WO2005033523A1 - Method and device for conveying media - Google Patents

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WO2005033523A1
WO2005033523A1 PCT/EP2004/010964 EP2004010964W WO2005033523A1 WO 2005033523 A1 WO2005033523 A1 WO 2005033523A1 EP 2004010964 W EP2004010964 W EP 2004010964W WO 2005033523 A1 WO2005033523 A1 WO 2005033523A1
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WO
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membrane
wave
conveying
elastically deformable
membranes
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Application number
PCT/EP2004/010964
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German (de)
French (fr)
Inventor
Georg Korfmacher
Original Assignee
Georg Korfmacher
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04FPUMPING OF FLUID BY DIRECT CONTACT OF ANOTHER FLUID OR BY USING INERTIA OF FLUID TO BE PUMPED; SIPHONS
    • F04F7/00Pumps displacing fluids by using inertia thereof, e.g. by generating vibrations therein
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/1215Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action having no backing plate (deforming of the tube only by rollers)
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04BPOSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B43/00Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members
    • F04B43/12Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action
    • F04B43/1223Machines, pumps, or pumping installations having flexible working members having peristaltic action the actuating elements, e.g. rollers, moving in a straight line during squeezing

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for conveying media, comprising a conveying chamber with an inlet and an outlet, a wall element at least partially delimiting the conveying chamber from an elastically deformable material that can continue to perform undulating movements, and a drive for the generation of the wavy movements of the elastically deformable wall element.
  • Pumps of this type are widely known, in particular diaphragm pumps, so-called pendulum piston diaphragm pumps, finger pumps and peristaltic pumps.
  • DE 637586 describes a device for conveying media of the type mentioned in the introduction, in which a drive acting on the elastically flexible wall part has an eccentric shaft with a large number of frame-shaped pressure bodies. These are permanently attached to membranes, which form pumping spaces with a tubular housing. In these, the medium is pressed by the wave-shaped movement of the membranes from the entrance to the exit, i.e. it is conveyed under high pressure. This is only possible because the membranes have pressure contact with the housing walls opposite them. The arrangement and sequence of the movements of the pressure body results in
  • Membranes have a more or less graded surface profile that can only be compensated for by the flexural strength of the relatively strong rubber membrane.
  • the large number of pressure bodies also means a high oscillating mass and a very flat wave pattern in the membranes. It is therefore not possible with this type of pump to achieve waves with short periods and larger amplitudes.
  • a special type of diaphragm pump is described in DE 10146190 with an eccentric drive, in which, similar to DE 637586, a medium is conveyed by a wave-shaped movement of an elastically deformable wall.
  • the special feature of this elastically deformable wall is its bending stiffness, which is significantly stronger than the membrane material offered on the market today, e.g. from a composite body made of PTFE (polytetrafluoroethylene) and rubber and the heavy rubber membrane known from DE 637586. This bending stiffness also makes the formation of short and steep waves in the elastically deformable wall impossible.
  • Diaphragm pumps are also known as pendulum connecting rod pumps e.g. known from DE 19919908.
  • a connecting rod drive generates a wave-like movement pattern in a generally plate-shaped membrane.
  • the membrane is very rigid in its central part, while it can be deformed along its circumference.
  • the movement pattern generated in the diaphragm by the connecting rod drive with a combination of vertical stroke and eccentric-related tilting movement is a very complex, forced wave form with, in addition, very heterogeneous pressure and flow profiles in the delivery space formed between the diaphragm and the housing cover. In particular, it is not possible to generate uniform waves with a pronounced wave profile in the membrane.
  • the pumping is effected in that the cross-section of an elastically deformable tube which is guided in a shaped channel is greatly reduced or squeezed by pressure rollers, the pinch point running over a certain distance of the tube length due to the pressure rollers moving.
  • the pressure of the rollers leads to a pronounced frog-mouth-like deformation of the round tube cross-section with the associated crushing loads on the medium and the particles in it.
  • pump performance and protection of the medium If the pump output is good to high, the undesirable squeezing of the medium is very high; if the pump output is gentle and the frog's mouth is not completely squeezed, the pump delivery rate is inadequate with correspondingly high energy losses.
  • an elastically deformable tube is also acted upon in the longitudinal direction by plungers (fingers) acting one after the other on the tube, so that frog-like cross-sectional changes follow one another in the entire tube.
  • the bending stiffness prevents the formation a harmonic vibration with the shortest possible period and with the movement pattern necessary for the creation of an effective flow.
  • these pumps also only achieve their best efficiency when the wave crests touch the opposite chamber wall. This also leads to undesirable crushing of the medium at the contact points between the wave crests and the chamber wall.
  • the object of the invention is to propose a method and a pump for carrying it out, in which the conveying of the medium is brought about by generating an essentially uniform pipe flow, so that a media-specific, essentially vortex-free and thus gentle pumping is made possible, clumping and / or destruction of the particles suspended in the medium are largely avoided.
  • the invention is essentially based on the so-called Strouhal parameter, which, in contrast to displacement and other flow machines, is based on an optimal ratio of amplitude and frequency of a wave movement.
  • the above-mentioned equation is used by the invention in that it keeps the frequency as low as possible with the aim of a flow that is as turbulent as possible and at the same time makes the amplitude large because the frequency represents a major cause of turbulent flows.
  • the factor S t described above also plays an important role here. In fluid mechanics, this factor is known as the so-called Strouhal number. If one now knows the optimal value for the Strouhal number S t , then according to the invention, the amplitude of the wave can be optimally determined for a given V and the lowest possible frequency. Science has confirmed that the Strouhal number for the optimal energy yield in fish and birds that move over longer distances is 0.3. It seems to be an evolutionary optimum that applies across the universe.
  • the invention provides for the wave movement for optimal energy gi yield to be calculated with the Strouhal number 0.3 and thus to achieve a delivery rate with optimal energy yield.
  • the invention also differs from current turbomachines in the form of centrifuges.
  • current turbomachines in the form of centrifuges.
  • the method according to the invention and the device for carrying it out essentially represent a turbomachine, which in this respect stands out clearly from displacement machines and, at the same time, also has the advantage over conventional turbomachines of being able to convey relatively large volumes at low frequencies.
  • the device for carrying out the method according to the invention has means for setting the amplitude and frequency of the advancing wave.
  • the means for changing the frequency comprise an adjusting device for the drive speed of the drive means actuating the membrane.
  • This can e.g. be an adjustable speed motor.
  • the means for changing the amplitude comprise an adjusting device for changing e.g. the eccentric stroke of the eccentrics acting on the membrane on a drive shaft.
  • This can e.g. be a backdrop on which the center distance of the eccentric relative to its drive shaft can be adjusted.
  • Another object of the invention is to generate wave movements with the shortest possible wavelength and at the same time high amplitude in the membrane.
  • the optimal Strouhal number according to the invention it is possible to achieve high delivery rates with comparatively low frequencies and thus to remain in the forced flow in the range of controlled Reynolds numbers.
  • With short wavelengths it is possible to construct short machines.
  • the invention proposes in pumps of the type mentioned at the outset that in the membrane forming at least part of the delivery chamber wall, a continuously progressing and essentially harmonic wave movement is generated in the conveying direction, which flows in the medium in the direction of the progressive wave movement of the membrane forces.
  • the elastically deformable membrane has a support body that allows waveforms.
  • the support body is preferably a permanently elastic deformable foam body, so that seamless changes in shape during the wave movement are possible in the membrane.
  • Figure 1 is a schematic view of wave formation in a pump according to the invention
  • Fig. 2 is a schematic longitudinal sectional view of a pump according to the invention.
  • FIG. 3 shows schematic cross-sectional views of possible embodiments of a pump according to the invention
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of a pump according to the invention in another embodiment
  • 5 schematically shows a longitudinal sectional view of a pump according to the invention in a boxer design
  • FIG. 6 shows a cross section through a membrane according to the invention in an embodiment of the pump according to FIG. 5.
  • Fig. 7 shows a cross section through a pump according to the invention with three prismatically arranged delivery spaces and a central, common drive for all membranes.
  • a continuing natural or essentially harmonic waveform is formed in at least part of the wall section of the delivery chamber forming the delivery chamber wall, which wave moves continuously or pulsating in one direction by a corresponding drive.
  • the medium is carried in the direction of the wave movement, so that a flow is formed between the inlet and outlet of the device.
  • the desired waveform is determined by the number and arrangement of the exciters, for example five eccentrics 1, 2, 3, 4 and 1 'in the case shown. for a full wave.
  • the number and type of suggestions are arbitrary. Eccentric waves are possible as well as excitation by magnets, piezo fibers, giant magnet resistance etc. It is crucial that the oscillating masses of the excitation device are kept as small as possible.
  • Fig. 2 shows schematically in partial longitudinal section an inventive device.
  • a delivery chamber 4 with an inlet 5 and an outlet 6 is formed between a base part 2 and a cover 3.
  • At least a portion of the wall delimiting the delivery space is designed as an elastically deformable wall part.
  • a membrane 7 is arranged in the base part 2 as an elastically deformable wall part, in which a continuously progressing shaft movement in the direction of the arrow F is generated by an eccentric shaft drive 8, which is only indicated schematically here.
  • the membrane 7 is arranged in the wall in the plane of the x-axis (FIG. 1) and is acted upon by eccentrics arranged on the shaft 8 for shaping the shaft which continues continuously in the direction of the arrow F.
  • the operative connection between the eccentrics and the membrane can have a connecting rod ring or gripper which is advantageously articulated on the membrane and which slidably encompasses the assigned eccentric.
  • a sliding bearing (ball, needle or roller bearing) is preferably provided between the connecting rod ring and the eccentric, so that friction between the drive and the diaphragm is largely avoided.
  • ribs or metal inserts are provided on the drive side of the membrane 7 in a manner known per se, which support the membrane linearly in the direction transverse to the wave movement.
  • the conveying space 4 has an essentially constant cross section from its inlet 5 to its outlet 6.
  • the cross-section in the area of the sectional planes A and D can e.g. be circular, while in the active area of the conveying space 4 between the cutting planes B and C it is elliptical or racetrack-shaped (with two straight lines and two curves).
  • the various cross-sectional shapes merge seamlessly into one another. In this way and in conjunction with an appropriate waveform, turbulent flows in the delivery chamber are avoided.
  • the membrane 7 is also arranged in the cover 3 of the device 1, while the smooth wall of the delivery chamber 4 is at the bottom.
  • the device according to the invention can also be designed as a double-chamber pump, as shown schematically in cross section in FIG. 3 a in FIG. 3.
  • This embodiment of the invention has the advantage that it has a minimal number of components and is therefore particularly suitable for miniaturization.
  • the pump housing is formed from two half-shells 9 and 10, between which the membrane 7 is clamped.
  • the conveying spaces 11 and 12 thus formed have a common entrance and exit.
  • the membrane is stretched here like a sail.
  • the membrane in this embodiment preferably has embedded magnets or piezo fibers, which are excited in a manner known per se, in order to produce deformations in the membrane to form wave movements.
  • the two active delivery rooms 11 and 12 with their common entrance and exit have an overall cross-section which is essentially the same size, as described in connection with FIG. 2.
  • two opposite wall sections can also each have a membrane 15, 16 in a delivery chamber.
  • the advancing waves generated in the membranes by suitable drives 13 can run in phase or out of phase, depending on the type of flow that is to be generated in the delivery chamber.
  • the pump can work lying and standing. If the delivery chamber is particularly wide, several drivers can also be provided, as shown in dash-dot lines.
  • the device according to the invention can also be used to skim off surface layers of liquids that are loaded with particles.
  • membranes 17, 18, 19 can also be arranged in a triangle and form a prismatic delivery space 21. Rectangular or polygonal delivery cross sections are also possible, corresponding to the number of membranes provided in the delivery wall. Such polygonally arranged membranes allow the pumping of large amounts of liquid as well as liquids with heavy impurities, an uninterrupted flow being always maintained in the center of the delivery chamber.
