DE102011111938B3

DE102011111938B3 - Dosierpumpe

Info

Publication number: DE102011111938B3
Application number: DE201110111938
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau; Marc Leinweber; Markus Ermert; Mike Heck
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-08-16
Anticipated expiration: 2031-08-31

Abstract

Dosierpumpe (1) zur Zumessung und Förderung von Flüssigkeit, die einen elektromagnetischem Antrieb (2) und eine als Hubkolbenpumpe ausgeführte Verdrängereinheit (3) enthält, die ihrerseits aus einem Zylinder (5), einem Kolben (4), einem Einlassventil (17) und einem Rückschlagventil (9) besteht. Der den Kolben (4) umfassende Zylinder (5) ist im Konus (6) des elektromagnetischen Antriebs auf der dem Anker (7) zugewandten Seite radial formschlüssig und auf der vom Anker abgewandten Seite radial formschlüssig und einseitig axial kraftschlüssig gelagert. Der axiale Kraftschluss wird durch ein federndes Bauteil (16) bewirkt und im Kraftfluss der axialen Lagerung zwischen dem Zylinder (5) und dem federnden Bauteil (16) liegt mindestens ein Bauteil (8), das auch die Funktion eines mechanischen Anschlags für den Kolben (4) erfüllt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Dosierpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des ersten Patentanspruchs.
Dosierpumpen, die als Hubkolbenpumpen mit elektromagnetischem Antrieb ausgeführt sind, sind zum Beispiel aus der Patentschrift DE 3934494 A1 bekannt. Solche Pumpen werden zyklisch mit elektrischen Energiepulsen beaufschlagt, in den Magneten werden Wechselkräfte erzeugt, die auf den Magnetanker wirken, der Magnetanker treibt den Pumpenkolben an.
Da der Magnetanker einer solchen Dosierpumpe sich zwischen zwei Anschlägen hin- und herbewegt, erzeugen solche Dosierpumpen Geräusche, die in vielen Anwendungen unerwünscht sind. Andererseits muss aber der Anker bei seiner Bewegung vorn und hinten anschlagen, wenn eine hohe Dosiergenauigkeit erwartet wird.
In Abhängigkeit von den verwendeten Werkstoffen der betroffenen Bauteile, den verwendeten Fluiden und von dem Bewegungsablauf können die Belastungen nach mittleren oder langen Betriebszeiten zum Oberflächenverschleiß an den Bauteilen führen. Insbesondere bei der Förderung von niedrigviskosen Flüssigkeiten wurde solcher Verschleiß beobachtet.
Diverse Maßnahmen zur Bedämpfung der Anschlagsereignisse sind bekannt, zum Beispiel Eingriffe in die elektrische Ansteuerung aus der DE 10047045 B4 und der DE 10127996 A1 und Dämpfungsmaßnahmen am Anschlag aus der DE 102008055609 A1 und der DE 60 2004 001 547 T2 .
Eingriffe in die elektrische Ansteuerung sind in vielen Anwendungen unerwünscht, weil zum Beispiel in Fahrzeugen solche Ansteuerungen nicht in der Verantwortung des Herstellers der Dosierpumpen liegen.
Die bisher bekannten Dämpfungsmaßnahmen, die in die Ausführung des Anschlags eingreifen, haben entweder eine unzureichende Wirkung, sind zu aufwändig oder sie vermindern die Lebensdauer der Dosierpumpe beim Einsatz mit aggressiven Medien.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, den Konflikt zwischen guter Dämpfungswirkung einerseits und guter Medienbeständigkeit in Verbindung mit niedrigen Herstellkosten andererseits zu lösen.
Die Lösung dieses Konflikts erfolgt durch die Anwendung der charakteristischen Merkmale des ersten Patentanspruchs, in Verbindung mit Merkmalen der Unteransprüche, die auch die Erfindung weiter ausführen.
Die erfindungsgemäße Dosierpumpe besteht aus einem Elektromagneten, der seinerseits aus einem Stator und einem Anker aufgebaut ist, und einer fluidischen Verdrängereinheit, aufgebaut aus einem Zylinder, einem Kolben und zwei Ventilen. Der Anker des Elektromagneten ist fest mit dem Kolben der Verdrängereinheit verbunden und beide Bauteile bewegen sich infolge der pulsierenden Magnetkräfte zwischen einem vorderen und einem hinteren Anschlag. Das Anschlagen ist einerseits vorteilhaft, denn es führt zu einer hohen Dosiergenauigkeit der Dosierpumpe, und andererseits nachteilig, denn es erzeugt Geräusche und stoßartige Belastungen der aufeinanderschlagenden Bauteile.
