DE19948342A1

DE19948342A1 - Kolbenpumpe

Info

Publication number: DE19948342A1
Application number: DE1999148342
Authority: DE
Inventors: Elias Russegger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-07
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe mit einem Linearantrieb, wobei der Linearantrieb einen Elektromagneten aufweist und der Magnetanker des Elektromagneten mit dem Kolben der Kolbenpumpe verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe mit einem Zylinder, einem im Zylinder fluiddicht gelagerten und axial beweglichen Kolben, wobei der Zylinder und die beiden Stirnseiten des Kolbens jeweils einen Arbeitsraum einschließen und der Kolben mit einem Linearantrieb gekoppelt ist, wobei der Linearantrieb wenigstens einen Elektromagneten und einen Magnetanker aufweist.

Kolbenpumpen sind in einer Vielzahl bekannt. Eine derartige Kolbenpumpe, die als Verdrängerpumpe eingesetzt wird, besitzt einen Magneten, mit dem der Druckhub ausgeführt wird, wobei der Saughub über eine Feder erfolgt. Ab einem bestimmten Druck öffnet ein Kugelrückschlagventil, wobei der Druck erst dann aufgebaut wird, wenn der Stössel an einer Saugöffnung vorbeigewandert ist. Der Kolbenhub beträgt mehr als 1 mm, in der Regel 2 bis 4 mm. Als nachteilig wird bei dieser Verdrängerpumpe angesehen, dass aufgrund des extrem großen Kolbenhubes ein großer Luftspalt zwischen der Spule des Elektromagneten und der Ankerplatte bestehen muss, woraus ein sehr schlechter Wirkungsgrad resultiert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Kolbenpumpe bereitzustellen, die einen besseren Wirkungsgrad besitzt.

Diese Aufgabe wird mit einer Kolbenpumpe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Magnetanker mit dem Kolben gekoppelt ist, wobei den Arbeitsräumen jeweils ein Ventilträger zugeordnet ist und jeder Ventilträger ein Auslass- und Einlassventil aufweist.

Durch die Maßnahme, dass jeder Arbeitsraum mit einem Ventilträger mit Auslassventil und Einlassventil versehen ist, kann der Druckaufbau unmittelbar mit Einleitung des Druckhubes beginnen und es entfällt jeglicher Leerweg. Dies bedeutet, dass aufgrund dessen, dass der Kolben während seines Druckhubes nicht zuerst eine Saugöffnung überstreichen muss, der Druckhub selbst wesentlich kürzer sein kann, um entsprechend hohe Drücke aufzubauen. Dies bedeutet, dass der Magnetanker wesentlich näher an der Magnetspule angeordnet sein kann, so dass entweder die Magnetspule kleiner dimensioniert werden kann, um gleich hohe Kräfte wie beim Stand der Technik aufbringen zu können, oder bei gleich dimensionierter Magnetspule wesentlich höhere Kräfte erzeugen zu können. Außerdem entspricht jede Bewegung des Kolbens einem Druckhub und einem Saughub. Dies bedeutet, dass mit der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe wesentlich kontinuierlicher gefördert werden kann, als bei Verdrängerpumpen der eingangs geschilderten Art.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass zwei Elektromagnete vorgesehen sind und der Magnetanker zwischen den beiden Magneten angeordnet ist. Mit diesen beiden Elektromagneten können sowohl in der einen als auch in der Gegenrichtung gleich große Kräfte erzeugt werden, so dass nicht nur hohe Drücke erzeugt werden können, sondern auch der Saughub nur einen Bruchteil der sonst üblichen Zeit erfordert.

Mit Vorzug sind die beiden Elektromagnete abwechselnd ansteuerbar, so dass auf diese Weise eine kontinuierliche Förderung möglich ist.

Eine kompakte und einfach herzustellende Bauweise wird dadurch erzielt, dass die Führung des Kolbens im Zylinder zur Führung des Magnetankers verwendet wird. Der Magnetanker befindet sich also schwebend zwischen den Magnetspulen und wird lediglich, insbesondere über ein Verbindungselement, vom Kolben gehalten und in axialer Richtung geführt.

