DE102012205366A1

DE102012205366A1 - Fluidfördervorrichtung

Info

Publication number: DE102012205366A1
Application number: DE201210205366
Authority: DE
Inventors: Alexander Schmid; Michael Offenhuber; Alexander Willnich; Siegfried Zerbin; Elvis Spahic; Okke Venekamp; Manfred Vogler; Stefan Orasch
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2012-04-02
Filing date: 2012-04-02
Publication date: 2013-10-02
Anticipated expiration: 2032-04-03
Also published as: DE102012205366B4

Abstract

Eine Fluidfördervorrichtung (1) hat eine Förderpumpe (8), ein Reservoir (2) zur Speicherung des zu fördernden Fluids (4), eine Druckleitung (10) und ein Umschaltventil (100, 200), das zwischen einer Förderstellung und einer Rücksaugstellung umschaltbar und derart hydraulisch mit der Förderpumpe (8), dem Reservoir (2) und der Druckleitung (10) verbunden ist, dass beim Betrieb der Förderpumpe (8) in der Förderstellung Fluid (4) durch eine Saugleitung (6) aus dem Reservoir (2) entnommen und in die Druckleitung (10) ausgegeben wird und dass in der Rücksaugstellung Fluid (4) aus der Druckleitung (10) in das Reservoir (2) gefördert wird, ohne dabei die Förderrichtung der Förderpumpe (8) umzukehren. Das Umschaltventil (100, 200) ist derart ausgebildet, dass es in der Rücksaugstellung die Saugleitung (6) fluiddicht verschließt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fluidfördervorrichtung, insb. eine Fluidfördervorrichtung zur Verwendung in einem Fluid-Einspritzsystem zur Abgasreduktion, und ein Verfahren zum Entleeren einer solchen Fluidfördervorrichtung.
Stand der Technik
Bei Kraftwagen mit Verbrennungsmotor muss unter anderem aufgrund der Abgasgesetzgebung neben anderen Schadstoffen auch der Schadstoff NO_x reduziert werden. Eine Methode, die dabei zur Anwendung kommt, ist das so genannte SCR-Verfahren, bei dem NO_x mit Hilfe eines flüssigen, harnstoffhaltigen Reduktionsmittels („AdBlue^®“) in einem Katalysator zu N₂ und H₂O reduziert wird.
Dabei fördert ein Fördermodul üblicherweise das flüssige, harnstoffhaltige Reduktionsmittel aus einem im Fahrzeug befindlichen Reservoir unter konstantem hydraulischen Druck zu einer Dosiereinheit, die am Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Bei den bisher üblichen Vorrichtungen und Verfahren werden zur Förderung der Harnstoffwasserlösung und zur Erzeugung des hydraulischen Drucks im Fördermodul üblicherweise Pumpentypen verwendet, bei denen die Förderrichtung der Pumpe nicht umkehrbar ist. Ein Umkehren der Fluidförderrichtung ist aber in einem Reduktionsmittel-Dosiersystem erforderlich, um aus Gründen des Gefrierschutzes das Reduktionsmittel vor dem Abschalten des Systems aus der Dosiereinheit und den hydraulischen Komponenten zurück in das Reservoir zu fördern.
Für das Umschalten der Förderrichtung werden in herkömmlichen Fördermodulen ein oder mehrere hydraulische Ventile verwendet. Zumeist werden dazu 4/2-Wegeventile verwendet, die hydraulisch parallel zur Pumpe verschaltet sind.
Bei den bisher bekannten Methoden zum Umschalten der Förderrichtung besteht im abgeschalteten Zustand das Risiko, dass es zu einem unbeabsichtigten und zeitlich unvorhersehbaren Rückfluss von Reduktionsmittel aus dem Reservoir in die Druckleitung und in der weiteren Folge in die Dosiereinheit kommt.
Das in die Dosiereinheit zurück geflossene Reduktionsmittel kann zu Beschädigung des Einspritz- und Dosiersystems führen, wenn das Reduktionsmittel bei Temperaturen von weniger als –11°C (Gefriertemperatur von Harnstoffwasserlösung) gefriert und sich dabei ausdehnt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Fluidfördervorrichtung und ein Verfahren zum Entleeren einer Fluidfördervorrichtung bereit zu stellen, wobei die Fluidfördervorrichtung zuverlässig entleert und ein unkontrollierter Rückfluss von Fluid aus dem Reservoir in die Druckleitung zuverlässig verhindert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Fluidfördervorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 1 und ein Verfahren zum Entleeren einer Fluidfördervorrichtung nach dem unabhängigen Anspruch 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Fluidfördervorrichtung und eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Eine erfindungsgemäße Fluidfördervorrichtung hat ein Reservoir zur Speicherung des zu fördernden Fluids, eine Druckleitung, eine Förderpumpe und ein Umschaltventil, das zwischen einer Förderstellung und einer Rücksaugstellung umschaltbar ist. Das Umschaltventil ist hydraulisch derart mit der Förderpumpe, dem Reservoir und der Druckleitung verbunden, dass beim Betrieb der Förderpumpe in der Förderstellung des Umschaltventils Fluid durch eine Saugleitung aus dem Reservoir entnommen und in die Druckleitung ausgegeben wird, und dass in der Rücksaugstellung des Umschaltventils Fluid aus der Druckleitung in das Reservoir gefördert wird, ohne dass es dafür notwendig ist, die Förderrichtung der Förderpumpe umzukehren. Das Umschaltventil ist dabei so ausgebildet, dass es die Saugleitung in der Rücksaugstellung fluiddicht verschließt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Entleeren einer Druckleitung einer Fluidfördervorrichtung schließt ein, das Fluid durch eine Rücklaufleitung zurück in das Reservoir zu fördern und eine Saugleitung, die im Förderbetrieb zur Entnahme von Fluid aus dem Reservoir dient, fluiddicht zu verschließen.
