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Die Erfindung betrifft eine Hochdruckpumpe für kleine Fördermengen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei hydraulischen Systemen mit Druckmitteln wie z. B. Hydrauliköl kann es nötig sein, minimale Mengen von Druckmittel unter hohem Druck in das System nachzufördern. Dieser Druckmittebedarf kann z. B. durch Leckagen des Systems oder durch Ausdehnung von Komponenten des hydraulischen Systems oder durch Abkühlung des Druckmittels entstehen.
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Aus dem Stand der Technik sind Hochdruckpumpen mit Zylinder-Kolben-Einheiten für geringe Fördervolumina bekannt, die sich durch kurze Hübe mit hoher Hubkraft ihrer Kolben auszeichnen. Als Bauform für derartige Kolben-Hochdruckpumpen ist insbesondere die Radialkolbenbauweise bekannt, bei der mehrere Zylinder-Kolben-Einheiten jeweils radial und sternförmig zueinander ausgerichtet sind.
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Nachteilig an diesen Hochdruckpumpen, ist dass trotz eines hohen fertigungstechnischen Aufwandes eine Leckage z. B. zwischen den Zylindern und den Kolben nicht zu vermeiden ist, und dass für die Erzeugung der Hubbewegung aufwändige Vorrichtungen mit Exzentern oder Hubkurven bzw. Hubringen nötig sind.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Hochdruckpumpe zu schaffen, die mit vorrichtungstechnisch verringertem Aufwand kleine oder kleinste Mengen (z. B. nur einige Tropfen) Druckmittel fördern kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Hochdruckpumpe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe hat ein Gehäuse, dessen Kammer beheizbar ist, wobei das Gehäuse einen Zulauf zur Kammer und einen Ablauf von der Kammer hat. Im Bereich des Zulaufs ist ein erstes Rückschlagventil und im Bereich des Ablaufs ein zweites Rückschlagventil angeordnet, wobei eine Öffnungsrichtung des ersten Rückschlagventils zur Kammer und eine Öffnungsrichtung des zweiten Rückschlagventils von der Kammer weg gerichtet sind. Durch die Öffnungsrichtungen der beiden Rückschlagventile ergibt sich eine Förderrichtung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe vom Zulauf zum Ablauf oder vom ersten Rückschlagventil zum zweiten Rückschlagventil.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe wird das Druckmittel in der Kammer erhitzt, wodurch es sich ausdehnt, so dass eine geringe Menge Druckmittel über den Ablauf bzw. über das zweite Rückschlagventil austritt. Danach wird das in der Kammer befindliche Druckmittel z. B. durch Konvektion – abgekühlt, wodurch sich sein Volumen verringert so dass eine geringe Menge Druckmittel über den Zulauf bzw. über das erste Rückschlagventil nachgesaugt wird. Insbesondere, wenn wieder ein geringe Menge Druckmittel unter Hochdruck ersetzt werden muss, wird das Druckmittel in der Kammer wieder erhitzt. Die Pumpwirkung ergibt sich also durch einmaliges oder fortgesetztes Aufheizen und Abkühlen der Kammer. Damit ist eine Hochdruckpumpe geschaffen, die mit vorrichtungstechnisch verringertem Aufwand kleine oder kleinste Mengen (z. B. nur einige Tropfen) Druckmittel fördern kann.
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Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe dient insbesondere als Kompensationspumpe. Um Verluste zu Vermeiden hat die Kammer bzw. das Gehäuse abgesehen vom Zulauf und Ablauf vorzugsweise keine weitere Öffnung und ist fluiddicht.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe hat einen Durchlass, der gegen die Öffnungsrichtung des ersten Rückschlagventils geöffnet werden kann. Parallel zum Gehäuse ist eine Pumpe mit einem dritten Rückschlagventil vorgesehen. Eine Öffnungsrichtung des dritten Rückschlagventils ist von der Pumpe zur Kammer gerichtet ist. Damit ist eine Druckmittelaustauschfunktion zur beschleunigten Abkühlung des Druckmittels geben. Nach einer Druckmittelerhitzung wird von der Pumpe über das dritte Rückschlagventil kühles Druckmittel in die Kammer gefördert, so dass das erhitzte Druckmittel über den Durchlass gegen die Förderrichtung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe ausgeschoben wird. Damit steht die Hochdruckpumpe nach kurzer Zeit wieder für den nächsten Erhitzung und Förderung zur Verfügung.
