CN100371590C - 用于将液体燃料输送到家庭燃烧器装置的往复运动液体泵 - Google Patents

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Abstract

一种用于将液体燃料输送到家庭燃烧器装置的往复运动液体泵(1)包括电子机械驱动装置，该驱动装置作用在柱塞(5)上以便在泵缸(6)的泵腔(7)内往复运动柱塞。在柱塞有效行程期间从泵输送液体燃料。有效行程通过压力释放装置(15、16、23)终止，该释放装置在柱塞离开最大行程端部停止位置一定距离(d)时泄放泵腔(7)。

Description

用于将液体燃料输送到家庭燃烧器装置的往复运动液体泵
技术领域
本发明涉及一种用于将液体燃料输送到家庭燃烧器装置的往复运动液体泵，所述泵包括电子机械驱动装置，驱动装置受到电驱动并作用在柱塞上以便在泵缸的泵腔内往复运动柱塞，由此液体燃料从泵输送，所述柱塞具有最大行程端部停止位置。
背景技术
例如燃油燃烧器的液体燃料燃烧器对于家庭使用来说非常常用。通常这种燃油燃烧器是燃油压力雾化类型，其具有高压泵，泵在高压下输送燃油。这些燃烧器根据如下原理操作，即当压力下的燃油穿过小孔膨胀时，燃油雾化成非常细小液滴的团雾，这非常适合燃烧。这些燃烧器设计成在高达40bar的燃油压下操作。这些燃烧器操作所根据的原理需要孔口上保持很高的压力降，并尽可能恒定以便实现所需细小雾化液滴以及没有显著脉动的燃烧。由于在较低流速下不能保持所需的压力降，在这种燃烧器的操作中通常非常严重地限制了衰减，这种衰减限定为最大输入速度相对于最小输入速度之间比例，或者根本不能使用，并且燃烧器只在开关模式下操作。由于燃烧器经历许多加热和冷却循环，这当然造成不利的温度控制、降低的燃烧效率以及增加部件的负载。
另外，燃烧器的最小输出通过孔口的孔尺寸来控制。可行的最小孔是0.1毫米直径，这是由于较小的孔将由于燃油内不可避免的颗粒或者由于燃烧形成的烟灰而快速堵塞，使得维护需要增加到不可接受的程度。具有尽可能小的孔的空腔的普通燃油燃烧器的最小输出是大约10kw，这超过普通家庭的静态需求。
对于小于10kw的输出来说，现有技术的液体燃料泵不适用于非常小量的燃油需要，并且现有技术小容量油泵非常复杂并且制造成本高。
用于家庭炉燃烧器的泵的重要参数是应该非常安静并最好没有噪声，这是由于如果其家庭内出现噪声，大多数人容易变得烦躁和不安。
美国专利NO.4352645披露一种用于家庭炉燃烧器喷嘴的现有技术燃油泵。该泵通过电磁体启动并包括小直径泵柱塞，柱塞提供抽吸力以便将燃油抽入进入室。泵还包括主泵送腔室、一系列止回阀和多个弹簧。该泵的一个优点在于减小了来自电枢制动的噪声，但是这种泵非常复杂并且制造成本高，泵的许多运动部件以及燃油抽吸到进入室产生噪声。另外，泵非常庞大，并且对于安装在家庭燃烧器的小供应装置内来说不是最佳。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有简单构造和低噪声的液体泵。
因此，本发明的液体泵的特征在于泵包括在离开最大行程端部停止位置一定距离的有效行程端部处泄放泵腔的压力释放装置。
在有效行程端部泄放泵腔可非常良好限定地和准确地终止液体燃料输送，而不使用可以产生噪声的单独运动阀构件。在柱塞位于离开最大行程端部停止位置一定距离的位置上的同时泄放泵腔提供柱塞反向运动的空间，而没有柱塞邻靠固定部件的任何噪声。简单的压力释放装置可用来泄放泵腔，而不需要增加单独运动部件的数量。压力释放装置使得往复运动的流体泵无噪声地运行。
在一个实施例中，柱塞有效行程长度L和柱塞直径D之间的比例L/D小于0.4，并且优选小于0.2。相对于柱塞直径来说有效行程的非常小的长度造成在柱塞密封泵腔并开始有效行程的情况下液体燃料中的小压力变化。通过限制柱塞运动而限制压力变化的大小是用来帮助柱塞进行平缓、实际上没有噪声的运动的任选方法，并且施加在柱塞上以便使其实现有效行程的力变得很小，使得柱塞驱动装置实际上也可没有噪声。通过保持比例L/D小于0.2，非常小的行程长度使得泵以相对大量的行程输送一定量的容量。这有助于燃料均匀流出泵并因此燃烧器装置进行稳定连续操作，而不考虑容量通过往复运动柱塞而间歇给料的事实。
