SE508435C2 - Förträngningspump av membranpumptyp - Google Patents

Description

50 10 15 20 25 30 35 8 435 Som exempel på sådana nackdelar kan nämnas alltför höga tryckfall över backventilerna och risk för förslitnings- och 2 Utmattnifl9SSkad°f På ventilernas rörliga, strömningsförhind- rande element, vilket kan medföra reducerad livslängd och minskad tillförlitlighet hos pumpen. När det gäller pumpning av speciellt känsliga fluider, främst vätskor, finns också risken att de rörliga ventilelementen kan skada fluiden eller påverka dess egenskaper ogynnsamt. gpgfiingingens ändamål För ovannämnda tillämpningar och speciella användningsområden föreligger alltså ett uttalat behov av pumpar som helt saknar rörliga delar, såsom backventiler, eller endast har extremt få sådana rörliga delar.

Det primära ändamålet med föreliggande uppfinning är därför att åstadkomma en förträngningspump av det inledningsvis angivna slaget, vilken kan utföras helt utan ventiler i fluidinloppet och/eller fluidutloppet.

Pumpen skall vara en fluidpump som kan användas och optimeras för pumpning av såväl vätskor som gaser. Den skall också kunna användas för pumpning av fluider innehållande fluid- burna partiklar, t.ex. vätskor som innehåller fasta partik- lar. e ö e se för u 'nnin en Ovannämnda ändamål uppnås enligt uppfinningen därigenom att fluidinloppet och fluidutloppet vardera innefattar ett orörligt nmnstyckselemnt, vil- ket utgör en dysa i sin ena genomströmningsriktning och en diffusor i sin ncmsatta, andra gencnströningsriktning, varvid tryckfallet över elemen- tet âr större i dysriktningen än i diffusorriktningen för ett och sanna volymflöde, och att munstyckselementen är så inriktade att de bildar dif- fusorer sett i riktningen för pumpens nettovolymflöde från fluidinloppet till fluidutloppet.

Det för den nya typen av förträngningspump speciellt utmär- kande är alltså att munstyckselement med "fast" geometri 10 15 20 25 30 35 a 508 435 används i stället för den eller de backventiler som återfinns vid förut kända typer av exempelvis membranpumpar.

Vidareutvecklade och föredragna utföringsformer av förträng- ningspumpen enligt krav 1 kan också uppvisa de särdrag som framgår av de osjälvständiga kraven 2-9.

För pumpen enligt uppfinningen gäller helt allmänt att vägg- partiet, som genom sin rörelse och/eller formändring åstad- kommer varieringen av pumpkammarvolymen, lämpligen kan vara elastiskt i sig (d.v.s. självt kan svara för sin fjädring), men det är också fullt möjligt att i stället använda ett plastiskt deformerbart väggparti vartill är kopplat en fjäder eller fjädrande anordning, som då svarar för väggpartiets återföring (återgångsrörelse). Väggpartiet skulle till och med kunna vara ändytan av en fram- och återgående stel kolv.

En pump enligt uppfinningen kan tillverkas av metall, poly- mermaterial, kisel eller annat lämpligt material.

I praktiken är det lämpligt att såväl fluidinloppet som fluidutloppet bildas av var sitt munstyckselement av det angivna slaget. Såväl munstyckselementet vid fluidinloppet som munstyckselementet vid fluidutloppet är företrädesvis så anordnat att dess diffusorriktning överensstämmer med flödes- riktningen för det pulserande volymflödet från fluidinloppet till fluidutloppet.

Helt allmänt kan sägas att uppfinningens förträngningspump erhåller sin flödesriktande verkan genom att den valda typen av munstyckselement uppvisar lägre tryckförluster när ele- mentet fungerar som diffusor än när det fungerar såsom dysa.

I detta sammanhang kan påpekas att med diffusor avses ett strömningspåverkande don eller organ som omvandlar kinetisk energi hos en strömmande fluid till tryckenergi hos fluiden.

En dysa är i sin tur ett don eller ett organ som under ut- nyttjande av en tryckdifferens (över dysan) omvandlar tryck- energi hos den strömmande fluiden till kinetisk energi. 10 15 20 25 30 35 508 435 4 Under förträngningspumpens insugningsfas (då pumpkammarvoly- men ökar) fungerar alltså det uppfinningsmässiga munstycks- elementet på pumpens inloppssida såsom diffusor med lägre flödesmotstånd än det på pumpens utloppssida såsom dysa samtidigt fungerande uppfinningsmässiga munstyckselementet.