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Vorzugsweise ist an den Zulauf ein Druckspeicher – insbesondere Niederdruckspeicher – angeschlossen, aus dem das zur Förderung benötigte Druckmittel bereitgestellt wird.
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Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe mit Druckmittelaustauschfunktion ist das erste Rückschlagventil in einer durch eine Feder vorgespannten Grundstellung eines 2/2-Wege-Schaltventil ausgebildet, dessen Schaltstellung den Durchlass bildet. Die Pumpe und das dritte Rückschlagventil sind in einer Verbindungsleitung angeordnet, die zwischen dem Druckspeicher und dem 2/2-Wege-Schaltventil angeschlossen ist, und die direkt oder indirekt in die Kammer mündet. Ein Beispiel für eine indirekte Mündung ist eine Mündung in den Ablauf zwischen dem Gehäuse und dem zweiten Rückschlagventil. Diese Weiterbildung ermöglicht einen Kühlkeislauf, über den auch das Heizelement und das Gehäuse schnell abgekühlt werden können.
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Vorzugsweise ist das erste und/oder das zweite und/oder das dritte Rückschlagventil durch eine Feder in Schließrichtung vorgespannt.
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Das Heizelement kann eine bandförmige selbstbegrenzende Parallel-Heizleitung sein.
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Bei einem bevorzugten Anwendungsfall ist die Hochruckpumpe an eine hydraulische Vorrichtung mit einem Zylinder angeschlossen, der zwei Zylinderräume hat, die beide mit dem Ablauf verbundenen sind. Der Zylinder kann z. B. ein Differenzialzylinder, Plungerzylinder oder Gleichgangzylinder sein.
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Für Gleichgangzylinder, die als Notzylinder mit zwei Kolben ausgeführt sind, die in einem Normalbetrieb der Vorrichtung aneinander in Anlage gehalten sind, und die in einem Notbetrieb über eine Feder auseinander gedrückt werden, ist aus dem Stand der Technik eine von einem elektrischen Synchronmotor angetriebene Hochdruckpumpe in Kombination mit zwei Wegeventilen bekannt. Daher wird es besonders bevorzugt, wenn bei derartigen Vorrichtungen die erfindungsgemäße Hochruckpumpe eingesetzt wird, um den vorrichtungstechnischen Aufwand der Vorrichtung zu verringern. Im Normalbetrieb werden die beiden Kolben über die beiden mit einer Koppelleitung verbundenen Zylinderräume in Anlage gehalten.
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Erhebliche vorrichtungstechnische Synergien können genutzt werden, wenn die Pumpe gleichzeitig zur Versorgung des Regelantriebs des Notzylinders dient. Dazu hat die Verbindungsleitung zwei zueinander parallel geschaltete Zweigleitungen, und die Pumpe ist mit einem ersten Anschluss an die erste Zweigleitung und mit einem zweiten Anschluss an die zweite Zweigleitung angeschlossen. In jeder Zweigleitung ist zwischen dem Druckspeicher und dem Anschluss ein zur Pumpe öffnendes Rückschlagventil angeordnet. Die beiden Zweigleitungen sind über ein gemeinsames Wechselventil direkt oder indirekt (z. B. über den Ablaut) an die Kammer angeschlossen. An den beiden Zweigleitungen zwischen dem jeweiligen Rückschlagventil und dem Wechselventil ist jeweils ein Anschluss des Regelantriebs des Notzylinders vorgesehen.
