DE60201544T2

DE60201544T2 - Pumpe

Info

Publication number: DE60201544T2
Application number: DE60201544T
Authority: DE
Inventors: Kunihiko Suwa-shi TAKAGI; Takeshi Suwa-shi Seto; Kazuhiro Yokohama-shi Yoshida
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-02-21
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2022-01-09
Also published as: DE60201544D1; CN1372078A; EP1236900B1; US6623256B2; CN1181261C; EP1236900A1; US20020114716A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe, die ein Fluid bewegt, indem das Volumen des Innern einer Pumpenkammer durch Verwendung beispielsweise eines Kolbens oder einer Membran geändert wird.
Ein herkömmliches Beispiel eines solchen Pumpentyps hat typischerweise eine Bauart, wie sie in der JP-A-10-220357 offenbart wird, bei der ein Rückschlagventil zwischen jeweils einem Einlasskanal und einem Auslasskanal einerseits und einer Pumpenkammer mit veränderlichem Volumen andererseits eingebaut ist.
Ein Beispiel einer Bauart einer Pumpe, die eine Strömung in einer Richtung erzeugt, indem sie sich den Viskositätswiderstand eines Fluids zunutze macht, wird in der JP-A-8-312537 offenbart; sie hat ein in einem Auslasskanal angeordnetes Ventil, und der Fluidwiderstand an einem Einlasskanal ist größer als am an einem Auslasskanal, wenn das Ventil offen ist.
Ein Beispiel einer Bauart einer Pumpe, die dadurch zuverlässiger wird, dass kein bewegliches Teil in einem Ventil verwendet wird, wird in der JP 8-506874 offenbart (veröffentlichte japanische Übersetzungen veröffentlichter internationaler PCT-Anmeldungen), die ein Kompressionsbauelement enthält, bei dem ein Einlasskanal und ein Auslasskanal so geformt sind, dass die Druckgefälle je nach Strömungsrichtung verschieden sind.
Bei der in der JP-A-10-220357 offenbarten Bauart ist allerdings sowohl für den Einlasskanal als auch für den Auslasskanal ein Rückschlagventil erforderlich, so dass ein Problem in Form eines hohen Druckverlusts auftritt, da das Fluid zwei Rückschlagventile durchfließen muss. Da außerdem wegen der häufigen Öffnungs- und Schließvorgänge der Rückschlagventile Ermüdungsschäden auftreten können, tritt ein weiteres Problem in der Form auf, dass die Zuverlässigkeit der Pumpe niedriger wird, je größer die Zahl der verwendeten Rückschlagventile ist.
Bei der in der JP-A-8-312537 offenbarten Bauart ist es erforderlich, den Fluidwiderstand am Einlasskanal hoch zu machen, um die Rückströmung, die im Einlasskanal während eines Pumpenförderhubs erzeugt wird, zu verringern. Wird dieser hoch gemacht, tritt Fluid während des Ansaughubs gegen den Widerstand des Fluids in die Pumpenkammer ein, so dass der Ansaughub länger als der Auslasshub (Förderhub) dauert. Die Frequenz des Förder-Ansaugzyklus wird deshalb sehr niedrig.
Eine kleine leichte Hochleistungspumpe kann unter Verwendung eines piezoelektrischen Elements als Aktuator zum Auf- und Abwärtsbewegen eines Kolbens oder einer Membran mit einer hohen Betätigungsfrequenz gebildet werden. Mit dem piezoelektrischen Element ist die Verdrängung während einer Periode klein, aber die Ansprechfrequenz ist hoch, und die Pumpe hat die Eigen schaft, eine umso höhere Förderleistung zu liefern, je höher die Betätigungsfrequenz bis zur Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements ist. Bei der in der JP-A-8-312537 offenbarten Bauart kann jedoch eine Betätigung wie oben erwähnt nur mit niedriger Frequenz erfolgen, so dass sich das Problem ergibt, dass eine Pumpe, die die Eigenschaften des piezoelektrischen Elements voll ausnützt, nicht verwirklicht werden kann.
Bei der in der JP 8-506874 offenbarten Bauart wird je nachdem, ob das Volumen in der Pumpenkammer vergrößert oder verkleinert wird, die Netto-Durchflussmenge aufgrund der unterschiedlichen Druckgefälle je nach der Richtung der Fluidströmung durch das Kompressionsbauelement einseitig gerichtet. Die Rückströmungsrate nimmt deshalb mit zunehmendem externem Druck (Lastdruck) an der Austrittsseite der Pumpe zu, was zu dem Problem führt, dass die Pumpe nicht mehr bei hohem Lastdruck arbeitet. Gemäß einer Abhandlung mit dem Titel "An Improved Valve-less Pump Fabricated Using Deep Reactive Ion Etching", die 1996 anlässlich des 9. International IEEE-Workshop über mikro-elektromechanische Systeme präsentiert wurde, liegt der maximale Lastdruck in der Größenordnung von 0,76 at.
Eine Pumpe gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 wird in der EP-A-0 610 569 offenbart.
