DE102012004735B4

DE102012004735B4 - Hubkolbenpumpe mit elektromagnetischen Antrieb, mit Lagerung des Ankers auf einer Stange und einer Ventilanordnung bestehend aus einer hubabhängigen Schlitzsteuerung

Info

Publication number: DE102012004735B4
Application number: DE102012004735.5A
Authority: DE
Inventors: Markus Ermert; Jürgen Schonlau; Marc Leinweber; Rolf Bender
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-03-08
Publication date: 2016-10-13
Anticipated expiration: 2032-03-09
Also published as: DE102012004735A1

Abstract

Hubkolbenpumpe (1) mit elektromagnetischen Antrieb, mit einem beweglichen Anker (7), mit zwei Verdrängungsräumen (10) und (11), wobei sich das Volumen der Verdrängerräume (10) und (11) verändert, wenn der Anker (7) sich unter der Wirkung der Magnetkraft und der Kraft der Rückstellfeder (9) bewegt, mit einer Ventilanordnung zur Verbindung des ersten Verdrängerraums (10) mit dem zweiten Verdrängerraum (11) und entweder mit einem Rückschlagventil (27) zur Verbindung des Einlasses (18) mit dem ersten Verdrängerraum oder mit einem Rückschlagventil (12) zur Verbindung des zweiten Verdrängerraums (11) mit dem Auslass (17) dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Anker (7) mit einem Teil seiner Länge auf einer feststehenden Stange (15) axial beweglich und zur Stange dynamisch abdichtend gelagert ist, wobei die mit einem Teil ihrer Länge der Lagerung dienende Bohrung im Anker (7) durch einen Stopfen (22) einseitig bedingt verschlossen ist und wobei die Ventilanordnung zur Verbindung des ersten Verdrängerraums (10) mit dem zweiten Verdrängerraum (11) eine hubabhängigen Schlitzsteuerung (19) enthält, die aus der Bohrung (13) im Anker (7) und der Stirnfläche (21) der Stange (15) gebildet ist und wobei ein Distanzring (16) zwischen einem Konus (4) und einem Joch (3) Durchbrüche aufweist, durch die Fluid aus dem ersten Verdrängerraum (10) in eine Dämpfungskammer (25) übertreten kann, wobei die Dämpfungskammer (25) durch den Konus (4), das Joch (3), den Distanzring (16) und eine schlauchförmige elastische Membran (26) begrenzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe nach dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. Die Hubkolbenpumpe dient dazu, Fluid in geringen Mengen zu fördern und mit hoher Genauigkeit zu dosieren. Hubkolbenpumpen zum Fördern und Dosieren sind als solche bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 42 05 290 A1 . Bei Dosierpumpen bekannter Bauart, zum Beispiel bei einer Dosierpumpe gemäß DE 10 2008 055 609 A1 ist der Magnetanker des Elektromagneten, der die Hubkolbenpumpe antreibt, mittels einer Ankerstange gelagert, die gleichzeitig die Funktion des Verdrängungskolbens übernimmt. Die Querkräfte auf den Anker bewirken ein recht großes Kippmoment, das von der Lagerung der Ankerstange aufgenommen werden muss. Von Hydraulikventilen ist die Lagerung eines Magnetankers auf einer feststehenden Stange bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 2613664 A1 . Die Druckschriften DE 44 37 670 C1 , JP 57 102 583 A , DE 17 30 929 U und DE 16 53 553 C3 zeigen Hubkolbenpumpen mit einer Lagerung eines Magnetankers auf einer feststehenden Stange. Die Dosierpumpe gemäß DE 10 2008 055 609 A1 weist eine Schlitzsteuerung auf und die Druckschrift US 1 925 934 A zeigt eine Hubkolbenpumpe mit einer Lagerung eines Magnetankers auf einer feststehenden Stange und eine Schlitzsteuerung.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, eine kostengünstige und für die Großserienfertigung geeignete Hubkolbenpumpe mit einer Ankerlagerung ohne das von den Dosierpumpen gemäß der Druckschrift DE 42 05 290 A1 her bekannte Kippmoment zu beschreiben und dieser Hubkolbenpumpe ein gutes Ansaugverhalten, eine hohe Dosiergenauigkeit und geringes Geräusch zu verschaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs, die weiteren Patentansprüche führen die Lösung näher aus.