Dadurch, dass die Saugleitung in der Rücksaugstellung fluiddicht verschlossen wird, wird ein Rückfluss von Reduktionsmittel aus dem Reservoir in das Fördermodul und in der weiteren Folge zur Dosiereinheit zuverlässig verhindert, so dass keine Gefahr besteht, dass das Fördermodul oder die Dosiereinheit durch gefrierendes Reduktionsmittel beschädigt werden.
In einer Ausführungsform ist das Umschaltventil als 5/2-Wegeventil mit fünf Fluidanschlüssen ausgebildet. Durch ein 5/2-Wegeventil können die gewünschten Umschalt- und Abdichtfunktionen einfach mit einem einzigen Ventil realisiert werden.
In einer Ausführungsform ist das Umschaltventil aus zwei miteinander gekoppelten 3/2-Wegeventilen ausgebildet, die jeweils drei Fluidanschlüsse aufweisen. 3/2-Wegeventile sind einfach und kostengünstig herstellbar. Insbesondere wird so das bei 5/2-Wegeventilen häufig auftretende Problem einer konstruktiven Überbestimmung vermieden.
In einer Ausführungsform werden die beiden 3/2-Wegeventile von einem gemeinsamen Aktuator angesteuert. Durch einen gemeinsamen Aktuator wird sichergestellt, dass die beiden Ventile immer gemeinsam betätigt werden. Unerwünschte Schaltzustände, die auftreten können, wenn nur eines der beiden 3/2-Wegeventile betätigt wird, werden so zuverlässig ausgeschlossen.
In einer alternativen Ausführungsform werden die beiden 3/2-Wegeventile jeweils durch einen eigenen Aktuator angesteuert. Die Aktuatoren können so in das jeweilige 3/2-Wegeventil integriert werden.
In einer Ausführungsform ist der Aktuator als elektromagnetischer Aktuator ausgebildet. Ein elektromagnetischer Aktuator stellt einen zuverlässigen, kostengünstigen und einfach anzusteuernden Aktuator zur Verfügung.
In einer Ausführungsform ist das Umschaltventil so ausgebildet, dass es im Förderbetrieb vom Fluiddruck in der Förderstellung gehalten wird. In diesem Fall wird der Aktuator nur zu Beginn des Förderbetriebs aktiviert und muss daher nicht für einen Dauerbetrieb ausgelegt sein.
In einer Ausführungsform ist das Umschaltventil so ausgebildet, dass es bei deaktiviertem Aktuator in die Rücksaugstellung zurückfällt. Da in diesem Fall der Aktuator nicht erforderlich ist, um das Umschaltventil in die Rücksaugstellung zu schalten, beeinträchtigt ein Fehler oder Defekt im Aktuator oder dessen Ansteuerung die Rücksaugfunktion nicht.
In einer Ausführungsform ist das Umschaltventil mit wenigstens einer Membrandichtung ausgebildet. Eine Membrandichtung stellt eine zuverlässige Dichtung zur Verfügung, die insbesondere auch dann zuverlässig abdichtet, wenn das Fluid im Bereich der Dichtung kristallisiert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren schließt ein, die Saugleitung durch ein Umschaltventil, das ausgebildet ist, um die Fluidförderrichtung umzukehren, zu verschließen. Dadurch kann die Saugleitung einfach und kostengünstig, insbesondere ohne ein weiteres Ventil zu verwenden, verschlossen werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
1 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Fördervorrichtung im Förderbetrieb;
2 schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Fördervorrichtung im Rücksaugbetrieb;
3 eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen 3/2-Wegeventils;
4 eine erste Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen 5/2-Wegeventils;
5 eine zweite Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen 5/2-Wegeventils.
1 zeigt schematisch den Aufbau einer erfindungsgemäßen Fördervorrichtung 1.
Die Fluidfördervorrichtung 1 weist eine Saugleitung 6 auf, die in einen unteren Bereich eines Fluidtanks 2 mündet und so in der Lage ist, in dem Fluidtank 2 gespeichertes Fluid 4 aufzunehmen. Die Saugleitung 6 ist über den ersten Anschluss 110 und den zweiten Anschluss 112 eines ersten 3/2-Wegeventils 100 mit dem Eingang einer Fluidförderpumpe 8 verbunden. Der Ausgang der Fluidförderpumpe 8 ist über einen zweiten Anschluss 212 und den ersten Anschluss 210 eines zweiten 3/2-Wegeventils 200 hydraulisch mit einer Druckleitung 10 verbindbar, um beim Betrieb der Fluidförderpumpe 8 von der Fluidförderpumpe 8 gefördertes Fluid unter erhöhtem Druck in die Druckleitung 10 auszugeben.
Darüber hinaus ist der Ausgang der Fluidförderpumpe 8 über eine Festdrossel 14 hydraulisch mit einer Rücklaufleitung 16 verbunden. Diese Verbindung ermöglicht es, dass überschüssiges Fluid, das in der Druckleitung 10 nicht benötigt wird, durch die Festdrossel 14 zurück in den Fluidtank 2 fließt.
In der 1 ist die Fluidfördervorrichtung 1 in einem Arbeits- bzw. Fluidförderzustand gezeigt, in dem die beiden Umschaltventile 100, 200 so geschaltet sind, dass das Fluid 4 beim Betrieb der Fluidförderpumpe 8 durch die Saugleitung 6 aus dem Fluidtank 2 angesaugt und unter erhöhtem Druck in die Druckleitung 10 ausgegeben wird.
Da ein Teil des von der Fluidförderpumpe 8 geförderten Fluids durch die Festdrossel 14 und die Rücklaufleitung 16 in den Fluidtank 2 zurück fließt, ist der Fluiddruck in der Druckleitung 10 durch die Wahl der Drehzahl der Fluidförderpumpe 8 auf einen gewünschten Wert einstellbar.
