DE102012009952B3

DE102012009952B3 - Elektromagnetische Hubkolbenpumpe mit einer vor Beschädigungen durch ein Einfrieren des Arbeitsfluids geschützten Kolbenstange

Info

Publication number: DE102012009952B3
Application number: DE201210009952
Authority: DE
Inventors: Olaf Ohligschläger; Thomas Rolland; Axel Müller; Michael Müller; Marc Leinweber
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-11-15
Anticipated expiration: 2032-05-19

Abstract

Aufgabe: Die Verdrängerräume (3) und (4) und eine Kolbenstange (5) der Hubkolbenpumpe (1) werden von einem Arbeitsfluid durchströmt. Bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids soll die Kolbenstange (5) der Hubkolbenpumpe vor Beschädigung geschützt sein und der Ansprechdruck eines Rückschlagventils (6) soll nicht verstellt werden. Lösung: Die Kolbenstange (5) enthält einen beweglichen Kolben (9), der eine Ventilfeder (8) lagert und seinerseits von einer zweiten Feder (10) oder einem anderen federnde Mittel beaufschlagt ist, wobei der Federraum (11) der zweiten Feder mit Gas gefüllt und gegen das Arbeitsfluid abgedichtet ist. Anwendung: Die Hubkolbenpumpe wird verwendet, um wässrige Lösungen zu fördern oder zu dosieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Hubkolbenpumpen der beschriebenen Bauart weisen zwei Verdrängerräume auf, und die beiden Verdrängerräume sind durch ein Rückschlagventil bedingt miteinander verbunden, das im Inneren der die Verdrängung bewirkenden Kolbenstange angeordnet ist.
Die Druckschrift DE 4328621 C2 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit elektromagnetischem Antrieb und die noch nicht veröffentlichte Druckschrift der Anmelderin DE 102011 111 926 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit zwei Verdrängerräumen und einem Rückschlagventil in der Kolbenstange. Wenn Hubkolbenpumpen dieser Bauart zur Förderung oder Dosierung von wässrigen Lösungen eingesetzt werden, besteht das Risiko des Einfrierens des Arbeitsfluids, und damit das Risiko, dass Bauteile der Hubkolbenpumpe durch die Ausdehnung des Mediums verformt, beschädigt oder verstellt werden. Zur Vermeidung der Beschädigung des Pumpengehäuses sind bereits Lösungen bekannt, zum Beispiel aus der Patentschrift DE 101 47 172 C2 , der Patentanmeldung DE 10 2010 019 821 A1 , der Patentschrift DE 10 2011 111 938 B3 und der noch nicht veröffentlichten Patentanmeldung DE 10 2012 001 963 der Anmelderin. Ein vor Beschädigungen durch das Einfrieren des Arbeitsfluids geschütztes Dosierventil zeigt die Druckschrift DE 10 2009 045 004 A1 . Aus Einfrierversuchen ist bekannt, dass auch die nur geringe Menge des Arbeitsfluids im Inneren der hohlen Kolbenstange beim Einfrieren Schaden bewirken kann, nämlich ein Verschieben des Lagers der Ventilfeder des Rückschlagventils und damit eine Veränderung des Ansprechdrucks des Ventils. Daneben kann es zu einer Verformung der Kolbenstange kommen, wobei auch eine sehr geringe Verformung wegen des geringen Lagerspiels zwischen der Kolbenstange und ihrem zugeordneten Gleitlager die Funktion der Hubkolbenpumpe stark beeinträchtigt.
Es stellt sich daher die Aufgabe, zusätzlich zu einem allgemeinen Schutz der Pumpe gegen Einfrieren eine Verschiebung des Lagers der Ventilfeder und eine Verformung der Kolbenstange beim Einfrieren des Arbeitsfluids zu verhindern.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs gelöst, in Verbindung mit den Unteransprüchen 2 bis 12, die auch vorteilhafte Weiterbildungen angeben. Der Unteranspruch 13 beschreibt ein Verfahren zur Nutzung der Erfindung.
Der Aufbau der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe ist in der Beschreibung der beispielhaften Ausführung dargestellt.
Die Hubkolbenpumpe ist insgesamt in bekannter Weise durch eine Membran und einen Ausgleichsraum gegen Beschädigungen beim Einfrieren des Arbeitsfluids geschützt. Diese Membran teilt den druckseitigen Verdrängerraum von dem Ausgleichsraum ab. Zusätzlich ist ein Raum in der Kolbenstange nicht mit dem Arbeitsfluid gefüllt, weil er allseitig abgedichtet ist. Auf der einen Seite des Raumes in der Kolbenstange handelt es sich um eine statische Abdichtung und auf der anderen Seite dichtet ein federbelasteter beweglicher Kolben diesen Raum ab. Der bewegliche Kolben dient auch als Lager für die Ventilfeder des Rückschlagventils. Bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids in der Pumpe weicht der Kolben gegen die Kraft seiner zugeordneten Feder zurück, die sich in dem abgedichteten gasgefüllten Raum befindet und eine größere Federkraft aufweist als die Ventilfeder. Durch das Zurückweichen wird auch eine Verformung der Kolbenstange durch das Einfrieren verhindert.