Die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe weist einen elektromagnetischen Antrieb auf, mit einem beweglichen Anker. Sie enthält zwei Verdrängungsräume, mit einer Ventilanordnung zur Verbindung des ersten Verdrängerraums mit dem zweiten Verdrängerraum und entweder mit einem Rückschlagventil zur Verbindung des Einlasses mit dem ersten Verdrängerraum oder einem Rückschlagventil zur Verbindung des zweiten Verdrängerraums mit dem Auslass. Die Ventilanordnung zwischen den beiden Verdrängerräumen enthält immer eine hubabhängige Schlitzsteuerung, optional zusätzlich ein Rückschlagventil, wenn ein besonders geringer Durchflusswiderstand gefordert ist. Die hubabhängige Schlitzsteuerung besteht aus einer Bohrung im Anker und der Stirnfläche der Stange.
Der Anker ist auf einer feststehenden Stange gelagert und bewegt sich relativ zu ihr unter der Wirkung der Magnetkraft und der Kraft der Rückstellfeder, wobei sich das Volumen der Verdrängerräume verändert, weil der Anker zu der Stange dynamisch abgedichtet ist. Die Stange ist in dem unten beschriebenen Beispiel im Joch des Magneten festgelegt, sie kann aber auch in einem anderen feststehenden Bauteil der Hubkolbenpumpe festgelegt sein, ohne dass dies eine neue technische Lehre begründet.
Die der Lagerung dienende Bohrung im Anker ist einseitig mit einem Stopfen versehen, der erforderlichenfalls ein Rückschlagventil enthält. Der dadurch abgetrennte zweite Verdrängerraum wird von einem Teil der Bohrung im Anker, von dem Stopfen und der Stange begrenzt.
Die Kraft des Elektromagneten zieht den Anker in den Konus, wobei der saugseitig angeordnete erste Verdrängerraum verkleinert und der zweite Verdrängerraum vergrößert wird. Dabei wird Fluid gegebenenfalls durch das Rückschlagventil im Stopfen und gegebenenfalls nach dem Öffnen der Schlitzsteuerung über diese vom ersten in den zweiten Verdrängerraum verdrängt, wobei entweder das saugseitige Rückschlagventil oder das auslassseitige Rückschlagventil schließt und eine Rückströmung des Fluids verhindert.
Wenn ein auslassseitiges Rückschlagventil vorgesehen ist, ist es im Inneren der Stange angeordnet und besteht aus einem Ventilsitz, einer Kugel und einer Feder.
Die Kraft der Rückstellfeder schiebt nach dem Ausschalten des Elektromagneten den Anker in seine Ausgangslage zurück. Dabei wird der erste Verdrängerraum vergrößert und Fluid aus dem Einlass angesaugt. Gleichzeitig wird der zweite Verdrängerraum verkleinert und Fluid in den Auslass verdrängt, wobei entweder das saugseitige Rückschlagventil oder das auslassseitige Rückschlagventil öffnet.
Vorteilhafterweise besteht die Stange aus einem besonders verschleißfesten Material mit besonders geringer magnetischer Leitfähigkeit. Die magnetische Leitfähigkeit muss gering sein, damit kein magnetischer Kurzschluss entsteht, auf dem der magnetische Fluss den Arbeitsluftspalt umgehen kann.
Alternativ besteht die Stange aus einem Material mit besonders geringer magnetischer Leitfähigkeit und weist eine reibungs- und verschleißmindernde Beschichtung auf.
Zur Geräuschminderung wird am Ende des ersten Arbeitstaktes, in dem Fluid einerseits angesaugt und andererseits in den Auslass verdrängt wird, die Bewegung des Ankers durch die Verdrängung des Fluids aus einer Ringkammer des Jochs und durch die Verformung der Elastomerschicht auf einem den Anker abschließenden Stopfen abgebremst. Die Stange schlägt am Ende des hier zu betrachtenden Arbeitstakts gegen die Elastomerschicht auf diesem Stopfen an.