In dem in der 1 gezeigten Arbeits- bzw. Fluidförderzustand sind der erste Fluidanschluss 110 und der zweite Fluidanschluss 112 des ersten Umschaltventils 100 hydraulisch miteinander verbunden und der dritte Fluidanschluss 114 ist geschlossen. Ebenso sind der erste Fluidanschluss 210 und der zweite Fluidanschluss 212 des zweiten Umschaltventils 200 hydraulisch miteinander verbunden und der dritte Fluidanschluss 214 des zweiten Umschaltventils 200 ist geschlossen.
Die beiden Umschaltventile 100 und 200 sind dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass sie durch das durch die Umschaltventile 100, 200 strömende Fluid in der gezeigten Arbeits- bzw. Fluidförderstellung gehalten werden. Der gezeigte Arbeits- bzw. Fluidförderzustand der Fluidfördervorrichtung 1 kann so allein durch Betreiben der Fluidförderpumpe 8 aufrecht erhalten werden, ohne die Umschaltventile 100 und 200 fortdauernd anzusteuern. Insbesondere ist es nicht notwendig, einen Aktuator 122, der zum Ansteuern der Umschaltventile 100 und 200 vorgesehen ist, während der gesamten Dauer des Arbeits- bzw. Fluidförderbetriebs in einem aktivierten Zustand zu halten.
Nach dem Abschalten der Fluidfördervorrichtung 1 besteht der Bedarf, das noch in der Druckleitung 10 und in einer an die Druckleitung 10 angeschlossenen (nicht gezeigten) Einspritzvorrichtung vorhandene Fluid 4 zurück in den Tank 2 zu fördern, um zu verhindern, dass das Fluid 4 bei niedrigen Umgebungstemperaturen in der Druckleitung 10 und/oder der Fluidfördervorrichtung 1 gefriert und durch die beim Gefrieren auftretende Volumenausdehnung die Druckleitung 10, die an die Druckleitung 10 angeschlossene Einspritzvorrichtung(en) oder andere Komponenten der Fluidfördervorrichtung 1 beschädigt. Da die Förderrichtung der Fluidförderpumpe 8 aufgrund ihrer Bauart in der Regel nicht umkehrbar ist, muss das Zurücksaugen des Fluids 4 durch externes Umschalten der Fluidverbindungen der Fluidförderpumpe 8 mit der Druckleitung 10, der Saugleitung 6 und der Rücklaufleitung 16 erfolgen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Fluidfördervorrichtung 1 im Rücksaugbetrieb. Durch den elektromagnetischen Aktuator 122, der mechanisch mit den Umschaltventilen 100, 200 gekoppelt ist, werden die Umschaltventile 100, 200 vom Förder- in den Rücksaugzustand umgeschaltet. Im Rücksaugzustand sind der zweite Fluidanschluss 112 und der dritte Fluidanschluss 114 des ersten Umschaltventils 100 hydraulisch miteinander verbunden und der erste Fluidanschluss 110 des ersten Umschaltventils 100 ist fluiddicht verschlossen.
Im Rücksaugzustand sind weiterhin der zweite Fluidanschluss 212 und der dritte Fluidanschluss 214 des zweiten Umschaltventils 200 hydraulisch miteinander verbunden und der erste Fluidanschluss 210 des zweiten Umschaltventils 200 ist verschlossen.
Die Förderrichtung der Fluidförderpumpe 8 ist gegenüber dem in der 1 gezeigten Arbeits- bzw. Fluidförderzustand unverändert. Durch die geänderte Stellung der Umschaltventile 100, 200 wird in dem in der 2 gezeigten Rücksaugzustand von der Förderpumpe 8 im Betrieb Fluid aus der Druckleitung 10 durch den dritten und zweiten Fluidanschluss 114, 112 des ersten Umschaltventils 100 angesaugt und im Wesentlichen durch eine Bypassleitung 12 und den zweiten und dritten Fluidanschluss 212, 214 des zweiten Umschaltventils 200 unter Umgehung der Festdrossel 14 durch die Rücklaufleitung 16 zurück in den Fluidtank 2 gefördert. Dieser Zustand wird aufrecht erhalten, bis die Druckleitung 10, die an die Druckleitung 10 angeschlossene Einspritzvorrichtung und die Fluidfördervorrichtung 1 vollständig entleert sind.
Der erste Fluidanschluss 110 des ersten Umschaltventils 100, an den die Saugleitung 6 angeschlossen ist, wird durch das erste Umschaltventil 100 in der Rücksaugstellung vollständig und fluiddicht verschlossen. Durch das Verschließen der Saugleitung 6 wird ein unerwünschtes Eintreten von Fluid 4 aus dem Fluidtank 2 in die Fluidfördervorrichtung 1 und insbesondere in die Druckleitung 10 in der Rücksaugstellung des ersten Umschaltventils 100 zuverlässig verhindert.
Die Rücklaufleitung 16 mündet oberhalb des höchstmöglichen Fluidlevels in den Fluidtank 2, so dass auch durch die Rücklaufleitung 16 kein Fluid 4 aus dem Fluidtank 2 in die Fluidfördervorrichtung 1 eindringen kann.
Durch Betreiben der erfindungsgemäßen Fluidfördervorrichtung 1 im Rücksaugbetrieb wird sichergestellt, dass die Druckleitung 10 und die Fluidfördervorrichtung 1 vollständig entleert werden und auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen keine Beschädigungen durch in der Druckleitung 10 und/oder in der Fluidfördervorrichtung 1 gefrierendes Fluid auftreten können.
3 zeigt eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels eines 3/2-Wegeventils 100, wie es als Umschaltventil 100, 200 in der in den 1 und 2 gezeigten Fluidfördervorrichtung 1 verwendet werden kann.