Beim Auftauen des Arbeitsfluids schiebt die zugeordnete Feder den Kolben wieder bis zum einem Anschlag vor. Damit wird sichergestellt, dass der Ansprechdruck des Rückschlagventils auch nach einer Mehrzahl von Einfrierzyklen erhalten bleibt. Die zugeordnete Feder kann eine metallische Spiralfeder oder ein Körper aus elastomerem Material sein, wobei der Körper den Federraum nicht vollständig ausfüllt, oder sie kann durch ein komprimiertes Gas im abgedichteten Federraum ersetzt sein. In jedem Fall ist der Federraum mit Gas gefüllt.
Hubkolbenpumpen der beschriebenen Bauart werden zum Fördern und Dosieren von wässrigen Lösungen eingesetzt, zum Beispiel in Abgasreinigungsanlagen von Fahrzeugen.
Bilder:
1 zeigt die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe.
2 zeigt eine Ausführung der Dichtung 15 im Federlager.
Beispielhafte Ausführung
Die in 1 dargestellte Hubkolbenpumpe 1 weist einen Antrieb durch einen Elektromagneten 2 und zwei Verdrängerräume 3 und 4 auf. Die Hubkolbenpumpe ist allgemein vor Beschädigungen durch ein Einfrieren des Arbeitsfluids mittels einer Membran 20 und einen dahinter angeordneten Ausgleichsraum 21 geschützt, wobei die Membran 20 den druckseitigen Verdrängerraum 4 abteilt. Die beiden Verdrängerräume werden durch eine hohle Kolbenstange 5 getrennt, die in dem Gleitlager 19 dynamisch abdichtend bewegt wird und die ein bedingt durchströmtes Rückschlagventil 6 enthält. Das Rückschlagventil besteht aus einem Dichtsitz 16, einem Dichtkörper 7 und einer Ventilfeder 8. Die Kolbenstange 5 enthält zusätzlich einen beweglichen Kolben 9, der die Ventilfeder 8 lagert und seinerseits von der zweiten Feder 10 beaufschlagt ist, wobei der zugehörige Federraum 11 gegen das Arbeitsfluid abgedichtet und mit Gas gefüllt ist.
Der Kolben 9 ist in seiner Bewegung einseitig durch den Anschlag 12 begrenzt. Dadurch wird die Vorspannung der Ventilfeder 8 bestimmt.
Der Kolben 9 ist gegen die Kolbenstange 5 durch eine gleitfähige Dichtung 13 abgedichtet. Die den Kolben 9 beaufschlagende Feder 10 stützt sich auf einem in der Kolbenstange 5 ruhenden Federlager 14 ab.
Das Federlager 14 ist in einer ersten bevorzugten Ausführung als Kugel ausgeführt und gegen die Kolbenstange 5 durch Berührung bei hoher Vorspannung abgedichtet. Bei dem Einpressen des Federlagers 14 erfolgt eine mindestens oberflächliche Verformung der Kolbenstange 5.
Alternativ ist das Federlager 14 gegen die Kolbenstange 5 durch die Dichtung 15 abgedichtet, wie in 2 dargestellt.
Das Federlager 14 erfüllt noch eine zusätzliche Befestigungsfunktion, indem es die hohle Kolbenstange 5 so aufweitet, dass ein ausreichender Kraftschluss zwischen der Kolbenstange 5 und dem Ankerkolben 18 gegeben ist.
Die Kolbenstange 5 weist zwischen dem Dichtsitz 16 und dem Anschlag 12 eine Mehrzahl von Öffnungen 17 auf, die über dem Umfang und/oder über die Länge der Kolbenstange so verteilt sind, dass unabhängig von der Lage der Hubkolbenpumpe im Raum beim Einfrieren des Arbeitsfluids ein möglichst unbehinderter Austausch von Fluid zwischen dem Inneren der Kolbenstange und dem angrenzenden Verdrängerraum möglich ist.
Im Betrieb der Hubkolbenpumpe drückt bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids in dem Verdrängerraum 4 das Arbeitsfluid die Membran 20 in den hinter ihr liegenden Ausgleichsraum und zusätzlich weicht bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids der Kolben 9 gegen die Kraft der Feder 10 zurück, weil der Federraum 11 nicht mit dem Arbeitsfluid sondern mit einem Gas gefüllt ist. Dabei wird die Kolbenstange 5 nicht verformt. Beim Auftauen des Arbeitsfluids nimmt die Membran 20 wieder ihre Ruheform ein und die Feder 10 schiebt den Kolben 9 wieder bis zum Anschlag 12 vor.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Elektromagnet
3: Verdrängerraum (saugseitig)
4: Verdrängerraum (auslassseitig)
5: Kolbenstange
6: Rückschlagventil
7: Dichtkörper
8: Ventilfeder
9: Kolben
10: Federndes Mittel, z. B. Feder
11: Federraum
12: Anschlag
13: Dichtung
14: Federlager
15: Dichtung
16: Dichtsitz
17: Öffnung
18: Ankerkolben
19: Gleitlager
20: Membran
21: Ausgleichsraum

