DE102007033274A1 - Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe und Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums - Google Patents

Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe und Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums Download PDF

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Abstract

Bei einer Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe zum Ausstoßen eines Pumpmediums, umfassend einen Verdrängungskörper mit einem axialen Durchlaß, der von dem Verdrängungskörper zumindest teilweise begrenzt ist und zum fluidalen Verbinden einer Zulaufseite der Kolbenpumpe mit einer der Zulaufseite axial gegenüberliegenden Abgabeseite der Kolbenpumpe ausgelegt ist, und ein dem Durchlaß zugeordnetes Ventil, durch das der Durchgang für eine Kolbenfunktion der Kolbenstruktur schließbar, um eine Pumpmediumströmung längs des Durchlasses an der Kolbenstruktur vorbei zu sperren, und für eine Leerlauffunktion der Kolbenstruktur freigebbar ist, um eine Pumpmediumströmung längs des Durchlasses an der Kolbenstruktur vorbei zuzulassen, ist vorgesehen, daß ein Ventilglied gegenüber dem Verdrängungskörper lose in einer Zwangsführung gelagert ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe zum Ausstoßen eines Pumpmediums. Im Besonderen betrifft die Erfindung den Einsatz einer Kolbenpumpe zum stoßartigen oder dosierten Fördern eines aggressiven Pumpmediums, wie Güllen oder Gärgüter, wie Lebensmittelabfallprodukte, beispielsweise Fischabfall. Es sei klar, daß die erfindungsgemäße Kolbenstruktur auch für Pumpmedien auf dem Gebiet der Lebensmitteltechnik oder der Medizin- und Sanitärtechnik herangezogen werden kann.
  • Es sind unterschiedliche Kolbenpumpentypen bekannt, mit denen Pumpmedien, wie Flüssigkeiten oder Gase, in Dosen an einer Ausgabeseite abgegeben werden sollen. Die meisten Kolbenpumpen umfassen eine Zweiventilanordnung, nämlich ein Einlaßventil und ein Auslaßventil, die je nach Pumpvorgang, Saugbetrieb oder Ausstoßbetrieb, öffnen oder schließen.
  • Schöpfkolbenpumpen werden üblicherweise als Dosierpumpen eingesetzt, bei denen sowohl die Abgabeseite der Kolbenpumpe als auch die Zulaufseite auf einer dem gelagerten Pumpmedium zugewandten Seite des Kolbens liegen.
  • Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf eine Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe, bei der ein Verdrängungskörper mit einem axialen Durchlass vorgesehen ist, der von dem Verdrängungskörper zumindest teilweise begrenzt ist. Der Durchlaß dient dazu, eine fluidale Verbindung zwischen einer Zulaufseite der Kolbenpumpe und einer der Zulaufseite axial gegenüberliegenden Abgabeseite der Kolbenpumpe zu schaffen. Über den Durchlaß wird das Pumpmedium von der Zulaufseite zur Abgabeseite befördert, damit es dort ausgeschoben werden kann.
  • Um den Pumpenbetrieb zu gewährleisten, ist dem Durchlaß ein Ventil zugeordnet, durch das der Durchgang für eine Kolbenfunktion der Kolbenstruktur schließbar ist, damit eine Pumpmedienströmung längs des Durchlasses an der Kolbenstruktur vorbei im wesentlichen gesperrt ist. Das Ventil ist insbesondere an dem Verdrängungskörper angeordnet. Für einen Leerlaufzustand der Kolbenstruktur ist das Ventil von dem Durchlaß freigebbar, damit die Pumpmedienströmung längs des Durchlasses an der Kolbenstruktur vorbei zugelassen wird.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe mit einer Abgabeseite und einer dazu axial gegenüberliegenden Zulaufseite dahingehend zu verbessern, daß ein weitestgehend einfacher struktureller Aufbau gewährleistet ist, ohne daß zeitintensive Wartungsarbeiten häufig vorgenommen werden müssen.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
  • Danach ist eine Kolbenstruktur für die Kolbenpumpe zum Ausstoßen eines Pumpmediums vorgesehen, wobei die Kolbenstruktur einen Verdrängungskörper mit einem axialen Durchlaß aufweist. Vorzugsweise ist der Verdrängungskörper zur Bildung des Durchlasses hohl ausgeführt. Das dem Durchlaß zugeordnete Ventil, durch das der Durchgang für eine Kolbenfunktion der Kolbenstruktur schließbar ist und für einen Leerlaufzustand der Kolbenstruktur freigebbar ist, ist als Ventilglied ausgeführt, das gegenüber dem Verdrängungskörper lose in einer Zwangsführung gelagert ist. Überraschenderweise zeigte sich, daß eine einfache lose Lagerung in einer axialen Zwangsführung relativ zum Verdrängungskörper ausreicht, um die gewünschte Kolbenfunktion und Leerlauffunktion bereitzustellen. Es zeigte sich, daß die Trägheit des Ventilglieds innerhalb der Zwangsführung dazu ausreicht, rechtzeitig den Durchlaß zu schließen oder freizugeben. Mit dieser vorspannungsfreien Lagerung des Ventilglieds relativ zum Verdrängungskörper ist eine geringere mechanische Teilezahl möglich, wodurch die Verschleißwahrscheinlichkeit und der Wartungsaufwand deutlich reduziert ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Zwangsführung an einem der Ablaufseite zuzuwendenden Ende des Durchlasses angeordnet. Auf diese Weise werden genaueste Ausstoßdosiermengen erreichbar, weil ein einfaches Füllen des Ausstoßvolumens an der Abgabeseite möglich ist.
