DE102013015453A1

DE102013015453A1 - Hubkolbenpumpe mit zwei Förderrichtungen

Info

Publication number: DE102013015453A1
Application number: DE201310015453
Authority: DE
Inventors: René Schulz; Etienne Dautry
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2014-07-10

Abstract

Aufgabe: Die Hubkolbenpumpe soll in einer ersten Betriebsart Arbeitsfluid von einem Einlass (15) zu einem Auslass (14) fördern und in einer zweiten Betriebsart ein Zurückströmen des Arbeitsfluids von dem Auslass zum Einlass ermöglichen und in einer dritten Betriebsart Arbeitsfluid zurück vom Auslass (14) zum Einlass (15) fördern. Lösung: In der ersten Betriebsart wird die Pumpe elektrisch mit einer niedrigen Frequenz beaufschlagt und der Pumpkolben (3) und die nahezu phasentreu arbeitenden Steuerventile der Pumpe bewirken eine Förderung vom Einlass zum Auslass, aber in einer zweiten Betriebsart mit einer höheren Frequenz arbeiten die Steuerventile der Hubkolbenpumpe mit einer erheblichen Phasenverschiebung und bewirken ein Zurückströmen des Arbeitsfluids von dem Auslass zum Einlass und in einer dritten Betriebsart mit einer noch höheren Frequenz bewirken sie wegen einer noch größeren Phasenverschiebung eine Förderung des Arbeitsfluids von dem Auslass zum Einlass. Der Betrieb bei den genannten Frequenzen wird durch konstruktive Änderungen an dem elektromagnetischen Antrieb ermöglicht und die Phasenverschiebungen im Betrieb der Ventile werden ermöglicht, indem die Eigenfrequenzen der Ventile durch konstruktive Maßnahmen abgesenkt werden. Anwendung: Förderung und Dosierung von Arbeitsfluiden für Fahrzeugheizungen oder Einrichtungen zur Abgasbehandlung von Verbrennungsmotoren.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik
Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen mit durchflutetem Magnetraum und zwei Verdrängerräumen sind bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 43 28 621 C2 . Es sind auch unterschiedliche Anordnungen und Ausführungen der Steuerventile solcher Hubkolbenpumpen bekannt, nämlich die Kombination eines Ventils zwischen den beiden Verdrängerräumen mit einem Einlassventil oder mit einem Auslassventil. Das Ventil zwischen den beiden Verdrängerräumen ist entweder als Rückschlagventil oder als Schlitzsteuerung ausgeführt, im ersten Fall ist es in der Regel im Pumpkolben angeordnet. Der Pumpkolben einer solchen Hubkolbenpumpe wirkt entweder so, dass das Arbeitsfluid in der Vorwärtsbewegung des Pumpenkolbens zu dem Auslass gefördert wird oder das Arbeitsfluid von dem einen Verdrängerraum zu dem anderen umgepumpt wird, die Rückstellfeder wirkt entsprechend komplementär. Auch hinsichtlich der Wirkung des Magnetankers sind zwei unterschiedliche Lösungen bekannt, nämlich mit solchen Magnetankern, die den Pumpkolben in den Zylinder drücken, und mit solchen, die den Pumpkolben aus dem Zylinder herausziehen. Auch hier wirkt die Rückstellfeder entsprechend komplementär.
Alle diese Hubkolbenpumpen werden mit einem pulsierenden elektrischen Strom durch die Magnetspule beaufschlagt, der sich meist bei einer durch die elektrische Ansteuerung vorgegebenen elektrischen Spannung aus dem Spulenwiderstand und der Spuleninduktivität ergibt. Die Frequenz dieser Strompulse bestimmt die Fördermenge der Hubkolbenpumpe und kann nur bis zu einer entwurfsbedingten Grenze gesteigert werden. Oberhalb dieser Grenzfrequenz bricht die Förderung ein, weil sich der Hub als Funktion der Frequenz stark vermindert. Die Verminderung des Hubs liegt meist zwischen 6 und 9 dB bei einer Verdoppelung der Frequenz oberhalb der Grenzfrequenz.
Dieses Einbrechen der Förderung bei hoher Frequenz ist in der Regel auch von den angeschlossenen Leitungen und vielen Bauteilabmessungen abhängig und wird im Betrieb dieser Hubkolbenpumpen normalerweise vermieden, zumal die Verminderung der Förderung noch stärker ausfällt als die des Hubs, weil sich die Elastizitäten der Bauteile und des Arbeitsfluids entsprechend auswirken.
Aufgabe
In manchen Anwendungen der Hubkolbenpumpen ist es erforderlich, nach einer Phase der Förderung von Arbeitsfluid zu einem Verbraucher den Druck in der Leitung zum Verbraucher und im Verbraucher abzulassen. Bei anderen Anwendungen ist es darüber hinaus erforderlich, die Leitung zum Verbraucher und auch teilweise den Verbraucher leer zu saugen, damit zum Beispiel das Arbeitsfluid nicht in diesen Bereichen des Systems einfrieren kann.
