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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft eine flexible Membran gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1, eine Membrananordnung gemäß Anspruch
4, eine Vorrichtung gemäß Anspruch
6 sowie eine Verwendung gemäß Anspruch
12.
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Flexible
Membrane werden als sogenannte Schwingungsmembrane (Oszillationsmembrane)
in vielen Gebieten der Technik, beispielsweise als Bestandteil eines
Aktors oder eines Sensors, oder eines Druck- und/oder Pulsationsdämpfers eingesetzt.
Als Membranmaterial kommen, je nach Anwendungszweck, häufig Metall,
insbesondere Stahlblech, oder Kunststoff, zur Anwendung. Für Komponenten
zur Dämpfung
von Druckspitzen und Druckpulsationen, beispielsweise in Einspritzventilen
und Einspritzpumpen, werden in der Praxis meist aus Stählen gefertigte
Membrane eingesetzt. Nachteilig hierbei ist das vergleichbar hohe
E-Modul, das zu einem verbesserungsbedürftigen Ansprech- und/oder
Regelverhalten der bekannten Stahl-Membrane führt. Ein weiterer Nachteil
besteht darin, dass aus Stahl ausgebildete, flexible Membrane in
der Regel eine Wärmebehandlung
und eine Weichbearbeitung erfordern, um die gewünschten Materialeigenschaften
zu erhalten.
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Offenbarung der Erfindung
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Technische Aufgabe
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Membran mit einem
verbesserten Ansprech- und/oder Regelverhalten vorzuschlagen. Ferner
besteht die Aufgabe darin, eine entsprechend optimierte Membrananordnung
umfassend mindestens zwei Membrane vorzuschlagen. Darüber hinaus besteht
die Aufgabe darin, eine Vorrichtung mit mindestens einer Membran
und/oder Membrananordnung vorzuschlagen, die ein optimiertes Ansprech- und/oder
Regelverhalten aufweist/aufweisen.
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Technische Lösung
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich der Membran mit den Merkmalen des Anspruchs
1, hinsichtlich der Membrananordnung mit den Merkmalen des Anspruchs
4 und hinsichtlich der Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
6 gelöst.
Ferner wird die Aufgabe durch eine Verwendung gemäß Anspruch 12
gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest
zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die flexible, vorzugsweise
impermeable, Membran, zumindest zum Teil, vorzugsweise vollständig, aus einem
metallischen Glas auszubilden. Metallische Gläser sind amorphe Metalle, d.
h. Legierungen, die auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern
eine amorphe Struktur aufweisen. Im Vergleich zu dem bekannten,
kristallinen, metallischen Legierungssystem wer den dabei bei Einhaltung
hoher Festigkeitsmodule vergleichsweise niedrige E-Module realisiert, was
dazu führt,
dass eine flexible, zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aus
metallischem Glas ausgebildete Membran, insbesondere wenn diese als
Bestandteil eines Aktors, eines Sensors oder eines Dämpfers eingesetzt
wird, ein optimiertes Ansprech- und/oder Regelverhalten aufweist.
Eine aus metallischem Glas ausgebildete flexible Membran zeichnet
sich darüber
hinaus durch eine hohe Oberflächengüte aus.
Weiterhin erfordern metallische Gläser keine Wärmebehandlung und keine Weichbearbeitung,
was die Fertigung einer aus metallischem Glas bestehenden flexiblen
Membran im Vergleich zu bekannten Membranen erleichtert. Als weiterer
wesentlicher Vorteil von aus metallischem Glas bestehenden Membranen
besteht darin, dass diese sich besonders für eine hochpräzise, sogenannte Net-Shape-Fertigung
eignen. Besonders bevorzugt ist eine Fertigung der Membran in einem
Gussverfahren, insbesondere in einem Spritzgussverfahren, ggf. mit
nachfolgenden Umformprozessen, da beim Erkalten des Gussteils nur
geringste Schrumpfungen zu erwarten sind, da es aufgrund der amorphen
Mikrostruktur im Vergleich zu kristallinen Systemen nicht zu einer
Phasenumwandlung kommt. Metallische Gläser, beispielsweise auf Basis
von Zr, Fe, Ni, Cu, Ti, Mg, Al werden bevorzugt durch rasches Abkühlen einer
Schmelze hergestellt, sodass den Atomen die Beweglichkeit geraubt
wird, bevor sie eine Kristallanordnung einnehmen können. Der
thermische Ausdehnungskoeffizient einer zumindest teilweise aus
metallischem Glas gebildeten flexiblen Membran ist dabei gering.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Membran, bei
der diese sich (in gewissen Grenzen von beispielsweise 1%) rein
elastisch verformen lässt.
