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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe zur Förderung eines Fluids mit einem rohrförmigen Gehäuse, das sich zwischen einer ersten Endseite und einer zweiten Endseite erstreckt, wobei im rohrförmigen Gehäuse ein Kolben zwischen den Endseiten axial beweglich aufgenommen ist, wobei der Kolben wenigstens einen Magneten aufweist, welcher Magnet mit zumindest einer Erregerspule zusammenwirkt, die im und/oder am Gehäuse angeordnet ist.
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Die meisten Pumpen der hier interessierenden Art sind als einfach wirkende Axialkolbenpumpen ausgeführt, wobei lediglich eine Förderkammer vorgesehen ist, die mit einer einzigen Ventileinheit zusammenwirkt. Insbesondere sind diese Pumpen mit Ventilen ausgestattet, die im Kolben selbst aufgenommen sind.
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Stand der Technik
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Aus der
JP 2002130122 ist eine Axialkolbenpumpe bekannt, bei der das Fluid den Kolben axial durchströmt. Derartige Pumpen ermöglichen in Bezug auf eine erforderliche Baugröße lediglich ein geringes Fördervolumen. Ferner pulsiert der Förderstrom des Fluids, da eine Förderung des Fluids lediglich mit einer Bewegung des Kolbens in nur einer Richtung erzeugt wird.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe zur Förderung eines Fluids vorzuschlagen, die die Nachteile des Standes der Technik überwindet und bei einer möglichst kleinen Bauform ein großes Fördervolumen bereitstellen kann. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Pumpe zur Förderung eines Fluids zu schaffen, die einen einfachen und robusten Aufbau aufweist und leicht herstellbar ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Pumpe zur Förderung eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass eine erste Ventileinheit an der ersten Endseite und eine zweite Ventileinheit an der zweiten Endseite des Gehäuses vorgesehen ist, so dass mit der Axialbewegung des Kolbens in Richtung zur ersten Endseite ein erstes Förderteilvolumen und mit der Axialbewegung des Kolbens in Richtung zur zweiten Endseite ein zweites Förderteilvolumen erzeugbar ist.
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Damit wird eine doppelt wirkende Pumpe zur Förderung eines Fluids geschaffen, die die Nachteile des vorgenannten Standes der Technik überwindet. Durch die Anordnung der Ventileinheiten in den Endseiten des Gehäuses entsteht eine kompakte, robuste Ausführung einer Pumpe, die eine kleine Bauform aufweisen und dennoch ein großes Fördervolumen zur Verfügung stellen kann. Die Bewegung des Kolbens muss nicht bis zur jeweiligen Endseite erfolgen, sondern die Bewegung des Kolbens erfolgt lediglich axial zwischen den Endseiten. Um ein großes Fördervolumen zu ermöglichen, ist weiterhin ein großer Hub des Kolbens vorteilhaft.
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Vorzugsweise ist die erste und die zweite Ventileinheit jeweils in den Endseiten des Gehäuses integriert, wobei die Ventileinheiten jeweils unabhängig voneinander wirken. Die Ventileinheiten sind vorzugsweise als Sitzventile und insbesondere jeweils als Förderventilpaare ausgeführt. Der Aufbau und die Funktionsweise der Ventile werden im Folgenden näher dargestellt.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Pumpe und zur Erlangung einer kleinen Bauform ist vorgesehen, dass der Kolben mit einer ersten Kolbenseite eine erste Förderkammer beweglich begrenzt, die mit einer ersten Ventileinheit fluidisch zusammenwirkt. Ferner erfolgt eine bewegliche Begrenzung einer zweiten Förderkammer durch eine der ersten Kolbenseite gegenüberliegenden zweiten Kolbenseite, wobei die zweite Förderkammer mit der zweiten Ventileinheit fluidisch zusammenwirkt. Die erste und zweite Förderkammer sind innerhalb des zylinderförmigen, rohrförmigen Gehäuses vorhanden, so dass sich der Kolben durch seine Axialbewegung in Richtung der jeweiligen Förderkammer bewegt und diese beweglich begrenzt. Bewegt sich der Kolben in Richtung zur ersten Förderkammer, so wird das Volumen der ersten Förderkammer verkleinert und zugleich das Volumen der gegenüberliegenden zweiten Förderkammer vergrößert. Bei der umgekehrten Bewegung des Kolbens erfolgen umgekehrt die Vergrößerung der ersten Förderkammer und die Verkleinerung der zweiten Förderkammer.