Das Dokument WO 99/20898 offenbart eine Pumpe, die aufweist: ein einen Einlass und einen Auslass und teilweise eine Pumpenkammer definierendes Gehäuse, eine Einlasskammer und eine Auslasskammer, wobei der Einlass durch die Einlasskammer zur Pumpenkammer und der Auslass von der Pumpenkammer zur Auslasskammer führt; ein in der Pumpenkammer bewegliches Pumpelement, von dem bei einem Einlasshub Fluid von der Einlasskammer in die Pumpenkammer angesaugt wird und bei einem Auslasshub Fluid in der Pumpenkammer in die Auslasskammer gefördert wird; eine Kammermembran, die die Einlasskammer und die Auslasskammer teilweise begrenzt und so positioniert und ausgeführt ist, dass sie die Einlasskammer gegen die Auslasskammer abdichtet, wobei die Kammermembran eine Kuppelstruktur hat, die die Einlasskammer teilweise begrenzt, und die Kuppelstruktur eine Kuppelkonfiguration hat und so ausgeführt ist, dass sie während des Einlasshubs zumindest teilweise zusammenfällt und sich während des Auslasshubs zur Kuppelkonfiguration bewegt; und einen Antrieb zur Bewegung des Pumpelements bei den Ansaug- und Förderhüben. Die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Kuppelstruktur sorgt für eine zusätzliche Saugwirkung oder einen Unterdruck in der Einlasskammer während des Auslasshubs der Pumpe 10. Dies erhöht letztendlich die Durchflussrate oder den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe 10 und bewirkt außerdem eine Glättung oder ein schwächeres Pulsieren des Ausgangsfluids. Der Antrieb der Pumpe enthält ein Exzenterelement, das funktional mit dem Pumpelement und der rotierenden Welle eines Motors gekoppelt ist.
Die US-A-5,338,164 offenbart eine Pumpe mit einer Reihe gestapelter übereinander angeordneter Kammern, bei der ein piezoelektrisches Element zur Verformung einer Membran dient, um das Volumen in den Kammern zu ändern. Das piezoelektrisch Element ist mit einer Seite an der Membran befestigt, während die gegenüberliegende andere Seite nicht befestigt ist. Die Architektur der Pumpe weist übereinander angeordnete Kammern mit einer gemeinsamen Membran zwischen benachbarten Kammern auf, so dass dann, wenn eine Membran verformt wird, um das Volumen in einer Kammer zu erhöhen, sie gleichzeitig das Volumen in der angrenzenden Kammer verringert. Bei einer Ausführungsform können die übereinander angeordneten Kammern mit anderen übereinander angeordneten Kammern kombiniert werden, um den Vorlaufdruck in Stufen zu erhöhen. Bei einer zweiten Ausführungsform können die Stufen in ein und demselben Kammeranordnung vorgesehen werden.
Die US-A-4,404,330 offenbart eine Druckstoß-Dämpfungseinrichtung, die in einem Flüssigkeitskanal mit einer ebenen Bodenwand verwendet wird. Die ebene Wand hat eine Durchgangsöffnung mit einer darin angeordneten flexiblen Membran. Die Seite der Membran gegenüber dem Flüssigkeitskanal steht in Verbindung mit einer Gaskammer, in der sich Gas befindet. Die Membran ist beweglich, so dass das effektive Volumen der Gaskammer variiert wird, um sicherzustellen, dass der durchschnittliche Druck des darin befindlichen Gases im Wesentlichen gleich ist dem durchschnittlichen Druck der Flüssigkeit im Flüssigkeitskanal.
Die US-A-5,215,446 offenbart eine piezoelektrische Pumpe, die einen piezoelektrischen Aktuator verwendet. Die piezoelektrische Pumpe weist einen oberen Pumpenkammer-Hauptkörper mit drei Pumpenkammern, einen unteren Pumpenkammer-Hauptkörper mit drei Pumpenkammern und einen piezoelektrischen Aktuator auf, der drei Aktuatorsegmente hat. Der piezoelektrische Aktuator ist zwischen dem oberen Pumpenkammer-Hauptkörper und dem unteren Pumpenkammer-Hauptkörper gehaltert. Die resultierende piezoelektrische Pumpe hat eine einfache und kleine Bauart und einen hohen Pumpenwirkungsgrad, da die beiden gepaarten oberen und unteren Pumpenkammern von einem zugehörigen Aktuatorsegment angetrieben werden können.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kleine leichte Hochleistungspumpe bereitzustellen, die unter einem hohen Lastdruck arbeiten kann, wodurch Druckverluste verringert und die Zuverlässigkeit erhöht werden können, indem die Anzahl mechanischer Ein-/Aus-Ventile verringert wird, und die sich die Merkmale eines piezoelektrischen Elements voll zu Nutze macht, wenn ein solches piezoelektrisches Element als Aktuator verwendet wird, der einen Kolben oder eine Membran betätigt, und zwar als Folge einer Verringerung der Periode der Vergrößerung und Verkleinerung des Volumens einer Pumpenkammer.
