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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung betrifft eine Mikrodosierpumpe insbesondere nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und ein diesbezügliches Verfahren gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 25.
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Stand der Technik
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Im
Stand der Technik sind Pumpen zur Förderung von Fluiden
bekannt. Beispielsweise sind Zahnradpumpen zur Förderung
von Öl bei Heizungsanlagen bekannt. Diese sind jedoch nicht
so gut zu regeln und verlangen eine aufwändige hydraulische Verschaltung.
Diese Pumpen sind hinsichtlich ihres maximalen Arbeitsdrucks und
der diesbezüglichen Einspritzfrequenz jedoch beschränkt,
so dass sie bei modernen Anwendungen in Heizungsanlagen für
die Gebäudeheizung den modernen Standards nicht mehr entsprechen.
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Weiterhin
sind elektromagnetisch angetriebene Kolbenpumpen bekannt, welche
in ölgefeuerten Heizungsanlagen nicht verwendet werden,
weil sie bei der unvermeidlichen Förderung von Luft ebenfalls
Nachteile hinsichtlich der Ansteuerung und der Zündung
des Heizöls mit sich bringen. Diese Luft oder auch Ölgase
entstehen in der Saugleitung einer Anlage beispielsweise durch undichte
Verschraubungen von Leitungen und sind quasi nicht zu vermeiden,
weshalb eine Pumpe Luft und Ölgase verarbeiten können
muss.
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Eine
solche elektromagnetisch angetriebene Kolbenpumpe ist beispielsweise
durch die
DE 199 48 342
A1 bekannt geworden. Diese Kolbenpumpe weist allerdings
den Nachteil auf, dass sie an den beiden Enden des Kolbens jeweils
einen Arbeitsraum aufweist, was in der Herstellung teuer ist und
im Betrieb Nachteile hat, weil die beiden Arbeitsräume
nur in versetzten Arbeitszyklen der Kolbenpumpe einen Druckaufbau
gewährleisten können.
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Durch
die
DE 695 35 019
T2 ist eine elektromagnetisch betätigte Kolbenpumpe
für kleine Leistungen bekannt geworden, die für
die Arzneimittelabgabe geeignet ist. Bei einer solchen Pumpe kann zwar
ein hoher Frequenzbereich bedient werden und eine hohe Drucksteifigkeit über
einen hohen Druckbereich erreicht werden, dennoch ist diese Pumpe
jedoch für die Anwendung von größeren
Leistungen nicht geeignet. Darüber hinaus wäre
eine Ausgestaltung der Pumpe für größere
Leistungen nur durch erhebliche konstruktive Änderungen
der Pumpe realisierbar, weshalb eine solche Gestaltung einer Pumpe wirtschaftlich
nicht darstellbar ist.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung,
Vorteile
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, eine Mikrodosierpumpe zu schaffen,
welche die Nachteile des Standes der Technik reduziert und vorteilhaft
schnell ansteuerbar ist. Weiterhin soll ein Verfahren geschaffen
werden, welches dazu führt, dass die Pumpe schnell ansteuerbar
ist.
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Dies
wird erreicht mit einer Mikrodosierpumpe mit den Merkmalen von Anspruch
1, wonach eine Mikrodosierpumpe zur Förderung eines Fluids
geschaffen wird, mit einem Kolben, welcher mit einer Ankerplatte
verbunden ist, wobei der Kolben entgegen der Kraft eines Kraftspeichers
durch das Zusammenwirken des Magneten und des Magnetankers verlagerbar
ist, wobei der Kolben zwischen einer ersten Endlage und einer zweiten
Endlage verlagerbar ist, wobei zumindest in einer der Endlagen eine
Endlagendämpfung vorgesehen ist. Dadurch werden die Langlebigkeit
und die schnelle Steuerbarkeit der Pumpe deutlich verbessert, so
dass beispielsweise Einspritzfrequenzen im Bereich von 50 Hz bis
70 Hz oder auch höher erreicht werden können.
Auch ist das Geräuschniveau relativ gering.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn die Endlagendämpfung zwischen
der Ankerplatte und einem Gehäuseelement der Pumpe vorgesehen
ist. Zweckmäßig ist es, wenn die Endlagendämpfung
als fluidbefüllbare Kontur zwischen der Ankerplatte und
einem Gehäuseelement der Pumpe vorgesehen ist.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn die fluidbefüllbare Kontur in
der Ankerplatte und/oder in einer Fläche eines Gehäuseelements
vorgesehen ist. Auch ist es vorteilhaft, wenn die fluidbefüllbare
Kontur eine Nut in der Ankerplatte und/oder in einer Fläche
eines Gehäuseelements ist.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die fluidbefüllbare Kontur eine
im Schnitt sichelförmige Nut ist. Dadurch wird eine besonders
große Fläche erzielt, die im Bereich der Berührebene
der beiden Bauteile liegt, bei gleichzeitig kleinem Volumen.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn der fluidbefüllbaren Kontur ein
ebener Bereich gegenüber steht, welcher in einer Fläche
eines Gehäuseelements und/oder in der Ankerplatte ausgebildet
ist. Dadurch wird vorteilhaft eine gute Passung erreicht, so dass die
Dämpfung auch bei verschiedenen Toleranzlagen erzielt wird.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn die Ankerplatte eine Bohrung
aufweist zur Versorgung der fluidbefüllbaren Kontur mit
einem Fluid, wobei es weiterhin vorteilhaft ist, wenn das Fluid
das zu pumpende Fluid ist. Die Bohrung in der Ankerplatte erhöht
zudem vorteilhaft die Beweglichkeit der Ankerplatte im fluidgefüllten
Raum.
