DE102012023511A1

DE102012023511A1 - Hubkolbenpumpe mit einem druckmessenden fluidisch-elektrischen Signalwandler

Info

Publication number: DE102012023511A1
Application number: DE201210023511
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Olaf Ohligschläger; Edwin Kreuzberg
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-11-30
Filing date: 2012-11-30
Publication date: 2014-06-05

Abstract

Aufgabe: Eine von einem Elektromagneten (2) angetriebene Hubkolbenpumpe (1) enthält eine Spule (3) des Elektromagneten, die einen Spulenkörper (13) aufweist, der auch Kontakte einer Steckverbindung (16) zu einer elektrischen Versorgung trägt, und einen druckmessenden fluidisch-elektrischen Signalwandler (4) mit proportionalem oder schaltendem Charakter, wobei der Signalwandler (4) nur geringe zusätzliche Kosten verursachen und die Gerätemontage nicht behindern soll. Lösung: Das elektrische Signal des Signalwandlers (4) wird aus einer Verformung einer Membran (8) aus Elastomermaterial gewonnen, wobei ein zugeordneter elektrischer Kennwert verändert wird, und die Verformung ist druckabhängig. Das elektrische Signal wird durch den Spulenkörper (13) zu den Kontakten des Steckverbinders (16) geleitet. Anwendung: Standheizungsanlagen und Abgasreinigungsanlagen von Kraftfahrzeugen

