EP1466097A1 - Flüssigkeitspumpe - Google Patents

Flüssigkeitspumpe

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EP1466097A1
EP1466097A1 EP03729208A EP03729208A EP1466097A1 EP 1466097 A1 EP1466097 A1 EP 1466097A1 EP 03729208 A EP03729208 A EP 03729208A EP 03729208 A EP03729208 A EP 03729208A EP 1466097 A1 EP1466097 A1 EP 1466097A1
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EP
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pump
piezo
piston
liquid pump
valves
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EP03729208A
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Thomas Lorkowski
Frank Hermle
Stefan Storm
Peter JÄNKER
Hans-Georg Herrmann
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Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B17/00—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors
    • F04B17/003—Pumps characterised by combination with, or adaptation to, specific driving engines or motors driven by piezoelectric means

Definitions

  • the invention relates to a liquid pump comprising a pump housing enclosing a pump chamber with piezo actuating elements moving a piston in the pump chamber and inlet valves and outlet valves arranged in such a way that the liquid pump performs a pumping effect with each movement of the piston.
  • the pumping effect is achieved in that the pump chamber is reduced with each stroke of the piezo actuating element and the pressure that arises as a result transports the liquid.
  • a fluid pump is known from DE 3320443 A1, in which the pump housing provided with inlet and outlet valves partially consists of a shell-shaped, pre-stressed piezoelectric element, which deforms when a voltage is applied in such a way that the volume of the pump chamber is reduced, thereby achieving the pumping effect becomes.
  • a piezo actuating element presses externally onto a pump chamber equipped with a flexible pump membrane, whereby its volume is also reduced with each stroke of the piezo actuating element, whereby the liquid is pressed out, that is, pumped.
  • a disadvantage of such pump systems is the relatively small displacement volume of the pump chamber, so that they are usually only used in microsystems.
  • the installed pump power can be converted directly to the required piezo volume.
  • either the piezo volume or the operating frequency must be increased.
  • both approaches are destructive, because on the one hand an increased proportion of piezo drives up the costs and the weight and on the other hand the frequency cannot be increased arbitrarily.
  • DE 39 10 331 A1 discloses an arrangement with a liquid pump comprising a pump housing enclosing a pump chamber with inlet and outlet valves attached in such a way that the pump performs a pumping effect with every movement of the piston.
  • the piston is moved directly by two excitation coils.
  • a disadvantage of pumps in accordance with DE 39 10 331 A1 is that an electromagnetic drive requires a lot of energy with a low pumping power and even when using piezo actuator elements as the drive, the pumping power remains proportional to the piezo volume, as a result of which the costs and weight problems cannot be eliminated.
  • the object is achieved in a liquid pump of the type described in the introduction in that the piezo actuating elements are arranged transversely to the direction of movement of the piston with an amplifier frame for implementing the stroke of the piezo actuating elements.
  • Such amplifier or implementation frames change the direction of movement of the hub.
  • the movement with high force and short stroke which characterizes a piezo actuator, is converted into a movement with lower force, but with a higher stroke. This is particularly advantageous for liquid pumps, since a reduced force is sufficient for pumping, but the higher stroke directly increases the pumping capacity.
  • the liquid pump according to the invention has a higher power density than conventional liquid pumps with a piezo drive.
  • the piezo positioning elements are placed in an opposing arrangement.
  • the piezo actuating elements which operate in such a differential manner, are preloaded via the pump housing and the respective opponent. This prevents the piezo actuators from being subjected to tensile stress, which leads to a reduction in the stress on these components.
  • the frequency of the piezo actuator can be adjusted to the flow rate.
  • the piezo actuating elements are preferably operated in their resonance frequency.
  • An adaptation to the desired delivery rate can be ensured here by the size of the piston or by the stroke of the piezo actuator.
  • the resonance mode of the piezo actuators ensures higher energy coupling, which means that the necessary piezo volume can be reduced.
  • the valves that regulate the flow into and out of the pump chamber can be actively controlled as a function of the frequency of the piezo actuating elements, but the inlet and outlet valves are preferably passive valves. In particular it is preferably a spring-mass oscillator. In these, the ratio of the spring constant to the mass is matched to the frequency of the piezo actuators.
  • the valves react to the different pressure conditions in the liquid and open and close independently. In addition, the opening and closing times required for this by the valve are adapted to the frequency of the pump.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of a liquid pump according to the invention with piezo actuating elements, the stroke of which is implemented by means of an octagonal reinforcement frame.
  • the pump chamber 10 is delimited by the pump housing 11. To increase the inherent rigidity and to improve the heat dissipation, this can contain outer ribs, which, however, are not shown.
  • the pump chamber is divided into two sub-chambers by the piston 20. These subchambers each have an inflow with an inlet valve 12, 13 and an outflow with an outlet valve 14, 15.
  • the piston which is sealed against the pump housing by means of conventional means, is moved by a first and second piezo actuating element 21, 22 in such a way that one partial chamber is enlarged while the other partial chamber is simultaneously reduced in volume.
  • a first and second piezo actuating element 21, 22 is moved by a first and second piezo actuating element 21, 22 in such a way that one partial chamber is enlarged while the other partial chamber is simultaneously reduced in volume.
  • the left compartment when the piston is moved to the right in the figure.
  • the inlet valve 12 is open and the outlet valve 14 is closed, while the inlet valve 13 is closed and the outlet valve 15 is open. Liquid is thus sucked into the left-hand partial chamber, while the liquid contained therein is pressed out, ie pumped, by the compression in the right-hand partial chamber and by the valve position.
  • the open valves are closed and the closed valves are opened, as a result of which the liquid first sucked into the left-hand sub-chamber is now pumped out while the right-hand sub-chamber fills again.
  • the various access lines can be supplied by a central line, just as the pumped liquid can be combined in one overall line. This ensures that a pumping operation is carried out by each movement of the piston 20.
  • the movement of the piston 20 in the pump chamber 10 is ensured by a first piezo actuator 21 and a second piezo actuator 22.
  • the piezo actuating elements 21, 22 are installed with their stroke transverse to the direction of movement of the piston 20.
  • the direction of movement is implemented via a first and a second reinforcement frame 21a, 22a.
  • Such reinforcement frames consist, for example, of solid frame parts which form an octagon, in which the force of the piezo actuating element acts on two opposite sides, the frame parts at the corners of the octagon being designed flexibly via bending elements.
  • a lifting movement of the first piezo setting element 21 causes the frame to stretch in the direction of the stroke and thus a pulling movement on the piston 20, as a result of which the second reinforcement frame 22a is stretched along the direction of movement of the piston 20 and the second piezo setting element 22 is compressed.
  • the piezo actuators 21, 22 are biased and are not loaded on train during the return movement.
  • the inlet valves 12, 13 and the outlet valves 14, 15 are passive valves based on the spring-mass principle.
  • the closure part of the valve (not shown) is coupled to a spring-mass component that vibrates with a characteristic frequency. This frequency is matched to the frequency of the piezo setting elements, so that switching, opening and closing times are as short as possible.