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Vorteilhaft
dabei ist es, wenn die Versorgung des Raums, in welchem die Ankerplatte
bewegt wird bzw. bewegbar ist, durch eine Leckage am Kolben mit
dem Fluid erfolgt. Um ein Leerlaufen des Ankerplattenraums zu verhindern,
wird vorteilhaft ein federbelastetes Ventil vorgesehen, das weiterhin
vorteilhaft derart ausgestattet ist, dass ein Vordruck von ca. 0,3
bar im Ankerplattenraum erzielt wird.
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Die
Aufgabe wird weiterhin erreicht mit einer Mikrodosierpumpe mit den
Merkmalen von Anspruch 10, wonach eine Mikrodosierpumpe zur Förderung eines
Fluids geschaffen wird, mit einem Kolben, welcher mit einer Ankerplatte
verbunden ist, wobei der Kolben entgegen der Kraft eines Kraftspeichers durch
das Zusammenwirken des Magneten und des Magnetankers verlagerbar
ist, wobei der Kolben als Stufenkolben ausgeführt ist zur
Ausbildung einer ersten Kolbenfläche für die Vorförderung
eines Fluids und zur Ausbildung einer zweiten Kolbenfläche
für die Druckförderung eines Fluids. Durch diese
Gestaltung wird erreicht, dass eine Integration von zwei Pumpenfunktionen
vorteilhaft in einer Pumpe realisiert werden kann, ohne dass zwei
Pumpen getrennt hergestellt werden müssen.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn der Kolben einen Bereich größeren
Durchmessers und einem Bereich kleineren Durchmessers aufweist,
wobei der Übergang von dem Bereich größeren
Durchmessers zu dem Bereich kleineren Durchmessers als Kolbenfläche
der Vorförderung dient und der Bereich des kleineren Durchmessers
als Kolbenfläche der Druckförderung dient.
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Auch
ist es zweckmäßig, wenn der Kolben in einer Bohrung
verlagerbar aufgenommen ist, wobei die Bohrung einen Bereich größeren
Durchmessers und einem Bereich kleineren Durchmessers aufweist zur
Aufnahme der entsprechenden Bereiche des Kolbens.
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Auch
ist es zweckmäßig, wenn die Bohrung Anschlussbereiche
aufweist, zum Anschluss einer Fluidversorgung seitens eines Tanks
und/oder Filters, eines Rücklaufs zum Tank und/oder zu
einem Verbraucher.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn in den Versorgungsleitungen
Rückschlagventile angeordnet sind, die als Plattenventile
und/oder als Kugelventile ausgebildet sind. Diese Ventile bzw. Rückschlagventile
können als Druck- oder Saugventile eingesetzt werden.
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Vorteilhaft
ist auch, wenn das zumindest eine Plattenventil auf einem ringförmigen
Element angeordnet ist, welches koaxial zum Kolben angeordnet ist.
Dadurch kann eine hohe Integrationsstufe erreicht werden, was wiederum
Kosten reduziert.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn das zumindest eine Plattenventil für
die Druckförderung auf einem ringförmigen Element
angeordnet ist, welches koaxial zum Kolben im Bereich der kleinen
Kolbenfläche angeordnet ist.
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Dabei
ist es weiterhin vorteilhaft, wenn dass das zumindest eine Plattenventil
für die Vorförderung auf einem ringförmigen
Element angeordnet ist, welches koaxial zum Kolben im Bereich der
Stufe des Kolbens angeordnet ist.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn das zumindest eine Plattenventil
für die Vorförderung und das zumindest eine Plattenventil
für die Druckförderung auf einem gemeinsamen ringförmigen
Element angeordnet ist, welches koaxial zum Kolben im Bereich der
Stufe des Kolbens angeordnet ist. Dadurch wird wiederum eine hohe
Integrationsstufe erreicht, was wiederum Kosten reduziert. Durch
die Zusammenfassung in die Pumpe werden weiterhin kurze Leitungswege
erreicht, was das Totvolumen reduziert und schnelle Steuerzeiten
ermöglicht. Dadurch wird insbesondere auch ein gutes Ansaugverhalten
der Pumpe erreicht.
