DE102010019821A1

DE102010019821A1 - Dosierpumpe mit Pulsationsdämpfer

Info

Publication number: DE102010019821A1
Application number: DE102010019821A
Authority: DE
Inventors: Stefan Quast; Mike Heck; Thomas Rolland; Marc Leinweber; Markus Ermert; Dr. Ohligschläger Olaf; Jürgen Schonlau; Rolf Bender; Robert Wellnitz; Dr. Müller Axel
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2010-05-08
Filing date: 2010-05-08
Publication date: 2011-11-10
Anticipated expiration: 2030-05-09
Also published as: DE102010019821B4

Abstract

Durch einen Magneten angetriebene und zum Fördern einer Flüssigkeit dienende Hubkolbenpumpe mit zwei Verdrängerräumen, die durch ein erstes Ventil miteinander verbunden sind, von denen der erste Verdrängerraum mit einer Saugleitung verbunden ist und der zweite Verdrängerraum zusätzlich durch ein zweites Ventil mit einer Druckleitung verbunden ist. Der erste zylinderförmige Verdrängerraum ist in seiner ganzen oder überwiegenden Länge nach außen durch eine schlauchförmige Membran aus einem hochelastischen nichtmetallischen Werkstoff begrenzt, die ihrerseits von der Magnetspule der Hubkolbenpumpe umgeben ist. Die Membran ist hinsichtlich ihres Außendurchmessers, ihrer Dicke und ihrer Abstützung so bemessen, dass sie bei den üblicherweise vorliegenden mittleren Drücken in dem Verdrängerraum nicht vollflächig an der Magnetspule anliegt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Dosierpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.
Dosierpumpen zur Förderung und präzisen Dosierung von Treibstoff für Standheizungsanlagen sind bekannt, z. B. aus der DE 10 2008 055 611 .
Ebenfalls bekannt sind Dosierpumpen zur Förderung und Dosierung von wässrigen Harnstofflösungen für SCR-Anlagen, z. B. DE 10 2007 059 237 .
Ferner sind zum Beispiel durch die DE 102 27 659 Dosierpumpen bekannt, die einen mit der Druckleitung verbundenen Pulsationsdämpfer aufweisen.
Dosierpumpen der Bauart DE 10 2008 055 611 besitzen zwei von dem zu fördernden Medium durchströmte Verdrängerräume, einen saugseitigen ersten Verdrängerraum, in den das Medium bei der vom Magneten bewirkten Kolbenbewegung eingesaugt wird, und einen zweiten druckseitigen Verdrängerraum, der bei der von der Rückstellfeder bewirkten Kolbenbewegung von dem ersten Verdrängerraum aus befüllt wird und bei der vom Magneten bewirkten Kolbenbewegung das Medium zur Druckseite hin ausstößt.
Während der vom Magneten bewirkten Kolbenbewegung bestimmt der zeitliche Druckverlauf im ersten Verdrängerraum erheblich das Saugverhalten der Pumpe, kommt es hier zu starken dynamischen Druckabsenkungen in diesem Verdrängerraum, so wirken sich diese Druckabsenkungen auf die Saugleitung aus, es kann zum Strömungsabriss und zur Blasenbildung, vor allem in dem Verdrängerraum selbst, kommen.
Während der von der Rückstellfeder bewirkten Kolbenbewegung bestimmt der zeitliche Druckverlauf im ersten Verdrängerraum das Füllverhalten des zweiten Verdrängerraums, kommt es hier zu starken Druckschwankungen im ersten Verdrängerraum, so wird der Förderstrom der Pumpe selbst bei geringen Veränderungen der Betriebsbedingungen stark beeinflusst.
Bei Dosierpumpen der Bauart DE 10 2007 059 237 gibt es nur einen von dem zu fördernden Medium durchströmten Verdrängerraum, daher treten die oben beschriebenen Probleme nicht auf. Allerdings bedingt diese Bauart deutlich höhere Herstellkosten wegen der größeren Zahl der Bauteile.
Dosierpumpen mit einem Pulsationsdämpfer entsprechend DE 102 27 659 , der mit der Druckleitung verbunden ist, können die oben beschriebenen Probleme auf der Saugseite nicht lösen.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, die Probleme, die durch die Druckschwankungen im ersten Verdrängerraum einer Dosierpumpe der Bauart DE 10 2008 055 611 auftreten, sicher zu vermeiden, ohne die Mehrkosten der Bauart DE 10 2007 059 237 aufzuwenden.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird der Aufbau der Dosierpumpe gemäß der Bauart DE 10 2008 055 611 gewählt, mit der Abwandlung, dass der erste Verdrängerraum in seinem zylindrischen Teil nach außen von einer Membran aus einem hochelastischen nichtmetallischen Werkstoff begrenzt wird, die durch geeignete, weiter unten näher beschriebene Maßnahmen in ihrer Wirkung auf die Anforderungen des Betriebs der Pumpe abgestimmt wird. Diese Abstimmung findet vor dem Einsatz der Pumpe in einer Anwendung statt, die Maßnahmen werden durch die konstruktive Detaillierung festgelegt und sind im Einsatz nicht mehr zu verändern. Die Membran muss folgende Anforderungen erfüllen:

– Der Verdrängerraum ist sicher nach außen abzudichten
– Die Druckkräfte müssen aufgenommen und an das umgebende Bauteil weitergeleitet werden
– Die Membran muss dem Verdrängerraum eine Nachgiebigkeit verleihen, die deutlich größer ist, als die Nachgiebigkeit, die sich aus der Kompressibilität des Mediums und der Elastizität eines metallischen Rohres ergibt. Dazu ist es erforderlich, die Membran hinsichtlich ihres Außendurchmessers und ihrer Dicke so zu bemessen, dass sie bei den üblicherweise im Betrieb vorliegenden mittleren Drücken noch nicht vollflächig an dem sie umgebenden Spulenkörper anliegt.
– Die Nachgiebigkeit des Verdrängerraums sollte durch einfache konstruktive Maßnahmen an die Erfordernisse der Anwendung anpassbar sein.

Zur Abdichtung ist die im Wesentlichen schlauchförmige Membran an ihren beiden Enden jeweils mit einem Wulst versehen, der im nicht eingebauten Zustand geringfügig dicker ist als der Einbauspalt. Im eingebauten Zustand wird dieser Wulst leicht verformt und dichtet dadurch ab.
Zur besseren Weiterleitung der radialen Kräfte auf den Spulenkörper, der die Membran umgibt, und zur Anpassung der Nachgiebigkeit des Verdrängerraums werden hier mehrere Alternativen vorgeschlagen, die alle eine Abstützung der Membran bewirken:

– Einbringung von Schaumelementen zwischen die Membran und den Spulenkörper
– Einbringung eines gerollten Federelements aus Federstahl zwischen die Membran und den Spulenkörper
– Ausführung des Spulenkörpers mir abstützenden Rippen, die in den Raum zwischen der Membran und dem zylindrischen Teil des Spulenkörpers ragen
– Ausführung der Membran mit abstützenden Noppen oder Rippen, die in den Raum zwischen dem schlauchförmigen Teil der Membran und dem Spulenkörper ragen.
– Erzeugen eines abstützenden Luftpolsters zwischen der Membran und dem Spulenkörper, wobei die eingeschlossene Luft über eine Drossel mit der Atmosphäre verbunden ist.

