-
Die Erfindung betrifft eine Pumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
-
Als Antrieb für die Umwälzpumpe in einem Geschirrspüler ist üblicherweise der
einphasige Asynchronmotor anzutreffen, an dem über einen Kondensator ein
Spannungsverlauf in einer zweiten Phasenlage zur Drehfelderzeugung generiert
wird. Ein solcher Antrieb zeichnet sich durch seine Robustheit aus, weshalb er
sich trotz zahlreicher konstruktiver und betriebstechnischer Nachteile durchgesetzt
hat. Zu diesen Nachteilen zählt die lastabhängig schwankende Drehzahl, das
Erfordernis eines Tachogenerators o. dgl. als Drehzahlsensor und das Erfordernis
einer reibenden Dichtung zwischen Motor und Pumpe, deren mechanische
Beanspruchung über 10% der aufgenommenen Motorleistung verbraucht und zu
Störgeräuschen sowie Verschleiß führt. Außer bei seiner Nenndrehzahl kann ein
solcher Asynchron-Pumpenantrieb auch noch mit einer reduzierten Drehzahl
betrieben werden, allerdings bei sehr viel schlechterem Wirkungsgrad und ohne die
Möglichkeit einer freien Drehzahlbeeinflussung.
-
Konstruktiv vorteilhafter wäre der Einsatz eines Synchronmotors als
Pumpenantrieb. Denn aufgrund seines breiten zulässigen Luftspalts zwischen Rotor und
Stator könnte durch diesen Luftspalt die hohlzylindrische Wandung eines zur
Wasserseite der Pumpe hin offenen Kunststofftopfes eingesetzt werden, in dessen
Boden dann das Pumpen-Turbinenrad als Naßläufer gelagert wäre. Damit wären
die geräuschträchtigen und verschleißanfälligen Dichtungserfordernisse zwischen
Antriebsmotor und Wasserpumpe vermieden. Wie in der EP 0 691 732 B1
ausgeführt, ist der Einphasen-Synchronmotor üblicher Bau- und Betriebsart aber für den
Einsatz in Geschirr-Spülmaschinen nicht hinreichend leistungsstark und auch
aufgrund seines dynamischen Verhaltens an sich ungeeignet. Deshalb soll dort der
Betrieb des Synchronmotors aus dem Wechselspannungsnetz über einen
Gleichrichter mit nachgeschaltetem Wechselrichter erfolgen, mittels dessen variablen
ausgangsseitigen Pulsmusters eine Strom-Drehzahl-Kennlinie ähnlich derjenigen
eines Gleichstrom-Nebenschluß-Verhaltens erzwungen werden soll. Das ist
ersichtlich sehr aufwendig; und es verbleibt dennoch der Nachteil, daß auch ein
derart betriebener Synchronmotor schon aufgrund seines Masseträgheitsmomentes
und erst recht unter Last nicht selbständig anlaufen kann. Er benötigt zusätzlich
eine elektronische Hochfahrsteuerung in die synchrone Arbeitsdrehzahl hinein.
Von Nachteil bleibt ferner, daß wie dort beschrieben für den sicheren Anlauf eine
Unsymmetrie des magnetischen Feldes im Luftspalt erforderlich ist, nämlich ein
in Umfangsrichtung des Luftspalts nicht konstantes Feld. Daraus resultiert ein mit
dem Umlauf des Rotors schwankendes Drehmoment, das im Betrieb zu
unangenehmer Geräuschentwicklung aufgrund Körperschallabstrahlung über das
Statorblechpaket sowie über die Masse der ablaufseitig verdichteten Wassersäule des
durch die Pumpe geförderten Wassers führt. Wohl auch deshalb hat der
Synchronmotor für eine Geschirrspüler-Umwälzpumpe, deren Kreislauf nach der
Steigleitung über die Sprühdüsen und den Spülbehälter zum Pumpensumpf zurück
führt, trotz anhaltender technologischer Anstrengungen noch keine praktische
Bedeutung erlangen können.
