DE102015010504A1

DE102015010504A1 - Hubkolbenpumpe mit einer Mischkammer

Info

Publication number: DE102015010504A1
Application number: DE102015010504.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Rolland; Axel Müller; Olaf Ohligschläger; Michael Müller
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2015-08-12
Filing date: 2015-08-12
Publication date: 2017-02-16

Abstract

Aufgabe: Eine Hubkolbenpumpe soll einen Mischapparat enthalten, der gemeinsam mit der Hubkolbenpumpe in der Serienfertigung geprüft werden kann. Lösung: Der Verdrängerauslass (5) des Verdrängerapparats (3) mündet in eine Mischkammer (6), in der das Arbeitsfluid mit einem zweiten Fluid vermischt wird, das durch einen zweiten Einlass (7) in die Mischkammer einströmt, wobei das vermischte Fluid durch einen Vorrichtungsauslass (8) die Hubkolbenpumpe verlässt. Anwendung: Förderung oder Dosierung von einem ersten Fluid und Vermischung des ersten Fluids mit einem zweiten Fluid.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik:
Hubkolbenpumpen zur Förderung und/oder Dosierung von Arbeitsfluiden sind bekannt, zum Beispiel aus den Druckschriften DE 4328621 A1 und DE 10 2011 118 417 B4 .
In einigen Anwendungen ist es erforderlich, das geförderte Arbeitsfluid mit einem anderen Fluid zu vermischen.
Naheliegend ist dabei, die Vermischung der Fluide in dem Leitungssystem zwischen der Hubkolbenpumpe und dem Verbraucher oder im Verbraucher selbst vorzunehmen.
Bei einer Anordnung des Mischapparats im Leitungssystem erhöht sich die Anzahl der zusammenzubauenden Bauteile im dem der Hubkolbenpumpe übergeordneten System und auch die Anzahl der möglichen Leckagerisiken. Außerdem ist es dabei aufwändig, die Fördercharakteristik der Hubkolbenpumpe auf die Geometrie der Mischzone abzustimmen, und nicht möglich, die Hubkolbenpumpe und den Mischapparat gemeinsam in der Serienfertigung zu prüfen.
Ähnlich nachteilig ist die Anordnung des Mischapparats im Verbraucher, auch dabei können die Hubkolbenpumpe und der Mischapparat nicht gemeinsam in der Serienfertigung geprüft werden, und zusätzlich ergibt sich der Nachteil, dass die Leitungsstrecke zwischen dem Mischapparat und dem Verbraucher sehr kurz ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Hubkolbenpumpe zu beschreiben, die einen Mischapparat enthält, der gemeinsam mit der Hubkolbenpumpe in der Serienfertigung geprüft werden kann und zusätzliche Verbindungselemente vermeidet.
Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs beschrieben, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Hubkolbenpumpe wird durch einen fest mit einem Verdrängerapparat verbundenen Elektromagneten angetrieben. Der Elektromagnet ist in bekannter Weise aus einer Magnetspule, mehreren Flussleitbauteilen aus Eisen und einem Anker aufgebaut. Der Anker ist mit dem Hubkolben der Hubkolbenpumpe fest verbunden.
Ein Flussleitbauteil, nämlich der Konus, ist in einem axialen Abstand zum Anker angeordnet, dadurch ergibt sich ein variabler Luftspalt, an dem bei einer Bestromung der Magnetspule eine Kraftwirkung erzeugt wird, die gegen eine Rückstellfeder auf den Anker wirkt.
Der Verdrängerapparat enthält den mit dem Anker verbundenen Hubkolben, einen Zylinder und zwei Ventile zur Steuerung des Fluidstroms.
Mindestens eines dieser Ventile ist als Rückschlagventil ausgebildet und hier als Auslassventil angeordnet. Das andere Ventil ist hier als Schlitzventil ausgebildet, aber es könnte auch als Rückschlagventil in dem Hubkolben angeordnet sein.
Der Verdrängerapparat fördert das Arbeitsfluid von einem Einlass durch den Zylinder zu dem Verdrängerauslass.
Das verdrängte Fluid gelangt von dem auslassseitigen Rückschlagventil in die Leitung, die als Verdrängerauslass bezeichnet wird, und von dort in die Mischkammer.