Dazu ist es zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2011 118 836 A1 bekannt, zwei Hubkolbenpumpen zu verwenden, eine für die Förderung von Arbeitsfluid zum Verbraucher und eine zum Absaugen. Alternativ ist es bekannt, eine Hubkolbenpumpe für beide Aufgaben einzusetzen und diese mit einem elektrisch betätigten Vier-Wege-Ventil zu kombinieren, das bei gleichbleibender Arbeitsweise der Hubkolbenpumpe die Strömungsrichtung des Arbeitsfluids umkehrt. Aus der Druckschrift DE 44 33 894 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Mikromembranpumpe bekannt, das eine Umkehrung der Förderrichtung durch eine Änderung der Erregerfrequenz des Antriebssystems ermöglicht. Dabei wird eine Resonanz eines Systems aus beweglichen Bauteilen und dem zu pumpenden Fluid genutzt, um in Abhängigkeit von der Frequenz des Treibersignals die Förderrichtung umzukehren. Dieses Verfahren ist nur bei sehr kleinen Mikropumpen anwendbar, aber bei den Hubkolbenpumpen etwas größerer Bauart, die hier betrachtet werden, nicht einsetzbar, weil die Leitungseffekte relativ zu den Kräften, die auf die Ventile wirken, erheblich schwächer sind und die Leitungen in den Anwendungen unterschiedlich lang sein können. Aus der Druckschrift EP 0 844 395 A2 ist eine bidirektionale dynamische Mikropumpe bekannt, die durch unterschiedlich geformte Impulse des Antriebs die Richtung der Fluidströmung verändern kann. Dabei werden keine Ventile zur Steuerung eingesetzt, sondern nichtlineare Strömungswiderstände, in denen sich zeitweise laminare oder turbulente Strömungen herausbilden. Auch diese Methode der Umkehr der Förderrichtung ist hier nicht anwendbar, weil bei den hier betrachteten erheblich größeren Hubkolbenpumpen wegen des Charakters der sich ausbildenden Strömungen diese Art der Steuerung nicht eingesetzt werden kann. Zum Beispiel liegt im Bereich der Steuerventile immer turbulente Strömung vor.
Die Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, den zusätzlichen Aufwand für eine zweite Hubkolbenpumpe oder für ein zusätzliches Wegeventil dadurch zu vermeiden, dass die Hubkolbenpumpe so ausgelegt wird, dass sie zwei oder drei Aufgaben erfüllen kann, nämlich in einer ersten Betriebsart das Arbeitsfluid zum Verbraucher zu fördern, in einer zweiten Betriebsart das Arbeitsfluid zurückfließen zu lassen und in einer dritten Betriebsart das Arbeitsfluid abzusaugen. Dabei soll die Umschaltung zwischen den Betriebsarten ohne erheblichen gerätetechnischen Aufwand nur durch eine Änderung der Arbeitsfrequenz und gegebenenfalls der Signalform des elektrischen Eingangssignals der Magnetspule erfolgen.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs in Verbindung mit den Unteransprüchen 2 bis 6 gelöst, die Nebenansprüche 7 bis 9 beschreiben Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe.
In der ersten Betriebsart fördert die Hubkolbenpumpe Arbeitsfluid von der Saugleitung zur Druckleitung und baut lastabhängig dabei eine Druckdifferenz auf, so dass der Druck in der Druckleitung höher ist als der Druck in der Saugleitung. Dabei wird eine Arbeitsfrequenz verwendet, die so weit unterhalb der Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs der Hubkolbenpumpe liegt, dass der geometrisch vorgegebene Hub vollständig ausgenutzt wird. Der Hub der Steuerventile weist in dieser ersten Betriebsart eine sehr geringe Phasenverschiebung relativ zur Bewegung des elektromagnetischen Antriebs auf, so dass die Förderleistung der Hubkolbenpumpe nahe der theoretischen Förderleistung liegt, die sich aus dem Produkt der Frequenz mit dem Hubvolumen ergibt.
Bei der geforderten Umkehr der Förderrichtung ist zwischen einer passiven und einer aktiven Umkehr zu unterscheiden, bei der passiven Umkehr in der zweiten Betriebsart fließt das Arbeitsfluid angetrieben von der zuvor in der ersten Betriebsart aufgebauten Druckdifferenz zur Saugleitung zurück, während bei der aktiven Umkehr der Förderrichtung in der dritten Betriebsart das Arbeitsfluid aus der Druckleitung angesaugt und gegen eine nunmehr von der Hubkolbenpumpe selbst aufgebaute Druckdifferenz zur Saugleitung gefördert wird. Dabei wird in der Regel nur eine recht geringe Druckdifferenz benötigt, und die geforderte Förderleistung ist auch gering, aber ausreichend, um die Druckleitung zu entleeren.
Die passive oder die aktive Umkehr der Förderrichtung werden erreicht, indem die Pumpe bei höheren Frequenzen, als in der ersten Betriebsart vorgesehen, betrieben wird und dabei die Hübe des Ventils oder der Ventile eine so erhebliche Phasenverschiebung zur Bewegung des Pumpenkolbens aufweisen, dass sich eine passive Rückströmung oder eine aktive Rückförderung einstellt. Dabei wird der Begriff „Phasenverschiebung” hier nicht für eine Zeit, sondern, wie in der elektrischen Wechselstromtechnik üblich, für einen Anteil an der Zykluszeit der antreibenden Strompulse verwendet.