Ein schnelles Ansprechen der Ventile und ein einfacher Aufbau dieser Ventile wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Ventile als Plattenventile ausgebildet sind. Diese Plattenventile weisen Ventilöffnungen auf, die von elastischen Verschlusselementen, z. B. Federstahlplatten oder dergleichen verschlossen werden. Dabei können die Plattenventile gemäß einer Weiterbildung der Erfindung durch Federn in ihrer Schließstellung gehalten werden. Die Federn bewirken jedoch lediglich, dass die elastischen Ventilelemente eine definierte Stellung einnehmen. Während des Saughubes wird die Kraft der Ventilfeder des Einlassventiles unmittelbar nach Einleitung des Saughubes überwunden, so dass das Einlassventil öffnet, und das Ventilelement des Auslassventiles wird zusätzlich vom unter Druck stehenden Fluid in der Auslassleitung in der Schließstellung gehalten.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ansteuerfrequenz der Erregerspannung der Elektromagnete variierbar ist. Auf diese Weise kann der Volumenstrom, d. h. die Menge an Fluid auf gewünschte Werte eingestellt werden.

Mit Vorzug ist die Impulsdauer der Erregerspannung der Elektromagnete variierbar, so dass auf diese Weise der Druck des geförderten Fluids auf einen gewünschten Wert eingestellt bzw. verstellt werden kann.

Mit Vorzug weist der Zylinder einen Durchbruch auf und ist im Durchbruch ein den Kolben mit dem Magnetanker koppelndes Verbindungselement vorgesehen. Über den Durchbruch erfolgt die Anbindung des Magnetankers an den Kolben, wobei der Durchbruch z. B. an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Kolbens vorgesehen sein kann.

Um den Magnetanker bzw. das Verbindungselement relativ einfach mit dem Kolben verbinden zu können, ist dieser mit einem Ringbund oder einer Ringnut versehen, über welche die Anbindung erfolgt. Dies kann z. B. durch Aufschrumpfen, Anflanschen, Anschrauben oder eine ähnliche lösbare oder nicht lösbare Verbindung erfolgen.

Um eine Leckage des Fluides in den Durchbruch zu vermeiden, ist der Zylinder oder der Kolben außerhalb des Durchbruches mit Ringnuten versehen. Diese Ringnuten sind mit der Saugleitung verbunden. Somit wird über die Ringnuten stets ein geringer Unterdruck angelegt und Fluid abgesaugt.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Zylinder wenigstens dreiteilig ist, wobei ein Teil den Kolben aufnimmt und die beiden anderen Teile jeweils den Ventilträger aufweisen. Dieser Aufbau ermöglicht eine relativ rasche und problemlose Montage sowie Demontage, wodurch relativ geringe Herstellungskosten realisierbar sind.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Zylinder in ein hülsenförmiges Aufnahmegehäuse eingesetzt ist, wobei im Aufnahmegehäuse auch der Linearantrieb vorgesehen ist. Die beiden Magnete umgreifen somit den Zylinder, der koaxial zu den Magneten liegt. Dadurch wird ein relativ gleichmäßiges Einleiten der Kräfte gewährleistet und die Baugröße der gesamten Pumpe kann auf diese Weise minimiert werden.

Eine weiter Erfindung wird darin gesehen, dass die Kolbenpumpe eine Auswerteelektronik aufweist, mit der die Ansteuerfrequenz und/oder die Impulsdauer erfasst und somit der Volumenstrom und/oder der Druck ermittelbar ist.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich in Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten und in den Ansprüchen sowie in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Kolben; und

Fig. 2 eine schematische Ansicht der Koppelung von Magnetanker und Kolben.

Die Fig. 1 zeigt ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Aufnahmegehäuse, in welchem ein erster Elektromagnet 12 und ein zweiter Elektromagnet 14 derart angeordnet sind, dass sie beabstandet und koaxial zueinander liegen und eine gemeinsame Achse 16 besitzen. An den Elektromagneten 12 und 14 liegen Polplatten 18 und 20 an, zwischen denen sich ein Magnetanker 22 befindet. Die Elektromagnete 12 und 14 sind Ringmagnete und sowohl das Aufnahmegehäuse 10, die Polplatten 18 und 20 und der Magnetanker 22 sind im Wesentlichen Drehteile.