Diese Aufgabe wird mit einer Pumpe gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Hierbei wird ein Inertanzwert L durch den Ausdruck L = ρI/S bestimmt, wobei die Querschnittsfläche des Strömungsweges S, die Länge des Strömungsweges I und die Dichte des Arbeitsfiuids ρ ist. Wenn eine Druckdifferenz im Kanal P und die Durchflussrate des Kanals Q ist, und wenn die Inertanz L zum Umformen der Formel für die Bewegung eines Fluids innerhalb eines Kanals verwendet wird, wird die Beziehung P = L × dQ/dt abgeleitet. Mit anderen Worten, der Inertanzwert gibt das Maß des Einflusses an, den die Druckeinheit auf die Änderung der Durchflussrate pro Sekunde hat. Je größer der Inertanzwert ist, umso kleiner ist die Änderung der Durchflussrate pro Sekunde, während die Durchflussrate pro Sekunde umso größer ist, je kleiner der Inertanzwert ist.
Der kombinierte Inertanzwert für eine Parallelschaltung einer Mehrzahl Kanäle und für eine Reihenschaltung einer Mehrzahl Kanäle mit verschiedenen Formen wird berechnet, indem die Inertanzwerte der einzelnen Kanäle analog zur Berechnung der Induktanzwerte einer Parallelschaltung und einer Reihenschaltung in elektrischen Stromkreisen kombiniert werden.
Der Einlasskanal ist ein Kanal, der sich vom Innern der Pumpenkammer zur Fluid-Eintrittsseite eines die Pumpe mit der Außenseite verbindenden Einlassrohrs erstreckt. Wird jedoch ein Druckstoß-Dämpfungsmittel wie es später beschrieben wird angeschlossen, bezieht sich dies auf einen Kanal, der sich vom Innern der Pumpenkammer zu einem Verbindungsabschnitt mit dem Druckstoß-Dämpfungsmittel erstreckt. Wenn ferner die Einlasskanäle einer Mehrzahl Pumpen ineinander münden wie nachstehend beschrieben, bezieht sich dies auf einen Kanal von der Innenseite der Pumpenkammer zum Mündungsabschnitt.
Hinsichtlich der Funktionsweise der Pumpe mit der Bauart gemäß Anspruch 1 gilt, dass dann, wenn der Kolben oder die Membran, der bzw. die als das bewegliche Element verwendet wird, in der Richtung wirkt, in der das Volumen der Pumpenkammer kleiner wird, diese Richtung am Einlasskanal die Richtung ist, in der das Fluid ausströmt, so dass der Fluidwiderstand des Fluidwiderstandselements hoch ist, wodurch die Ausgangsströmung des Fluids aus dem Einlasskanal sehr klein oder null wird. Dagegen wird am Auslasskanal bei zunehmendem Druck im Innern der Pumpenkammer entsprechend des Kompressibilitätsverhältnisses des Fluids die Durchflussrate in der Richtung, in der das Fluid aus der Pumpenkammer strömt, gemäß der Differenz zwischen dem Druck im Innern der Kammer und dem Lastdruck einerseits und dem Inertanzwert andererseits höher.
Wirkt der Kolben oder die Membran in der Richtung, in der das Volumen der Pumpenkammer zunimmt, nimmt der Druck im Innern der Pumpenkammer ab. Wird der Druck im Innern der Pumpenkammer niedriger als der Außendruck am Einlasskanal, wird das Fluid veranlasst, durch den Einlasskanal zu fließen, d. h. in einer Richtung, in der der Fluidwiderstand des Fluidwiderstandselements klein wird, wodurch eine Zunahme der Durchflussrate in der Richtung, in der das Fluid in die Pumpenkammer strömt, gemäß der Druckdifferenz und dem Inertanzwert des Einlasskanals bewirkt wird. Andererseits wird im Auslasskanal die Durchflussrate in der Richtung, in der das Fluid aus der Pumpenkammer fließt, gemäß der Differenz zwischen dem Lastdruck und dem Druck in der Pumpenkammer und dem Inertanzwert verringert.
Bei einer genügend hohen Zunahme der Durchflussrate des einströmenden Fluids kann am Einlasskanal Fluid in einer Menge entsprechend dem aus dem Innern der Pumpenkammer strömenden Volumen veranlasst werden, in die Pumpenkammer zu fließen, wobei der Betrag der Abnahme der Durchflussrate des aus dem Auslasskanal strömenden Fluids klein ist. Daher wird bei der vorliegenden Erfindung der gesamte Inerttanzwert des Einlasskanals kleiner als der kombinierte Inertanzwert des Auslasskanals.