  • at least one complete, preferably harmonic, vibration with the shortest possible period is generated in the membrane 7, 14 or the membranes 15, 16, 17, 18, 19 by the eccentric drive 8 or 13 or by magnetic or piezo elements.
  • the wave crests are preferably shaped up to their limit value.
  • the membrane When pumping sensitive media, they do not touch or only come close to the delivery chamber wall or membrane opposite the membrane, but rather leave a gap that allows the liquid to be delivered to pass freely.
  • the membrane When conveying insensitive media, the membrane can also be shaped into movement patterns such that the wave crests are in contact with the opposite wall or shaft of the delivery chamber.
  • the movement patterns in the opposing membranes it is possible for the movement patterns in the opposing membranes to run in phase in such a way that the wave crests touch and run in the conveying direction with rolling contact.
  • Such a wave pattern results from the reflection of the wave shown in FIG. 1 on the axis spanned by points 4.
  • strong currents can also be generated in the delivery space without substantially swirling the medium or putting it under pressure.
  • a flow is generated in the delivery chamber 4, 11, 12, 20, 21, which the takes liquid to be conveyed in the direction of the continuing wave, so generates a directional flow.
  • the phases of the harmonic vibrations and their movement patterns are to be coordinated in such a way that a uniform flow is preferably generated in the delivery chamber. As explained in more detail later in connection with FIG. 8.
  • a pump according to the invention is shown schematically in cross section in FIG. 4.
  • a conveying space 24 with the cross-sectional shape already described above is configured between the bottom 22 and the cover 23 of a housing. This is limited by a membrane 25 clamped between the bottom 22 and the cover 23.
  • a shaft 26 with eccentrics 27 is rotatably mounted in the bottom 22. The eccentrics 27 deform the diaphragm 25 in the dot-dash manner so that a plurality of e.g. eccentrics offset by 90 ° each time the shaft 26 rotates produce the progressive wave pattern shown in FIG. 1.
  • the transition between the membrane and the housing at the clamping point of the membrane runs almost seamlessly at such an angle that no squeezing or catching of the medium is possible at the clamping point.
  • 5 shows a possible embodiment of the invention in a boxer arrangement, with the advantage that a drive via two membranes 28 and 29 acts on two conveying spaces 30, 31 of essentially similar configuration to that described above.
  • the preferably harmonic shaft is generated by an eccentric drive, the shaft 32 of which carries a plurality of eccentrics 33.
  • the shaft 32 rotates, the desired wave-like movement pattern then arises in the membranes.
  • the two individual membranes 28, 29 are in operative connection with the eccentrics 33 in the manner described above.
  • FIG. 6 shows a special embodiment of a membrane 34 according to the invention schematically in cross section, in particular for a boxer drive.
  • the membrane 34 here has an upper membrane skin 35 and a lower membrane skin 36 made of flexibly elastic material. Between the membrane skins 35 and 36 there is an essentially cylindrical bearing chamber 37 for receiving the eccentric shaft 32, 33 and a chamber 38 which at least partially surrounds the bearing chamber 37 and which is filled with a permanent foam material such as latex or neoprene.
  • the membrane 34 has extensions 39 along its circumference, in which a wave profile 40 is formed in a manner known per se. This profile prevents loss of flex when the membrane moves.
  • the lower extensions 39 in the sense of FIG. 6 it is also possible for the lower extensions 39 in the sense of FIG. 6 to be eliminated and for the chamber 38 to have a different, suitable cross-sectional shape.
  • a membrane body that can be flexibly deformed is created. If the eccentric shaft 32, 33 is inserted into this diaphragm body, the diaphragm body deforms around it according to the pattern of the eccentric shaft.
  • the membrane skins 35, 36 and the foam body ensure that a smooth waveform is formed without discontinuities. This makes it possible, for example, to generate different wave forms with the same diaphragm body by changing the eccentric shaft.
  • such an embodiment as a boxer can also be expanded to a prismatic or polygonal arrangement of the membranes by the conveying capacity of the pump and at the same time save drive energy.
  • a prismatic configuration is shown schematically in FIG. 7.
  • three membranes 42, 43, 44 are arranged prismatically around a central drive 41. These membranes each form the bottom of delivery spaces 45, 46, 47, which are formed in a three-part housing, for example.
  • All of the exemplary embodiments have in common that in each individual delivery chamber a flow is generated by the essentially harmonic vibration with the movement pattern generated by the drive, which flow produces a uniform, i.e. essentially allows vortex-free conveying of the medium.
  • the pump power is adjusted to the medium or, e.g., by adjusting the wave amplitude, the wave frequency and / or the wavelength. when pumping blood, can be set to the performance individually specified by the patient.
  • a check or non-return valve is installed in the inlet and / or outlet of the pump, which prevents backflow and / or interrupts the pumping process in the event of a malfunction, possibly with simultaneous shutdown of the drive.
  • a device according to the invention can also be designed as a hinged pump.
  • the cover 3 is hinged to the bottom part 2. So the pump can be cleaned or serviced very easily.
  • the membrane 7 is easily accessible and flexible single-use hoses can be easily inserted or removed, while the membrane can remain permanently in the device.
  • FIG. 8 schematically shows the interaction of continuous waves formed in the membranes according to FIGS. 3b and 3c. 8a in FIG. 8, the two membranes 15, 16 are excited to continue and preferably harmonic waves in such a way that the wave crests are exactly opposite one another or even touch. So they have the same amplitude and wavelength and run in phase.
  • a volume V is enclosed between the upper membrane 15 and the lower membrane 16 in their troughs, which is conveyed in the direction of the arrow.
  • the wave crests of the opposing membranes roll against each other.
  • the medium can also be compressed if the cross section of the delivery space (4 in FIG. 2) is tapered.
  • the first shaft has contact with the counter surface, while a subsequent shaft runs at a distance from the counter surface.
  • a gap can remain between the membrane and the opposite wall of the delivery chamber in order to pump the medium in a largely gentle manner.
  • this can be done in one embodiment 3b in Fig. 3 to increase the efficiency but also happen that the upper membrane 15 is excited with respect to the lower membrane 16 - with the same amplitude and wavelength - slightly out of phase waves to progress. This creates a more or less large passage in the area of the opposing wave crests in order to avoid any squeezing of particles suspended in the medium.
  • FIG. 8d schematically shows three possible variants according to the invention, namely the wave movement of a membrane at a distance from a smooth counter surface, two membranes at a distance from one another and opposing wave crests, and two membranes at a distance from one another, one wave crest lying opposite one wave trough.
  • the delivery chamber 20 (FIGS. 3, 3b) has a sufficiently large passage in its edge regions, in which particles in suspension in the medium are not squeezed, accelerated and / or substantially swirled.
  • the formation of continued waves over the entire width of the pumping chamber favors the entrainment of the medium both in these edge areas and in the possible gap between the wave crest of the membrane and the counter surface.
  • the continued waves shown in FIG. 8 are also conceivable in an embodiment according to FIGS. 3, 3c, it being possible in particular to pump large quantities and liquids permeated with particles. (Waste water, pulp, granules)
  • the amplitude and period of the advancing waves in the upper and lower membrane are different. This can force a desired swirl in the medium.
  • the generation of the advancing waves can be pulsating or continuous. This is possible in particular when the diaphragm (s) are excited by a magnetic or piezo-electric drive, which can be tailored precisely to the desired pumping or compression. When compressing, an asymptotic clamping of the membrane will be used.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiments shown and described. Rather, it also includes other embodiments with the same result and all possible combinations from the given exemplary embodiments.
  • the invention is not necessarily restricted to slavishly adhering to the value 0.3 for the factor S. Rather, all such values are conceivable that can arise from specific circumstances or conditions.

Abstract

The invention relates to a method for conveying media, particularly liquid media, during which the medium to be conveyed is guided through a conveying space having at least one wall element, which is provided in the form of a flexibly deformable membrane. According to the invention, a wave motion, which is steadily continual in one direction and which is preferably harmonic, is generated in the membrane. This wave motion forces, in the medium, a flow in the direction of the continual wave motion. The invention also relates to a device for carrying out said method.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Fördern von Medien Method and device for conveying media
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Fördern von Me- dien, umfassend einen Förderraum mit Ein- und Ausgang, ein den Förderraum mindestens teilweise begrenzendes Wandelement aus einem elastisch verformbaren Material, das fortgesetzt wellenförmige Bewegungen ausführen kann, und einem Antrieb für die Erzeugung der wellenförmigen Bewegungen des elastisch verformbaren Wandelementes. Pumpen dieser Art sind vielfältig bekannt, wobei insbesondere Membranpumpen, sog. Pendelkolben-Membranpumpen, Fingerpumpen und Schlauchpumpen zur erwähnen sind.The invention relates to a method and a device for conveying media, comprising a conveying chamber with an inlet and an outlet, a wall element at least partially delimiting the conveying chamber from an elastically deformable material that can continue to perform undulating movements, and a drive for the generation of the wavy movements of the elastically deformable wall element. Pumps of this type are widely known, in particular diaphragm pumps, so-called pendulum piston diaphragm pumps, finger pumps and peristaltic pumps.
In der DE 637586 ist eine Vorrichtung zum Fördern von Medien der eingangs genannten Art beschrieben, bei der ein auf das elastisch nachgiebige Wandteil einwirkende Antrieb eine Ex- zenterwelle mit einer Vielzahl von rahmenförmigen Druckkörpern aufweist. Diese liegen permanent an Membranen an, die mit einem rohrförmigen Gehäuse Pumpräume bilden. In diesen wird das Medium durch die wellenförmige Bewegung der Membranen vom Eingang zum Ausgang gepresst, also unter hohem Druck gefördert. Dies ist nur möglich, weil die Membranen mit den ihnen gegenüberliegenden Gehäusewänden Druckberührung haben. Durch die Anordnung und Abfolge der Bewegungen der Druckkörper ergibt sich in denDE 637586 describes a device for conveying media of the type mentioned in the introduction, in which a drive acting on the elastically flexible wall part has an eccentric shaft with a large number of frame-shaped pressure bodies. These are permanently attached to membranes, which form pumping spaces with a tubular housing. In these, the medium is pressed by the wave-shaped movement of the membranes from the entrance to the exit, i.e. it is conveyed under high pressure. This is only possible because the membranes have pressure contact with the housing walls opposite them. The arrangement and sequence of the movements of the pressure body results in
Membranen ein mehr oder weniger gestufter Oberflächenverlauf, der nur durch die Biegefestigkeit der relativ starken Gummimembran ausgeglichen werden kann. Die Vielzahl der Druckkörper bedeutet ferner eine hohe oszillierende Masse und einen sehr flachen Wellenverlauf in den Membranen. Es ist daher bei dieser Pumpenform nicht möglich, Wellen mit kur- zen Perioden und grösseren Amplituden zu erzielen.Membranes have a more or less graded surface profile that can only be compensated for by the flexural strength of the relatively strong rubber membrane. The large number of pressure bodies also means a high oscillating mass and a very flat wave pattern in the membranes. It is therefore not possible with this type of pump to achieve waves with short periods and larger amplitudes.
