WO2004020022A2

WO2004020022A2 - Ventilpumpe

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Publication number: WO2004020022A2
Application number: PCT/EP2003/008560
Authority: WO
Inventors: Ou Cui
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-08-08
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2004-03-11
Anticipated expiration: 2005-02-08
Also published as: WO2004020022A3; AU2003251684A1

Abstract

Bei einer Ventilpumpe mit einem Pumpenraum und einem Pumpen-Hubglied (18, 20; 76) das den Pumpenraum in zwei Pumpenkammern (34, 36; 82, 84) unterteilt, Rückschlagventilen zum Einlass und Auslass einer zu pumpenden Flüssigkeit und Antriebsmittel zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Hubbewegung des Pumpen-Hubgliedes (18, 20; 76), ist das Pumpen-Hubglied (18, 20; 76) längs einer Hubachse beweglich, das Pumpen-Hubglied (18, 20; 76) wenigstens teilweise dauermagnetisch oder magnetisierbar und sind die Antriebsmittel von einem Paar von Elektromagneten (22, 24; 78, 80) gebildet, die gleichachsig zu der Hubachse des Pumpen-Hubgliedes (18, 20; 76) zu beiden Seiten des Pumpenraumes angeordnet und alternierend ansteuerbar sind. Nach einem anderen Aspekt der Erfindung ist jede der Pumpenkammern (34, 36; 82, 84) mit zwei Rückschlagventilen (26, 28 bzw. 30, 32; 90, 92 bzw. 86, 88) verbunden, von denen das eine (26 bzw. 32; 90 bzw. 92) durch Überdruck in der Pumpenkammer (34 bzw. 36; 82 bzw. 84) und das andere (28,30; 86,84) durch Unterdruck in der Pumpenkammer (34 bzw. 36;82 bzw. 84) geöffnet wird. Es werden versichieden Anwendungen und Ausführungen solcher Pumpen beschrieben.

Description

Ventilpumpe

Die Erfindung betrifft eine Nentilpumpe mit einem Pumpenraum und einem Pumpen- Hubglied, das den Pumpenraum in zwei Pumpenkammern unterteilt, Rückschlagventilen zum Einlaß und Auslaß eines zu pumpenden Mediums und Antriebsmittel zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Hubbewegung des Pumpen-Hubgliedes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Antrieb einer solchen Nentilpumpe zu vereinfachen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Nentilpumpe den Hub des Pumpen-Hubgliedes besser zum Ansaugen und Ausstoßen des zu fördernden Mediums oder zu fördernder Medien auszunutzen. Schließlich beinhaltet die Erfindung einige vorteilhafte Anwendungen solcher Pumpen.

Nach einem Aspekt der Erfindung ist das Pumpen-Hubglied längs einer Hubachse beweglich. Das Pumpen-Hubglied ist wenigstens teilweise magnetisierbar oder dauermagnetisch. Die Antriebsmittel sind von Mitteln zur Erzeugung eines in Richtung der Hubachse wirksamen, umpolbaren magnetischen Feldes gebildet, vorzugsweise einem Paar von Elektromagneten, die gegenüberliegend und gleichachsig zu der Hubachse des Pumpen-Hubgliedes zu dem Pumpenraumes angeordnet und alternierend ansteuerbar sind. Nach diesem Prinzip lassen sich sehr einfache Pumpen konstruieren.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung ist jede der Pumpenkammern mit zwei

Rückschlagventilen verbunden, von denen das eine durch relativen Überdruck in der Pumpenkammer und das andere durch relativen Unterdruck in der Pumpenkammer geöffnet wird. Der Ausdruck „relativ" soll zum Ausdruck bringen, daß der Über- oder Unterdruck sich auf den außerhalb der Pumpenkammer herrschenden Druck bezieht, der ggf. v om Atmosphärendruck abweichen kann.

Dann wird, bei Hub des Pumpen-Hubgliedes in Richtung auf eine der beiden Pumpenkammern das auf Überdruck ansprechende Rückschlagventil geöffnet. Das auf Unterdruck ansprechende Rückschlagventil wird zugedrückt und bleibt geschlossen. Medium oder Druckmittel in dieser Pumpenkammer wird ausgestoßen. In der anderen Pumpenkammer entsteht bei diesem Hub ein Unterdruck. Das auf Unterdruck ansprechende Rückschlagventil öffnet und läßt Medium oder Druckmittel in diese Pumpenkammer einströmen. Das bei Überdruck öffnende Rückschlagventil dieser

Pumpenkammer bleibt geschlossen. Bei einer Umkehr der Hubrichtung des Pumpen- Hubgliedes vertauschen die beiden Pumpenkammern ihre Funktion. In die erstere Pumpenkammer wird Örackmittel angesaugt. Aus der letzteren Pumpenkammer wird das Druckmittel ausgestoßen. Es sind somit bei jedem Hub des Pumpen-Hubgliedes beide Pumpenkammern ansaugend oder ausstoßend aktiv. Dabei kann mit beiden

Pumpenkammern das gleiche Druckmittel angesaugt und ausgestoßen werden. Die beiden Pumpenkammern können aber auch unterschiedliche Druckmittel fördern. Das macht die Pumpe vielseitig verwendbar.

Ausgestaltungen der Nentilpumpe sind Gegenstand der Ansprüche 3 bis 10.

Eine vorteilhafte Anwendung solcher Nentilpumpen ist ein Kühlsystem, insbesondere zum Kühlen von elektronischen Bauteilen.