Es genügt zur Lösung der Aufgabe aber nicht, eine elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe bekannter Ausführung nur mit höheren als den üblichen Frequenzen zu betreiben, man erreicht ohne Veränderungen der Bauteile der Hubkolbenpumpe bei höheren Frequenzen lediglich ein Einbrechen der Förderung, wie in dem folgenden Abschnitt erläutert wird.
Bei einer konventionellen Hubkolbenpumpe, die zur Dosierung oder Förderung von Kraftstoff oder von wässriger Harnstofflösung verwendet wird, liegt die Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs erheblich niedriger als die Eigenfrequenzen (charakteristische Frequenzen mit 90° Phasenverschiebung) der Ventile, folglich ist bei einer Betriebsfrequenz in der Nähe der genannten Grenzfrequenz die Phasenverschiebung der Steuerventile noch so klein, dass dies noch keine Wirkung auf die Förderung ergibt. Andererseits ergibt eine solche Betriebsfrequenz, die eine nennenswerte Phasenverschiebung eines der Ventile bewirkt, eine so kleine Amplitude des Pumpenkolbens, dass keine Rückströmung oder Rückförderung erzielt wird, weil die Elastizitäten der Bauteile und des Arbeitsfluids die Wirkung der Kolbenbewegung aufzehren.
Beispielhafte Grenzfrequenzen von elektromagnetischen Antrieben der hier betrachteten Bauarten und Größen liegen bei 25 bis 40 Hz, und beispielhafte Eigenfrequenzen von Rückschlagventilen konventioneller Bauart liegen bei 150 Hz oder darüber.
Um eine passive oder aktive Umkehr der Förderrichtung bei höheren Frequenzen zu erreichen, müssen daher Änderungen an der elektrischen Ansteuerung und den Komponenten der Pumpe vorgenommen werden, die geeignet sind, die Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs zu erhöhen oder die Eigenfrequenz von mindestens einem Ventil abzusenken. Es bietet sich an, mindestens zwei Maßnahmen zu kombinieren, weil eine Maßnahme allein sehr große Änderungen erforderlich machen würde.
Die Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs wird vorrangig durch eine Regelung des die Hubkolbenpumpe ansteuernden elektrischen Stroms in der elektrischen Ansteuerung erhöht, die Stromregelung eliminiert die Verzögerung des Kraftaufbaus durch die Induktivität der Magnetspule und erlaubt einen erheblich schnelleren Kraftauf- und -abbau. Zusätzlich kann die Grenzfrequenz beispielsweise durch eine Verminderung der Masse des Magnetankers und eine Erhöhung der Federsteifigkeit der Rückstellfeder erhöht werden, daneben auch durch eine Verwendung von siliziumhaltigem Eisen im Eisenkreis, das eine elektromagnetische Bedämpfung durch Wirbelströme vermindert. Auch durch eine geringere Windungszahl der Spule lässt sich die Grenzfrequenz erhöhen, allerdings erhöhen sich mit dieser Maßnahme die Kosten der Hubkolbenpumpe und gegebenenfalls ihrer elektrischen Ansteuerung, weil dann ein höherer elektrischer Strom erforderlich ist.
Die Eigenfrequenzen der Ventile werden beispielsweise durch eine Erhöhung der Masse des Schließkörpers, eine Verminderung der Federsteifigkeit der Schließfeder, eine Reduzierung des Durchmessers der direkt angeschlossenen Leitung und eine Verlängerung dieser Leitung vermindert. Die Leitungseffekte sind allerdings bei den hier betrachteten Frequenzen und Abmessungen sehr gering, daher wird auf die Leitungseffekte hier nicht näher eingegangen. Es ist vorteilhaft, zusätzlich die Ventile durch Verminderung der Fluidreibung der Schließkörper zu entdämpfen und damit größere Amplituden bei wirksamen Phasenverschiebungen zu ermöglichen.
Gemäß dieser Erfindung werden sowohl die Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs angehoben als auch die Eigenfrequenzen der Ventile im Vergleich zur Ausgangssituation abgesenkt, dadurch lassen sich für die Umkehrung der Förderrichtung erhöhte Betriebsfrequenzen finden, bei der die Ventile schon eine ausreichende Phasenverschiebung zeigen, wenn gleichzeitig der Pumpenkolben noch eine nutzbare Amplitude aufweist.
Die Phasenverschiebung beispielsweise eines Auslassventils bewirkt, dass der Auslass der Hubkolbenpumpe während der Vorwärtsbewegung des Hubkolbens während einer kürzeren Zeitspanne mit dem Verdrängerraum verbunden ist als während der Rückwärtsbewegung, dann kehrt sich die Förderrichtung der Pumpe um, wenn die Funktion des anderen Steuerventils in der Hubkolbenpumpe dies nicht verhindert. Sind die Zeitspannen gleich, kommt es bei einem anliegenden Druckgefälle mit einem höheren Druck am Auslass zu einer passiven Umkehr der Förderrichtung. Das andere Steuerventil wird entweder als Schlitzsteuerung ausgeführt, dann hat es keine eigene Eigenfrequenz, oder es wird mit einer ähnlich niedrigen Eigenfrequenz wie das Auslassventil ausgeführt. Die Umkehrung der Förderrichtung lässt sich erleichtern oder verstärken, wenn man die Bestromung der Magnetspule und damit den Kraftaufbau am Magnetanker unsymmetrisch ausführt, indem die man die Flanken des Stromaufbaus und des Stromabbaus unterschiedlich steil ausführt. Alternativ lässt sich auch durch eine Änderung des Tastverhältnisses und passend dazu des maximalen Stroms die Umkehrung der Förderrichtung beeinflussen.