Das Aufnahmegehäuse 10 ist mit einer zur Achse 16 koaxialen Aufnahmeöffnung 24 versehen, die einseitig offen ist. An diesem offenen Ende besitzt die Aufnahmeöffnung 24 ein Innengewinde, so dass mittels einer Schraubhülse 26 ein Druckstück 28 in die Aufnahmeöffnung 24 einschraubbar ist. Mittels des Druckstücks 28 wird in der Aufnahmeöffnung 24 ein Zylinder 30 sowie beidseits des Zylinders 30 vorgesehene Ventilträger 32 und 34 und ein Endstück 36 festgespannt. Innerhalb des Zylinders 30 befindet sich ein Kolben 38, der axial verschieblich und fluiddicht gelagert ist. Am Kolben 38 ist der Magnetanker 22 befestigt, was weiter unten noch näher beschrieben wird.

Das Druckstück 28 weist einen Niederdruckanschluss 40 auf, an welchen z. B. eine Versorgungsleitung oder dergl. angeschlossen werden kann. Dieser Niederdruckanschluss 40 ist in eine Bohrung 42 eingepresst, die in eine Leitung 44 ausmündet.

Außerdem ist das freie Ende des Druckstücks 28 mit einem Außengewinde 46 versehen, an welchem eine nicht dargestellte Hochdruckleitung angeschlossen werden kann. Aus dem Druckstück 28 und in die nicht dargestellte Hochdruckleitung mündet eine Fluidleitung 48, die mit einer an der dem freien Ende gegenüberliegenden Seite vorgesehenen Kammer 50 verbunden ist.

Der Ventilträger 34 ist mit einer ersten Bohrung 52, einer zweiten Bohrung 54 sowie einer zentralen dritten Bohrung 56 versehen. Die erste und die zweite Bohrung 52 und 54 können auch nierenförmig ausgebildet sein, worauf später noch eingegangen wird. Auch der Zylinder 30 ist mit einer ersten Bohrung 58 und einer zweiten Bohrung 60 versehen. Schließlich weist auch der zweite Ventilträger 34 die erste Bohrung 52, die zweite Bohrung 54 und die zentrale dritte Bohrung 56 auf. Auch bei diesem Ventilträger 34 können die erste und die zweite Bohrung 52 und 54 nierenförmig sein.

Die beiden Ventilträger 32 und 34 sowie der Zylinder 30 sind so zueinander ausgerichtet, dass die ersten Bohrungen 52 und 58 sowie die zweiten Bohrungen 54 und 60 miteinander kommunizieren. Aufgrund von nierenförmigen Bohrungen in den Ventilträgern 32 und 34 können diese auch geringfügig versetzt zum Zylinder 30 angeordnet werden, ohne dass dies zu Problemen bei der Fluidweiterleitung führt.

Die Kammer 50 im Druckstück 28 sowie eine entsprechende Kammer 62 im Endstück 36 sind stufenförmig ausgestaltet und lagern jeweils eine Druckfeder 64, welche jeweils eine Ventilplatte 66 an die zentrale dritte Bohrung 56 andrückt. Durch die Ventilplatte 66 wird diese Bohrung 56 verschlossen. Die Kammer 62 ist mit der zweiten Bohrung 54 des Ventilträgers 32 fluidverbunden.

Die der Ventilplatte 66 gegenüberliegenden Stirnseiten der beiden Ventilträger 32 und 34 sind jeweils mit einer Ringnut 68 versehen, die ihrerseits über eine schräg verlaufende Bohrung 70 mit der ersten Bohrung 52 kommuniziert. Die Ringnut 68 wird von einer Ventilplatte 72 verschlossen, welche eine zentrale Öffnung aufweist, so dass die zentrale dritte Bohrung 56 unverschlossen bleibt. Die Ventilplatte 72 wird ebenfalls über eine Druckfeder 74 an die Stirnseite der beiden Ventilträger 32 und 34 angedrückt. Die Druckfeder 72 liegt an einer Schulter einer Stufenbohrung im Zylinder 30 an.

Der Zylinder 30 ist schließlich noch mit zwei Ringnuten 76 versehen, die über Querbohrungen 78 mit der ersten Bohrung 58 kommunizieren. Zwischen den beiden Ringnuten 76 weist der Kolben 38 eine breite Ringnut 80 auf, an welcher der Magnetanker 22, wie in Fig. 2 dargestellt, mittels eines Verbindungselements 82 gekoppelt ist. Hierfür ist der Zylinder 30 an zwei einander gegenüberliegenden Seiten jeweils mit einem Durchbruch 84 versehen. Der Magnetanker 22 wird über das Verbindungselement 82 am Kolben 38 gelagert und von diesem in axialer Richtung geführt. Der Kolben 38 dient somit als Lagerung für den Magnetanker 22 und der Magnetanker 22 dient als Antrieb für den Kolben 38.