在优选实施例中，柱塞在往复循环过程中的整个行程长度比有效行程长度长两倍以上，并优选是有效行程长度的三倍以上。这使得柱塞在有效行程的终端实现相对低的减速。除此之外，柱塞还可以缩回到下一次有效行程开始的位置之前的开始位置。这提供一定距离，以便柱塞在开始实际有效行程之前加速到泵送速度，有效地泵送液体燃料。失去其泵送速度的距离以及加速到泵送速度的距离有助于泵实际上无噪声的运行，这是由于它使得柱塞驱动装置以相对小的力作用在柱塞上同时还可获得所需的泵送作用。
当柱塞不进行有效行程时可以使得压力释放装置通过燃料入口将泵腔连接到泵上。在柱塞返回到初始位置时，来自燃料入口的液体燃料可经由止回阀开口接近泵腔，以便燃料流入泵腔，并且随后燃料腔室大致在燃料入口处存在的供应压力下保持填充燃料。但是优选的是没有止回阀的更简单的结构。在大多数情况下，柱塞不需要进行任何大量抽吸燃料到泵腔内。
通过在有效行程结束之后返回柱塞的第一返回弹簧，柱塞朝着其开始中间位置偏压，并且最好还有第二返回弹簧作用在柱塞上，使其在操作所述中间位置的泵腔方向上进给。例如螺旋压缩弹簧类型的返回弹簧非常可靠、方便地进行安装，并且使用两个反作用的返回弹簧非常适合使得柱塞获得平稳、无噪声的运动。
在一个实施例中，通过电子机械驱动装置以至少5HZ的频率驱动柱塞。通过实现每秒至少5个行程，以及至少每秒输送至少5个剂量的液体燃料，即使每个剂量只输送少量燃料，低压燃烧器也可保持连续运行。
最好是，通过电子机械驱动装置以50-60HZ范围内的频率驱动柱塞，这可以使用通过所有家庭通常可得到的公共分配网络的交流电驱动的柱塞驱动装置。
电子机械驱动装置可包括具有铁磁材料并安装在柱塞延伸部上的电枢以及布置在电枢外部的电磁体。由于电枢是分开构件，此实施例可以直接进行制造。电枢可以具有不同于柱塞的材料，柱塞包括具有不良磁性的硬化钢的材料。
在优选实施例中，压力释放装置包括布置在柱塞中并与泵缸的燃料入口协作的压力释放导管。在整个有效行程中，柱塞内的压力释放导管保持与缸内的燃料入口隔离，以便使得泵腔内的压力超过开启压力，开启压力例如通过泵腔出口处的止回阀中球体上的弹簧力来确定。
最好是，压力释放导管包括至少第一孔口和柱塞外表面上的环形凹口，所述第一孔口从其泵腔侧朝着环形凹口延伸到柱塞内。如果柱塞的轴向定位在泵有效行程范围之外，环形凹口使得第一孔口在柱塞的所有转动位置上可以相对于泵缸与泵缸内的燃料入口连通。
在一个实施例中，柱塞内的第一孔口在柱塞中央轴线的方向上延伸，以便结合延伸到柱塞外表面内的环形凹口的横向孔口，并且在另一实施例中，第一孔口相对于柱塞中央轴线直接倾斜延伸到柱塞外表面的环形凹口内。在任何情况下，压力释放导管可以简单方式制造在柱塞内。柱塞外表面内的环形凹口很好地限定切去边缘。第一孔口位于柱塞前端(头部)内，并连续承受泵腔内的压力。另外，环形凹口可定位在泵缸内。在更加难以制造的另一解决方法中，压力释放装置包括在泵缸内加工的压力释放通道。该通道可以是缸膛内的凹入部分。
最好是，液体泵设计有一个或多个压力平衡通道，该通道将燃料入口处的压力连通到柱塞的驱动端侧。压力平衡通道确保柱塞的驱动端侧保持在燃料入口处的压力下，使得当泵腔设置成经由压力释放装置与燃料入口连通时，柱塞获得完全的压力平衡状态。一个优点是液体泵变得对于燃料入口处的压力变化不敏感，例如由启动泵造成的压力变化。
最好是柱塞每次驱动所输送的液体燃料量在1mm3-50mm3的范围内。如果该燃料量小于1mm3，将难以以所需可靠性和可重复性从泵输送该燃料量。50mm3以上的燃料量当然也是可以的，但是泵的尺寸将更大。柱塞每次启动的大多数优选的燃料量在2mm3-15mm3的范围内。
在50HZ的驱动频率下并在每次驱动的输送量为2mm3，燃料泵将在每小时输送0.36升的燃料，满足典型单个家庭的基本热量消耗，并且在50HZ的驱动频率下每次驱动的输送量为8mm3造成每小时输送1.44升的燃料，并且满足典型单个家庭的消耗热水是所需的高负荷热量消耗。这些数量满足大多数使用燃油供热系统的家庭的需要。