Ebenfalls zur Geräuschminderung wird am Ende des zweiten Arbeitstaktes, in dem Fluid von dem ersten Verdrängerraum in den zweiten Verdrängerraum verdrängt wird, die Bewegung des Ankers durch die Verdrängung des Fluids aus der Ringkammer abgebremst, die aus der Stirnfläche des Ankers, der größeren inneren Zylinderfläche des Konus und der innenliegenden Stirnfläche des Konus gebildet wird.
Zur Dämpfung der Druckschwankungen in dem ersten Verdrängerraum und zur Verbesserung des Ansaugverhaltens der Pumpe und der Füllung des zweiten Verdrängerraums im zweiten Arbeitstakt weist der Distanzring zwischen dem Konus und dem Joch Durchbrüche auf, durch die Fluid aus dem ersten Verdrängerraum in eine Dämpfungskammer übertreten kann. Die Dämpfungskammer ist durch den Konus, das Joch, den Distanzring und eine schlauchförmige hochelastische Membran begrenzt. Die Elastizität der Membran ist auf die Druckschwankungen in dem ersten Verdrängerraum abgestimmt.
Die beschriebenen Hubkolbenpumpen weisen im Vergleich zu bekannten Hubkolbenpumpen vor allem den Vorteil auf, über eine Lagerung des Ankers zu verfügen, die wegen der geringen Kippmomente aus den auf den Anker wirkenden Querkräften sehr geringe Lagerkräfte in der Ankerlagerung bewirkt. Die geringen Lagerkräfte ergeben größere Freiheit für die Materialauswahl der Lagerungspartner oder eine erheblich längere Lebensdauer. Daneben weisen die beschriebenen Hubkolbenpumpen geringe Anschlaggeräusche auf, und zeichnen sich durch eine hohe Dosiergenauigkeit wegen der hubabhängigen Schlitzsteuerung und der guten Füllung des zweiten Verdrängerraums aus, die durch die Ventilanordnung zwischen den Verdrängerräumen und den an den ersten Verdrängerraum angeschlossenen Dämpfer bewirkt wird. Die Dämpfung der Druckschwankungen und die gute Füllung bewirken auch ein gutes Ansaugverhalten der Pumpe.
Die beschriebenen Hubkolbenpumpen finden Anwendung in Heizungsanlagen und Abgasreinigungsanlagen von Fahrzeugen zur Förderung und Dosierung von Kraftstoffen, Additiven und flüssigen Reaktionsmitteln.
Bilder:
1 zeigt die Hubkolbenpumpe mit einer Schlitzsteuerung und einem Rückschlagventil zwischen dem ersten und dem zweiten Verdrängerraum.
Beispielhafte Ausführung:
In einer beispielhaften Ausführung entsprechend 1 weist die Hubkolbenpumpe 1 einen elektromagnetischen Antrieb mit einem beweglichen Anker 7, zwei Verdrängungsräume 10 und 11, eine Ventilanordnung mit einer hubabhängige Schlitzsteuerung 19 zur Verbindung des ersten Verdrängerraums 10 mit dem zweiten Verdrängerraum 11 und ein Rückschlagventil 12 zur Verbindung des zweiten Verdrängerraums 11 mit dem Auslass 17 auf. Die mit einem Teil ihrer Länge der Lagerung dienende Bohrung im Anker 7 ist einseitig mit einem Stopfen 22 versehen, der ein Rückschlagventil 28 enthält. Der Anker 7 ist auf der feststehenden Stange 15 gelagert und bewegt sich relativ zu ihr unter der Wirkung der Magnetkraft und der Kraft der Rückstellfeder 9, wobei sich das Volumen der Verdrängerräume 10 und 11 verändert. Zur Verbindung des zweiten Verdrängerraums 11 mit dem Auslass ist das Rückschlagventil 12 im Inneren der Stange 15 angeordnet und besteht aus einem Ventilsitz in der Stange 15, einer Kugel und einer Feder 8.