Ein derartiges 3/2-Wegeventil 100 weist einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Ventilkörper 104 auf, in dessen Umfang in Axialrichtung voneinander beabstandet drei Fluidanschlüsse 110, 112, 114 ausgebildet sind. Die Fluidanschlüsse 110, 112, 114 münden in einen gemeinsamen Ventilraum 105, der im Wesentlichen zylinderförmig entlang einer Längsachse A des Ventilkörpers 104 ausgebildet ist.
Der Ventilraum 105 ist an der in der 3 unten dargestellten Stirnseite des Ventilkörpers 104 durch eine Verschlussplatte 106 verschlossen, wobei die Nahtstelle zwischen der Verschlussplatte 106 und dem Ventilkörper 104 durch einen O-Ring 108 fluiddicht abgedichtet ist.
In dem Ventilraum 105 ist entlang der Längsachse A ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeter Schieber 116 angeordnet, der parallel zur Längsachse A zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist.
Um das der Verschlussplatte 106 zugewandte Ende 116a des Schiebers 116 ist ein Dichtungselement 127 ausgebildet. Das Dichtungselement 127 ist seinerseits von einer ersten Dichtungsmembran 128 umschlossen, deren Rand, z.B. durch Einklemmen zwischen dem Dichtungselement 127 und dem Schieber 116, fixiert ist.
Der erste Fluidanschluss 110 mündet im Bereich des Dichtungselements 127 in einen ersten Bereich 105a des Ventilraums 105, der an die Verschlussplatte 106 angrenzt.
Oberhalb des ersten Fluidanschlusses 110 und des Dichtungselements 127 verengt sich der Querschnitt des Ventilraums 105 in einer Ebene, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist. Auf diese Weise ist um den Umfang des Schiebers 116 eine erste Anschlagfläche 130 ausgebildet, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist.
Wird der Schieber 116 parallel zur Längsachse A von der unteren Verschlussplatte 106 weg nach oben bewegt, wird ein um den oberen Bereich des Dichtungselements 127 angeordneter Bereich der Dichtungsmembran 128 gegen die erste Anschlagfläche 130 gedrückt, wodurch der erste Bereich 105a des Ventilraums 105, in den der erste Fluidanschluss 110 mündet, hydraulisch von einem zweiten Bereich 105b des Ventilraums 105, der oberhalb der ersten Anschlagfläche 130 angeordnet ist, getrennt wird.
Der zweite Fluidanschluss 112 mündet oberhalb der ersten Anschlagfläche 130 in den zweiten Bereich 105b des Ventilraums 105, so dass in dem beschriebenen Fall, in dem der erste Bereich 105a und der zweite Bereich 105b des Ventilraums 105 hydraulisch voneinander getrennt sind, keine Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss 110 und dem zweiten Fluidanschluss 112 besteht.
Ein von der Verschlussplatte 106 abgewandtes Ende 116b des Schiebers 116 ist von einem der Verschlussplatte 106 zugewandten Bereich 120a eines ebenfalls im Wesentlichen zylindrisch um die Achse A ausgebildeten Ankers 120 umgeben. Der der Verschlussplatte 106 zugewandte Bereich 120a des Ankers 120 ist von einer zweiten Dichtungsmembran 124 umschlossen, deren Rand, z.B. durch Einklemmen, zwischen dem Anker 120 und dem Schieber 116 fixiert ist.
Der dritte Fluidanschluss 114 mündet oberhalb des zweiten Fluidanschlusses 112 in einen dritten Bereich 105c des Ventilraums 105. Der dritte Bereich 105c des Ventilraums 105 weist in einer Ebene, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist, einen größeren Querschnitt als der zweite Bereich 105b auf.
Am Übergang zwischen dem zweiten Bereich 105b und dem dritten Bereich 105c des Ventilraums 105 ist eine zweite Anschlagfläche 126 derart ausgebildet, dass eine von der zweiten Dichtungsmembran 124 überzogene untere Stirnseite des Ankers 120 gegen die zweite Anschlagfläche 126 gedrückt wird, wenn der Schieber 116 parallel zur Längsachse A in Richtung auf die Verschlussplatte 106 (nach unten) bewegt wird. Dadurch wird der dritte Bereich 105c des Ventilraums 105, in den der dritte Fluidanschluss 114 mündet, vom zweiten Bereich 105b des Ventilraums 105, in den der zweite Fluidanschluss 112 mündet, getrennt.
Bei einer derartigen Bewegung des Schiebers 116 in Richtung auf die Verschlussplatte 106 löst sich der von der ersten Dichtungsmembran 128 überzogene (obere) Bereich des Dichtungselements 127 von der ersten Anschlagfläche 130, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Bereich 105a und dem zweiten Bereich 105b des Ventilraums 105 und damit zwischen dem ersten Fluidanschluss 110 und dem zweiten Fluidanschluss 112 hergestellt wird.
Auf diese Weise kann der zweite Fluidanschluss 112, der in den zweiten Bereich 105b des Ventilraums 105 mündet, durch Bewegen des Schiebers 116 entlang der Achse A wahlweise hydraulisch mit dem ersten Fluidanschluss 110, der in den ersten Bereich 105a des Ventilraums mündet, oder dem dritten Fluidanschluss 114, der in den dritten Bereich 105c des Ventilraums mündet, verbunden werden, wobei gleichzeitig die Fluidverbindung des zweiten Fluidanschlusses 112 mit dem jeweils anderen der beiden weiteren Fluidanschlüsse 110, 114 getrennt wird.
