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Die vorliegende Erfindung betrifft eine durch einen Magneten angetriebene und zum Fördern einer Flüssigkeit dienende Hubkolbenpumpe.
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Dosierpumpen zur Förderung und präzisen Dosierung von Treibstoff für Standheizungsanlagen sind bekannt, z. B. aus der
DE 10 2008 055 611 A1 . Dieses Dokument zeigt eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe, umfassend ein Gehäuse, einen Spulenkörper mit einer Spule, einen einen Einlasskanal aufweisenden ersten Kernflansch, einen einen Auslasskanal aufweisenden zweiten Kernflansch, ein in dem zweiten Kernflansch angeordnetes Auslassventil, einen in dem zweiten Kernflansch an dem Auslassventil anliegenden Dosierzylinder und einen beweglich geführten Anker, an dem eine in den Dosierzylinder geführte Kolbenstange angeschlossen ist. Zwischen dem ersten Kernflansch und dem zweiten Kernflansch ist ein erster Verdrängerraum ausgebildet, in dem ein magnetisierbarer Teil des Ankers angeordnet ist. Ein zweiter Verdrängerraum wird zwischen dem Anker und dem Auslassventil bei einer Bewegung des Ankers in Richtung des ersten Kernflansches gebildet, wobei radiale Bohrungen in dem Dosierzylinder in den zweiten Verdrängerraum münden. Die Kolbenstange definiert mit den radialen Bohrungen ein erstes Ventil, das den ersten Verdrängerraum und den zweiten Verdrängerraum verbindet. Der Anker ist durch eine an dem ersten Kernflansch abgestützte Feder in Richtung auf den zweiten Kernflansch und damit in Förderrichtung vorgespannt, wobei der Anker bei einer Bestromung der Spule entgegen der Vorspannung der Feder in Richtung auf den ersten Kernflansch durch eine magnetische Kraft bewegbar ist. Der erste Förderraum wird in radialer Richtung von dem Spulenkörper begrenzt. Ebenfalls bekannt sind Dosierpumpen zur Förderung und Dosierung von wässrigen Harnstofflösungen für SCR-Anlagen, z. B.
DE 10 2007 059 237 B3 . Diese zeigt eine Hubkolbenpumpe zum Fördern einer Flüssigkeit, mit einem Gehäuse, in dem eine Spule mit einem Spulenkörper aufgenommen ist, die einen Arbeitsraum radial umschließt. In dem Arbeitsraum ist ein Joch angeordnet, das mittels einer Jochscheibe an dem Gehäuse fixiert ist. Das Joch weist eine zentrale Ausnehmung auf, in der eine Feder aufgenommen ist, die sich einenends an dem Joch und anderenends an einem in dem Arbeitsraum angeordneten Ankerkolben abstützt, wobei der Ankerkolben in einer Gleithülse axial verschieblich geführt ist. Der Ankerkolben weist auf einer der Feder abgewandten Seite eine Nut auf, in der ein Einlegeteil zur Fixierung einer ersten Membran aufgenommen ist. Die erste Membran begrenzt einen Verdrängerraum gegenüber dem Arbeitsraum, wobei der Verdrängerraum auf eine dem Ankerkolben gegenüberliegenden Seite durch einen Pumpenkopf begrenzt ist. Die erste Membran ist hier mittels einer äußeren Wulst zwischen einem Abschnitt des Gehäuses und dem Pumpenkopf klemmend fixiert. Der Pumpenkopf weist ein erstes Rückschlagventil und ein zweites Rückschlagventil mit entgegengesetzen Öffnungsrichtungen auf, die fluidisch mit dem Verdrängerraum verbunden sind. Das erste Rückschlagventil mündet in einem in dem Pumpenkopf ausgebildeten Einlasskanal und das zweite Rückschlagventil in einem ebenfalls in dem Pumpenkopf ausgebildeten Auslasskanal. Bei einer Bestromung der Spule entsteht eine Magnetkraft, die den Ankerkolben entgegen der Federkraft der Feder verlagert, wobei sich das Volumen des Verdrängerraums aufgrund einer Verformung der ersten Membran vergrößert. Dabei entsteht ein Unterdruck in dem Verdrängerraum, wodurch das erste Rückschlagventil öffnet und Flüssigkeit durch den Einlasskanal und das erste Rückschlagventil in der Verdrängerraum tritt. Bei Entregung der Spule verlagern sich der Ankerkolben und die erste Membran infolge der Federkraft wieder in ihre Ausgangsposition, wobei die Flüssigkeit aus dem Verdrängerraum durch das geöffnete zweite Rückschlagventil und den Auslasskanal ausgestoßen wird. Der Ankerkolben und das Joch weisen eine durchgehende axiale Bohrung auf, die den Arbeitsraum mit einem Aufnahmeraum einer zweiten Membran verbindet. Die zweite Membran grenzt an einer dem Joch gegenüberliegenden Seite an einen Gehäusedeckel mit Bohrungen, die einen Luftaustausch mit der Umgebung gewährleisten. Im Betrieb der Pumpe auftretende Druckschwankungen des Arbeitsraums werden durch die Verbindung mit dem Aufnahmeraum mittels der Bohrung durch eine Verformung der zweiten Membran kompensiert.