In der Mischkammer wird das von der Hubkolbenpumpe verdrängte Fluid mit einem zweiten Fluid vermischt.
Dazu tritt das zweite Fluid durch einen zweiten Einlass in die Mischkammer ein und verlässt mit dem ersten Fluid vermischt die Hubkolbenpumpe durch den Vorrichtungsauslass.
Zur Optimierung der Vermischung wird vorteilhafterweise der Querschnitt des Verdrängerauslasses auf den Querschnitt der Mischkammer abgestimmt, beispielsweise wird der Querschnitt des Verdrängerauslasses in einem experimentell ermittelten Verhältnis kleiner als der Querschnitt der Mischkammer ausgeführt.
Zur weiteren Optimierung der Vermischung kann es vorteilhaft sein, den Zulauf aus dem zweiten Einlass zur Mischkammer konisch zu verengen und damit die Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Fluids zu erhöhen.
Entsprechend sieht eine vorteilhafte Ausführung des Ablaufs aus der Mischkammer zum Vorrichtungsauslass einen konischen Verlauf vor, wobei ebenfalls eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit beabsichtigt wird. In einer alternativen Ausführung ragt das auslassseitige Rückschlagventil mit seiner Rückstellfeder und seinem Federraum in die Mischkammer hinein. Dabei ergibt sich eine Vereinfachung der Herstellung und die Anschlüsse für das zweite Fluid und die Mischung der Fluide können axial ausgeführt werden.
Dies lässt sich auch mit Erhöhungen der Strömungsgeschwindigkeiten kombinieren, wenn zwischen den Anschlüssen und der Mischkammer Verbindungsbohrungen mit geringerem Querschnitt angeordnet werden.
Zum Zusammenbau der Hubkolbenpumpe wird vorteilhafterweise eine Patronenbauform für eine erste Baugruppe gewählt, die aus dem Verdrängerapparat, der Mischkammer, dem Anker und einigen Flussleitbauteilen besteht. Diese Patrone wird vormontiert und in eine zweite Baugruppe gefügt, die aus der Magnetspule und einigen anderen Flussleitbauteilen besteht, von denen vorzugsweises eines die Form eines Bügels aufweist.
Weiter vorzugsweise ist diese zweite Baugruppe, die Magnetbaugruppe, mit Kunststoff umspritzt.
Wenn das erste Fluid einfrieren kann und sich dabei ausdehnt, ist es erforderlich, die Hubkolbenpumpe vor Beschädigungen durch das sich ausdehnende Fluid zu schützen. Dazu weist eine Ausführung der Hubkolbenpumpe eine elastische Membran auf, die ein Ausgleichsvolumen von einer gasgefüllten Kammer abteilt, wobei die gasgefüllte Kammer mit der Umgebungsluft verbunden sein kann. Wenn das Fluid auftaut, wird die elastische Membran durch ihre eigene Formsteifigkeit und/oder durch den Druck des Gasvolumens zurückgestellt.
Das erste Fluid kann in bestimmten Anwendungen mit einem geringen Überdruck zur Hubkolbenpumpe zufließen. Dann soll die Pumpe aber nicht durchströmt werden, wenn sie nicht elektromagnetisch betrieben wird. Daher enthält sie in der betreffenden Ausführung ein Absperrventil, das die Rückstellfeder des Ankers nutzt, um beim Stillstand den Anker mit einer Dichtfläche gegen einen elastischen Dichtkörper zu drücken, wobei dann der Einlass der Hubkolbenpumpe versperrt wird.
Wenn die Hubkolbenpumpe in einem Fördersystem betrieben wird, so enthält dieses System außer der Hubkolbenpumpe einen Vorratsbehälter, aus dem die Hubkolbenpumpe das erste Fluid ansaugt, eine durch eine Leitung verbundene Versorgungseinrichtung, die ist und die ein zweites Fluid bereitstellt, einen Verbraucher, der mit der Mischung der Fluide versorgt wird und eine elektrische Steuerung, die die Magnetspule mit pulsierender elektrischer Energie versorgt.
Anwendung:
Förderung oder Dosierung von einem ersten Fluid und Vermischung des ersten Fluids mit einem zweiten Fluid.
Bilder:
1 zeigt die Hubkolbenpumpe mit einer Mischkammer und mit radialen Anschlüssen
2 zeigt eine Ausführung der Hubkolbenpumpe mit einem in die Mischkammer ragenden Rückschlagventil