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Abstract

Flüssigkeitspumpe (1) aus einem eine Pumpenkammer (10) umschließenden Pumpengehäuse (11) mit in der Pumpenkammer (10) einen Kolben (20) bewegenden Piezostellelementen (21, 22) und derart angebrachten Einlassventilen (12, 13) und Auslaßventilen (14, 15), dass die Flüssigkeitspumpe (1) bei jeder Bewegung des Kolbens (20) einen Pumpeffekt durchführt, wobei die Piezostellelemente (21, 22) quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens (20) mit Verstärkerrahmen (21h, 22a) zur Umsetzung des Hubs der Piezostellemente (21, 22) angeordnet sind.

Description

Flussigkeitspumpe
Die Erfindung bezieht sich auf eine Flussigkeitspumpe aus einem eine Pumpen- kammer umschließenden Pumpengehäuse mit in der Pumpenkammer einen Kolben bewegenden Piezostellelementen und derart angebrachten Einlassventilen und Auslassventilen, dass die Flussigkeitspumpe bei jeder Bewegung des Kolbens einen Pumpeffekt durchführt.
Bei konventionellen Flüssigkeitspumpen mit Piezostellelementen wird die Pumpwirkung dadurch erzielt, dass die Pumpenkammer mit jedem Hub des Piezostell- elements verkleinert wird und der dadurch entstehende Druck die Flüssigkeit transportiert.
So ist aus DE 3320443 A1 eine Flussigkeitspumpe bekannt, bei der das mit Einlass- und Auslassventilen versehene Pumpengehäuse partiell aus einem schalenförmig vorgespannten piezoelektrischen Element besteht, welches sich beim Anlegen einer Spannung derart verformt, dass das Volumen der Pumpenkammer verkleinert wird, wodurch der Pumpeffekt erzielt wird.
Bei einer Flussigkeitspumpe gemäß DE 8704314 U1 drückt ein Piezostellelement extern auf eine mit einer flexiblen Pumpenmembran ausgestattete Pumpenkammer, wodurch ebenfalls deren Volumen bei jedem Hub des Piezostellelements verkleinert wird, wodurch die Flüssigkeit herausgepresst, also gepumpt wird.
Nachteilig wirkt sich bei derartigen Pumpsystemen aber das relativ kleine Verdrängervolumen der Pumpenkammer aus, so dass diese üblicherweise nur in Mikrosystemen angewendet werden. Die installierte Pumpleistung kann hierbei direkt auf ein notwendiges Piezovolumen umgerechnet werden. Um eine leistungsfähige Pumpe zu erhalten, muss somit entweder das Piezovolumen oder die Betriebsfrequenz erhöht werden. Beide Ansätze sind jedoch destruktiv, da zum einen ein erhöhter Piezoanteil die Kosten und das Gewicht in die Höhe treibt und zum anderen die Frequenz nicht beliebig erhöht werden kann.
DE 39 10 331 A1 offenbart eine Anordnung mit Flussigkeitspumpe aus einem eine Pumpenkammer umschließenden Pumpengehäuäse mit derart angebrachten Einlass- und Auslaßventilen, dass die Pumpe bei jeder Bewegung des Kolbens einen Pumpeffekt durchführt. Der Kolben wird dabei durch zwei Erregerspulen direkt bewegt.
Aus JP 5164052 A und JP 11182421 A gehen Pumpen als bekannt hervor, bei denen Piezostellelemente anstelle eines elektromagnetischen Antriebs zur Bewegung eines Kolbens eingesetzt werden.
Nachteilig bei Pumpen gemäß DE 39 10 331 A1 wirkt sich aus, dass ein elektromagnetischer Antrieb viel Energie bei geringer Pumpleistung benötigt und auch beim Einsatz von Piezostellelementen als Antrieb die Pumpleistung proportional zum Piezovolumen bleibt, wodurch die Kosten und Gewichtsproble- matik nicht behoben werden kann.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Flussigkeitspumpe bereitzustellen, welche trotz geringem Piezovolumen eine große Pumpleistung realisiert.
Die Aufgabe wird bei einer Flussigkeitspumpe der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, dass die Piezostellelemente quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens mit Verstärkerrahmen zur Umsetzung des Hubs der Piezostellelemente angeordnet sind. Derartige Verstärker- bzw. Umsetzungsrahmen verändern die Bewegungsrichtung des Hubs. Außerdem wird die Bewegung mit hoher Kraft und geringem Hub, welche ein Piezostellelement auszeichnet, umgewandelt in eine Bewegung mit geringerer Kraft, dafür aber höherem Hub. Dies ist besonders bei Flüssigkeitspumpen von Vorteil, da hier auch eine reduzierte Kraft zum Pumpen ausreicht, der höhere Hub aber direkt die Pumpleistung vergrößert.
Hierdurch besitzt die erfindungsgemäße Flussigkeitspumpe eine höhere Lei- stungsdichte als konventionelle Flüssigkeitspumpen mit Piezoantrieb.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Piezostellelemente in Gegenspieleranordnung platziert. Die so differentiell arbeitetenden Piezostellelemente werden dabei über das Pumpengehäuse und den jeweiligen Gegenspieler vorge- spannt. Hierdurch wird verhindert, dass die Piezostellelemente auf Zugbelastung beansprucht werden, was zu einer Verringerung der Belastung dieser Bauteile führt.