Das Kühlsystem weist einen Hohlkörper auf, der mit einem zu kühlenden Teil in gut wärmeleitender Verbindung ist. Der Hohlkörper ist Teil eines geschlossenen Kreises, der einen Kühler enthält. Der geschlossene Kreis enthält weiterhin eine Umlaufpumpe. Der Hohlkörper und der geschlossene Kreis sind mit einer niedrigsiedenden Flüssigkeit gefüllt, die durch Wärmezufuhr von dem zu kühlenden Teil verdampft und in dem Kühler kondensiert.

Dieses Kühlsystem wirkt nach Art einer sog. „Heat Pipe". Eine Heat Pipe ist ein geschlossenes System mit einer Flüssigkeit. Das System wird an einem unteren Ende mit einem zu kühlenden Teil in wärmeleitenden Kontakt gebracht. Die Flüssigkeit verdampft dort und nimmt dadurch von dem zu kühlenden Teil Wärme auf. Der Dampf steigt auf und wird in einem Kühler am oberen Ende wieder kondensiert. Dabei wird die aufgenommene Nerdampfungswärme wieder abgegeben. Es ist schon versucht worden, solche Heat Pipes zum Kühlen von Prozessoren oder anderen elektronischen Bauteilen zu verwenden. Nachteilig ist dabei aber, daß die Heat Pipe im wesentlichen senkrecht angeordnet werden muß. Das schließt ihre Anwendung bei mobilen Geräten wie Laptops aus. Nachteilig ist weiterhin, daß der aufsteigende Dampf mit der ihm entgegenfließenden, kondensierten Flüssigkeit in Wärmeaustausch tritt. Dadurch wird ein Teil der von dem zu kühlenden Bauteil abgeführten Wärme wieder auf die diesem Bauteil zufließende, kondensierte Flüssigkeit übertragen. Bei der Erfindung tritt auch ein solcher „Heat Pipe"-Effekt auf. Es wird jedoch durch die Umlaufpumpe ein Zwangsumlauf des Kühlmediums bewirkt. Das kondensierte Kühlmedium im Rücklauf kommt nicht in Kontakt mit dem verdampften Kühlmedium im Vorlauf. Die Umlaufpumpe benötigt dabei keine hohe Leistung sondern hat nur die Funktion, die Richtung vorzugeben, in welcher das kondensierte Kühlmedium vom Kühler wieder zu dem zu kühlenden Bauteil zurückströmt.

Statt einer mit einer verdampfenden und wieder kondensierenden Flüssigkeit arbeitenden

Heat Pipe kann auch ein sog. „Super Leiter" verwendet werden. Ein solcher arbeitet mit einem sublimierenden Festkörper, der vom festen Zustand direkt in den gasförmigen Zustand übergeht und umgekehrt.

Bei einer bevorzugten Ausführung des Kühlsystems ist der Hohlkörper eine flache, hohle

Platte, die zu dem zu kühlenden Teil hin eine gut wärmeleitende Fläche aufweist und im übrigen mit einer Wärmeisolierung versehen ist. Die Platte ist einerseits über eine Drossel mit einem von dem Kühler kommenden Rücklauf und andererseits Seite über eine über einen gegenüber der Drossel großen Strömungsquerschnitt mit einem zu dem Kühler führenden Vorlauf verbunden. Der Rücklauf mit der Drossel ist auf einer Seite der Platte und der Vorlauf auf der gegenüberliegenden Seite der Platte mit deren Innenraum verbunden. Die Umlaufpumpe ist eine Ventilpumpe mit einem Pumpenraum und einem Pumpen-Hubglied, das den Pumpenraum in zwei Pumpenkammern unterteilt, Rückschlagventilen zum Einlaß und Auslaß eines zu pumpenden Kühlmediums und Antriebsmittel zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Hubbewegung des Pumpen-

Hubgliedes. Jede der Pumpenkammern ist mit zwei Rückschlagventilen verbunden, von denen jeweils einerstes durch Überdruck in der Pumpenkammer und ein zweites durch Unterdruck in der Pumpenkammer geöffnet wird. Die ersten Ventile sind parallel mit dem Vorlauf verbunden und die zweiten Ventile sind beide mit dem Inneren des Hohlkörpers verbunden. Eine vorteilhafte und kompakte Konstruktion ergibt sich dabei, wenn der Pumpenraum ein Zylinder ist, in welchem als Pumpen-Hubglied ein magnetisierbarer oder dauermagnetischer Kolben geführt ist, die Umlaufpumpe längs einer Kante auf der dem zu kühlenden Teil abgewandten Seite der Platte angeordnet ist, wobei die zweiten Rückschlagventile mit dem Inneren der Platte verbunden sind, und die ersten Rückschlagventile über ein Verteilerstück parallel mit dem Vorlauf verbunden sind.

Die Umlaufpumpe gestattet es, die Pumpfrequenz in Abhängigkeit von der durch einen

Fühler bestimmten Temperatur des zu kühlenden Teils über ein Steuergerät zu variieren.

Durch die Drosselung des Rücklaufs vom Kühler und einen großen Querschnitt im Vorlauf zum Kühler kann in dem Hohlraum der Platte ein relativer Unterdruck erzeugt werden, der die Verdampfung fördert. Dementsprechend tritt in dem Kühler ein relativer

Überdruck auf, der die Kondensation fördert. Es ist dann möglich, das zu kühlende Teil ggf. auch unter die Umgebungstemperatur abzukühlen.