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Sie ist mit einem druckmessenden Signalwandler ausgerüstet, der als Druckschalter oder Drucksensor ausgeführt ist und sein elektrisches Signal über Steckkontakte abgibt.
Stand der Technik
Hubkolbenpumpen mit elektromagnetischem Antrieb sind zum Beispiel aus der Druckschrift DE 4 328 621 A1 bekannt. Vorteilhafterweise werden diese meist so ausgeführt, dass die Pumpe von dem Arbeitsfluid durchströmt wird.
Ebenfalls bekannt sind Drucksensoren zur Wandlung eines Drucksignals in ein analoges elektrisches Signal und Druckschalter, die bei einer Überschreitung eines Grenzwerts für den angeschlossenen Druck einen elektrischen Kontakt schließen oder öffnen.
Aus den Druckschriften DE 10 227 659 B4 , DE 10 2006 044 252 B3 und DE 10 2011 111 938 B3 sind Hubkolbenpumpen mit Membrandämpfern bekannt, diese Dämpfer sind je nach den Anforderungen an die Druckverhältnisse in den Leitungen an die Saugleitung oder an die Druckleitung der Hubkolbenpumpe angeschlossen.
Hubkolbenpumpen mit elektromagnetischem Antrieb werden üblicherweise von einer elektrischen Ansteuerung mit einer pulsierenden elektrischen Leistung versorgt.
Es sind Pumpen anderer Bauart bekannt, die mit einem Druckschalter oder einem Drucksensor ausgerüstet sind, dabei dienen die Signalwandler dazu, den Betrieb der Pumpe zu überwachen oder den Druck zu regeln.
Wenn ein Drucksensor oder ein Druckschalter bekannter Bauart an eine Pumpe eingebaut wird, muss eine zusätzliche elektrische Leitung an der Pumpe und gegebenenfalls auch darüber hinaus verlegt werden. Wenn der Druckschalter oder der Drucksensor in die Pumpe eingebaut wird, müssen gegebenenfalls auch innerhalb der Pumpe elektrische Leitungen verlegt werden. Dies stellt dann eine erhebliche Erschwernis für den Zusammenbau der Pumpe dar.
Daneben verursacht der Druckschalter oder der Drucksensor selbst erhebliche Kosten, die im Falle einer preiswerten Hubkolbenpumpe sogar die Kosten der Pumpe selbst überschreiten.
Aufgabe
Aufgabe dieser Erfindung ist die kostengünstige Ausrüstung einer in großen Stückzahlen hergestellten Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs mit einem Druckschalter oder einem Drucksensor, der möglichst in der Pumpe vorhandene Bauteile nutzt und mit der Pumpe zusammen eine einfach zu montierende Baueinheit bildet.
Für die Spule des antreibenden Elektromagneten und den Drucksensor oder den Druckschalter soll es einen gemeinsamen mehrpoligen elektrischen Steckverbinder zum Anschluss an eine elektrische Ansteuerung geben.
Die Ausrüstung der Pumpe mit dem Drucksensor oder dem Druckschalter soll im Zusammenwirken mit der elektrischen Ansteuerung eine On-Board-Diagnose des Zustands der Pumpe und/oder eine Druckregelung ermöglichen.
Bei der On-Board-Diagnose werden beispielsweise direkt der Ausgangsdruck und sein zeitlicher Verlauf und indirekt der Zustand der Membran des Dämpfers oder der Einfrierzustand der Pumpe überwacht.
Lösung
Die Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des ersten Patentanspruchs in Verbindung mit den Unteransprüchen 2 und 3 gelöst. Der Anspruch 4 beschreibt ein vorteilhaftes Verfahren zur Nutzung der erfinderischen Hubkolbenpumpe.
Eine kostengünstige Ausführung wird durch die Nutzung vorhandener Bauteile der Hubkolbenpumpe wie der Dämpfermembran zur Signalgewinnung für den Druckschalter oder den Drucksensor erreicht.
Ein gemeinsamer elektrischer Steckverbinder wird vorteilhafterweise von dem Spulenkörper getragen, wobei eine montagegerechte Ausführung dadurch erreicht wird, dass die elektrische Leitungsführung in der Baugruppe vorzugsweise innerhalb des gespritzten isolierenden Spulenkörpers durch Stanzgitter erfolgt, und damit für diese Leitungsführung keine Drähte außerhalb des Spulenkörpers und innerhalb der Pumpe verlegt und angeschlossen werden müssen.
Für die Ausführung mit einem Druckschalter ergibt sich eine sehr kostengünstige Lösung, wenn eine in der Pumpe ohnehin vorhandene Membran eines Dämpfers schaltende Kontakte trägt und mit Kontakten am Spulenkörper zusammenwirkt.
Für die alternative Ausführung mit einem Drucksensor ist ebenfalls die Nutzung vorhandener Pumpenbauteile vorgesehen, nämlich einer leitfähigen oder beschichteten Membran, die zusammen mit einer anderen metallischen Fläche in unmittelbarer Nähe einen Kondensator mit variabler Kapazität bildet. Die Kapazität wird durch eine Änderung des Abstands der Platten des Kondensators verändert.
Dabei kann die Kapazität auf eine Mehrzahl von in Reihe oder parallel geschalteter Kondensatoren aufgeteilt sein, die bei einer Verformung der Membran verstellt werden. Es ergibt sich eine vorteilhafte Bauform, wenn man für zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren eine gemeinsame bewegliche Platte auf der Seite der Membran verwendet.
Bei einer Verwendung von einem elektrisch leitfähigen Material mit dehnungsabhängigem variablem elektrischem Widerstand für die Membran wird dieser Widerstand in vorteilhafter Weise zur Druckmessung verwendet.
Die Baugruppe aus der Hubkolbenpumpe und dem Druckschalter oder dem Drucksensor ist mit einer elektrischen Ansteuerung verbunden, die sowohl die elektrischen Impulse für den antreibenden Magneten erzeugt als auch die Signale des Sensors im Sinne der On-Board-Diagnose auswertet.
Vorteile:
Die Baugruppe enthält im Vergleich zur Hubkolbenpumpe keine oder sehr wenige zusätzliche Bauteile und bei der Montage der Baugruppe müssen keine Drähte verlegt oder angeschlossen werden. Sowohl für die On-Board-Diagnose als auch für Zwecke der Druckregelung steht ein Drucksignal zur Verfügung.
Anwendung
Die Hubkolbenpumpen der beschriebenen Bauart finden in Standheizungsanlagen und in Abgasreinigungsanlagen von Kraftfahrzeugen Verwendung.
Bilder
1 stellt die Hubkolbenpumpe mit einem von der Membran eines Dämpfers betätigten Druckschalter dar.
2 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit einer kapazitiven Druckmessung mit einer beschichteten Membran
3 zeigt den Signalfluss zwischen der Hubkolbenpumpe und der elektrischen Ansteuerung.
Beispielhafte Ausführung
Eine von einem Elektromagneten 2 angetriebene Hubkolbenpumpe 1, wie in 1 dargestellt, wird von einem Arbeitsfluid durchströmt und hat zwei Verdrängerräume 5, und 6, wobei die Spule 3 des Elektromagneten einen Spulenkörper 13 enthält, der auch die Kontakte 24 der Steckverbindung 16 zur elektrischen Versorgung trägt.
Sie enthält einen den Druck im Arbeitsfluid überwachenden fluidisch-elektrischen Signalwandler 4 mit proportionalem oder schaltendem Charakter und der Signalwandler 4 wandelt das Drucksignal zunächst in ein Wegsignal und dann in ein elektrisches Signal.
Das Wegsignal liegt als eine elastische druckabhängige Verformung einer Membran 8 eines mit einem Druckanschluss 21 verbundenen Dämpfers 7 entsprechend 1 oder 2 vor.
Das elektrische Signal wird aus dem Wegsignal wahlweise erzeugt durch