Härav följer att en större fluidvolym insuges i pumpkammaren via inloppsdiffusorn än via utloppsdysan under nämnda insug- ningsfas. Under pumpens därpå följande förträngningsfas (“pumpfas") kommer munstyckselementet på inloppssidan i stället att fungera såsom dysa med högre flödesmotstånd än det såsom diffusor samtidigt fungerande munstyckselementet på pumpens utloppssida. Detta medför att en större fluidvolym tvingas ut ur pumpkammaren via utloppsdiffusorn än via in- loppsdysan under sistnämnda förträngnings- eller pumpfas.

Resultatet under en hel period (arbetscykel för pumpen) blir därigenom att en nettovolym har förflyttats genom pumpen, d.v.s. pumpats, från inloppssidan till utloppssidan, trots att de båda munstyckselementen i och för sig tillåter fluid- flöde i sina båda möjliga genomströmningsriktningar.

Munstyckselementen vid pumpkammarens inlopp och utlopp bör företrädesvis vara så inriktade att elementens diffusorrikt- ningar överensstämmer med flödesriktningen för det pulserande volymflödet, från fluidinloppet till fluidutloppet. Pumpkam- marens elastiskt deformerbara väggparti utgörs lämpligen av ett eller flera flexibla membran vars rörelse och formändring åstadkommes medelst lämpliga drivorgan som bibringar membra- net/membranen en oscillerande rörelse som får den i pumpkam- maren inneslutna fluidvolymen att pulsera. Ett sådant driv- organ kan exempelvis utgöra del av en drivenhet som arbetar med på piezoelektrisk, elektrostatisk, elektromagnetisk eller elektrodynamisk väg åstadkommen drivning. Det är också möj- ligt att använda termiskt exciterade membran.

Själva pumphuset med tillhörande munstyckselement kan utföras så att de utgör integrerade delar av ett odelat konstruk- tionsstycke. Förträngningspumpen enligt uppfinningen kan 10 15 20 25 30 35 s 508 435 också tillverkas genom ett mikrobearbetningsförfarande; pumpkonstruktionen kan exempelvis vara tillverkad av kisel.

En pump enligt uppfinningen kan lämpligen tillverkas med hjälp av mikrobearbetningsmetoder, i synnerhet om pumpen ges ett planart utförande där munstyckselement och kavitet ligger i ett och samma plan. Munstyckselementen bör då vara plana, d.v.s. ha ett rektangulärt tvärsnitt.

Med mikrobearbetningsmetoder avses huvudsakligen de tekniker som används vid framställning av mikroelektronikkomponenter.

Detta tillverkningskoncept består i att utifrån ett bassubst- rat (vanligtvis av monokristallint kisel) tillsammans med planar, litografiskt definierad, tunnfilmsteknologi massfram- ställa små identiskt lika komponenter med avancerade funktio- ner. I mikrobearbetningsbegreppet inrymmes även olika spe- cialprocesser som exempelvis anisotrop kiseletsning av mono- kristallint kisel.

Som exempel på lämpliga billiga massframställningsmetoder kan också nämnas olika slag av förfaranden för formgjutning av munstyckselement och kavitet. Tänkbara lämpliga material är olika typer av polymermaterial, såsom plaster och elaster.

Förträngningspumpen enligt uppfinningen kan - i likhet med konventionella membranpumpar - förses med tryckutjämnande buffertkamrar såväl vid pumpens trycksida som vid dess sug- sida. Med sådana buffertkamrar kan tryckpulserna hos det pulserande flödet reduceras i betydande utsträckning.

De ovan angivna ändamålen uppnås effektivt med en förträng- ningspump enligt uppfinningen i första hand därför att den nya pumpkonstruktionen inte behöver ha några rörliga delar varigenom pumpen kan göras enkel och robust och därmed säker- ställa hög tillförlitlighet. Pumpen enligt uppfinningen kan optimeras för pumpning av antingen gas eller vätska, och densamma kan få innehålla fluidburna partiklar utan att detta äventyrar pumpens funktion eller tillförlitlighet. 10 15 20 25 30 35 508 435 6 En förträngningspump enligt föreliggande uppfinning kan utan tvekan komma till användning inom ett flertal tillämpnings- områden. Som exempel på tänkbara sådana kan nämnas användande av pumpen såsom bränslepump eller bränsleinsprutare vid vissa typer av förbränningsmotorer. Speciellt vid tillämpningar som kräver en pump med hög tillförlitlighet och ringa storlek kan en pump enligt uppfinningen vara mycket lämplig. Som ett exempel på en sådan användning kan nämnas inplanterbara pumpar för exempelvis insulindosering. Även fluidhantering i analysinstrument för den kemiska industrin och medicinska tillämpningar kan med fördel ske med en pump enligt uppfin- ningen.