Es sind zur Auslegung umfangreiche Versuche mit unterschiedlich abgestimmten Komponenten oder dynamische nichtlineare Simulationsberechnungen des Pumpenbetriebs erforderlich, da insbesondere wegen des nichtlinearen Zusammenwirkens der Ventile mit dem elektromagnetischen Antrieb die Anwendung einfacher linearer mathematischer Modelle zur Auslegung nicht ausreicht. Wegen der Nichtlinearität insbesondere der Ventilbewegung ist die Verwendung des Begriffs „Eigenfrequenz” hier als Vereinfachung zu verstehen.
Vorteile
Die erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpen zeichnen sich dadurch aus, dass sie die geforderten Aufgaben, nämlich das Arbeitsfluid in einer ersten Betriebsart zum Verbraucher zu fördern, in einer zweiten Betriebsart das Arbeitsfluid zurück fließen zu lassen und in einer dritten Betriebsart abzusaugen, ohne zusätzliche Komponenten erfüllen und dass die Umschaltung zwischen den Betriebsarten lediglich durch das Einstellen von unterschiedlichen Frequenzen des pulsierenden Stroms durch die Magnetspule erfolgt. Zur Verstärkung des frequenzabhängigen Verhaltens der Ventile eignet sich wegen der Nichtlinearitäten in dem Bewegungsverhalten eine unsymmetrische Ausführung des elektrischen Ansteuersignals für die Magnetspule mit unterschiedlichen Flankensteilheiten für das Einschalten und das Ausschalten dieses Signals.
Anwendung
Hubkolbenpumpen der beschriebenen Bauart finden in Heizungsanlagen von Kraftfahrzeugen und in Anlagen zur Abgasreinigung von Verbrennungsmotoren Anwendung. Sie dienen dabei zur Förderung und Dosierung von Treibstoff, Additiven oder von Reagenzien. Dass die erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpen mit ihren beschriebenen Betriebsarten anwendbar sind, wird durch die Ergebnisse der Simulationsberechnungen dargelegt, die in den Bildern 3 bis 5 dargestellt werden.
Bilder:
1 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit Schlitzsteuerung zwischen den Verdrängerräumen
2 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit Rückschlagventil zwischen den Verdrängerräumen.
3 zeigt für die erste Betriebsart (Fördern) die zeitlichen Verläufe des Magnetkolbenhubs, des Steuerventilhubs (Kugelhubs) des Auslassventils und des geförderten Volumenstroms bei einer Antriebsfrequenz von 35 Hz.
4 zeigt für die zweite Betriebsart (Ablassen) die zeitlichen Verläufe des Magnetkolbenhubs, des Ventilhubs (Kugelhubs) und des geförderten Volumenstroms bei einer Antriebsfrequenz von 50 Hz.
5 zeigt für die dritte Betriebsart (Absaugen) die zeitlichen Verläufe des Magnetkolbenhubs, des Ventilhubs (Kugelhubs) und des geförderten Volumenstroms bei einer Antriebsfrequenz von 65 Hz.