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Die
Aufgabe wird auch erreicht mit einer Mikrodosierpumpe mit den Merkmalen
von Anspruch 19, wonach eine Mikrodosierpumpe zur Förderung eines
Fluids geschaffen wird, mit einem Kolben, welcher mit einer Ankerplatte
verbunden ist, wobei der Kolben entgegen der Kraft eines Kraftspeichers durch
das Zusammenwirken des Magneten und des Magnetankers axial verlagerbar
ist, wobei das Gehäuse der Mikrodosierpumpe, welches den
Kolben und den Kraftspeicher aufnimmt, mehrteilig ausgebildet ist
und ein erstes unteres zylindrisches Element, ein damit verbundenes
zweites oberes zylindrisches Element und ein in das zweite zylindrische
Element eingesetztes drittes deckelartiges Element aufweist. Dadurch
wird eine gute Montierbarkeit und Einstellbarkeit erreicht.
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Dabei
ist es vorteilhaft, wenn das zweite zylindrische Element ringartig
ausgebildet ist und in einer zentralen Ausnehmung den Magnetanker,
den Kolben und den Kraftspeicher, wie eine Feder, aufnimmt. Als
Kraftspeicher kann beispielsweise eine Schraubenfeder, Druckfeder,
Tellerfeder etc. verwendet werden.
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Zweckmäßig
ist es auch, wenn in die zentrale Ausnehmung des zweiten zylindrischen
Elements weiterhin ein Zapfen des ersten zylindrischen Elements
eingreift.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn sich der Kraftspeicher an dem Zapfen, vorteilhaft
unten, abstützt. Auch ist es zweckmäßig,
wenn sich der Kraftspeicher in einer Ausnehmung in dem Zapfen abstützt.
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Vorteilhaft
ist es auch, wenn in dem zweiten zylindrischen Element und in dem
ersten zylindrischen Element eine Bohrung vorgesehen ist, welche den
Kolben zumindest teilweise aufnimmt.
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Die
Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens wird erreicht mit einem Verfahren
zur Steuerung einer Mikrodosierpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 25,
wonach ein Verfahren zur Steuerung einer Mikrodosierpumpe zur Förderung
eines Fluids geschaffen wird, mit einem Kolben, welcher mit einer
Ankerplatte verbunden ist, wobei der Kolben entgegen einer Kraft,
wie einer Kraft eines Kraftspeichers, durch das Zusammenwirken des
Magneten und des Magnetankers verlagerbar ist, wobei der Magnet
als Elektromagnet ausgeführt ist und mit einer Steuereinheit
steuerbar bestromt wird, wobei die Bestromung des Elektromagneten
zumindest im Wesentlichen unterbrochen wird, wenn ein vorgebbarer
Schwellenwert erreicht ist. Es erfolgt vorteilhaft eine Auswertung
der Bestromung bzw. des Stromverlaufs des Elektromagneten bzw. des
auch Hubmagneten genannten Magneten.
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Vorteilhaft
ist es, wenn der vorgebbare Schwellenwert ein Maximum oder ein Wendepunkt
in der Strom-Spannungskennlinie oder in einem Stromzeit-Diagramm
ist.
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Auch
ist es vorteilhaft, wenn der vorgebbare Schwellenwert aus einem
Maximum oder einem Wendepunkt in der Strom-Spannungskennlinie oder in
einem Stromzeit-Diagramm hergeleitet wird, wobei diesem Wert eine
vorgebbare Zeitdauer hinzugefügt wird. Dabei wird neben
der Bestimmung des Wendepunkts bzw. des Maximums der Kennlinie eine
diesbezüglich etwas verzögerter Punkt identifiziert.
Dabei ist es vorteilhaft eine Schaltung zu verwenden oder ein Verhalten
anzusteuern, bei welcher bzw. bei welchem ausgehend von der Erkennung
des Wendepunktes die Zeitdauer der „Überbestromung” d.
h. der Verzögerung variabel von 0 bis 5 ms einstellbar
ist. Zu zeitlichen Einordnung: Bei 50 Hz darf der Hubzykluss maximal
20 ms betragen. Der Rückhub (Saughub) dauert je nach Masse
und Federkraft etwa 8 bis 10 ms. Für den eigentlichen Druckhub
stehen damit etwa 10 ms zu Verfügung. Bezogen auf den Wendepunkt
beträgt die Überbestromung daher etwa 0,2 bis
1,0 ms. Mit zunehmender Frequenz, wird sich dieser Wert bei weiterer
Optimierung reduzieren. Bei einer beispielhaften Frequenz von 70
Hz liegt der Wert der Zeitdauer bei etwas geringeren Werten. Vorteilhaft
ist daher, wenn die Zeitdauer der Verzögerung bzw. Überbestromung
im Bereich von 0 bis 10 Millisekunden liegt, vorteilhaft von im
Bereich von 0 bis 2 Millisekunden oder besonders vorteilhaft im
Bereich von 0,1 bis 1,0 Millisekunden.