Bei dieser Konfiguration wird die Anzahl der mechanischen Ein-/Aus-Ventile verringert, wodurch der Druckverlust kleiner und die Pumpe zuverlässiger wird. Da außerdem wie später beschrieben wird, die erforderliche Zeit zum Vergrößern des Volumens der Pumpenkammer und die erforderliche Zeit zur Verkleinerung in derselben Größenordnung liegen, ein Aktuator, der den Kolben oder die Membran betätigt, mit hoher Frequenz arbeiten. Wenn ein piezoelektrisches Element als Aktuator verwendet wird, ist es deshalb möglich, eine kleine leichte Hochleistungspumpe zu verwirklichen, die sich die Eigenschaften des piezoelektrischen Elements in vollem Umfang zu Nutze macht.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 2 werden Druckstöße, die durch das Öffnen und Schließen des Fluidwiderstandselements verursacht werden, eingeschränkt, und es ist möglich, die Einflüsse des Inertanzwertes eines Einlassverbindungsrohres und eines mit dem Einlassverbindungsrohr verbundenen externen Rohrs einzuschränken.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 4 werden Druckstöße, die durch eine Änderung des Fluidwiderstands im Fluidwiderstandselement verursacht werden, am Einlassverbindungsrohr, das vor dem Mündungsabschnitt angeordnet ist, um die Pumpe mit der Außenseite zu verbinden, und an einem externen Rohrabschnitt, der mit dem Einlassverbindungsrohr verbunden ist, eingeschränkt. Deshalb werden Vorteile ähnlich denen der Ausführungsform nach Anspruch 2 bereitgestellt.
Es ist insbesondere vorteilhaft, drei Pumpen zu verwenden und diese anhand des Zeitpunkts, an dem das Volumen jeder Pumpenkammer verändert wird, um je 1/3 Periode gegenüber den anderen Pumpenkammern versetzt in Betrieb zu nehmen, da der Einschränkungseffekt im Vergleich zur geringen Anzahl der verwendeten Teile groß ist. Vorzugsweise wird dieses Merkmal mit dem von Anspruch 2 kombiniert, da so der Effekt der Einschränkung der Druckstöße sogar noch stärker wird.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 6 werden Druckstöße, die durch eine Änderung des Volumens jeder Pumpenkammer verursacht werden, an einem Austrittsverbindungsrohr, das nach dem Mündungsabschnitt angeordnet ist, um die Pumpe mit der Außenseite zu verbinden, und an einem externen Rohrabschnitt, der mit dem Austrittsverbindungsrohr verbunden ist, eingeschränkt. Es ist deshalb möglich, ein Rohr mit frei gewählter Abmessung an die Austrittsseite der Pumpe anzuschließen.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 3 werden Druckstöße, die durch eine Änderung der bzw. jeder Pumpenkammer verursacht werden, am Austrittsverbindungsrohr, das nach dem Mündungsabschnitt angeordnet ist, um die Pumpe mit der Außenseite zu verbinden, und an einem externen Rohrabschnitt, der mit dem Austrittsverbindungsrohr verbunden ist, eingeschränkt. Vorzugsweise wird dieses Merkmal mit dem von Anspruch 6 kombiniert, da so der Effekt der Einschränkung von Druckstößen sogar noch stärker wird. Es ist deshalb möglich, ein Rohr mit frei gewählter Abmessung an die Austrittsseite der Pumpe anzuschließen.
Beispiele für Fluidwiderstandselemente sind solche, die sich die Art des Fluids zu Nutze machen, wie etwa solche, die nur aus Elektroden gebildet werden und das Arbeitsfluid als elektroviskoses Fluid nutzen (ein Fluid, dessen Viskosität bei einer angelegten Spannung zunimmt) und ein Kompressionsbauelement wie in der oben genannten JP 8-506874 offenbart. Diese Fluidwiderstandselemente sind jedoch nicht sehr wirksam, um ein Fluid in einer Pumpenkammer daran zu hindern, durch einen Einlasskanal nach außen zu fließen, wenn der Druck in der Pumpenkammer hoch wird (d. h. diese Fluidwiderstandselemente haben keine nennenswerte Rückschlagwirkung). Deshalb wird wie in der Ausführungsform gemäß Anspruch 8 vorzugsweise ein Rückschlagventil als das Fluidwiderstandselement verwendet, um eine Rückströmung am Einlasskanal zu verhindern, wenn der Druck in der bzw. in jeder Pumpenkammer hoch wird. Dadurch wird es möglich, den Druck in der bzw. in jeder Pumpenkammer hinreichend zu erhöhen, so dass das Arbeitsfluid selbst bei einem hohen Lastdruck zur Lastseite geleitet werden kann. Außerdem kann der Lastdruck aufrechterhalten werden, wenn die Pumpe abgeschaltet wird.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 9 ist es möglich, das Druckstoß-Dämpfungsmittel mit einem relativ einfachen Verfahren herzustellen.
Gemäß der Ausführungsform nach Anspruch 10 ist es möglich, die Leistung der Pumpe zu erhöhen, da der Fluidwiderstand in jedem Fluidweg verringert wird.
Die Arbeitsfluid-Eintrittsseite bezieht sich hier auf die Seite, zu der das Fluid einströmt, wenn es veranlasst wird, als Ergebnis des Pumpenbetriebs in Vorwärtsrichtung (Lastrichtung) zu fließen. Die Austrittsseite des Arbeitsfluids ist die Seite, zu der das Fluid ausströmt, wenn es veranlasst wird, als Ergebnis des Pumpenbetriebs in Vorwärtsrichtung zu fließen.
Im Folgenden wird eine Mehrzahl Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung auf Basis der Zeichnungen beschrieben.
1 ist die Ansicht eines senkrechten Schnitts durch eine erste Ausführungsform einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
2 stellt die Wellenform der Schwingung einer Membran und die Wellenform des Innendrucks einer Pumpenkammer der Pumpe der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
3 stellt die Wellenform der Durchflussrate an einem Einlasskanal und die Wellenform der Durchflussrate an einem Auslasskanal der Pumpe der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar.