Eine besondere Art von Membranpumpe ist in der DE 10146190 mit einem Exzenterantrieb beschrieben, in der ähnlich wie in DE 637586 ein Medium durch eine wellenförmige Bewegung einer elastisch verformbaren Wand gefördert wird. Das besondere Merkmal dieser elas- tisch verformbaren Wand ist ihre Biegesteifigkeit, die deutlich stärker ist als die von heute auf dem Markt angebotenem Membranmaterial z.B. aus einem Verbundkörper aus PTFE (Poly- tetrafluorethylen) und Gummi sowie der aus der DE 637586 bekannten schweren Gummimembran. Diese Biegesteifigkeit macht aber ebenfalls die Ausbildung kurzer und steiler Wellen in der elastisch verformbaren Wand unmöglich. Es sind im wesentlichen nur lange, flache Wellenformen möglich, die im Gegensatz zu der gestuften Verformung der Membran nach DE 637586 eine ebenmässige Verformung der Membran ermöglichen, weil die Membran wegen ihrer Biegesteifigkeit zwischen den verschiedenen Anregungspunkten nicht einbrechen kann. Daher bedarf es zur wirkungsvollen Förderung einer druckvollen Berührung zwischen der biegesteifen Membran und der entsprechenden Gegenfläche des Förderraumes. Es wird zwar ohne weitere Erklärung beschrieben, dass diese bekannte Pumpe auch ohne Berührung der Gegenfläche arbeiten kann, jedoch ist dann ein drastischer Abfall der Förderleistung aufgrund der flachen Wellenbewegung nicht zu vermeiden. Insbesondere bei empfindlichen Flüssigkeiten ist es ferner wegen der biegesteifen Membran, bei entsprechend kleiner Wellenamplitude und erhöhter Frequenz möglich, dass in der Flüssigkeit schwebende Teilchen ver- wirbelt, gedehnt und/oder zerrissen werden. Ferner besteht auch bei dieser Pumpe ähnlich der DE 637586 das Problem der oszillierenden Massen, weil auch hier die Membranen z.B. durch rahmenförmige Druckkörper bewegt werden.A special type of diaphragm pump is described in DE 10146190 with an eccentric drive, in which, similar to DE 637586, a medium is conveyed by a wave-shaped movement of an elastically deformable wall. The special feature of this elastically deformable wall is its bending stiffness, which is significantly stronger than the membrane material offered on the market today, e.g. from a composite body made of PTFE (polytetrafluoroethylene) and rubber and the heavy rubber membrane known from DE 637586. This bending stiffness also makes the formation of short and steep waves in the elastically deformable wall impossible. Essentially, only long, flat waveforms are possible, which, in contrast to the stepped deformation of the membrane according to DE 637586, enable the membrane to be deformed evenly because the membrane cannot collapse between the different excitation points because of its flexural rigidity. Therefore, a powerful contact between the rigid membrane and the corresponding counter surface of the delivery chamber is required for effective conveyance. Although it is described without further explanation that this known pump can also work without touching the counter surface, a drastic drop in the delivery capacity due to the flat wave movement cannot be avoided. In the case of sensitive liquids in particular, it is also possible because of the rigid membrane, with a correspondingly small wave amplitude and increased frequency, that particles floating in the liquid are swirled, stretched and / or torn. Furthermore, this pump also has the problem of oscillating masses similar to DE 637586, because here too the membranes e.g. be moved by frame-shaped pressure bodies.
Bei diesen beiden Membranpumpen besteht das Fördern also im wesentlichen darin, dass sich während des Fördervorganges ein abgegrenztes Wellental der Membran vom Einlass zum Auslass hin presst. Beide Vorveröffentlichungen lehren entweder das Durchpressen (DE 637586) oder Durchpeitschen (DE 10146190) von „Wellentaschen".With these two diaphragm pumps, the delivery essentially consists in the fact that during the delivery process a defined wave trough of the diaphragm extends from the inlet to the Outlet presses. Both prior publications teach either pressing through (DE 637586) or whipping (DE 10146190) of "shaft pockets".
Membranpumpen sind auch als sog. Pendelpleuelpumpen z.B. aus der DE 19919908 bekannt. Hier wird durch einen Pleuelantrieb in einer im allgemeinen tellerförmigen Membran ein wellenartiges Bewegungsmuster erzeugt. Die Membran ist dabei in ihrem zentralen Teil sehr biegesteif, während sie entlang ihres Umfanges verformt werden kann. Das in der Membran durch den Pleuelantrieb mit einer Kombination von vertikaler Hub- und exzenterbedingter Kippbewegung erzeugte Bewegungsmuster ist dabei eine sehr komplexe, erzwungene Wel- lenform mit darüberhinaus sehr heterogenen Druck- und Strömungsverläufen in dem zwischen der Membran und dem Gehäusedeckel gebildeten Förderraum. Es ist insbesondere nicht möglich, in der Membran gleichmässige Wellen mit einem ausgeprägten Wellenprofϊl zu erzeugen. Bei dieser bekannten Pumpe, wie auch bei der Mehrzahl der bekannten Membranpumpen, besteht ferner ein grosser Nachteil insbesondere für empfindliche Medien darin, dass die Membran asymptotisch in dem Pumpengehäuse eingespannt ist. Dadurch können sich im Medium in Schwebung befindliche Teilchen an den asymptotischen Einspannstellen verfangen, verklumpen und/oder zerquetscht werden, während sich die eher biegesteife Membran zur Förderung des Mediums flach wellenförmig bewegt.Diaphragm pumps are also known as pendulum connecting rod pumps e.g. known from DE 19919908. Here, a connecting rod drive generates a wave-like movement pattern in a generally plate-shaped membrane. The membrane is very rigid in its central part, while it can be deformed along its circumference. The movement pattern generated in the diaphragm by the connecting rod drive with a combination of vertical stroke and eccentric-related tilting movement is a very complex, forced wave form with, in addition, very heterogeneous pressure and flow profiles in the delivery space formed between the diaphragm and the housing cover. In particular, it is not possible to generate uniform waves with a pronounced wave profile in the membrane. In this known pump, as also in the majority of the known diaphragm pumps, there is also a major disadvantage, especially for sensitive media, that the diaphragm is clamped asymptotically in the pump housing. As a result, particles in suspension in the medium can get caught, clumped and / or crushed at the asymptotic clamping points, while the rather rigid membrane moves in a wave-like manner to convey the medium.
Bei Schlauchpumpen (Roller Pumpen) wird das Pumpen dadurch bewirkt, dass der Querschnitt eines in einer Formrinne geführten, elastisch verformbaren Schlauches durch Andruckrollen stark verringert bis gequetscht wird, wobei die Quetschstelle über eine gewisse Strecke der Schlauchlänge durch ein Wandern der Andruckrollen läuft. Durch den Andruck der Rollen kommt es dabei zu einer ausgeprägten froschmaulartigen Verformung des runden Schlauchquerschnittes mit damit einhergehenden Quetschbelastungen des Mediums und der darin in Schwebung befindlichen Teilchen. Auch hier kommt es zu einem Widerspruch zwischen Pumpleistung und Schonung des Mediums. Bei guter bis hoher Pumpleistung ist die unerwünschte Quetschung des Medium sehr hoch, bei schonender Pumpleistung mit nicht ganz gequetschtem Froschmaul ist die Förderleistung der Pumpe mangelhaft bei entsprechend hohen Energieverlusten.In the case of peristaltic pumps (roller pumps), the pumping is effected in that the cross-section of an elastically deformable tube which is guided in a shaped channel is greatly reduced or squeezed by pressure rollers, the pinch point running over a certain distance of the tube length due to the pressure rollers moving. The pressure of the rollers leads to a pronounced frog-mouth-like deformation of the round tube cross-section with the associated crushing loads on the medium and the particles in it. Here, too, there is a contradiction between pump performance and protection of the medium. If the pump output is good to high, the undesirable squeezing of the medium is very high; if the pump output is gentle and the frog's mouth is not completely squeezed, the pump delivery rate is inadequate with correspondingly high energy losses.
Ähnlich den Schlauchpumpen wird bei sog. Fingerpumpen ebenfalls ein elastisch verformba- rer Schlauch in Längsrichtung durch nacheinander auf den Schlauch einwirkende Stössel (Finger) beaufschlagt, so dass es zu einander nachlaufenden froschmaulartigen Querschnittsveränderungen im gesamten Schlauch kommt. (US 4482347)Similar to the peristaltic pumps, in the case of so-called finger pumps, an elastically deformable tube is also acted upon in the longitudinal direction by plungers (fingers) acting one after the other on the tube, so that frog-like cross-sectional changes follow one another in the entire tube. (US 4482347)
Bei Fingerpumpen nach dem Stand der Technik, wird im Gegensatz zur Erfindung stets der gesamte Förderraumquerschnitt verändert. Dadurch kommt es im gesamten Schlauchkörper zu erheblichen Walkbewegungen mit entsprechenden Materialermüdungen und nicht immer kontrollierbaren Verformungen. Ferner kommt es an den Stellen, an denen die Rolle bzw. die Finger auf den Schlauch auftreffen zu schlagartigen Querschnittsveränderungen mit zwangsweisen Quetschungen des Medium, die bis zur Zerstörung der typischen Konsistenz des Me- diums führen können. Bei diesen Pumpen spricht man allgemein von sog. Peristaltik-Pumpen. Dieser Begriff ist jedoch insofern irreführend, als es sich nicht um eine wandernde, ringförmige Einschnürung eines Schlauches handelt, sonder vielmehr um eine Quetschung ähnlich dem Ausstreifen eines Darmes. Bei Pumpen mit biegesteifen Membranen, seien es nun Pleuel-Pendelpumpen oder durch Exzenterwellen angetriebe Membranpumpen, verhindert die Biegesteifigkeit die Ausbildung einer harmonischen Schwingung mit möglichst kurzer Periode und mit dem für die Erzeugung einer wirkungsvollen Strömung notwendigen Bewegungsmuster. Hinzu kommt, dass auch diese Pumpen ihren besten Wirkungsgrad nur bei Berührung der Wellenberge mit der gegenüberliegenden Kammerwand aufweisen. Dadurch kommt es ebenfalls zu unerwünschten Quetschungen des Mediums an den Berührungsstellen von Wellenbergen und Kammerwand.In the case of finger pumps according to the prior art, in contrast to the invention, the entire cross section of the delivery space is always changed. This leads to considerable flexing movements in the entire tube body with corresponding material fatigue and deformations that cannot always be controlled. Furthermore, at the points where the roller or fingers hit the hose, there are abrupt cross-sectional changes with inevitable crushing of the medium, which can lead to the destruction of the typical consistency of the medium. These pumps are generally referred to as peristaltic pumps. However, this term is misleading in that it is not a wandering, ring-shaped constriction of a tube, but rather a bruise similar to the stripping of an intestine. For pumps with rigid diaphragms, be it connecting rod pendulum pumps or diaphragm pumps driven by eccentric shafts, the bending stiffness prevents the formation a harmonic vibration with the shortest possible period and with the movement pattern necessary for the creation of an effective flow. In addition, these pumps also only achieve their best efficiency when the wave crests touch the opposite chamber wall. This also leads to undesirable crushing of the medium at the contact points between the wave crests and the chamber wall.
Zu den oben näher kommentierten Vorveröffentlichungen gehören auch die aus den US Patentschriften 3229643, 3951576, 3981633, 4144001, 4715435 und 5620313 bekannten Techniken und Maschinen.The prior publications commented in more detail above also include the techniques and machines known from US Pat. Nos. 3,229,643, 3951576, 3981633, 4144001, 4715435 and 5620313.
Alle Pumptechniken der hier näher beschriebenen und oben genannten Art beruhen ausnahmslos auf dem Verdrängungsprinzip (Verdrängungsmaschinen).All pumping techniques of the type described here and mentioned above are based without exception on the displacement principle (displacement machines).
