Pumpe angeordnet ist. Die Versetzungssteuereinrichtung 26 weist einen Mikrocomputer mit einem I/O-Port und einem ROM auf.
7 ist ein Fließschema der Arbeitsschritte der Versetzungssteuereinrichtung 26.
Zunächst wird im Schritt S2 ein Schwellenwert Psh eines Drucks gesetzt. Als Schwellenwert Psk dient ein Wert, der einem Ausgabewert gleicht oder größer ist als dieser, wenn ein saugseitiger Druck Pky auf den Druckmeßfühler 28 wirkt. Bei Benutzung dieses Wertes geschieht keine irrtümliche Erfassung des Drucks aufgrund eines geringen Druckanstiegs, wenn der Druck niedrig ist. Es folgt der Schritt S4, bei dem eine Versetzungszeit Ht1 aus einer Vielzahl von Versetzungszeiten Hti (i = 1, 2, 3 ...) der Membran 5 ausgewählt wird. Ab der nächsten Zeit werden dann andere Versetzungszeiten Hti ausgewählt.
Dann folgt als nächstes der Schritt 6, bei dem bestätigt wird, ob die Messungen von Ablaufzeiten TMmi (nachfolgend beschrieben) für alle Versetzungszeiten Hti der Membran 5 vollendet sind. Sind sie nicht vollendet, wird das Verfahren mit dem Schritt S12 fortgesetzt, während bei Vollendung der Schritt S10 folgt.
Als nächstes wird im Schritt S12 durch Eingabe eines Triggersignals Si die Ausgabe einer Spannungswellenform für eine Periode an die piezoelektrische Vorrichtung 6 gestartet. Hier ist eine Bestätigung erwünscht, daß der Druck in der Pumpenkammer beständig ist, ehe das Triggersignal ausgegeben wird.
Das Verfahren geht dann zum Schritt S14 weiter, bei dem bestätigt wird, ob der Druck im Innern der Pumpe weniger geworden ist als der Schwellenwert Psh oder nicht. Ist er nun geringer als der Schwellenwert Psh, wird das Verfahren mit dem Schritt S16 fortgesetzt.
Im Schritt S16 werden Zeitmessungen mittels eines Zeitgebers TM begonnen.
Als nächstes folgt der Schritt S18, bei dem ein erster Druck Pin1 in der Pumpenkammer 3 mit dem Druckmeßfühler 28 gemessen wird.
Darauf folgt der Schritt S20, bei dem ein zweiter Druck Pin2 in der Pumpenkammer 3 mit dem Druckmeßfühler 28 gemessen wird.
Das Verfahren wird dann mit dem Schritt S22 weitergeführt, bei dem bestätigt wird, ob die Beziehung zwischen dem ersten Druck Pin1 in der Pumpenkammer 3 und dem zweiten Druck Pin2 in der Pumpenkammer 3 Pin1 < Psh < Pin2 ist. Trifft dieses Verhältnis zu, nämlich daß Pin1 < Psh < Pin2, wird das Verfahren mit dem Schritt S24 fortgesetzt, während der Schritt S26 folgt, wenn die Beziehung nicht Pin1 < Psh < Pin2 ist.
Im Schritt S26 wird der zweite Druck Pin2 in der Pumpenkammer 3 als erster Druck Pin1 in der Pumpenkammer 3 benutzt, und das Verfahren kehrt zurück zum Schritt S20.
Im Schritt S24 werden die Zeitmessungen mittels des Zeitgebers TM angehalten.
Das Verfahren geht dann zum Schritt S28 über, bei dem die vom Zeitgeber TM gemessenen Werte als abgelaufene Zeiten TMmi (i = 1, 2, 3...) gespeichert werden. Danach kehrt das Verfahren zum Schritt S4 zurück.
Im Schritt S10, zu dem das Verfahren dann übergeht, wenn im Schritt S6 die Messungen der Ablaufzeiten TMmi für alle Versetzungszeiten Hti der Membran 5 beendet sind, wird unter den Ablaufzeiten TMm1, TMm2, TMm3 ..., die bisher gespeichert wurden, der maximale Wert bestimmt.