-
Der Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, eine
elektromotorisch betriebene Pumpe anzugeben, die ruhig und verschleißarm über einen
breiten Drehzahlbereich betreibbar ist, auch um unter Gewährleistung der vom Markt
geforderten Eigenschaften hinsichtlich Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit
ganz neue Spülprogramme realisieren zu können.
-
Diese Aufgabe ist gemäß vorliegender Erfindung durch die Kombination der im
Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst, wonach die Pumpe
nun von einem Gleichstrommotor angetrieben wird, weil der alle in Bezug auf die
vorliegende Aufgabenstellung wesentlichen Anlauf- und Betriebseigenschaften in
besonders vorteilhafter Weise realisieren läßt. In diesem Zusammenhang ist unter
einem Gleichstrom-Motor derjenige zu verstehen, dessen magnetisches Drehfeld
nicht vom elektrischen Drehfeld der externen Motorspeisung vorgegeben, sondern
- abhängig von der Rotor-Bewegung selbst - über Kommutierungssensoren
gesteuert wird. Bevorzugt wird dabei an einen zweiphasig betriebenen
Gleichstrommotor mit bifilaren Feldwicklungen gedacht, wie er in der älteren (noch nicht
veröffentlichten) deutschen Patentanmeldung 101 39 928.6 vom 14.08.01
hinsichtlich seines Aufbaus und seiner besonders vorteilhaften
Ansteuerungsmöglichkeiten näher beschrieben ist. Aber auch ein Gleichstrommotor konventioneller Bauart
ist im Rahmen vorliegender Erfindung ohne weiteres einsetzbar.
-
Solch ein Pumpenantriebs-Motor kann insbesondere in seiner Drehrichtung
problemlos umgekehrt und selbst unter Last aus dem Stillstand heraus bis zur
Maximaldrehzahl mit jeder beliebigen Drehzahl betrieben werden. Seine
elektromechanische Funktion läßt für das magnetische Drehfeld einen hinreichend großen
radialen Luftspalt zwischen Stator- und Rotor-Polschuhen zu, um einen
dünnwandigen Lagertopf für ein naßgelagertes Pumpen-Turbinenrad sich hier achsparallel
hindurch erstrecken zu lassen, so daß die erwähnten dichtungsbedingten
Verschleiß- und Geräuschprobleme entfallen.
-
Durch die Variation der Antriebsdrehzahl läßt sich die Fördermenge und damit
auch der Förderdruck, der durch die Pumpe auf das Rohrleitungssystem und die
Austrittsdüsen im Spülbehälter ausgeübt wird, wahlweise kontinuierlich oder
sprunghaft verändern und in weiten Grenzen stationär einstellen. Das ermöglicht
etwa ein Spülprogramm mit energetisch sparsamem und mechanisch schonendem
Einweichprogramm, ehe über eine Steigerung der Drehzahl der Sprühdruck
vorübergehend zum Reinspülen der eingeweichten Oberflächen erhöht wird. Auch
können, gesteuert über elektromagnetische bzw. elektromotorische Stellglieder
oder einfach über Wasserdrucksprünge, Wasserweichen im Zuge des
Rohrleitungssystems umgeschaltet werden, um beispielsweise von einem unteren
Dreharm auf einen oberen Dreharm umzuschalten; oder um vorübergehend besonders
intensiv aus z. B. längs des Umfangs des Spülbehälters fest installierten Düsen zu
spritzen.
-
Eine weitere Umschaltmöglichkeit betrifft einen Wechsel in der Betriebsabfolge
zwischen Nenndrehzahl des Elektromotors für den Umwälzbetrieb im Kreislauf
durch die Sprüharmdüsen und den Spülbehälter hindurch einerseits und
andererseits momentaner Umschaltung auf eine niedrigere Drehzahl für das Entleeren des
Spülbehälters mit geringerem Förderdruck, so daß dieselbe elektromotorisch
betriebene Pumpe einerseits als Laugenumlaufpumpe und andererseits als
Wasserentleerungspumpe verwendbar ist, also das zweite Pumpensystem der
herkömmlichen Geschirrspülerausstattung völlig entfallen kann.