  • Das Ventilglied kann zwischen einer Schließendposition zum Schaffen der Kolbenfunktion im Anschlag mit dem Verdrängungskörper und einer Freigabeposition im Abstand zum Verdrängungskörper frei beweglich in der Zwangsführung axial geführt sein, insbesondere ohne von einer Feder oder dergleichen unter einer Vorspannung gesetzt zu werden.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist ein axialer Verlagerweg des Stellglieds in der Zwangsführung kleiner, insbesondere deutlich kleiner als eine Stellbewegungsamplitude des Verdrängungskörpers bei der Hin- und Herbewegung zum Ausstoßen des Pumpmediums und zum Zurückstellen in die Ausgangsposition.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Zwangsführung ein Käfig, in dem das Ventilglied in Axialrichtung frei beweglich gehalten ist. Vorzugsweise ist der Käfig durch ein Drahtgeflecht aus mindestens vier Drahtarmen gebildet. Der Käfig soll vorzugsweise derart große Lücken aufweisen, daß das Pumpmedium, das durchaus eine Mischung von Flüssigkeit und Festkörpern sein kann, ohne weiteres in den Käfig gelangen und daraus austreten kann.
  • Bei einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Ventilglied eine Kugel, das besonders gute Abdichteigenschaften insbesondere für die Kolbenfunktion in der dichtenden Anlage am Verdrängungskörper. Dabei kann der Verdrängungskörper ein Hohlkörper, wie ein Rohr, sein, das insbesondere eine kontinuierlich zylindrische Außenseite aufweist.
  • Der Verdrängungskörper kann auf dessen der Abgabeseite zuzuwendenden Ende ein Ventilgliedsitz aufweisen, der insbesondere sphärisch, also passkonform zu einer Kugel, geformt sein kann. Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung, bei der der Verdrängungskörper elektromagnetisch beschleunigt werden soll, ist letzterer aus einem magnetischen Material zu bilden. Dabei ist darauf zu achten, daß das Ventilglied aus einem unmagnetischen Material gebildet ist, damit dessen Trägheitskräfte, die zum Stellen notwendig sind, unbeeinflußt wirken können.
  • Insbesondere soll die Gattung der Kolbenstruktur dahingehend spezifiziert sein, daß die Arbeitsfläche der Kolbenstruktur zum Ausschieben des Pumpenmediums der Abgabeseite zugewandt und der Zulaufseite abgewandt ist.
  • Des weiteren betrifft die Erfindung eine Kolbenpumpe mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse in Axialrichtung beweglichen Kolbenstruktur, die insbesondere wie die oben angegebe nen Kolbenstruktur ausgebildet sein kann, um ein Pumpmedium auf einer Kolbenpumpenabgabeseite auszustoßen. Die Kolbenpumpen-Abgabeseite soll einer Kolbenpumpen-Zulaufseite gegenüberliegen, wobei axial zwischen der Kolbenpumpen-Abgabeseite und der Kolbenpumpen-Zulaufseite die Kolbenstruktur angeordnet ist. Des weiteren umfaßt die erfindungsgemäße Kolbenpumpe einen die Kolbenstruktur betätigenden Arbeitsantrieb, der zum Ausstoßen des Pumpmediums die Kolbenstruktur in einer Axialrichtung beschleunigen kann. Erfindungsgemäß ist außer dem Hautpantrieb ein weiterer Rückstellantrieb vorgesehen, der ebenfalls die Kolbenstruktur betätigt, allerdings auf einem elektromagnetischen Antriebsprinzip. Der Rückantrieb soll der Kolbenstruktur Beschleunigungskräfte mitteilen, um letztere in der entgegengesetzten Axialrichtung anzutreiben und in eine Ausgangslage zu verbringen.
