DE10234584B3

DE10234584B3 - Piezoelektrisch betätigbare Pumpe

Info

Publication number: DE10234584B3
Application number: DE10234584A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dr. Heinrich; Dietmar Dr. Türpe; Bernd Kärcher; Martin Maichl
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2002-07-30
Filing date: 2002-07-30
Publication date: 2004-04-08
Anticipated expiration: 2022-07-31

Abstract

Die piezoelektrisch betätigte Pumpe weist einen Piezo-Aktuator (2), einen Pumpkörper (8) und ein dazwischen angeordnetes, zur Übertragung und Verstärkung der Schwingungen des Piezo-Aktuators (2) geeignetes Feder-Masse-System auf. Bei Anlegen einer Spannung an den Piezo-Aktuator führt dieser in Richtung seiner Längsachse einen Stellhub aus. Der Stellhub wird über ein Koppelstück auf ein Feder-Masse-System übertragen, das aus zwei vorgespannten Federn (4, 4') und einer zwischen ihnen angeordneten Schwingmasse (5) besteht. Durch geeignete Dimensionierung der Federn (4, 4') und der Schwing-Masse (5) wird bei periodischer Erregung des Piezo-Aktuators in Resonanz der Stellhub des Piezo-Aktuators ca. 50fach verstärkt; ebenso die Förderleistung der Pumpe für Flüssigkeiten und Gase.

Description

Die Erfindung betrifft eine piezoelektrisch betätigbare Pumpe, mit einem Piezo-Aktuator, der beim Anlegen einer elektrischen Spannung einen Arbeitshub ausführt, und mit einem mit dem Piezo-Aktuator in Antriebsverbindung stehenden beweglichen Pumpkörper, mit dem aus wenigstens einer Zuführung Medium ansaugbar ist, wobei die Antriebsverbindung mittels einem aus mindestens einer Feder und einer daran angeordneten Schwingmasse bestehenden Feder-Masse-System und einer surren Kopplung zwischen der Schwingmasse und dem Pumpkörper realisiert ist.

In der DE 87 04 314 U1 wird eine Pumpe beschrieben, die im wesentlichen aus einem säulenförmigen Piezostellelement besteht, dessen axiale Länge durch Anlegen einer elektrischen Spannung veränderbar ist. Die Längen-änderung des Piezostellelementes wird als Stellhub verwendet, um das Volumen eines Förderraumes zu reduzieren, in dem sich das zu fördernde Medium, in diesem Fall ist es eine Flüssigkeit, befindet. Durch die Volumenreduzierung des Förderraumes wird das Medium aus dem Förderraum herausgepresst, wobei der Stellhub des Piezostellelementes proportional zur angelegten Spannung ist. Der Förderraum ist aus elastischen Wänden gebildet, so dass der Stellhub nur bedingt zur Flüssigkeitsförderung umgesetzt wird.

In DE 195 25 087 C1 wird ebenfalls eine Flüssigkeitspumpe zum Dosieren kleiner Flüssigkeitsmengen vorgeschlagen. Auch hier wird der Stellhub eines Piezostellelementes zur Volumenverringerung eines die zu fördernde Flüssigkeit aufnehmenden Förderraumes genutzt, indem auf ein elastisches Formteil mit tels des Piezostellelementes gedrückt wird, und in Neuerung zum DE 87 04 314 U1 das elastische Formteil durch feste äußere Seitenwände am Ausweichen gehindert wird.

In DE 196 01 749 A1 ist eine Betätigungsvorrichtung, vorzugsweise für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge, beschrieben, die mittels eines verschiebbaren Kolbens ein Medium ansaugen und einem Verbraucher zuführen kann, wobei der Kolbenschieber durch wenigstens ein Piezoelement axial angetrieben wird. Das Piezoelement kann mit hoher Frequenz arbeiten. Die Pumpe kann vielseitig in einem Fahrzeug verwendet werden, beispielsweise innerhalb eines ABS-Systems, einer Einspritzpumpe, einer Nothilfspumpe für Kupplungsbetätigung oder bei-automatischen Schaltgetrieben. Über ein Hebelsystem wird nicht nur eine Umlenkung der Aktionsrichtung um 180° und eine damit verbundene Bauraumverringerung erreicht, sondern zugleich durch die Hebel-Übersetzung der Kolbenweg um das nfache gemäß des entsprechenden Hebelverhältnisses vergrößert.