Eine weitere vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Ventilpumpe ist der Einsatz als künstliches Herz. Ein Herz hat auch vier „Rückschlagventile", zwei für jede

Herzkammer. Ein Rückschlagventil gestattet das Ansaugen von sauerstoffarmem Blut vom Körper in eine Herzkammer und ein zweites Rückschlagventil gestattet das Fördern dieses Blutes aus dieser Herzkammer zur Lunge. Bei der anderen Herzkammer wird über ein Rückschlagventil sauerstoffreiches Blut aus der Lunge in die andere Herzkammer angesaugt und über ein zweites Rückschlagventil in den Körper gefördert.

Auch hier ist es möglich, die „Herzfrequenz" des künstlichen Herzens durch ein Steuergerät, z.B. einen Prozessor, nach Maßgabe verschiedener Meßgrößen zu verändern.

In einer vereinfachten Version kann eine solche Ventilpumpe auch einfach als Blutpumpe zur Unterstützung der Herzfunktion verwendet werden. Bei einer bevorzugten Ventilpumpe zur Verwendung als künstliches Herz oder als Blutpumpe zur Entlastung eines geschwächten Herzens ist die Ventilpumpe als Membranpumpe mit einem Pumpengehäuse ausgebildet, das den Pumpenraum bildet und durch die das Pumpen-Hubglied bildende Membran in zwei Pumpenkammern unterteilt ist, wobei an der Membran ein wenigstens teilweise magnetisierbarer oder dauermagnetischer Ankerkörper angebracht ist. Der Ankerkörper weist einen Hohlraum auf, so daß das mittlere spezifische Gewicht des Ankerkörpers dem spezifischen Gewicht des Blutes entspricht. Auf diese Weise schwebt der Ankerkörper im Blut, so daß die Ventilpumpe unabhängig von der Orientierung arbeiten kann.

Vorteilhaft ist es dabei, wenn der Ankerkörper sich längs der Hubachse in entgegengesetzten Richtungen verjüngt. Dadurch wird der Stömungswiderstand verringert, wenn sich der Ankerkörper in dem Ventilraum hin- und her bewegt. Das kann vorteilhaft in der Form geschehen, daß der Ankerkörper einen zentralen Höhlkörper von doppelkonischer Grundform bildet.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Ventilpumpe besteht darin, daß auf der Hubachse der Membran an dem Gehäuse auf gegenüberliegenden Seiten zwei alternierend ansteuerbare Elektromagnete mit je einem Kern angeordnet sind und die Kerne der beiden Elektromagneten zentrale Ausnehmungen aufweisen, die mit den konischen Teilen des doppelkonischen Hohlkörpers fluchten.

Es ergeben sich dann zwei Vorteile: Einmal wird beim Ausschubhub durch die konischen Teile die Strömung zum Auslaß hin weniger behindert als z.B. durch eine an den Elektromagneten angezogene Ankerplatte. Zum anderen wird der Luftspalt zwischen dem jeweils erregten Elektromagneten und dem Ankerkörper verringert.

Ausführungs- und Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Ventilpumpe sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig.1 zeigt eine Draufsicht einer als Membranpumpe ausgebildeten Ventilpumpe. Fig.2 ist eine isometrische Darstellung der als Membranpumpe ausgebildeten

Ventilpumpe.

Fig.3 zeigt einen Schnitt der Ventilpumpe längs der Linie III - III von Fig.1.

Fig.4 zeigt einen Halbschnitt der Ventilpumpe.

Fig.5 ist eine teilweise geschnittene, isometrische Darstellung der als

Membranpumpe ausgebildeten Ventilpumpe schräg von oben gesehen.

Fig.6 ist eine teilweise geschnittene, isometrische Darstellung der als

Membranpumpe ausgebildeten Ventilpumpe schräg von unten links gesehen.

Fig.7 ist eine teilweise geschnittene, isometrische Darstellung der als

Membranpumpe ausgebildeten Ventilpumpe schräg von unten rechts gesehen.

Fig.8 ist eine Draufsicht auf ein Rückschlagventil, das bei der Ventilpumpe von Fig.1 bis 7 verwendet werden kann.

Fig.9 ist eine Vorderansicht des Rückschlagventils.

Fig.10 zeigt einen Längsschnitt des Rückschlagventils von Fig.8.

Fig.11 ist eine geschnittene, isometrische Darstellung des Rückschlagventils von

Fig.8 bis 10.

Fig.12 ist eine Draufsicht auf ein Kühlsystem als Anwendung einer erfindungsgemäßen Kühlpumpe, wobei eine andere Bauform einer nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitenden Ventilpumpe verwendet wird. Fig.13 ist eine Seitenansicht des Kühlsystems von Fig.12 von unten in Fig.12 gesehen.

Fig.14 ist eine Seitenansicht des Kühlsystems von Fig.12 von rechts in Fig.12 gesehen.

Fig.15 ist eine isometrische Darstellung des Kühlsystems.

Fig.16 ist eine isometrische Darstellung ähnlich Fig.6 und veranschaulicht die den Aufbau und die Anwendung einer erfindungsgemäßen Ventilpumpe als künstliches Herz.

Fig.17 ist eine isometrische Darstellung ähnlich Fig.5 der Ventilpumpe von Fig.16

Fig.18 zeigt einen Querschnitt der Ventilpumpe von Fig.16 und 17.