现有技术高压系统在其运行时趋于产生噪声。通过将泵的液体燃料输送压力保持在大气压以上0.01bar到3bar的范围内，本发明获得低噪声水平进一步增加到消除噪声的程度。采用这种低泵送压力，将不产生柱塞有效行程开始和结束时出现的压力变化造成的可听到的声音。优选的压力范围是大气压以上0.01bar到0.2bar。
液体泵的输送量最好进行调节，以便按照中央供热系统中加热例如水的当前需要调节输送到燃烧器装置的燃料量。在中央供热系统中加热水的需要在一年中从冬天到夏天显著变化。冬天对于供热的需要与室外温度成正比，夏天对于中央供热系统供热的需要是不存在的。对于个人使用、清洗以及厨房使用的热水来说，这些需要在一年中是恒定的，但是每天中显著变化。
在一个实施例中，通过相对于柱塞转动泵缸可以调节输送量。柱塞可例如具有在柱塞运动过程中穿过燃料入口的倾斜切去边缘，使得泵缸或柱塞的转动可以调节有效行程的长度。
在另一实施例中，通过改变柱塞的驱动频率来调节输送量。输送量与驱动频率成线形正比，并且可设置频率的转换器可调节成将驱动频率设置在所需水平上。还可通过接通或断开液体泵来调节输送量。这例如与夏天只需加热消耗热水的情况相关。
附图说明
在下面，参考示意附图更加详细地描述本发明实施例的实例，附图中：
图1表示按照本发明的往复运动液体泵的截面图；
图2a-2d表示图1的液体泵中的泵腔和柱塞的放大截面图，其中柱塞表示成在图2a的最为缩回的初始位置，图2b的有效行程的开始位置，图2c的终端位置以及图2d的最为前进的位置；
图3a-3d表示泵腔和柱塞的第二实施例的类似放大截面图；
图4表示具有倾斜切去边缘的泵腔和柱塞的第三实施例；以及
图5表示泵腔和柱塞的第四实施例。
具体实施方式
为了进行说明，本发明通过以下形式体现，即用于从容器(未示出)或启动泵(未示出)计量少量燃料油到油燃烧供热系统的燃烧器的雾化单元或到车辆发动机加热器(未示出)的燃烧器装置的计量燃料的液体泵。在本发明的说明书中，术语家庭应该以广泛的含义理解为涵盖家庭中央供热系统的家庭燃烧器装置以及属于家庭的例如车辆或船只的外围设备中的家庭燃烧器装置。
泵包括用于电磁体线圈17的壳体2，线圈可连接到提供电流循环或脉冲的电源上。电磁体是标准部件，例如Danfoss部件序列号71N0802。电枢圆筒3延伸穿过壳体2，并且在圆筒3内，电枢4布置成通过电磁体进行往复运动。电枢继而作用在柱塞5上，使其在泵缸6内往复运动，泵缸包括通过泵缸6的内表面限定的泵腔7、在此实施例中作为通过压缩弹簧9贴靠泵腔7的开口的球体8的止回阀以及柱塞5的柱塞头10。
泵1例如通过将电枢圆筒3上的外螺纹旋入组件11的孔的内螺纹21上来安装在组件11上。组件11包括可连接到例如来自启动泵或罐(未示出)的油的液体燃料源上的燃料入口12。当柱塞5在图1的缩回位置时，燃料入口12经由圆筒开口13与泵腔7流体连通。泵1还包括作用在柱塞5以便朝着附图左侧方向偏压柱塞的第一返回弹簧20，即在返回行程中从泵腔7缩回柱塞5的方向上朝着电枢偏压柱塞。泵还包括在朝着附图右侧的方向(即操作的柱塞5的方向)偏压电枢4的第二返回弹簧14，并因此柱塞5通过第二弹簧偏压以便在泵腔7的方向上运动。当柱塞5在中间位置时两个反作用弹簧14、20平衡。当柱塞5通过驱动器驱动时，柱塞将离开中间位置，并根据运动方向，弹簧中一个或另一个将被压缩，并且由于压缩，压缩弹簧将以较大的弹簧力作用在柱塞上，试图恢复平衡位置。弹簧力因此将柱塞保持在中间位置上。
在操作中，当电磁体启动以便在柱塞的方向上向前运动电枢4时，柱塞5将受到使得柱塞5向右加速的推动，由此柱塞头10上的柱塞边缘密封泵腔7，并由此开始有效行程。在连续运行中，柱塞加压泵腔7内的液体燃料。当泵腔内的液体燃料压力超过弹簧9的弹簧力时，球体8离开其座置位置，由此使得油从泵腔7流动泵出口18，以便经由连接到泵出口18上的燃料输送管线(未示出)输送到燃烧器装置的喷嘴。泵缸6外侧内的凹入部分提供通向泵缸6后侧上的弹簧20的区域内的电枢圆筒3。穿过电枢4的端表面的孔口提供通向弹簧14区域内电枢14的后侧的压力平衡通道29。因此，燃料入口侧的压力经由通道28、29连通到电枢两侧，使得柱塞5的驱动端侧经受与燃料入口处的压力相同的压力。