4 ist die Ansicht eines senkrechten Schnitts durch eine zweite Ausführungsform einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
5 zeigt eine dritte Ausführungsform einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zunächst folgt eine Beschreibung einer ersten Ausführungsform der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 1. 1 ist die Ansicht eines senkrechten Schnitts durch eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung. Eine kreisförmige Membran 5 ist im Bodenabschnitt eines zylindrischen Gehäuses 7 angeordnet. Der Außenumfangsrand der Membran 5 ist am Gehäuse 7 befestigt und wird von diesem gehaltert, so dass sie frei elastisch verformt werden kann. Ein piezoelektrisches Element 6, das sich in senkrechter Richtung in der Figur ausdehnt und zusammenzieht, ist als ein Aktuator an der unteren Oberfläche der Membran 5 zum Bewegen der Membran 5 angeordnet.
Ein schmaler Raum zwischen der Membran 5 und der oberen Wand des Gehäuses 7 ist eine Pumpenkammer 3 mit einem Auslasskanal 2 und einem Einlasskanal 1, in dem ein als Fluidwiderstandselement dienendes Rückschlagventil 4 vorgesehen ist, das sich in die Pumpenkammer 3 öffnet. Ein Abschnitt des Außenumfangs eines den Einlasskanal 1 bildenden Bauteils ist als Eintrittsverbindungsrohr 8 ausgeformt, um ein externes Rohr (nicht dargestellt) mit der Pumpe zu verbinden. Ein Abschnitt des Außenumfangs eines den Auslasskanal 2 bildenden Bauteils ist als Austrittsverbindungsrohr 9 ausgeformt, um ein externes Rohr (nicht dargestellt) mit der Pumpe zu verbinden. Der Einlasskanal und der Auslasskanal haben abgerundete Abschnitte 15a und 15b, die durch Abrunden ihrer Eintrittsseiten für das Arbeitsfluid gebildet werden.
Nunmehr folgt eine Beschreibung der Beziehung zwischen den Symbolen der Längen und Flächen des Einlasskanals 1 und des Auslasskanals 2. Im Einlasskanal 1 sind die Länge und Fläche eines Rohrabschnitts mit verringertem Durchmesser nahe dem Rückschlagventil 4 mit L1 bzw. S1 gekennzeichnet, und die Länge und Fläche des restlichen Rohrabschnitts mit größerem Durchmesser sind mit L2 bzw. S2 gekennzeichnet. Im Auslasskanal 2 sind die Länge und Fläche eines Rohrabschnits mit L3 bzw. S3 gekennzeichnet.
Mit diesen Symbolen und der Dichte ρ des Arbeitsfluids wird nunmehr die Beziehung zwischen den Inertanzwerten des Einlasskanals 1 und des Auslasskanals 2 beschrieben.
Die Inertanz des Einlasskanals 1 wird mit der Formel (ρ × L1/S1) + (ρ × L2/S2) berechnet. Der Inertanzwert des Auslasskanals 2 wird mit der Formel ρ × L3/S3 berechnet. Diese Strömungswege haben ein Größenverhältnis, das die Bedingung (ρ × L1/S1) + (ρ × L2/S2) < (ρ × L3/S3) erfüllt.
Nunmehr wird die Funktionsweise der Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Durch Anlegen einer Wechselspannung an das piezoelektrische Element 6 vibriert die Membran 5, um das Volumen der Pumpenkammer 3 allmählich zu ändern.
2 zeigt die Wellenform des Innendrucks, angezeigt durch den Druck Manometerdruck (in 10⁵ Pa) der Pumpenkammer 3 und die Wellenform der Schwingung (in Mikron) der Membran 5, wenn die Pumpe bei einem Pumpenlastdruck von 1,5 × 10⁵ Pa (1,5 at) arbeitet und die Durchflussrate hoch ist. Bei der Wellenform der Membranschwingung entspricht der Bereich, in dem die Steigung der Wellenform positiv ist, der Phase, in der das Volumen der Pumpenkammer 3 aufgrund der Ausdehnung des piezoelektrischen Elements 6 abnimmt. Der Bereich dagegen, in dem die Steigung der Wellenform negativ ist, entspricht der Phase, in der das Volumen der Pumpenkammer 3 aufgrund der Kontraktion des piezoelektrischen Elements 6 zunimmt. Mit dem Beginn der Phase, in der das Volumen der Pumpenkammer 3 abnimmt, beginnt der Innendruck der Pumpenkammer 3 anzusteigen. Bedingt durch einen später zu beschreibenden Grund erreicht dann der Druck vor dem Abschluss des Volumenverringerungsprozesses einen Maximalwert und beginnt dann zu sinken. Außerdem nimmt der Druck allmählich ab, wenn die Phase, in der die Zunahme des Volumens der Pumpenkammer 3 beginnt, so dass während der Phase, in der das Volumen zunimmt, ein Unterdruckzustand im Innern der Pumpenkammer erzeugt wird, wodurch der Druck auf einem konstanten Wert von –1,01325 × 10⁵ Pa (–1 at) Manometerdruck (0 at absoluter Druck) gehalten wird.