Beispielhafte Ausführung
Eine Hubkolbenpumpe 1 gemäß der Abbildung 1 wird von einem elektromagnetischen Antrieb angetrieben, der eine Magnetspule 8, einen Magnetrückschluss 10, ein Magnetjoch 7, einen die auch Funktion eines Magnetpols erfüllenden Pumpenzylinder 6, einem Magnetanker 2 und eine nicht dargestellte elektrischen Ansteuerung 24 enthält. Der Magnetanker wird im stromlosen Zustand der Magnetspule von der Rückstellfeder 9 zurückgestellt. Außerdem enthält die Hubkolbenpumpe einen Einlass 15, einen ersten Verdrängerraum 5, einen zweiten Verdrängerraum 4, einen Pumpkolben 3, ein erstes Steuerventil 11, ein zweites Steuerventil 12 und einen Auslass 14. Das erste Steuerventil 11 ist zwischen den beiden Verdrängerräumen 4 und 5 angeordnet und das zweite Steuerventil 12 ist vorzugsweise zwischen dem zweiten Verdrängerraum 4 und dem Auslass 14 angeordnet. Die Magnetspule 8 wird von der elektrischen Ansteuerung 24 mit einem pulsierenden elektrischen Strom beaufschlagt, sie erzeugt daraus einen pulsierenden Magnetfluss, dieser wird im Luftspalt zwischen dem Magnetanker 2 und dem Pumpenzylinder 6 in eine pulsierende Kraft gewandelt und diese erzeugt gegen die Rückstellfeder 9 einen pulsierenden Hub des Magnetankers 2 und damit auch des Pumpkolbens 3. Der Hub des Pumpkolbens 3 in dem Pumpenzylinder 6 bewirkt eine Verdrängung des Arbeitsfluids. Die Steuerventile 11 und 12 bewirken im Zusammenwirken mit dem Pumpkolben 3, mit einer Leitung 13 zwischen den Verdrängerräumen 4 und 5 und einer Leitung 17 vom Auslass 14 zu einem nicht dargestellten Verbraucher 18 bei einer niedrigen Frequenz des pulsierenden elektrischen Stroms unterhalb der Eigenfrequenzen der Steuerventile 11 und 12 eine verlustarme Förderung eines Arbeitsfluids gegen ein Druckgefälle von dem Einlass 15 zum Auslass 14 und weiter zum Verbraucher 18. Die Förderung kann als verlustarm angesehen werden, wenn weniger als 5% des Fördervolumenstroms durch eine Rückströmung wegen einer verzögerten Funktion eines der Steuerventile verloren geht. Die Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebssystems wird vorteilhafterweise möglichst hoch ausgelegt, indem vorrangig die elektrische Ansteuerung 24 einen geregelten pulsierenden Strom an die Magnetspule 8 abgibt. In vorteilhaften Weiterführungen der Erfindung enthält der Magnetanker 2 einen besonders leichten, rohrförmigen Mantel aus Eisen und einen Kern aus Leichtmetall, die Rückstellfeder 9 weist eine möglichst hohe Federsteifigkeit auf und der Mantel des Magnetankers sowie der Magnetrückschluss 10 bestehen aus siliziumhaltigem Eisenwerkstoff. Dabei wird eine Grenzfrequenz als hoch bezeichnet, wenn sie höher ist als die Grenzfrequenz einer konventionellen Hubkolbenpumpe, z. B. gemäß der Druckschrift DE 43 28 621 C2 .
Das zweite Steuerventil 11 ist vorzugsweise als Rückschlagventil mit einem Dichtkörper 20, einem Dichtsitz 16 und einer Feder 21 gebildet, wobei der Dichtkörper 20 und die Feder 21 zeitweise ein Feder-Masse-Schwingsystem bilden, nämlich dann, wenn der Dichtkörper 20 von dem Dichtsitz 16 abhebt. Die Eigenfrequenz des genannten Feder-Masse-Schwingsystems liegt dabei nahe der genannten Grenzfrequenz für den elektromagnetischen Antrieb oder ist kleiner als die genannte Grenzfrequenz, weil die Masse des Dichtkörpers 20 ausreichend groß und die Federsteifigkeit der Feder 21 ausreichend niedrig gewählt sind. Die Eigenfrequenz wird als nahe der Grenzfrequenz bezeichnet, wenn sich die Frequenzen um weniger als den Faktor 2 unterscheiden, die Masse des Dichtkörpers wird als groß bezeichnet, wenn sie sie mindestens doppelt so groß ist wie die Masse einer zu dem zugehörigen Ventilsitz 16 passenden Kugel aus einem Eisenwerkstoff und die Federsteifigkeit wird als niedrig bezeichnet, wenn sie kleiner ist als die Federsteifigkeiten, die bei Ventilen von durchströmten Hubkolbenpumpen bekannter Bauart zum Einsatz kommen. Das erste Steuerventil 12 ist vorteilhafterweise durch eine Querbohrung 19 in einem Pumpenzylinder 6 gebildet und wird durch den Pumpkolben 3 geschlossen und geöffnet, wobei die Leitung 13 mit der Querbohrung 19 verbunden ist. In dieser Bauart weist das Steuerventil 12 keine eigene Eigenfrequenz auf, weil seine Funktion durch die Bewegung des Pumpkolbens zeitlich bestimmt ist. Alternativ ist das erste Steuerventil 12 als Rückschlagventil in dem Pumpkolben 3 gebildet, wie in 2 dargestellt, wobei die Leitung 13 teilweise durch den Pumpkolben verläuft und der Dichtkörper 22 zeitweise mit der Feder 23 ein Feder-Masse-Schwingsystem bildet, dessen Eigenfrequenz ebenfalls in einer geeigneten Relation zu der genannten Grenzfrequenz für den Betrieb der Hubkolbenpumpe steht. Die Relation ist dann geeignet, wenn die genannte Eigenfrequenz der Grenzfrequenz nahekommt, oder kleiner ist.
Bei einer Betriebsfrequenz des genannten elektrischen Stroms nahe der Eigenfrequenzen der Steuerventile zeigt mindestens eines der Steuerventile 11 oder 12 bei einer oben beschriebenen geeigneten Auslegung seiner Masse und seiner Federsteifigkeit eine erhebliche Phasenverschiebung seiner Bewegungen im Verhältnis zu den Bewegungen des Pumpkolbens 3. Diese Phasenverschiebung lässt eine Rückströmung des Arbeitsfluids mit einem Druckgefälle von dem Auslass 14 zum Einlass 15 zu, weil das betreffende Steuerventil teils bei der Vorwärtsbewegung und teils bei der Rückwärtsbewegung des Pumpkolbens 3 öffnet, im Fall der zweiten Betriebsart annähernd zu gleichen Teilen.