In Fig. 2 ist erkennbar, dass der Kolben 38 beidseits des Durchbruchs 84 mit zwei Ringnuten 86 versehen sein kann, die den Ringnuten 76 im Zylinder 30 (Fig. 1) entsprechen. Die beiden Ringnuten 86 sind ebenfalls über Querbohrungen 78 mit der ersten Bohrung 58 im Zylinder 30 fluidverbunden.

Wird der Elektromagnet 14 erregt, dann wird der Magnetanker 22 in Richtung des Pfeils 88 (Fig. 1) verlagert. Der Magnetanker 22 verschiebt den Kolben 38 im Zylinder 30 ebenfalls in Richtung des Pfeils 88, wodurch im Arbeitsraum 90 sich befindendes Fluid durch die zentrale Öffnung der Ventilplatte 72, die dritte Bohrung 56 des Ventilträgers 34 in die Kammer 50 verdrängt wird. Dabei wird die Ventilplatte 66 entgegen der Kraft der Feder 64 von der dritten Bohrung 56 abgehoben, so dass das Fluid in die Kammer 50 und von dort in die Fluidleitung 48 austreten kann. Die Förderung des Fluides beginnt unmittelbar mit dem Arbeitshub des Kolbens 38. Auf diese Weise genügt es, wenn der Arbeitshub 1 mm oder weniger, z. B. 0,5 mm, insbesondere 0,1 mm beträgt.

Gleichzeitig wird auf der gegenüberliegenden Seite im Arbeitsraum 92 Fluid angesaugt, indem die Ventilplatte 72 von der Ringnut 68 entgegen der Kraft der Druckfeder 74 abgehoben wird. Das Ansaugen erfolgt ebenfalls unmittelbar mit Beginn des Arbeitshubes, wobei das Fluid über die ersten Bohrungen 52, 58 und die Bohrung 70 in die Ringnut 68 einströmt. Die dritte Bohrung 56 wird von der Ventilplatte 66 verschlossen.

Wird der Elektromagnet 12 erregt, dann wird der Kolben 38 entgegen der Richtung des Pfeils 88 verlagert und das im Arbeitsraum 92 sich befindende Fluid wird durch die zentrale Bohrung der Ventilplatte 72 hindurch in die Kammer 62 und von dort über die zweiten Bohrungen 54 und 60 in die Fluidleitung 48 verdrängt. Gleichzeitig wird auf der gegenüberliegenden Seite, wie bereits oben beschrieben, Fluid angesaugt. Durch den Unterdruck in der ersten Bohrung 58 wird Leckagefluid über die Ringnut 78 und Querbohrungen 78 bzw. über die Ringnuten 68 und die entsprechenden Querbohrungen abgesaugt, so dass kein Fluid in den Durchbruch 84 austreten kann.

Aufgrund des geringen Arbeitshubes können die beiden Polplatten 18 und 20 relativ eng beieinander liegen, wodurch sehr hohe magnetische Kräfte in den Magnetanker 22 eingeleitet werden können. Der geringe Arbeitshub wird zum einen durch die spielfreie Lagerung des Magnetankers 22 am Kolben 38 und durch den unmittelbaren Druckaufbau zu Beginn des Arbeitshubes ermöglicht.

Durch die Erfassung der Ansteuerfrequenz der Erregerspannung sowie durch die Erfassung der Impulsdauer der Erregerspannung der beiden Elektromagneten 12 und 14 kann sowohl die Fördermenge, als auch der Förderdruck ermittelt werden. Über den Stromverlauf wird der Druck ermittelt. Dieser kann an einer geeigneten Anzeige dargestellt werden. Dies erspart einen separaten Druckaufnehmer. Außerdem kann über Kennfelder, die z. B. in einem IC abgespeichert sind, vorhandene Luft in einem Entlüftungsmodus ausgetrieben werden.

Die erfindungsgemäße Pumpe kann bevorzugt bei Verbrennungs motoren eingesetzt werden. Ein weiteres Einsatzgebiet wird in der Vergasung von flüssigem Treibstoff für Turbinen gesehen.