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Die Ventileinheiten in den jeweiligen Endseiten des Gehäuses sind vorzugsweise baugleich ausgeführt. Die jeweilige Ventileinheit besitzt ein erstes Ventilelement in einer ersten Ventilkammer sowie einen ersten Ventilsitz, in den das erste Ventilelement dichtend zur Anlage bringbar ist, wobei jede Ventileinheit ferner ein zweites Ventilelement in einer zweiten Ventilkammer aufweist und einen zweiten Ventilsitz besitzt, in dem das zweite Ventilelement dichtend zur Anlage bringbar ist. Die Durchlass- und die Sperrrichtung des ersten und des zweiten Ventilelementes sind entgegengerichtet ausgeführt. Wird die einer Ventileinheit zugeordnete Förderkammer beispielsweise vergrößert, so sperrt das erste Ventilelement die Ventileinheit, und das zweite Ventilelement bewegt sich in Durchlassrichtung innerhalb der Ventilkammer. Wird die zugeordnete Förderkammer wieder verkleinert, so öffnet hingegen das erste Ventilelement, und das zweite Ventilelement bewegt sich in Sperrrichtung. Das Öffnungs- und Sperrverhalten der Ventilelemente der ersten Ventileinheit verhält sich entsprechend umgekehrt proportional zum Öffnungs- und Sperrverhalten der Ventilelemente der gegenüberliegenden zweiten Ventileinheit.
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Mit der ersten Ventileinheit ist eine Saugleitung und eine Druckleitung verbunden und mit der zweiten Ventileinheit ist ebenfalls eine Saugleitung und eine Druckleitung verbunden. Die Druckleitungen sind dabei mit der Ventilkammer in Verbindung gebracht, in denen die Ventilelemente mit den Ventilsitzen so zusammenwirken, dass bei einer Verkleinerung der Förderkammer das Ventilelement in Durchlassrichtung schaltet. Folglich sind die Saugleitungen mit denjenigen Ventilkammern fluidisch verbunden, in denen die Ventilelemente mit den Ventilsitzen derart zusammenwirken, dass das zugeordnete Ventilelement lediglich bei einer Vergrößerung der Förderkammer in Durchlassrichtung schaltet.
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Um einen gleichmäßigen, im Wesentlichen nicht pulsierenden Förderstrom bereitzustellen, wird weiterführend vorgeschlagen, dass die Druckleitung der ersten Ventileinheit mit der Druckleitung der zweiten Ventileinheit fluidisch verbunden ist. Ebenfalls ist es vorteilhaft, die Saugleitung der ersten Ventileinheit und die Saugleitung der zweiten Ventileinheit fluidisch miteinander zu verbinden.
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Das Gehäuse der Pumpe kann so ausgestaltet sein, dass die Endseiten, in denen die jeweiligen Ventileinheiten aufgenommen sind, einteilig und materialeinheitlich mit dem rohrförmigen Abschnitt des Gehäuses verbunden sind. Um die Herstellung des Gehäuses mit den integrierten Ventileinheiten zu ermöglichen, muss dieses lediglich eine Möglichkeit bieten, in zwei Gehäuseteile teilbar zu sein, um die entsprechenden innenliegenden Geometrien zu fertigen. Die Ausgestaltung und insbesondere der Übergang des rohrförmigen Abschnittes des Gehäuses in die jeweiligen Endseiten kann jedoch einfach gestaltet sein, wobei das Gehäuse und die jeweiligen Grundkörper der Ventileinheiten aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, bestehen können. Sollte eine Verbesserung der jeweiligen Ventilsitze erforderlich sein, können diese aus metallischen Einlagen, beispielsweise aus Stahlringen, gebildet sein, die in die Endseiten einsetzbar sind.