Bei einer anderen relativ zu den Eigenfrequenzen der Steuerventile noch höheren Betriebsfrequenz des elektrischen Stroms bewirken die noch größeren Phasenverschiebungen im Zusammenwirken mit den Bewegungen des Pumpkolben 3 eine Förderung des Arbeitsfluids gegen ein geringes von der Pumpe erzeugtes Druckgefälle von dem Auslass 14 zum Einlass 15, weil mindestens ein Steuerventil bei der Rückwärtsbewegung des Pumpkolbens 3 länger und gegebenenfalls weiter öffnet als bei der Vorwärtsbewegung. Dabei wird als Vorwärtsbewegung die Bewegung bezeichnet, die einen Volumenstrom zum Auslass der Hubkolbenpumpe fördert.
Beispielhafte Verfahren zum Betrieb der Hubkolbenpumpe: Zum Betrieb der Hubkolbenpumpe wird die Magnetspule 8 in einer ersten Betriebsart mit einem pulsierenden elektrischen Strom einer Frequenz unterhalb der Eigenfrequenz eines Steuerventils oder unterhalb der Eigenfrequenzen beider Steuerventile beaufschlagt, in einer zweiten Betriebsart mit einem pulsierenden Strom einer Frequenz nahe den Eigenfrequenzen beaufschlagt und in einer dritten Betriebsart mit einem pulsierenden Strom einer Frequenz oberhalb der Eigenfrequenzen beaufschlagt.
Im Betrieb mit der niedrigen Frequenz wird wegen der relativ zu der Bewegung des Magnetankers 2 nahezu phasentreuen Funktion der Steuerventile 11 und/oder 12 das Arbeitsfluid von dem Einlass 15 zu dem Auslass 14 gegen ein Druckgefälle gefördert. Als phasentreu wird die Bewegung eines der Steuerventile bezeichnet, wenn der Hub des Steuerventils zeitlich mit der förderwirksamen Geschwindigkeit des Magnetankers zusammenfällt. In einer zweiten Betriebsart mit einer Frequenz der Strompulse nahe der Eigenfrequenzen der Steuerventile ergeben sich relativ zu der Bewegung des Magnetankers 2 für die Steuerung wirksame masse- und dämpfungsbedingte Phasenverschiebungen der Funktionen der Steuerventile 11 und gegebenenfalls 12, und folglich strömt mit einem antreibenden Druckgefälle das Arbeitsfluid von dem Auslass 14 zum Einlass 15 zurück. Ohne ein Druckgefälle heben sich die Förderung und die Rückförderung annähernd auf.
Darüber hinaus ist die beschriebene Hubkolbenpumpe auch dazu ausgelegt, bei einer dritten Arbeitsfrequenz, die höher ist als die Eigenfrequenzen der Steuerventile, das Arbeitsfluid gegen ein geringes Druckgefälle von dem Auslass 14 zum Einlass 15 zu fördern. Die überwiegende Rückförderung wird dabei durch ein Zusammenwirken der Bewegung des Pumpkolbens mit den im Vergleich zur zweiten Betriebsart noch stärker phasenverschobenen Funktionen der Steuerventile 11 und 12 bewirkt, wobei die Summe der Rückförderungen die Förderungen übersteigt.
Bei einem Betrieb der Hubkolbenpumpe mit der zweiten oder dritten erhöhten Frequenz wird vorteilhafterweise das elektrische Ansteuersignal hinsichtlich seiner ansteigenden und abfallenden Flanken unsymmetrisch ausgeführt. Wenn die abfallende Flanke des Ansteuersignals steiler ist als die ansteigende Flanke, verstärkt sich die rückfördernde Wirkung.
Die folgenden Diagramme zeigen die Ergebnisse von Simulationsrechnungen mit einer beispielhaften erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe, bei der nur das Auslassventil frequenzabhängig arbeitet, das andere Steuerventil arbeitet nach dem Prinzip der Schlitzsteuerung.
Das erste Diagramm 3 zeigt für die erste Betriebsart (Fördern) die zeitlichen Verläufe des Magnetkolbenhubs, des Steuerventilhubs (Kugelhubs) des Auslassventils und des geförderten Volumenstroms bei einer Antriebsfrequenz von 35 Hz. Man erkennt, dass der Steuerventilhub des Auslassventils zeitlich noch recht gut mit der invers dargestellten Kolbenhubgeschwindigkeit zusammenfällt und die für das Fördern schädliche Rückströmung noch sehr gering ausfällt. Das pulsierende Stromsignal wurde so eingestellt, dass ein Kolbenhub von 4 mm erreicht wurde.