-
Noch zweckmäßiger ist es, für den Wechsel zwischen Umwälzbetrieb und
Abpumpbetrieb die Antriebsrichtung des Pumpenrades umzukehren, so daß
diesbezüglich das Erfordernis einer Wasserweiche im Wasserstrom entfällt, weil z. B. je
nach der momentanen Strömungsrichtung der Wasserablauf vom Turbinenrad der
Pumpe entweder durch den einen oder aber durch den anderen zweier gegensinnig
tangential orientierter Turbinenauslässe erfolgt. Für diese Drehrichtungsänderung
des Gleichstrommotor-Pumpenantriebs brauchen nur die Polarität der
Feldspannung im Motor umgekehrt und dafür die Speisespannungsanschlüsse umgepolt zu
werden. Das erfordert allerdings elektrisch hoch belastbare Schaltkontakte.
Günstiger ist es deshalb, die Polaritäten etwa von Hall-Sensoren zur bürstenlosen
Kommutierung des Rotorstromes ausgangsseitig umzupolen, um die Drehrichtung
eines solchen Gleichstrommotor-Pumpenantriebs zu wechseln.
-
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung eines
Gleichstrommotors als Pumpenantrieb liegt in der einfachen Verfügbarkeit von aus
Betriebsgrößen des Motors abgeleiteten aktuellen Betriebsinformationen, ohne für deren
Gewinnung eigens zusätzliche Sensoren in der Spülmaschine anbringen und
betreiben zu müssen. So ist die Schaltfrequenz der Sensoren für die bürstenlose
Kommmutierung des Rotorstromkreises ein direktes Maß für die momentane
Rotordrehzahl, die somit ohne zusätzlichen Schaltungsbedarf unmittelbar als Istwert zur
Verfügung steht, etwa für eine Drehzahlregelung zum Abarbeiten eines
abgespeicherten Spülprogrammes mit einer Folge unterschiedlicher Drücke bzw.
Strömungsvolumina in den an die Pumpe angeschlossenen Steigleitungen.
-
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung ist es schließlich auch von
Interesse, aus dem Motorstrom des Gleichstromantriebs unmittelbar auf die momentan in
das Spülsystem abgegebene mechanische Leistung schließen zu können. Das
ermöglicht es, ohne zusätzliche Installation und Abfrage von Wasserstandssensoren
einen hinsichtlich des Wasserverbrauches optimalen Betrieb einzuhalten, nämlich
z. B. einen Spülgang mit nur solchem maximalem Wasserstand im Pumpentopf
unter dem Spülbehälter, daß die im Umwälzbetrieb arbeitende Pumpe gerade noch
nicht auch Luft ansaugt, weil sie gerade noch ganz im Wasser arbeitet. Das
zusätzliche Ansaugen von Luftblasen würde zu einer schwankenden
Leistungsaufnahme führen und kann somit einspeiseseitig, über einen unruhig schwankenden
Stromverlauf, als Steuersignal für die Zufuhr von Frischwasser abgefragt werden,
bis sich mit konstanter Förderleistung - wegen Pumpenbetriebs im Wasser ohne
Luftansaugen - wieder konstanter Motorstrom einstellt. Andererseits kann beim
Entleerungsbetrieb der Pumpe deren Ansteuerung abgeschaltet werden, sobald
sich das Restwasser im Pumpentopf unter dem Spülbehälter auf ein Niveau
abgesenkt hat, ab dem die Pumpe auch Luft zieht. Dadurch werden die unangenehm
gurgelnden Geräusche, die sonst bei Fördern eines Wasser-Luft-Gemisches bis
zum Beendigen des Entleerungsbetriebes auftreten, nun infolge Abschaltens des
Pumpenantriebs bei Einsatz schwankender Stromaufnahme sofort wieder beendet.