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Pumpe zu dessen Durchführung vorzu- schlagen, bei der die Förderung des Mediums durch die Erzeugung einer im wesentlichen gleichmässigen Rohrströmung bewirkt wird, so dass ein medienspezifisches, im wesentlichen verwirbelungsfreies und somit schonendes Pumpen ermöglicht wird, wobei Verklumpungen und/oder Zerstörung der im Medium in Schwebung befindlichen Teilchen weitgehend vermieden werden.The object of the invention is to propose a method and a pump for carrying it out, in which the conveying of the medium is brought about by generating an essentially uniform pipe flow, so that a media-specific, essentially vortex-free and thus gentle pumping is made possible, clumping and / or destruction of the particles suspended in the medium are largely avoided.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt das erfmdungsgemässe Verfahren vor, dass man die Amplitude und Frequenz der wellenförmigen Bewegung mit der Strömungsgeschwindigkeit des geförderten Mediums ins Verhältnis setzt. Dabei ist es vorteilhaft, wenn man die Wellenform nach der Gleichung St x V = A x F bestimmt. Dabei ist St eine noch näher zu beschreibende, dimensionslose Grosse, V die mittlere Geschwindigkeit einer Masse (hier des Mediums), A die Amplitude einer wellenförmigen Bewegung und F deren Frequenz. Während man A und F durch entsprechende Konstruktion bestimmen kann und V sich aus der Geometrie des Förderraumes und dem gewünschten Fördervolumens ergibt, wird gemäss der Erfindung die Wellenbewegung für eine optimale Energieausbeute mit St = 0,3 berechnet. Auf diese Weise er- möglicht die vorliegende Erfindung, die Wellenform in ein kontrolliertes Muster zu bringen und die Wellenform auf das zu fördernde Fluid einzustellen.To achieve this object, the method according to the invention proposes that the amplitude and frequency of the wave-shaped movement be compared with the flow velocity of the medium being conveyed. It is advantageous if the waveform is determined according to the equation S t x V = A x F. S t is a dimensionless quantity to be described in more detail below, V is the average velocity of a mass (here the medium), A is the amplitude of a wavy movement and F is its frequency. While A and F can be determined by appropriate construction and V results from the geometry of the delivery chamber and the desired delivery volume, the wave movement is calculated according to the invention for an optimal energy yield with S t = 0.3. In this way, the present invention enables the waveform to be brought into a controlled pattern and the waveform to be adjusted to the fluid to be conveyed.
Dabei geht die Erfindung im wesentlichen und im Gegensatz zu Verdrängungs- und anderen Strömungsmaschinen von dem sog. Strouhal-Parameter aus, der auf ein optimales Verhältnis von Amplitude und Frequenz einer Wellebewegung abhebt.The invention is essentially based on the so-called Strouhal parameter, which, in contrast to displacement and other flow machines, is based on an optimal ratio of amplitude and frequency of a wave movement.
Die oben bezeichnete Gleichung nutzt die Erfindung dadurch, dass sie mit dem Ziel möglichst turbulenzfreier Strömung die Frequenz möglichst niedrig hält und gleichzeitig die Amplitude gross gestaltet, weil die Frequenz eine wesentliche Ursache für turbulente Strömungen dar- stellt. Dabei spielt auch der oben bezeichnete Faktor St eine wichtige Rolle. In der Strömungsmechanik ist dieser Faktor als sog. Strouhal-Zahl bekannt. Kennt man nun den optimalem Wert für die Strouhal-Zahl St, so kann man gemäss der Erfindung bei vorgegebenem V und möglichst niedriger Frequenz die Amplitude der Welle optimal festlegen. Die Wissenschaft hat bestätigt, dass die Strouhal-Zahl für die optimale Energieausbeute bei Fischen und Vögeln, die sich über längere Strecken bewegen, bei 0,3 liegt. Es scheint sich dabei um ein evolutionäres Optimum zu handeln, das universumweit gilt.The above-mentioned equation is used by the invention in that it keeps the frequency as low as possible with the aim of a flow that is as turbulent as possible and at the same time makes the amplitude large because the frequency represents a major cause of turbulent flows. The factor S t described above also plays an important role here. In fluid mechanics, this factor is known as the so-called Strouhal number. If one now knows the optimal value for the Strouhal number S t , then according to the invention, the amplitude of the wave can be optimally determined for a given V and the lowest possible frequency. Science has confirmed that the Strouhal number for the optimal energy yield in fish and birds that move over longer distances is 0.3. It seems to be an evolutionary optimum that applies across the universe.
Da es sich bei den Wellenbewegungen gemäss der Erfindung ebenfalls um Schwingungen handelt, ist gemäss der Erfindung vorgesehen, die Wellenbewegung für eine optimale Ener- gieausbeute mit der Strouhal-Zahl 0,3 zu berechnen und somit eine Förderleistung bei optimaler Energieausbeute zu erzielen.Since the wave movements according to the invention are also vibrations, the invention provides for the wave movement for optimal energy gi yield to be calculated with the Strouhal number 0.3 and thus to achieve a delivery rate with optimal energy yield.
Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher insbesondere vorgese- hen, dass man die Amplitude mit dem Wert 0,3 für den Faktor St ermittelt.According to a preferred embodiment of the invention, provision is therefore made in particular for the amplitude to be determined with the value 0.3 for the factor S t .
Auf diese Weise unterscheidet sich die Erfindung auch von heute bekannten Strömungsmaschinen in Form von Zentrifugen. Hier ist es nur möglich, zufriedenstellende Förderleistungen dann zu erzielen, wenn die Umdrehungszahl hoch bis sehr hoch ist. Das aber bedeutet hoch turbulente Strömungen, was insbesondere bei empfindlichen Fluids zu Störungen bis hin zu Zerstörungen der Fluidstruktur fuhren kann.In this way, the invention also differs from current turbomachines in the form of centrifuges. Here it is only possible to achieve satisfactory delivery rates when the number of revolutions is high to very high. However, this means highly turbulent flows, which can lead to disturbances or even destruction of the fluid structure, particularly in the case of sensitive fluids.
Im Gegensatz dazu ist es mit dem erfindungsgemässen Verfahren möglich, relativ grosse Volumina bei relativ geringen Frequenzen zu fördern. Geringe Frequenzen wiederum bedeuten niedrige Reynolds-Zahlen, so dass man gemäss der Erfindung bei entsprechender Wahl von Amplitude und Frequenz genau jenes Strömungsverhalten einsteuem kann, das für das geförderte Fluid optimal ist. Hierbei interessieren insbesondere niedrige Reynolds-Zahlen mit im wesentlichen laminarer Strömung bis hin zu Reynolds-Zahlen im Übergangsbereich von laminarer zu turbulenter Strömung.In contrast, it is possible with the method according to the invention to deliver relatively large volumes at relatively low frequencies. Low frequencies in turn mean low Reynolds numbers, so that according to the invention, with the appropriate choice of amplitude and frequency, exactly the flow behavior that is optimal for the fluid being conveyed can be controlled. Of particular interest here are low Reynolds numbers with essentially laminar flow up to Reynolds numbers in the transition range from laminar to turbulent flow.
So stellt sich das erfϊndungsgemässe Verfahren und die Vorrichtung zu seiner Durchführung im wesentlichen als Strömungsmaschine dar, das sich insofern deutlich von Verdrängungsmaschinen abhebt und gleichzeitig auch gegenüber herkömmlichen Strömungsmaschinen den Vorteil aufweise, relativ grosse Volumina bei niedrigen Frequenzen fördern zu können.Thus, the method according to the invention and the device for carrying it out essentially represent a turbomachine, which in this respect stands out clearly from displacement machines and, at the same time, also has the advantage over conventional turbomachines of being able to convey relatively large volumes at low frequencies.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens weist Mittel für die Einstellung der Amplitude und Frequenz der fortschreitenden Welle auf.The device for carrying out the method according to the invention has means for setting the amplitude and frequency of the advancing wave.
Die Mittel zur Änderung der Frequenz umfassen gemäss der Erfindung eine Einstellvorrich- tung für die Antriebsgeschwindigkeit der die Membran betätigenden Antriebsmittel. Das kann z.B. ein in seiner Drehzahl einstellbarer Motor sein.According to the invention, the means for changing the frequency comprise an adjusting device for the drive speed of the drive means actuating the membrane. This can e.g. be an adjustable speed motor.
Die Mittel zur Änderung der Amplitude umfassen gemäss der Erfindung eine Einsteilvorrichtung zur Änderung z.B. des Exzenterhubes der die Membran beaufschlagenden Exzenter auf einer Antriebswelle. Das kann z.B. eine Kulisse sein, an der der Achsabstand des Exzenters gegenüber seiner Antriebswelle einstellbar ist.According to the invention, the means for changing the amplitude comprise an adjusting device for changing e.g. the eccentric stroke of the eccentrics acting on the membrane on a drive shaft. This can e.g. be a backdrop on which the center distance of the eccentric relative to its drive shaft can be adjusted.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, in der Membran Wellenbewegungen mit möglichst kurzer Wellenlänge und gleichzeitig hoher Amplitude zu erzeugen. Dadurch wird es bei Be- rücksichtigung der optimalen Strouhal-Zahl gemäss der Erfindung möglich mit vergleichsweise niedrigen Frequenzen hohe Förderleistung zu erzielen und somit in der erzwungenen Strömung im Bereich kontrollierter Reynolds-Zahlen zu bleiben. Durch kurze Wellenlängen ist es so möglich, kurz bauende Maschinen zu konstruieren. Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung bei Pumpen der eingangs genannten Art vor, dass man in der mindestens einen Teil der Förderraumwandung bildenden Membran eine stetig in Förderrichtung fortschreitende und im wesentlichen harmonische Wellenbewegung erzeugt, die im Medium eine Strömung in Richtung der fortschreitenden Wellenbewegung der Membran erzwingt. Dabei ist es in erster Annäherung unerheblich, wie gross der Abstand zwischen einem Wellenberg und einem diesem gegenüberliegenden Wandprofil ist, weil bei fortschreitenden Wellenbewegungen die Strömung im wesentlichen durch das optimal abgestimmte Zusammenwirken von Amplitude und Frequenz erzeugt wird._Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist in diesem Zusammenhang die bestmögliche Energieausbeute (Wirkungsgrad) bei optimaler Strouhal-Zahl._Ferner kann bei vorgegebener Förderleistung durch eine Veränderung der Amplitude und/oder der Frequenz optimal auf das zu fördernde Medium abgestellt werden. So wird es gemäss der Erfindung möglich das Strömungsverhalten insbesondere auf niedrigen aber auch auf hohen Reynolds-Zahlen und auch im Übergangsbereich dazwischen einzustel- len.Another object of the invention is to generate wave movements with the shortest possible wavelength and at the same time high amplitude in the membrane. As a result, taking into account the optimal Strouhal number according to the invention, it is possible to achieve high delivery rates with comparatively low frequencies and thus to remain in the forced flow in the range of controlled Reynolds numbers. With short wavelengths it is possible to construct short machines. To achieve this object, the invention proposes in pumps of the type mentioned at the outset that in the membrane forming at least part of the delivery chamber wall, a continuously progressing and essentially harmonic wave movement is generated in the conveying direction, which flows in the medium in the direction of the progressive wave movement of the membrane forces. In a first approximation, it is irrelevant how large the distance between a wave crest and a wall profile opposite this is, because as the waves advance, the flow is essentially generated by the optimally coordinated interaction of amplitude and frequency. A particular advantage of the invention is in this Context, the best possible energy yield (efficiency) with an optimal Strouhal number. _For a given delivery rate, the amplitude and / or frequency can also be optimally adjusted to the medium to be delivered. Thus, according to the invention, it becomes possible to set the flow behavior in particular at low but also at high Reynolds numbers and also in the transition area in between.