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Um bei einem Druckmittelaustausch oder beim Betrieb des Kühlkreislaufs ausreichend Druckmittel für den Regelantrieb bereitstellen zu können, wird es bevorzugt, wenn in der Verbindungsleitung zwischen dem Wechselventil und der direkten oder indirekten Mündung in die Kammer eine Düse vorgesehen ist.
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Vorzugsweise ist die Pumpe als Motor betreibbar.
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Im Folgenden werden anhand der Figuren verschiede Ausführungsbeispiele der Erfindung detailliert beschrieben. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe mit einem Differenzialzylinder;
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2 ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe mit einem Differenzialzylinder; und
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3 ein Schaltbild einer hydraulischen Anordnung mit einem dritten Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe.
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1 zeigt ein Schaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe. Sie weist ein Gehäuse 5 auf, in dem eine Kammer 3 vorgesehen ist, die einen (in 1 links angeordneten) Zulauf und einen (in 1 rechts angeordneten) Ablauf hat. Zulaufseitig ist ein erstes durch eine Feder vorgespanntes Rückschlagventil 8 und ablaufseitig ein zweites durch eine Feder vorgespanntes Rückschlagventil 6 vorgesehen. Das erste Rückschlagventil 8 öffnet von einem Niederdruckspeicher 7 zum Gehäuse 5, während das zweite Rückschlagventil 6 vom Gehäuse 5 zu einem an die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe angeschlossenen Differenzialzylinder 1 öffnet. Dabei ist der Ablauf der Hochdruckpumpe an beide Zylinderräume 2a, 2b des Differenzialzylinders 1 angeschlossen. Beide Zylinderräume 2a, 2b stehen dauerhaft unter Hochdruck, wobei über die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe auch minimale Druck- bzw. Druckmittelverluste des Differenzialzylinders 1 ausgeglichen werden können. Dazu ist das Gehäuse 5 mit einem Heizelement 4 versehen, das zur übergangsweisen Erhitzung des in der Kammer 3 befindlichen Druckmittels dient.
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Im Betrieb der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe wirkt zunächst der Druck in dem Niederdruckspeicher 7 über das erste Rückschlagventil 8 auch in der Kammer 3. In den beiden Zylinderräumen 2a, 2b des Differenzialzylinders 1 herrscht höherer Druck als in der Kammer 3. Daher ist das zweite Rückschlagventil 6 geschlossen. Wenn ein Druck- bzw. Druckmittelverlust der Zylinderräume 2a, 2b des Differenzialzylinders 1 kompensiert werden soll, wird das Heizelement 4 eingeschaltet und dadurch das Druckmittel in der Kammer 3 und damit auch das Gehäuse 5 erwärmt. Da sich das Druckmittel dabei stärker ausdehnt als das Gehäuse 5, erhöht sich der Druck in der Kammer 3. Wenn der Druck in der Kammer 3 denjenigen der beiden Zylinderräume 2a, 2b übersteigt, strömt etwas Druckmittel über das zweite Rückschlagventil 6 in die Zylinderräume 2a, 2b. Wenn der gewünschte Druck in den Zylinderräumen 2a, 2b erreicht ist, wird das Heizelement 4 ausgeschaltet. Die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe kühlt ab und der Druck in ihrer Kammer 3 sinkt. Zu Beginn des Abkühlungsprozesses schließt dabei das zweite Rückschlagventil 6. Im weiteren Verlauf des Abkühlungsprozesses sinkt der Druck in der Kammer 3 wegen des zuvor an die Zylinderräume 2a, 2b abgegebenen Druckmittelvolumens unter das Druckniveau des Niederdruckspeichers 7. Damit strömt etwas Druckmittel aus dem Niederdruckspeicher 7 über das erste Rückschlagventil 8 in die Kammer 3. Dieser Füllvorgang der Kammer 3 ist mit Erreichen der Umgebungstemperatur abgeschlossen. Der Pumpvorgang kann nun erneut gestartet werden.