Darauf folgt im Verfahren der Schritt S30, bei dem die Versetzungszeit Hti der Membran 5, die der maximalen Ablaufzeit TMmi entspricht, ausgewählt wird. Damit endet das Verfahren.
Das Ansteuern der piezoelektrischen Vorrichtung 6 wird von der Ansteuereinrichtung 20 so gesteuert, daß die Membran 5 in der ausgewählten Versetzungszeit Hti verrückt wird.
Wenn diese in 7 gezeigten Vorgänge der Versetzungssteuereinrichtung 26 durchgeführt werden, kann die Versetzungszeit der Membran 5 bei ihrer Verlagerung in Richtung auf eine Reduzierung des Volumens der Pumpenkammer 3 so gesetzt werden, daß die Zeit, die abläuft, bis der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 den zuvor gesetzten Schwellenwert Psh übersteigt, am längsten ist. Aus folgenden Gründen kann eine Pumpe mit einem guten Ansteuerwirkungsgrad vorgesehen werden, indem das Fluidfördervolumen pro Pumpperiode vergrößert wird.
Die Gründe werden unter Hinweis auf die 8(a) und 8(b) sowie 9(a) und 9(b) erläutert. 8(a) und 9(a) zeigen die Versetzung der Membran 5, die beim Anlegen unterschiedlicher Ansteuerspannungswellenformen in Form einzelner Impulse an die piezoelektrische Vorrichtung 6 der Pumpe resultieren, und die 8(b) und 9(b) zeigen die Druckänderungen in der Pumpenkammer 3 entsprechend dieser Versetzung.
Aus den 8(a) und 8(b) sowie 9(a) und 9(b) ist ersichtlich, daß bei einer Versetzung der Membran 5 mittels einzelner Impulse selbst bei stationärer Membran 5 der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 zeitweilig auf einen Wert nahe absolut Null Atmosphären sinkt, um dann nach Ablauf einer gewissen Zeit wieder zu steigen.
Es werden nun Erscheinungen hinsichtlich des Drucks im Innern der Pumpenkammer 3 beschrieben. Angenommen eine Änderung im Fluidvolumen in der Pumpenkammer 3 sei ΔV, dann wird der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 durch die Gleichung ΔV = (Versetzungsvolumen mittels der Membran 5) + (Saugfluidvolumen) – Druckfluidvolumen) und die Komprimierbarkeit des Fluids bestimmt. Selbst wenn also die Membran 5 stationär gehalten wird und das Versetzungsvolumen auf Null gebracht wird, ändert sich der Druck im Innern der Pumpenkammer durch Änderungen im Saugfluidvolumen und im Druckfluidvolumen. Nachdem die Membran 5 um ein Versetzungsausmaß während einer Periode durch einzelne Impulse versetzt wurde, wird das Ausmaß der Zunahme des Saugfluidvolumens allmählich größer als das Ausmaß der Zunahme des Druckfluidvolumens, so daß der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 allmählich steigt.
Da die Neigung der steigenden Seite der Wellenform der Versetzung der Membran 5, wie in 9(a) gezeigt, größer ist als die Neigung der steigenden Seite der Wellenform der Versetzung der Membran 5, wie in 8(a) gezeigt, ist die Versetzungsgeschwindigkeit der Membran 5 in 9(a) größer als in 8(a). Darüberhinaus ist auch die für den Druckanstieg in der Pumpenkammer 3 aufgewandte Zeit wiederum länger in 9(b) als in 8(b) (t1 < t2). Wenn eine Belüftung oder Cavitation auftritt, ist die erforderliche Zeit t für den Druckanstieg im Innern der Pumpenkammer 3 wiederum um so länger, je größer das Fluidfördervolumen für eine Periode ist. Wenn die Zeit t gemessen wird und die Verzögerungszeit Ht (Anstiegsgeschwindigkeit), die für die Verlagerung der Membran 5 in die Position der maximalen Versetzung erforderlich ist, so daß die Zeit t lang wird, als angemessen ausgewählt wird, kann das Fluidfördervolumen für eine Periode vergrößert werden.