Gemäß dem Stand der Technik werden die Bauteile, die den Kraftfluss oder den Formschluss bestimmen, der die beim Aufschlag beteiligten Bauteile in ihrer Lage hält, entweder aus Stahl oder Bronze hergestellt. Dadurch wird der beim Aufschlag erzeugte Körperschall bei geringer Dämpfung weitergeleitet und reflektiert.
Um die Weiterleitung des Körperschalls zu behindern, wird gemäß dieser Erfindung der Zylinder der Verdrängereinheit so gelagert, dass die axialen Lagerkräfte vorrangig durch ein Bauteil aus einem Material geringer Dichte geleitet werden. Dazu wird der Zylinder an seinem dem Anker zugewandten Ende nur radial im Konusbauteil des Elektromagneten gelagert und an seinem vom Anker abgewandten Ende radial im Konus gelagert und axial zwischen dem Konusbauteil und dem oben genannten Bauteil verspannt, das zum Beispiel aus Kunststoff oder Leichtmetall hergestellt ist. Die axiale Verspannung wird durch eine Feder bewirkt, die entweder als metallische Spiralfeder oder als Elastomerfeder ausgeführt ist und sich einerseits an dem oben genannten Bauteil und andererseits an dem Deckel abstützt, der die Dosierpumpe auslassseitig abschließt. Die Weiterleitung des Körperschalls wird durch die Übergänge von einem Bauteil auf das andere und die Dichteunterschiede behindert.
Das oben genannte, die Axialkraft übertragende Bauteil dient auch als Anschlag für den Kolben am Ende der Verdrängungsphase. Da das gewählte Material des Bauteils geringerer Dichte auch einen deutlich geringeren Elastizitätsmodul als Stahl aufweist, wird beim Aufschlag weniger Körperschall erzeugt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Bedämpfung des Anschlaggeräuschs dadurch verstärkt, dass das oben genannte Bauteil nicht nur aus einem Material geringer Dichte hergestellt wird, sondern zusätzlich mit einem verschleißfesten Elastomer ummantelt wird. Dazu muss für das Bauteil entweder ein Kunststoff ausgewählt werden, der eine festhaftende Ummantelung mit einem Elastomer ermöglicht, oder es muss ein Leichtmetall gewählt werden, das ein Vulkanisieren oder Kleben des Elastomers an das Leichmetallbauteil erlaubt.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nimmt das oben genannte Bauteil zusätzlich die Funktion des Ventilsitzes für das Rückschlagventil wahr, das den Auslass des Fluids aus der Verdrängereinheit steuert. Für diesen Fall hat eine Elastomerbeschichtung des Bauteils den weiteren Vorteil, die Dichtwirkung des Rückschlagventils zu verbessern.
Die von der oben genannten Feder erzeugte Axialkraft wird von dem Deckel auf das Gehäuse der Dosierpumpe, von dort über einen zweiten Federkörper auf das Joch des Elektromagneten und über einen Distanzring zurück auf das Konusbauteil geleitet. Das Gehäuse ist ein Verbundbauteil aus Stahl und Kunststoff. Der zweite Federkörper besteht vorzugsweise aus einem elastomeren Material, muss aber radial für Fluide durchlässig sein, damit die Dichtigkeit der Abdichtung geprüft werden kann, die in der stromlosen Ruhelage des Magnetankers die Einlassleitung gegen den Saugraum der Dosierpumpe dichtet. Alternativ kann der zweite Federkörper durch eine Spiralfeder oder eine Tellerfeder aus Metall ersetzt werden.