Um den dem Schieber 116 zugewandten Bereich 120a des Ankers 120 ist innerhalb der zweiten Dichtungsmembran 124 ein elastisches Federelement 118 so angeordnet, dass es den Anker 120 derart elastisch an einem Anschlag 121 abstützt, dass es den Anker 120, den Schieber 116 und das erste Dichtungselement 127 in Richtung der Verschlussplatte 106 (nach unten) in eine erste Position drückt, in der der zweite Fluidanschluss 112 hydraulisch mit dem ersten Fluidanschluss 110 verbunden und der zweite Fluidanschluss 112 hydraulisch von dem dritten Fluidanschluss 114 getrennt ist. Dabei wird die Fluidverbindung zwischen dem zweiten Fluidanschluss 112 und dem dritten Fluidanschluss 114, wie zuvor beschrieben, durch die zweite Dichtungsmembran 124, die in dieser Position des Schiebers 116 auf der zweiten Anschlagfläche 126 aufliegt, fluiddicht abgedichtet.
Um das von dem Schieber 116 abgewandte Ende 120b des Ankers 120 ist ein Elektromagnet 122 mit einer um die Längsachse A gewickelten Spule 123 derart ausgebildet, dass der Anker 120 und mit ihm der Schieber 116 durch Bestromen der Spule 123 gegen die Kraft des elastischen Federelements 118 von der zuvor beschriebenen ersten Position in eine zweite Position bewegbar sind, bei der sich die untere, von der zweiten Dichtungsmembran 124 überzogene Stirnseite des Ankers 120 von der zweiten Anschlagfläche 131 löst und eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Bereich 105b und dem dritten Bereich 105c des Ventilraums 105 hergestellt wird.
Bei einer derartigen Bewegung wird die von der Verschlussplatte 106 abgewandte, von der ersten Dichtungsmembran 128 überzogene, obere Stirnseite des Dichtungselements 127 gegen die erste Stirnfläche 130 gedrückt und trennt so, wie zuvor beschrieben, den ersten Bereich 105a hydraulisch vom zweiten Bereich 105b des Ventilraums 105.
Der zweite Fluidanschluss 112 wird so hydraulisch mit dem dritten Fluidanschluss 114 verbunden und gleichzeitig hydraulisch von dem ersten Fluidanschluss 110 getrennt.
Dadurch, dass die Dichtungen 124, 128 in einem erfindungsgemäßen 3/2-Wegeventil 100 als stirnseitige Membrandichtungen 124, 128 ausgebildet sind, die zum Abdichten gegen korrespondierende Anschlagflächen 130, 131 gedrückt werden, werden die Nachteile eines bewegten Dichtungselements, wie z. B. einer um einen Kolben angeordnete Dichtlippe, vermieden. Insbesondere bleibt anders bei einer beweglichen Dichtlippe an der Dichtstelle kein Fluidfilm stehen, der nach einer Auskristallisation des Fluids die Dichtung durchlässig machen und somit eine Leckage des Ventils 100 verursachen kann.
Die Erfindung stellt daher ein dauerhaft und zuverlässig abdichtendes 3/2-Wegeventil 100 zur Verfügung.
Die 4 und 5 zeigen jeweils eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen 5/2-Wegeventils 300 in zwei um eine Achse A um 90 Grad gegeneinander verdrehte Ebenen.
Ein erfindungsgemäßes 5/2-Wegeventil 300 umfasst zwei 3/2-Wegeventile 100, 200, die auf einer gemeinsamen Längsachse A angeordnet und durch einen gemeinsamen Elektromagneten 122, der zwischen den beiden 3/2-Wegeventilen 100, 200 auf deren gemeinsamer Längsachse A angeordnet ist, betätigbar sind.
Im Folgenden wird zunächst der Aufbau des in den 4 und 5 unten dargestellten ersten 3/2-Wegeventils 100 beschrieben.
Das erste 3/2-Wegeventil 100 weist einen um eine Längsachse A im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten ersten Ventilkörper 104 auf, entlang dessen Umfang in Axialrichtung voneinander beabstandet drei Fluidanschlüsse 110, 112, 114 ausgebildet sind. Die drei Fluidanschlüsse 110, 112, 114 münden in einen gemeinsamen ersten Ventilraum 105, der im Wesentlichen zylinderförmig entlang der Längsachse A des ersten Ventilkörpers 104 ausgebildet ist.
In dem ersten Ventilraum 105 ist entlang der Längsachse A ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeter erster Schieber 116 angeordnet, der parallel zur Längsachse A zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist.
Um das untere Ende 116a des ersten Schiebers 116 ist ein erstes Dichtungselement 127 ausgebildet. Das erste Dichtungselement 127 ist seinerseits von einer ersten Dichtungsmembran 128 umschlossen, deren Rand, z.B. durch Einklemmen zwischen dem ersten Dichtungselement 127 und dem ersten Schieber 116, fixiert ist. Der erste Fluidanschluss 110 mündet im Bereich des ersten Dichtungselements 127 in einen ersten Bereich 105a des ersten Ventilraums 105.
Oberhalb des ersten Fluidanschlusses 110 und des ersten Dichtungselements 127 verengt sich der Querschnitt des ersten Ventilraums 105 in einer Ebene, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist. Dadurch ist um den Umfang des ersten Schiebers 116 eine erste Anschlagfläche 130 ausgebildet, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A ausgerichtet ist.
Wird der erste Schieber 116 parallel zur Längsachse A nach oben bewegt, wird ein um den oberen Bereich des ersten Dichtungselements 127 angeordneter Bereich der ersten Dichtungsmembran 128 gegen die erste Anschlagfläche 130 gedrückt, wodurch der erste Bereich 105a des ersten Ventilraums 105, in den der erste Fluidanschluss 110 des ersten 3/2-Wegeventils 100 mündet, hydraulisch von einem zweiten Bereich 105b des ersten Ventilraums 105, der oberhalb der ersten Anschlagfläche 130 angeordnet ist, getrennt wird.