Auch wenn der Druckmeßfühler 28 als Erfassungseinrichtung für den Pumpendruck benutzt wird, könnte auch ein Dehnungsmeßstreifen oder ein Versetzungsmeßfühler benutzt werden, um das Ausmaß der Verformung der Membran zu messen, damit der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 berechnet werden kann. Ein Dehnungsmeßstreifen kann auch benutzt werden, um die Verformung der Pumpe selbst zu messen, damit der Druck im Innern der Pumpenkammer 3 berechnet werden kann. Ferner kann ein Dehnungsmeßstreifen oder ein Versetzungsmeßfühler benutzt werden, um die Verformung der Pumpenkammer 3 zu messen, die durch den Druck im Innern der Pumpenkammer 3 verursacht wird, wenn ein passives Ventil auf seiten eines Einlaufweges 1 geschlossen ist, um auf diese Weise den Druck im Innern der Pumpenkammer 3 zu berechnen. Zum Messen der Versetzung der piezoelektrischen Vorrichtung 6 kann ein Dehnungsmeßstreifen an der piezoelektrischen Vorrichtung 6 angebracht werden, um den Druck im Innern der Pumpenkammer 3 anhand der Spannung oder elektrischen Ladung zu berechnen, die an der piezoelektrischen Vorrichtung 6 anliegt (Zielversetzungsgröße), eines mittels des Dehnungsmeßstreifens gemessenen Wertes (tatsächliche Versetzungsgröße), und des Youngschen Moduls der piezoelektrischen Vorrichtung 6. Da bei diesen Verfahren die Vorrichtungen nicht im Innern der Pumpenkammer 3 angeordnet zu sein brauchen, kann dies die Verkleinerung der Pumpenabmessungen erleichtern. Die Arten der verwendbaren Dehnungsmeßstreifen sind beispielsweise eine Art, die das Ausmaß der Verformung mittels einer Widerstandsänderung erfaßt, eine Art, die das Ausmaß der Verformung mittels einer Kapazitätsänderung erfaßt und eine Art, die das Ausmaß der Verformung mittels einer Spannungsänderung erfaßt.
Wird eine Einrichtung vorgesehen, um die Versetzungsgeschwindigkeit der Membran 5 bei ihrer Verlagerung in Richtung auf eine Verkleinerung des Volumens der Pumpenkammer 3 zu korrigieren, kann die Verzögerungsgeschwindigkeit rascher gesteuert werden und dabei die gleichen Vorteile erhalten bleiben. Hierbei wird die Ablaufzeit für eine gewisse Versetzungsgeschwindigkeit und ein Korrekturbetrag, der der Versetzungsgeschwindigkeit hinzugefügt wird, um die Ablaufzeit zur idealen Ablaufzeit zu machen, im voraus beispielsweise mittels eines Versuchs bestimmt. Die Ablaufzeit und der Korrekturbetrag werden abgebildet und im ROM der Versetzungssteuereinrichtung gehalten. Beim Messen der Ablaufzeit bezieht sich die Korrektureinrichtung auf deren Abbildung zum Korrigieren der Versetzungsgeschwindigkeit.