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Weiterhin
ist es zweckmäßig, wenn die Mirkodosierpumpe an
die Steuereinheit ein Steuersignal zurückgibt, welches
das Erreichen eines solchen Schwellenwerts signalisiert. Dies wird
im Weiteren als Indiz für das Erreichen einer mechanischen
Endlage identifiziert und kann entsprechend in der Steuerung verwendet
werden.
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Auch
ist es zweckmäßig, wenn die Steuereinheit bei
Erhalt des Steuersignals die Bestromung des Magneten stoppt.
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Vorteilhaft
ist es weiterhin, wenn die Steuereinheit zur Ansteuerung des Magneten
durch eine analoge oder digitale Schaltung realisiert ist, wobei die
Ansteuerung durch einen Triggerimpuls ausgelöst wird, wie
ein High-Set und eine Low-Set.
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Auch
ist es zweckmäßig, wenn die Mikrodosierpumpe ein
Fehlersignal ausgibt, wenn der vorgebbare Schwellenwert in einem
vorgebbaren Zeitfenster nicht erreicht wird. Dann wird ein so genanntes „Time
out”-Signal erzeugt.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die Mikrodosierpumpe ein Fehlersignal ausgibt,
wenn der Maximalstrom zur Ansteuerung des Magneten einen Sollwert
erreicht oder übersteigt.
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Vorteilhaft
ist weiterhin, wenn die Mikrodosierpumpe oder dessen Steuereinheit
ein Bestätigungssignal ausgibt, wenn ein erfolgreicher
Pumpenhub durchgeführt wurde.
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Auch
ist es zweckmäßig, wenn das Bestätigungssignal
von einer übergeordneten Steuerung eines Brenners der Heizungsanlage
ausgewertet wird.
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Weitere
vorteilhafte Gestaltungen sind in den Unteransprüchen und
in der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend
wird die Erfindung auf der Grundlage eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Mikrodosierpumpe,
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2 eine
schematische Darstellung einer Verschaltung einer erfindungsgemäßen
Mikrodosierpumpe,
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3 eine
schematische Darstellung einer Verschaltung einer erfindungsgemäßen
Mikrodosierpumpe,
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4 eine
schematische Darstellung einer Verschaltung einer erfindungsgemäßen
Mikrodosierpumpe,
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5 eine
schematische Darstellung einer Verschaltung einer erfindungsgemäßen
Mikrodosierpumpe,
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6 eine
Mikrodosierpumpe im Schnitt,
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7 eine
Mikrodosierpumpe im Schnitt,
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8 ein
zweites zylindrisches Element und ein drittes deckelartige Element
zur Ausbildung eines Fluidpolsters,
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9 eine
Ansicht von Elementen einer Mikrodosierpumpe in einer dreidimensionalen
Darstellung, und
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10 ein
Diagramm.
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Bevorzugte Ausführung
der Erfindung
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Die 1 zeigt
eine schematische Darstellung eins ersten Ausführungsbeispiels
einer Mikrodosierpumpe 1. Die Mikrodosierpumpe 1 weist
einen Kolben 2 auf, welcher in einer Bohrung 3 axial
verschiebbar aufgenommen ist. Der Kolben 2 ist dabei als
Stufenkolben ausgebildet, welcher einen ersten zylindrischen Bereich 5 größeren
Durchmessers D aufweist und einen zweiten zylindrischen Bereich 6 eines
kleineren Durchmessers d. Entsprechend ist die Bohrung 3 als
Stufenbohrung ausgebildet, wobei auch die Bohrung 3 einen
ersten Bereich 7 mit einem größeren Durchmesser
D' und einen zweiten Bereich 8 mit einem kleineren Durchmesser
d' aufweist.
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Zwischen
der Bohrung 3 und dem Kolben 2 sind im Wesentlichen
zwei druckmittelbeaufschlagbare Zylinderräume 9, 10 ausgebildet,
welche als Saugräume der Mikrodosierpumpe 1 dienen.
Der Raum 9 ist dabei als Ringraum ausgebildet, welcher zwischen
dem unteren Ende des Kolbenbereichs 5 in der Bohrung mit
dem Bereich 7 und dem zweiten Kolbenbereich 6 angeordnet
ist. Der Raum 10 ist ein Raumbereich, der an dem unteren
Ende des Kolbenbereichs 6 in der Bohrung mit dem Bereich 8 angeordnet
ist. Der als Ringraum ausgebildete Zylinderraum 9 ist über
das Rüschschlagventil 11 mit der Fluidleitung 12 von
einem Tank kommend verbunden. Das aufgrund der Kolbenbewegung angesaugte
Fluidvolumen wird über die Rücklaufleitung 13 über
das Rückschlagventil 14 wieder dem Tank zugeführt.