Vorzugsweise handelt es sich dabei um fortschreitende Wellen, die sich über nahezu die gesamte Breite des Förderraumes erstrecken. In besonders vorteilhafter Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Strömungsquerschnitt in Förderrichtung an jedem Punkt des Förderweges innerhalb der erfindungsgemässen Vorrichtung im wesentlich gleich gross ist, aber abschnittsweise übergangslos veränderbar ist. Dadurch wird eine Verwirbelung bzw. abrupte Umlenkung des Mediums beim Durchgang durch den Förderraum vermieden.These are preferably progressive waves that extend over almost the entire width of the delivery chamber. In a particularly advantageous embodiment of the invention, it is provided that the flow cross-section in the conveying direction at each point of the conveying path within the device according to the invention is essentially the same size, but can be changed in sections without a transition. This avoids turbulence or abrupt deflection of the medium as it passes through the delivery chamber.
Bei einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung weist die elastisch verformbare Membran einen Wellenformen zulassenden Stützkörper auf. Dabei ist der Stützkörper vorzugsweise ein dauerelastisch verformbarer Schaumkörper, so dass in der Membran übergangslose Formveränderungen während der Wellenbewegung möglich sind.In an advantageous embodiment of the invention, the elastically deformable membrane has a support body that allows waveforms. The support body is preferably a permanently elastic deformable foam body, so that seamless changes in shape during the wave movement are possible in the membrane.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen. In diesen Zeichnungen ist: Fig. 1 eine schematisch Ansicht einer Wellenbildung in einer Pumpe gemäss der Erfindung;Further details, features and advantages of the invention will become apparent from the following description in conjunction with the accompanying drawings. In these drawings: Figure 1 is a schematic view of wave formation in a pump according to the invention;
Fig. 2 eine schematische Längsschnittansicht einer Pumpe gemäss der Erfindung;Fig. 2 is a schematic longitudinal sectional view of a pump according to the invention;
Fig. 3 schematisch Querschnittsansichten möglicher Ausführungsformen einer Pumpe gemäss der Erfindung;3 shows schematic cross-sectional views of possible embodiments of a pump according to the invention;
Fig. 4 eine Querschnittsansicht einer Pumpe gemäss der Erfindung in einer anderen Ausfuhrungsform; Fig. 5 schematisch eine Längsschnittansicht einer Pumpe gemäss der Erfindung in Boxer- Ausführung;4 shows a cross-sectional view of a pump according to the invention in another embodiment; 5 schematically shows a longitudinal sectional view of a pump according to the invention in a boxer design;
Fig. 6 einen Querschnitt durch eine Membran gemäss der Erfindung bei einer Ausführung der Pumpe nach Fig. 5.6 shows a cross section through a membrane according to the invention in an embodiment of the pump according to FIG. 5.
Fig. 7 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Pumpe mit drei prismatisch angeordneten Förderräumen und einem zentralen, gemeinsamen Antrieb für alle Membranen.Fig. 7 shows a cross section through a pump according to the invention with three prismatically arranged delivery spaces and a central, common drive for all membranes.
Fig. 8 mögliche Wellenmuster gemäss der Erfindung, insbesondere in Verbindung mit Aus- führungsformen nach Fig. 3 (3b und 3c) Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, wird in mindestens einem Teil des die Förderraumwandung bildenden Wandabschnittes eines Förderraumes eine sich fortsetzende natürliche bzw. im wesentlichen harmonische Wellenform gebildet, die durch einen entsprechenden Antrieb stetig oder pulsierend in eine Richtung wandert. Durch diese stetig sich fortsetzenden Wel- lenbewegungen wird das Medium in Richtung der Wellenbewegung mitgeführt, so dass sich eine Strömung zwischen dem Eingang und Ausgang der Vorrichtung bildet. Die gewünschte Wellenform wird bestimmt durch die Anzahl und Anordnung der Anreger, die für den dargestellten Fall z.B. fünf Exzenter 1., 2., 3., 4. und 1'. für eine vollständige Welle sind. Anzahl und Art der Anregungen sind beliebig. Exzenterwellen sind ebenso möglich wie Anregung durch Magnete, Piezofasem, Riesen-Magnet- Widerstand u.a. Entscheidend ist, dass die oszillierenden Massen der Anregungsvorrichtung möglichst klein gehalten werden.8 possible wave patterns according to the invention, in particular in connection with embodiments according to FIG. 3 (3b and 3c) As shown schematically in FIG. 1, a continuing natural or essentially harmonic waveform is formed in at least part of the wall section of the delivery chamber forming the delivery chamber wall, which wave moves continuously or pulsating in one direction by a corresponding drive. As a result of these constantly continuing wave movements, the medium is carried in the direction of the wave movement, so that a flow is formed between the inlet and outlet of the device. The desired waveform is determined by the number and arrangement of the exciters, for example five eccentrics 1, 2, 3, 4 and 1 'in the case shown. for a full wave. The number and type of suggestions are arbitrary. Eccentric waves are possible as well as excitation by magnets, piezo fibers, giant magnet resistance etc. It is crucial that the oscillating masses of the excitation device are kept as small as possible.
Fig. 2 zeigt schematisch im Teil-Längsschnitt eine erfindungsgemässe Vorrichtung. In der Vorrichtung 1 ist zwischen einem Bodenteil 2 und einem Deckel 3 ein Förderraum 4 mit ei- nem Eingang 5 und einem Ausgang 6 ausgebildet. Mindestens eine Abschnitt der den Förderraum begrenzenden Wandung ist als elastisch verformbares Wandteil ausgebildet. Erfin- dungsgemäss ist im Bodenteil 2 als elastisch verformbares Wandteil eine Membran 7 angeordnet, in der durch einen hier nur schematisch angedeuteten Exzenterwellenantrieb 8 eine fortgesetzt fortschreitende Wellenbewegung in Richtung des Pfeiles F erzeugt wird. Die Membran 7 ist in diesem Ausfuhrungsbeispiel in der Ebene der x- Achse (Fig.l) in der Wandung angeordnet und wird von auf der Welle 8 angeordneten Exzentern zur Ausformung der sich stetig in Richtung des Pfeiles F fortsetzenden Welle beaufschlagt. Die Wirkverbindung zwischen den Exzentern und der Membran kann einen an der Membran vorteilhaft gelenkig angeordneten Pleuelring oder -greifer aufweisen, der den zugeordneten Exzenter gleitend umfasst. Dabei ist zwischen dem Pleuelring und dem Exzenter vorzugsweise eine Gleitlager (Kugel-, Nadel- oder Wälzlager) vorgesehen, so dass eine Reibung zwischen Antrieb und Membran weitgehend vermieden wird. Zur Erzeugung der Wellen, die sich im wesentlichen über die gesamte Breite des Förderraumes ausdehnen, sind an der Antriebseite der Membran 7 in an sich bekannter Weise Rippen oder Metalleinsätze vorgesehen, welche die Membran in Richtung quer zur Wellenbewegung linienförmig stützen.Fig. 2 shows schematically in partial longitudinal section an inventive device. In the device 1, a delivery chamber 4 with an inlet 5 and an outlet 6 is formed between a base part 2 and a cover 3. At least a portion of the wall delimiting the delivery space is designed as an elastically deformable wall part. According to the invention, a membrane 7 is arranged in the base part 2 as an elastically deformable wall part, in which a continuously progressing shaft movement in the direction of the arrow F is generated by an eccentric shaft drive 8, which is only indicated schematically here. In this exemplary embodiment, the membrane 7 is arranged in the wall in the plane of the x-axis (FIG. 1) and is acted upon by eccentrics arranged on the shaft 8 for shaping the shaft which continues continuously in the direction of the arrow F. The operative connection between the eccentrics and the membrane can have a connecting rod ring or gripper which is advantageously articulated on the membrane and which slidably encompasses the assigned eccentric. A sliding bearing (ball, needle or roller bearing) is preferably provided between the connecting rod ring and the eccentric, so that friction between the drive and the diaphragm is largely avoided. To generate the waves, which extend essentially over the entire width of the delivery space, ribs or metal inserts are provided on the drive side of the membrane 7 in a manner known per se, which support the membrane linearly in the direction transverse to the wave movement.
Für eine gleichmässige Strömung kann es insbesondere bei empfindlichen Flüssigkeiten (Obstsaft, Blut, Milch etc.) vorteilhaft sein, wenn der Förderraum 4 von seinem Eingang 5 bis zu seinem Ausgang 6 einen im wesentlichen gleich bleibenden Querschnitt aufweist. So kann der Querschnitt im Bereich der Schnittebenen A und D (Fig. 2) z.B. kreisförmig sein, während er im aktiven Bereich des Förderraumes 4 zwischen den Schnittebenen B und C elliptisch oder rennbahnförmig (mit zwei Geraden und zwei Kurven) ausgebildet ist. Dabei gehen die verschiedenen Querschnittsformen übergangslos ineinander über. Auf diese Weise und in Verbindung mit einer entsprechenden Wellenform werden turbulente Strömungen im Förder- räum vermieden. Es ist erfindungsgemäss ebenfalls möglich, dass die Membran 7 auch im Deckel 3 der Vorrichtung 1 angeordnet ist, während die glatte Wand des Förderraumes 4 unten liegt.For a uniform flow, it can be advantageous, in particular in the case of sensitive liquids (fruit juice, blood, milk, etc.), if the conveying space 4 has an essentially constant cross section from its inlet 5 to its outlet 6. The cross-section in the area of the sectional planes A and D (Fig. 2) can e.g. be circular, while in the active area of the conveying space 4 between the cutting planes B and C it is elliptical or racetrack-shaped (with two straight lines and two curves). The various cross-sectional shapes merge seamlessly into one another. In this way and in conjunction with an appropriate waveform, turbulent flows in the delivery chamber are avoided. It is also possible according to the invention that the membrane 7 is also arranged in the cover 3 of the device 1, while the smooth wall of the delivery chamber 4 is at the bottom.
Für schonendes Pumpen wird das am Eingang 5 angelieferte Medium zunächst in einem Wellental angesaugt, wobei der vorlaufende Wellenberg den Strömungsquerschnitt verengt. Mit der in Richtung des Pfeiles F fortschreitenden Welle wird das Medium dann mitgenommen, während oberhalb der Membran eine im wesentlichen laminare Rohrströmung erzwungen wird. Dabei ist es vorteilhaft, wenn mehrere Wellen hintereinander laufen. Zur Erhöhung der Förderkapazität kann die erfindungsgemässe Vorrichtung auch als Doppelkammer-Pumpe ausgebildet sein, wie schematisch im Querschnitt in 3a in Fig. 3 dargestellt. Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass sie eine minimale Anzahl von Bauteilen aufweist und somit besonders zur Miniaturisierung geeignet ist. Hier ist das Pumpengehäuse aus zwei Halbschalen 9 und 10 gebildet, zwischen denen die Membran 7 eingespannt ist. Die so gebildeten Förderräume 11 und 12 haben dabei einen gemeinsamen Eingang und Ausgang. Die Membran ist hier wie ein Segel aufgespannt. Für die Anregung ihrer Wellenbewegung weist die Membran bei dieser Ausfuhrungsform vorzugsweise eingelagerte Magnete oder Piezofasem auf, die in an sich bekannter Weise angeregt werden, um in der Membran Verformungen zur Ausbildung einer Wellenbewegungen zu erzeugen. Die beiden aktiven Förderräume 11 und 12 mit ihrem gemeinsamen Eingang und Ausgang haben dabei einen Gesamtquerschnitt der im wesentlichen gleichbleibend gross ist, wie in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben.For gentle pumping, the medium delivered at the inlet 5 is first sucked into a wave trough, the leading wave crest narrowing the flow cross section. With the wave advancing in the direction of arrow F, the medium is then carried along, while an essentially laminar tube flow is forced above the membrane. It is advantageous if several waves run in succession. To increase the delivery capacity, the device according to the invention can also be designed as a double-chamber pump, as shown schematically in cross section in FIG. 3 a in FIG. 3. This embodiment of the invention has the advantage that it has a minimal number of components and is therefore particularly suitable for miniaturization. Here the pump housing is formed from two half-shells 9 and 10, between which the membrane 7 is clamped. The conveying spaces 11 and 12 thus formed have a common entrance and exit. The membrane is stretched here like a sail. For the excitation of its wave movement, the membrane in this embodiment preferably has embedded magnets or piezo fibers, which are excited in a manner known per se, in order to produce deformations in the membrane to form wave movements. The two active delivery rooms 11 and 12 with their common entrance and exit have an overall cross-section which is essentially the same size, as described in connection with FIG. 2.