  • Es sei klar, daß der Hauptantrieb und der Rückstellantrieb durchaus durch ein und dasselbe elektromagnetische Antriebssystem, insbesondere eine Induktionsspule, realisiert sein kann. Allerdings ist es bevorzugt, daß für den Arbeitsantrieb und für den Rückstellantrieb jeweils separate an unterschiedlichen Orten in der Kolbenpumpe angeordnete Antriebseinheiten verwendet werden, die insbesondere auf dem elektromagnetischen Wirkprinzip basieren.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Rückstellantrieb und/oder der Arbeitsantrieb durch eine Induktionsspule gebildet. Vorzugsweise sind der Rückstellantrieb und der Hauptantrieb axial nebeneinander angeordnet.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kolbenstruktur derart zu dem elektromagnetischen Hauptantrieb angeordnet, daß vor einem Ausstoßen des Pumpmediums das der Kolbenpumpen-Zulaufseite zugewandte Ende der Kolbenstruktur innerhalb einer axialen Erstreckung, insbesondere im Bereich eines Magnetfeldzentrums, des elektromagnetischen Hauptantriebs liegt. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß bei Aktivierung des elektromagnetischen Hauptantriebs die Beschleunigung der Kolbenstruktur zum Ausstoßen des Pumpmediums optimiert ist.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Kolbenstruktur derart zum Rückstellantrieb angeordnet, daß nach einem Ausstoßen des Pumpmediums das der Kolbenpumpe-Abgabeseite zugewandte Ende der Kolbenstruktur innerhalb einer axialen Erstreckung, insbesondere im Bereich eines Magnetfeldzentrums, eines elektromagnetischen Rückstellantriebs liegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die erfindungsgemäße Kolbenpumpe zu jeder Zeit nach dem Ausstoßen wieder aktiviert werden kann, um ein gewisses Pumpmedium dosiert abgeben zu können.
  • Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die Lage und/oder die axiale Abmessung des Rückstellantriebs und eines elektromagnetischen Arbeitsantriebs derart auf die Position und/oder die axiale Abmessung der Kolbenstruktur abgestimmt, daß in jeder axialen Stellposition sowohl der Rückstellantrieb als auch der Hauptantrieb von der Kolbenstruktur zumindest teilweise axial überlappt sind. Auf diese Weise sind Totlagen, in denen keine Beschleunigungskräfte auf die Kolbenstruktur wirken können, ausgeschlossen.
  • Um eine optimale Ausstoßleistung der Kolbenpumpe zuzuführen, soll bei einer Weiterbildung der Erfindung die Kolbenstruktur derart dem elektromagnetischen Arbeitsantrieb zugeordnet sein, daß die gesamte axiale Erstreckung des elektromagnetischen Arbeitsantriebs durch die Kolbenstruktur belegt ist, wenn ein loses, an der Kolbenstruktur zwangsgeführtes Ventilglied von einer entfernten Position in einen Anschlag mit der Kolbenstruktur gelangt, um eine Pumpmedienströmung an der Kolbenstruktur vorbei zu sperren. Auf diese Weise werden die höchsten Beschleunigungswerte dann der Kolbenstruktur mitgeteilt, wenn letzterer seine Kolbenfunktion einnimmt, nämlich wenn das Ventilglied den Durchlaß verschließt und eine durchlaßfreie Arbeitsfläche an der Kolbenstruktur bereitgestellt ist.
  • Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist an einer Abgabeöffnung auf der Kolbenpumpen-Abgabeseite ein Rückschlagventil insbesondere mit vorbestimmter Rückstellkraft zum Aufbau eines Pumpenmediumüberdrucks zwischen der Kolbenstruktur und der Abgabeöffnung angeordnet. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß ein ausreichend großer Ausstoß druck zum Ausspritzen des Pumpmediums aus der Abgabeöffnung bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise ist eine Steuerung und/oder eine Regelung zum Betreiben des Rückstellantriebs und/oder des Arbeitsantriebs vorgesehen. Dabei kann die Steuerung und/oder die Regelung derart ausgeführt sein, daß der Rückstellantrieb und/oder der Hauptantrieb aktivierbar und/oder deaktivierbar sind.
