Optimierung der Förderrate einer piezoelektrischen Hochleistungs-Mikropumpe:
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2011
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INHALTSVERZEICHNIS
1. EINLEITUNG 5
1.1 ANFORDERUNGEN AN DIE ZIRKULATIONSPUMPE EINER METHANOL
BRENNSTOFFZELLE 5
1.2 STAND DER TECHNIK BEI MIKRO- UND MINIATURPUMPSYSTEMEN 7
1.3 ZIEL DER ARBEIT UND LOESUNGSKONZEPT 11
2. MODELLIERUNG UND OPTIMIERUNG DER SYSTEMKOMPONENTEN 14
2.1 MODELLIERUNG UND OPTIMIERUNG DES PIEZO-BIEGEAKTORS 14
2.1.1. GRUNDLAGEN DER PIEZOAKTORIK 14
2.1.2. FUNKTIONSWEISE DES PIEZO-BIEGEWANDLERS 19
2.1.3. ANALYTISCHE MODELLIERUNG DES PIEZO-BIEGEWANDLERS 20
2.1.4. OPTIMIERUNG DES BIEGEWANDLERS 26
2.1.5. EXPERIMENTELLE UNTERSUCHUNG 35
2.1.6. ABSCHAETZUNG DER MECHANISCHEN FESTIGKEIT DER OPTIMIERTEN AKTOREN 4
1
2.1.7. VERGLEICH ZWISCHEN MODELL UND AKTOR DER VERSCHWEISSTEN PUMPE 44
2.1.8. FAZIT DER AKTOROPTIMIERUNG 47
2.2 MODELLIERUNG UND OPTIMIERUNG DER PUMPKAMMER 48
2.2.1. DIMENSIONSANALYSE DER CHARAKTERISTISCHEN NAVIER-STOKES GLEICHUNG
48
2.2.2. ANALYTISCHE MODELLIERUNG DER REIBUNGSDOMINIERTEN STROEMUNG 52
2.2.3. ANALYTISCHE MODELLIERUNG DER TRAEGHEITSDOMINIERTEN STROEMUNG 54
2.2.4. VERGLEICH DES ANALYTISCHEN MODELLS MIT DER FEM SIMULATION 57
2.2.5. OPTIMIERUNG DER PUMPKAMMERTIEFE 63
2.3 MODELLIERUNG UND OPTIMIERUNG DES SILIZIUM KLAPPENVENTILS 63
2.3.1. ANALYTISCHES MODELL DER VENTILKLAPPE 64
2.3.2. CHARAKTERISIERUNG DES VENTILS MIT FEM UND EXPERIMENT 66
2.3.3. OPTIMIERUNG DER KLAPPENVENTILE 70
2.3.4. FAZIT DER VENTILMODELLIERUNG 71
2.4 WEITERE KOMPONENTEN DES FLUIDISCHEN SYSTEMS 71
2.4.1. GASBLASE IN DER PUMPKAMMER 72
2.4.2. FLUIDISCHE LEITUNGEN 72
2.4.3. DRUCKDAEMPFUNGSELEMENTE 76
3. OPTIMIERUNG DER MIKROPUMPE ALS GESAMTSYSTEM 80
3.1 OPTIMIERUNG DER SCHLAUCHLEITUNGSLAENGEN 81
3.2 ENTKOPPELUNG DER FLUIDISCHEN PERIPHERIE 83
3
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IMAGE 2
3.3 OPTIMIERUNG DER PUMPKAMMERTIEFE 85
3.4 OPTIMIERUNG DER AKTORSTEIFIGKEIT 87
4. ENTWICKLUNG EINES SERIENTAUGLICHEN FERTIGUNGSPROZESSES 90
4.1 FERTIGUNG DER SILIZIUM VENTILE 90
4.2 FERTIGUNGSPROZESS DES BIEGEAKTORS 92
4.3 VENTIL- UND AKTORMONTAGE AUF DEM GEFRAESTEN GRUNDKOERPER 94
4.4 VERBESSERUNG DER AKTORMONTAGE DURCH LASERSTRAHLSCHWEISSEN 94
4.5 FIXIERUNG DER SILIZIUMVENTILE DURCH HEISSPRAEGEN 97
4.6 FERTIGUNG DES GRUNDKOERPERS IM SPRITZGUSS 98
4.7 EVALUIERUNG DER INDUSTRIELL HERGESTELLTEN PUMPE 99
4.8 ERREICHTE LEISTUNGSKENNWERTE DER DOUBLE LAYER PUMPE 101
5. ZUSAMMENFASSUNG DER ERREICHTEN ERGEBNISSE 103
5.1 AUSBLICK: VERGLEICH WEITERER KENNWERTE DER MIKROPUMPE 104
ANHANG 107
A. EXPLIZITE ANALYTISCHE FORMELN DES BIEGEAKTORS 107
B. SIMULATIONSEINSTELLUNGEN 108
C. HERLEITUNG DER BIEGELINIE EINER VENTILKLAPPE 111
D. SCHLAUCHKAPAZITAET 112
E. PARAMETER DER NETZWERKMODELLIERUNG 113
F. BESTIMMUNG DER ERLAUBTEN PUMPKAMMERHOEHE 113
VERZEICHNIS DER VERWENDETEN ABKUERZUNGEN 114
VEROEFFENTLICHUNGEN 116
DANKSAGUNG 117
LITERATURVERZEICHNIS 118
4
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