-
Weitere Vorteile sowie zusätzliche Alternativen und Abwandlungen zur
erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus
nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das
Wesentliche nicht maßstabsgerecht und stark abstrahiert skizzierten bevorzugten
Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.
-
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in Seitenansicht unter einem Spülbehälter
einen Pumpentopf mit angebauter, von einem elektronisch kommutierenden
Gleichstrommotor angetriebener Kreiselpumpe für das gesamte
Wassermanagement dieser Spülmaschine.
-
Der in der Zeichnung skizzierte Blick ins Innere des Gehäuses einer
Geschirr-Spülmaschine 11 läßt einen vertikal orientierten hohlzylindrischen
Spülbehälter 12 erkennen, der unter seinem mit einem Schmutzfang-Filter 13
ausgestatteten Boden 14 in einen Pumpentopf 15 übergeht. Vor dessen hohlzylindrische
Wandung 16 ist eine Pumpe 17 montiert, deren sichtabgelegene Ansaugöffnung
über Wandungs-Durchbrechungen mit dem Pumpensumpf 18 im Inneren des
Pumpentopfes 15 in Strömungsverbindung steht. Die Pumpe 17 ist als
Kreiselpumpe ausgelegt, deren Turbinen-Pumpenrad von einem koaxial zu ihm
angeflanschten elektrischen Antriebsmotor 19, eventuell über ein integriertes Getriebe,
angetrieben wird. An das Gehäuse 20 der Pumpe 17 ausgangsseitig angeschlossen
ist z. B. das Druckrohr 21 zur Steigleitung 22 des Wasserkreislaufes über
Sprühdüsen 23 in den Spülbehälter 12 hinein und durch das Filter 13 hindurch in den
Pumpentopf 15 zurück. Im dargestellten Beispielsfalle ist dieser Anschluß des
Druckrohres 21 derart orientiert, daß es bei Rechtslauf 24 des Motors 19 beströmt
wird. Bei Linkslauf 25 dagegen wird ein Druckrohr 21 zu einer Steigleitung 22
beströmt, die entgegengesetzt tangential zum vorgenannten an das
Pumpengehäuse 20 angeschlossen ist und an einem Auslauf-Siphon 26 zum Entleeren des
Spülbehälters 12 endet.
-
Als Pumpenantrieb ist grundsätzlich jeder gängige Gleichstrom-Motor 19
hervorragend geeignet. Bevorzugt wird jedoch der schon erwähnte zweiphasig
betriebene Gleichstrommotor 19 mit bifilaren Feldwicklungen eingesetzt, wie er in der
älteren deutschen Patentanmeldung 101 39 928.6 vom 14.08.01 hinsichtlich
seines Aufbaus und seiner gerade im Rahmen vorliegender Erfindung besonders
vorteilhaften Ansteuerungsmöglichkeiten näher beschrieben ist. Nachstehend
werden nur einige jener Ansteuerungsmöglichkeiten anhand des stark
vereinfachten Bockschaltbildes dieser Zeichnung behandelt.
-
Die elektrische Speisung des Motors 19 erfolgt über ein zweiadriges Speisekabel
27 aus dem Gleichstromzwischenkreis 28 eines an das Wechselstrom-Hausnetz
(nicht gezeichnet) angeschlossenen Steuergerätes 29. Über ein manuell oder aus
einer übergeordneten Programmsteuerschaltung einstellbares Stellglied 30 wird
die Ausgangsgleichspannung des Zwischenkreises 28 und damit die Drehzahl des
Motors 19 beeinflußt. Außerdem kann hier eine Umpolung der Motorspeisung zur
Drehrichtungsumkehr 24/25 erfolgen.