Die Kraft des Elektromagneten zieht den Anker 7 in den Konus 4, wobei der saugseitig angeordnete erste Verdrängerraum 10 verkleinert und der zweite Verdrängerraum 11 vergrößert wird. Dabei wird Fluid über die Ventilanordnung vom ersten in den zweiten Verdrängerraum verdrängt. Die Ventilanordnung besteht aus dem Rückschlagventil 28 und einer hubabhängigen Schlitzsteuerung 19. Die hubabhängige Schlitzsteuerung 19 verbessert die Dosiergenauigkeit und besteht aus der Querbohrung 13 im Anker 7 und der Stirnfläche 21 der Stange 15.
Die Kraft der Rückstellfeder 9 schiebt nach dem Ausschalten des Elektromagneten den Anker 7 in seine Ausgangslage zurück. Dabei wird der erste Verdrängerraum 10 vergrößert und Fluid aus dem Einlass 18 ansaugt. Außerdem wird der zweite Verdrängerraum 11 verkleinert und Fluid durch das Rückschlagventil 12 in den Auslass 17 verdrängt.
Die Stange 15 besteht aus einem besonders verschleißfesten Material mit besonders geringer magnetischer Leitfähigkeit. Alternativ besteht die Stange 15 aus einem Material mit besonders geringer magnetischer Leitfähigkeit und weist eine reibungs- und verschleißmindernde Beschichtung auf.
Am Ende des Arbeitstaktes, in dem der Anker 7 Fluid einerseits ansaugt und andererseits in den Auslass verdrängt, wird die Bewegung des Ankers 7 durch die Verdrängung des Fluids aus der Ringkammer 24 und durch die Verformung der Elastomerschicht 23 auf dem Stopfen 22 abgebremst.
Am Ende des anderen Arbeitstaktes, in dem der Anker 7 Fluid von dem ersten Verdrängerraum 10 in den zweiten Verdrängerraum 11 verdrängt wird, bremst die Verdrängung des Fluids aus der Ringkammer die Bewegung des Ankers 7 ab. Die genannte Ringkammer wird aus der Stirnfläche des Ankers 7, der größeren inneren Zylinderfläche des Konus 4 und der innenliegenden Stirnfläche des Konus 4 gebildet.
Der Distanzring 16 zwischen dem Konus 4 und dem Joch 3 weist Durchbrüche auf, durch die Fluid aus dem ersten Verdrängerraum 10 in die Dämpfungskammer 25 übertreten kann, wobei die Dämpfungskammer 25 durch den Konus 4, das Joch 3, den Distanzring 16 und die schlauchförmige Membran 26 begrenzt ist. Die Elastizität der Membran 26 ist so auf die Druckschwankungen in dem ersten Verdrängerraum abgestimmt, dass sich eine wirksame Verformung der Membran ergibt, aber die Membran nicht gegen den Spulenkörper 6 anschlägt.
In einer alternativen Ausführung der Hubkolbenpumpe enthält die Stange 15 keine Einbauten, allerdings trennt das Rückschlagventil 27 den Einlass 18 von dem ersten Verdrängerraum 10. Die Hubkolbenpumpe ist damit ohne Auslassventil, aber mit Einlassventil und mit einer Ventilanordnung zwischen den beiden Verdrängerräumen ausgeführt. Durch die Kraft des Elektromagneten wird der Anker 7 in den Konus gezogen, dabei wird der saugseitig angeordnete erste Verdrängerraum 10 verkleinert und der zweite Verdrängerraum 11 vergrößert, und es wird Fluid über das Rückschlagventil 28 im Stopfen 22 vom ersten in den zweiten Verdrängerraum verdrängt. Die Kraft der Rückstellfeder 9 schiebt nach dem Ausschalten des Elektromagneten den Anker 7 in seine Ausgangslage zurück. Dabei wird der erste Verdrängerraum 10 vergrößert und Fluid durch das Rückschlagventil 27 aus dem Einlass 18 ansaugt. Außerdem wird der zweite Verdrängerraum 11 verkleinert und Fluid in den Auslass 17 verdrängt.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Jochscheibe
3: Joch
4: Konus
5: Spule
6: Spulenkörper
7: Anker
8: Ventilfeder
9: Rückstellfeder
10: Erster Verdrängerraum
11: Zweiter Verdrängerraum
12: Rückschlagventil (auslassseitig)
13: Querbohrung
14: Längsbohrung
15: Stange
