EP1764504A1

EP1764504A1 - Elektromagnetisch betreibbare Dosierpumpe

Info

Publication number: EP1764504A1
Application number: EP06090168A
Authority: EP
Inventors: Karl-Heinz Hirschmann; Arne Sommerfeld; Stefan Barten
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-09-14
Filing date: 2006-09-13
Publication date: 2007-03-21
Also published as: DE102005044904A1; DE102005044904B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betreibbare Dosierpumpe mit einem beweglichen Kolben, der gleichzeitig teilweise Anker eines Elektromagneten ist, dessen ringförmig um den Anker liegende Wicklung im stromdurchflossenen Zustand ein Magnetfeld erzeugt, das eine Kraft auf den Anker bzw. Kolben ausübt, die diesen gegen. die Kraft einer Feder bewegt, welche im stromlosen Zustand den Kolben bzw. Anker wieder in seinen Ausgangszustand zurückbewegt. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preisgünstige Pumpe zu schaffen, die ohne Druckspeicher einen nahezu kontinuierlichen Förderstrom erzeugt und gegen die Umwelt zuverlässig abgedichtet ist. Erfindungsgemäß wird das neben anderen Merkmalen insbesondere dadurch erreicht, dass in der Dosierpumpe Ventile (58, 59) mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betreibbare Dosierpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruches 1. Verwendung finden diese Pumpen speziell als Brennstoffpumpen in Brennstofffeuerungen. Für diese Art von Anwendung ist ein nahezu kontinuierlicher Förderstrom in sämtlichen Arbeitsbereichen erwünscht.
Die Förderstromschwankungen bei bekannten Dosierpumpen entstehen durch die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens, der nur während einer Bewegungsrichtung fördert und in der anderen Bewegungsrichtung nur ansaugt. Hinzu kommt der Umschalthub der verwendeten Ventile, der für eine zusätzliche Schwankung des Förderstromes sorgt. Solche Dosierpumpen sind aus den Druckschriften DE 43 28 621 C2 , DE 23 15 842 A und DE 102 27 659 B4 bekannt. Die Schwankungen treten besonders bei niedrigen Temperaturen auf und wirken sich störend auf den Brennvorgang in der Brennstofffeuerung aus. Weitere Nachteile dieser Dosierpumpen sind das große Bauvolumen, die hohe Teileanzahl und die aufwändige Montage.
Die Dosierpumpe aus der Druckschrift DE 102 27 659 B4 weist einen weiteren Nachteil auf. Der Druckspeicher in der Dosierpumpe bewirkt eine Glättung des Förderstromes. Der Druckspeicher muss aber zunächst befüllt werden und entleert sich nach dem Abschalten des Kolbenantriebs zwangsläufig, was zu einem undefinierten Verhalten der Heizung führt.
Aus der Druckschrift DE 31 09 090 A1 und US 1 822 242 sind Pumpen bekannt, die mit einem Stufenkolben ausgestattet sind. Mit diesen Pumpen wird sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens, als auch bei der Rückwärtsbewegung des Kolbens Flüssigkeit gefördert. Diese Pumpen weisen den Nachteil auf, dass sie ebenfalls aufwendig im Aufbau sind, d.h., sie sind unter anderem mit drei Ventilen ausgestattet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und preisgünstige Pumpe zu schaffen, die ohne Druckspeicher einen nahezu kontinuierlichen Förderstrom erzeugt und gegen die Umwelt zuverlässig abgedichtet ist.
Erreicht wird dieses durch die Lehren des Patentanspruches 1 und der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine elektromagnetisch betreibbare Dosierpumpe mit einem beweglichen Kolben vorgesehen, der gleichzeitig teilweise Anker eines Elektromagneten ist, dessen ringförmig um den Anker liegende Wicklung im stromdurchflossenen Zustand ein Magnetfeld erzeugt, das eine Kraft auf den Anker bzw. Kolben ausübt, die diesen gegen die Kraft einer Feder bewegt, welche im stromlosen Zustand den Kolben bzw. Anker wieder in seinen Ausgangszustand zurückbewegt, in dem er die Ausströmöffnung der Dosierpumpe verschließt, wobei der Kolben über eine Einströmöffnung im Gehäuse das zu fördernde Medium ansaugt, das auf der Druckseite der Dosierpumpe durch eine Ausströmöffnung im Gehäuse