In Fig.l bis 7 ist mit 10 generell eine Membranpumpe bezeichnet. Die Membranpumpe 10 weist ein Pumpengehäuse 12 auf, das aus zwei flach-schalenförmigen Gehäuseteilen 14 und 16 besteht. Zwischen den Gehäuseteilen 14 und 16 ist als Pumpen-Hubglied eine ringförmige Membran 18 mit einem zentralen, tellerförmigen Ankerkörper 20 eingespannt. Der äußere Rand der ringförmigen Membran 18 ist mit dem Pumpengehäuse 12 verbunden. Der innere Rand der ringförmigen Membran ist mit dem zentralen Ankerkörper 20 verbunden. Der Ankerkörper 20 ist flach-zylindrisch und dauermagnetisch oder magnetisierbar. Die Gehäuseteile 14 und 16 sind kegelstumpfförmig. Auf gegenüberliegenden Seiten des Gehäuses 12 sitzen

Elektromagnete 22 und 24. Auf den konischen Flächenteilen der kegelstumpfförmigen Gehäuseteile 14 und 16 sitzt je ein Paar von Rückschlagventilen 26, 28 bzw. 30, 32. Die Rückschlagventile 26, 28, 30 und 32 sind in Fig.l bis 7 nur schematisch dargestellt. Die Membran 18 mit dem Ankerkörper 20 unterteilen den in dem Gehäuse 12 gebildeten Pumpenraum in zwei Pumpenkammern 34 und 36. Die Rückschlagventile 26 und 32 öffnen bei relativem Überdruck in den angrenzenden Pumpenkammern 34 bzw. 36. Die Rückschlagventile 28 und 30 öffnen bei relativem Unterdruck in den angrenzenden Pumpenkammern 34 bzw. 36. Die beiden Elektromagnete 22 und 24 sind von einem Steuergerät 38 alternierend oder im Gegentakt ansteuerbar. Die Frequenz der Umsteuerung wird von dem Signal eines oder mehrerer Fühler bestimmt, das auf das Steuergerät aufgeschaltet ist. In Fig.4 ist ein solcher Fühler dargestellt und mit 40 bezeichnet.

Die beschriebene Ventilpumpe arbeitet wie folgt:

Das Steuergerät 38 steuert die Elektromagnete 22 und 24 alternierend oder im Gegentakt an mit einer Umsteuerfrequenz, die von dem Signal des Fühlers 40 abhängt. Durch das Magnetfeld der Elektromagnete 22 und 24 wird der Ankerkörper 20 und damit die

Membran 18 auf und ab bewegt. Bei der Aufwärtsbewegung der Membran 18 und des Ankerkörpers 20 wird das Volumen der Pumpenkammer 34 verringert. In der Pumpenkammer 34 tritt ein Überdruck auf. Dadurch öffnet das Rückschlagventil 26, während das Rückschlagventil 28 geschlossen bleibt. Bei dieser Aufwärtsbewegung vergrößert sich das Volumen der Pumpenkammer 36. Dadurch tritt in der

Pumpenkammer 36 ein Unterdruck auf. Unter dem Einfluß dieses Unterdrucks öffnet das Rückschlagventil 30. Das Rückschlagventil 32 bleibt geschlossen. Damit wird aus der in den Figuren oberen Pumpenkammer 34 Druckmittel ausgestoßen. Der Ausdruck „Druckmittel" soll hier sowohl Flüssigkeiten als auch Gase umfassen. Gleichzeitig wird durch den gleichen Hub der Membran in die untere Pumpenkammer 36 Druckmittel angesaugt. Beim Rückhub der Membran 18 und des Ankerkörpers wird das Volumen der unteren Kammer 36 wieder verkleinert. In der Kammer 36 entsteht ein Überdruck. Dadurch öffnet das Rückschlagventil 32. Das Rückschlagventil 30 bleibt geschlossen. Umgekehrt wird das Volumen der oberen Pumpenkammer 34 wieder vergrößert. Es tritt in der oberen Pumpenkammer ein Unterdruck auf. Das Rückschlagventil 28 öffnet. In die

Pumpenkammer 34 wird Druckmittel angesaugt. Das Rückschlagventil 26 bleibt geschlossen. Die beiden Pumpenkammern 34 und 36 arbeiten daher beide gleichzeitig als Pumpen, die Druckmittel über die Rückschlagventile 28 bzw. 30 ansaugen und über die Rückschlagventile 26 und 32 ausstoßen. Dabei saugt jeweils die eine Pumpenkammer Druckmittel an, während die andere Pumpenkammer Druckmittel ausstößt. Dabei können die beiden Pumpenkammern 34 und 36 parallel ein und dasselbe Druckmittel fördern. Das ergibt einen gleichmäßigen Förderstrom. Die beiden Pumpenkammem 34 und 36 können aber auch unterschiedliche Druckmittel fördern. Die Figuren 8 bis 11 zeigen schematisch den Aufbau eines Rückschlagventils, das vorzugsweise bei einer Ventilpumpe der vorliegenden Art verwendet wird.

In Fig.8 bis 11 ist mit 42 die Wandung des Gehäuses 12 bezeichnet. In dieser Wandung

42 ist ein rechteckiger Durchbruch 44 gebildet. Der Durchbruch 44 hat parallele Seitenwände 46 und 48 und nach außen geneigte Stirnwände 50 und 52. Der Durchbrach 44 bildet anschließend an die in Fig.10 und 11 untere Oberfläche 54 der Wandung 42 eine rechteckige Öffnung 56, die von einem Rand 58 umgeben ist. Das Rückschlagventil ist ein Klappenventil mit einer rechteckigen Ventilklappe 60. Die Ventilklappe 60 ist längs der Stirnseite der Öffnung 56 mittels eines Scharniers 62 schwenkbar gelagert. In der Schließstellung des Rückschlagventils liegt die Ventilklappe 60 auf dem Rand 58 auf und schließt die Öffnung 56 ab. Das ist in Fig.8 dargestellt.