Das zweite Diagramm 4 zeigt für dieselbe Hubkolbenpumpe und die zweite Betriebsart (Ablassen) die zeitlichen Verläufe des Magnetkolbenhubs, des Ventilhubs (Kugelhubs) und des geförderten Volumenstroms bei einer Antriebsfrequenz von 50 Hz. Diese Antriebsfrequenz liegt für dieses Beispiel nahe der Eigenfrequenz des Auslassventils. Man erkennt, dass der Ventilhub zeitlich nicht mit der Kolbenhubgeschwindigkeit, sondern mit dem Kolbenhub zusammenfällt, gleichmäßig verteilt auf die negative und die positive Kolbenhubgeschwindigkeit. Fördern und Rückströmung fallen annähernd gleich groß aus, und bei einem Druckgefälle vom Auslass zum Einlass kommt es zu einem Ablassen des Drucks. Das pulsierende Stromsignal wurde so eingestellt, dass auch hier ein Kolbenhub von 4 mm erreicht wurde.
Das dritte Diagramm 5 zeigt für die dritte Betriebsart (Absaugen) die zeitlichen Verläufe des Magnetkolbenhubs, des Ventilhubs (Kugelhubs) und des geförderten Volumenstroms bei einer Antriebsfrequenz von 65 Hz. Diese Frequenz ist höher als die Eigenfrequenz des Auslassventils, das pulsierende Stromsignal wurde so eingestellt, dass auch hier ein Kolbenhub von 4 mm erreicht wurde. Man erkennt, dass der Ventilhub zeitlich relativ zum Kolbenhub weiter verschoben ist. Die Rückströmung fällt hier größer aus als die Strömung zum Auslass, und es kommt zu einer Rückförderung, auch gegen eine geringe Druckdifferenz. Die Bilanz der Förderströme erkennt man am besten an dem gemittelten Verlauf.
Die beschriebene technische Lehre zur Einflussnahme auf die Förderrichtung lässt sich ohne weitere erfinderische Tätigkeit in analoger Weise auf durchströmte Hubkolbenpumpen ähnlicher Bauart anwenden, sei es auf Hubkolbenpumpen mit anderen Anordnungen der Steuerventile in Bezug auf die Anschlüsse (Einlassventil, Auslassventil), mit anderer Wirkrichtung des Magnetankers auf den Pumpkolben (drückend oder ziehend) oder mit anderer Wirkung des Pumpkolbens auf die erzeugten Verdrängungsvorgänge (zwischen den Verdrängerräumen umpumpend oder aus dem Auslass ausstoßend).
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Magnetanker
3: Pumpkolben
4: Verdrängerraum
5: Verdrängerraum
6: Pumpenzylinder
7: Magnetjoch
8: Magnetspule
9: Rückstellfeder
10: Magnetrückschluss
11: Steuerventil
12: Steuerventil
13: Leitung
14: Auslass
15: Einlass
16: Ventilsitz
17: Leitung
18: Verbraucher
19: Querbohrung oder Schlitz
20: Dichtkörper
21: Feder
22: Dichtkörper
23: Feder
24: Elektrische Ansteuerung

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 C2 [0002, 0028]
DE 102011118836 A1 [0006]
DE 4433894 A1 [0006]
EP 0844395 A2 [0006]

Claims

Hubkolbenpumpe (1), mit einem elektromagnetischen Antrieb, einem Pumpkolben (3), einem ersten zwischen zwei Verdrängerräumen (4) und (5) angeordneten Steuerventil (12), einem zwischen dem zweiten Verdrängerraum (4) und einem Auslass (14) oder zwischen dem ersten Verdrängerraum (5) und einem Einlass (15) angeordneten zweiten Steuerventil (11), wobei der elektromagnetische Antrieb aus einer elektrischen Ansteuerung (24), einer Magnetspule (8), einem Magnetanker (2) und einem Magnetrückschluss (10) besteht, und wobei die Bewegung des Pumpkolbens im Zusammenwirken mit den Steuerventilen, mit einer Leitung (13) zwischen den Verdrängerräumen und einer Leitung (17) vom Auslass zu einem Verbraucher (18) bei einer ersten Betriebsfrequenz erheblich unterhalb von Eigenfrequenzen eines oder beider Steuerventile eine verlustarme Förderung eines Arbeitsfluids gegen ein Druckgefälle von dem Einlass zum Auslass und weiter zu dem Verbraucher bewirkt, dadurch gekennzeichnet, dass, eine Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs mindestens durch eine Regelung eines elektrischen Stroms, der von der elektrischen Ansteuerung (24) zu der Magnetspule (8) und zurück pulsierend fließt, im Vergleich zu einer spannungsgesteuerten Ansteuerung angehoben ist und dass eine Eigenfrequenz des zweiten Steuerventils und/oder eine Eigenfrequenz des ersten Steuerventils durch eine ausreichend große Masse eines oder beider bewegten Dichtkörper (20), (22) und eine ausreichend geringe Federsteifigkeit einer oder beider rückstellenden Federn (21), (23) nahe an die genannte Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs gelegt ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei einer zweiten, höheren Betriebsfrequenz der Hubkolbenpumpe nahe der Eigenfrequenz des zweiten Steuerventils (11) dieses aufgrund seiner Phasenverschiebungen relativ zu den Bewegungen des Pumpkolbens (3) eine Rückströmung des Arbeitsfluids mit einem vorhandenen Druckgefälle von dem Auslass (14) zum Einlass (15) zulässt, weil das Steuerventil annähernd gleich lang während der Zeit der Vorwärtsbewegung und der Zeit der Rückwärtsbewegung des Pumpkolbens (3) öffnet, wobei das erste Steuerventil (12) mit einer Schlitzsteuerung arbeitet.