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2 zeigt ein Schaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe. Dabei entspricht das Gehäuse 5 mit der Kammer 3, dem Heizelement 4, das zweite Rückschlagventil 6 und der Niederdruckspeicher 7 denjenigen des ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1.
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Abweichend vom ersten Ausführungsbeispiel ist das erste Rückschlagventil 108 in einem 2/2-Wege-Schaltventil 109 angeordnet. Dabei wirkt in einer durch eine Feder vorgespannten Grundstellung des Schaltventils 109 das Rückschlagventil 108, wobei seine Öffnungsrichtung vom Niederdruckspeicher 7 zur Kammer 3 gerichtet ist. In einer durch einen Aktor schaltbaren Schaltstellung des Schaltventils 109 ist eine Verbindung bzw. ein Durchlass zwischen einem zulaufseitigen Knoten 115 und der Kammer 3 geschaltet bzw. geöffnet. An dem Knoten 115 ist eine Verbindungsleitung 116 angeschlossen, die zwischen der Kammer 3 und dem zweiten Rückschlagventil 6 in den Ablauf mündet. Damit ist die Verbindungsleitung 116 parallel zum Schaltventil 109 und zum Gehäuse 5 mit der Kammer 3 geschaltet.
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In der Verbindungsleitung 116 ist benachbart zum Knoten 115 eine Pumpe 110 und benachbart zum Ablauf ein drittes Rückschlagventil 111 angeordnet. Das dritte Rückschlagventil 111 öffnet von der Pumpe 110 zum Ablauf.
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Das zweite Ausführungsbeispiel gemäß 2 ermöglicht somit, kühles Druckmittel in die Kammer 3 des Gehäuses 5 schnell nachzufördern. Dies geschieht über die Pumpe 110 und die Verbindungsleitung 116. Dabei wird das zuvor erhitzte Druckmittel aus der Kammer 3 gegen die Förderrichtung der Hochruckpumpe durch das geschaltete Wegeventil 109 aus der Kammer 3 verdrängt und durch kühles Druckmittel ersetzt. Dadurch muss – im Gegensatz zum ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 – nicht abgewartet werden, bis das Gehäuse 5 abgekühlt ist. Das Fördervolumen der Thermopumpe bzw. insbesondere seine Förderfrequenz wird dadurch erhöht.
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3 zeigt ein Schaltbild einer hydraulischen Anordnung mit einem Notzylinder 201, der als Gleichgangzylinder ausgebildet ist, und dessen beiden Zylinderräume 202a, 202b von einem dritten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe versorgt werden können. Dabei entsprechen der Niederdruckspeicher 7, das 2/2-Wege-Schaltventil 109, das Gehäuse 5 mit der Kammer 3 und dem Heizelement 4 und das zweite Rückschlagventil 6 denjenigen des zweiten Ausführungsbeispiels gemäß 2. Abweichend vom zweiten Ausführungsbeispiel ist der Zulauf und insbesondere der Knoten 115 über eine Verbindungsleitung 216 mit dem Ablauf verbunden, die abschnittsweise durch zwei parallel zueinander geschaltete Zweigleitungen 217 gebildet ist. Diese münden über ein Wechselventil 212 in den Hauptabschnitt der Verbindungsleitung 216.
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Eine bidirektional und als Motor betreibbare Pumpe 210 ist zwischen die beiden Zweigleitungen 217 geschaltet und wird von einem Elektromotor E angetrieben. Zwischen dem Knoten 115 und der Pumpe 210 ist in jeder Zweigleitung 217 ein zur Pumpe 210 öffnendes Rückschlagventil 214 vorgesehen. Zwischen dem Wechselventil 212 und dem Ablauf sind eine Düse 213 und ein durch eine Feder vorgespanntes drittes Rückschlagventil 211 angeordnet. Das dritte Rückschlagventil 211 öffnet von der Pumpe 210 zum Ablauf.
