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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fördern eines insbesondere flüssigen Mediums,
bei dem das zu fördernde
Medium durch einen Förderraum geführt wird,
wobei der Förderraum
durch ein als flexible Membran ausgeführtes Wandelement begrenzt ist.
In der Membran wird eine stetig in eine Richtung fortgesetzte Wellenbewegung
erzeugt, die im Medium eine Strömung
in Richtung der Wellenbewegung erzwingt. Die Erfindung betrifft
weiterhin eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
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Aus
der
DE 103 45 694
A1 ist eine Vorrichtung zum Fördern von Medien bekannt, bei
der das zu fördernde
Medium durch einen Förderraum
mit mindestens einem als flexibel verformbare Membran ausgebildeten
Wandelement geführt
wird. Die Membran ist durch Antriebe auf der dem Förderraum
abgewandten Seite der Membran beaufschlagbar. Mit Hilfe der Antriebe
lassen sich in der Membran sich stetig in eine Richtung fortsetzende,
im Wesentlichen harmonische Wellen erzeugen. Durch diese Wellenbewegung
in der Membran wird das Medium in Richtung der Wellenbewegung mitgeführt, so
dass sich eine Strömung
zwischen dem Eingang und Ausgang der Vorrichtung bildet. Die Wellenbewegung
in der Membran wird dabei über
einen Antrieb angeregt. Als Antrieb ist in der
DE 103 45 694 A1 eine
Antriebswelle vorgesehen, entlang deren Längsachse mehrere Exzenter voneinander
beabstandet angeordnet sind. Benachbarte Exzenter sind jeweils um
einen Winkel gegeneinander versetzt, so dass sich eine schraubenförmige Anordnung
der Exzenter entlang der Längsachse
der Antriebswelle ergibt. Die Exzenter sind mit der Membran beispielsweise über einen Pleuelring
verbunden. An der Verbindung zwischen Pleuelring und Membran sind
Rippen oder Metalleinsätze
in Querrichtung auf der Membran angeordnet, so dass eine Wellenbewegung über die
gesamte Breite des Förderraums
erzeugt wird. Durch die schraubenförmige Anordnung der Exzenter
auf der Antriebswelle wird eine fortlaufende Wellenbewegung in der
Membran und damit in Längsrichtung
des Förderraums
erzeugt. Der Förderraum
wird in der
DE 103
45 694 A1 außer
von der beschriebenen Membran von weiteren, starren Wandelementen
und/oder weiteren Membranen begrenzt.
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Aus
der
DE 34 20 861 C2 ist
eine Schlauchpumpe für
medizinische Zwecke bekannt, bei der der Querschnitt eines in einer
Formrinne geführten,
elastisch verformbaren Schlauches durch Andruckrollen gequetscht
wird. Die Andruckrollen werden über
eine gewisse Strecke der Schlauchlänge abgerollt, wobei das Medium
infolge der Quetschung durch den Schlauch transportiert wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Förderung
insbesondere eines flüssigen
Mediums anzugeben, welche eine möglichst
schonende Förderung
des Mediums ermöglicht
bei einer gleichzeitig geringen Materialbeanspruchung der in der
Vorrichtung verwendeten Bauteile.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Fördern insbesondere eines flüssigen Mediums
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist dadurch gekennzeichnet, dass das als flexible Membran ausgeführte Wandelement
den Förderraum
zumindest annähernd
vollständig
umschließt
und dass die Wellenbewegung in der Membran zumindest annähernd über den
gesamten Umfang des Förderraums
erzeugt wird, so dass im Medium M eine nahezu drallfreie Strömung in
Richtung der fortgesetzten Wellenbewegung entsteht. Um eine Wellenbewegung
zu erzeugen, wird an mindestens einem ringförmigen Teilabschnitt der Membran
die Membran mit einer über
zumindest annähernd
den gesamten Umfang wirkenden Radialkraft beaufschlagt. Durch die Krafteinwirkung
auf die flexible Membran ändert
sich an dieser Stelle der Querschnitt des Förderraums. Bei einer über den
Umfang annähernd
konstanten Radialkraft bleibt die Querschnittsform des Förderraums
dabei weitgehend erhalten. Durch die Erzeugung der Wellenbewegung über den
gesamten Umfang des Förderraums
gleichen sich die auf das Medium wirkenden Kräfte in radialer Richtung des
Förderraums
aus. Dadurch entsteht im Medium eine nahezu drallfreie Strömung in
Richtung der fortgesetzten Wellenbewegung. Ein weiterer Vorteil
des Verfahrens besteht darin, dass durch die Beibehaltung der Querschnittsform
des Membranquerschnitts eine Quetschung des zu fördernden Mediums weitgehend vermieden
wird. Somit ermöglicht
dieses Verfahren eine besonders schonende Förderung eines Mediums.