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass sie bei einer dritten noch höheren Betriebsfrequenz der Hubkolbenpumpe eine Rückförderung des Arbeitsfluids gegen ein von der Hubkolbenpumpe selbst erzeugtes Druckgefälle von dem Auslass (14) zum Einlass (15) erzeugt, weil das zweite Steuerventil (11) mit einem größeren Zeitanteil während der Rückwärtsbewegung des Pumpkolben (3) als während der Vorwärtsbewegung öffnet, wobei das erste Steuerventil (12) mit einer Schlitzsteuerung arbeitet.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Steuerventil (11) als Rückschlagventil mit einem Dichtkörper (20), einem Dichtsitz (16) und einer Feder (21) gebildet ist, wobei zeitweise der Dichtkörper (20) und die Feder (21) ein Feder-Masse-Schwingsystem bilden, dessen Eigenfrequenz der zweiten Arbeitsfrequenz für den Betrieb der Hubkolbenpumpe nahekommt oder in einem gewählten Größenverhältnis zu dieser Arbeitsfrequenz steht, so dass bei einem Betrieb der Hubkolbenpumpe nahe oder über der genannten Eigenfrequenz das zweite Steuerventil mit einer so bedeutenden Phasenverschiebung arbeitet, dass das Förderverhalten der Hubkolbenpumpe im Sinne der Aufgabenstellung beeinflusst wird.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das erste Steuerventil (12) als Rückschlagventil gebildet ist und in dem Pumpkolben (3) angeordnet ist, wobei die Leitung (13) teilweise durch den Pumpkolben verläuft und der Dichtkörper (22) zeitweise zusammen mit dem Arbeitsfluid in der Leitung (13) eine Ersatzmasse bildet, die mit der Feder (23) ein Feder-Masse-Schwingsystem bildet, dessen Eigenfrequenz der zweiten Arbeitsfrequenz für den Betrieb der Hubkolbenpumpe nahekommt oder in einem gewählten Größenverhältnis zu dieser Arbeitsfrequenz steht, so dass bei einem Betrieb der Hubkolbenpumpe nahe oder über der genannten Arbeitsfrequenz das erste Steuerventil mit einer so bedeutenden Phasenverschiebung arbeitet, dass das Förderverhalten der Hubkolbenpumpe erheblich im Sinne der Aufgabenstellung beeinflusst wird.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Grenzfrequenz des elektromagnetischen Antriebs weiter als im Anspruch 1 beschrieben erhöht ist, indem wahlweise oder kombiniert – der Magnetanker einen besonders leichten, rohrförmigen Mantel aus Eisen und einen Kern aus Leichtmetall enthält und/oder – die Rückstellfeder (9) eine möglichst hohe Federsteifigkeit aufweist, die eine hohe, aber von dem Antriebssystem überwindbare Kraft erzeugt und/oder – der Mantel des Magnetankers sowie der Magnetrückschluss (10) aus siliziumhaltigem Eisenwerkstoff besteht.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetspule (8) in einer ersten Betriebsart mit einem pulsierenden elektrischen Strom einer Frequenz erheblich unterhalb einer Eigenfrequenz eines Steuerventils (11) oder unterhalb der Eigenfrequenzen zweier Steuerventile (11) und (12) beaufschlagt wird, und in einer zweiten Betriebsart mit pulsierendem Strom mit einer Frequenz nahe der genannten Eigenfrequenzen beaufschlagt wird, wobei im Betrieb mit der niedrigen Frequenz wegen der relativ zu der Bewegung des Pumpkolbens (3) nahezu phasentreuen Funktion von Steuerventilen (11) und (12) das Arbeitsfluid mittels des Pumpkolbens (3) von einem Einlass (15) zu einem Auslass (14) gegen ein Druckgefälle gefördert wird und wobei im Betrieb mit der höheren Frequenz wegen der bedeutenden masse- und dämpfungsbedingten Phasenverschiebungen der Funktionen der Steuerventile (11) und/oder (12) das Arbeitsfluid von dem Auslass (14) zum Einlass (15) mit einem vorhandenen Druckgefälle zurückströmt.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe (1) nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass in einer dritten Betriebsart mit einer anderen hohen Frequenz des Stroms das Arbeitsfluid gegen ein geringes von der Hubkolbenpumpe erzeugtes Druckgefälle von dem Auslass (14) zum Einlass (15) zurückgefördert wird, weil der Pumpkolben (3) einerseits und das Steuerventil (11) andererseits so masse- und dämpfungsbedingt phasenverschoben zusammenwirken, dass das Steuerventil (11) überwiegend dann öffnet, wenn der Pumpkolben sich in der Rückwärtsbewegung befindet.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe (1) nach Anspruch 7 oder 8 dadurch gekennzeichnet, dass in der zweiten oder dritten Betriebsart mit einem Zurückströmen oder einem Zurückfördern des Arbeitsfluids das elektrische Ansteuersignal der Magnetspule (8) mit ansteigenden und abfallenden Flanken ausgeführt ist, die unterschiedliche Absolutwerte ihrer Steigungen aufweisen.