Die Ventilklappe 60 kann bis zu einem Winkel, der kleiner als 90° ist, aufgeschwenkt werden. Dann kommt die Ventilklappe an einem Anschlag 64 zur Anlage. Der Anschlag 64 kann von einer schräg verlaufenden Stufe der Seitenwand 46 gebildet sein, wie in Fig.l 1 dargestellt ist. In der in Fig.10 und 11 dargestellten Anschlagstellung der Ventilklappe 60 ist die Ventilklappe 60 parallel zu der schräg verlaufenden Stirnfläche 52. Der so gebildete Durchgangskanal hat dann über seine gesamte Länge gleichen

Querschnitt. Bei einem Unterdruck unterhalb (in den Figuren 10 und 11) des Rückschlagventils, wird die Ventilklappe 60 in ihre Schließstellung gedrückt.

Das beschriebene Rückschlagventil wird bei Überdruck unterhalb der Oberfläche 54 der Wandung 42 des Gehäuses 12 geöffnet. Die Oberfläche 54 bildet die Innenfläche der

Wandung. Das gilt für die Ventile 26 und 32. Bei den Ventilen 28 und 30, die bei Unterdruck öffnen, müßte die dargestellte Anordnung auf den Kopf gestellt werden. Dann wäre die Oberfläche 54 die Außenfläche der Wandung.

In den Figuren 12 bis 15 ist eine Anwendung einer nach dem erfindungsgemäßen Prinzip arbeitenden Ventilpumpe beschrieben, wobei außerdem ein anderer Typ von Ventilpumpe benutzt wird. Die Anwendung ist ein Kühlsystem zum Kühlen von elektronischen Bauteilen wie Prozessoren. Die Ventilpumpe, die generell mit 70 bezeichnet ist, ist hier keine Membranpumpe sondern eine Kolbenpumpe.

Das Kühlsystem enthält hier eine Kühlplatte 72. Das ist ein plattenförmiger Hohlkörper. Die Kühlplatte 72 wird auf ein zu kühlendes Bauteil aufgesetzt. Die in Fig.13 untere

Wandung l der Kühlplatte 72, die mit dem zu kühlenden Bauteil in Kontakt ist, besteht aus einem Material guter Leitfähigkeit wie Kupfer oder Silber. Die übrige Wandung der Kühlplatte besteht aus einem wärmeisolierenden Material. Sie kann auch nach Art eines Dewar-Gefäßes doppelwandig mit einem Vakuum und einer inneren Verspiegelung ausgebildet sein. Auf der Kühlplatte 72 sitzt die Ventilpumpe 70. Die Ventilpumpe 70 enthält einen Zylinder 7-^ In dem Zylinder 7 - ist ein Kolben 76 geführt. Der Kolben 76 ist dauermagnetisch oder besteht aus einem magnetisierbaren Material. Der Kolben 76 kann auch aus einem nichtmagnetischen Material bestehen und einen magnetischen Einsatz aufweisen. Vor den Stirnflächen des Zylinders 74 sitzen Elektromagnete 78 und 80. Der Pumpenraum des Zylinders 74 ist durch den Kolben 76 in zwei Zylinder- oder

Pumpenkammem 82 und 84 unterteilt. Die Pumpenkammern 82 und 84 sind über je ein Rückschlagventil 86 bzw. 88 mit dem Hohlraum der Kühlplatte 74 verbunden. Die Rückschlagventile 86 und 88 sind so ausgebildet, daß sie bei einem i/riiwlruck in der zugehörigen Pumpenkammer 82 bzw. 84 öffnen. Weiterhin sind die Pumpenkammern 82 und 84 über Rückschlagventile 90 bzw. 92 mit einem Verteilerstück 94 verbunden, über welches die Pumpenkammern 82 und 84 mit einem Vorlauf 96 verbindbar sind. Der Vorlauf führt zu einem Lamellenkühler 98. Von dem Lamellenkühler 98 geht ein Rücklauf 100 zurück zu dem Innenraum der Kühlplatte 72. Der Rücklauf 100 ist über eine Drossel 102 mit dem Innemaum der Kühlplatte 72 verbunden. Der Strömungsquerschnitt der Drossel 102 ist wesentlich kleiner als der

Strömungsquerschnitt der Rückschlagventile 86 und 88, 90 und 92 und der Verbindungskanäle zwischen dem Innemaum der Kühlplatte 72 und dem Vorlauf 96.

Die beschriebene Anordnung bildet ein geschlossenes System. Dieses geschlossene System enthält ein Kühlmedium, das durch die Abwärme des zu kühlenden Bauteils in der Kühlplatte 72 verdampfbar und in dem Kühler 98 etwa bei Umgebungstemperatur wieder kondensierbar ist. Das beschriebene Kühlsystem arbeitet nach Art einer sog. „Heat Pipe". Eine solche Heat Pipe ist ein geschlossenes System mit einem Kühlmedium. Das Kühlmedium wird an einer unten liegenden Stelle durch von einem zu kühlenden Teil abzuführende Wärme verdampft. Dabei entzieht das Kühlmedium dem zu kühlenden Teil die Verdampfungswärme. Der Dampf steigt auf, kondensiert und gibt dabei in einem Kühler die Kondensationswärme ab. Das kondensierte Kühlmittel fließt in dem geschlossenen System wieder herab zu dem zu kühlenden Teil, wo es erneut verdampft.