Hierbei geht die aufgenommene Energie nicht als Verformungsenergie
verloren, sondern wird beim Zurückfedern
der Membran wieder vollständig
abgegeben. Ein weiterer Vorteil von aus metallischem Glas bestehender
Membrane besteht in der zum Teil hohen Korrosionsbeständigkeit,
wodurch sich derartig ausgebildete Membrane insbesondere für den Einsatz
im Zusammenhang mit aggressiven Flüssigkeiten, wie beispielsweise
Kraftstoff eignen.
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Von
besonderem Vorteil ist eine Ausführungsform,
bei der die insbesondere flächige,
flexible Membran einen Einspannungsrand aufweist, an dem die Membran
innerhalb einer Vorrichtung, beispielsweise einem Aktor oder Sensor,
eingespannt wird, um relativ zu der Einspannung schwingen zu können. Dabei
sind die unterschiedlichsten Anwendungen einer derartigen Schwingungsmembran
aus metallischem Glas denkbar. Beispielsweise kann die Schwingungsmembran
in Mikrophonen, Lautsprechern, Druckmessern, Pumpen, Musikinstrumenten, etc.
eingesetzt werden.
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Die
Erfindung führt
auch auf eine Membrananordnung, umfassend mindestens zwei aneinander festgelegte,
zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig aus metallischem Glas
ausgebildete Membrane. Derartige Membrananordnungen eignen sich insbesondere
zum Einsatz in einem und/oder als Druck-/Pulsationsdämpfer. Hierzu
ist ein innerhalb der Membrananordnung aufgenommenes Fluidvolumen
vorzugsweise von einem die Membrananordnung außen umgebenden Fluidvolumen
getrennt.
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Eine
Möglichkeit
zur Herstellung einer Membrananordnung besteht dabei darin, mindestens zwei,
vorzugsweise ausschließlich
zwei, halbschalenförmige
Membrane, insbesondere randseitig, beispielsweise durch Schweißen, Kleben
oder Umformen aneinander festzulegen.
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Die
Erfindung führt
auch auf eine Vorrichtung mit mindestens einer zuvor beschriebenen
flexiblen Membran und/oder mit, mindestens einer zuvor beschriebenen
Membrananordnung. Besonders bevorzugt handelt es sich um eine Vorrichtung,
bei der es auf ein exaktes Ansprech- und/oder Regelverhalten der
Membran ankommt. Beispielsweise kann die Vorrichtung als (Membran-)Pumpe
und die Membran darin als Pumpmembran ausgebildet werden. Besonders
bevorzugt ist die Ausbildung der Vorrichtung als Einspritzkomponente
zum Einspritzen von Kraftstoff in einen Brennraum einer Brennkraftmaschine.
Hierbei kann es sich beispielsweise um einen Kraftstoff-Injektor
oder eine Kraftstoffpumpe handeln. Auch ist die Ausbildung der Vorrichtung
als Dämpfungsvorrichtung
realisierbar.
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Für die meisten
Anwendungen ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der die Membran und/oder die Membrananordnung, vorzugsweise randseitig,
eingespannt ist, insbesondere um innerhalb der Einspannung schwingen
zu können.