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Ferner sind zum Beispiel durch die
DE 102 27 659 A1 Dosierpumpen bekannt, die einen mit der Druckleitung verbundenen Pulsationsdämpfer aufweisen. Dieses Dokument zeigt eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe, umfassend ein Gehäuse mit einem Auslasskanal und einem in das Gehäuse eingesetzten Einlasssutzen, wobei in dem Gehäuse eine Spule angeordnet ist. Das Gehäuse und ein in dem Gehäuse angeordneter Ventilsitz begrenzen gemeinsam einen Verdrängerraum, in dem ein Hubkolben durch eine Feder vorgespannt ist. In dem Auslasskanal ist eine radial abgehende Bohrung vorgesehen, welche Bohrung in eine Kammer mündet, wobei die Kammer von der Bohrung durch eine schlauchförmig Membran fluiddicht getrennt ist. Die Membran weist in einem Ausführungsbeispiel eine Vielzahl an wellenförmigen Faltungen auf.
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Dosierpumpen der Bauart
DE 10 2008 055 611 A1 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.
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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.
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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.
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Bei Dosierpumpen der Bauart
DE 10 2007 059 237 B3 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.
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Dosierpumpen mit einem Pulsationsdämpfer entsprechend
DE 102 27 659 A1 , der mit der Druckleitung verbunden ist, können die oben beschriebenen Probleme auf der Saugseite nicht lösen.
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DE 10 2005 015 116 A1 zeigt in einem ersten Ausführungsbeispiel eine elektromagnetische Hubkolbenpumpe, umfassend ein Gehäuse mit einem ersten Kernflansch und einem zweiten Kernflansch, wobei in dem Gehäuse eine Spule auf einem Spulenkörper angeordnet ist. Der erste Kernflansch, der zweite Kernflansch und der Spulenkörper begrenzen gemeinsam einen ersten Verdrängerraum, in dem ein als Hubkolben ausgebildeter Anker durch eine Feder in Richtung des zweiten Kernflansches vorgespannt ist, welcher Hubkolben durch eine bei Erregung der Spule entstehende Magnetkraft entgegen der Vorspannung der Feder in Richtung auf den ersten Kernflansch ausgelenkt wird. In dem zweiten Kernflansch ist ein Auslasskanal vorgesehen, wobei ein Bereich vor einer Mündung des Auslasskanals einen zweiten Verdrängerraum definiert, da der Hubkolben das zu fördernde Fluid in den Auslasskanal pumpt. Die von dem Hubkolben schließbare Mündung bildet ein zweites Ventil, wobei das zweite Ventil dem zweiten Verdrängerraum nachgeordnet ist. Von dem Auslasskanal zweigt radial eine Bohrung ab, welche Bohrung in eine Kammer mündet, wobei die Kammer von der Bohrung durch ein Dämpfungselement in Form einer Membran fluiddicht getrennt ist. Bei einem Überdruck in dem Auslasskanal kann Fluid durch die Bohrung die Membran in die Kammer drücken und so einen Druckausgleich erzielen. In einem zweiten Ausführungsbeispiel sind Heizelemente vorgesehen, die Tiefsttemperaturen in der Hubkolbenpumpe vorbeugen und so ein Einfrieren der Pumpe verhindern.
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US 4 759 387 A zeigt eine Pulsationsdämpfanordnung, umfassend ein eingangs- und ausgangsseitig mit jeweils einem Gewinde versehenes Durchflussrohr, wobei das Durchflussrohr an den nach innen weisenden Ausläufen der Gewinde jeweils eine ringförmig verlaufende Nut aufweist, in welchen Nuten eine eine Innenseite des Rohrs bedeckende schlauchförmige Membran an Verdickungen gehalten ist. In die Gewinde ist jeweils ein Aufsatz geschraubt, wobei die Aufsätze mit ihrem nach innen weisenden Ende die Nuten beabstandet überdecken, so dass die Verdickungen beidseitig beaufschlagt und festgehalten sind. Die beiden Aufsätze weisen ferner eine zylindrische Innenstufung, in die eine gelöcherte Metallstange eingelassen ist. Die gelöcherte Metallstange ist von einem dehnbaren Metallband umwickelt, wobei die Metallstange und die Membran in einem Zwischenraum eine ausdehnbare Druckkammer bilden.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Hubkolbenpumpe anzugeben, die Probleme, die durch die Druckschwankungen im ersten Verdrängerraum auftreten, sicher zu vermeiden, ohne hierbei signifikante Mehrkosten aufzuwenden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hubkolbenpumpe mit den im unabhängigen Anspruch definierten Merkmalen gelöst.
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Hiebei wird ein Aufbau der Dosierpumpe gemäß der Bauart
DE 10 2008 055 611 A1 gewählt, wobei der erste zylinderförmige Verdrängerraum in seiner ganzen oder überwiegenden Länge nach außen von einer schlauchförmigen Membran aus einem hochelastischen nichtmetallischen Werkstoff begrenzt wird, die ihrerseits von der Magnetspule der Hubkolbenpumpe mit einem Abstand umgeben ist, wobei die Membran hinsichtlich ihres Außendurchmessers, ihrer Dicke und ihrer Abstützung so bemessen ist, dass sie bei den üblicherweise vorliegenden mittleren Drücken in dem ersten Verdrängerraum nicht vollflächig an der Magnetspule anliegt und wobei der Polkern und das Joch durch eine Distanzhülse mechanisch miteinander verbunden sind. Die Membran wird durch geeignete, weiter unten näher beschriebene Maßnahmen in ihrer Wirkung auf die Anforderungen des Betriebs der Pumpe abgestimmt. 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Hubkolbenpumpe.
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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).
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Die Spule besteht aus einer Wicklung (29) und einem Spulenkörper (30).
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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).
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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.
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Ein Strömungskanal (16) verbindet den ersten Verdrängerraum über das erste Ventil (17), das als hubgesteuertes Schlitzventil ausgeführt ist, mit dem zweiten Verdrängerraum (18).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