Alle diese Abstützvorrichtungen weisen den Vorteil auf, dass man mit geringfügigen geometrischen Änderungen die resultierende Nachgiebigkeit des Verdrängerraums erheblich beeinflussen kann. Damit lässt sich in einem weiten Bereich die Nachgiebigkeit auf die Erfordernisse der jeweiligen Anwendung anpassen. Die Abstützung hat auch den Vorteil, dass eine dünnere und damit elastischere Membran verwendet werden kann.
Für die Dosierpumpe wirkt sich die Anpassung der Nachgiebigkeit vorteilhaft aus, indem sich im ersten Verdrängerraum ein gleichmäßigerer Druck sowohl in der Saugphase als auch in der Phase des Umpumpens vom ersten Verdrängerraum zum zweiten Verdrängerraum ergibt.
Eine solche Dosierpumpe kann ihre Anwendung sowohl in Standheizungssystemen von Kraftfahrzeugen als auch in Abgasbehandlungssystemen von Verbrennungsmotoren finden. Eine besonders vorteilhafte Anwendung findet sich überall dort, wo ein gutes Ansaugverhalten und eine hohe Dosiergenauigkeit gefordert sind.
Beispielhafte Ausführung
Die Pumpe wird durch einen Magneten angetrieben, der aus einer Spule und einem Eisenkreis besteht. Dieser Eisenkreis enthält die Bauteile Polscheibe (9), Polkern (1), Anker, Joch (7) und Bügel (5). Polscheibe, Polkern, Joch und Bügel bilden den Stator des Magneten. Eine Distanzhülse (6) aus einem Material mit sehr geringer magnetischer Leitfähigkeit verbindet das Joch mit dem Polkern mechanisch, aber unterbricht den Magnetfluss für den Luftspalt (21).
Die Spule besteht aus einer Wicklung (29) und einem Spulenkörper (30).
In dem Polkern ist ein Gleitlager (8) eingebaut, in dem ein Anker gelagert ist. Der Anker besteht aus einer Ankerstange (12) und einem Ankerkolben (13).
Durch die Bewegung des Ankers wird in zwei Räumen Flüssigkeit verdrängt, der erste Verdrängerraum (14) ist bei der Lage des Ankers in der Arbeitsposition und während der Bewegung des Ankers mit der Saugleitung (15) verbunden. Bei der Lage des Ankers in der Ruheposition besteht keine Verbindung zwischen dem ersten Verdrängerraum und der Saugleitung.
Ein Strömungskanal (16) verbindet den ersten Verdrängerraum über das erste Ventil (17), das als hubgesteuertes Schlitzventil ausgeführt ist, mit dem zweiten Verdrängerraum (18).
Der zweite Verdrängerraum ist über ein von einer Feder (2) belastetes Kugelsitzventil (3 und 11) mit der Druckleitung (19) verbunden. Dem zweiten Verdrängerraum dient das Gleitlager (8) als Zylinder und die Ankerstange (12) als Verdrängerkolben.
Der Anker wird durch die Feder (20) in die Ruheposition gedrückt, und durch die Magnetkraft im Luftspalt (21) in die Arbeitsposition. Durch getaktetes Ein- und Ausschalten des elektrischen Stroms durch die Spule wird die Magnetkraft verändert, und der Anker bewegt sich zwischen der Ruheposition und der Arbeitsposition hin und her. Bei jeder Bewegung des Ankers von der Ruheposition in die Arbeitsposition wird Flüssigkeit aus der Saugleitung in den ersten Verdrängerraum eingesaugt und gleichzeitig Flüssigkeit aus dem zweiten Verdrängerraum in die Druckleitung verdrängt. Bei jeder Bewegung des Ankers von der Arbeitsposition in die Ruheposition wird Flüssigkeit vom ersten Verdrängerraum in den zweiten Verdrängerraum umgepumpt.
Zur Dämpfung der Druckpulsation im ersten Verdrängerraum ist dieser von einer schlauchförmigen Membran (22) abgeschlossen, die sich über die vollständige Länge des Verdrängerraums erstreckt. Der Werkstoff der Membran ist ein Elastomer. Diese Membran hat an beiden Enden jeweils eine Wulst, die im eingebauten Zustand durch die umgebenden Bauteile leicht verformt wird und damit die Abdichtung des Verdrängerraums vornimmt. Zur Erleichterung der Montage weisen die genannten Wülste unterschiedliche Durchmesser auf, und zwar derart, dass die eine Wulst den Schlauch nur nach innen, und die andere den Schlauch nur nach außen überragt.
Zwischen der Membran und der Spule befindet sich eine Luftkammer (23). Die Luft darin wird bei einer nach außen gerichteten Verformung der Membran komprimiert, bildet also ein Luftpolster, das die Membran abstützt. Die Luftkammer ist mit der Atmosphäre über eine Drossel (24) verbunden, durch die Größe dieser Drossel lässt sich die abstützende Wirkung des Luftpolsters verändern.
Alternative abstützende Wirkungen erreicht man, indem man in den Zwischenraum zwischen der Membran und der Spule Schaumelemente einbringt, oder den Spulenkörper mit Rippen versieht, oder die Membran mit Noppen versieht, oder die Membran mit einer gerollten Flachfeder umfasst. Alle diese abstützenden Maßnahmen gestatten es, durch geometrische Variation der Formelemente die Größe der abstützenden Wirkung zu verändern, im Falle der Rippen oder der Noppen wird die Anzahl der Formelemente oder ihre Form, im Fall der Feder die Dicke des Federblechs und im Fall der Schaumelemente die Dichte des Schaums verändert.
Bezugszeichenliste