-
Eine Drehrichtungsumkehr wird aber vorteilhafter, da dann nicht mehr
starkstromseitig sondern nur auf Sensorsignalpfaden, durch ein Umpolen im Zuge der
Ankerstromkommutierung vorgenommen, deren Signalleitungen 31 die
Brückenschaltungen am Ausgang des Zwischenkreises 28 rotorstellungsabhängig
umsteuern. Einer Drehrichtungsumkehr über beispielsweise Hall-Sensoren (in der
Zeichnung nicht dargestellt) dient ein Mehrfach-Umschalter 32 zum Umpolen deren
Signalleitungen 31 an die Ausgangsanschlüsse der Hall-Sensoren.
-
Ein Frequenzmesser 33 leitet aus der von einem der Hall-Sensoren oder
dergleichen Kommutierungssensoren gelieferten Pulsfolge eine Drehzahlinformation 34
ab. Ein an das Speisekabel 27 angeschlossenes Strom- oder Leistungsmeßgerät 35
liefert eine Information 36 über die aktuelle Leistungsaufnahme der Pumpe 17,
die signifikant schwankt, wenn neben Wasser auch Luftblasen gefördert werden.
Eine Auswertegerät 37 verarbeitet diese Informationen 34/36 nach Maßgabe von
aus dem übergeordneten Betriebsprogramm im Steuergerät 29 vorgegebenen
Kriterien und beeinflußt dementsprechend, mittelbar oder unmittelbar, die
Ansteuerung des Pumpenmotors 19.
-
Jenes übergeordnete Betriebsprogramm kann beispielsweise vorsehen, daß zu
Betriebsbeginn die Pumpe 17 mit mäßiger Drehzahl und deshalb geräuscharm in
Umwälzrichtung 24 angetrieben wird, während der Pumpentopf 15 über den
Spülbehälter 12 aus einem Zulauf 38 mit Frischwasser gefüllt wird. Das
verbrauchs- und betriebsoptimale Wasservolumen ist eingefüllt, wenn die Pumpe 17
keine Luft mehr ansaugt, weil ihre Ansaugöffnung in der Topfwandung 20 gerade
gänzlich unter dem Wasserspiegel liegt, also ganz mit Wasser gefüllt ist. Mit
Erreichen diesen Niveaus steigt deshalb der Förderleistungsbedarf und damit der
Motorstrom signifikant an, was im Steuergerät 29 zum Abschalten des Zulaufes
38 ausgewertet wird. Wenn danach, während des Sprühbetriebes über die Düsen
23 ins Innere des Spülbehälters 12 hinein, der Wasserspiegel im Pumpentopf 15 -
insbesondere infolge Verdunstung und wegen der Benetzung der Innenwände des
Spülbehälters 12 und der Oberflächen des zu reinigenden Geschirrs sowie wegen
der Feuchtigkeitsaufnahme in der Verunreinigung auf dem Geschirr - unter die
obere Einlaufkante zur Pumpe 17 absinkt, dann saugt diese zusätzlich zum
Rücklaufwasser auch Luft an, was durch unregelmäßige Stromeinbrüche auf dem
Speisekabel 27 detektiert wird und zum Öffnen des Zulaufes 38 ausgewertet wird, um
das Wasserniveau wieder bis auf luftfreies Ansaugen durch die Pumpe 17
anzuheben.
