EP0534082A1

EP0534082A1 - Pumpensystem zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien

Info

Publication number: EP0534082A1
Application number: EP92112525A
Authority: EP
Inventors: Werner Dipl.-Ing. Zimmermann; Willi Dr. Dipl.-Phys. Martin
Original assignee: Deutsche Aerospace AG; Daimler Benz Aerospace AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-08-22
Filing date: 1992-07-22
Publication date: 1993-03-31
Also published as: DE4127860A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pumpensystem zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien in einem Druckgefäß (DG), das mittels einer Membran (16) zum Rezipienten (13) hin abgeschlossen ist, deren Arbeitsleistung auf einer beidseitig elektrisch leitend beschichteten Folie (10) aus piezoelektrischem Material basiert. Ausführungsbeispiele sind beschrieben und gezeichnet. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Pumpensystem zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.
Solche Pumpensysteme zählen in den verschiedensten Ausführungsformen und für die verschiedensten Zwecke zum Stand der Technik. Jedes dieser Systeme hat sich für den ihr zugeordneten Zweck bewährt, ist aber auch mit Nachteilen behaftet. Im einen Fall muß sehr niederfrequent gearbeitet werden, im anderen Fall ist die Trägheit des Antriebs zu groß oder im dritten Fall sind die Verlustleistungen zu hoch usw.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Pumpensystem der eingangs genannten Art aufzuzeigen, dessen Pumpfrequenzen bis in den kHz-Bereich und höher reichen, eine schnelle Regelbarkeit aufweisen, nahezu verlustleistungsfrei sind und kaum einem Verschleiß unterliegen.
Diese Aufgabenkombination wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen in überraschend einfacher zuverlässiger Weise gelöst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung werden Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1: einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel in schematischer Darstellung,
Fig. 2: eine perspektivische Skizze für ein Ausführungsbeispiel mit gerollter Piezofolie in schematischer Darstellung,
Fig. 3: eine perspektivische Skizze für ein Ausführungsbeispiel mit gefalteter Piezofolie in schematischer Darstellung.

Wie aus der Figur 1 der Zeichnung hervorgeht, basiert das dort dargestellte Pumpensystem auf einer beidseitig elektrisch leitend beschichteten Folie 10 aus einem piezoelektrischen Material - beispielsweise PVDF (Polyvinylidendifluorid). Diese Piezofolie 10 befindet sich nun gefaltet (Fig. 3) oder doppellagig gerollt (Fig. 2) in einem mit Flüssigkeit 15 mit geringer Kompressibilität gefüllten Druckgefäß DG, welches mit einer Membran 16 zum Rezipienten 13 hin abgeschlossen ist. Dem Rezipienten 13 sind ein Einlaßventil 14a und ein Auslaßventil 14b zugeordnet. Über elektrische Anschlüsse 11 wird an die Piezofolie 10 eine elektrische Steuerspannung 12 angelegt, die eine Polarisation und damit eine Änderung der Foliendicke bewirkt. Der hierdurch veränderte Druck im Druckgefäß DG bewegt nun die Membran 16, die ihrerseits das Volumen des Rezipienten 13 variiert.
Durch periodische Spannungsänderung wird nun in Verbindung mit den beiden Ventilen 14a, 14b eine Pumpwirkung erzielt. Damit ist aber nun ein Pumpensystem geschaffen, das sehr hochfrequent arbeitet (kHz-Bereich und höher), aufgrund der geringen Trägheit des Antriebes eine schnelle Regelbarkeit aufweist und da die Piezoelektrika im Prinzip leistungsfrei steuerbar sind, nur sehr geringe Verlustleistungen auftreten, weil ohmsche und induktive Verluste völlig entfallen. Weiterhin ist noch wesentlich, daß dieses Pumpensystem nahezu verschleißfrei ist.
Die Spannungsänderung und damit die Dickenänderung haben so schnell zu erfolgen, daß aufgrund der Massenträgheit der Folie und der Flüssigkeit (bei der gefalteten Folie) die Querkontraktion der Dickenänderung nicht folgen kann. Daraus resultiert die Volumenänderung der Folie.
Für den quasistatischen bzw. langsam veränderlichen Betrieb muß die Querkontraktion durch die Dicke und durch die elastischen Eigenschaften mindestens einer der elektrisch leitenden Beschichtungen (Elektroden) verhindert werden, beispielsweise durch eine, mit der piezoelektrischen Folie verklebten Al-Folie con ca. 1/10 der Dicke der piezoelektrischen Folie aus PVDF.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird vorgeschlagen, anstelle einer Membran 13 das Druckgefäß DG durch einen Zylinder mit Kolben (nicht gezeichnet) abzuschließen, wobei der Durchmesser des Zylinders dem gewünschten Kolbenhub angepaßt werden muß. Dies ist für jeden Fachmann, der das vorliegende Pumpensystem kennengelernt hat, problemlos zu realisieren.
Nachstehend soll rechnerisch ein Ausführungsbeispiel aufgezeigt werden. Hierbei wird ein zylindrisches Druckgefäß DG mit einem Durchmesser D = 30 mm, einer Höhe H = 50mm und damit mit einem Volumen V = 35 cm³ zugrunde gelegt. Die Dicken-Dimensionierung der Piezofolie 10 soll 100 µm sein. Wie vorstehend bereits ausgeführt, muß die Folie 10 so gefaltet oder doppellagig gerollt im Druckgefäß DG untergebracht werden, daß keine Kontaktierung der beiden Kontaktflächen auftreten kann.
Die Folienfläche, die maximal in dem Volumen V des Druckgefäßes DG untergebracht wird, ist A_F = 3.500 cm². Unter Zugrundelegung eines Füllfaktors F_f = 0,6 wird A_Feff = 2.000 cm².
Die Änderung der Dicke D der Piezofolie 10 bei einer elektrischen Spannung von 1.000 V beträgt 1 Promille: ΔD = 0,1 µm. Daraus ergibt sich unter der Voraussetzung, daß die Änderung der Dicke D nicht durch gegenläufige Änderung von Länge oder Breite der Folie 10 kompensiert werden kann:

$ΔV = 20mm³$

Das Druckgefäß 10 ist mit einer inkompressiblen Flüssigkeit - beispielsweise Glyzerin mit K = 4.7 x 10³ MPa - gefüllt.
Die Druckänderung durch Volumenänderung errechnet sich aus:

$Δp = K AV/V = 4,7 x 10³ MPa 20mm³/35.000mm³ = 2,7 MPa$

dies entspricht ungefähr 27 bar.
Wird nun nicht eine Membran sondern ein Zylinder mit Kolben an das Druckgefäß 10 angeschlossen, so wird ein Durchmesser von D_K = 2mm und eine Fläche von A_K = 3mm² angenommen. Die Durchrechnung dieses Ausführungsbeispiels ergibt, daß der Kolben mit einer Kraft von 8,1 N und einem Hub von 6 mm bewegt wird.

Claims

Pumpensystem zur Förderung von flüssigen oder gasförmigen Medien in einem Druckgefäß, das mittels einer Membran zum Rezipienten hin abgeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß beidseitig elektrisch leitend beschichtete Folien (10) aus einem piezoelektrischen Material gefaltet oder doppellagig mit einem bestimmten Zwischenraum voneinander gerollt in dem entsprechend geformten Druckgefäß (DG) in einer Flüssigkeit (15) mit geringer Kompressibilität angeordnet und über elektrische Anschlüsse (11) mit einer Spannungsquelle (12) verbunden sind, deren periodische elektrische Spannungen eine Änderung der Foliendicke bewirken, die über die Membran (16) das Volumen des Rezipienten (13) variieren, wobei dem Rezipienten (13) ein Einlaß- (14a) und ein Auslaßventil (14b) zugeordnet sind.
Pumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckgefäß (DG) anstelle einer Membran (16) einen Zylinder mit Kolben als Abschluß aufweist, wobei der Zylinderdurchmesser dem gewünschten Kolbenhub entsprechend bemessen ist.
Pumpensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrisches Folienmaterial PVDF (Polyvinylidendifluorid) verwendet wird.
Pumpensystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Piezofolien (10) im Druckgefäß (DG) so gefaltet oder doppelt gerollt angeordnet sind, daß eine Kontaktierung der Folienflächen miteinander ausgeschlossen ist.
Pumpensystem nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die inkompressible Flüssigkeit (15) im Druckgefäß (DG) Glyzerin ist.