Der zweite Fluidanschluss 112 des ersten 3/2-Wegeventils 100 mündet oberhalb der ersten Anschlagfläche 130 in den zweiten Bereich 105b des ersten Ventilraums 105, so dass in dem zuvor beschriebenen Fall, in dem der erste Bereich 105a und der zweite Bereich 105b des ersten Ventilraums 105 hydraulisch voneinander getrennt sind, keine Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss 110 und dem zweiten Fluidanschluss 112 des ersten 3/2-Wegeventils 100 besteht.
Am oberen Ende 116b des ersten Schiebers 116 ist ein im Wesentlichen zylindrisch um die Achse A ausgebildetes zweites Dichtungselement 119 vorgesehen, das von einer zweiten Dichtungsmembran 124 umschlossen ist. Der Rand der zweiten Dichtungsmembran 124 ist, z.B. durch Einklemmen zwischen dem ersten Schieber 116 und dem zweiten Dichtungselement 119, fixiert.
Der dritte Fluidanschluss 114 des ersten 3/2-Wegeventils 100 mündet oberhalb des zweiten Fluidanschlusses 112 in einen dritten Bereich 105c des ersten Ventilraums 105. Der dritte Bereich 105c des ersten Ventilraums 105 weist in einer Ebene, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist, einen größeren Querschnitt als der zweite Bereich 105b des ersten Ventilraums 105 auf.
Am Übergang zwischen dem zweiten Bereich 105b und dem dritten Bereich 105c des ersten Ventilraums 105 ist eine zweite Anschlagfläche 126 derart ausgebildet, dass eine von der zweiten Dichtungsmembran 124 überzogene untere Stirnseite des zweiten Dichtungselements 119 gegen die zweite Anschlagfläche 126 gedrückt wird, wenn der erste Schieber 116 parallel zur Längsachse A nach unten bewegt wird. Dadurch wird der dritte Bereich 105c des ersten Ventilraums 105, in den der dritte Fluidanschluss 114 mündet, hydraulisch vom zweiten Bereich 105b des ersten Ventilraums 105, in den der zweite Fluidanschluss 112 mündet, getrennt.
Bei einer derartigen Bewegung des ersten Schiebers 116 „nach unten“ löst sich der von der ersten Dichtungsmembran 128 überzogene obere Bereich des ersten Dichtungselements 127 von der ersten Anschlagfläche 130, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Bereich 105a und dem zweiten Bereich 105b des ersten Ventilraums 105 und damit zwischen dem ersten Fluidanschluss 110 und dem zweiten Fluidanschluss 112 des ersten Ventilraums 105 hergestellt wird.
Auf diese Weise kann der in den zweiten Bereich 105b des ersten Ventilraums 105 mündende zweite Fluidanschluss 112 durch Bewegen des ersten Schiebers 116 entlang der Achse A wahlweise hydraulisch mit dem ersten Fluidanschluss 110, der in den ersten Bereich 105a des ersten Ventilraums 105 mündet, oder dem dritten Fluidanschluss 114, der in den dritten Bereich 105c des ersten Ventilraums 105 mündet, verbunden werden, wobei die Fluidverbindung des zweiten Fluidanschlusses 112 mit dem jeweils anderen der beiden weiteren Fluidanschlüsse 110, 114 getrennt wird.
Oberhalb des zweiten Dichtungselements 119 ist ein erster Anker 120 vorgesehen, der durch ein erstes Federelement 118 elastisch auf einem zentralen Anschlag 125 abgestützt wird. Dabei drückt das erste Federelement 118 den ersten Anker 120, den ersten Schieber 116 sowie das erste und das zweite Dichtungselement 127, 119 von dem zentralen Anschlag 125 weg in eine erste (untere) Position, in der der zweite Fluidanschluss 112 hydraulisch mit dem ersten Fluidanschluss 110 verbunden und der zweite Fluidanschluss 112 hydraulisch von dem dritten Fluidanschluss 114 getrennt ist. Dabei wird die Fluidverbindung zwischen dem zweiten Fluidanschluss 112 und dem dritten Fluidanschluss 114, wie zuvor beschrieben, durch die zweite Dichtungsmembran 124, die in dieser Position des ersten Schiebers 116 auf der zweiten Anschlagfläche 126 aufliegt, fluiddicht abgedichtet.
Um den Umfang des ersten Ankers 120 und des zentralen Anschlags 125 ist ein Elektromagnet 122 mit einer um die Längsachse A gewickelten Spule 123 derart ausgebildet, dass der erste Anker 120 und mit ihm der erste Schieber 116 durch Bestromen der Spule 123 gegen die Kraft des ersten Federelements 118 von der zuvor beschriebenen ersten (unteren) Position in eine zweite (obere) Position bewegbar sind, bei der sich die untere, von der zweiten Dichtungsmembran 124 überzogene Stirnseite des zweiten Dichtungselements 119 von der zweiten Anschlagfläche 126 löst und eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Bereich 105b und dem dritten Bereich 105c des ersten Ventilraums 105 hergestellt wird.
Bei einer derartigen Bewegung des Schiebers 116 wird die von der ersten Dichtungsmembran 128 überzogene, obere Stirnseite des ersten Dichtungselements 127 gegen die erste Anschlagfläche 130 gedrückt und trennt so, wie zuvor beschrieben, den ersten Bereich 105a des ersten Ventilraums 105 hydraulisch vom zweiten Bereich 105b. Dies hat zur Folge, dass der zweite Fluidanschluss 112 des ersten 3/2-Wegeventils 100 hydraulisch mit dem dritten Fluidanschluss 114 verbunden und hydraulisch von dem ersten Fluidanschluss 110 getrennt wird.
Das zweite 3/2-Wegeventil 200 ist auf der dem ersten 3/2-Wegeventil 100 gegenüberliegenden Seite des Elektromagneten 122 ausgebildet.