  • Vorzugsweise ist die Steuerung und/oder Regelung mit einem Sensor, wie einem Hallsensor oder für eine stromlose Betriebsweise mit einer Sensorspule oder Spulensensor oder Induktionsspule verbunden, um die Position der Kolbenstruktur jeweils abgabeseitig dem Arbeitsantrieb und/oder einlaufseitig dem Rückstellantrieb zu erfassen.
  • Des weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer insbesondere erfindungsgemäßen Kolbenpumpe, deren Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums in einer Axialrichtung beschleunigt wird. Erfindungsgemäß wird die Kolbenstruktur zum Zurückstellen in entgegengesetzter Richtung elektromagnetisch beschleunigt.
  • Vorzugsweise wird die Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums in der einen Axialrichtung elektromagnetisch beschleunigt, wobei die Beschleunigung in der entgegengesetzten Richtung erst initiiert wird, wenn die Beschleunigung in einer Axialrichtung deaktiviert wurde. Auf diese Weise ist ein energieökonomisches Betriebsverfahren für die Kolbenpumpe realisiert.
  • Um eine Ausstoßmenge des Pumpmediums und/oder eine Ausstoßfrequenz für das Pumpmedium genau einstellen zu können, kann die Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums während deren Beschleunigung in der einen Axialrichtung abgebremst werden, indem während der Beschleunigung in der einen Axialrichtung auch der Rückstellantrieb aktiviert wird, der eine negative Beschleunigung, und zwar in der entgegengesetzten Axialrichtung, bewirkt. Eine Verringerung der Ausstoßmenge oder eine Erhöhung der Austoßfrequenz kann insbesondere dann erreicht werden, wenn die Kolbenstruktur noch längs des Ausstoßweges abgebremst wird.
  • Weitere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die Beschreibung einer bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen deutlich, in denen zeigen:
  • 1 eine schematische Querschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in einem neutralen Betriebszustand, wobei die Kolbenpumpe ohne Pumpmedium beaufschlag ist.
  • 2 eine schematische Querschnittsansicht der Kolbenpumpe gemäß 1, wobei die Kolbenpumpe mit einem Pumpmedium beaufschlagt ist und sich die Kolbenstruktur in einer Füllposition befindet; und
  • 3 eine schematische Querschnittsansicht der Kolbenpumpe gemäß 2, wobei die Kolbenstruktur beschleunigt ist und eine Kolbenfunktion einnimmt; und
  • 4 eine schematische Querschnittsansicht der Kolbenpumpe gemäß 2, wobei die Kolbenpumpe in einem Ausstoßvorgang gezeigt ist.
  • In 1 ist die erfindungsgemäße Kolbenpumpe im allgemeinen mit der Bezugsziffer 100 versehen.
  • Die Kolbenpumpe umfaßt ein rohrförmiges Gehäuse 1, das sich von einer Zulaufseite (Saugseite) 3 zu einer Abgabeseite (Druckseite) 5 erstreckt. In dem Gehäuse 1 ist ein rohrförmiger Verdrängungskörper 7 in Axialrichtung A verschieblich gelagert. Der Verdrängungskörper 7 hat eine zylindrische Außenseite und einen kontinuierlichen axialen Durchgang 9, der sich von dem zulaufseitigen Ende zu dem abgabeseitigen Ende hindurch erstreckt. An dem abgabeseitigen Ende des Durchgangs 9 ist ein teilsphärischer Ventilsitz 11 ausgebildet.
  • An dem abgabeseitigen Ende des Verdrängungskörpers 7 ist ein Drahtkäfig 13 befestigt, der aus wenigstens vier Drahtarmen 15 besteht.
  • Innerhalb des Drahtkäfigs 13 ist eine Ventilkugel 17 lose axial beweglich untergebracht, wobei der Ventilsitz 11 an die sphärische Gestalt der Ventilkugel 17 angepaßt ist. An der Ablaufseite 5 ist Absatzanschlag 19 innenseitig dem Gehäuse 1 angeordnet, um die axiale Beweglichkeit des Verdrängungskörpers 7 hin zur Abgabeseite 5 zu begrenzen. Ebenfalls auf der Zulaufseite 3 ist ein Absatzanschlag 21 an der Innenseite des Gehäuses 1 angeordnet, um die Verlagerungsamplitude des Verdrängungskörpers 7 in Axialrichtung auf der Zulaufseite 3 zu begrenzen.