In der DE 199 50 160 A1 wird ebenfalls eine piezogetriebene Pumpe für eine hydraulische Fahrzeugbremsanlage beschrieben. Ein elastisches Element ist in einem Pumpengehäuse angeordnet, das einen Hohlraum einschließt, wobei vorgesehen ist, das elastische Element mit einem Piezo-Aktuator zu beaufschlagen und dadurch ein Volumen des Pumpraumes zu verändern und ein Medium, in diesem Fall Bremsflüssigkeit, zu fördern. Das Prinzip der Pumpe ist dem Prinzip gemäß von DE 195 25 087 C1 sehr ähnlich. Die Unterschiede bestehen darin, dass in einem Fall vom Aktuator direkt auf den aus Elastomer ausgebildeten Pumpraum gedrückt wird während beim anderen Fall der Aktuator einen ersten Kolben bewegt, der auf einen zweiten Kolben drückt der den elastischen Pump-raum zusammendrückt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass gemäß DE 195 25 087 C1 die mechanische Vorspannung des Aktuators ausschließlich durch das elastische Material des Pumpraumes erzeugt wird, während gemäß DE 199 50 160 A1 eine Tellerfeder diese Funktion übernimmt.

Aus der DE 198 27 293 A1 geht eine mit einem Piezo-Aktor ausgestattete Pumpe hervor. Der Piezo-Aktor kann auf eine Kolbenstange einwirken, die mit für die Pumpwirkung verantwortlichen Ringmembranen ausgestattet ist. Für die Rückstellung der Kolbenstange ist ein Federelement vorgesehen.

In der JP 11182452 A wird eine piezoelektrisch betätigte Pumpe beschrieben, die über ein Feder-Masse-System verfügt, das aus einem Piezo-Aktuator, einem mit diesem verbundenen Pumpkörper und einer zur Rückstellung des Pumpkörpers dienenden Tellerfeder besteht.

Die Gemeinsamkeit aller beschriebenen bekannten Bauformen besteht darin, dass das Volumen des Pumpraumes durch die relativ kleine Wegänderung des Aktuators bewirkt wird. Dies ist allerdings nur für geringste Förderleistungen ausreichend. Ein weiteres gemeinsames Merkmal der beschriebenen Bauformen besteht darin, dass ein großer Teil der eingebrachten elektrischen Energie nicht in Pumpleistung umgesetzt werden kann, weil durch die Verformung der aus Elastomeren bestehenden Pumpräume Energie durch innere und äußere Reibung in Wärme umgesetzt wird.

In der eine piezoelektrisch betätigte Pumpe der eingangs genannten Art offenbarenden DE 39 26 348 A1 wurde bereits vorgeschlagen, den Hub des Pumpkörpers durch einen Verstärkermechanismus zu vergrößern. Die Pumpe verfügt über einen Piezo-Aktuator, der über einen Hebel mit einer am Pumpkörper angreifenden Schwingmasse verbunden ist. Der Hub des längswirksamen Piezo-Aktuators wird auf diese Weise durch eine mechanische Übersetzung verstärkt. Eine zum Piezo-Aktuator parallel geschaltete Feder, die zum einen an der Schwingmasse und zum anderen gehäusefest fixiert ist, bewirkt die Rückstellung des Pumpkörpers. Durch diese Ausgestaltung ist zwar bereits eine Erhöhung der Förderleistung möglich, doch besteht weiterhin Bedarf nach noch höheren Förderleistungen.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei guter Energieauswertung größere Pumphübe zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird bei einer piezoelektrisch betätigten Pumpe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Schwingmasse über mindestens eine sich zwischen ihr und dem Piezo-Aktuator erstreckende, zu dem Piezo-Aktuator in Reihe geschaltete Feder federnd aufgehängt ist, sodass das Feder-Masse-System durch den Piezo-Aktuator zu einer Längsschwingung anregbar ist.

Die erfindungsgemäße, piezobetriebene Pumpe, die sowohl für flüssige als auch für gasförmige Medien einsetzbar ist, weist ein zweckmäßigerweise in einer Achse angeordnetes Feder-Masse-System, bestehend aus wenigstens einer Feder und einer geeigneten Schwingmasse, auf, welches sich z. B. auf der einen Seite auf dem Ende eines Piezo-Aktuators und auf der anderen Seite an einer festen Gehäusewand abstützt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung an den Piezo-Aktuator und die damit einhergehende Veränderung der Länge des Piezo-Aktuators wird ein Impuls auf die angelenkte Feder übertragen. Durch anschließendes Abschalten der Spannung ändert der Piezo-Aktuator seine Länge auf die ursprüngliche Länge, wodurch sich die angelenkte Feder wieder zurückverformt. Der zuvor in die Feder eingeleitete Impuls wird zur Schwingmasse geleitet und letztlich wieder reflektiert. Entsprechend der Dämpfung des Systems schwächt sich der Impuls beim Durchlauf durch das System ab. Bei geeigneter Impulsfolge überlagern sich die Wellen derart, dass die Schwingmasse in Resonanz gerät und maximal in axialer Richtung schwingt. Die Schwingweite dieser Linearschwingung beträgt ein vielfaches der Erregungsschwingweite des Piezo-Aktuators. Außerdem wird die Schwingung nicht durch die Verformung von elastischen Pumpräumen unnötig gedämpft.

