DE102014010450B3

DE102014010450B3 - Hubkolbenpumpe

Info

Publication number: DE102014010450B3
Application number: DE102014010450.8A
Authority: DE
Inventors: Robert Wellnitz; Jeannette Kemper; Axel Müller; Thomas Rolland; Olaf Ohligschläger; Thomas Baum; Jürgen Schonlau
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2014-07-15
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-07-16

Abstract

Aufgabe: Den Verschleiß des Federmittels, den kurzzeitigen Verschluss des Auslasses bei dem Betrieb zu verhindern und durch die neue Bauform des Dichtkörpers eine Dämpfung der Bewegung des Kolbens der Hubkolbenpumpe bei großen Öffnungen des Auslassventils zu erreichen. Lösung: Der Dichtkörper (12) besteht aus einem Schaft (16) und einem Teller (17), wobei der Teller ventilsitzseitig die Form einer Kugelkalotte eines Kegels oder eines Kegelstumpfes hat und wobei der Schaft (16) das Federmittel (13) führt und in eine Führung (14) eintaucht, dabei den Auslass (15) abhängig von dem Hub des Dichtkörpers (12) teilweise, aber auch bei einem Anschlagen des Dichtkörpers an den Auslass nicht vollständig verschließt. Anwendung: Die Hubkolbenpumpe mit dem erfindungsgemäßen Dichtkörper wird in Dosier- oder Förderpumpen für Kraftstoffe, Reagenzien oder Wasser eingesetzt