Der als Ringraum ausgebildete Zylinderraum 9 dient somit
als Vorförderpumpe, die somit in die Mikrodosierpumpe 1 integriert
ist. Gleichzeitig stellt der Zylinderraum einen Ansaugraum der Mikrodosierpumpe 1 dar,
mittels welchem über die Fluidleitung 15 und das Rückschlagventil 16 Fluid
angesaugt wird und über die Fluidleitung 17 und
die Ventile 18, 19 an einen Verbraucher weitergeleitet
wird. Dabei ist das Ventil 18 ein Rückschlagventil
und das Ventil ein steuerbares Absperrventil. Ist das Absperrventil
beispielsweise geschlossen, so kann das gepumpte Fluid über das
ansteuerbare Ventil 20 der Rücklaufleitung 13 wieder
zugeführt und in den Tank 21 zurückgefördert werden.
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Die 2 zeigt
schematisch eine Verschaltung 101 einer Mikrodosierpumpe 100 gemäß 1. Die
Pumpe 100 ist nur auschnittweise dargestellt und stellt
eine Pumpe mit Stufenkolben gemäß 1 dar. Die
Mikrodosierpumpe 100 ist ausgehend von einem Tank 102 und
einem nachgeschalteten Filter 103 über die Saugleitung 104 mit
Fluid versorgt. Dabei sind die beiden Zylinderräume 107, 108 über
die Saugventile 105 bzw. 106 verbunden, so dass
bei einem Saughub des Kolbens 110 Fluid angesaugt wird und
bei einem Pumphub des Kolbens 110 dieses jeweilige Ventil 105 bzw. 106 die
Fluidverbindung zur Saugleitung 104 verschließt
und einen Rückfluss in den Tank verhindert. Beim Druckhub
des Kolbens 110 wird das Fluid aus dem Zylinderraum 108 herausgefordert,
wobei das Fluid zumindest anfänglich in Richtung des Tanks
bzw. in Richtung des Raums 107 gefördert wird,
bis die Steuerkante des Kolbens den Anschluss der Rücklaufleitung 114 am
Zylinderraum 107 überstrichen und somit verschlossen
hat. Somit wird eine Vorförderung realisiert. Das Fluid, welches
aus dem Zylinderraum 107 über das Ventil 111 in
Richtung auf das Ventil 112 gefördert wird, wird bei
einer ersten nicht gezeigten Stellung zur Düse 113 gefördert.
Dazu wird das 3/2-Sitz-Ventil 112 in die rechte, nicht
gezeigte Stellung geschaltet. In der gezeigten Stellung des 3/2-Sitz-Ventils 112 wird
das Fluid ausgehend vom Zylinderraum 107 ausgehend über
das Druckventil 111 gefördert und über
die Leitung 115 zurück zum Tank gefördert.
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Die 3 zeigt
schematisch eine Verschaltung 201 einer Mikrodosierpumpe 200,
bei welcher kein Stufenkolben vorgesehen ist, sondern nur ein Kolben
mit einem Zylinderraum. Die Pumpe 200 ist ebenfalls nur
auschnittweise dargestellt. Die Mikrodosierpumpe 200 ist
ausgehend von einem Tank 202 und einem nachgeschalteten
Filter 203 über die Saugleitung 204 mit
Fluid versorgt. Dabei ist der Zylinderraum 207 über
das Saugventil 205 verbunden, so dass bei einem Saughub
des Kolbens 210 Fluid angesaugt wird und bei einem Pumphub
des Kolbens 210 das Ventil 205 die Fluidverbindung
zur Saugleitung 204 verschließt und einen Rückfluss
in den Tank 202 verhindert. Beim Druckhub des Kolbens 216 wird das
Fluid aus dem Zylinderraum 207 herausgefördert,
wobei das Fluid zumindest anfänglich in Richtung des Tanks 202 gefördert
wird, bis die Steuerkante des Kolbens 210 den Anschluss
der Rücklaufleitung 214 am Zylinderraum 207 überstrichen
und somit verschlossen hat. Das Fluid, welches aus dem Zylinderraum 207 über
das Druckventil 211 in Richtung auf das Ventil 212 gefördert
wird, wird bei einer ersten nicht gezeigten Stellung zur Düse 213 gefördert.
Dazu wird das 3/2-Sitz-Ventil 212 in die rechte, nicht
gezeigte Stellung geschaltet. In der gezeigten Stellung des 3/2-Sitz-Ventils 212 wird
das Fluid ausgehend vom Zylinderraum 207 über
das Druckventil 211 gefördert und über
die Leitung 215 zurück zum Tank gefördert.
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Die 4 zeigt
schematisch eine Anordnung einer Mikrodosierpumpe 300 gemäß 1 bzw. 2 in
einer Verschaltung 301 eines Brenners unterhalb einer Heizungsanlage 302.
Die Heizungsanlage verfügt über verschiedene Komponenten,
wie einen Vorratstank 303 für ein Fluid. Das Fluid
ist bei einer solchen Heizungsanlage beispielsweise Öl. Das
Fluid wird aus dem Tank 303 über einen Filter 304 zur
Pumpe 300 gefördert, in welche eine Vorförderpumpe
oder eine Vorförderfunktion integriert ist. Die Heizungsanlage
verfügt weiterhin über die Komponenten einer Steuereinheit
OBC, 305, eine Zündeinheit 306 für
das Fluid, einen Luftdruckwächter 307, ein Gebläse 308,
eine Ölvorwärmeinheit 309 und/oder einen
Flammenfühler 310. Dabei ist das Vorsehen aller
Komponenten nicht zwingend notwendig, so dass durchaus auch Komponenten
weggelassen werden können, wie beispielsweise den Flammenfühler 310,
den Luftdruckwächter 307 und/oder die Ölvorwärmeinheit 309.