Es wird noch nachgetragen, dass sowohl über den Hub des Kolbens als auch durch die Steuerung der Frequenz die Menge und/oder der Druck des Fluides variierbar ist. Dabei kann eine große Menge bei geringem Druck oder eine kleine Menge bei großem Druck gefördert werden. Die Mengensteuerung erfolgt z. B. dadurch, dass nur der letzte Abschnitt der Gesamthubes des Kolbens wirksam ist, d. h. zur Kompression beiträgt, oder beim Saugvorgang wird die Füllung vom Kompressionsraum durch die variable Öffnungszeit des elektronisch gesteuerten Saugventils beeinflusst.

Bei zeitgesteuerten Saugventilen kann dieses derart angesteuert werden, dass das Ventil noch offen ist wenn der Kolbenhub bereits eingesetzt hat. Das Saugventil wird also nach Beginn des Kolbenhubes bis zum Ende des Kolbenhubes variabel je nach der benötigten Menge geschlossen, wodurch eine Mengensteuerung pro Hub erfolgt.

Claims

1. Kolbenpumpe mit einem Zylinder (30), einem im Zylinder (30) fluiddicht gelagerten und axial beweglichen Kolben (38), wobei der Zylinder (30) und die beiden Stirnseiten des Kolbens (38) jeweils einen Arbeitsraum (90, 92) einschließen und der Kolben (38) mit einem Linearantrieb gekoppelt ist, wobei der Linearantrieb wenigstens einen Elektromagneten (12 bzw. 14) und einen Magnetanker (22) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker (22) mit dem Kolben (38) gekoppelt ist, wobei den Arbeitsräumen (90, 92) jeweils ein Ventilträger (32, 34) zugeordnet ist und jeder Ventilträger (32, 34) ein Auslass- und ein Einlass-Ventil aufweist.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Elektromagnete (12 und 14) vorgesehen sind und der Magnetanker (22) zwischen den beiden Magneten (12 und 14) angeordnet ist.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Elektromagnete (12, 14) abwechselnd ansteuerbar sind.

4. Kolbenpumpe nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führung des Kolbens (38) im Zylinder (30) zur Führung des Magnetankers (22) verwendet wird.

5. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile als Plattenventile ausgebildet sind.

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Plattenventile durch Federn (64, 74) in Schließstellung gehalten werden.

7. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz der Erregerspannung der Elektromagnete (12, 14) variierbar ist.

8. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Impulsdauer der Erregerspannung der Elektromagnete (12, 14) variierbar ist.

9. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (30) einen Durchbruch (84) aufweist und im Druchbruch (84) ein den Kolben (38) mit dem Magnetanker (22) koppelndes Verbindungselement (82) vorgesehen ist.

10. Kolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (38) mit einem Ringbund oder einer Ringnut (80) versehen ist, an welchem bzw. welcher das Verbindungselement (82) befestigt ist.

11. Kolbenpumpe nach Anspruch 9 oder 10 dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des Durchbruchs (84) der Zylinder (30) oder der Kolben (38) mit Ringnuten (76 bzw. 86) versehen ist.

12. Kolbenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnuten (76, 86) mit der Saugleitung (40) verbunden sind.

13. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (30) wenigstens dreiteilig ist, wobei ein Teil den Kolben (38) aufnimmt und die beiden anderen Teile jeweils einen Ventilträger (32, 34) aufweisen.

14. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (30) in ein hülsenförmiges Aufnahmegehäuse (10) eingesetzt ist, wobei im Aufnahmegehäuse (10) auch der Linearantrieb vorgesehen ist.

15. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der effektive Hub des Kolbens steuerbar ist.

16. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördermenge durch Frequenzsteuerung und/oder Hubsteuerung variierbar ist.

17. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck durch Frequenzsteuerung und/oder Hubsteuerung variierbar ist.

18. Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektronisch zeitge steuertes Saugventil vorgesehen ist, welches einen variablen Schließzeitpunkt aufweist, so dass es auch nach Beginn des Kolbenhubes geschlossen werden kann.

19. Kolbenpumpe nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Saugventil sowohl während des Saughubes als auch während des Druckhubes des Kolbens ansteuerbar ist.

20. Ansteuerelektronik, insbesondere für eine Kolbenpumpe der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass die An steuerelektronik Steuerelemente für die Frequenz und/oder für die Impulsdauer und/oder eine Auswerteeinheit für die Frequenz und/oder die Impulsdauer aufweist, über die der Massenstrom bzw. der Druck des Fluides einstellbar bzw. ermittelbar ist.