• eine dehnungsabhängige Änderungen des elektrischen Widerstands im Elastomermaterial der Membran 8
• oder durch eine wegabhängige Änderung der elektrischen Kapazität eines aus einer elektrisch leitfähigen Membran 8 oder einer metallisch beschichteten Membran oder einer von einer Feder 20 umfassten Membran und einem innen metallisch beschichteten Spulenkörper 13 aufgebauten Kondensators entsprechend 2
• oder durch eine wegabhängige Änderung der elektrischen Kapazität einer Mehrzahl von in Reihe oder parallel geschalteter Kondensatoren mit einer gemeinsamen oder mit mehreren Platten 25, die mit der Membran 8 verbunden sind, wobei die gegenüberliegenden Platten 26 mit dem Spulenkörper 13 verbunden sind
• oder durch ein wegabhängiges schaltendes Überbrücken zweier oder mehrerer auf dem Spulenkörper 13 angebrachter elektrischer Kontakte 14 durch stofflich verbundene Kontakte 11 auf der Membran 8 entsprechend 1 oder durch eine elektrisch leitfähige Membran 8 oder eine metallische Feder 20, die die Membran 8 umfasst.

In einer vorteilhaften Ausführung ist die variable elektrische Kapazität durch zwei oder mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren ausgeprägt, wobei die Kondensatoren eine gemeinsame bewegliche von der Membran 8 gebildete oder getragenen Platte 25 und zwei oder mehrere unabhängige an dem Spulenkörper 13 befestigte Platten 26 aufweisen.
Das elektrische Signal des Signalwandlers 4 wird innerhalb des isolierenden Spulenkörper 13 mittels drahtförmiger oder als Stanzgitter ausgeführter elektrischer Leitungen 15 zu den Kontakten 24 des Steckverbinders 16 geleitet. Die biegesteifen Drähte oder das Stanzgitter werden bei der spitztechnischen Herstellung des Spulenkörpers in die Spritzform eingelegt und mit umspritzt.
Daneben wird das Signal innerhalb der Hubkolbenpumpe nicht von weiteren an Drähte gebundenen Leitungspfaden geleitet, sondern

• von der leitfähigen, leitfähig beschichteten oder mit elektrisch verbundenen Kontakten versehenen elastischen Membran 8 über statische elektrische Kontakte oder schaltende Kontakte 11 zu den Kontakten 14 im Spulenkörper
• und/oder von zusätzlichen Leitungspfaden durch auch andere Funktionen erfüllende metallische Bauteile, beispielsweise den Konus 18 oder das Joch 19, wobei diese Bauteile dauerhaft durch statische elektrische Kontakte Verbindung zu den Leitungen 15 im Spulenkörper 13 Verbindung haben.

3 illustriert das Verfahren zum Betrieb der Hubkolbenpumpe. Eine elektrische Ansteuerung 22 erzeugt ein pulsierendes elektrisches Signal zur Versorgung des Elektromagneten 2 und verarbeitet das aus einem Drucksignal gewandelte elektrische Signal des Signalwandlers 4 im Sinne einer On-Board-Diagnose.
Bei den unterschiedlichen Betriebsarten des Elektromagneten, wie zum Beispiel Teilhub und Vollhub, vergleicht die Ansteuerung die entsprechenden vorher ermittelten und gespeicherten Soll-Verläufe des Drucksignals mit dem Ist-Verlauf und bei einer unzulässig großen Abweichung gibt sie ein Fehlersignal an eine übergeordnete Steuerung 23 ab.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Elektromagnet
3: Spule
4: Signalwandler
5: Verdrängerraum (saugseitig)
6: Verdrängerraum (druckseitig)
7: Dämpfer
8: Membran
11: Schaltender Kontakt
13: Spulenkörper
14: Kontakt auf dem Spulenkörper
15: Elektrische Leitung
16: Steckverbinder
18: Konus
19: Joch
20: Feder
21: Druckanschluss
22: Elektrische Ansteuerung
23: Übergeordnete Steuerung
24: Kontakte des Steckverbinders
25: Bewegliche Platte des Kondensators
26: Ruhende Platte des Kondensators