Die Frequenz der Piezostellelemente kann an die Fördermenge angepasst werden. Bevorzugt werden die Piezostellelemente aber in ihrer Resonanzfrequenz betrieben. Eine Anpassung an die jeweils gewünschte Fördermenge kann hier über die Größe des Kolbens oder über den Hub der Piezostellelemente gewährleistet werden. Der Resonanzbetrieb der Piezostellelemente gewährleistet eine höhere Energiekopplung, womit das notwendige Piezovolumen reduziert werden kann.
Die Ventile, welche den Fluss in und aus der Pumpenkammer regulieren, können aktiv in Abhängigkeit von der Frequenz der Piezostellelemente gesteuert werden, bevorzugt sind die Ein- und Auslassventile aber passive Ventile. Insbesondere bevorzugt handelt es sich um Feder-Masse-Schwinger. Bei diesen ist das Verhältnis der Federkonstante zur Masse auf die Frequenz der Piezostellelemente abgestimmt. Außerdem reagieren die Ventile auf die unterschiedlichen Druckverhältnisse in der Flüssigkeit und öffnen und schließen dabei selbstständig. Außerdem ist die hierfür vom Ventil benötigte öffnungs- und Schließzeit auf die Frequenz der Pumpe angepasst.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorzüge ergeben.
Es zeigt:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Flüssigkeits- pumpe mit Piezostellelementen, deren Hub mittels achtseitigen Verstärkungsrahmen umgesetzt werden.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Flussigkeitspumpe 1 wird die Pumpenkammer 10 durch das Pumpengehäuse 11 begrenzt. Dieses kann zur Erhöhung der Eigensteifigkeit und zur Verbesserung der Wärmeabführung äußere Rippen enthalten, welche allerdings nicht eingezeichnet sind. Die Pumpenkammer wird durch den Kolben 20 in zwei Teilkammern geteilt. Diese Teilkammern besitzen jeweils einen Zufluss mit einem Einlassventil 12, 13 und jeweils einen Ausfluss mit einem Auslassventil 14, 15.
Der Kolben, welcher mittels konventioneller Mittel gegen das Pumpengehäuse abgedichtet ist, wird durch ein erstes und zweites Piezostellelement 21 , 22 derart bewegt, dass eine Teilkammer vergrößert wird, während die andere Teilkammer gleichzeitig im Volumen verkleinert wird. So vergrößert sich beispielsweise die linke Teilkammer, wenn der Kolben in der Figur nach rechts bewegt wird. Hierbei ist das Einlassventil 12 geöffnet und das Auslassventil 14 geschlossen, während das Einlassventil 13 geschlossen und das Auslassventil 15 geöffnet ist. Somit wird Flüssigkeit in die linke Teilkammer gesaugt, während durch die Kompression in der rechten Teilkammer und durch die Ventilstellung die dort enthaltene Flüssigkeit herausgedrückt, also gepumpt wird. Bei einer umgekehrten Bewegung des Kolbens 20 werden die offenen Ventile geschlossen und die geschlossenen Ventile geöffnet, wodurch die zuerst in die linke Teilkammer gesaugte Flüssigkeit nun herausgepumpt wird, während sich die rechte Teilkammer wieder füllt. Die verschiedenenen Zugangsleitungen können dabei von einer Zentralleitung versorgt werden, genauso, wie die gepumpte Flüssigkeit in einer Gesamtleitung vereinigt werden kann. Hierdurch ist gewährleistet, dass durch jede Bewegung des Kolbens 20 ein Pumpvorgang durchgeführt wird.
Die Bewegung des Kolbens 20 in der Pumpenkammer 10 wird durch ein erstes Piezostellelement 21 und ein zweites Piezostellelement 22 gewährleistet. Dabei sind die Piezostellelemente 21 , 22 mit ihrem Hub quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens 20 eingebaut. Die Umsetzung der Bewegungsrichtung erfolgt dabei über einen ersten und einen zweiten Verstärkungsrahmen 21a, 22a. Derartige Verstär- kungsrahmen bestehen beispielsweise aus massiven Rahmenteilen, die ein Achteck bilden, bei denen an zwei gegenüberliegenden Seiten die Kraft des Piezostellelements angreift, wobei die Rahmenteile an den Ecken des Achtecks über Biegeelemente flexibel ausgestaltet sind.
Eine Hubbewegung des ersten Piezostellelements 21 bewirkt dabei eine Streckung des Rahmens in Richtung des Hubs und somit eine Zugbewegung am Kolben 20, wodurch der zweite Verstärkungsrahmen 22a entlang der Bewegungsrichtung des Kolbens 20 gedehnt und das zweite Piezostellelement 22 gestaucht wird. Auf diese Weise sind die Piezostellelemente 21, 22 vorgespannt und werden bei der Rückbewegung nicht auf Zug belastet. Bei den Einlassventilen 12, 13 und den Auslassventilen 14, 15 handelt es sich um passive Ventile, nach dem Feder- Masse-Prinzip. Hierbei ist das Verschlussteil des Ventils (nicht dargestellt) an eine mit einer charakteristischen Frequenz schwingende Feder-Masse-Komponente gekoppelt. Diese Frequenz ist dabei auf die Frequenz der Piezostellelemente abgestimmt, so dass möglichst geringe Schalt- bzw. Öffnungs- oder Schließzeiten entstehen.