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Zwischen der Pumpe 210 und dem Wechselventil 212 ist an jeder Zweigleitung 217 ein Anschluss 218 vorgesehen. Über die beiden Anschlüsse 218 und über einen (nicht gezeigten) Regelantrieb kann der Notzylinder 201 in einer aus dem Stand der Technik bekannten Weise im Normalbetrieb eingestellt werden. Dabei bleiben zwei Kolben 219 des Notzylinders 201 stets dadurch aneinander in Anlage, dass die beiden Zylinderräume 202a, 202b des Notzylinders 201 über eine Koppelleitung 220 mit Hochdruck gegeneinander gepresst sind.
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Bei einem eventuellen Druck- bzw. Druckmittelverlust wird über die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe etwas Druckmittel in die Koppelleitung 220 nachgefördert. Um nach einer Förderung das erhitzte Druckmittel der Kammer 3 schnell durch kühles Druckmittel zu ersetzen, wird aus dem Niederdruckspeicher 7 und über eines der beiden Rückschlagventile 214 von der Pumpe 210 über das Wechselventil 212 die Verbindungsleitung 216 in die Kammer 3 gefördert. Damit übernimmt die Pumpe 210 einerseits die Aufgabe der Einstellung des Notzylinders 201 und andererseits dem schnellen Druckmittelaustausch der Kammer 3 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe.
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Offenbart ist eine Hochdruckpumpe mit einem Gehäuse, dessen Kammer beheizbar ist, wobei das Gehäuse einen Zulauf zur Kammer und einen Ablauf von der Kammer hat. Im Bereich des Zulaufs ist ein erstes Rückschlagventil und im Bereich des Ablaufs ein zweites Rückschlagventil angeordnet, wobei eine Öffnungsrichtung des ersten Rückschlagventils zur Kammer und eine Öffnungsrichtung des zweiten Rückschlagventils von der Kammer weg gerichtet sind. Durch die Öffnungsrichtungen der beiden Rückschlagventile ergibt sich eine Förderrichtung der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe vom Zulauf zum Ablauf oder vom ersten Rückschlagventil zum zweiten Rückschlagventil.
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Im Betrieb wird das Druckmittel in der Kammer erhitzt, wodurch es sich ausdehnt, so dass eine geringe Menge Druckmittel über den Ablauf bzw. über das zweite Rückschlagventil austritt. Danach wird das in der Kammer befindliche Druckmittel – z. B. durch Konvektion – abgekühlt, wodurch sich sein Volumen verringert so dass eine geringe Menge Druckmittel beim Zulauf über das erste Rückschlagventil nachgesaugt oder von einem Niederdruckspeicher nachgefördert wird. Insbesondere, wenn wieder ein geringe Menge Druckmittel unter Hochdruck ersetzt werden muss, wird das Druckmittel in der Kammer wieder erhitzt. Die Pumpwirkung ergibt sich also durch einmaliges oder fortgesetztes Aufheizen und Abkühlen der Kammer.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Differenzialzylinder
- 2a, 2b; 202a, 202b
- Zylinderraum
- 3
- Kammer
- 4
- Heizelement
- 5
- Gehäuse
- 6
- zweites Rückschlagventil
- 7
- Niederdruckspeicher
- 8; 108
- erstes Rückschlagventil
- 109
- 2/2-Wege-Schaltventil
- 110; 210
- Pumpe
- 111; 211
- drittes Rückschlagventil
- 115
- Knoten
- 116; 216
- Verbindungsleitung
- 201
- Notzylinder
- 212
- Wechselventil
- 213
- Düse
- 214
- Rückschlagventil
- 217
- Zweigleitung
- 218
- Anschluss
- 219
- Kolben
- 220
- Koppelleitung
- E
- Elektromotor