Bei dem beschriebenen Kühlsystem verdampft Kühlmedium in der Kühlplatte 72 durch Wärmeaufnahme von dem zu kühlenden Bauteil. Das verdampfte Kühlmedium wird von der Ventilpumpe 70 über den Vorlauf 96 zu dem Kühler 98 gefördert. In dem Kühler 98 kondensiert das Kühlmedium. Das kondensierte Kühlmedium fließt dann zurück zu der

Kühlplatte 72. Es findet hier ein durch die Ventilpumpe 70 erzwungener Kreislauf des

Kühlmediums über den Vorlauf 96 und den davon getrennten Rücklauf 100 statt. Dadurch wird ein Wärmeaustausch zwischen vorlaufendem verdampften Kühlmedium und rücklaufendem, kondensierten Kühlmedium verhindert. Außerdem ist das

Kühlsystem unabhängig von der Orientierung im Raum, so daß es auch bei beweglichen

Geräten wie Laptops angewandt werden kann. Die Nentilpumpe 70 braucht keine große

Leistung aufzubringen, da sie im wesentlichen nur den Umlaufsinn des Kreislaufs festzulegen braucht.

Bei der Nentilpumpe 70 nach der Erfindung arbeiten, wie im Zusammenhang mit Fig.l bis 7 geschildert, beide Nentilkammern 82 und 84 gleichzeitig. Bei einer Bewegung des Kolbens 76 nach rechts in Fig.13 öffnet das Rückschlagventil 86 so daß verdampftes Kühlmedium aus der Kühlplatte 72 angesaugt wird. Das mit der Nentilkammer 84 verbundene Rückschlagventil 88 bleibt geschlossen. Das Rüchschlagventil 90 ist geschlossen. Dafür öffnet das Rückschlagventil 92. Bei dieser Hubrichtung wird somit verdampftes Kühlmedium in die linke Pumpenkammer 82 angesaugt und verdampftes Kühlmedium wird aus der rechten Pumpenkammer 84 in den rechten Arm des Verteilers 94 gefördert. Bei einer Bewegung des Kolbens 76 nach links in Fig.13 öffnet das

Rückschlagventil 90, so daß das vorher in die Ventilkammer 82 angesaugte, verdampfte Kühlmedium über den linken Arm des Verteilers 94 in den Vorlauf 96 gefördert wird. Das Rückschlagventil 86 ist geschlossen. In der rechten Pumpenkammer 84 tritt jetzt ein Unterdrück auf. Dementsprechend öffnet das Rückschlagventil 88 und das Rückschlagventil 92 schließt. Jetzt wird verdampftes Kühlmedium in die rechte Pumpenkammer 84 angesaugt. Mit beiden Pumpenkammern 82 und 84 wird verdampftes Kühlmedium aus der Kühlplatte 72 angesaugt und in den Vorlauf 96 gefördert.

Die Umschaltfrequenz der Elektromagnete 78 und 80 kann in der in Fig.4 dargestellten Weise von einem (nicht dargestellten) Temperaturfühler über eine Steuervorrichtung gesteuert werden. Dadurch kann die Kühlleistung an die von dem Bauteil erzeugte Abwärme angepaßt werden.

Statt der beschriebenen Ventilpumpe kann auch eine geeignete andere Pumpe vorgesehen werden, um den richtigen Umlauf des Kühlmediums sicherzustellen.

Statt mit einer verdampfenden und wieder kondensierenden Flüssigkeit (Heat Pipe) kann in dem System auch eine sublimierende Substanz vorgesehen sein („Super Leiter")

Dadurch, daß der Rücklauf 100 mit dem Innenraum der Kühlplatte 72 über eine Drossel 102 verbunden ist, während die Verbindung zum Vorlauf 96 einen wesentlich größeren Strömungsquerschnitt besitzt, wird in der Kühlplatte 72 ein gewisser Unterdruck erzeugt, der die Verdampfung des Kühlmediums begünstigt, und im Kühler 98 ein Überdruck als

Staudruck vor der Drossel, der die Kondensation begünstigt. Die Drossel 102 ist mit einem Rückschlagventil 103 kombiniert, um Rückfluss zu verhindern. Für den Fall, dass ein Super Leiter verwendet wird, ist eine Drosselkonstruktion nicht erforderlich.

Fig.16 zeigt eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Ventilpumpe, nämlich als künstliches Herz. Mit 110 ist eine Ventilpumpe bezeichnet, die im wesentlichen der Ventilpumpe von Fig.6 entspricht. Hinsichtlich Aufbau und Funktion dieser Ventilpumpe wird auf die Beschreibung von Fig.l bis 7 Bezug genommen. Entsprechende Teile tragen die gleichen Bezugszeichen wie dort.

Die beiden Pumpenkammern 34 und 36 arbeiten hier unabhängig voneinander und fördern unterschiedliche Flüssigkeiten in unterschiedlichen Kreisen. Über das Rückschlagventil 28 wird in die Pumpenkammer 34 sauerstoffreiches Blut von der Lunge Pumperikammer 36 angesaugt und aus der Pumperikammer 36 über das Rückschlagventil 32 zur Lunge gefördert. Auch hier kann „Pulsfrequenz", nämlich die Umschaltfrequenz der Elektromagnete 22 und 24 durch einen Prozessor in Abhängigkeit von Signalen eines oder mehrerer Fühler gesteuert werden.

Eine solche Anordnung arbeitet als künstliches Herz. Die Ventilpumpe kann aber auch benutzt werden, um das geschwächte Herz eines Patienten zu entlasten. In diesem Fall wird die Ventilpumpe 10 mit parallelgeschalteten Ansaug-Rückschlagventilen 26 und 30 und ebenso parallelgeschalteten Ausstoß-Rückschlagventilen 26 und 32 in den Blutkreislauf eingeschaltet. Dadurch braucht das geschwächte Herz nicht die gesamte

Leistung zum Inganghalten des Blutkreislaufs aufzubringen. Es hat sich gezeigt, daß das Herz, wenn es über eine gewisse Zeit hinweg auf diese Weise entlastet wurde, sich wieder erholen und dann wieder allein arbeiten kann.