Kort beskrivning av ritningsfigurerna Uppfinningen kommer nu att förklaras ytterligare nedan och exemplifieras under hänvisning till några på de bifogade ritningarna visade utföringsexempel.

Därvid visar: fig. la och fig. lb insugningsfasen respektive pumpfasen för ett schematiskt visat principutförande av en pump enligt uppfinningen, sedd i vertikalsnitt; fig. 2a och fig. 2b visar tvärsnitt genom en konventionell, backventilförsedd membranpump i dess insugningsfas respektive pumpfas; fig. 3a och fig. 3b visar i längdsnitt ett munstyckselement enligt uppfinningen när detsamma genomströmmas i sin diffu- sorriktning respektive dysariktning; fig. 4 visar i diametralt tvärsnitt en första utföringsform av en pump enligt uppfinningen; fig. 5 visar i tvärsnitt och perspektivisk framställning en annan utföringsform av en pump enligt uppfinningen; fig. 6 visar i tvärsnitt en tredje utföringsform av en pump enligt uppfinningen; fig. 7 visar, i större skala, det munstyckselement som är anordnat på inloppssidan (inom cirkeln S) av den i fig. 6 visade pumpen; och 10 15 20 25 35 7 sus 435 fig. 8 visar slutligen schematiskt och i perspektiv en planart utförd pump vars munstyckselement uppvisar rektangu- lära tvärsnitt.

Beskrivning av utföringsexempel I fig. la, lb visas schematiskt ett tvärsnitt genom en såsom membranpump utförd förträngningspump enligt uppfinningen.

Pumpen omfattar ett pumphus 2 med en invändig pumpkammare 4 vilken har varierbar volym och vilkens begränsningsväggar omfattar ett elastiskt deformerbart väggparti 6 som i det visade utförandet är ett flexibelt membran. Membranväggpar- tiets 6 omväxlande utböjning (fig. la) och intryckning (fig. lb) medför variering av pumpkammarvolymen och åstadkommer därigenom pumpens förträngningsverkan. På pumpens sugsida finns ett fluidinlopp 8 och på pumpens trycksida finns ett motsvarande fluidutlopp 10. Såväl fluidinloppet 8 som fluid- utloppet 10 omfattar ett munstyckselement 12 som är så ut- format och dimensionerat att det för samma volymflöde upp- visar större tryckfall i den ena genomströmningsriktningen (dysariktningen) än i den motsatta, andra genomströmnings- riktningen (diffusorriktningen). Munstyckselementen 12 vid pumpens inloppssida (sugsida) och utloppssida (trycksida) skiljer sig således endast i så måtto att de är omvänt an- slutna till pumpkammaren 4. I fig. la visas pumpen under sin insugningsfas då membranväggpartiet 6 utböjes i riktningen A med ty åtföljande ökning av pumpkammarens 4 volym. I fig. lb visas pumpen under sin pumpfas eller förträngningsfas när väggpartiet 6 intryckes i riktningen B med ty åtföljande minskning av kammarens 4 volym. In- och utflödet av den pumpade fluiden vid pumpens inlopp och utlopp har åskådlig- gjorts med fyllda pilar Qi och Qo under insugningsfasen (fig. la) respektive pumpfasen (fig. lb). Under insugningsfasen åstadkommer munstyckselementet 12 vid inloppet 8 en diffusor- verkan samtidigt som munstyckselementet 12 vid utloppet 10 åstadkommer en dysaverkan. Under pumpfasen åstadkommer mun- styckselementet 12 vid inloppet en dysaverkan medan mun- styckselementet 12 vid utloppet åstadkommer en diffusorver- kan. Under en komplett pumpcykel (insugningsfas + pumpfas) 10 15 20 25 30 35 508 435 8 åstadkommer pumpen alltså ett nettoflöde från inloppet 8 till utloppet 10.

I fig. 2a och 2b visas för jämförelses skull en konventionell membranpump 14 med passiva klaff-backventiler 16, 18 i inlop- pet 8' respektive utloppet 10'. Dessa backventiler är passivt arbetande klaffventiler som omställes mellan öppet och stängt läge enbart av den pumpade fluidens rörelse och tryck, om man bortser från tyngdkraftens inverkan på ventilklaffarna. Under insugningsfasen (fig. 2a) när kammarens 4 volym ökar är ventilen 16 öppen och ventilen 18 stängd. Under pumpfasen (fig. 2b) då kammarens 4 volym minskar är backventilen 16 stängd och backventilen 18 öppen.