Wie in 3b in Fig. 3 schematisch dargestellt, können in einem Förderraum auch zwei sich gegenüberliegende Wandabschnitte je eine Membran 15, 16 aufweisen. Die in den Membranen durch geeignete Antriebe 13 erzeugten fortschreitenden Wellen können dabei in Phase oder phasenversetzt laufen, je nach der Art der Strömung, die man im Förderraum erzeugen will. Dabei kann die Pumpe liegend und stehend arbeiten. Bei besonders breiter Förderkammer können auch mehrere Antreiber, wie strichpunktiert dargestellt, vorgesehen sein. Bei einer solchen Ausfuhrungsform mit zwei oder auch mit einer Membran kann die erfindungsgemäs- se Vorrichtung auch zum Abschöpfen teilchenbelasteter Oberflächenschichten von Flüssigkeiten eingesetzt werden.As shown schematically in FIG. 3b in FIG. 3, two opposite wall sections can also each have a membrane 15, 16 in a delivery chamber. The advancing waves generated in the membranes by suitable drives 13 can run in phase or out of phase, depending on the type of flow that is to be generated in the delivery chamber. The pump can work lying and standing. If the delivery chamber is particularly wide, several drivers can also be provided, as shown in dash-dot lines. In the case of such an embodiment with two or also with a membrane, the device according to the invention can also be used to skim off surface layers of liquids that are loaded with particles.
Wie in 3c gezeigt, können Membranen 17, 18, 19 auch im Dreieck angeordnet sein und einen prismatischen Förderraum 21 bilden. Ebenso sind rechteckige oder polygonale Förderraum- querschnitte möglich, entsprechend jeweils der Anzahl der in der Förderraum wandung vorgesehenen Membranen. Solche polygonal angeordneten Membranen erlauben das Pumpen gros- ser Flüssigkeitsmengen sowie von Flüssigkeiten mit starken Verunreinigungen, wobei im Förderraumzentrum stets eine ununterbrochene Strömung aufrechterhalten wird. In der Membran 7, 14 bzw. den Membranen 15, 16, 17, 18, 19 werden erfindungsgemäss durch den Exzenterantrieb 8 bzw. 13 oder durch Magnet- bzw. Piezoelemente mindestens eine vollständige, vorzugsweise harmonische Schwingung mit möglichst kurzer Periode erzeugt. Die Wellenkämme werden dabei vorzugsweise bis zu ihrem Grenzwert ausgeformt. Beim Pumpen empfindlicher Medien berühren sie nicht oder kommen nur in die Nähe der der Membran gegenüberliegende Förderkammerwand oder Membran, sondern belassen vielmehr einen Spalt, der ein freies Durchtreten der zu fördernden Flüssigkeit erlaubt. Beim Fördern unempfindlicher Medien kann die Membran auch zu solchen Bewegungsmustern ausgeformt werden, dass die Wellenberge Kontakt mit der jeweils gegenüberliegenden Förderraumwandung oder Welle haben.As shown in FIG. 3 c, membranes 17, 18, 19 can also be arranged in a triangle and form a prismatic delivery space 21. Rectangular or polygonal delivery cross sections are also possible, corresponding to the number of membranes provided in the delivery wall. Such polygonally arranged membranes allow the pumping of large amounts of liquid as well as liquids with heavy impurities, an uninterrupted flow being always maintained in the center of the delivery chamber. According to the invention, at least one complete, preferably harmonic, vibration with the shortest possible period is generated in the membrane 7, 14 or the membranes 15, 16, 17, 18, 19 by the eccentric drive 8 or 13 or by magnetic or piezo elements. The wave crests are preferably shaped up to their limit value. When pumping sensitive media, they do not touch or only come close to the delivery chamber wall or membrane opposite the membrane, but rather leave a gap that allows the liquid to be delivered to pass freely. When conveying insensitive media, the membrane can also be shaped into movement patterns such that the wave crests are in contact with the opposite wall or shaft of the delivery chamber.
So ist es z.B. bei der in 3b in Fig. 3 gezeigten Ausführungsform gemäss der Erfindung möglich, dass die Bewegungsmuster in den sich gegenüberliegenden Membranen derart in Phase laufen, dass die Wellenberge sich berühren und mit sich aneinander abwälzendem Kontakt in Förderrichtung laufen. Ein solches Wellenbild ergibt sich aus der Spiegelung der in Fig. 1 dargestellten Welle an der durch die Punkte 4. aufgespannten Achse. Bei einem Bewegungsmuster der Membran mit Kontakt der Wellenberge können auch kräftige Strömungen im Förderraum erzeugt werden, ohne das Medium wesentlich zu verwirbeln oder unter Druck zu setzen.. Durch das Bewegungsmuster der vorzugsweise harmonischen Welle in der Membran 7, 14, 15, 16,17, 18, 19 wird in dem Förderraum 4, 11, 12, 20, 21 eine Strömung erzeugt, welche die zu fördernde Flüssigkeit in Richtung der sich fortsetzenden Welle mitnimmt, also eine gerichtete Strömung erzeugt. Die Phasen der harmonischen Schwingungen und deren Bewegungsmuster sind so abzustimmen, dass im Förderraum vorzugsweise eine gleichmässige Strömung erzeugt wird. Wie beispielhaft später in Verbindung mit Fig. 8 näher erläutert.For example, in the embodiment according to the invention shown in FIG. 3b in FIG. 3, it is possible for the movement patterns in the opposing membranes to run in phase in such a way that the wave crests touch and run in the conveying direction with rolling contact. Such a wave pattern results from the reflection of the wave shown in FIG. 1 on the axis spanned by points 4. In the event of a movement pattern of the membrane in contact with the wave crests, strong currents can also be generated in the delivery space without substantially swirling the medium or putting it under pressure. Through the movement pattern of the preferably harmonic wave in the membrane 7, 14, 15, 16, 17 , 18, 19 a flow is generated in the delivery chamber 4, 11, 12, 20, 21, which the takes liquid to be conveyed in the direction of the continuing wave, so generates a directional flow. The phases of the harmonic vibrations and their movement patterns are to be coordinated in such a way that a uniform flow is preferably generated in the delivery chamber. As explained in more detail later in connection with FIG. 8.
In Fig. 4 ist schematisch im Querschnitt eine erfindungsgemässe Pumpe gezeigt. Zwischen dem Boden 22 und dem Deckel 23 eines Gehäuses ist ein Förderraum 24 mit der schon oben beschriebenen Querschnittsform ausgestaltet. Dieser wird durch eine zwischen Boden 22 und Deckel 23 eingespannte Membran 25 begrenzt. Zur Anregung des Wellenmusters in der Membran 25 ist im Boden 22 eine Welle 26 mit Exzentern 27 drehbar gelagert. Die Exzenter 27 verformen die Membran 25 in der strichpunktierten Weise, so dass eine Mehrzahl von z.B. jeweils um 90° versetzen Exzentern bei einer Drehung der Welle 26 das in Fig. 1 dargestellte, fortschreitende Wellenmuster erzeugen. Beim Pumpen von empfindlichen Medien ist gemäss der Erfindung vorgesehen, dass der Übergang zwischen der Membran und dem Gehäuse an der Einspannstelle der Membran nahezu übergangslos mit einem solchen Winkel verläuft, dass an der Einspannstelle keine Quetschung oder Verfangen des Mediums möglich ist. In Fig. 5 ist eine mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer Boxeranordnung dargestellt, und zwar mit dem Vorteil, dass ein Antrieb über zwei Membranen 28 und 29 auf zwei Förderräume 30, 31 von im wesentlichen ähnlicher Ausgestaltung wie oben beschriebener einwirkt. In diesem Fall wird die vorzugsweise harmonische Welle durch einen Exzenterantrieb erzeugt, dessen Welle 32 eine Vielzahl von Exzentern 33 trägt. Bei einer Drehung der Welle 32 entsteht dann in den Membranen das gewünschte, wellenförmige Bewegungsmuster. Die beiden einzelnen Membranen 28, 29 stehen dabei mit den Exzentern 33 in oben beschriebener Weise in Wirkverbindung.A pump according to the invention is shown schematically in cross section in FIG. 4. A conveying space 24 with the cross-sectional shape already described above is configured between the bottom 22 and the cover 23 of a housing. This is limited by a membrane 25 clamped between the bottom 22 and the cover 23. To excite the wave pattern in the membrane 25, a shaft 26 with eccentrics 27 is rotatably mounted in the bottom 22. The eccentrics 27 deform the diaphragm 25 in the dot-dash manner so that a plurality of e.g. eccentrics offset by 90 ° each time the shaft 26 rotates produce the progressive wave pattern shown in FIG. 1. When pumping sensitive media, it is provided according to the invention that the transition between the membrane and the housing at the clamping point of the membrane runs almost seamlessly at such an angle that no squeezing or catching of the medium is possible at the clamping point. 5 shows a possible embodiment of the invention in a boxer arrangement, with the advantage that a drive via two membranes 28 and 29 acts on two conveying spaces 30, 31 of essentially similar configuration to that described above. In this case, the preferably harmonic shaft is generated by an eccentric drive, the shaft 32 of which carries a plurality of eccentrics 33. When the shaft 32 rotates, the desired wave-like movement pattern then arises in the membranes. The two individual membranes 28, 29 are in operative connection with the eccentrics 33 in the manner described above.
In Fig. 6 ist eine besondere Ausführungsform einer Membran 34 gemäss der Erfindung sche- matisch im Querschnitt insbesondere für einen Boxerantrieb dargestellt. Die Membran 34 weist hier eine obere Membranhaut 35 und eine untere Membranhaut 36 aus flexibel elastischem Material auf. Zwischen den Membranhäuten 35 und 36 ist eine im wesentlichen zylindrische Lagerkammer 37 zur Aufnahme der Exzenterwelle 32, 33 ausgebildet sowie ein die Lagerkammer 37 mindestens teilweise umgebende Kammer 38, die mit einem dauer- eistischen Schaummaterial wie Latex oder Neopren ausgefüllt ist. Zur Einspannung im Gehäuse weist die Membran 34 entlang ihrem Umfang Verlängerungen 39 auf, in denen in an sich bekannter Weise ein Wellenprofil 40 ausgebildet ist. Dieses Profil verhindert Walkverluste bei einer Bewegung der Membran. Bei einer einfachen Membran ist es auch möglich, dass die im Sinne der Fig. 6 unteren Verlängerungen 39 in Wegfall kommen und die Kammer 38 eine andere, geeignete Querschnittsform aufweist.FIG. 6 shows a special embodiment of a membrane 34 according to the invention schematically in cross section, in particular for a boxer drive. The membrane 34 here has an upper membrane skin 35 and a lower membrane skin 36 made of flexibly elastic material. Between the membrane skins 35 and 36 there is an essentially cylindrical bearing chamber 37 for receiving the eccentric shaft 32, 33 and a chamber 38 which at least partially surrounds the bearing chamber 37 and which is filled with a permanent foam material such as latex or neoprene. For clamping in the housing, the membrane 34 has extensions 39 along its circumference, in which a wave profile 40 is formed in a manner known per se. This profile prevents loss of flex when the membrane moves. In the case of a simple membrane, it is also possible for the lower extensions 39 in the sense of FIG. 6 to be eliminated and for the chamber 38 to have a different, suitable cross-sectional shape.