gedrückt wird, wobei der Kolben ein Stufenkolben ist, dessen saugseitiges Hubvolumen vorzugsweise doppelt so groß ist wie dessen druckseitiges Hubvolumen, wobei der Kolben mit mindestens einem vorgespannten Ventil ausgerüstet ist, das sich bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens öffnet, wodurch das im Ansaugraum befindliche Volumen durch den Stufenkolben den druckseitigen Hubraum füllt und den Rest in die Ausströmöffnung drückt, während bei der Rückwärtsbewegung das Ventil im Stufenkolben schließt, wodurch der druckseitige Stufenkolbenteil das druckseitige Hubvolumen in die Ausströmöffnung drückt und gleichzeitig der saugseitige Stufenkolbenteil das saugseitige Hubvolumen durch ein sich öffnendes saugseitiges Ventil ansaugt, so dass sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Stufenkolbens bzw. Ankers als auch bei der Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens bzw. Ankers bevorzugt das gleiche Volumen gefördert wird, und wobei die Ventile unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die verwendeten Ventile verschiedene Bauarten auf, wobei das saugseitige Ventil ein Plattenventil ist, welches keine mechanische Vorspannung besitzt, wodurch sich das Ventil bei geringsten Druckdifferenzen öffnet bzw. schließt und dass wegen des im Stufenkolben befindlichen vorgespannten Ventils die Druckdifferenz zum Öffnen des Ventils im Kolben höher ist, als die am saugseitigen Ventil, wodurch sich bei der Bewegung des Kolbens zur Ansaugöffnung hin ein Mindestdruck im Ansaugraum einstellt, welcher zwangsweise das saugseitige Ventil schließt, und die Vorspannung des Ventils bei der Bewegung des Kolbens zur Drucköffnung hin eine vollkommene Abdichtung des Ansaugraums beim Ansaugen bewirkt, wodurch sich ein für das Ansaugen des Fördermediums und des Öffnens des saugseitigen Ventils erforderlicher Unterdruck einstellt. Das saugseitige Plattenventil besitzt ein geringes Totvolumen, wodurch das Verhältnis von Schad- zu Arbeitsraum saugseitig minimiert wird, wodurch bereits bei minimalen Hubwegen des Stufenkolbens ein Ansaugen erreicht wird und so bereits bei geringen Hüben des Stufenkolbens eine Förderung ermöglicht wird, woraus Förderfrequenzen resultieren, die wegen der unterschiedlichen Eigenfrequenzen der Ventile auch nicht zu einer dynamischen Kopplung über die Flüssigkeitssäule führt.
Die Strömungsvorgänge werden zwangsweise über die Ventile gesteuert. Verhalten sich die Hubvolumen bzw. Querschnittsflächen der Kolben von Saug- und Druckseite wie 2:1, so ist der Förderstrom im Mittel bei beiden Bewegungsrichtungen gleich. Durch die erfindungsgemäße Verwendung eines Plattenventils ohne Vorspannung als saugseitiges Ventil werden die zusätzlich durch die Ventile erzeugten Förderstromschwankungen minimiert. Das Plattenventil weist in einer Ausführungsform Klappen mit mindestens einem elastischen Gelenk auf und ist bevorzugt in Membranbauweise als Parallelhubventil mit mindestens einem elastischen Gelenk ausgeführt.
Diese Art von Ventilen besitzt im Vergleich zu den gängigen, z.B. mit federbelasteten Kugeln, ein minimal wirksames Totvolumen. Zusätzlich sind die bewegten Massen des Kolbens und der Ventile minimiert, was zu einer höheren Förderfrequenz im Vergleich zu den bekannten Dosierpumpen führt. Dieses bewirkt bei gleichem Förderstrom eine kleinere Baugröße. Die Pumpe lässt sich mit weniger Bauteilen druckdicht aufbauen.
Es ist zweckmäßig, das Plattenventil in Membranbauweise aus einem Federblech herzustellen.
In einer zweiten Ausführungsform ist vorgesehen, das saugseitige Ventil als Kugelventil auszuführen.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, das Ventil im Stufenkolben als Plattenventil auszuführen.
Es kann auch zweckmäßig sein, vor der Ausströmöffnung ein weiteres Ventil vorzusehen, das als Plattenventil in Membranbauweise oder Kugelventil ausgeführt sein kann.
Die Erfindung soll in einem Ausführungsbeispiel anhand von Zeichnungen erläutert werden. Es zeigen:

Fig.1.: einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Dosierpumpe;
Fig. 2: eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Plattenventils.

Die Figur 1 zeigt die Pumpe im unbestromten Zustand, d.h. der Kolben befindet sich in der Ruheposition. Eine Druckfeder 51 drückt einen Stufenkolben 52 in die Ruhelage und ein anliegender O-Ring 53 schließt die Pumpe druckseitig ab. Zum Schutz der Bauteile ist im Ansaugbereich ein Filtersieb 67 integriert.
Für die Bewegung des Stufenkolbens 52 in Richtung einer Ansaugöffnung 70 hin wird eine Spule 54 bestromt. Es bildet sich ein Magnetfeld aus, welches über eine Kolbenführung 55, den Stufenkolben 52, den Luftspalt zwischen dem Stufenkolben 52 und einer Abdichtscheibe 56 und einem Joch 57 einen Magnetkreis bildet. Die Bauteile 52, 55, 56, 57 sind aus einem weichmagnetischen Material hergestellt. Nach dem Reluktanzprinzip bewegt sich der Stufenkolben 52 in Richtung Abdichtscheibe 56 und legt sich an diese an. Durch diese Bewegung verkleinert sich ein Ansaugraum 66, der nachfolgend als Arbeitsraum bezeichnet wird. Während dieser Bewegung ist ein Plattenventil 58 infolge der Druckbelastung saugseitig abgedichtet. Das angesaugte Fördermedium fließt während dieser Bewegung über ein im Stufenkolben 52 integriertes Kugelventil 59 über eine Querbohrung 71 in einen Druckraum 60. Bei dieser Bewegung in Richtung Ansaugöffnung füllt sich der Druckraum 60 und zusätzlich wird das überschüssige angesaugte Fördermedium in eine Ausströmöffnung 61 gefördert. Zur Erzeugung der anschließenden Bewegung in die Ruhelage des Stufenkolbens wird die Bestromung der Spule 54 unterbrochen. Die vorgespannte Druckfeder 51 drückt den Stufenkolben 52 zurück. Dabei öffnet sich das saugseitige druckgesteuerte Plattenventil 58 und der Stufenkolben saugt infolge der Volumenvergrößerung des Arbeitsraums 66 Fördermedium in den Arbeitsraum 66. Das Kugelventil 59 ist dabei zwangsweise geschlossen. Das im Druckraum 60 befindliche Fördermedium wird dabei gleichzeitig in die Ausströmöffnung 61 gefördert. Als Ergebnis wird sowohl beim Hin- und als auch beim Rückhub ein durch den Stufenkolben definiertes Volumen in die Ausströmöffnung 61 gefördert. Bei einem Flächenverhältnis von vorzugsweise 2:1 sind die geförderten Teilvolumina jeweils gleich groß. Die Pumpe benötigt trotz ihrer Doppelhubcharakteristik erfindungsgemäß nur zwei Ventile. Das Ansaugen erfolgt nur bei der Bewegung in Richtung Ausströmöffnung 61. Das angesaugte Volumen entspricht dem während des Hin- und Rückhubs geförderten Volumen. Dadurch wird erfindungsgemäß das Ansaugverhalten der Pumpe verbessert, da der konstruktiv bedingte anteilige Schadraum bezogen auf den Arbeitsraum 66 günstiger ausfällt.
Das saugseitige Plattenventil 58 ist so ausgeführt, dass es keine Vorspannung besitzt. Dadurch öffnet dieses schon bei kleinsten Druckdifferenzen bei der Bewegung des Stufenkolbens 52 in Richtung der Drucköffnung, so dass der Ansaugvorgang unmittelbar mit der Kolbenbewegung beginnt. Während der Bewegung des Stufenkolbens 52 zur Saugseite hin wird das Plattenventil 58 durch den erzeugten Überdruck im Arbeitsraum 66 zwangsweise verschlossen.
Das vorzugsweise zu verwendende Kugelventil 59 im Stufenkolben 52 muss für ein gutes Ansaugverhalten der Pumpe bereits im drucklosen Zustand vorgespannt sein, um eine gute Abdichtung des Arbeitsraumes 66 beim Ansaugen zu gewährleisten. Zusätzlich wird durch die Vorspannung bei. der Bewegung des Stufenkolbens 52 zur Ansaugöffnung ein Grunddruckniveau im Arbeitsraum 66 eingestellt, welches für ein sicheres Schließen des Plattenventils 58 erforderlich ist. Konstruktiv bietet sich hierfür ein Kugelventil an, prinzipiell könnte aber auch ein Plattenventil gleicher Bauart wie das saugseitige Plattenventil 58 mit Vorspannung verwendet werden. Ausschlaggebend für die Funktion auch bei höheren Ansteuerfrequenzen ist, dass die beiden Ventile eine unterschiedliche Charakteristik in Hinblick auf die Eigenfrequenzen besitzen, damit eine dynamische Wechselwirkung zwischen den Ventilen über das Fördermedium ausgeschlossen ist und somit ein sicheres Abdichten und Öffnen der Ventile gewährleistet ist.
Ein zwischen dem Arbeitsraum 66 und dem Druckraum 60 liegender Leckölraum 62 trägt nicht zur Förderung bei. Durch die vorhandenen Undichtigkeiten des Stufenkolbens 52 in der Kolbenführung 55 fließt in diesen Raum Lecköl. Um die Funktion der Pumpe zu gewährleisten, muss dieser Raum drucklos gehalten werden, d.h., es muss eine fluidische Verbindung zur Ansaugseite hergestellt werden. Dazu dienen eine Bohrung 63 in der Kolbenführung 55, ein Spulendurchgang 65, Nuten jeweils im Joch 57, der Abdichtscheibe 56, dem Plattenventil 58 und einer Ventilauflagescheibe 64. Die Kabel der Spule 54 werden durch eine Bohrung 69 druckdicht nach außen geführt. Die Abdichtung der gesamten Pumpe übernimmt ein Gehäuse 68.
In der Figur 2 ist eine bevorzugte Variante des Plattenventils 58 in Membranbauweise dargestellt. Ein ebener Abdichtkörper bzw. eine Klappe 80 ist an vier elastischen Gelenken 81 aufgehängt, wodurch ein Parallelhub des Abdichtkörpers 80 ermöglicht wird.