I fig. 3a och 3b visas ett exempel på ett munstyckselement 12 enligt uppfinningen när detsamma genomströmmas i sin diffu- sorriktning (fig. 3a) respektive dysariktning (fig. 3b).

Munstyckselementet 12 är som synes utfört såsom en rotations- symmetrisk kropp 20 med central genomströmningspassage 22.

Genomströmningspassagen 22 sträcker sig från ett inlopps- område 24 till ett utloppsområde 26. I fig. 3a utgör passagen 22 ett diffusorområde, medan passagen 22 i fig. 3b utgör ett dysaområde. I det sistnämnda fallet utgörs inloppsområdet av den koniska mynningen 28 till passagen 22, medan utloppsområ- det utgörs av passagens andra ändområde 30, d.v.s. den om- kastade situationen jämfört med den i fig. 3a visade.

Hänvisning sker nu till fig. 4 som visar en membranpump enligt uppfinningen. Pumphuset 2 utgörs i detta fall av en cirkulär skiva eller platta med en grund, cirkulär urtagning 32 som bildar pumpkammaren 4 i huset 2. Vid botten av urtag- ningen 32 finns dels en huset 2 genomgående inloppsöppning 34, dels en huset genomgående utloppsöppning 36. Vid under- sidan 38 av huset 2 är fastlimmade munstyckselement 12 mitt för inloppsöppningen 34 respektive utloppsöppningen 36. De båda munstyckselementen 12 utgör alltså pumpens fluidinlopp 8 och fluidutlopp 10. Vid ovansidan 40 av huset 2 är pumpkamma- ren 4 tillsluten medelst pumpens deformerbara väggparti 6, som är ett på pumphuset 2 fäst flexibelt membran. Mitt över 10 15 20 30 35 9 sus 435 pumpkammaren 4 är på membranets 6 utsida fäst en piezoelekt- risk kristallskiva 42 som utgör det drivorgan varmed membra- net 6 kan bibringas en oscillerande rörelse, som får den i pumpkammaren 4 inneslutna fluidvolymen att pulsera. Skivan eller drivorganet 42 utgör i detta fall del av en i övrigt inte närmare visad drivenhet som arbetar med på piezoelekt- risk väg alstrad drivning av väggpartiet 6. I princip för- sättes väggpartiet eller membranet 6 i svängning genom att en alternerande elektrisk spänning pålägges över den på membra- net exempelvis fastlimmade piezoelektriska kristallskivan 42.

Den för pumpens drivning lämpliga exciteringsfrekvensen för den piezoelektriska skivan 42 blir beroende av om den pumpade fluiden är en gas eller vätska. Vid en provad pumpprototyp visade sig en exciteringsfrekvens av storleksordningen 6 kHz vara lämplig för pumpning av luft, medan frekvensen 200 Hz visade sig vara lämplig för pumpning av vatten.

I fig. 5 visas en något annorlunda utföringsform av en för- trängningspump enligt uppfinningen. Den principiella skillna- den mellan utförandena enligt fig. 4 och fig. 5 hänför sig till placeringen och inriktningen av munstyckselementen 12 som bildar pumpens fluidinlopp 8 och fluidutlopp 10. Vid utförandet i fig. 5 ansluter munstyckselementen 12 radiellt och diametralt motstående till pumphuset 2. Elementens 12 centrala genomströmningspassager 22 står i detta fall i förbindelse med pumpkammaren 4 via radiella öppningar 44 och 46 vid pumpens inlopp 8 respektive utlopp 12.

I fig. 6 visas slutligen ett ytterligare utförande av en membranpump enligt uppfinningen. Pumpens hus 2 är i detta fall utfört såsom en cirkulär tryckdosa omfattande en övre del 48 och en undre del 50 med plana ändväggar 52 respektive 54 och cylindriska mantelväggar 56 respektive 58. Mantelväg- garna 56 och 58 ansluter från motsatta sidor till det ra- diellt yttersta kantpartiet av en membranvägg 60 av magne- tiskt material, vilken tillsammans med ändväggen 54 och mantelväggen 58 begränsar pumpkammaren 4 inom pumpens undre del 50. Inom pumpens övre del 48 finns en kammare 62 som inrymmer en elektromagnetisk drivenhet 64 varmed membran- 10 15 20 25 30 35 sus 435 m väggen 60 kan bibringas den oscillerande rörelse som krävs för pumpens drivning. Pumpens båda munstyckselement 12 är i detta fall monterade på i princip samma sätt som vid det i fig. 4 visade utförandet.