Der Flammenfühler 310 kann vorteilhaft als optischer
Flammenfühler, wie UV-Sensor oder Flackerdetektor oder
als elektrisch arbeitender Sensor, wie als Ionisationsdetektor ausgebildet
sein.
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Die
Steuereinheit 305 der Heizungsanlage 302 steuert
die einzelnen Komponenten und deren Zusammenwirken. Dargestellt
sind Steuerleitungen 311, elektrische Versorgungsleitungen 312 und
Fluidleitungen 313.
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Die 5 zeigt
schematisch eine Anordnung einer Mikrodosierpumpe 400 gemäß 3 in
einer Verschaltung 401 eines Brenners unterhalb der Heizungsanlage 402.
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Die
Heizungsanlage 402 verfügt über verschiedene
Komponenten, wie einen Vorratstank 403 für ein
Fluid. Das Fluid ist bei einer solchen Heizungsanlage 402 beispielsweise Öl.
Das Fluid wird aus dem Tank 403 über einen Filter 404 zur
Pumpe 400 gefördert. Die Mikrodosierpumpe 400 weist
keine integrierte Vorförderpumpe auf, sondern weist eine
vorgeschaltete Vorförderpumpe 414 in der Verschaltung 401 auf.
Die Heizungsanlage verfügt weiterhin über die
Komponenten einer Steuereinheit OBC, 405, eine Zündeinheit 406 für
das Fluid, einen Luftdruckwächter 407, ein Gebläse 408,
eine Ölvorwärmeinheit 409, ein Magnetventil
und/oder einen Flackerdetektor 410. Dabei ist das vorsehen
aller Komponenten nicht zwingend notwendig, so dass durchaus auch
Komponenten weggelassen werden können, wie beispielsweise
den Flackerdetektor 410, den Luftdruckwächter 407 oder
die Ölvorwärmeinheit 409.
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Die
Steuereinheit 405 eines Brenners der Heizungsanlage 402 steuert
die einzelnen Komponenten und deren Zusammenwirken.
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Die 6 und 7 zeigen
eine erfindungsgemäße Mikrodosierpumpe 500 mit
integrierter Vorförderpumpe bzw. Vorförderstufe
im Schnitt. Die Mikrodosierpumpe 500 besteht dabei vorteilhaft
aus einem ersten unteren zylindrischen Element 501, einem
damit verbundenen zweiten oberen zylindrischen Element 502 und
einem in das zweite zylindrische Element 502 eingesetzte
dritte deckelartige Element 503. Das zweite zylindrische
Element 502 ist ringartig ausgebildet und nimmt in einer
zentralen Ausnehmung den Magnetanker 504, den Kolben 505 und
eine Feder 506 auf. In die zentrale Ausnehmung des zylindrischen
Elements 502 greift weiterhin ein Zapfen des ersten zylindrischen
Elements 501 ein, an welchem sich die Feder 506 unten
abstützt und durch welches in einer Bohrung 507 der
Kolben 505 geführt ist.
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Weiterhin
ist der Elektromagnet 508 mit seiner Spule und gegebenenfalls
einem Spulenkern in einem Freiraum 509 zwischen dem ersten
zylindrischen Element 501 und dem zweiten zylindrischen Element 502 angeordnet.
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Der
Kolben 505 ist an seinem oberen Ende mit dem als Ankerplatte
ausgebildeten Magnetanker 504 verbunden, wobei die Ankerplatte
an ihrer oberen Seite eben ausgebildet ist und an ihrer unteren Seite
nach radial außen abgeschrägt mit zunehmender
Höhe ausgebildet ist.
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Die
Bohrung 507 zur Aufnahme des Kolbens ist als Stufenbohrung
ausgebildet, die im oberen ersten Durchmesserbereich sowohl den
Kolben 505 als auch den Magnetanker 504 und die
Feder 506 aufnimmt. In einem zweiten mittleren Durchmesserbereich
nimmt die Bohrung 507 den Kolben 505 und die Feder 506 auf,
wobei die Bohrung in einem dritten unteren Durchmesserbereich lediglich
den Kolben 505 aufnimmt. Die Feder 506 stützt
sich dabei oben an dem Magnetanker 504 ab. An ihrem unteren
Ende stützt sich die Feder an einem Halteschuh 510 ab, welcher
am unteren Endbereich des mittleren Durchmesserbereichs der Bohrung
5007 angeordnet ist.
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Das
in das zweite zylindrische Element 502 eingesetzte dritte
deckelartige Element 503 verschließt nach oben
die Bohrung 507 mit den darin eingesetzten Elementen. Gleichzeitig
dient das dritte deckelartige Element der Anschlagdämpfung
des Kolbens 505 bzw. der damit verbundenen Ankerplatte 504.