Wenn das Fluid im Saugraum der Pumpe einfriert und sich infolgedessen ausdehnt, dringt es durch Durchbrüche im Distanzring zwischen Konus und Joch in den Ausgleichsraum und verformt die Membran elastisch. Dieses Merkmal wurde bereits in der Patentanmeldung DE 102010019821 beschrieben. Nach dem Auftauen des Fluids stellt sich die Membran zurück und verdrängt das Fluid zurück in den Saugraum der Pumpe. Diese Zurückstellung wird, soweit erforderlich, durch Rippen in der Membran, Federn oder Schaumstoffkörper außerhalb der Membran verstärkt. Einfrierendes Fluid auf der Rückseite des Ankers, das den Spalt zwischen dem Anker und dem Joch nicht mehr passieren kann, drückt das Joch gegen den Federkörper in die Richtung des Sauganschlusses. Nach dem Auftauen des Fluids drückt der Federkörper das Joch wieder in die Ausgangslage.
Entsprechend kann beim Einfrieren des Fluids in der Verdrängereinheit das sich ausdehnende Fluid das Bauteil, das sowohl den Anschlag des Kolbens als auch den Ventilsitz des Rückschlagventils darstellt, gegen den Widerstand der Feder verschieben, und die Feder drückt das Bauteil nach dem Auftauen wieder in die Ausgangslage.
Die hier beschriebene Dosierpumpe findet ihre mögliche Anwendung vor allem in Fahrzeugen. In deren Anlagen zur Abgasreinigung wird wässrige Harnstofflösung gefördert und dosiert. Auch in kraftstoffbetriebenen Fahrzeugheizungen können Dosierpumpen der beschriebenen Art verwendet werden.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer erfindungsgemäßen Dosierpumpe 1. Sie weist einen elektromagnetischen Antrieb 2 und eine fluidische Verdrängereinheit 3 auf. Der Elektromagnetische Antrieb besteht aus dem Anker 7 und einem Stator, der seinerseits aus dem Konus 6, dem Gehäuse 15, der Jochscheibe 12, dem Joch 14 und der Spule 18 besteht. Die fluidische Verdrängereinheit besteht aus dem Zylinder 5, dem Kolben 4, dem Rückschlagventil 9 und dem Einlassventil 17.
Der Anker 7 und der Kolben 4 sind fest miteinander verbunden und bewegen sich unter dem Einfluss der Wechselkräfte des elektromagnetischen Antriebs zwischen dem hinteren Anschlag 19 und dem vorderen Anschlag 20.
Im vorderen Anschlag schlägt der Kolben 4 auf das Bauteil 8 auf, im hinteren Anschlag schlägt die stangenförmige Verlängerung des Kolbens 4 über die Dichtringe 21 auf dem Joch 14 auf.
Der Zylinder 5 ist in dem Konus 6 gelagert. Dabei ist der Zylinder ankerseitig nur radial formschlüssig im Konus gelagert und auf der vom Anker abgewandten Seite radial formschlüssig und einseitig axial kraftschlüssig im Konus 6 gelagert. Die wegen der einseitigen kraftschlüssigen axialen Lagerung notwendige axiale Spannkraft wird von der Feder 16 aufgebracht, die über das Bauteil 8 den Zylinder 5 gegen den Konus 6 drückt.
Das Bauteil 8 hat drei Funktionen: Es überträgt die Axialkraft der Feder 16 auf den Zylinder 5, es dient als vorderer Anschlag 20 für die aus Kolben 4 und Anker 7 bestehende bewegliche Baugruppe und es dient als Ventilsitz für das Rückschlagventil 9.
Das Bauteil 8 besteht aus einem Material mit erheblich geringerer Dichte und mit geringerem Elastizitätsmodul als Stahl oder Bronze, zum Beispiel aus Kunststoff oder aus Leichtmetall.
Zur weiteren Bedämpfung ist das Bauteil 8 mit einem Elastomer ummantelt. Die Feder 16 ist hier als Spiralfeder ausgebildet, es sind aber auch Ausführungen als Tellerfedergruppe oder als Elastomerfeder möglich. Die Feder stützt sich einerseits an dem Bauteil 8 und andererseits an dem Deckel 10 ab. Der Deckel 10 ist mit dem Gehäuse 15 verbunden, das wiederum über den Federkörper 13, das Joch 14, den Distanzring 11, den Konus 6 und den Zylinder 5 den Kraftschluss schließt.
Der Federkörper 13 ist beispielsweise als Elastomerfeder ausgebildet, er kann aber bei gleicher Funktion auch als Spiralfeder oder als Tellerfedergruppe ausgebildet sein. In jeder Ausführung ist der Federkörper 13 für Fluide durchlässig gestaltet.
Der Distanzring 11 ist für Fluide durchlässig gestaltet, das Fluid kann ohne nennenswerten Widerstand vom Saugraum der Dosierpumpe in den Ausgleichsraum 22 fließen, der von der Membran 23 elastisch begrenzt wird.
Bezugszeichenliste