Auch gegenüber der Anordnung gemäß DE 196 01 749 A1 weist das hier beschriebene Prinzip den Vorteil auf, dass der Stellweg um das 50- bis 100-fache gegenüber dem höchstens 2- bis 3fachen vergrößert wird.

Besonders vorteilhaft wird eine Bauform angesehen, bei der die Schwingmasse zwischen zwei Federn angeordnet ist. Hier wird der vom Piezo-Aktuator in die eine Feder eingeleitete Impuls auch in die der Schwingmasse nachgeschaltete Feder übertragen, nach deren Durchlaufen er an der Gestellwand o.dgl. reflektiert wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugt ausgewählten, in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 das Prinzipbild einer piezoangetriebenen Pumpe, bei der Piezo-Aktuator und Feder-Masse-System (zwei Schraubendruckfedern) in einer Flucht angeordnet sind;
2 und 3 abgewandelte Ausführungsformen der piezogetriebenen Pumpe aus i gemäß der Erfindung, wobei die Federn und der Piezo-Aktuator zur Verkürzung des Gesamtsystems koaxial angeordnet wurden; und
4 eine abgewandelte Ausführungsform der piezogetriebenen Pumpe aus 1 gemäß der Erfindung, wobei die äußere Feder als Zugfeder ausgebildet ist. Die Zeichnungen sind schematisierte und vereinfachte Darstellungen.
Die in 1 dargestellte piezoangetriebene Pumpe 1 gemäß der Erfindung weist ein nicht näher beschriebenes Gehäuse 20, 20' auf. Dieses kann, wie in 1 gezeigt, eine nach einer Seite hin offene Form haben, kann aber auch aus einem geschlossenen Zylinder bestehen, der aus mehreren Teilen zusammengesetzt ist. Im Gehäuse 20 bzw. 20' ist ein Piezo-Aktuator 2 und ein zum Ausführen einer Pumpbewegung beweglicher Pumpkörper 8 aufgenommen. Der Piezo-Aktuator 2 ist in an sich bekannter Weise aus gestapelten, scheibenförmigen Piezo-Einzelelementen zusammengesetzt. An die gestapelten Elemente des Piezo-Aktuators 2 ist eine elektrische Spannung anlegbar, was nachfolgend vereinfachend mit Anlegen einer Spannung an den Piezo-Aktuator 2 bezeichnet werden wird. Durch Anlegen der elektrischen Spannung an den Piezo-Aktuator 2 verlängert sich dieser infolge des Piezo-Effekts in axialer Richtung. Wird die Spannung abgestellt, verkürzt sich der Piezo-Aktuator 2 wieder auf seine ursprüngliche oder Ausgangslänge.
Der Piezo-Aktuator 2 stützt sich auf einer Seite am Gehäuse 20 ab. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Piezo-Aktuators 2 liegt über ein Verbindungsstück 3 eine erste Feder 4 an, die sich über die Schwingmasse 5 und eine – aus später erläuterten Gründen nur gestrichelt dargestellte – zweite Feder 4' an der gegenüberliegenden Gehäuseseite 20' abstützt. Die beiden Federn 4, 4' sind unter Druck vorgespannt und setzen den Piezo-Aktuator 2 unter eine mechanische Vorspannung in axialer Richtung, die eine Zugbeanspruchung des Piezo-Aktuators 2 vermeidet, da Piezo-Aktuatoren 2 nur gering auf Zug beanspruchbar sind. Zwischen Schwingmasse 5 und Pumpkörper 8 befindet sich ein jeweils fest verbundener Verbindungsstab 6, der die Auslenkung der Schwingmasse 5 auf den Pumpkörper 8 überträgt. Der Pumpkörper 8 ist zweckmäßigerweise von einer Pumpmembran gebildet oder mit einer solchen ausgestattet.
Der Pumpkörper 8 unterteilt einen Pumpraum 9 in eine vordere Pumpkammer 9a und eine hintere Pumpkammer 9b. Die hintere Pumpkammer 9b ist an eine das zu pumpende Medium zuführende Zuführung 12 und eine zu einem beliebigen Verbraucher führende Abführung 12' angeschlossen, in die jeweils ein Rückschlagventil 10, 10' eingeschaltet ist.
Die in 2 dargestellte Pumpe 1 gemäß der Erfindung weist im Unterschied zur l ein verändertes Verbindungsstück 3 auf. Dieses ist topfförmig ausgebildet und liegt mit dem Innenboden an der schwingenden Stirnseite des Piezo-Aktuators 2 auf und erstreckt sich mit seinem zylindrischen Teil über den Piezo-Aktuator, so dass die Baulänge der axial angeordneten Bauelemente sich verkürzt. Zur druckseitigen Aufnahme der ersten Feder 4 ist am offenen Rand des Verbindungsstückes 3 ein Rand 3' vorgesehen, auf dem sich die erste Feder 4 abstützen kann.