Dazu weist das dritte deckelartige Element 503 an seinem
unteren Bereich 511 eine Kontur 512 auf, die die
Ausbildung eines Fluidpolsters zur Anschlagdämpfung der
Ankerplatte erlaubt. Die Kontur 512 besteht dabei vorteilhaft
aus einem ringförmigen nutartigen Bereich, der eine gewisse
Menge eines Fluids aufnehmen kann und welches bei auftreffen bzw.
annähern der Ankerplatte diesen Aufschlag dämpft,
siehe auch 8. Dazu ist weiterhin eine Bohrung 516 in
die Ankerplatte eingebracht, um in den relevanten Bereich ein Fluid
führen zu können.
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Zur
Einstellung der Positionierung des dritten deckelartigen Elements 503 in
dem zweiten zylindrischen Elements 502 ist das dritte Element 503 mit
einer Verschraubung mit Gewinde 517 mit dem zweiten Element 502 verbunden.
Dabei weist das dritte Element 503 ein Außengewinde
und das zweite Element 502 ein Innengewinde auf. Durch
diese Gestaltung kann über das Gewinde 517 eine
Hubverstellung bzw. Einstellung erfolgen.
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Die 6 zeigt
weiterhin deutlich, dass die Bohrung 507 in ihrem unteren
Bereich mit geringstem Durchmesser ausgebildet ist und im Vergleich
zu den beiden oberen Bereichen etwa gleich lang ist, wie die beiden
oberen Bereiche zusammen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch eine
zumindest im Wesentlichen nahezu rückströmfreie
Passung zwischen Kolben 505 und Bohrung 507 erreicht
werden kann.
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Unten
an der Mikrodosierpumpe erkennt man den Vorlaufstutzen 513 mit
Vorfilter 514, der in die Bohrung des Vorlaufstutzens eingesetzt
ist. Um den Vorlaufstutzen 513 kann vorteilhaft ein Duckmessstutzen 515 angeordnet
sein. Weiterhin erkennt man den Rücklaufstutzen 516.
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Wie
in den 1,2 und 4 bereits gezeigt
und dort diskutiert, verfügt die Mikrodosierpumpe über
einen abgestuften Kolben mit Vorförderfunktion. Dies ist
in 6 mit der Stufe 518 des Kolbens realisiert,
wobei zwischen dem Kolben 505 und dem Halteschuh 510 ein
Spalt 519 belassen ist zur Fluidströmung, der
größer ist als bei der Druckförderstufe
im unteren Bereich der Bohrung 507.
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Die 7 zeigt
einen Schnitt durch die Mikrodosierpumpe in einer Ebene, die zur
Mitte versetzt ist. Dort erkennt man den Ankerplattenraum 520,
welcher nach radial außen nach schräg unten verläuft. Weiterhin
erkennt man die Austrittsbohrung 521 für die Leckagerückführung.
In einer senkrechten Bohrung 522 ist ein federbelastetes
Kugelventil angeordnet zur Erzeugung eines definierten Vordrucks
im Ankerplattenraum 520, wobei die Bohrung 522 zur
Aufnahme der Feder 525 durch die Kugel 524 verschlossen
ist.
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Die 9 zeigt
in einer so genannten Explosionsdarstellung das erste zylindrische
Element 501 und den Kolben 505 mit dem Halteschuh 510.
Gut zu erkennen ist die Abstufung des Kolbens 505, der
einen ersten Kolbenbereich 530 mit größerem
Durchmesser aufweist, welcher als Vorförderkolben dient und
einen zweiten Kolbenbereich 531 mit kleinerem Durchmesser
aufweist, welcher als Druckförderkolben dient.
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Weiterhin
sind Ventilplatten 534 und Abstandshalteplatten 535 zu
erkennen. Die Ventilplatte 534 erlaubt die Darstellung
eines Druckventils bzw. eines Saugventils auf geringem Bauraum.
Dazu weist die Ventilplatte einen zentralen Öffnungsbereich 536 auf,
durch welchen der Kolben 505 durchgreift. Radial außerhalb
des Öffnungsbereichs 536 sind federartige Zungen
in die Ventilplatte 534 eingebracht, wobei die Zunge 533 das
Druckventil des Vorförderkolbens darstellt und die Zunge 534 das
Saugventil des Vorförderkolbens darstellt.
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Die 10 zeigt
ein Diagramm 600 zur Erläuterung der Steuerung
des Magneten der magnetisch betätigten Mikrodosierpumpe.
Durch die elektrische Ansteuerung des Magneten wird dieser magnetisiert
und zieht die Magnetanker an und senkt somit den Kolben nach unten,
siehe 6. Dabei wird die Ansteuerung des Hubmagneten
beispielsweise durch eine analoge oder digitale Schaltung realisiert, wobei
die Ansteuerung beispielsweise durch einen Triggerimpuls ausgelöst
wird, sie ein High-Set und eine Low-Set. Dabei wird der Stromverlauf 601,
siehe Kurve der 10, als Funktion der Zeit detektiert
und bei erreichen des Maximums 602 oder bei erreichen des
Wendepunkts 603 wird die Ansteuerung des Magneten abgeschaltet.