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Insbesondere
dann, wenn die Vorrichtung als Aktuator ausgebildet ist oder einen
Aktuator umfasst, ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der die Membran und/oder die Membrananordnung aktiv
ansteuerbar ist. Hierzu kann die Membran bzw. die Membrananordnung
mit Antriebsmitteln zum Verstellen der Membran bzw. zur Schwingungsanregung verbunden
sein. Als Aktuator kommen beispielsweise elektromagnetische, piezoelektrische
oder mechanische Antriebe zum Einsatz. Im Falle der Ausbildung der
Vorrichtung als Sensor oder im Falle des Vorsehens eines Sensors
innerhalb der Vorrichtung, deren Bestandteil die Membran ist, kann
die Membran mit Sensormitteln gekoppelt werden, um die Aus lenkung
und/oder Schwingung der Membran zu detektieren. Hierzu eignen sich
beispielsweise elektromagnetische, piezoelektrische oder mechanische Sensormittel.
Es ist auch beispielsweise der Einsatz von optischen oder akustischen
Sensormitteln realisierbar.
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Insbesondere
dann, wenn die Vorrichtung als Dämpfer
ausgebildet ist oder einen Dämpfer
umfasst, ist eine Ausführungsform
bevorzugt, bei der die Membran und/oder Membrananordnung einen,
insbesondere gegenüber
der Umgebung abgedichteten, Raum, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig, umschließen/umschließt. Dabei
kann innerhalb des Raums ein von der Umgebung unterschiedlicher
Druck vorherrschen, bzw. das Raumvolumen kann als Druck-/Pulsationsdämpfervolumen dienen.
Im Falle der Ausbildung der Vorrichtung als Dämpfer ist eine Ausführungsform
realisierbar, bei der das Raumvolumen von einer, beispielsweise
mittels zweier Halbschalen gebildeten Membrananordnung, umschlossen
ist. Alternativ ist der Raum von einer einzigen Membran verschließbar, wobei
die Membran beispielsweise durch Hochdruckumformen, beispielsweise
mit Innenhochdruck, in die gewünschte
Form bringbar ist. Der Raum kann mit einem Verschluss versehen werden,
der beispielsweise durch Löten,
Schweißen,
oder Verschrauben an der Membran festlegbar ist.
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Wie
vorher erwähnt,
ist eine Ausführungsform
der Vorrichtung als Einspritzkomponente, insbesondere als Kraftstoff-Injektor oder als
Kraftstoff-Membranpumpe von Vorteil, da es in diesem Einsatzgebiet
zum einen auf eine hohe Korrosionsbeständigkeit der Membran und zum
anderen auf ein exaktes Ansprech- und Regelverhalten ankommt.
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Die
Erfindung führt
auch auf eine Verwendung von metallischem Glas zur Herstellung einer
flexiblen Membran. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die flexible
Membran nur teilweise oder vollständig aus einem metallischen
Glas auszubilden. Denkbar ist auch ein Schichtaufbau der flexiblen Membran,
wobei mindestens eine Schicht, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise
vollständig
aus metallischem Glas besteht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand
der Zeichnungen. Diese zeigen in:
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1 eine
Vorrichtung, bei der eine aus metallischem Glas bestehende Membran
mittels eines elektromagnetischen Aktuators ansteuerbar ist,
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2 eine
Vorrichtung, bei der eine aus metallischem Glas bestehende Membran
mittels eines mechanischen Aktuators anregbar ist,
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3 eine
mögliche
Ausführungsform
eines Druck-/Pulsationsdämpfers,
umfassend eine Membrananordnung bestehend aus zwei halbschalenförmigen Membranen
aus metallischem Glas und
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4 ein
Druck-/Pulsationsdämpfer
mit einer hochdruckumgeformten Membran aus metallischem Glas.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In
der Figur sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion
mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist
eine beispielsweise als Membranpumpe für flüssige Medien dienende Vorrichtung 1 gezeigt.