Das zweite 3/2-Wegeventil 200 weist einen zweiten Ventilkörper 204 auf, der sich ebenfalls im Wesentlichen entlang der Längsachse A erstreckt und an seinem von dem Elektromagneten 122 abgewandten Ende durch einen O-Ring 108 und eine Verschlussplatte 206 fluiddicht verschlossen ist.
In dem zweiten Ventilkörper 204 ist ein im Wesentlichen zylindrisch um die Längsachse A ausgebildeter zweiter Ventilraum 205 ausgebildet, in den drei Fluidanschlüsse 210, 212, 214 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 münden.
In dem zweiten Ventilraum 205 ist entlang der Längsachse A ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeter zweiter Schieber 216 angeordnet, der parallel zur Längsachse A zwischen einer ersten und einer zweiten Position bewegbar ist.
Um das obere, der Verschlussplatte 206 zugewandte Ende 216a des zweiten Schiebers 216 ist ein drittes Dichtungselement 227 ausgebildet. Das dritte Dichtungselement 227 ist seinerseits von einer dritten Dichtungsmembran 228 umschlossen, deren Rand, z.B. durch Einklemmen zwischen dem dritten Dichtungselement 227 und dem zweiten Schieber 216, fixiert ist.
Der erste Fluidanschluss 210 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 mündet im Bereich des dritten Dichtungselements 227 in einen ersten (oberen) Bereich 205a des zweiten Ventilraums 205.
Unterhalb des ersten Fluidanschlusses 210 und des dritten Dichtungselements 227 verengt sich der Querschnitt des zweiten Ventilraums 205 in einer Ebene, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist. Dadurch ist um den Umfang des zweiten Schiebers 216 eine dritte Anschlagfläche 230 ausgebildet, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A ausgerichtet ist.
Wird der zweite Schieber 216 parallel zur Längsachse A nach unten in Richtung auf den Elektromagneten 122 bewegt, wird ein um den unteren Bereich des dritten Dichtungselements 227 angeordneter Bereich der dritten Dichtungsmembran 228 gegen die dritte Anschlagfläche 230 gedrückt und der erste Bereich 205a des zweiten Ventilraums 205, in den der erste Fluidanschluss 210 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 mündet, wird hydraulisch von einem zweiten Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205, der unterhalb der dritten Anschlagfläche 230 ausgebildet ist, getrennt.
Der zweite Fluidanschluss 212 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 mündet unterhalb der dritten Anschlagfläche 230 in den zweiten Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205, so dass in dem beschriebenen Fall, in dem der erste Bereich 205a und der zweite Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205 hydraulisch voneinander getrennt sind, keine Fluidverbindung zwischen dem ersten Fluidanschluss 210 und dem zweiten Fluidanschluss 212 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 besteht.
Um das dem Elektromagneten 122 zugewandte (untere) Ende 216b des zweiten Schiebers 216 ist ein im Wesentlichen zylindrisch um die Längsachse A ausgebildetes viertes Dichtungselement 219 ausgebildet, das von einer vierten Dichtungsmembran 224 umschlossen ist. Der Rand der vierten Dichtungsmembran 224 ist, z.B. durch Einklemmen zwischen dem zweiten Schieber 216 und dem vierten Dichtungselement 219, fixiert.
Der dritte Fluidanschluss 214 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 mündet unterhalb des zweiten Fluidanschlusses 212 in einen dritten Bereich 205c des zweiten Ventilraums 205. Der dritte Bereich 205c des zweiten Ventilraums 205 weist in einer Ebene, die in einem im Wesentlichen rechten Winkel zur Längsachse A angeordnet ist, einen größeren Querschnitt als der zweite Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205 auf.
Am Übergang zwischen dem zweiten Bereich 205b und dem dritten Bereich 205c des zweiten Ventilraums 205 ist eine vierte Anschlagfläche 226 derart ausgebildet, dass eine von der vierten Dichtungsmembran 224 überzogene obere Stirnseite des vierten Dichtungselements 219 gegen die vierte Anschlagfläche 226 gedrückt wird, wenn der zweite Schieber 216 parallel zur Längsachse A in Richtung auf die Verschlussplatte 206 (nach oben) bewegt wird. Dadurch wird der dritte Bereich 205c des zweiten Ventilraums 205, in den der dritte Fluidanschluss 214 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 mündet, hydraulisch vom zweiten Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205, in den der zweite Fluidanschluss 212 mündet, getrennt.
Bei einer derartigen Bewegung des zweiten Schiebers 216 löst sich der von der dritten Dichtungsmembran 228 überzogene untere Bereich des dritten Dichtungselements 227 von der dritten Anschlagfläche 230, so dass eine Fluidverbindung zwischen dem ersten Bereich 205a und dem zweiten Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205 und damit zwischen dem ersten Fluidanschluss 210 und dem zweiten Fluidanschluss 212 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 hergestellt wird.
Auf die beschriebene Weise kann der in den zweiten Bereich 205b des zweiten Ventilraums 205 mündende zweite Fluidanschluss 212 durch Bewegen des zweiten Schiebers 216 entlang der Achse A wahlweise hydraulisch mit dem ersten Fluidanschluss 210, der in den ersten Bereich 205a des zweiten Ventilraums 205 mündet, oder dem dritten Fluidanschluss 214, der in den dritten Bereich 205c des zweiten Ventilraums 205 mündet, verbunden werden, wobei die Fluidverbindung des zweiten Fluidanschlusses 212 mit dem jeweils anderen der beiden weiteren Fluidanschlüsse 210, 214 getrennt wird.