Claims

Hubkolbenpumpe (1) mit einem Antrieb durch einen Elektromagneten (2) und zwei Verdrängerräumen (3) und (4), getrennt durch eine hohle Kolbenstange (5), die ein bedingt durchströmtes Rückschlagventil (6) enthält, bestehend aus einem Dichtsitz (16), einem Dichtkörper (7) und einer Ventilfeder (8), wobei die Hubkolbenpumpe vor Beschädigungen durch ein Einfrieren des Arbeitsfluids durch einen mittels einer elastischen Membran (20) von dem auslassseitigen Verdrängerraum (4) radial abgeteilten Ausgleichsraum (21) geschützt ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (5) in einem Gleitlager (19) dynamisch dichtend bewegt wird und einen beweglichen Kolben (9) enthält, der die Ventilfeder (8) lagert und seinerseits von einem federnden Mittel (10) beaufschlagt ist, wobei der zugehörige Federraum (11) nicht mit dem Arbeitsfluid gefüllt und gegen dieses durch den Kolben (9) und das Federlager (14) abgedichtet ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Kraft des federnden Mittels (10) größer als die Kraft der Ventilfeder (8) und der Kolben (9) in seiner Bewegung einseitig durch einen Anschlag (12) begrenzt ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (9) gegen die Kolbenstange (5) durch eine gleitfähige Dichtung (13) abgedichtet ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Mittel (10) eine metallische Spiralfeder ist, wobei der die Feder umgebende Federraum (11) mit Gas gefüllt ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Mittel (10) ein Körper aus elastomerem Material ist, der den Federraum (11) nicht vollständig ausfüllt, wobei der verbleibende Raum mit Gas gefüllt ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass das federnde Mittel (10) aus komprimiertem Gas besteht, das den Federraum (11) ausfüllt.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die den Kolben (9) abstützende Feder (10) sich auf einem in der Kolbenstange (5) ruhenden Federlager (14) abstützt.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Federlager (14) gegen die Kolbenstange (5) durch Berührung bei hoher Vorspannung abgedichtet ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Federlager (14) gegen die Kolbenstange (5) durch eine Dichtung (15) abgedichtet ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass das Federlager (14) eine Kugel ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass das Federlager (14) die hohle Kolbenstange (5) so aufweitet, dass ein ausreichender Kraftschluss zwischen der Kolbenstange (5) und einem Ankerkolben (18) bewirkt ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenstange (5) zwischen dem Dichtsitz (16) und dem Anschlag (12) eine Mehrzahl von Öffnungen (17) aufweist, die über dem Umfang und/oder über die Länge der Kolbenstange verteilt sind.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids in der Pumpe die Membran (20) elastisch in den zugeordneten Ausgleichraum (21) zurückweicht und der die Ventilfeder (8) lagernde Kolben (9) gegen die Kraft des federnden Mittels (10) zurückweicht und beim Auftauen des Arbeitsfluids die Membran (20) ihre Ruheform wieder einnimmt und das federnde Mittel (10) den Kolben (9) wieder bis zum Anschlag (12) vorschiebt, wobei der dem federnden Mittel (10) zugeordnete Federraum (11) nicht mit dem Arbeitsfluid, sondern mit einem Gas gefüllt ist.