1: Dosierpumpe
2: Elektromagnetischer Antrieb
3: Verdrängereinheit
4: Kolben
5: Zylinder
6: Konus
7: Anker
8: Bauteil
9: Rückschlagventil
10: Deckel
11: Distanzring
12: Jochscheibe
13: Federkörper
14: Joch
15: Gehäuse
16: Feder
17: Einlassventil
18: Spule
19: hinterer Anschlag
20: vorderer Anschlag
21: Dichtring
22: Ausgleichsraum
23: Membran
24: Sauganschluss
25: Druckanschluss

Claims

Zur Zumessung und Förderung von Flüssigkeit einzusetzende Dosierpumpe (1), die einen elektromagnetischem Antrieb (2) und eine als Hubkolbenpumpe ausgeführte Verdrängereinheit (3) enthält, die ihrerseits aus einem Zylinder (5), einem Kolben (4), einem Einlassventil (17) und einem Rückschlagventil (9) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass der den Kolben (4) umgreifende Zylinder (5) in einem Konus (6) des elektromagnetischen Antriebs auf einer einem Anker (7) zugewandten Seite radial formschlüssig und auf der vom Anker abgewandten Seite radial formschlüssig und einseitig axial kraftschlüssig gelagert ist und der axiale Kraftschluss durch ein federndes Bauteil (16) bewirkt wird und im Kraftfluss der axialen Lagerung zwischen dem Zylinder (5) und dem federnden Bauteil (16) mindestens ein Bauteil (8) liegt, das auch die Funktion eines mechanischen Anschlags für den Kolben (4) erfüllt und das aus einem Material geringerer Dichte besteht als der Kolben (4).
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (8) aus Kunststoff besteht.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (8) aus Leichtmetall besteht.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (8) elastomerummantelt ist.
Dosierpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (8) auch die Funktion des Ventilsitzes für das Rückschlagventil (9) erfüllt.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Kraftschluss durch eine Feder (16) bewirkt wird, die zwischen einem Deckel (10) und dem Bauteil (8) eingespannt ist und als metallische Spiralfeder ausgeführt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der axiale Kraftschluss durch eine Feder (16) aus Elastomer bewirkt wird, die zwischen einem Deckel (10) und dem Bauteil (8) eingespannt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftfluss zur Einspannung des federnden Bauteils (16) über das Bauteil (8), den Zylinder (5), den Konus (6), einen Distanzring (11), ein Joch (14), einen Federkörper (13), ein Gehäuse (15) und den Deckel (10) geführt wird.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 und 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Federkörper (13) für Fluide durchlässig ausgeführt ist.
Dosierpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (15) aus einem Verbund von zwei Werkstoffen besteht, vorzugsweise ist einer dieser Werkstoffe Eisen mit eng spezifizierten magnetischen Eigenschaften und der andere ein durch Spritzen bei erhöhter Temperatur verarbeitbarer Kunststoff.