Gegenüber der Ventilpumpe von Fig.6 weist die als künstliches Herz verwendbare

Ventilpumpe 110 noch einige Besonderheiten auf.

Der an der Membran 18 sitzende Arikerkörper 112 weist einen ringscheibenförmigen Rand 114 und einen angeformten, zentralen Hohlkörper 116 auf. Der Hohlkörper 116 bildet im wesentlichen einen Doppelkegel mit zwei in entgegengesetzte Richtungen längs der Hubachse 118 (Fig.17) zeigenden Kegeln. Der Hohlkörper 116 bildet einen Hohlraum 120. Der Hohlraum 120 und die Masse des Ankerkörpers 112 sind so bemessen, daß das mittlere spezifische Gewicht des Arikerkörpers 112 dem spezifischen Gewicht des Blutes entspricht. Die Elektromagnete 22 und 24 haben, wie üblich, einen topfförmigen Eisenkörper 122 mit einem zentralen Kern 124. Der Eisenkörper 122 und der Kern 124 bilden einen Ringkanal, in welchem eine Magnetwicklung 126 angeordnet ist. Der Kern 124 weist eine zentrale, konische Ausnehmung 128 auf. Die konische Ausnehmung 128 ist im wesentlichen komplementär zu dem Kegel des Hohlkörpers 116.

Diese Anordnung hat verschiedene Vorteile: Der Ankerkörper 112 schwebt in dem Blut, so daß keine lageabhängigen Gravitationskräfte auf den Ankerkörper 112 wirken. Die Kegel des Hohlkörpers 116 verringern den Strömungswiderstand des Blutes (oder einer sonstigen zu pumpenden Flüssigkeit) gegen die hin- und hergehende Bewegung des Ankerkörpers 112 behn Arbeiten der Membranpumpe. Der effektive Luftspalt zwischen dem Kern 124 des Elektromagneten 22 und dem Ankerkörper 112 wird bei gleichem Strömungswiderstand für die zum Rückschlagventil 26 strömende Flüssigkeit verringert.

Claims

Patentansprüche

1. Nentilpumpe mit einem Pumpenraum und einem Pumpen-Hubglied (18,20;76), das den Pumpenraum in zwei Pumperikammern (34,36;82,84) unterteilt, Rückschlagventilen zum Einlaß und Auslaß eines zu pumpenden Mediums und Antriebsmittel zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Hübbewegung des

Pumpen-Hubgliedes (18,20;76), dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpen- Hubglied (18,20;76) längs einer Hubachse beweglich ist, das Pumpen-Hubglied (18,20;76) wenigstens teilweise dauermagnetisch oder magnetisierbar ist, die Antriebsmittel von Mitteln zur Erzeugung eines in Richtung der Hubachse wirksamen, umpolbaren magnetischen Feldes (22,24;78,80) gebildet sind, die alternierend zur Erzeugung eines in der einen oder der anderen Richtung wirkenden Magnetfeldes ansteuerbar sind.

2. Nentilpumpe mit einem Pumpenraum und einem Pumpen-Hubglied (18,20;76), das den Pumpenraum in zwei Pumpenkammern (34,36;82,84) unterteilt,

Rückschlagventilen zum Einlaß und Auslaß eines zu pumpenden Mediums und Antriebsmittel zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Hubbewegung des Pumpen-Hubgliedes insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Pumpenkammern (34,36;82,84) mit zwei Rückschlagventilen (26,28 bzw. 30,32;90,92 bzw. 86,88) verbunden ist, von denen das eine (26 bzw. 32; 90 bzw. 92) durch Überdruck in der Pυmpenkammer (34 bzw. 36;82 bzw. 84) und das andere (28,30; 86,84) durch Unterdruck in der Pumpenkammer (34 bzw. 36; 82 bzw. 84) geöffnet wird.

3. Nentilpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur

Erzeugung eines umpolbaren magnetischen Feldes von zwei Elektromagneten gebildet sind, durch welche entgegengesetzt gerichtete Magnetfelder erzeugbar sind und welche alternierend ansteuerbar sind.

4. Nentilpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Wechselfrequenz der magnetfelderzeugenden Mittel (22,24) über eine Steuereinrichtung (38) von einem Fühlersignal nach Maßgabe einer Meßgröße veränderbar ist.

5. Nentilpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenraum ein Zylinder (74) ist, in welchem als Pumpen-Hubglied ein dauermagnetischer oder magnetisierbarer Kolben (76) geführt ist.

6. Nentilpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Nentilpumpe als Membranpumpe ausgebildet ist, wobei der Pumpenraum von zwei schalenförmigen Gehäusehälften (14,16) gebildet ist, die zwischen sich als Pumpen-Hubglied eine Membran (18) halten,

(b) die Membran (18) einen dauermagnetisches oder magnetisierbares Glied (20) aufweist und

(c) je ein Elektromagneten (22,24) zentral auf je einer der Gehäusehälften

(14,16) montiert ist.

7. Nentilpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Nentilpumpe als Membranpumpe ausgebildet ist, wobei der Pumpenraum von zwei schalenförmigen Gehäusehälften (14,16) gebildet ist, die zwischen sich als Pumpen-Hubglied eine Membran (18) halten, und

(b) die Rückschlagventile (26,28;30,32) paarweise an den Gehäusehälften ( 14, 16) vorgesehen sind.

8. Nentilpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile (26,28;30,32) jeweils auf diametral gegenüberliegenden Seiten der Gehäusehälften (14,16) angeordnet sind.

9. Nentilpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückschlagventile (26,28;30,32) Klappenventile sind.

10. Nentilpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Rückschlagventil (26,28;30,32) eine in einer Ebene liegende rechteckige

Durchtrittsöffriung (56) aufweist, die von einem Auflagerand (58) umgeben ist,

(b) das Rückschlagventil (26,28;30,32) eine rechteckige Nentilklappe aufweist, die um eine im wesentlichen in der Ebene liegende, sich längs einer Seite des

Rechtecks erstreckende Schwenkachse (62) schwenkbar ist und in Schließstellung auf dem Auflagerand (58) aufliegt,

(c) der Offiiungswinkel des Rückschlagventils (26,28;30,32) relativ zu der Ebene durch einen Anschlag (64) auf einen Winkel von weniger als 90° beschränkt ist und

(d) die Durchtrittsöffnung auf der der Schwenkachse (62) gegenüberliegenden Seite eine abgeschrägte, zu der Nentilklappe (60) in deren Offenstellung parallele Wandung (52) aufweist.

11. Kühlsystem, insbesondere zum Kühlen von elektronischen Bauteilen, und insbesondere unter Verwendung einer Ventilpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Kühlsystem einen Hohlkörper (72) aufweist, der mit einem zu kühlenden Teil in gut wärmeleitender Verbindung ist, (b) der Hohlkörper (72) Teil eines geschlossenen Kreises ist, der einen Kühler (98) enthält,

(c) der geschlossene Kreis weiterhin eine Umlaufpumpe (70) enthält und

(d) der Hohlkörper (72) und der geschlossene Kreis mit einer niedrigsiedenden Flüssigkeit gefüllt ist, die durch Wärmezufuhr von dem zu kühlenden Teil verdampft und in dem Kühler (98) kondensiert.

12. Kühlsystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkörper eine flache, hohle Platte ist, die zu dem zu kühlenden Teil hin eine gut wärmeleitende Fläche aufweist und im übrigen mit einer Wärmeisolierung versehen ist.

13. Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte einerseits über eine Drossel mit einem von dem Kühler kommenden Rücklaufund andererseits über einen gegenüber der Drossel großen Strömungsquerschnitt mit einem zu dem Kühler führenden Vorlauf verbunden ist.

14. Kühlsystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rücklauf mit der Drossel auf der einen Seite der Platte und der Vorlauf auf der anderen Seite der Platte mit deren Innenraum verbunden ist.

15. Kühlsystem nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Umlaufpumpe eine Ventilpumpe ist mit einem Pumpenraum und einem Pumpen-Hubglied, das den Pumpenraum in zwei Pumpenkammern unterteilt, Rückschlagventilen zum Einlaß und Auslaß eines zu pumpenden Kühlmediums und Antriebsmitteln zur Erzeugung einer hin- und hergehenden Hubbewegung des Pumpen-Hubgliedes,

(b) jede der Pumpenkammern mit zwei Rückschlagventilen verbunden ist, von denen jeweils ein erstes durch relativen Überdruck in der Pumperikammer und ein zweites durch relativen Unterdruck in der Pumpenkammer geöffnet wird, und

(c) die ersten Ventile parallel mit dem Vorlauf verbunden sind und die zweiten Ventile beide mit dem Inneren des Hohlkörpers verbunden ist.

16. Kühlsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) der Pumpenraum ein Zylinder ist, in welchem als Pumpen-Hubglied ein dauermagnetischer oder magnetisierbarer Kolben geführt ist,

(b) die Umlaufpumpe auf der dem zu kühlenden Teil abgewandten Seite der Platte angeordnet ist, wobei die zweiten Rückschlagventile mit dem Inneren der Platte verbunden sind, und

(c) die ersten Rückschlagventile über ein Verteilerstück parallel mit dem Vorlauf verbunden sind.

17. Verwendung einer Pumpe nach Anspruch 2 als künstliches Herz.

18. Verwendung einer Pumpe nach Anspruch 2 als Blutpumpe zur Unterstützung eines geschwächten Herzens.

19. Ventilpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2 insbesondere zur Verwendung als künstliches Herz oder als Blutpumpe zur Unterstützung eines geschwächten

Herzens, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Ventilpumpe als Membranpumpe mit einem Pumpengehäuse ausgebildet ist, das den Pumpenraum bildet und durch die das Pumpen-Hubglied bildende Membran (18) in zwei Pumpenkammern (34,36) unterteilt ist, wobei an der Membran (18) ein wenigstens teilweise magnetisierbarer oder dauermagnetischer Arikerkörper (112) angebracht ist, und (b) der Ankerkörper (112) einen Hohlraum (120) aufweist, so daß das mittlere spezifische Gewicht des Ankerkörpers (112) dem spezifischen Gewicht der zu pumpenden Flüssigkeit, insbesondere des Blutes, entspricht.

20. Ventilpumpe nach Ansprach 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkörper

(112) sich längs der Hubachse (118) in entgegengesetzten Richtungen verjüngt.

21 Ventilpumpe nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerkörper (112) einen zentralen Höhlkörper (116) von doppelkonischer Grundform bildet.

22. Ventilpumpe nach Ansprach 21, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) auf der Hubachse (118) der Membran (18) an dem Gehäuse auf gegenüberliegenden Seiten zwei alternierend ansteuerbare Elektromagnete (22,24) mit je einem Kern (124) angeordnet sind und

(b) die Kerne (124) der beiden Elektromagneten (22,24) zentrale Ausnehmungen aufweisen (126), die mit den konischen Teilen des doppelkonischen Hohlkörpers (116) fluchten.