3 stellt die Wellenform der Durchflussraten am Einlasskanal 1 und am Auslasskanal 2 zu diesem Zeitpunkt dar. In diesem Graphen ist die Durchflussrate des Fluid, das in Vorwärtsrichtung (Lastrichtung) fließt, wenn die Pumpe in Betrieb ist, als die normale Strömungsrichtung definiert.
Wenn der Innendruck der Pumpenkammer 3 ansteigt und höher wird als der Lastdruck, beginnt die Zunahme der Durchflussrate am Auslasskanal 2. Das Fluid im Innern der Pumpenkammer 3 beginnt, aus dem Auslasskanal 2 zu fließen, und an einem Punkt, an dem der aus dem Auslasskanal geflossene Volumenstrom größer wird als die Menge, um die das Volumen der Pumpenkammer 3 durch die Schwingung der Membran 5 abnimmt, beginnt der Innendruck der Pumpenkammer 3 zu sinken. Wenn der Innendruck der Pumpenkammer 3 sinkt und niedriger wird als der Lastdruck, beginnt die Durchflussrate am Auslasskanal 2 geringer zu werden. Diese Änderungsraten der Durchflussrate sind gleich der Differenz zwischen dem Innendruck der Pumpenkammer 3 und dem Lastdruck dividiert durch den Inertanzwert des Auslasskanals 2. Wird dagegen am Einlasskanal 1 der Innendruck der Pumpenkammer 3 niedriger als der Atmosphärendruck, bewirkt diese Druckdifferenz ein Öffnen des Rückschlagventils 4, so dass die Durchflussrate beginnt, zuzunehmen. Wenn der Innendruck der Pumpenkammer 3 ansteigt und größer wird als der atmosphärische Druck, beginnt die Durchflussrate geringer zu werden. Wie zu erwarten ist, sind die Änderungsraten der Durchflussrate gleich der Differenz zwischen dem Innendruck der Pumpenkammer 3 und dem atmosphärischen Druck dividiert durch den Inertanzwert des Einlasskanals 1. Der Rückschlageffekt des Rückschlagventils 4 verhindert eine Rückströmung.
Da der Inertanzwert des Einlasskanals 1 kleiner ist als der Inertanzwert des Auslasskanals 2, ist die Änderungsrate der Durchflussrate am Einlasskanal 1 größer als die am Auslasskanal 2, so dass ein Strömungsvolumen, das gleich ist der Fluidmenge, die aus dem Auslasskanal 2 ausgeströmt ist, innerhalb einer kurzen Zeitspanne in die Pumpenkammer 3 fließen kann. Ist der Inertanzwert des Einlasskanals größer als der Inertanzwert des Auslasskanals, wird im Auslasskanal eine Rückströmung erzeugt, da die Zeit, die das Fluid benötigt, um von einem Saugkanal einzuströmen, lang wird, so dass die Durchflussrate der Pumpe verringert und dadurch die Leistung der Pumpe verschlechtert wird.
Wie oben beschrieben braucht bei der Pumpe der vorliegenden Erfindung nur am Einlasskanal ein Ventil angeordnet zu werden, wodurch es möglich ist, den Druckverlust aufgrund des Weges vom Einlass- zum Auslasskanal zu verringern und die Zuverlässigkeit der Pumpe zu erhöhen. Da außerdem das Strömungsvolumen, das aus dem Auslasskanal geströmt ist, in kurzer Zeit in die Pumpenkammer strömen kann, liegen die Zeit, die zur Vergrößerung des Volumens der Pumpen kammer und die Zeit zur Verringerung in derselben Größenordnung, so dass der Aktuator, der den Kolben oder die Membran betätigt, mit hoher Frequenz arbeiten kann. Deshalb ist es möglich, eine kleine leichte Hochleistungspumpe bereitzustellen, die sich die Merkmale eines piezoelektrischen Elements voll zu Nutze macht. Außerdem kann die Pumpe unter einem hohen Lastdruck arbeiten.
Nunmehr folgt eine Beschreibung einer zweiten Ausführungsform einer Pumpe gemäß der Erfindung unter Bezugnahme auf 4.
4 ist eine Ansicht eines senkrechten Schnitts durch eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung. In dieser Ausführungsform ist ein Druckstoß-Dämpfungsmittel 12a, das eine Kammer 11a mit einer elastischen Wand 10a an ihrer Oberseite aufweist, an der Eintrittsseite eines Einlasskanals 1 für das Arbeitsfluid angeordnet, bei dem es sich um einen Abschnitt mit verringertem Durchmesser in der Nähe eines Rückschlagventils 4 handelt. Ein Abschnitt einer Wandoberfläche der Kammer 11a mit elastischer Wand ist mit einem Eintrittsverbindungsrohr 8 verbunden, um ein externes Rohr (nicht dargestellt) mit der Pumpe zu verbinden. Ein Druckstoß-Dämpfungsmittel 12b, das eine Kammer 11b mit einer elastischen Wand 10b an ihrer Oberseite aufweist, ist an der Austrittsseite eines Auslasskanals 2 des Arbeitsfluids angeordnet. Ein Abschnitt einer Wandoberfläche der Kammer 11b mit elastischer Wand ist mit einem Austrittsverbindungsrohr 9 verbunden, um ein externes Rohr (nicht dargestellt) mit der Pumpe zu verbinden.