  • An der Ausgabeöffnung 23 des Gehäuses 1 ist eine Dichtungsplatte 25 eines Rückschlagventils angeordnet, das beispielsweise mit einem Schwimmer in einer Biogasanlage funktional zusammenwirken kann. Der nicht dargestellte Schwimmer dient dazu, die Rückstellkraft zum Schließen des Rückschlagventils bereitzustellen. In der geschlossenen Position liegt die Platte 25 an der ablaufseitigen Öffnung 23 des Gehäuses dichtend an.
  • An der Außenseite des Gehäuses 1 in einem Abstand davon ist ein Arbeitsantrieb 27 angeordnet, der als Induktionsspule ausgebildet ist. Axial versetzt zu dem Arbeitsantrieb 27 ist ein Rückstellantrieb 29 angeordnet, der ebenfalls als Induktionsspule ausgeführt ist. Der Rückstellantrieb 29 liegt proximal zur Zulaufseite 3 und distal zur Abgabeseite 5, während der Arbeitsantrieb distal zur Zulaufseite 3 und proximal zur Ablaufseite 5 angeordnet ist.
  • Auf der zulaufseitigen Seite des Rückstellantriebs ist eine Sensorspule 31 zum Erfassen der Position des Verdrängungskörpers 7. Die Sensorspule 31 dient vor allem dazu, die Position des Verdrängungskörpers zu erfassen, wenn der Rückstellantrieb 29 aktiviert wird.
  • Auf der abgabeseitigen Seite des Hauptantriebs 27 ist eine weitere Sensorspule 33 zum Erfassen der Position des Verdrängungskörpers 7 angeordnet.
  • Um eine elektromagnetische Beschleunigung des Verdrängungskörpers 7 zu erreichen, ist der Verdrängungskörper 7 aus einem magnetischen Material gebildet. Damit die Beschleunigung der Kolbenstruktur nicht negativ beeinflußt wird, ist das Gehäuse 1 aus einem nicht magnetischen Material gebildet. Gleiches gilt für die Ventilkugel 17. Diese soll ausschließlich von den Trägheitskräften und den innerhalb der Ablaufseite befindlichen Medium beeinflußt werden.
  • Im folgenden wird der Betrieb der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 100 beschrieben.
  • In 2 ist die erfindungsgemäße Kolbenpumpe 100 in der sogenannten Füllposition dargestellt. In der Füllposition ist der Verdrängungskörper 7 hin zur Zulaufseite zurückgezogen, wobei die Ventilkugel 17 aufgrund deren Trägheit und des Widerstands durch den sich um die Ventilkugel 17 herum befindlichen Pumpmedium 41 in einer distalen Anschlagsposition relativ zu dem Rückstellungskörper 7 liegt. Aufgrund der distalen Anschlagsposition der Ventilkugel 17 kann das Pumpmedium 41 durch den Durchgang 9 hindurch hin zu der Abgabeseite 5 gelangen, welche sich annährend, wie in 2 dargestellt ist, vollständig mit dem Pumpmedium 41 füllt. Bei einer vertikalen Anordnung der Kolbenpumpe 100 wird der Füllvorgang des Volumens auf der Abgabeseite 5 unter dem Einfluß der Gewichtskraft des Pumpmediums 41 erreicht. Bei einer Aufbewahrung des Pumpmediums in einer geringeren Höhe relativ zur Abgabeseite 5 kann ein zusätzlicher Fördermechanismus zum Laden des Pumpmediums auf der Abgabeseite 5 zulaufseitig vorgesehen sein.
  • In 2 ist der Rückstellantrieb 29 mit einer Parallelschraffur versehen, um dessen Aktivierung anzudeuten. Hingegen ist der Arbeitsantrieb 27 ohne Schraffur als deaktiviert angedeutet.
  • Um den Füllvorgang zu kontrollieren, erfaßt die Sensorspule 31 die zurückgezogene Position des Verdrängungskörpers 7.
  • In der in 2 dargestellten Position ist nun die Kolbenpumpe 100 für das Ausstoßen des Pumpmediums aus der Öffnung 23 bereit.