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4328621 A1 [0002]
DE 10227659 B4 [0004]
DE 102006044252 B3 [0004]
DE 102011111938 B3 [0004]

Claims

Von einem Elektromagneten (2) angetriebene und von einem Arbeitsfluid durchströmte Hubkolbenpumpe (1) mit zwei Verdrängerräumen (5), und (6), einer Spule (3) des Elektromagneten, die einen Spulenkörper (13) aufweist, der auch Kontakte (24) einer Steckverbindung (16) zu einer elektrischen Ansteuerung (22) trägt, und einem druckmessenden fluidisch-elektrischen Signalwandler (4) mit proportionalem oder schaltendem Charakter, wobei der Signalwandler (4) das Drucksignal zunächst in ein Wegsignal und dann in ein elektrisches Signal wandelt, dadurch gekennzeichnet, dass das Wegsignal als eine elastische druckabhängige Verformung einer Membran (8) aus Elastomermaterial eines mit einem Druckanschluss (21) verbundenen Dämpfers (7) vorliegt und dass das elektrische Signal aus der Verformung der Membran (8) entsteht, indem sich ein von der Verformung abhängiger elektrischer Kennwert verändert, nämlich wahlweise – ein dehnungsabhängiger elektrischer Widerstands des Elastomermaterials der Membran (8), – oder eine elektrische Kapazität eines aus einer elektrisch leitfähigen, einer metallisch beschichteten oder einer von einer metallischen Feder (20) umfassten Membran (8) und einem innen metallisch beschichteten Spulenkörper (13) aufgebauten Kondensators – oder eine elektrische Kapazität einer Mehrzahl von Kondensatoren mit einer gemeinsamen oder mit mehreren beweglichen Platten (25), die mit der Membran (8) verbunden sind, wobei die der Membran gegenüberliegenden Platten (26) mit dem Spulenkörper (13) verbunden sind – oder ein elektrischer Widerstand einer Anordnung von Kontakten, die einerseits aus zwei oder mehreren auf dem Spulenkörper (13) angebrachten elektrischen voneinander isolierten Kontakten (14) und andererseits aus stofflich verbundenen Kontakten (11) auf der Membran (8) oder aus einer elektrisch leitfähige Membran (8) oder einer für die Schaltfunktion ausreichend breiten metallischen Feder (20) besteht, die die Membran (8) umfasst, wobei die beweglichen Kontakte einerseits und die an dem Spulenkörper befestigten Kontakte andererseits sich abhängig von der Verformung der Membran berühren oder nicht.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Signal des Signalwandlers (4) einerseits mittels drahtförmiger oder als Stanzgitter ausgeführter elektrischer Leitungen (15) im Inneren des isolierenden Spulenkörper (13) zu den Kontakten (24) des Steckverbinders (16) geleitet wird und darüber hinaus innerhalb der Hubkolbenpumpe nicht durch Drähte, sondern nur durch andere Mittel geleitet wird, nämlich – durch eine leitfähige, leitfähig beschichteten oder mit stofflich verbundenen Kontakten versehene elastische Membran (8) und über statische elektrische Kontakte oder schaltende Kontakte (11) zu den Kontakten (14) im Spulenkörper – und/oder über zusätzliche Leitungspfade durch auch andere Funktionen erfüllende metallische Bauteile, beispielsweise den Konus (18) oder das Joch (19), wobei diese Bauteile dauerhaft durch statische elektrische Kontakte Verbindung zu den Leitungen (15) im Spulenkörper (13) und/oder mit der Membranen (8) haben.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die variable elektrische Kapazität durch zwei oder mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren ausgeprägt ist, wobei die Kondensatoren eine gemeinsame bewegliche von der Membran (8) gebildete oder getragenen Platte (25) und zwei oder mehrere unabhängige an dem Spulenkörper (13) befestigte Platten (26) aufweisen.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Ansteuerung (22) ein pulsierendes elektrische Signal zur Versorgung eines Elektromagneten (2) erzeugt und das aus einem Drucksignal gewonnene elektrische Signal eines Signalwandlers (4) verarbeitet und dabei im Sinne einer On-Board-Diagnose bei den unterschiedlichen Betriebsarten des Elektromagneten, wie zum Beispiel Teilhub und Vollhub, die entsprechenden vorher ermittelten und gespeicherten Soll-Verläufe des Drucksignals mit dem Ist-Verlauf vergleicht und bei einer unzulässig großen Abweichung ein Fehlersignal an eine übergeordnete Steuerung (23) abgibt.