Claims

Elektromagnetisch betreibbare Dosierpumpe mit einem beweglichen Kolben, der gleichzeitig teilweise Anker eines Elektromagneten ist, dessen ringförmig um den Anker liegende Wicklung im stromdurchflossenen Zustand ein Magnetfeld erzeugt, das eine Kraft auf den Anker bzw. Kolben ausübt, die diesen gegen die Kraft einer Feder bewegt, welche im stromlosen Zustand den Kolben bzw. Anker wieder in seinen Ausgangszustand zurückbewegt, in dem er die Ausströmöffnung der Dosierpumpe verschließt, wobei der Kolben über eine Einströmöffnung im Gehäuse das zu fördernde Medium ansaugt, das auf der Druckseite der Dosierpumpe durch eine Ausströmöffnung im Gehäuse gedrückt wird, wobei der Kolben ein Stufenkolben ist, dessen saugseitiges Hubvolumen vorzugsweise doppelt so groß ist wie dessen druckseitiges Hubvolumen, wobei der Kolben mit mindestens einem vorgespannten Ventil ausgerüstet ist, das sich bei der Vorwärtsbewegung des Kolbens öffnet, wodurch das im Ansaugraum befindliche Volumen durch den Stufenkolben den druckseitigen Hubraum füllt und den Rest in die Ausströmöffnung drückt, während bei der Rückwärtsbewegung das Ventil im Stufenkolben schließt, wodurch der druckseitige Stufenkolbenteil das druckseitige Hubvolumen in die Ausströmöffnung drückt und gleichzeitig der saugseitige Stufenkolbenteil das saugseitige Hubvolumen durch ein sich öffnendes saugseitiges Ventil ansaugt, so dass sowohl bei der Vorwärtsbewegung des Stufenkolbens bzw. Ankers als auch bei der Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens bzw. Ankers bevorzugt das gleiche Volumen gefördert wird, und wobei die Ventile (58, 59) unterschiedliche Eigenfrequenzen aufweisen.
Dosierpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten Ventile (58, 59) verschiedener Bauart sind, wobei das saugseitige Ventil (58) ein Plattenventil ist, welches keine mechanische Vorspannung besitzt, wodurch sich das Ventil (58) bei geringsten Druckdifferenzen öffnet bzw. schließt und dass wegen des im Stufenkolben (52) befindlichen vorgespannten Ventils (59) die Druckdifferenz zum Öffnen des Ventils (59) höher ist, als die am saugseitigen Ventil (58), wodurch sich bei der Bewegung des Kolbens zur Ansaugöffnung hin ein Mindestdruck im Arbeitsraum (66) einstellt, welcher zwangsweise das saugseitige Ventil (58) schließt, und die Vorspannung des Ventils (59) bei der Bewegung des Kolbens zur Drucköffnung hin eine vollkommene Abdichtung des Arbeitsraums (66) beim Ansaugen bewirkt.
Dosierpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenventil (58) Klappen mit mindestens einem elastischen Gelenk (81) aufweist.
Dosierpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenventil (58) in Membranbauweise als Parallelhubventil mit mindestens einem elastischen Gelenk (81) ausgeführt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Plattenventil (58) in Membranbauweise aus einem Federblech hergestellt ist.
Dosierungspumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das saugseitige Ventil (58) als Kugelventil ausgeführt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil im Stufenkolben (52) als Plattenventil ausgeführt ist.