  • In 3 ist ersichtlich, daß der Arbeitsantrieb 27 mit einer Parallelschraffur versehen ist, was ein Zünden der Kolbenpumpe 100 mit sich bringt. Der Verdrängungskörper 7 ist bereits hin zur Abgabeseite 5 beschleunigt und bewegt dargestellt, wodurch die noch beim Füllvorgang freigelassenen Füllfreiräume 43 (2) gefüllt sind. Der Druckaufbau wird dadurch erreicht, daß aufgrund der Trägheit der Ventilkugel 17 innerhalb des Pumpmediums letztere in Dichtanschlag mit dem Ventilsitz 21 gelangt. Ab dieser Bewegungsphase baut sich ein Überdruck innerhalb des Volumens auf der Abgabeseite 5 auf. In dem Betriebszustand gemäß 3 ist dieser Druck noch offensichtlich geringer als die Rückstellkraft des Rückschlagsventils an der Öffnung 23 des Gehäuses 1.
  • Wie in 3 dargestellt ist, erfaßt die aktive Sensorspule 33 die Position des Verdrängungskörpers 7. In diesem Fall erfaßt die Sensorspule 33 den Eingriff der Ventilkugel 27 in dem Ventilsitz 21, weil der Verdrängungskörper 7 einen Verlagerungsweg hinter sich gebracht hat, der der axialen Längserstreckung des Käfigs 13 entspricht.
  • In 4 ist nunmehr eine weitere Verlagerung der nunmehr als Kolbenstruktur fungierenden Kombination aus dem Verdrängungskörper 7 und der im Ventilsitz 21 positionierten Ventilkugel 17. Die nun wirkende Kolbenfunktion bewirkt einen schlagartigen Druckaufbau bei jeglicher Weiterverlagerung der Kolbenstruktur zur Ablaufseite 5. Der Überdruck innerhalb des Volumens der Abgabeseite 5 nimmt derart stark zu, daß die Rückstellkraft des Rückschlagventils an der Öffnung 23 nicht mehr ausreicht, um den Kontakt zwischen der Platte 25 und der Öffnung 23 aufrecht zu erhalten, so daß, wie in 4 angedeutet ist, das Pumpme dium 41 aus der Öffnung 23 ausgespritzt wird. Auch während dieses Spritzvorgangs ist die Sensorspule 33 aktiviert, genauso wie der Arbeitsantrieb 27.
  • Um den Verdrängungskörper wieder in die in 2 gezeigte Position zurück zu bringen, wird der Arbeitsantrieb 27 deaktiviert, indem die jeweilige Induktionsspule stromlos gestellt wird, wobei der elektromagnetische Rückstellantrieb 29 aktiviert wird. Aufgrund der Zurückverlagerung hin zur Zulaufseite 3 wird ein Unterdruck im Bereich der Ablaufseite 5 erzeugt, was den Nachlauf vom Pumpmedium hin zur Ablaufseite 5 verstärkt.
  • Um die Ausstoßmenge des Pumpmediums 41 zu kontrollieren, kann die jeweilige Aktivierung und die Deaktivierung der Antriebe 27, 29 durch eine nicht dargestellt Regelungseinrichtung anhand der Positionsinformationen durch die Sensorspule 31, 33 geregelt werden.
  • Um beispielsweise die Ausstoßfrequenz zu erhöhen, kann der Rückstellantrieb 29 bereits dann aktiviert werden, wenn sich der Verdrängungskörper 7 samt der im Ventilsitz 27 liegenden Ventilkugel 17 noch in Richtung der Ablaufseite bewegt, wodurch der Verdrängungskörper 7 abgebremst wird, allerdings nicht die Ventilkugel 17, wodurch ein Nachfüllen des Volumens auf der Ablaufseite 5 unmittelbar einhergehen kann.
  • Auch die durch die Kolbenpumpe ausgestoßene Dosiermenge kann mit Hilfe einer entsprechenden Ansteuerung der Antriebe 27, 29 eingestellt werden.
  • Die Anschlagabsätze 19, 21 dienen dazu, die Bewegungsamplitude des Verdrängungskörpers 7 einzuschränken, der die Beschleunigungskräfte des Arbeitsantriebs 27 und des Rückstellantriebs 29 erfährt. Hierbei sei sichergesellt, daß der Verdrängungskörper stets im Einflußbereich des jeweiligen Antriebs 27, 29 verbleibt. Insbesondere in der senkrechten Einbaulage der Kolbenpumpe dienen die Anschläge dazu, daß der Verdrängungskörper 7 nicht ungewollt in Bereiche absinkt, der von den elektromagnetischen Antrieben nicht mehr erreicht werden kann.