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Die fluidischen Verbindungen der beiden Saugleitungen und der beiden Druckleitungen miteinander können ebenfalls integriert im Gehäuse vorgesehen sein. Das Gehäuse kann über dem rohrförmigen Abschnitt interne Verbindungsleitungen aufweisen, die für beide Druckleitungen einen gemeinsamen Druckanschluss und für beide Saugleitungen einen gemeinsamen Sauganschluss besitzen.
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Besonders vorteilhaft einsetzbar ist die Pumpe für eine Scheibenwascheinrichtung eines Kraftfahrzeugs und insbesondere zur Integration in einem Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle. Daher kann die Pumpe entweder zur Integration in einer Scheibenwascheinrichtung eines Kraftfahrzeugs oder zur Integration in den Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle ausgebildet sein. Die Ausbildung der Pumpe für den jeweiligen Einsatzzweck betrifft dabei insbesondere die Baugröße, das erreichbare Fördervolumen, die Anschlussspannung oder auch die mechanischen Integrationselemente zum Einbau der Pumpe in das jeweilige System. Ferner kann die Pumpe als robuste Haushaltspumpe Anwendung finden, die beispielsweise auch im Heizungssystem eines Gebäudes einsetzbar ist, um das Heizungswasser zu fördern.
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Ein weiteres vorteilhaftes Anwendungsgebiet der Pumpe kann im medizintechnischen Bereich gesehen werden. Insbesondere kann das Fluid durch Blut wiedergegeben sein, sodass die Pumpe als Herz-Kreislauf-Pumpe Anwendung findet. Insbesondere kann die Pumpe für eine In-Vivo Anwendung ausgestaltet sein, sodass die Pumpe als Implantat im menschlichen oder tierischen Körper Verwendung findet. Ferner kann die Pumpe als Bestandteil einer Herz-Lungen-Maschine Verwendung finden, sodass die Förder-Teilvolumina, gebildet durch die erste und die zweite Förderkammer, vorteilhafterweise aufteilbar sind für den Körperkreislauf einerseits und für den Lungenkreislauf andererseits. Die verwendeten Materialen der Pumpe und insbesondere des Gehäuses sowie weitere Komponenten, die insbesondere mit dem menschlichen oder tierischen Gewebe in Kontakt kommen, können als bioverträgliche Materialien ausgestaltet sein, die vorzugsweise bioverträgliche Metalle betreffen.