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Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Durchführung
des Verfahrens ist ein Abschnitt des als flexible Membran ausgeführten Wandelements von
einem Antrieb umschlossen ausgeführt.
Dabei ist der Antrieb so ausgestaltet, dass er zumindest annähernd über den
gesamten Umfang des Wandelements eine Kraft in radialer Richtung
auf das Wandelement ausüben
kann. Mit einem solchen Antrieb lässt sich eine Wellenbewegung
mit gleicher Amplitude zumindest annähernd über den gesamten Umfang des
Förderraums
erzeugen.
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In
Ausgestaltung der Erfindung sind zwei oder mehr Antriebe entlang
einer Längsachse
des Förderraums
angeordnet. Die Antriebe sind voneinander beabstandet angeordnet
und jeweils einen ringförmigen
Teilabschnitt des Förderraums
umfassend ausgeführt.
Mit jedem dieser Antriebe lässt
sich eine radiale Kraft über
den gesamten Umfang auf das Wandelement ausüben. Durch eine entsprechende Ansteuerung
der Antriebe lässt
sich eine in Längsrichtung
des Förderraums
fortlaufende Wellenbewegung erzeugen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Antriebe einen
in der Länge
veränderbaren
Arbeitskörper, über den
entlang des Umfangs des Wandelements eine Kraft in radialer Richtung
auf das Wandelement ausgeübt
werden kann. Der längenveränderliche
Arbeitskörper
ist dabei das Wandelement umfassend ausgeführt. Eine Längenänderung des Arbeitskörpers bewirkt
eine Einschnürung
des Wandelements. Somit wird eine Kraft in radialer Richtung auf
das Wandelement ausgeübt.
Die Längenänderung
des Arbeitskörpers
erfolgt dabei vorzugsweise gleichmäßig über die gesamte Länge des
Arbeitskörpers.
Durch die Längenänderung
wird die Querschnittsfläche
eines von einem Antrieb umschlossenen Abschnitts des Förderraums
verändert,
die Querschnittsform bleibt jedoch weitgehend erhalten.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Antriebe einen
im Volumen veränderbaren Arbeitskörper, über den
entlang des Umfangs des Wandelements eine Kraft in radialer Richtung
auf das Wandelement ausgeübt
werden kann. Der Arbeitskörper
ist das Wandelement umfassend ausgeführt. Die mittlere Länge des
Arbeitskörpers
bleibt bei einer Volumenänderung
zumindest annähernd
konstant. Eine Volumenänderung
kann zum Beispiel durch Aufpumpen eines Schwellkörpers erzielt werden. Auch
bei dieser Ausgestaltung bleibt die Querschnittsform eines von einem
Antrieb umschlossenen Abschnitts des Förderraums nahezu unverändert und
es wird lediglich die Querschnittsfläche variiert.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind im Arbeitskörper induktive,
piezoelektrische, elektrische, mechanische, hydraulische und/oder
pneumatische Stellelemente angeordnet, mittels derer der Arbeitskörper in
der Länge
und/oder im Volumen veränderbar
ist. Eine Verkürzung
oder Verlängerung
des Arbeitskörpers
kann beispielsweise mit Hilfe von Piezoelementen im Arbeitskörper erreicht
werden. Ein Beispiel für
ein mechanisches Stellelement besteht aus einem um das Wandelement
geschlungenen Seilzug, bei dem durch Ausüben einer Kraft an beiden Enden
des Seilzugs das Wandelement eingeschnürt wird. Hydraulische und pneumatische
Stellelemente eignen sich insbesondere in Verbindung mit entsprechenden
Schwellkörpern
dazu, eine Volumenänderung
des Arbeitskörpers
herbeizuführen.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung beinhaltet die Vorrichtung
zusätzlich
ein Steuersystem, mit dessen Hilfe Amplitude und Frequenz der von den
Stellelementen erzeugten Längenänderung und/oder
Volumenänderung
des Arbeitskörpers
steuerbar sind. Damit lässt
sich die Förderleistung
der Pumpe insbesondere an die Empfindlichkeit der Flüssigkeitsbestandteile
anpassen.