Die in 3 dargestellte Pumpe 1 gemäß der Erfindung weist im Unterschied zur 2 eine veränderte Schwingmasse 5 auf. Diese ist ähnlich wie das Verbindungsstück 3 ebenfalls topfförmig ausgebildet und liegt mit dem Innenboden auf dem Ende der ersten Feder 4. Die zweite Feder 4' stützt sich einerseits auf dem Rand 5' der Schwingmasse 5 und andererseits am zweiten Gestellteil 20' ab. Durch die koaxiale Anordnung von Piezo-Aktuator 2, Verbindungsstück 3, erste Feder 4, Schwingmasse 5 und zweite Feder 4' wird die Baulänge zwischen Piezo-Aktuator 2 und Pumpraum 9 weiter verkürzt. Die Anordnung bedingt, dass die erste Feder 4 und die zweite Feder 4' unterschiedliche Durchmesser haben müssen, während bei den Ausführungen in 1 und 2 die Durchmesser auch gleich sein können.
Die in 4 dargestellte Pumpe 1 gemäß der Erfindung zeigt im Unterschied zu den 2 und 3 eine zweite Feder 4', die als Zugfeder ausgebildet ist. Sie wird am Gestell 20 durch einen geeigneten Ring 21 und an der Schwingmasse 5 durch einen geeigneten Ring 22 festgehalten. Bei dieser Ausführung stützt sich kein Bauelement des Feder-Masse-Schwingsystems an der Gestellwand 20' ab.
Im Betrieb saugt die Pumpe Medium aus der Zuführung 12 an und presst es anschließend durch die Abführung 12' zum angeschlossenen Verbraucher aus.
Anstelle als Medium-Fördereinrichtung kann die Pumpe auch als Verdichter oder Kompressor eingesetzt werden, insbesondere in Verbindung mit einem gasförmigen Medium beispielsweise Luft.
Abweichend von den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen kann das Feder-Masse-System anstelle von zwei oder mehr Federn auch nur lediglich eine Feder aufweisen. Bei einer solchen Bauform kann insbesondere die zweite Feder 4' entfallen, was in der 1 dadurch kenntlich gemacht wurde, dass die zweite Feder 4' nur gestrichelt angedeutet ist. Die Schwingmasse 5 ist dann lediglich über eine Feder 4 federnd aufgehängt, wobei sich diese Feder 4 zwischen der Schwingmasse 5 und dem Piezo-Aktuator 2 erstreckt.
Die Variante mit lediglich einer Feder innerhalb des Feder-Masse-Systems ist auch bei den anderen Ausführungsbeispielen möglich.
Eine weitere Modifikation der Pumpe ist in 4 illustriert. Dort ist strichpunktiert angedeutet, dass die Schwingmasse 5 nicht notwendigerweise ein bezüglich dem Pumpkörper 8 gesondertes Bauteil sein muß, sondern, insbesondere wenn das Feder-Masse-System nur eine Feder 4 aufweist, öhne weiteres auch in Baueinheit mit dem Pumpkörper 8 ausgebildet sein kann. Dabei können die Schwingmasse 5 und der Pumpkörper 8 einstöckig miteinander verbunden sein, so dass praktisch die Schwingmasse 5 direkt vom Pumpkörper 8 gebildet wird. Die an der modifizierten Schwingmasse 5 angreifende Feder ist in 4 der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellt.
Zusammengefasst beschreiben die Ausführungsbeispiele eine piezogetriebene Pumpe (für Flüssigkeiten und Gase), bei der der bekanntlich im μm-Bereich liegende Arbeitshub von Piezo-Aktuatoren genutzt wird, um ein Feder-Masse-System zum Schwingen in Resonanz anzuregen. Damit wird nicht nur der Wirkungsgrad der Umwandlung der in das System eingebrachten elektrischen Energie in mechanische Energie wesentlich erhöht, auch der an der schwingenden Masse abnehmbare Stellweg wird ca. 50fach verstärkt.
Um eine solche Pumpe mit baulich einfachen Mitteln auszubilden, ist vorgesehen, dass der Piezo-Aktuator mit geeigneten Aufnahmen sich auf einer Seite gegen ein Gehäuse oder Gestell und auf der anderen Seite über ein Feder-Masse-System, bestehend aus in einer Linie (auch koaxial verschachtelt) angeordneten Elementen "Feder-Masse-Feder", auf der gegertüberliegenden Gestellseite abstützt. An der Schwingmasse ist z.B. ein Übertragungsstab oder ein anderes Verbindungsteil befestigt, das einen Kolben, eine Membran oder einen anderen geeigneten Pumpkörper betätigt. Sich anschließende Leitungen für den Medientransport, Rückschlagventile u. ä. sind üblicher technischer Stand bei Förderpumpen oder Verdichtern bzw. Kompressoren, so dass ihr Aufbau nicht weiter im Detail beschrieben wird.