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Der Kolben kann auf besondere Weise ausgestaltet sein, um die Einfachheit des Aufbaus sowie die Robustheit der Pumpe weiter zu verbessern. Beispielsweise kann der Kolben als Spritzgussbauteil ausgebildet sein und eine Aufnahmevertiefung zur Aufnahme des wenigstens einen Magneten aufweisen. Im einfachsten Fall kann der Kolben als Vollzylinder ausgeführt sein, wobei die Aufnahmevertiefung als umlaufende Nut außenseitig am Kolben eingebracht ist. In den Endbereichen, angrenzend an die erste und zweite Kolbenseite, kann der Kolben einen Durchmesser auf einem Führungsabschnitt aufweisen, der derart bemessen ist, dass dieser mit dem Innendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses korrespondiert. Dabei kann ein radialer Spalt zwischen dem Kolben und dem Innendurchmesser des Gehäuses vorgesehen sein, der insbesondere bei der Ausführung der Pumpe zur Förderung hydraulischer Fluide eine Schmierwirkung ermöglicht. Ist die Pumpe zur Förderung thermischer Fluide ausgeführt, so kann der Kolben umfangseitig, angrenzend an die Kolbenendseiten, Dichtringe besitzen. Bei entsprechender Materialpaarung des Werkstoffes des Kolbens sowie des Werkstoffes des zylinderförmigen Gehäuses kann auf ein separates Dicht- und Führungselement verzichtet werden, beispielsweise bei einer Kunststoff-Kunststoff-Reibpaarung oder bei einer Kunststoff-Metall-Reibpaarung.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe, kann der Magnet als Seltenerdmagnet und insbesondere als NdFeB-Magnet ausgebildet sein. Weitere, vorteilhafte Ausführungen des Magneten können isotrope NdFeB-Magnete als gepresste Magnete oder isotrope Hartferritmagnete, anisotrope Hartferritmagnete, isotrope NdFeB-Magnete, isotrope SmCo-Magnete oder anisotrope SmCo-Magnete als gespritzte Magnete sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der oder die Magnet/-e als gesinterter, gepresster, gespritzter und vorzugsweise als kunststoffgebundener Magnet und/oder als lackgebundener Magnet ausgebildet ist, wobei als Kunststoff vorzugsweise ein Polyamid- und/oder ein Epoxydharz vorgesehen sein kann. Dieses, auch als Matrixmaterial bezeichnete Kunststoffmaterial, kann beispielsweise ein PA6, PA11, PA12 oder ein PPS sein. Lackgebundene Magnete können auf einen aus Kunststoff hergestellten Trägerkörper aufgetragen werden, wobei die Magnete im bzw. am Kolben möglichst außenseitig angeordnet werden, um einen geringen Spalt zwischen den Erregerspulen und den Magneten sicherzustellen, wodurch der Wirkungsgrad der Bewegungserzeugung des Kolbens verbessert wird.
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Der Kolben kann vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass dieser mit 50 Bewegungen pro Sekunde zwischen den Endseiten des rohrförmigen Gehäuses bewegbar ist. Damit kann die Pumpe mit Wechselstrom des öffentlichen Stromnetzes betrieben werden, wobei die spezielle Ausbildung des Kolbens insbesondere die Masse und die Dämpfung betrifft, die so aufeinander abgestimmt sind, dass der Kolben mit dem erforderlichen Hub bei 50 Hz schwingungsfähig ist.
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Um die Schwingungsfähigkeit gegebenenfalls zu verbessern, kann eine erste Druckfeder zwischen der ersten Kolbenseite und der ersten Endseite des Gehäuses und eine weitere Druckfeder zwischen der zweiten Kolbenseite und der zweiten Endseite des Gehäuses angeordnet sein, wodurch ein Feder-/Masse-System gebildet wird, und wobei der Kolben mit dem wenigstens einen eingebrachten Magneten die schwingungsfähige Masse bildet.
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Vorteilhafterweise können zwei Erregerspulen vorgesehen und in Kolbenbewegungsrichtung nebeneinander oder beabstandet zueinander im Gehäuse der Pumpe angeordnet sein, wobei die Erregerspulen vorzugsweise umlaufend um das zylinderförmige Gehäuse ausgebildet sind. Selbstverständlich können die Erregerspulen auch in ein aus Kunststoff hergestelltes Gehäuse eingegossen bzw. mit diesem umspritzt sein.