Wie in 10 mit der unterbrochenen Linie 604 zu
erkennen ist, würde der Strom nach dem Wendepunkt 603 stark
ansteigen und ein „Verkleben” des Magneten verursachen,
wodurch ein schnelles Reagieren und Betätigen des Magneten verhindert
werden würde. Durch das Abschalten der Bestromung des Magneten
beim Maximum 602, beim Wendepunkt 603 oder bis
zu einem vorgebbaren Zeitpunkt danach, von bis zu 200 ms danach, kann
ein solches Verkleben verhindert werden und eine schnelle Ansteuerung
des Magneten und des Kolbens kann vorteilhaft erreicht werden.
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Wird
die Hubüberwachung des Magnetankers oder des Kolbens durchgeführt,
so wird vorteilhaft ein Steuersignal ausgegeben, welches die Erreichung
des Maximums, des Wendepunkts oder eines vorgebbaren Punkts signalisiert.
Auch wird vorteilhaft ein Steuersignal, wie ein Fehlersignal ausgegeben, wenn
der vorgebbare Punkt, wie das Maximum, der Wendepunkt oder ein vorgebbarer
Punkt, in einem vorgebbaren Zeitfenster nicht erreicht wird. Vorteilhaft
wird auch der Maximalstrom zur Ansteuerung des Magneten detektiert
und es wird bei überschreiten eines Sollwerts ein Steuersignal,
wie Fehlersignal ausgegeben.
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Die 10 zeigt
weiterhin eine Kurve 605, welche mittels eines Körperschalldetektors
aufgenommen wird, und welche anhand des Körperschalls den
Zustand des Kolbens ermitteln lässt. So ist durch die gemessenen
Erschütterungen die Endlage des Druckhubs und des Saughubs
feststellbar, wobei die Endlage des Druckhubs mit dem Maximum im
Strom korrespondieren sollte.
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Die
dargestellte und beschriebene Mikrodosierpumpe kann vorteilhaft Öl
für einen Brenner einer Heizungsanlage fördern.
Auch kann eine erfindungsgemäße Mikrodosierpumpe
in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden zur Förderung von
dort eingesetzten Fluiden, wie beispielsweise von Hydraulikfluiden,
Additiven, Harnstofflösungen etc. Vorteilhaft kann eine solche
Pumpe aber auch in weiteren Anwendungsbereichen eingesetzt werden.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe gemäß den oben
beschriebenen Ausführungsbeispielen umfasst weiterhin eine
elektronische Steuereinheit zur Ansteuerung und/oder Überwachung
der Pumpe, wobei diese Steuereinheit vorteilhaft in einem Gehäuse
der Pumpe angeordnet ist oder als Baueinheit mit der Pumpe ausgestaltet
ist. Dazu kann beispielsweise auch die Steuereinheit mit einem ggf.
auch separaten Gehäuse versehen sein, welches an der Pumpe
angeordnet ist.
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Wie
bereits oben beschrieben erzeugt die elektronische Steuereinheit
zur Ansteuerung und/oder Überwachung der Pumpe auch Rückmeldesignale,
die ausgegeben werden, so dass eine übergeordnete Steuerung
eines Brenners oder einer Heizungsanlage diese aufnehmen und verarbeiten können.
Vorteilhaft ist es insbesondere, wenn das/die Rückmeldesignal/Rückmeldesignale
und/oder die Pumpenelektronik der Sicherheitsklasse C entsprechen.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe stellt vorteilhaft eine
magnetisch angetriebene Kolbenpumpe dar, mit einem eingespritzten
Massenstrom, wie beispielsweise Brennstoffmassenstrom, der linear
von der Hubfrequenz des Kolbens abhängig ist. Vorteilhaft
liegt ein großer Regelbereich von etwa 0–2,5 kg/h
vor, bei einem Einspritzdruck bis etwa 50 bar. Vorteilhaft ist ein
niedriges Betriebsgeräusch durch eine hydraulische Endlagendämpfung
der Kolbenbewegung. Eine zuverlässige Dosierung, wie Brennstoffdosierung,
wird erreicht durch eine elektronische Überwachung des
Kolbenhubs. Vorteilhaft gibt die Pumpe eine Fehlermeldung bei Nicht-Erreichen
des vollen Kolbenhubs aus. Auch kann vorteilhaft ein integriertes
Anti-Heber-Ventil vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist der
niedrige Bedarf an elektrischer Energie. Die Pumpe ist selbstansaugend
etwa bis zu einer Höhendifferenz von 3,5 m. Die Bauform
ist vorteilhaft kompakt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19948342
A1 [0004]
- - DE 69535019 T2 [0005]