Wenn das Maß der Volumenänderung pro Druckeinheit in jeder der Kammern 11a und 11b mit elastischen Wänden größer ist als das Maß der Volumenänderung pro Druckeinheit des Arbeitsfluids, das sich in den Kammern 11a und 11b mit elastischen Wänden befindet, kann für die elastischen Wände 10a und 10b jedes elastische Material verwendet werden, z. B. Kunststoff, Gummi oder eine metallische dünne Folie. Die elastischen Wände 10a und 10b können durch Befestigen von Teilen, die getrennt von den anderen Wandoberflächen der Kammern 11a und 11b mit elastischen Wänden hergestellt werden, oder durch Ausformen dünner Abschnitte der Wandoberflächen der elastischen Kammern, so dass sie integrale Strukturen bilden, ausgeführt werden Die Kammern 11a und 11 mit elastischen Wänden sind so verbunden, dass der gemeinsame Inertanzwert des Einlasskanals 1 kleiner ist als der gemeinsame Inertanzwert des Auslasskanals 2.
Da auf diese Weise Druckstöße, die durch das Öffnen und Schließen des Rückschlagventils 4 verursacht werden, gedämpft werden, ist es möglich, die Einflüsse des Inertanzwertes des Eintrittsverbindungsrohrs 8 und desjenigen eines externen Rohrs (nicht dargestellt), das mit dem Eintrittsverbindungsrohr 8 verbunden ist, zu verringern. Entsprechend dem Maß, in dem die Einflüsse des Inertanzwertes des Kanals im Eintrittsverbindungsrohr 8 eingeschränkt werden, kann ein Strömungsvolumen, das gleich ist der Durchflussrate des Fluids, das aus dem Auslasskanal 2 geströmt ist, von der Pumpe der ersten Ausführungsform in kurzer Zeit in die Pumpenkammer gebracht werden. Es ist deshalb möglich, die Zeitspanne, in der das Volumen der Pumpenkammer zunimmt und abnimmt, zu verkürzen, wodurch es möglich wird, eine Pumpe zu verwirklichen, die die Eigenschaften eines als Aktuator, der einen Kolben oder eine Membran betätigt, dienenden piezoelektrischen Elements voll ausnützt. Ferner ist es möglich, ein Rohr mit frei gewählter Abmessung an die Pumpe anzuschließen, ohne die Leistung der Pumpe zu verschlechtern.
Nunmehr folgt eine Beschreibung einer dritten Ausführungsform einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 5.
5 zeigt die dritte Ausführungsform der Pumpe in einer Draufsicht, in der der Abschnitt von einem Eintrittsverbindungsrohr 8 zu jedem Einlasskanal 1 und ein Abschnitt von einem Austrittsverbindungsrohr 9 zu jedem Auslasskanal 2 im Schnittdargestellt sind. In dieser Ausführungsform werden drei Pumpen des Typs der ersten Ausführungsform verwendet. Ein Mündungsabschnitt 13a ist zwischen dem Eintrittsverbindungsrohr 8 und jedem Einlasskanal 1 und ein Mündungsabschnitt 13b ist zwischen dem Austrittsverbindungsrohr 9 und jedem Auslasskanal 2 ausgebildet, so dass die Einlasskanäle 1 aller drei Pumpen und auch die Auslasskanäle 2 ineinander münden. Die gestrichelten Linien in 5 bedeuten, dass ein Antriebsmittel 14 mit jeder Pumpe verbunden ist, das einen Antriebsvorgang ausführt, in dem der Zeitpunkt, in dem sich das Volumen der Pumpenkammern relativ zueinander ändert, um 1/3 Periode versetzt.
Da auf diese Weise Druckstöße, die durch das Öffnen und Schließen der Ventile 4 verursacht werden, im Abschnitt oberhalb des Randabschnitts 13a zusammengeführt und gedämpft werden, ist es möglich, die Einflüsse des Inertanzwertes des Eintrittsverbindungsrohrs 8 und desjenigen eines externen Rohr (nicht dargestellt), das mit dem Eintrittsverbindungsrohr 8 verbunden ist, zu verringern. Dies resultiert in einem ähnlichen Effekt wie bei der obigen zweiten Ausführungsform erläutert.
Druckstöße, die aufgrund von Änderungen des Volumens jeder Pumpenkammer auftreten, werden am Austrittsverbindungsrohr, das nach dem Mündungsabschnitt angeordnet ist, um jede Pumpe nach außen zu verbinden, und an einem mit dem Austrittsverbindungsrohr verbundenen externen Rohr gedämpft. Deshalb ist es auch möglich, ein Rohr mit frei gewählter Abmessung an die Austrittsseite jeder Pumpe anzuschließen.