Claims

Piezoelektrisch betätigte Pumpe, mit einem Piezo-Aktuator (2), der beim Anlegen einer elektrischen Spannung einen Arbeitshub ausführt, und mit einem mit dem Piezo-Aktuator (2) in Antriebsverbindung stehenden beweglichen Pumpkörper (8), mit dem aus wenigstens einer Zuführung (12) Medium (11) ansaugbar ist, wobei die Antriebsverbindung mittels einem aus mindestens einer Feder (4, 4') und einer daran angeordneten Schwingmasse (5) bestehenden F-eder-Masse-System und einer starren Kopplung zwischen der Schwingmasse (5) und dem Pumpkörper (8) realisiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (5) über mindestens eine sich zwischen ihr und dem Piezo-Aktuator (2) erstreckende, zu dem Piezo-Aktuator (2) in Reihe geschaltete Feder (4) federnd aufgehängt ist, sodass das Feder-Masse-System durch den Piezo-Aktuator (2) zu einer Längsschwingung anregbar ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Feder-Masse-System aus mindestens zwei Federn (4, 4') und einer dazwischen angeordneten Schwingmasse (5) besteht.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichn et, dass die Erregerfrequenz des Piezo-Aktuators (2) so gewählt wird, dass das Feder-Masse-System in Resonanz schwingt.
Pumpe n'ach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Feder (4,4') so vorgespannt ist, dass schädliche Zugspannungen im Piezo-Aktuator (2) ausgeschlossen werden.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Feder (4, 4') mit einer Feder anderer Federeigenschaften austauschbar ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (5) austauschbar ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (4) mittels eines angepassten Verbindungsstückes (3) koaxial zum Piezo-Aktuator (2) angeordnet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge= kennzeichnet, dass eine Feder (4') mittels einer geeigneten Verlängerung der Schwingmasse (5) und einem daran ausgebildeten Rand (5') koaxial zum Piezo-Aktuator (2), zum Verbindungsstück (3) und zur anderen Feder (4) angeordnet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (4') eine Zugfeder ist.
Pumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (5) eine geeignete Aufnahme für die Zugfeder aufweist.
Pumpe nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (20), das eine geeignete Aufnahme für die Zugfeder aufweist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (5) mittels eines insbesondere stabförmigen Verbindungsteils (6) starr mit dem Pumpkörper (8) verbunden ist.
Pumpe nach Anspruch 12 , dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsteil (6) als Kolbenstange für einen als Pumpkolben ausgebildeten Pumpkörper (8) genutzt wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schwingmasse (5) in Baueinheit mit dem Pumpkörper (8) und insbesondere einstöckig mit diesem ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14 , dadurch gekennzeichnet, dass mit der Hubbewegung des Pumpkörpers (8) Medium aus einer Zuführung (12) ansaugbar und über eine Abführung (12') an mindestens einen Verbraucher weiterleitbar ist.
Pumpe nach Anspruch 15 , dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführung (12) des Mediums (11) mit einem Rückschlagventil (10) versehen ist.
Pumpe nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass in die Abführung (12') ein weiteres Rückschlagventil (10') eingeschaltet ist.
Pumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Rückschlagventil (10') unter einer beim Beaufschlagen des Pumpkörpers (8) entstehenden Druckkraft in Richtung auf den Verbraucher öffnet.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 18 zur Verwendung als Medium-Fördereinrichtung oder als Verdichter oder Kompressor.