I fig. 7 visas i större skala det inom cirkeln S i fig. 6 visade fluidinloppet 8. Munstyckselementets 12 genomström- ningspassage 22 är i detta fall en svagt konisk kanal med "toppvinkeln" 26 = 5,4°.

Avslutningsvis skall framhållas att det finns två huvudtyper av diffusorgeometrier, nämligen konisk och planväggig, som kan användas för en pump enligt uppfinningen.

En konisk diffusor har ett ökande cirkulärt tvärsnitt, medan en plan diffusor har ett rektangulärt tvärsnitt med fyra plana väggar, varav två är parallella. De båda diffusor- typerna uppvisar ungefär samma diffusorkapacitet. Valet av diffusortyp för pumpen enligt uppfinningen är därför i prak- tiken närmast beroende på valet av tillverkningsförfarande.

I fig. 8 visas en för mikrobearbetningsförfaranden speciellt lämpad, planart utförd pump där munstyckselementen 12 är integrerade i ett och samma konstruktionsstycke som också utgör det pumpkammaren 4 på fyra sidor omgivande pumphuset 2.

Pumpkammaren 4 begränsas givetvis också av en övre respektive undre sidovägg, men i fig. 8 visas för enkelhets skull endast den övre sídoväggen som är betecknad 66, och som i figuren visas avlyft från pumphuset 2. En av dessa sidoväggar utgör pumpens rörliga/deformerbara väggparti.

Slutligen bör framhållas att uppfinningen självfallet inom ramen för nedanstående patentkrav kan ges många varierande utföranden som i olika hänseenden skiljer sig från de utfö- ringsformer som beskrivits ovan under hänvisning till rit- ningsfigurerna.

Claims (7)

10 15 20 25 30 08 435 H 5 Patentkrav

1. Förträngriingspump med ett pumphus (2) innehållande en pumpkamrnare (4) med varierbar volym, vilken pumpkannnares begränsningsväggar innefattar åtminstone ett rörligt och/eller deformerbart väggparti (6; 60) såsom ett flexibelt membran vars rörelse och formändring medför variering av pumpkammarvolymen och därigenom åstadkommer för- trängningsverkan, och vilken pumpkammare (4) är försedd med ett fluidinlopp (8) på pum- av att pens sugsida och ett fluidutlopp (10) på dess trycksida, k ä n n e t e c k n a d fluidinloppet (8) och fluidutloppet (10) vardera innefattar ett orörligt munstyckselement 7 (12), vilket utgör en dysa i sin ena genomströmningsriktning och en diffusor i sin motsatta, andra genomströrruiingsriktriing, varvid tryckfallet över elementet (12) är större i dysrikt- ningen än i diffusorriktriingen för ett och samma volymflöde, och att munstyckselementen (12) är så inriktade att de bildar diffusorer sett i riktningen för pumpens nettovolymflöde från fluidinloppet (8) till fluidutloppet (10).

2. Pump enligt krav Il, k ä n n e t e c k n a d av att munstyckselementen (12) uppvisar en rundad utformning av sina ingångsorriråden.

3. Pump enligt krav 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a d av att pumpkammarens (4) elastiskt deformerbara väggparti (6; 60) utgöres av ett eller flera flexibla membran, varvid till respektive membran är anslutet ett diivorgan (42) varmed membranet kan bibringas en oscillerande rörelse som får den i pumpkarnmaren (4) inneslutna fluidvolymen att pulsera.

4. Pump enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att drivorganet (42) utgör del av en drivenhet (64) varvid den av drivenheten (64) åstadkomna svängningsfrekvensen för mem- branets (60) oscillerande rörelse är vald att ge mekanisk svängningsresonans som är beroende av dels mekanisk fjädring i det oscillerande membranet (60) samt eventuella till membranet kopplade fjädrande element, dels den pumpade fluidens massa i respektive munstyckselement (12) med tillhörande tilledningar.

5. Pump enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att åtminstone del av pumphuset (2) och tillhörande munstyckselement (12) utgör integrerade delar av ett och samma konstruktionsstycke.

6. Pump enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att den utgör en medelst ett mikrobearbetningsförfarande tillverkad pumpkonstruktion av kisel.

7. Pump enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att på purnpens tryck- och/eller sugsida är inkopplad(e) i och för sig förut kända tryckutjärnnande buffertkain- rar, som tjänar till att reducera tryckpulsema hos det pulserande flödet.