1: Polkern
2: Druckfeder (des 2. Ventils)
3: Kugel (des 2. Ventils)
5: Bügel
6: Distanzhülse
7: Joch
8: Gleitlager
9: Polscheibe
11: Ventilsitz (des 2. Ventils)
12: Ankerstange
13: Ankerkolben
14: erster Verdrängerraum
15: Saugleitung
16: Strömungskanal
17: erstes Ventil
18: zweiter Verdrängerraum
19: Druckleitung
20: Feder
21: Luftspalt
22: Membran
23: Luftkammer
24: Drossel
29: Wicklung
30: Spulenkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008055611 [0002, 0005, 0010, 0011]
DE 102007059237 [0003, 0008, 0010]
DE 10227659 [0004, 0009]

Claims

Durch einen Magneten angetriebene und zum Fördern einer Flüssigkeit dienende Hubkolbenpumpe mit zwei Verdrängerräumen, die durch ein erstes Ventil miteinander verbunden sind, von denen der erste Verdrängerraum mit einer Saugleitung verbunden ist und der zweite Verdrängerraum durch ein zweites Ventil mit einer Druckleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste zylinderförmige Verdrängerraum in seiner ganzen oder überwiegenden Länge nach außen durch eine schlauchförmige Membran aus einem hochelastischen nichtmetallischen Werkstoff begrenzt ist, die ihrerseits von der Magnetspule der Hubkolbenpumpe mit einem Abstand umgeben ist. Die Membran ist hinsichtlich ihres Außendurchmessers, ihrer Dicke und ihrer Abstützung so bemessen, dass sie bei den üblicherweise vorliegenden mittleren Drücken in dem Verdrängerraum nicht vollflächig an der Magnetspule anliegt.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige elastische Membran zu der Magnetspule hin durch Formelemente des Spulenkörpers, zum Beispiel durch in den Zwischenraum ragende Rippen, abgestützt wird.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige elastische Membran zu der Magnetspule hin durch Formelemente der Membran, zum Beispiel durch in den Zwischenraum ragende Rippen oder Noppen, abgestützt wird.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige elastische Membran durch eine um die Membran gewickelte Flachfeder abgestützt wird.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige elastische Membran zu der Magnetspule hin durch ein im Zwischenraum befindliches Formstück oder mehrere Formstücke aus elastischem Schaumstoff abgestützt wird.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige elastische Membran zu der Magnetspule hin durch eingeschlossene Luft in einer Luftkammer abgestützt wird, wobei die zwischen der Membran und der Magnetspule befindliche Luftkammer allseitig abgedichtet und durch eine Drossel mit der Atmosphäre verbunden ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schlauchförmige elastische Membran an ihren beiden Enden wulstförmige Verdickungen aufweist, die so dimensioniert sind, dass sie im eingebauten Zustand der Membran eine radiale Verformung erfahren und damit eine Abdichtung des ersten Verdrängerraums nach außen gewährleisten.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die wulstförmigen Verdickungen der schlauchförmigen Membran derart unterschiedliche Durchmesser aufweisen, dass die eine Wulst den Schlauch nur nach innen und die andere Wulst den Schlauch nur nach außen überragt.