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Eine
vorteilhafte Ausführungsform
der Erfindung ist in der Zeichnung veranschaulicht und wird nachfolgend
beschrieben. Dabei sind die vorstehend genannten und nachfolgend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Merkmalskombination, sondern
auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne
den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Eine
zur Förderung
eines flüssigen
Mediums, beispielsweise Wasser, Kühlmittel, Hydraulikflüssigkeit,
Bremsflüssigkeit
oder Schmieröl,
vorgesehene Fördereinheit 1 beinhaltet
eine Einlassvorrichtung 3, einen Förderraum 6, eine Auslassvorrichtung 16 sowie
Antriebe 9, mit deren Hilfe das zu fördernde Medium M durch den
Förderraum 6 transportiert
wird. In der Figur wird das Medium M durch einen Anschlussschlauch 2 zur
Fördereinheit 1 geleitet. Der
Anschlussschlauch 2 ist in geeigneter Weise mit einem Anschlussvorrichtung 4 der
Einlassvorrichtung 3 verbunden. Die Anschlussvorrichtung 4 kann
beispielsweise als Kupplungsstück
ausgestaltet sein, auf das das eine Ende des Anschlussschlauchs 2 aufgesteckt
und durch eine nicht dargestellte Schlauchklemme gesichert wird.
Eine Verbindung zwischen der Einlassvorrichtung 3 und dem
Anschlussschlauch 2 kann aber auch in grundsätzlich bekannter
Weise über
eine lösbare
Kupplung hergestellt werden.
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In
der Einlassvorrichtung 3 wird das Medium M zum Förderraum 6 weitergeleitet.
Die Einlassvorrichtung 3 ist bevorzugt aus einem formstabilen
Material hergestellt und beinhaltet einen Strömungskanal 5, über den
das Medium M zum Förderraum 6 transportiert
wird. Im Strömungskanal 5 findet
durch eine entsprechende Erweiterung, Verengung oder eine sonstige Änderung
der Querschnittsform eine Anpassung des Strömungsquerschnitts vom Querschnitt
des Anschlussschlauchs 2 auf den Querschnitt des Förderraums 6 statt.
Die Anpassung des Strömungsquerschnitts
erfolgt dabei bevorzugt durch kontinuierliche Übergänge, um Verwirbelungen bei der
Durchströmung
des Strömungskanals 5 zu
vermeiden.
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Im
Anschluss an die Einlassvorrichtung 3 wird das zu fördernde
Medium M in den Förderraum 6 eingeleitet.
Der Förderraum 6 ist
durch ein Wandelement begrenzt, das in einer bevorzugten Ausführungsform
als schlauchförmige, über den
gesamten Umfang flexible Membran 7 ausgebildet ist. Die Membran 7 ist
in Strömungsrichtung
gesehen am stromaufwärts
gelegenen Ende mit der Einlassvorrichtung 3 und am stromabwärts gelegenen
Ende mit der Auslassvorrichtung 16 verbunden. Eine Verbindung
zwischen der Einlassvorrichtung 3 beziehungsweise der Auslassvorrichtung 16 und
der Membran 7 kann beispielsweise durch eine Klemmvorrichtung
in der Einlassvorrichtung 3 beziehungsweise der Auslassvorrichtung 16 realisiert
sein, in die die beiden Enden der Membran 7 eingespannt
und über
einen geeigneten Klemmmechanismus fixiert sind.