Unterhalb des vierten Dichtungselements 219 ist ein zweiter Anker 220 vorgesehen, der durch ein zweites Federelement 218 elastisch auf dem zentralen Anschlag 125 abgestützt wird. Dabei drückt das zweite Federelement 218 den zweiten Anker 220, den zweiten Schieber 216, das dritte und das vierte Dichtungselement 227, 219 von dem zentralen Anschlag 125 weg (nach oben) in eine erste Position, in der der zweite Fluidanschluss 212 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 hydraulisch mit dem ersten Fluidanschluss 210 verbunden und der zweite Fluidanschluss 212 hydraulisch von dem dritten Fluidanschluss 214 getrennt ist. Dabei wird die Fluidverbindung zwischen dem zweiten Fluidanschluss 212 und dem dritten Fluidanschluss 214, wie zuvor beschrieben, durch die vierte Dichtungsmembran 224, die in dieser Position des zweiten Schiebers 216 auf der vierten Anschlagfläche 226 aufliegt, fluiddicht abgedichtet.
Der zweite Anker 220 ist derart innerhalb der Spule 123 des Elektromagneten 122 angeordnet, dass der zweite Anker 220 und mit ihm der zweite Schieber 216 durch Bestromen der Spule 123 gegen die Kraft des zweiten Federelements 218 von der zuvor beschriebenen ersten Position in eine zweite Position bewegbar sind, bei der sich die untere, von der vierten Dichtungsmembran 224 überzogene Stirnseite des vierten Dichtungselements 219 von der vierten Anschlagfläche 226 löst und eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten Bereich 205b und dem dritten Bereich 205c des zweiten Ventilraums 205 hergestellt wird.
Der erste Fluidanschluss 110 des ersten 3/2-Wegeventils 100 ist durch eine Fluidverbindung 211, die beispielsweise als Rohr oder Schlauch ausgebildet ist, mit dem ersten Fluidanschluss 210 des zweiten 3/2-Wegeventils 200 verbunden, wodurch die beiden 3/2-Wegeventile 100, 200 zu einem gemeinsamen 5/2-Wegeventil 300 kombiniert werden. In der Fluidverbindung 211 ist ein Fluidanschluss 111 ausgebildet, der neben den vier Fluidanschlüssen 112, 114, 212, 214 den fünften Fluidanschluss 111 des erfindungsgemäßen 5/2-Wegeventils bildet.
Ein derart aufgebautes 5/2-Wegeventil 300, das aus zwei 3/2-Wegeventilen 100, 200 kombiniert ist, die von einem gemeinsamen Elektromagneten 122 angesteuert werden, vermeidet den Nachteil einer statischen Überbestimmtheit, wie er üblicherweise in herkömmlichen 5/2-Wegeventilen auftritt.
Die in den 4 und 5 gezeigte Kombination von zwei 3/2-Wegeventilen 100, 200 zu einem 5/2-Wegeventil 300 stellt so ein einfach und kostengünstig herzustellendes und zuverlässig arbeitendes 5/2-Wegeventil 300 zur Verfügung, das auch den Vorteil hat, dass Undichtigkeiten, die sich bei bewegten Dichtelementen, wie z. B. herkömmlichen Dichtlippen, durch Auskristallisation des Fluids ergeben können, zuverlässig vermieden werden.

Claims

Fluidfördervorrichtung (1) mit einer Förderpumpe (8), einem Reservoir (2) zur Speicherung von zu förderndem Fluid (4), einer Druckleitung (10) und einem Umschaltventil (100, 200), das zwischen einer Förderstellung und einer Rücksaugstellung umschaltbar und derart hydraulisch mit der Förderpumpe (8), dem Reservoir (2) und der Druckleitung (10) verbunden ist, dass beim Betrieb der Förderpumpe (8) in der Förderstellung Fluid (4) durch eine Saugleitung (6) aus dem Reservoir (2) entnommen und in die Druckleitung (10) ausgegeben wird und dass in der Rücksaugstellung Fluid (4) aus der Druckleitung (10) in das Reservoir (2) gefördert wird, ohne die Förderrichtung der Förderpumpe (8) umzukehren, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschaltventil (100, 200) in der Rücksaugstellung die Saugleitung (6) fluiddicht verschließt.
Fluidfördervorrichtung (1) nach Anspruch 1, wobei das Umschaltventil (100, 200) fünf Fluidanschlüsse (110, 112, 114, 210, 212, 214) aufweist.
Fluidfördervorrichtung (1) nach Anspruch 2, wobei das Umschaltventil (100, 200) aus zwei miteinander gekoppelten Umschaltventilen (100, 200) ausgebildet ist, die jeweils drei Fluidanschlüsse (110, 112, 114, 210, 212, 214) aufweisen.
Fluidfördervorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die beiden Umschaltventile (100, 200) von einem gemeinsamen Aktuator (122), der beispielsweise als elektromagnetischer Aktuator (122) ausgebildet ist, angesteuert werden.
Fluidfördervorrichtung (1) nach Anspruch 3, wobei die beiden Umschaltventile (100, 200) jeweils einen eigenen Aktuator (122), der beispielsweise als elektromagnetischer Aktuator (122) ausgebildet ist, aufweisen.
Fluidfördervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Umschaltventil (100, 200) mit wenigstens einer Membrandichtung ausgebildet ist.
Fluidfördervorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Umschaltventil (100, 200) so ausgebildet ist, dass es sich im Förderbetrieb selbständig in der Förderstellung hält.
Verfahren zum Entleeren einer Druckleitung (10) einer Fluidfördervorrichtung (1), wobei das Verfahren einschließt, das Fluid (4) durch eine Rücklaufleitung (16) zurück in ein Reservoir (2) zu fördern und eine Saugleitung (6), die im Förderbetrieb zur Entnahme von Fluid (4) aus dem Reservoir (2) dient, fluiddicht zu verschließen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren einschließt, die Saugleitung (6) durch ein Umschaltventil (100, 200), das ausgebildet ist, um die Fluidförderrichtung umzukehren, zu verschließen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren einschließt, das Umschaltventil (100, 200) elektromagnetisch anzusteuern.