Claims

Patentansprüche
1. Flussigkeitspumpe (1 ) aus einem eine Pumpenkammer (10) umschließenden Pumpengehäuse (11) mit in der Pumpenkammer (10) einen Kolben (20) bewegenden Piezostellelementen (21 ,22) und derart angebrachten Einlassventilen (12, 13) und Auslassventilen (14, 15), dass die Flussigkeitspumpe (1) bei jeder Bewegung des Kolbens (20) einen Pumpeffekt durchführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21 , 22) quer zur Bewegungsrichtung des Kolbens
(20) mit Verstärkerrahmen (21h, 22a) zur Umsetzung des Hubs der Piezostellemente (21 , 22) angeordnet sind.
2. Flussigkeitspumpe (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21 ,22) in einer Gegenspieleranordnung platziert sind und über das Pumpengehäuse (11 ) vorgespannt sind.
3. Flussigkeitspumpe (1) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Piezostellelemente (21 ,22) in ihrer Resonanzfrequenz schwingen.
4. Flussigkeitspumpe (1 ) nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassventile (12,13) und Auslassventile (14,15) passive Ventile sind.
5. Flussigkeitspumpe (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die passiven Ventile auf die Frequenz der Piezostellelemente (21 ,22) abgestimmte Feder-Masse-Schwinger sind.
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