  • Mit der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe 100 ist es möglich, ohne komplizierte mechanische Bauteile auch aggressivste Pumpmedien zu befördern, ohne einen erhöhten Wartungsaufwand bereitstellen zu müssen. Die Kolbenpumpe sichert eine absolut zuverlässige Trennung des Pumpmediums von der umgebenden Atmosphäre. Die Kolbenpumpe eignet sich besonders zum Befördern von biologisch empfindlichen sowie chemisch aggressiven und toxischen Medien. Die Kolbenpumpe 100 bedarf keiner mechanischen Getriebeelemente, keiner Lager und Dichtungen, welche anfällig für Verschleiß sind.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Realisierung der Erfindung in den verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.
  • 1
    Gehäuse
    3
    Zulaufseite
    5
    Abgabeseite
    7
    Verdrängungskörper
    9
    Durchgang
    11
    Ventilsitz
    13
    Drahtkäfig
    15
    Drahtarme
    17
    Ventilkugel
    19, 21
    Absatzanschlag
    23
    Ausgabeöffnung
    25
    Dichtungsplatte
    27
    Arbeitsantrieb
    29
    Rückstellantrieb
    31, 33
    Sensorspule
    41
    Pumpmedium
    43
    Füllfreiräume
    100
    Kolbenpumpe
    A
    Axialrichtung

Claims (25)

  1. Kolbenstruktur für eine Kolbenpumpe zum Ausstoßen eines Pumpmediums, umfassend einen Verdrängungskörper mit einem axialen Durchlaß, der von dem Verdrängungskörper zumindest teilweise begrenzt ist und zum fluidalen Verbinden einer Zulaufseite der Kolbenpumpe mit einer der Zulaufseite axial gegenüberliegenden Abgabeseite der Kolbenpumpe ausgelegt ist, und ein dem Durchlaß zugeordnetes Ventil, durch das der Durchgang für eine Kolbenfunktion der Kolbenstruktur schließbar, um eine Pumpmediumströmung längs des Durchlaß an der Kolbenstruktur vorbei zu sperren, und für eine Leerlauffunktion der Kolbenstruktur freigebbar ist, um eine Pumpmediumströmung längs des Durchlaß an der Kolbenstruktur vorbei zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ventilglied gegenüber dem Verdrängungskörper lose in einer Zwangsführung gelagert ist.
  2. Kolbenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsführung an einem der Ablaufseite zuzuwendenden Ende des Durchlaß angeordnet ist, so daß das Ventilglied zwischen einer Schließendposition zum Schaffen der Kolbenfunktion im Anschlag mit dem Verdrängungskörper und einer Freigabeposition im Abstand zum Verdrängungskörper frei beweglich geführt ist.
  3. Kolbenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein axialer Verlagerweg des Stellglieds in der Zwangsführung kleiner als eine Stellbewegungsamplitude des Verdrängungskörpers ist.
  4. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsführung ein Käfig ist, in dem das Ventilglied in Axialrichtung frei beweglich gehalten ist.
  5. Kolbenstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig derart große Lücken aufweist, daß das Pumpmedium in den Käfig gelangen und austreten kann.
  6. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied eine Kugel ist.
  7. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet daß der Verdrängungskörper durch ein Rohr insbesondere mit kontinuierlich zylindrischer Außenseite gebildet ist.
  8. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper auf dessen der Abgabeseite zuzuwendenden Ende ein Ventilgliedsitz aufweist, der insbesondere sphärisch geformt ist.
  9. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdrängungskörper aus einem magnetischen Material gebildet ist.
  10. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied aus einem unmagnetischen Material gebildet ist.
  11. Kolbenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß deren Arbeitsfläche zum Ausschieben des Pumpmediums der Abgabeseite zugewandt und der Zulaufseite abgewandt ist.