Bei dieser erfindungsgemässen Ausgestaltung der Membran 34 entsteht ein in sich flexibel verformbarer Membrankörper. Wird in diesen Membrankörper die Exzenterwelle 32, 33 eingeschoben, verformt sich der Membrankörper entsprechend dem Muster der Exzenterwelle um diese herum. Dabei ist durch die Membranhäute 35, 36 und den Schaumkörper dafür gesorgt, dass sich eine glatte Wellenform ohne Unstetigkeitsstellen ausbildet. Dadurch ist es z.B. möglich, bei gleichem Membrankörper durch Auswechseln der Exzenterwelle verschiedene Wellenformen zu erzeugen. Eine solche Ausfuhrungsform als Boxer kann gemäss der Erfindung auch zu einer prismatischen oder polygonalen Anordnung der Membranen erweitert werden, um die Förderkapazität der Pumpe zu erhöhen und gleichzeitig Antriebsenergie einzusparen. Eine prismatische Ausgestaltung ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Hier sind um einen zentralen Antrieb 41 drei Membranen 42, 43, 44 prismatisch angeordnet. Diese Membranen bilden jeweils den Boden von Förderräumen 45, 46, 47, die in einem z.B. dreiteiligen Gehäuse ausgebildet sind.In this embodiment of the membrane 34 according to the invention, a membrane body that can be flexibly deformed is created. If the eccentric shaft 32, 33 is inserted into this diaphragm body, the diaphragm body deforms around it according to the pattern of the eccentric shaft. The membrane skins 35, 36 and the foam body ensure that a smooth waveform is formed without discontinuities. This makes it possible, for example, to generate different wave forms with the same diaphragm body by changing the eccentric shaft. According to the invention, such an embodiment as a boxer can also be expanded to a prismatic or polygonal arrangement of the membranes by the conveying capacity of the pump and at the same time save drive energy. A prismatic configuration is shown schematically in FIG. 7. Here, three membranes 42, 43, 44 are arranged prismatically around a central drive 41. These membranes each form the bottom of delivery spaces 45, 46, 47, which are formed in a three-part housing, for example.
Allen Ausführungsbeispielen ist gemeinsam, dass in jedem einzelnen Förderraum durch die im wesentlichen harmonische Schwingung mit dem durch den Antrieb erzeugten Bewegungsmuster eine Strömung erzeugt wird, die ein gleichmässiges, d.h. im wesentlichen wirbelfreies Fördern des Mediums erlaubt. Ausserdem ist die Pumpleistung durch Anpassung der Wellenamplitude, der Wellenfrequenz und/oder der Wellenlänge genau auf das Medium bzw., wie z.B. beim Pumpen von Blut, auf die vom Patienten individuell vorgegebene Leistung einstellbar.All of the exemplary embodiments have in common that in each individual delivery chamber a flow is generated by the essentially harmonic vibration with the movement pattern generated by the drive, which flow produces a uniform, i.e. essentially allows vortex-free conveying of the medium. In addition, the pump power is adjusted to the medium or, e.g., by adjusting the wave amplitude, the wave frequency and / or the wavelength. when pumping blood, can be set to the performance individually specified by the patient.
Ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen ist es bei allen Ausführangsformen möglich, in den Förderraum einen im wesentlichen biegeschlaffen Schlauch einzulegen, der nach dem Gebrauch der Pumpe vernichtet wird. Dies sei anhand von Fig. 2 näher erläutert. Legt man in den Förderraum 4 von seinem Eingang 5 bis zu seinem Ausgang 6 einen im wesentlichen biegeschlaffen Schlauch ein, der einen Querschnitt gleich dem Förderraum 4, 5 und 6 aufweist, erzeugt die Membran 7 durch ihre Wellenbewegung in diesem Schlauch eine Strömung. In besonderen Fällen mit hohen hygienischen Ansprüchen, kann der Schlauch dann nachWithout leaving the scope of the invention, it is possible in all of the embodiments to insert an essentially flexible hose into the delivery chamber, which hose is destroyed after the pump has been used. This will be explained in more detail with reference to FIG. 2. If an essentially flexible tube, which has a cross-section equal to that of the conveyor chamber 4, 5 and 6, is placed in the delivery chamber 4 from its inlet 5 to its outlet 6, the membrane 7 generates a flow in this tube through its wave movement. In special cases with high hygienic requirements, the hose can then be re-used
Gebrauch entsorgt und ersetzt werden. In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass im Einlauf und/oder im Auslauf der Pumpe ein Sperr- oder Rückschlagventil eingebaut ist, das einen Rückstau verhindert und/oder bei Störungen den Pumpvorgang unterbricht, und zwar mit möglicherweise gleichzeitiger Abschaltung des Antriebes.Disposed of and replaced. In this context, it is possible that a check or non-return valve is installed in the inlet and / or outlet of the pump, which prevents backflow and / or interrupts the pumping process in the event of a malfunction, possibly with simultaneous shutdown of the drive.
In diesem Sinn kann eine Vorrichtung gemäss der Erfindung auch als aufklappbare Pumpe gestaltet werden. Dabei ist der Deckel 3 abklappbar am Bodenteil 2 angelenkt. So kann die Pumpe sehr einfach gereinigt bzw. gewartet werde. Die Membran 7 ist leicht zugänglich und biegeschlaffe Einmal-Schläuche können leicht eingelegt bzw. herausgenommen werden, wäh- rend die Membran dauerhaft in der Vorrichtung verbleiben kann..In this sense, a device according to the invention can also be designed as a hinged pump. The cover 3 is hinged to the bottom part 2. So the pump can be cleaned or serviced very easily. The membrane 7 is easily accessible and flexible single-use hoses can be easily inserted or removed, while the membrane can remain permanently in the device.
In Fig. 8 ist schematisch das Zusammenwirken von in den Membranen ausgebildeten, sich fortsetzenden Wellen nach Fig. 3b und 3c dargestellt. In 8a in Fig. 8 werden die beiden Membranen 15, 16 derart zu fortgesetzten und vorzugsweise harmonischen Wellen angeregt, dass die Wellenberge sich genau gegenüberstehen oder gar berühren. Sie haben also gleiche Amplitude und Wellenlänge und laufen in Phase. So wird zwischen der oberen Membran 15 und der unteren Membran 16 in deren Wellentälern ein Volumen V eingeschlossen, das in Richtung des Pfeiles gefördert wird. Dabei wälzen sich die Wellenkämme der sich gegenüberliegenden Membranen aneinander ab.FIG. 8 schematically shows the interaction of continuous waves formed in the membranes according to FIGS. 3b and 3c. 8a in FIG. 8, the two membranes 15, 16 are excited to continue and preferably harmonic waves in such a way that the wave crests are exactly opposite one another or even touch. So they have the same amplitude and wavelength and run in phase. A volume V is enclosed between the upper membrane 15 and the lower membrane 16 in their troughs, which is conveyed in the direction of the arrow. The wave crests of the opposing membranes roll against each other.
Bei entsprechendem Anpressdruck an den Berührungskämmen kann das Medium auch verdichtet werden, wenn der Querschnitt des Förderraumes (4 in Fig. 2) sich verjüngend ausgestaltet wird. Es ist aber zum Verdichten ebenso möglich, bei gleichbleibendem Querschnitt des Förderraumes die Wellenlänge λ von z.B. drei aufeinander folgenden Wellen (8c in Fig. 8) von Welle zu Welle zu verkürzen (λl> λ2> λ3). I diesem Zusammenhang ist es ebenfalls gemäss der Erfindung möglich, dass die erste Welle mit der Gegenfläche Berührung hat, während eine nachfolgende Welle mit Abstand zur Gegenfläche läuft.With a corresponding contact pressure on the contact combs, the medium can also be compressed if the cross section of the delivery space (4 in FIG. 2) is tapered. However, for compression it is also possible to maintain the wavelength λ of e.g. Shorten three successive waves (8c in Fig. 8) from wave to wave (λl> λ2> λ3). In this context, it is also possible according to the invention that the first shaft has contact with the counter surface, while a subsequent shaft runs at a distance from the counter surface.
Es wurde schon früher dargelegt, dass erfindungsgemäss zwischen der Membran und der ge- genüberliegenden Wand des Förderraumes ein Spalt verbleiben kann, um das Medium weitgehend schonend zu pumpen. Nach 8b in Fig. 8 kann diese bei einer Ausfuhrungsform nach 3b in Fig. 3 zur Erhöhung des Wirkungsgrades aber auch dadurch geschehen, dass die obere Membran 15 gegenüber der unteren Membran 16 - bei gleicher Amplitude und Wellenlänge - leicht phasenversetzt zu fortschreitenden Wellen angeregt wird. Dadurch entstehen im Bereich der sich gegenüberstehenden Wellenkämme ein mehr oder weniger grosser Durchtritt, um jedes Quetschen von im Medium in Schwebung befindlichen Teilchen zu vermeiden. In 8d sind schematisch drei mögliche Varianten gemäss der Erfindung dargestellt, und zwar die Wellenbewegung einer Membran mit Abstand gegenüber einer glatten Gegenfläche, zwei Membranen mit Abstand zueinander und sich gegenüberliegenden Wellenbergen sowie zwei Membranen mit Abstand zueinander, wobei ein Wellenberg einem Wellental gegenüber liegt.It has already been shown that, according to the invention, a gap can remain between the membrane and the opposite wall of the delivery chamber in order to pump the medium in a largely gentle manner. According to 8b in FIG. 8, this can be done in one embodiment 3b in Fig. 3 to increase the efficiency but also happen that the upper membrane 15 is excited with respect to the lower membrane 16 - with the same amplitude and wavelength - slightly out of phase waves to progress. This creates a more or less large passage in the area of the opposing wave crests in order to avoid any squeezing of particles suspended in the medium. 8d schematically shows three possible variants according to the invention, namely the wave movement of a membrane at a distance from a smooth counter surface, two membranes at a distance from one another and opposing wave crests, and two membranes at a distance from one another, one wave crest lying opposite one wave trough.
Zum schonenden Pumpen weist der Förderraum 20 (Fig. 3, 3b) in seinen Randbereichen einen ausreichend grossen Durchtritt auf, in dem im Medium in Schwebung befindliche Teilchen nicht gequetscht, beschleunigt und/oder wesentlich verwirbelt werden. Durch die Ausbildung von fortgesetzten Wellen über die gesamte Förderraumbreite wird das Mitnehmen des Medi- ums sowohl in diesen Randbereichen als auch in dem möglichen Spalt zwischen dem Wellenberg der Membran und der Gegenfläche begünstigt. Die in Fig. 8 dargestellten fortgesetzten Wellen sind auch bei einer Ausfuhrungsform nach Fig. 3, 3c vorstellbar, wobei insbesondere das Pumpen grosser Mengen und mit Partikeln durchsetzter Flüssigkeiten möglich ist. (Abwasser, Pulpe, Granulat)For gentle pumping, the delivery chamber 20 (FIGS. 3, 3b) has a sufficiently large passage in its edge regions, in which particles in suspension in the medium are not squeezed, accelerated and / or substantially swirled. The formation of continued waves over the entire width of the pumping chamber favors the entrainment of the medium both in these edge areas and in the possible gap between the wave crest of the membrane and the counter surface. The continued waves shown in FIG. 8 are also conceivable in an embodiment according to FIGS. 3, 3c, it being possible in particular to pump large quantities and liquids permeated with particles. (Waste water, pulp, granules)
So ist es erfindungsgemäss auch möglich, dass Amplitude und Periode der fortschreitenden Wellen in der oberen und unteren Membran unterschiedlich sind. Dadurch kann im Medium ein gewünschte Verwirbelung erzwungen werden. Ebenso kann die Erzeugung der fortschreitenden Wellen pulsierend oder ununterbrochen geschehen. Das ist insbesondere bei einer An- regung der Membrane(n) durch einen magnetischen oder piezo-elektrischen Antrieb möglich, der genau auf das gewünschte Pumpen oder Verdichten abgestimmt werden kann. Beim Verdichten wird man dabei auf eine asymptotische Einspannung der Membran zurückgreifen.It is also possible according to the invention that the amplitude and period of the advancing waves in the upper and lower membrane are different. This can force a desired swirl in the medium. Likewise, the generation of the advancing waves can be pulsating or continuous. This is possible in particular when the diaphragm (s) are excited by a magnetic or piezo-electric drive, which can be tailored precisely to the desired pumping or compression. When compressing, an asymptotic clamping of the membrane will be used.