16: Distanzring
17: Auslass
18: Einlass
19: Schlitzsteuerung
20: Magnetrückschluss
21: Stirnfläche
22: Stopfen
23: Elastomerschicht
24: Ringkammer
25: Dämpfungskammer
26: Membran
27: Rückschlagventil (einlassseitig), nicht dargestellt
28: Rückschlagventil (zwischen den Verdrängerräumen)

Claims

Hubkolbenpumpe (1) mit elektromagnetischen Antrieb, mit einem beweglichen Anker (7), mit zwei Verdrängungsräumen (10) und (11), wobei sich das Volumen der Verdrängerräume (10) und (11) verändert, wenn der Anker (7) sich unter der Wirkung der Magnetkraft und der Kraft der Rückstellfeder (9) bewegt, mit einer Ventilanordnung zur Verbindung des ersten Verdrängerraums (10) mit dem zweiten Verdrängerraum (11) und entweder mit einem Rückschlagventil (27) zur Verbindung des Einlasses (18) mit dem ersten Verdrängerraum oder mit einem Rückschlagventil (12) zur Verbindung des zweiten Verdrängerraums (11) mit dem Auslass (17) dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Anker (7) mit einem Teil seiner Länge auf einer feststehenden Stange (15) axial beweglich und zur Stange dynamisch abdichtend gelagert ist, wobei die mit einem Teil ihrer Länge der Lagerung dienende Bohrung im Anker (7) durch einen Stopfen (22) einseitig bedingt verschlossen ist und wobei die Ventilanordnung zur Verbindung des ersten Verdrängerraums (10) mit dem zweiten Verdrängerraum (11) eine hubabhängigen Schlitzsteuerung (19) enthält, die aus der Bohrung (13) im Anker (7) und der Stirnfläche (21) der Stange (15) gebildet ist und wobei ein Distanzring (16) zwischen einem Konus (4) und einem Joch (3) Durchbrüche aufweist, durch die Fluid aus dem ersten Verdrängerraum (10) in eine Dämpfungskammer (25) übertreten kann, wobei die Dämpfungskammer (25) durch den Konus (4), das Joch (3), den Distanzring (16) und eine schlauchförmige elastische Membran (26) begrenzt ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilanordnung zur Verbindung des ersten Verdrängerraums (10) mit dem zweiten Verdrängerraum (11) um ein Rückschlagventil (28) ergänzt ist, das in dem Stopfen (22) aufgenommen ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass im inneren der Stange (15) ein auslassseitiges Rückschlagventil (12) angeordnet ist, das aus einem Ventilsitz in der Stange (15), einer Kugel und einer Feder (8) besteht.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (15) eine durchgehende Bohrung ohne Einbauten enthält und zwischen dem Einlass (18) und dem ersten Verdrängerraum (10) ein Rückschlagventil (27) angeordnet ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (15) aus einem besonders verschleißfesten Material mit besonders geringer magnetischer Leitfähigkeit besteht.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Stange (15) aus einem Material mit besonders geringer magnetischer Leitfähigkeit besteht und eine reibungs- und verschleißmindernde Beschichtung aufweist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Arbeitstaktes, in dem die Rückstellfeder (9) den Anker (7) in die Ausgangslage zurückschiebt, die Bewegung des Ankers (7) durch die Verdrängung des Fluids aus der Ringkammer (24) und durch die Verformung der Elastomerschicht (23) auf dem Stopfen (22) abgebremst wird.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass am Ende des Arbeitstaktes, in dem der Elektromagnet den Anker (7) in den Konus (4) zieht, die Bewegung des Ankers (7) durch die Verdrängung des Fluids aus der Ringkammer abgebremst wird, die aus der Stirnfläche des Ankers (7), der größeren inneren Zylinderfläche des Konus (4) und der innenliegenden Stirnfläche des Konus (4) gebildet wird.