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In
der in der Figur gezeigten Ausführungsform
ist die Membran 7 mit einem in Strömungsrichtung nahezu konstanten
Querschnitt ausgestaltet. Es sind jedoch auch Querschnittsänderungen
in Durchströmungsrichtung
möglich,
ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. In einer
bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Membran 7 Abschnitte 8, die aus weichem,
biegeschlaffem Material bestehen und so gestaltet sind, dass sie
bei Anliegen eines leichten Überdrucks
im Förderraum
eine Form annehmen, die den Durchfluss einer Flüssigkeit gestattet.
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Nach
Durchströmen
des Förderraums 6 wird das
Medium M in eine Auslassvorrichtung 16 eingeleitet. Die
Auslassvorrichtung 16 besteht wie die Einlassvorrichtung 3 bevorzugt
aus einem formstabilen Material. Innerhalb der Auslassvorrichtung 16 ist analog
zur Einlassvorrichtung 3 eine Änderung des durchströmten Querschnitts
möglich,
wobei eine Querschnittsänderung
auch hier bevorzugt kontinuierlich erfolgt. Im Anschluss an die
Auslassvorrichtung 16 ist ein Auslassschlauch 17 angeordnet,
der mit der Auslassvorrichtung 16 in prinzipiell bekannter Weise
mit der Einlassvorrichtung 3 verbunden ist.
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Die
Antriebe 9 sind die aus biegeschlaffem Material bestehenden
Abschnitte 8 der Membran 7 umfassend ausgeführt. Gemäß der Darstellung
in der Figur sind vier Antriebe 9 vorgesehen, es sind aber auch
Ausführungsformen
mit mehr oder weniger Antrieben möglich. Die biegeschlaffen Abschnitte
der Membran 8 und die ihnen zugeordneten Antriebe 9 in Durchströmungsrichtung
sind in einer bevorzugten Ausführungsform
gleichmäßig voneinander
beabstandet angeordnet. Sie können
jedoch ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen auch
ungleichmäßig voneinander
beabstandet angeordnet sein, beispielsweise mit linear, quadratisch oder
exponentiell steigendem oder fallendem Abstand zwischen zwei benachbarten
Abschnitten. In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform sind
die biegeschlaffen Abschnitte der Membran und die ihnen zugeordneten
Antriebe unmittelbar benachbart zueinander angeordnet, so dass das
Wandelement in dem zwischen dem ersten und dem letzten Antrieb liegenden
Abschnitt mit durchgehend biegeschlaffem Material ausgeführt sein
kann.
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Die
Antriebe 9 umfassen jeweils eine Halterung 13 sowie
einen Arbeitskörper 14.
Der Arbeitskörper 14 beinhaltet
Stellelemente 15, über
die eine Längenänderung
und/oder eine Volumenänderung des
Arbeitskörpers 14 bewirkt
werden kann. In einer möglichen
Ausführungsform
sind als Stellelemente 15 piezoelektrische Aktoren vorgesehen,
die bei Anliegen einer Spannung eine Kontraktion bewirken. Die Kontraktion
in den piezoelektrischen Aktoren führt zu einer Verkürzung und
Verdickung des die Membran 7 umfassenden Arbeitskörpers 14.
In einer alternativen Ausführungsform
wird eine Längenänderung
und/oder Querschnittsänderung
des Arbeitskörpers 14 durch
eine Anordnung von induktiven, elektrischen, mechanischen, hydraulischen
und/oder pneumatischen Stellelementen 15 im Arbeitskörper 14 erreicht.
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Durch
die Längen-
und/oder Volumenänderung
der Arbeitskörper 14 werden
die biegeschlaffen Abschnitte 8 mehr oder weniger eingeschnürt und das
Medium M aus dem entsprechenden Abschnitt des Förderraums 6 verdrängt. Über eine
entsprechend aufeinander abgestimmte Ansteuerung aller Antriebe 9 wird
in der Membran 7 eine in Strömungsrichtung über den
gesamten durchströmten
Querschnitt ausgebildete Wellenform gebildet, die bei einer entsprechenden
Ansteuerung stetig oder pulsierend in eine Richtung wandert. Durch
diese in der Membran 7 erzeugte Wellenbewegung wird das
Medium M im Förderraum 6 von
der Einlassvorrichtung 3 zur Auslassvorrichtung 17 weitertransportiert.