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele be- schränkt. Sie umfasst vielmehr auch andere Ausführungsformen mit gleichem Ergebnis sowie alle möglichen Kombinationen aus den gegebenen Ausfuhrungsbeispielen. Die Erfindung ist insbesondere nicht zwingend darauf beschränkt, sich sklavisch an den Wert 0,3 für den Faktor S zu halten. Es sind vielmehr alle solchen Werte vorstellbar, die sich aus spezifischen Umständen oder Bedingungen ergeben können. The invention is not restricted to the exemplary embodiments shown and described. Rather, it also includes other embodiments with the same result and all possible combinations from the given exemplary embodiments. In particular, the invention is not necessarily restricted to slavishly adhering to the value 0.3 for the factor S. Rather, all such values are conceivable that can arise from specific circumstances or conditions.

Claims

Patentansprüche :Claims:
I . Verfahren zum Fördern von Medien, umfassend einen Förderraum mit Ein- und Ausgang, ein den Förderraum mindestens teilweise begrenzendes Wandelement aus einem elastisch verformbaren Material, das fortgesetzt wellenförmige Bewegungen ausführen kann, und einen Antrieb für die Erzeugung der wellenförmigen Bewegungen des elastisch verformbaren Wandelementes, dadurch gekennzeichnet, dass man die Amplitude und Frequenz der wellenförmigen Bewegung mit der Strömungsgeschwindigkeit des geförderten Mediums ins Verhältnis setzt. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wellenform nach der Gleichung St x V = A x F bestimmt.I. Method for conveying media, comprising a conveying chamber with an inlet and an outlet, a wall element at least partially delimiting the conveying chamber from an elastically deformable material that can continue to perform undulating movements, and a drive for generating the undulating movements of the elastically deformable wall element characterized in that the amplitude and frequency of the wavy movement are related to the flow velocity of the medium being conveyed. 2. The method according to claim 1, characterized in that the waveform is determined according to the equation S t x V = A x F.
3. Verfahren nach Anspmch 2, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wellenbewegung mit dem Faktor St = 0,3 berechnet.3. The method according to Anspmch 2, characterized in that the wave motion is calculated with the factor S t = 0.3.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Frequenz möglichst niedrig hält und gleichzeitig die Amplitude gross gestaltet.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the frequency is kept as low as possible and at the same time the amplitude is large.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, umfassend einen Förderraum mit Ein- und Ausgang, ein den Förderraum mindestens teilweise begrenzendes Wandelement aus einem elastisch verformbaren Material, das fortgesetzt wellenförmige Bewegungen ausfuhren kann, und einen Antrieb für die Erzeugung der wellenförmigen Bewegungen des elastisch verformbaren Wandelementes, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel (8; 13; 26, 27; 41) für die Einstellung der Amplitude und Frequenz der fortschreitenden Welle aufweist.5. Apparatus for carrying out the method according to one of claims 1 to 4, comprising a delivery chamber with input and output, a wall element at least partially delimiting the delivery chamber from an elastically deformable material that can continue to perform undulating movements, and a drive for generation the wave-shaped movements of the elastically deformable wall element, characterized in that it has means (8; 13; 26, 27; 41) for adjusting the amplitude and frequency of the advancing wave.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie Mittel zur Änderung der Frequenz eine Einstellvorrichtung für die Antriebsgeschwindigkeit der das elastisch verformbare Wandelement (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 34,42, 43, 44) betätigenden Antriebsmittel (8; 13; 26, 27; 41) aufweist.6. The device according to claim 5, characterized in that it has means for changing the frequency, an adjusting device for the drive speed of the elastically deformable wall element (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 34,42, 43, 44) actuating drive means (8; 13; 26, 27; 41).
7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Änderung der Amplitude eine Einstellvorrichtung (Fig. 5, Fig. 6) zur Änderung des Exzenterhubes der das elastisch verformbare Wandelement (28, 29; 34) beaufschlagenden Exzenter (27) auf einer Antriebswelle (26) aufweisen.7. The device according to claim 5, characterized in that the means for changing the amplitude on an adjusting device (Fig. 5, Fig. 6) for changing the eccentric stroke of the elastically deformable wall element (28, 29; 34) acting on the eccentric (27) have a drive shaft (26).
8. Verfahren zum Fördern von Medien, insbesondere von flüssigen Medien, bei dem das zu fördernde Medium durch einen Förderraum mit mindestens einem als flexibel verformbare Membran ausgebildeten Wandelement geführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass man in der Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) eine stetig in eine Richtung fortgesetzte Wellenbewegung erzeugt, die im Medium eine Strömung (F) in Richtung der fortgesetzten Wellenbewegung der Membran erzwingt.8. A method for conveying media, in particular liquid media, in which the medium to be conveyed is guided through a conveying space with at least one wall element designed as a flexibly deformable membrane, characterized in that in the membrane (7; 14; 15, 16 ; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) generates a continuous wave motion in one direction, which forces a flow (F) in the medium in the direction of the continued wave motion of the membrane.
9. Verfahren nach Anspmch 8, dadurch gekennzeichnet, dass man in der Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) sich stetig in eine Richtung fortsetzende, im wesentlichen harmonische Wellen erzeugt. 10. Verfahren nach Anspmch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass man die Wellenbewegung im wesentlichen über die gesamte Breite des Förderraumes (4; 11,12; 20; 21; 24; 30, 31; 45, 46, 47) erzeugt.9. The method according to Anspmch 8, characterized in that the membrane (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) continuously continues in one direction , generates essentially harmonic waves. 10. The method according to Anspmch 8 and 9, characterized in that the wave movement is generated essentially over the entire width of the delivery space (4; 11,12; 20; 21; 24; 30, 31; 45, 46, 47).
I I. Verfahren nach Ansprach 8, dadurch gekennzeichnet, dass man in der Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) eine pulsierend in eine Richtung wandernde Wellen erzeugt.I I. Method according spoke 8, characterized in that in the membrane (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) a pulsating in one direction traveling waves generated.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass man in der Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) stetig in eine Richtung wandernde Wellen mit kurzer Periode erzeugt.12. The method according to any one of claims 8 to 11, characterized in that in the membrane (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) continuously in creates a direction traveling wave with a short period.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12 , dadurch gekennzeichnet, dass man in der Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) stetig in eine Richtung wandernde Wellen mit hoher Amplitude erzeugt. 13. The method according to any one of claims 8 to 12, characterized in that in the membrane (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) in generates high-amplitude traveling waves.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13 , dadurch gekennzeichnet, dass man in der Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) stetig in eine Richtung wandernde Wellen mit Wellenbergen bis zum kritischen Scheitelwert erzeugt.14. The method according to any one of claims 8 to 13, characterized in that in the membrane (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) continuously in waves traveling in a direction with wave crests up to the critical peak value.
15. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 14, umfassend einen Förderraum für das Medium mit mindestens einem Wandabschnitt, der elastisch verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wandabschnitt eine Membran (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) aus einem elastisch verformbares Material aufweist, mit dem in der Membran übergangslose Wellenformen insbesondere harmonischer Art erzeugbar sind. 16. Vorrichtung nach Ansprach 15 , dadurch gekennzeichnet, dass der Förderraum (4; 11, 12; 20; 21; 24: 30, 31) von seinem Eingang (5) bis zu seinem Ausgang (6) einen im wesentlichen gleichbleibenden Querschnitt aufweist, wobei die Querschnittsform abschnittsweise übergangslos veränderbar ist.15. Device for carrying out the method according to one of claims 8 to 14, comprising a delivery chamber for the medium with at least one wall section which is elastically deformable, characterized in that the wall section has a membrane (7; 14; 15, 16; 17, 18, 19; 25; 28, 29; 34; 42, 43, 44) made of an elastically deformable material, with which seamless wave forms, in particular of a harmonious nature, can be generated in the membrane. 16. The device according to spoke 15, characterized in that the conveying space (4; 11, 12; 20; 21; 24: 30, 31) has a substantially constant cross section from its entrance (5) to its exit (6), wherein the cross-sectional shape can be changed in sections without transition.
17. Vorrichtung nach Ansprache 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderraum (4; 11, 12; 20; 21 ; 24: 30, 31) von seinem Eingang (5) bis zu seinem Ausgang (6) einen sich verjüngenden Querschnitt aufweist, wobei die Querschnittsform abschnittsweise übergangslos veränderbar ist.17. The device according to claim 15, characterized in that the conveying space (4; 11, 12; 20; 21; 24: 30, 31) has a tapering cross section from its input (5) to its output (6), wherein the cross-sectional shape can be changed seamlessly in sections.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (14) mittig zwischen zwei Förderräumen (11, 12) eingespannt ist und dass beide Förderräume (11, 12) je einen gemeinsamen Eingang und Ausgang haben. (Fig.3, 3a)18. Device according to one of claims 15 or 16, characterized in that the membrane (14) is clamped centrally between two conveying spaces (11, 12) and that both conveying spaces (11, 12) each have a common entrance and exit. (Fig.3, 3a)
19. Vorrichtung nach Anspruch 15 , dadurch gekennzeichnet, dass in der den Förderraum (20) bildenden Wandung zwei sich gegenüberliegende Membranen (15, 16) angeordnet sind. (Fig. 3, 3b)19. The apparatus according to claim 15, characterized in that two opposing membranes (15, 16) are arranged in the wall forming the delivery chamber (20). (Fig. 3, 3b)
20. Vorrichtung nach Ansprach 15 , dadurch gekennzeichnet, dass der Förderraum (21) durch polygonal angeordnete Membranen (17, 18, 19) gebildet ist. (Fig. 3, 3c)20. The device according spoke 15, characterized in that the conveying space (21) is formed by polygonally arranged membranes (17, 18, 19). (Fig. 3, 3c)
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Membranen (15, 16; 17, 18, 19) durch Antriebe (13) auf der dem Förderraum (20; 21) abgewandten Seite der Membranen beaufschlagbar sind. (Fig. 3, 3b und 3c)21. Device according to one of claims 18 and 19, characterized in that the membranes (15, 16; 17, 18, 19) can be acted upon by drives (13) on the side of the membranes facing away from the delivery chamber (20; 21). (Fig. 3, 3b and 3c)
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (34) ein in sich flexibel verformbarer Körper ist, der eine Aufnahme (37) für eine Exzenterwelle (32, 33) aufweist.22. Device according to one of claims 15 to 21, characterized in that the membrane (34) is a flexibly deformable body which has a receptacle (37) for an eccentric shaft (32, 33).
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22 , dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse drei in einem Dreieck angeordnete Förderräume (45, 46, 47) ausgebildet sind, deren jeweils einander zugekehrte Bodenseite je eine Membran (42, 43, 44) aufweist und dass für diese so prismatisch angeordneten Membranen (42, 43, 44) ein gemeinsamer Antrieb (41) vorgesehen ist (Fig. 7). 23. Device according to one of claims 20 to 22, characterized in that three delivery spaces (45, 46, 47) arranged in a triangle are formed in the housing, the mutually facing bottom side of which each has a membrane (42, 43, 44) and that a common drive (41) is provided for these membranes (42, 43, 44) arranged in such a prism manner (FIG. 7).
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