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Hubkolbenpumpen dieser Bauart werden als Dosierpumpen und/oder als Förderpumpen für Brennstoffe, wässrige Lösungen oder Reagenzien verwendet und zeichnen sich durch niedrige Herstellkosten, geringen Bauraum und einfache Verstellung des durchschnittlichen Förderstroms aus. Der Förderstrom wird durch eine Verstellung der Ansteuerfrequenz des pulsierenden elektrischen Stroms verändert, der die Magnetspule des antreibenden Elektromagneten beaufschlagt.
Die Druckschriften DE 10 2008 055 609 B4 , DE 10 2008 055 610 A1 , EP 1 748 188 A1 , DE 10 2008 025 087 A1 und DE 10 2012 020 274 A1 beschreiben Hubkolbenpumpen mit zwei Verdrängerräumen und einem auf einen Kolben wirkenden Antrieb durch einen innen durchströmten Elektromagneten. Die beiden Verdrängerräume sind durch den beweglichen Kolben voneinander getrennt und durch ein erstes Ventil miteinander verbunden, das als Schlitzventil ausgebildet ist. Ein zweites Ventil verbindet den auslassseitigen Verdrängerraum mit dem Auslass, während der Einlass ohne ein Ventil mit dem einlassseitigen Verdrängerraum verbunden ist. Das zweite Ventil besteht aus einem Ventilsitz und einer Kugel, die nicht geführt ist und deshalb radiale Bewegungen ausführen kann. Bei einer Öffnung des Ventils wirken Strömungskräfte auf die Kugel, wodurch es zu Drehbewegungen kommt. Diese Drehbewegungen führen zu Verschleißerscheinungen an den Federenden. Daneben kann die Feder bei radialen Bewegungen der Kugel an der Kante der Federführung anschlagen. Bei großen Ventilhüben kann die Kugel am Auslass anschlagen und somit den Auslass verschließen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, den Federverschleiß und den kurzzeitigen Verschluss des Auslasses zu verhindern. Zusätzlich soll durch die neue Bauform eine Dämpfung der Bewegung des Kolbens der Hubkolbenpumpe bei großen Öffnungen des Auslassventils erreicht werden.
Die Aufgaben werden durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs und durch Merkmale der Unteransprüche gelöst.
Das auslassseitige Ventil besteht aus einem Ventilsitz, einem schließend wirkendem Federmittel und einem Dichtkörper. Das Federmittel ist in einer Federführung gelagert, die Teil des Magnetpols ist. Durch die Führung des Federmittels und indirekt des Dichtkörpers sind nur sehr kleine radiale Bewegungen der Feder und des Dichtkörpers möglich.
Der Dichtkörper besteht aus einem Teller und einem Schaft, wobei der Schaft durch die Feder geführt ist. Durch diese Bauform sind mögliche Bewegungen auf einen Hub und eine Rotation um die Achse beschränkt. Es entsteht deutlich weniger Reibung zwischen dem Dichtkörper und der Feder. Die Abdichtung zwischen dem Dichtkörper und dem Ventilsitz ist, wie beim Stand der Technik, durch eine Berührung zwischen einer Kugel- oder Torusform und einer Kegelform erzeugt, wodurch eine kreisförmige Dichtlinie entsteht, aber die Flächenpressung zwischen Dichtkörper und Ventilsitz gering bleibt. Bei dem maximalen Hub des Dichtkörpers wird durch einen Anschlag des Dichtelementes am Auslass der Hub begrenzt, das Federmittel wird dabei nicht übermäßig belastet. Der Schaft des Dichtkörpers weist Nuten auf, dadurch kann das Medium auch bei einem Anschlag des Dichtkörpers auf den Auslass durch die Auslassbohrung fließen. Der Dichtkörper kombiniert damit mehrere Funktionen. Statt der Nuten können auch eine Bohrung oder eine Mehrzahl von Bohrungen diese Durchlassfunktion erfüllen.
Durch die Verminderung der wirksamen Querschnittsfläche des Auslasses ergibt sich eine Dämpfung der Bewegung des Kolbens, was einen schonenden Aufschlag des Kolbens auf dem Ventilsitz zur Folge hat. Dadurch wird auch das Geräusch der Hubkolbenpumpe vermindert.
Wenn der Kolben wegen einer kurzen Bestromung des Elektromagneten nur einen Teilhub ausführt, verbessert die oben beschriebene Dämpfung die Dosiergenauigkeit der Hubkolbenpumpe, weil die Geschwindigkeit des Kolbens beschränkt wird.
Für den Dichtkörper wird vorzugsweise wegen des geringen Gewichts ein geeigneter Kunststoff genutzt, beispielsweise PPA. aufgrund des geringen Gewichts des Dichtkörpers reagiert das Ventil schneller.
Der Öffnungsdruck des Ventils ergibt sich aus der Vorspannung der Feder und dem Berührradius zwischen Ventilkörper und Ventilsitz. Durch die Form des Ventilkörpers kann der Berührradius dem Erfordernis des Öffnungsdrucks angepasst werden, wenn der Ventilkörper an seiner Berührfläche kegelförmig ausgeführt ist, wird die Berührfläche des Ventilsitzes ballig ausgeführt, ist daher ein Abschnitt eines Torus. Neben der oben beschriebenen Schraubenfeder kann jede Art Federmittel eingesetzt werden, um das Ventil zu schließen. Der Schaft des Dichtkörpers kann in unterschiedlicher Weise ausgeführt werden, solange nur bei einem Anschlag des Dichtkörpers auf den Auslass ein verminderter wirksamer Öffnungsquerschnitt erhalten bleibt. Vorzugsweise werden Nuten vorgesehen, die Anzahl der Nuten und ihre Form sind auf den erforderlichen Restquerschnitt der Öffnung abgestimmt.
Anwendung:
Die Hubkolbenpumpe mit dem erfindungsgemäßen Dichtkörper wird in Dosier- oder Förderpumpen für Kraftstoffe, Reagenzien oder Wasser eingesetzt.
Bilder:
1 zeigt die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe
2 zeigt den Auslass mit dem auslassseitigen Ventil
3 zeigt den Dichtkörper des Ventils
Beispielhafte Ausführung:
Eine Hubkolbenpumpe (1) gemäß 1 hat einen Antrieb durch einen Elektromagneten (2), wobei der Magnetanker (3) des Elektromagneten auf einen Kolben (4) wirkt, der in einem Zylinder (5) beweglich gelagert ist und zwei Verdrängerräume (7), (8) voneinander trennt. Dabei sind die beiden Verdrängerräume durch ein Ventil (9) kolbenhubabhängig oder druckdifferenzabhängig verbunden. Das Ventil (9) ist im ersten Fall als Schlitzventil ausgeführt und im zweiten Fall als Rückschlagventil, es ist aber auch eine Kombination beider Bauformen möglich. Der auslassseitige Verdrängerraum (7) ist durch ein Ventil (10) mit dem Auslass (15) der Hubkolbenpumpe verbunden. Das Ventil (10) gemäß 2 weist einen Ventilsitz (11) und einen durch ein Federmittel (13) belasteten Dichtkörper (12) auf, der aus einem Schaft (16) und einem Teller (17) besteht, wie in 3 dargestellt. Dabei hat der Teller ventilsitzseitig die Form einer Kugelkalotte oder eines Kegelstumpfes. Der Schaft (16) führt das Federmittel (13) und taucht in eine Führung (14) ein, aber er verschließt den Auslass (15) unabhängig von dem Hub des Dichtkörpers (12) niemals vollständig, weil der Schaft (16) mindestens eine Nut (18) aufweist. Das Federmittel ist als zylindrische Drahtfeder, wie in 2 dargestellt, oder als metallische Flachfeder ausgeführt.
In einer bevorzugten Ausführung weist der Teller (17) des Dichtkörpers (12) ventilsitzseitig die Form einer Kugelkalotte und der Ventilsitz (11) dichtkörperseitig die Form eines Kegelstumpfes mit negativem Kegelwinkel auf, was auch als Hohlkegel bezeichnet wird.
In einer anderen Ausführung weist der Teller (17) des Dichtkörpers ventilsitzseitig die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes und der Ventilsitz (11) dichtkörperseitig die Form eines Torusabschnittes auf, was sich auch als hohlkegelig mit balliger Oberfläche beschreiben lässt.
Der Ventilsitz (11) ist vorzugsweise aus einem metallischen Kern (19) oder aus einem Kern aus einem harten Kunststoff einerseits und einem Mantel (20) andererseits aufgebaut, wobei der Mantel aus einem Elastomermaterial besteht und den Kern vollständig oder teilweise umschließt.
Der Dichtkörper (12) besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, weiter vorzugsweise aus dem Kunststoff PPA.
Der Schaft (16) des Dichtkörpers (12) weist eine Mehrzahl von Nuten (18) auf, die bei einem Anschlagen des Dichtkörpers an der Planfläche des Auslasses (15) einen Querschnitt von weniger als der Hälfte des freien Querschnitts des Auslasses offenhalten, vorzugsweise einen Querschnitt von weniger als einem Viertel des freien Querschnitts und weiter vorzugsweise einen Querschnitt von weniger als einem Achtel des freien Querschnitts. Als Alternative zu den genannten Nuten weist der Schaft Bohrungen auf, eine zentrale Bohrung und eine Querbohrung, die die zentrale Bohrung mit der Zylinderfläche des Schafts verbindet. Der Schaft des Dichtkörpers (12) ist lang genug ausgeführt, um durch sein Anschlagen an der Planfläche des Auslasses (15) unzulässige Verformungen oder Belastungen des Federmittels (13) zu verhindern.
Zum Betrieb der Hubkolbenpumpe versorgt eine elektrische Ansteuerung (21) die Hubkolbenpumpe mit pulsierender elektrischer Leistung, wobei die Frequenz die Förderleistung der Hubkolbenpumpe bestimmt, die elektrische Spannung der Batteriespannung der versorgenden Batterie entspricht, der elektrische Strom sich durch die Spannung und den temperaturabhängigen Spulenwiderstand ergibt und die Bestromungsdauer während eines Pulses so eingestellt ist, dass der Kolben (4) am Ende der Bestromung unter allen bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen sicher den Ventilsitz (11) erreicht. Wenn die Batteriespannung höher als die minimale Batteriespannung ist oder die Spulentemperatur niedriger als die maximale Spulentemperatur ist, fällt der Strom höher aus und der Kolben erreicht seinen Anschlag am Ventilsitz vor dem Ende der Bestromung. Bei solchen Betriebsbedingungen, die ein Anschlagen des Kolbens (4) am Ventilsitz (11) zeitlich vor dem Ende der Bestromung bewirken, schlägt der Dichtkörper (12) noch vor dem Anschlagen des Kolbens (4) am Ventilsitz mit seinem Schaft (16) an dem Auslass (15) an. Durch die damit bewirkte Verminderung der wirksamen Querschnittsfläche im Auslass wird die Bewegung des Kolbens (4) abgebremst und der Anschlag des Kolbens (4) am Ventilsitz (11) erfolgt mit vermindertem Impuls.
In einer alternativen Betriebsart der Hubkolbenpumpe versorgt eine elektrische Ansteuerung (21) die Hubkolbenpumpe mit pulsierender elektrischer Leistung, wobei die Bestromungsdauer während eines Pulses so eingestellt ist, dass der Kolben (4) am Ende der Bestromung gegen die Kräfte der Rückstellfeder (22) und des Kolbens (4) einen Teil des maximal möglichen Hubs ausführt. Dabei taucht der Dichtkörper (12) noch vor dem Erreichen der maximalen Geschwindigkeit des Kolbens (4) mit dem Schaft (16) in die Führung (14) ein und/oder schlägt mit seinem Schaft (16) an dem Auslass (15) an. Durch die damit bewirkte Verminderung der wirksamen Querschnittsfläche im Auslass wird die Bewegung des Kolbens (4) abgebremst.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Elektromagnet
3: Magnetanker
4: Kolben
5: Zylinder
6: Magnetpol
7: Auslassseitiger Verdrängerraum
8: Einlasseitiger Verdrängerraum
9: Ventil
10: Auslassseitiges Ventil
11: Ventilsitz
12: Dichtkörper
13: Federmittel
14: Führung
15: Auslass
16: Schaft
17: Teller
18: Nut
19: Kern
20: Mantel
21: Elektrische Ansteuerung
22: Rückstellfeder