Claims

Pumpe, aufweisend: eine Betätigungsvorrichtung (6) zum Versetzen einer beweglichen Wand (5), beispielsweise eines Kolbens oder einer Membran; eine Ansteuereinrichtung (20) zum Steuern der Ansteuerung der Betätigungsvorrichtung (6); eine Pumpenkammer (3), deren Volumen durch Versetzung der beweglichen Wand (5) veränderbar ist; mindestens einen Einlaufweg (1), der ein Arbeitsfluid in die Pumpenkammer (3) fließen läßt; und mindestens einen Auslaufweg (2), der das Arbeitsfluid aus der Pumpenkammer (3) fließen läßt; wobei der Auslaufweg (2) während des Betriebs der Pumpe zur Pumpenkammer (3) geöffnet ist, ein Gesamtinertanzwert des mindestens einen Einlaufwegs (1) kleiner ist als der Gesamtinertanzwert des mindestens einen Auslaufwegs (2), und der Einlaufweg (1) einen Strömungswiderstand (4) besitzt, der veranlaßt, daß ein Strömungswiderstand gegen das Arbeitsfluid kleiner ist, wenn das Arbeitsfluid in die Pumpenkammer (3) fließt, als wenn das Arbeitsfluid aus der Pumpenkammer (3) fließt; und wobei die Ansteuereinrichtung (20) eine Versetzungssteuereinrichtung (26) aufweist, um die Bewegung der beweglichen Wand (5) auf der Grundlage von Erfassungsinformationen von einer Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) zum Erfassen des Drucks im Innern der Pumpe zu steuern.
Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) die Zeit bis zu dem Punkt mißt, bei dem die Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) eine vorherbestimmte Druckänderung nach Vollendung der Versetzung der beweglichen Wand (5) während einer Periode erfaßt und die Bewegung der beweglichen Wand (5) aufgrund der Information über die gemessene Zeit steuert.
Pumpe nach Anspruch 2, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) die Bewegung der beweglichen Wand (5) so steuert, daß die gemessene Zeit lang wird.
Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) die Bewegung der beweglichen Wand (5) auf der Grundlage eines Berechnungswertes unter Verwendung eines vorherbestimmten Wertes und eines von der Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) erfaßten Druckwertes steuert.
Pumpe nach Anspruch 4, bei der der Berechnungswert ein Wert ist, der aus der Zeitintegration der Differenz zwischen dem von der Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) erfaßten Druckwert und dem vorherbestimmten Druckwert resultiert während einer Periode, während der der von der Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) erfaßte Druckwert dem vorherbestimmten Druckwert gleicht oder größer ist als dieser.
Pumpe nach Anspruch 5, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) die Bewegung der beweglichen Wand (5) so steuert, daß der Berechnungswert groß wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) eine Versetzungsgeschwindigkeit im Schritt der beweglichen Wand (5) zur Reduzierung des Pumpenkammervolumens steuert.
Pumpe nach Anspruch 7, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) die Versetzungsgeschwindigkeit durch Ändern einer Versetzungszeit steuert, wobei die Position der maximalen Versetzung der beweglichen Wand (5) die gleiche ist.
Pumpe nach Anspruch 1, bei der die Versetzungssteuereinrichtung (26) einen Steuervorgang so durchführt, daß die bewegliche Wand (5) in einer Richtung versetzt wird, bei der das Volumen der Pumpenkammer (3) nach einer Verringerung des von der Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) erfaßten Drucks auf einen geringeren Wert als einen vorherbestimmten Wert vergrößert wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder 9, bei der der vorherbestimmte Wert ein Wert ist, den die Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) vor dem Ansteuern der Betätigungsvorrichtung (6) gemessen hat.
Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder 9, bei der der vorherbestimmte Wert ein Wert ist, den die Pumpendruckerfassungseinrichtung (28) mißt, wenn das Ansteuern der Betätigungsvorrichtung (6) zeitweise angehalten wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder 9, bei der der vorherbestimmte Wert ein zuvor eingegebener Wert ist, der im wesentlichen gleich einem Lastwert an einem Ort stromabwärts vom Auslaufweg (2) ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6 oder 9, bei der die Ansteuereinrichtung (20) ferner eine Lastdruckerfassungseinrichtung aufweist, die einen Lastdruck an einem Ort stromabwärts vom Auslaufweg (2) erfaßt, und bei der der vorherbestimmte Wert ein von der Lastdruckerfassungseinrichtung gemessener Wert ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Betätigungsvorrichtung (6) eine piezoelektrische Vorrichtung ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei der die Betätigungsvorrichtung (6) eine riesige magnetostriktive Vorrichtung ist.