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Von besonderem Vorteil ist es, wenn zwei Erregerspulen vorgesehen und in Kolbenlaufrichtung nebeneinander oder vorzugsweise beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei die Erregerspulen insbesondere umlaufend um das zylinderförmige Gehäuse ausgebildet sind. Insbesondere können zwei oder mehr Erregerspulen vorgesehen sein, die in Kolbenbewegungsrichtung nebeneinander angeordnet sind, wobei mit den Erregerspulen ein Wandermagnetfeld erzeugbar ist. Damit kann das rohrförmige Gehäuse erheblich länger ausgeführt sein als der Kolben, und der Kolben bewegt sich wie ein Schlitten durch das Gehäuse, wobei mehrere Erregerspulen durch eine entsprechende Steuerungseinheit angesteuert werden können, um ein Wandermagnetfeld zu erzeugen, durch das der Kolben eine kontrollierte Pumpbewegung ausführen kann, die von einer harmonischen Schwingbewegung abweichen kann.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand einer einzigen Figur näher dargestellt: Es zeigt:
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die Figur eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels einer Pumpe zur Förderung eines Fluids gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Pumpe 10 zur Förderung eines Fluids in einer schematisch ausgeführten Querschnittsansicht. Die Pumpe 10 besitzt ein rohrförmiges Gehäuse 11, das sich zwischen einer ersten Endseite 11A und einer gegenüberliegenden zweiten Endseite 11B erstreckt. Im rohrförmigen Gehäuse 11 ist ein Kolben 12 aufgenommen, der axial beweglich zwischen den Endseiten 11A und 11B geführt ist. Der Kolben 12 weist einen Magneten 13 auf, der mit Magnetpolen N = Nord und S = Süd gekennzeichnet ist. Der Magnet 13 ist rotationssymmetrisch und erstreckt sich außenseitig um den ebenfalls rotationssymmetrisch ausgebildeten Kolben 12 herum. In Kolbenbewegungsrichtung 25 ist der vorzugsweise zylinderförmig ausgeführte Kolben 12 durch seine erste Kolbenseite 12A und durch seine gegenüberliegende, zweite Kolbenseite 12B in der Länge begrenzt.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine erste Ventileinheit 15A an der ersten Endseite 11A und eine zweite Ventileinheit 15B an der zweiten Endseite 11B des Gehäuses 11 angeordnet. Durch Axialbewegung des Kolbens 12 in Richtung zur ersten Endseite 11A wird durch Verkleinerung einer ersten Förderkammer 22A ein erstes Förderteilvolumen und mit der Axialbewegung des Kolbens 12 in Richtung zur zweiten Endseite 11B bei gleichzeitiger Verkleinerung einer zweiten Förderkammer 22B ein zweites Förderteilvolumen erzeugt. Folglich entsteht durch die Hubbewegung des Kolbens 12 eine dynamische Begrenzung der ersten Förderkammer 22A durch die erste Kolbenseite 12A und eine dynamische Begrenzung der zweiten Förderkammer 22B durch die zweite Kolbenseite 12B. Die erste Förderkammer 22A wirkt dabei mit der ersten Ventileinheit 15A fluidisch zusammen und die zweite Förderkammer 22B wirkt mit der zweiten Ventileinheit 15B fluidisch zusammen. Beide Ventileinheiten 15A und 15B sind baugleich ausgeführt.
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Die Darstellung zeigt die erste Ventileinheit 15A mit einem ersten Ventilelement 16A, das in einer ersten Ventilkammer 17A aufgenommen ist. Die erste Ventilkammer 17A weist einen ersten Ventilsitz 18A auf, in dem das erste Ventilelement 16A dichtend zur Anlage bringbar ist. Ferner besitzt die erste Ventileinheit 15A ein zweites Ventilelement 19A in einer zweiten Ventilkammer 20A, wobei die zweite Ventilkammer 20A einen zweiten Ventilsitz 21A aufweist, in dem das zweite Ventilelement 19A dichtend zur Anlage bringbar ist.
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Ebenso wie die erste Ventileinheit 15A ist die zweite Ventileinheit 15B mit einem ersten Ventilelement 16B in einer ersten Ventilkammer 17B ausgeführt, wobei ein erster Ventilsitz 18B vorgesehen ist, in dem das erste Ventilelement 16B dichtend zur Anlage bringbar ist. Ferner besitzt die zweite Ventileinheit 15B ein zweites Ventilelement 19B in einer zweiten Ventilkammer 20B, die mit einem zweiten Ventilsitz 21B ausgeführt ist, in dem das zweite Ventilelement 19B dichtend zur Anlage bringbar ist.