Die Vorrichtung 1 umfasst eine flexible Membran 2,
die halbschalenförmig
ausgebildet ist. Die flexible Membran 2 ist vollständig aus
metallischem Glas (amorphem Metall) ausgebildet. In einem zentrischen
Bereich weist die flexible Membran 2 einen Flachabschnitt 3 auf,
der axial gegenüber
einem Einspannrand 4 versetzt angeordnet ist. Mit ihrem
Einspannrand 4 ist die flexible Membran 2 ortsfest
in einer nicht gespannten Einspanneinrichtung eingespannt. Auf der
von dem Einspannrand 4 abgewandten Seite des Flachabschnitts 3 ist
an der flexiblen Membran 2 ein ferromagnetischer Werkstoff 5 (Anker)
festgelegt. Auf das Vorsehen eines derartigen ferromagnetischen
Werkstoffes 5 kann dann verzichtet werden, wenn die flexible
Membran 2 selbst ferromagnetisch ausgebildet ist. Die Kopplung,
bzw. der Antrieb der flexiblen Membran 2 in mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnete
Verstellrichtungen, erfolgt mittels eines elektromagnetischen Aktuators 6,
welcher in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
einen zylindrischen Weicheisenkern 7 sowie eine darauf
aufgewickelte, elektrische Spule 8 aufweist. Durch Bestromung
der Spule 8 kann ein elektromagnetisches Feld erzeugt werden,
das die flexible Membran 2 – je nach Polung – in die
Verstellrichtungen 9 auslenkt.
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In 2 ist
eine alternative Vorrichtung 1 gezeigt, die ebenfalls beispielsweise
als Membranpumpe für
flüssige
Me dien eingesetzt werden kann. Die analog zu dem Ausführungsbeispiel
gemäß 1 ausgeformte
flexible Membran 2 aus metallischem Glas ist über einen
mechanischen, eine Kolbenstange 11 umfassenden Aktuator 10 in
den Verstellrichtungen 9 auslenkbar. Die Kolbenstange 11 ist
mittels einer Konterschraube 12 an dem zentrischen Flachabschnitt 3 der
flexiblen Membran 2 festgelegt. Die Kolbenstange 11 ist
beispielsweise mit einem Exzenterantrieb wirkverbunden.
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In 3 ist
eine Membrananordnung 13 gezeigt, die in einer Vorrichtung
als Druck-/Pulsationsdämpfer
einsetzbar ist. Die Membrananordnung 13 ist gebildet aus
zwei halbschalenförmigen,
flexiblen Membranen 2, die randseitig im Bereich ihres
jeweiligen Einspannrandes 4 aneinander durch Verschweißen und
Ausbilden einer Fügenaht 16 festgelegt
sind. Die flexible Membran 2 bzw. die Membrananordnung 13 begrenzt/begrenzen
einen inneren Raum 14, der mit Hilfe der impermeablen Membran 2 gegenüber der
Umgebung 15 abgedichtet ist.
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Von
außen
verursachte Membranschwingungen der flexiblen Membran 2 werden
durch das innerhalb des Raums 14 befindliche Medium gedämpft.
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In 4 ist
eine alternativ ausgeformte, als Druck-/Pulsationsdämpfer einsetzbare
Membran 2 gezeigt. Die Membran 2 besteht dabei
vollständig aus
metallischem Glas. Die Membran 2 wurde durch einen Hochdruckumformprozess
erhalten, wobei innerhalb der Membran 2 bzw. des zu erzeugenden Raumes 14 ein Überdruck
aufgebaut wurde. Die gezeigte Membran 2 ist im Wesentlichen
ausgeformt wie die Membrananordnung 13 gemäß 3 und umfasst
zwei parallele, zentrische Flachabschnitte 3, die gegenüber dem
Randbereich bzw. dem radial äußeren Bereich
axial nach innen versetzt angeordnet sind. Nach dem Umformprozess
kann die zum Einbringen eines Innendrucks notwendige Öffnung 17 mittels
eines Verschlusses 18 abgedichtet werden, wobei der Verschluss 18 beispielsweise
durch Löten, Schweißen, Verschrauben,
etc. an der Membran 2 aus metallischem Glas festlegbar
ist.