通过参考图2a-2d的以下描述更加容易理解泵1的功能，其中图2a是泵缸6和柱塞5的放大视图，其中柱塞5在最为缩回的位置。在此位置上，泵腔7经由缸壁内的开口13与燃料入口流体连通，并因此泵腔7以燃料入口处的油供应压力填充油。开口13制造成垂直于泵缸的纵向轴线延伸通过泵缸的单个通孔。如上所述，泵腔7在该端部通过球体8闭合，球体通过弹簧9的作用贴靠泵腔的端部开口的边缘。环形端部止挡24压配合在泵腔的中央孔的端部区域内并用作弹簧引导件。
在图2b中，柱塞从燃料入口运行到柱塞5密封泵腔7的位置，由于柱塞闭合缸壁内的开口13，此时柱塞头10运动通过整个开口13，由此开始柱塞5的有效行程。由此一定油量保持在柱塞头10泵腔6的内表面以及球体8限定的泵腔内，泵腔柱塞5进一步朝着图2b右侧的运动造成油压缩和加压，直到获得止回阀的开启压力并且球体8离开油泵腔7的端部开口边缘限定的阀座为止。
在图2c中，柱塞5进一步运行到经由标示为22的压力释放导管在泵腔7和开口13之间形成流体连通之前的位置。压力释放导管在图2的实施例中布置在柱塞内，并包括在柱塞5的纵向上同心延伸的第一孔口15和位于柱塞5的环形凹槽23内的横向孔口16。
在柱塞的有效行程中，由于球体8上的油压产生的力超过弹簧9的闭合力，在泵腔内的油加压到超过燃料入口12的开启压力并超过止回阀的开启压力的压力。在柱塞继续向前运动时，泵腔7内的油流出出口18，直到柱塞运动距离L到图2c所示的位置，其中柱塞上的前切去边缘25与开口13的边缘平齐。当柱塞进一步向前运动时，凹口23以及压力释放导管22与开口13连通，并且造成燃料油从泵腔7经由压力释放导管22逃逸到开口13。在泵腔7泄放时，泵腔7内的压力马上降低到泵腔7的压力，由此球体8通过弹簧9的弹簧力座置并密封与出口18的开口。在泄放泵腔7的瞬间，柱塞在离开柱塞5的端表面邻靠球体8的最大行程端部位置距离d的有效行程的端部。
在泵腔泄放之后，由于柱塞的惯性，柱塞继续其向前运动，但是同时第一返回弹簧的弹簧力造成柱塞减速直到获得图2d所示的最为前进位置，其中柱塞瞬时停止并且由于第一返回弹簧20的力反向。附图表示所采用的距离d的一小部分。
在以下其它实施例的描述中，相同的参考标号用来表示相同的类型和功能。
图3a-3d表示第二实施例，其中压力释放导管22部分形成在泵缸6内，并部分形成在柱塞内。柱塞具有凹口23，但没有第一孔口。柱塞头10具有与泵腔7底部上的肩部26的内直径相配的直径。肩部26终止于切去边缘27，其中泵腔的直径增加到大于柱塞5的外直径。当柱塞头10切去开口13时，开始有效行程，如图2b所示。有效行程继续直到前切去边缘25通过肩部26的切去边缘27为止。此时，压力释放导管通过与开口13连通的泵腔7的凹口23来形成，如图3d所示。
图4表示另一实施例，其中柱塞5的头10不相对于柱塞纵向轴线成直角，而是以锐角α倾斜延伸。相对于图2a-2d实施例的另一难点是只有单个开口13设置在泵缸6内。选择角度α，使得凹口23和头部10之间的最短距离与开口13d直径相对应，并且在柱塞的相对侧上凹口和头部10之间的最长距离与开口13的直径和最大所需有效行程长度Lv的总和相对应。倾斜头部10使其可以通过相对于泵缸6转动柱塞7改变有效行程长度以及每次行程的输送油量。可以手动实现柱塞转动到新设置的输送量，但是最好通过电子机械设置装置(未示出)来实现。以上所述角度α使得输送量在零(空载)和最大之间变化。可以头部10的其它倾斜来制造柱塞，使得距离q小于开口13，这在柱塞/泵缸在限制角度范围内相互转动时设置成空载。可以通过倾斜头部10来实现设置量的连续变化。如果需要在预定输送量之间步进变化，柱塞可制有台阶形头部，所带来的优点是可以进行非常粗略的转动设置来实现所需输送量。
在图5的又一实施例中，柱塞直径是3mm，并且柱塞5的有效行程长度是0.4mm。柱塞每次行程的输送量是2.83mm3。在此实施例中，泵通过由50HZ交流电供电的电磁体驱动，由此泵输出是大约0.51/h。在此实施例中，燃料油通过重力从定位的燃料罐输送到液体泵。液体泵在0.15bar的压力下输送燃料油。如果使用启动泵，输送到液体泵的过多油可返回到油罐。