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Die Ventile mit den Ventilelementen 16A und 16B sind als Auslassventile ausgeführt, so dass der jeweils zugeordnete erste Ventilsitz 18A und 18B in Richtung zur jeweiligen ersten und zweiten Förderkammer 22A und 22B weist. Hingegen sind die Ventilsitze 21A und 21B so in der zugeordneten Ventilkammer 20A und 20B angeordnet, dass die Ventile mit den ersten und zweiten Ventilelementen 19A und 19B als Einlassventile wirken, und bei einer jeweiligen Vergrößerung der zugeordneten Förderkammer 22A und 22B öffnen.
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Die Auslassventile sind mit Druckleitungen 24A und 24B verbunden, wobei die Einlassventile mit Saugleitungen 23A und 23B verbunden sind. In nicht näher gezeigter Weise können die Druckleitungen 24A und 24B sowie die Saugleitungen 23A und 23B jeweils paarweise fluidisch miteinander verbunden sein.
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Die Ventilelemente 16A, 16B und 19A und 19B sind beispielhaft als Kugeln 16A, 16B und 19A und 19B ausgebildet und können in Richtung ihres jeweiligen Ventilsitzes 18A, 18B und 21A sowie 21B mittels eines nicht näher gezeigten Federelementes federvorgespannt sein, um die Funktion der Ventileinheiten 15A und 15B weiter zu verbessern und Fehlfluidströme zu minimieren.
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Die Darstellung zeigt das Gehäuse 11 mit seinen beiden als Ventileinheiten 15A und 15B, die als integraler Bestandteil der Endseiten 11A und 11B ausgeführt sind und somit insgesamt ein einteiliges Bauteil bilden. Das Gehäuse 11 kann aus einem Kunststoff und vorzugsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff durch einen Spritzguss hergestellt werden, wobei die jeweiligen Ventileinheiten 15A und 15B sowie die Innenseite des zylinderförmigen Abschnittes des Gehäuses 11 spanend nachbearbeitet werden können.
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Der Kolben 12 kann ebenfalls als Kunststoff-Spritzgussbauteil hergestellt sein und mit einer Aufnahmevertiefung 26 versehen werden, in die der Magnet 13 einsetzbar ist. Der Magnet 13 kann ferner durch den Kunststoff des Kolbens 12 umspritzt werden.
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Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Anordnung des Magneten 13 am Kolben 12 kann vorgesehen sein, dass der Magnet 13 als gesinterter, gepresster, gespritzter und vorzugsweise als kunststoffgebundener Magnet 13 und/oder als lackgebundener Magnet 13 ausgebildet wird, um mittels eines Spritzgussschrittes den Kolben 12 mit dem Magneten 13 zu versehen, wobei das Spritzgussverfahren unter gleichzeitiger Einwirkung eines externen Magnetfeldes vorgesehen werden kann, um eine Magnetisierung des Magneten 13 zu erzeugen.
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Außenseitig am Gehäuse 11 sind drei Erregerspulen 14A, 14B und 14C gezeigt. Diese können mittels einer Steuereinheit entsprechend angesteuert werden, um im Kolben 12 eine in Kolbenbewegungsrichtung 25 weisende Oszillationsbewegung zu erzeugen. Zur Herstellung der Verbindung zwischen den Erregerspulen 14A, 14B und 14C sowie dem Gehäuse 11 kann vorgesehen sein, dass die Erregerspulen 14A, 14B und 14C entweder auf das Gehäuse 11 aufgepresst oder mit Verbindungsmitteln an diesem angebracht werden, wobei vorzugsweise die Erregerspulen 14A, 14B und 14C durch ein aus Kunststoff hergestelltes Gehäuse 11 umspritzt werden. Damit wird eine besonders kompakte, robuste Bauart der Pumpe 10 erreicht.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktive Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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