Die zweite und die dritte Ausführungsform werden vorzugsweise kombiniert, um die Druckstoß-Dämpfungswirkung zu verbessern.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen ist die verwendete Membran nicht auf eine kreisförmige beschränkt. Außerdem ist der Aktuator, der die Membran bewegt, nicht auf ein piezoelektrisches Element beschränkt, so dass jeder andere Aktuator verwendet werden kann, sofern er sich ausdehnt und zusammenzieht. Ferner ist das verwendete Rückschlagventil nicht auf ein solches beschränkt, das sich aufgrund einer Druckdifferenz eines Fluids öffnet und schließt, so dass andere Typen Rückschlagventile verwendet werden können, bei denen das Öffnen und Schließen durch eine andere Kraft als die durch eine Druckdifferenz eines Fluids erzeugte gesteuert wird.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, kann gemäß der Erfindung der Druckverlust aufgrund des Weges vom Einlasskanal zum Auslasskanal verringert werden, da ein Fluidwiderstandselement wie ein Ventil nur am Einlasskanal angeordnet zu werden braucht, und die Pumpe kann zuverlässiger ausgeführt werden. Da außerdem die erforderliche Zeit zum Vergrößern des Volumens einer Pumpenkammer und die erforderliche Zeit für seine Verringerung in der selben Größenordnung liegen können, kann ein Aktuator, der einen Kolben oder eine Membran betätigt, mit hoher Frequenz arbeiten. Deshalb kann eine kleine, leichte Hochleistungspumpe verwirklicht werden, die sich die Eigenschaften eines piezoelektrischen Elements voll zu Nutze macht, verwirklicht werden. Außerdem kann eine unter hohem Lastdruck arbeitende Pumpe verwirklicht werden.

Claims

Pumpe mit einer Pumpenkammer (3), deren Volumen durch ein bewegliches Element (5) verändert werden kann, einem piezoelektrischen Element (6) zum Bewegen des beweglichen Elements, einem Einlasskanal (1) zum Führen eines Arbeitsfluids in die Pumpenkammer (3) und einem Auslasskanal (2) zum Führen des Arbeitsfluids aus der Pumpenkammer (3), wobei der Gesamtinertanzwert des Einlasskanals (1) kleiner ist als der des Auslasskanals (2) und wobei der Einlasskanal (1) mit einem Fluidwiderstandselement (4) versehen ist, in dem der Fluidwiderstand kleiner ist, wenn das Arbeitsfluid in die Pumpenkammer (3) strömt, als dann, wenn das Arbeitsfluid ausströmt, dadurch gekennzeichnet, dass das piezoelektrische Element (6) zwischen dem beweglichen Element und einem Halteelement angeordnet ist.
Pumpe nach Anspruch 1, bei der ein Druckstoß-Dämpfungsmittel (10a), das ein Pulsieren des Arbeitsfluids dämpft, mit einer Arbeitsfluidtrittsseite des Einlasskanals (1) verbunden ist.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein Druckstoß-Dämpfungsmittel (10a), das ein Pulsieren des Arbeitsfluids dämpft, mit einer Arbeitsfluidaustrittsseite des Auslasskanals (2) verbunden ist.
Pumpe nach Anspruch 1, bei der eine Mehrzahl Pumpenkammern (3) und entsprechende Einlasskanäle (1) und Auslasskanäle (2) vorgesehen sind, wobei die Einlasskanäle (1) an der Arbeitsfluideintrittsseite ineinander münden, und wobei die Pumpe ferner ein Antriebsmittel (14) aufweist, das einen Antriebsvorgang ausführt, indem der Zeitpunkt, zu dem das Volumen einer beliebigen Pumpenkammer der Mehrzahl Pumpenkammern (3) relativ zu dem jeder der anderen Pumpenkammern (3) geändert wird, versetzt ist.
Pumpe nach Anspruch 4, bei der ein Druckstoß-Dämpfungsmittel (10a), das ein Pulsieren des Arbeitsfluids dämpft, mit einer Arbeitsfluideintrittsseite jedes dieser Einlasskanäle (1) verbunden ist.
Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, bei der die Auslasskanäle (2) an einer Arbeitsfluidaustrittsseite ineinander münden.
Pumpe nach Anspruch 6, bei der ein Druckstoß-Dämpfungsmittel (10a), das ein Pulsieren des Arbeitsfluids dämpft, mit einer Arbeitsfluidaustrittsseite jedes dieser Auslasskanäle (2) verbunden ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei der das Fluidwiderstandselement (4) ein Rückschlagventil ist.
Pumpe nach Anspruch 2, 3, 5 oder 7, bei der das Druckstoß-Dämpfungsmittel (10a, 10b) eine Kammer mit einer elastischen Wand enthält, von der zumindest ein Abschnitt von der elastischen Wand gebildet wird, und deren Maß der Volumenänderung pro Druckeinheit größer ist als das des Arbeitsfluids.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei der eine Arbeitsfluideintrittsseite des oder jedes der Einlasskanäle (1) und eine Arbeitsfluidaustrittsseite des oder jedes der Auslasskanäle (2) abgeschrägt oder abgerundet ist.
Pumpe nach einem der vorigen Ansprüche, bei der das bewegliche Element (5) einen Kolben und eine Membran enthält.