在所示实施例中，泵通过电磁体驱动。但是，可以使用可选择的柱塞驱动装置，例如压电致动器。
泵的输出可以通过调节柱塞的驱动频率来调节，例如通过频率转换器来调节。作为使用弹簧14、20来控制柱塞的返回运动的选择方式，可以使用电磁返回装置，或者柱塞可以只设置一个弹簧20，并且在这种情况下，柱塞5必须机械连接到电枢4上。
按照本发明不同实施例的细节可结合到其它实施例中。

Claims (17)

1.一种用于将液体燃料输送到家庭燃烧器装置的往复运动液体泵，所述泵包括电子机械驱动装置，该驱动装置受到电子驱动并作用在柱塞上以便在泵缸的泵腔内往复运动柱塞，由此从泵输送液体燃料，所述柱塞具有最大行程端部停止位置，其特征在于，泵包括压力释放装置以便在离开最大行程端部停止位置一定距离处的有效行程端部泄放泵腔。
2.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，柱塞具有柱塞直径D和有效行程长度L，有效行程长度L和柱塞直径D之间的比例L/D小于0.4。
3.如权利要求1或2所述的往复运动液体泵，其特征在于，在往复运动循环期间柱塞整个行程长度比有效行程长度长两倍以上。
4.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，第一返回弹簧作用在柱塞上，使其从泵腔朝着中间位置缩回，并且最好第二返回弹簧作用在柱塞上，使其在泵腔朝着所述中间位置的方向上前进。
5.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，柱塞通过电子机械驱动装置以至少5HZ的频率驱动。
6.如权利要求5所述的往复运动液体泵，其特征在于，柱塞通过柱塞驱动装置以50-60HZ范围内的频率驱动。
7.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，电子机械驱动装置包括具有铁磁材料并安装在柱塞的延伸部上的电枢以及布置在电枢外部的电磁体。
8.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，压力释放装置包括布置在柱塞内并与泵缸内的燃料入口协作的压力释放导管。
9.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，压力释放导管包括至少一个第一孔口和柱塞外表面上的环形凹口，所述第一孔口从其泵腔侧朝着环形凹口延伸到柱塞内。
10.如权利要求9所述的往复运动液体泵，其特征在于，柱塞内的第一孔口在柱塞的中央轴线的方向上延伸，并结合延伸到柱塞外表面内的环形凹口内的横向孔口，或者第一孔口相对于所述中央轴线直接延伸到柱塞外表面的环形凹口内。
11.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，压力释放装置包括布置泵缸内的压力释放通道。
12.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，液体泵包括一个或多个压力平衡通道，该通道将入口处的压力连通到柱塞的驱动端部侧。
13.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，柱塞每次驱动输送的液体燃料量在1mm3-50mm3的范围内。
14.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，来自泵的液体燃料输送压力在大气压以上的0.01bar-3bar的范围内。
15.如权利要求1所述的往复运动液体泵，其特征在于，来自泵的燃料的输送量是可调节的。
16.如权利要求15所述的往复运动液体泵，其特征在于，输送量通过相对于柱塞转动泵缸来调节。
17.如权利要求14所述的往复运动液体泵，其特征在于，输送量通过改变柱塞驱动频率来调节。
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