Die Wellenform ist dabei durch die Stärke der Ansteuerung der einzelnen
Antriebe 9 steuerbar. Eine geringe Anregung der Arbeitskörper 14 in
den Antrieben 9 bewirkt eine geringe Querschnittsveränderung
im Förderraum 6,
so dass nur eine flache Wellenform erzeugt wird. Eine stärkere Anregung
bewirkt eine größere Querschnittsverringerung
im Förderraum 6 und damit
eine steilere Wellenform. Im Extremfall ist die durch die Antriebe 9 erzeugte
Querschnittsänderung des
Förderraums
so groß,
dass der Querschnitt vollständig
geschlossen wird.
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Die
Antriebe 9 sind über
Steuerleitungen 19, beispielsweise Kabel, mit einem Steuersystem 18 verbunden.
Mit Hilfe des Steuersystems 18 sind Amplitude und Frequenz
der Längenänderung
und/oder Volumenänderung
der Arbeitskörper 14 und
damit die im Förderraum 6 erzeugte
Wellenform steuerbar. Das Steuersystem 18 ermöglicht eine
Anpassung der Wellenform sowohl an den Betriebszustand der Fördereinheit 1 (beispielsweise
Anlaufen, Förderbetrieb oder
Abschalten) als auch an die Betriebsbedingungen (beispielsweise
Viskosität
des Mediums M).
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In
einem bevorzugten Verfahren werden bei Förderbeginn zunächst alle
Antriebe 9 gleichmäßig angeregt,
so dass sich eine gleichmäßige Querschnittsverringerung
in dem Förderraum 6 ergibt.
Um die Förderung
einzuleiten, wird anschließend
der am Strömungseingang
liegende Antrieb 9 derart angesteuert, dass sich eine Erweiterung
in dem von ihm umgebenen Abschnitt des Förderraums 6 einstellt. Durch
die Querschnittserweiterung wird das zu fördernde Medium M angesaugt
und mit Hilfe der beschriebenen wellenförmigen Anregung der nachfolgenden
Antriebe 9 durch den Förderraum 6 transportiert.
Auf diese Weise wird eine besonders schonende Behandlung des zu
fördernden
Mediums M erreicht und Quetschungen des Mediums werden vermieden.
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Bei
einer Ausführung
der Vorrichtung mit fünf oder
mehr Antrieben ist es zudem möglich,
Wellenformen mit mehr als einer Wellenperiode zu erzeugen. Dadurch
ist ein gleichmäßigerer
Strömungsverlauf
erreichbar.
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Die
Geschwindigkeit, mit der das Medium M durch den Förderraum 6 transportiert
wird, hängt
von der Frequenz ab, mit der die Antriebe 9 aufeinander abgestimmt
angesteuert werden. Der Zeitverzug zwischen benachbarten Antrieben richtet
sich dabei nach der angestrebten Durchströmgeschwindigkeit des Mediums
M beziehungsweise nach der Fortpflanzungsgeschwindigkeit der durch
den vorangehenden Antrieb erzeugten Druckwelle.
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Durch
die gleichmäßige Querschnittsänderung
im Förderraum 6 beim
Fördervorgang
wird das Membranmaterial gleichmäßig beansprucht
und lokale Quetschungen oder Knickungen im Membranmaterial werden
vermieden. Dadurch wird zum einen eine verlängerte Lebensdauer der Membran
erzielt, zum anderen werden Quetschungen des zu fördernden
Mediums minimiert. Die Fördereinheit 1 ermöglicht daher
eine besonders schonende Förderung des
Mediums und bietet sich insbesondere für Medien mit leicht zerstörbaren Bestandteilen
an. Durch die Verwendung mehrerer, individuell ansteuerbarer Antriebe 9 sind
Amplitude und Frequenz der Anregung variierbar, wodurch sich der
Förderdruck
und die Fördergeschwindigkeit
gut an das zu fördernde Medium
anpassen lassen. Die Fördereinheit 1 zeichnet
sich zudem durch einen einfachen Aufbau und einen hohen Wirkungsgrad
aus.