  12. Kolbenpumpe mit einem Gehäuse, einer in dem Gehäuse in Axialrichtung beweglichen, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgebildeten Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums auf einer Kolbenpumpen-Abgabeseite, die einer Kolbenpumpen-Zulaufseite axial gegenüberliegt, wobei axial zwischen der Kolbenpumpen-Abgabeseite und der Kolbenpumpen-Zulaufseite die Kolbenstruktur angeordnet ist, und einem die Kolbenstruktur betätigenden Arbeitsantrieb, der zum Ausstoßen des Pumpmediums die Kolbenstruktur in einer Axialrichtung beschleunigt, gekennzeichnet durch einen die Kolbenstruktur betätigenden, elektromagnetischen Rückstellantrieb, der zum Mitteilen von Beschleunigungskräften an der Kolbenstruktur in der entgegengesetzten Axialrichtung betreibbar ist.
  13. Kolbenpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsantrieb elektromagnetisch betrieben ist.
  14. Kolbenpumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstellantrieb und/oder der Arbeitsantrieb durch eine Induktionsspule gebildet ist.
  15. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückstellantrieb und der Hauptantrieb axial nebeneinander angeordnet sind.
  16. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstruktur derart zu einem elektromagnetischen Hauptantrieb angeordnet ist, daß vor einem Ausstoßen des Pumpmediums das der Kolbenpumpen-Zulaufseite zugewandte Ende der Kolbenstruktur innerhalb einer axialen Erstreckung, insbesondere im Bereich eines Magnetfeldzentrums, des elektromagnetischen Hauptantriebs liegt.
  17. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstruktur derart zum Rückstellantrieb angeordnet ist, daß nach einem Ausstoßen des Pumpmediums das der Kolbenpumpen-Abgabeseite zugewandte Ende der Kolbenstruktur innerhalb einer axialen Erstreckung, insbesondere im Bereich eines Magnetfeldzentrums, eines elektromagnetischen Rückstellantriebs liegt.
  18. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und/oder die axiale Abmessung des Rückstellantriebs und eines elektromagnetischen Hauptantriebs derart auf die Position und/oder die axiale Abmessung der Kolbenstruktur abgestimmt ist, daß in jeder axialen Stellposition der Kolbenstruktur sowohl der Rückstellantrieb als auch der Hauptantrieb von der Kolbenstruktur zumindest teilweise axial überlappt sind.
  19. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstruktur derart zu einem elektromagnetischen Hauptantrieb angeordnet ist, daß die gesamte axiale Erstreckung des elektromagnetischen Hauptantriebs durch die Kolbenstruktur belegt ist, wenn ein loses, an der Kolbenstruktur zwangsgeführtes Ventilglied von einer entfernten Position in einen Anschlag mit der Kolbenstruktur gelangt, um eine Pumpmediumströmung an der Kolbenstruktur vorbei zu sperren.
  20. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß an einer Abgabeöffnung auf der Kolbenpumpen-Abgabeseite ein Rückschlagventil insbesondere mit vorbestimmter Rückstellkraft zum Aufbau eines Pumpmedium-Überdrucks zwischen der Kolbenstruktur und der Abgabeöffnung angeordnet ist.
  21. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuerung und/oder Regelung vorgesehen ist, durch die der Rückstellantrieb und/oder der Hauptantrieb aktivierbar und/oder deaktivierbar sind.
  22. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 12 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor, wie eine Sensorspule oder eine Induktionsspule, zum Erfassen der Position der Kolbenstruktur jeweils abgabeseitig dem Hauptantrieb und/oder einlaufseitig dem Rückstellantrieb angeordnet ist.
  23. Verfahren zum Betreiben einer insbesondere nach einem der Ansprüche 12 bis 22 ausgebildeten Kolbenpumpe, deren Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums in einer Axialrichtung beschleunigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstruktur zum Zurückstellen in entgegengesetzter Richtung elektromagnetisch beschleunigt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstruktur zum Ausstoßen des Pumpmediums in der einen Axialrichtung elektromagnetisch beschleunigt wird, wobei die Beschleunigung in der entgegengesetzten Axialrichtung erst initiiert wird, wenn die Beschleunigung in der einen Axialrichtung deaktiviert wurde.
  25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenstruktur zum Ausstoßen eines Pumpmediums in der einen Axialrichtung elektromagnetisch beschleunigt wird, wobei zum Einstellen einer Ausstoßmenge des Pumpmediums und/oder eine Ausstoßfrequenz für das Pumpmedium die Beschleunigung in der entgegengesetzten Axialrichtung initiiert wird, während die Beschleunigung in der einen Axialrichtung aktiv ist, insbesondere wenn die Kolbenstruktur eine vorbestimmte Stellung längs des Ausstoßweges erreicht hat.
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