Claims

Hubkolbenpumpe (1) mit einem Antrieb durch einen Elektromagneten (2), wobei der Magnetanker (3) des Elektromagneten auf einen durch eine Rückstellfeder (22) belasteten Kolben (4) wirkt, der in einem Zylinder (5) beweglich gelagert ist und zwei Verdrängerräume (7), (8) voneinander trennt, wobei die beiden Verdrängerräume durch ein erstes Ventil (9) verbunden sind und wobei der auslassseitige Verdrängerraum (7) durch ein druckgesteuertes zweites Ventil (10), bestehend aus einem Ventilsitz (11) und einem durch Federmittel (13) belasteten Dichtkörper (12), mit einem Auslass (15) der Hubkolbenpumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass, der Dichtkörper (12) aus einem Schaft (16) und einem Teller (17) besteht, wobei der Teller ventilsitzseitig die Form einer Kugelkalotte, eines Kegels oder eines Kegelstumpfes hat und wobei der Schaft (16) das Federmittel (13) führt und in eine Führung (14) eintaucht, dabei den Auslass (15) abhängig von dem Hub des Dichtkörpers (12) teilweise, aber auch bei einem Anschlagen des Dichtkörpers an den Auslass nicht vollständig verschließt, wobei der Schaft (16) des Dichtkörpers (12) eine Nut oder eine Mehrzahl von Nuten (18) aufweist, die bei einem Anschlagen des Dichtkörpers an der Planfläche des Auslasses (15) einen Querschnitt von weniger als der Hälfte des freien Querschnitts des Auslasses (15) offenhalten.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Teller (17) des Dichtkörpers (12) ventilsitzseitig die Form einer Kugelkalotte und der Ventilsitz (11) dichtkörperseitig die Form eines Kegelstumpfes mit negativem Kegelwinkel aufweist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Teller (17) des Dichtkörpers ventilsitzseitig die Form eines Kegels oder eines Kegelstumpfes aufweist und der Ventilsitz (11) dichtkörperseitig die Form eines Torusabschnittes aufweist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (11) aus einem Kern (19) und einem Mantel (20) aufgebaut ist, wobei der Mantel aus einem Elastomermaterial besteht und der Kern aus einem metallischen Werkstoff oder aus einem harten Kunststoff besteht.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (12) aus einem Kunststoff besteht.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (12) aus dem Kunststoff PPA besteht.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft des Dichtkörpers (12) lang genug ausgeführt ist, um durch sein Anschlagen an der Planfläche des Auslasses (15) schädliche Verformungen oder Belastungen des Federmittels (13) zu verhindern.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wobei eine elektrische Ansteuerung (21) die Hubkolbenpumpe mit pulsierender elektrischer Leistung versorgt, wobei die Frequenz die Förderleistung der Hubkolbenpumpe bestimmt, die elektrische Spannung der Batteriespannung der versorgenden Batterie entspricht, der elektrische Strom sich durch die Spannung und den temperaturabhängigen Spulenwiderstand ergibt und die Bestromungsdauer während eines Pulses so eingestellt ist, dass der Kolben (4) am Ende der Bestromung unter allen bestimmungsgemäßen Betriebsbedingungen gegen die Kräfte der Rückstellfeder (22) und des Kolbens (4) sicher den Ventilsitz (11) erreicht, wobei aber bei solchen Betriebsbedingungen, die ein Anschlagen des Kolbens (4) am Ventilsitz (11) zeitlich schon vor dem Ende der Bestromung bewirken, der Dichtkörper (12) noch vor dem Anschlagen des Kolbens (4) am Ventilsitz mit seinem Schaft (16) an dem Auslass (15) anschlägt und durch die damit bewirkte Verminderung der wirksamen Querschnittsfläche im Auslass die Bewegung des Kolbens (4) bremst.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wobei eine elektrische Ansteuerung (21) die Hubkolbenpumpe mit pulsierender elektrischer Leistung versorgt, wobei die Frequenz die Förderleistung der Hubkolbenpumpe bestimmt, die elektrische Spannung der Batteriespannung der versorgenden Batterie entspricht, der elektrische Strom sich durch die Spannung und den temperaturabhängigen Spulenwiderstand ergibt und die Bestromungsdauer während eines Pulses so eingestellt ist, dass der Kolben (4) am Ende der Bestromung gegen die Kräfte der Rückstellfeder (22) und des Kolbens (4) einen Teil des maximal möglichen Hubs ausführt, wobei der Dichtkörper (12) noch vor dem Erreichen der maximalen Geschwindigkeit des Kolbens (4) mit dem Schaft (16) in die Führung (14) eintaucht und/oder mit seinem Schaft (16) an dem Auslass (15) anschlägt und durch die damit bewirkte Verminderung der wirksamen Querschnittsfläche im Auslass die Bewegung des Kolbens (4) bremst.