-
Spätestens sogleich nach erstmaligem Erreichen dieser verbrauchsoptimalen und
betriebsruhigen Minimalfüllung für den Umwälzbetrieb 24 kann nun die Drehzahl
erhöht werden, um z. B. fortan über die Sprühdüsen 22 eines unteren Dreharmes
39 das im Spülbehälter 12 in Halterungen eingestellte Geschirr (nicht gezeichnet)
zum Einweichen im Energiesparbetrieb einzusprühen. Mit weiterem Hochsteuern
der Förderleistung der Pumpe 17 im Umwälzbetrieb 24 schaltet eine
Wasserweiche 40 elektromotorisch, elektromechanisch oder druckbetätigt von der
Steigleitung 22 zum unteren Dreharm 39 zusätzlich oder ausschließlich auf die
Steigleitung 22 zum oberen Dreharm 39 um. Der nun infolge erhöhter Motorleistung
vorübergehend vergrößerte Sprühdruck führt zum raschen Abspülen der zuvor
eingeweichten Verschmutzung von dem Geschirr. Vorher oder nachher kann über
diese oder eine andere Wasserweiche statt dessen oder zusätzlich eine Reihe von
rundum im Spülbehälter 12 feststehend angebrachten Sprühdüsen 23 über ihre
Steigleitungen 22 beströmt werden, um vorübergehend auch noch mit maximal
zulässigem Sprühdruck z. B. die im Mittenbereich des Spülbehälters 12 kopfüber
angeordneten Gegenstände mit besonders intensiver Verschmutzung wie Töpfe
und Pfannen von unten her innen zu reinigen.
-
Sowohl beim seichten Sprühbetrieb zum Einweichen wie insbesondere auch beim
intensiveren Sprühbetrieb zum Abwaschen der Verschmutzungen ist es
zweckmäßig, den Wasserdruck pulsieren zu lassen, was durch entsprechendes Variieren der
Motordrehzahl erreicht wird.
-
Nach dem Abschluß dieser zeitlich und energetisch wie auch hinsichtlich des
Wasserverbrauches optimierten Spülfolge wird die Drehrichtung des
Motorbetriebes von Umwälzen (24) mit wechselnden Förderdrucken im Wasserkreislauf
auf Entleeren (25) des Spülbehälters 12 unter geringerem Förderdruck
umgeschaltet. Dafür wird der drehrichtungsumgesteuerte Motor mit niedrigerer
Drehzahl betrieben, um den Inhalt des Spülbehälters 12 über die in der anderen
Strömungsrichtung an das Pumpengehäuse 20 angeschlossene Steigleitung 22 und
deren Siphon 26 zu entleeren. Dieser Entleerungsbetrieb 25 wird beendet, sobald
die Pumpe 17 über ihren Ansaugstutzen aus dem Pumpentopf 15 außer Wasser
auch Luft ansaugt, was einen signifikant schwankenden Motorstrom durch das
Speisekabel 27 zur Folge hat und darüber zur sofortigen Beendigung des sonst
sehr geräuschvollen Entleerungsbetriebes 25 führt.
-
So werden erfindungsgemäß ohne besonderen apparativen oder
programmtechnischen Mehraufwand auch besser optimierbare und sogar ganz neue Betriebsarten
einer Spülmaschine 11 - und selbst die Ausführung deren gesamten
Wassermanagement über nur eine einzige Pumpe 17 - eröffnet, indem der Pumpenantrieb über
einen bei umkehrbarer Drehrichtung mit beliebiger Drehzahl betreibbaren
Elektromotor 19 erfolgt, wofür sich ein zweiphasiger, sensorisch kommutierender
Gleichstrommotor 19 mit bifilaren Wicklungen steuerungstechnisch als optimal
erweist. Über in unterschiedlichen Strömungsrichtungen an das Pumpengehäuse
20 angeschlossene Druckrohre 21 kann die Pumpe 17 drehrichtungsabhängig im
Umwälzbetrieb - auch unter impulsartigem Druckverlauf - durch den Spülbehälter
12 hindurch oder aber im Entleerungsbetrieb aus dem Spülbehälter 12 heraus
arbeiten, mit Einschalten des Wasserzulaufs oder Abschalten des Abpumpens in
Abhängigkeit vom Aussetzen bzw. Einsetzen signifikanter Schwankungen des
Motorstromes infolge Pumpenförderung von Luftblasen zusätzlich zum Wasser
bei einem Wasserspiegel gerade unterhalb der oberen Einlaufkante der Pumpe 17.