3 zeigt eine Ausführung der Hubkolbenpumpe mit Verjüngungen der Querschnitte im Zulauf und Ablauf zur Mischkammer
4 zeigt eine Ausführung der Hubkolbenpumpe mit axialen Anschlüssen zur Mischkammer
5 zeigt ein Fördersystem mit der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe
Beispielhafte Ausführung:
Eine Hubkolbenpumpe (1) enthält entsprechend 1 einen antreibenden Elektromagneten (2) und einen Verdrängerapparat (3), der ein Arbeitsfluid von einem ersten Einlass (4) zu einem Verdrängerauslass (5) fördert, wobei der Verdrängerauslass (5) in eine Mischkammer (6) mündet, in der das Arbeitsfluid mit einem zweiten Fluid vermischt wird, das durch einen zweiten Einlass (7) in die Mischkammer einströmt, und wobei das vermischte Fluid durch einen Vorrichtungsauslass (8) die Vorrichtung verlässt.
Der Elektromagnet (2) besteht aus einer Magnetspule (22), daran anschließenden Flussleitbauteilen (20, 21), weiteren Flussleitbauteilen (15, 16) und einem Anker (14). Eines der Flussleitbauteile (20, 21) ist vorzugsweise als Bügel geformt. Von den weiteren Flussleitbauteilen (15, 16) ist eines als Joch und eines als Konus geformt.
Die Mischkammer (6) weist vorzugsweise einen größeren Querschnitt zum Fluiddurchlass auf als der Verdrängerauslass (5).
Der Verdrängerapparat (3) entsprechend 2 weist ein auslassseitiges Rückschlagventil (9) auf und dieses Rückschlagventil (9) ragt bei dieser Ausführung mit seiner Rückstellfeder (10) und seinem Federraum (11) in die Mischkammer (6).
Bei einer Aufführung der Hubkolbenpumpe entsprechend 3 verjüngen sich der zweite Einlass (7) und/oder der Vorrichtungsauslass (8) bei ihrem Übergang zur Mischkammer (6) erheblich, so dass eine stark erhöhte Flussgeschwindigkeit des zweiten Fluids und/oder des vermischten Fluids entsteht.
Bei einer Ausführung der Hubkolbenpumpe entsprechend 4 ragt der Federraum (11) in die Mischkammer (6) und sowohl der zweite Einlass (7) als auch der Vorrichtungsauslass (8) sind durch Verbindungsbohrungen (12, 13) mit der Mischkammer verbunden, wobei die Verbindungsbohrungen (12, 13) jeweils einen geringeren Querschnitt aufweisen als der zweite Auslass und der Vorrichtungsauslass.
Der Verdrängerapparat (3) bildet zusammen mit einem Anker (14) und mit Flussleitbauteilen (15, 16) des Elektromagneten (2) eine vormontierbare Patronenbaugruppe (17), die in eine Spulenbaugruppe (18) des Elektromagneten (2) einschiebbar ist und durch ein Spannelement (19) in seiner Lage in der Spulenbaugruppe gesichert ist, wobei auch die Spulenbaugruppe außer der Magnetspule (22) Flussleitbauteile (20, 21) enthält.
Eines der Flussleitbauteile (20, 21) der Spulenbaugruppe hat vorteilhafterweise die Form eines Bügels.
Die Spulenbaugruppe weist vorteilhafterweise eine Kunststoffumspritzung (23) auf.
In einer vorteilhaften Ausführung enthält die Hubkolbenpumpe ein von einer elastischen Membran (24) abgeteiltes Ausgleichsvolumen (25). Dieses schützt die Hubkolbenpumpe bei einem Einfrieren des ersten Fluids vor Beschädigungen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführung enthält die Hubkolbenpumpe eine Absperrvorrichtung (26), die ein Nachfließen des ersten Fluids durch die Hubkolbenpumpe verhindert. Dabei besteht die Absperrvorrichtung aus einem elastischen Dichtkörper (31) und einer Dichtfläche (32). Wenn die Magnetspule (22) stromlos ist, drückt eine zweite Rückstellfeder (33) über den Anker (14) die Dichtfläche (32) gegen den Dichtkörper.
Die Hubkolbenpumpe ist vorzugsweise Teil eines Fördersystems mit folgenden weiteren Komponenten:

– ein Vorratsbehälter (27), aus dem die Hubkolbenpumpe das erste Fluid ansaugt
– eine Versorgungseinrichtung (29), die durch eine Leitung verbunden ist und die ein zweites Fluid bereitstellt
– ein Verbraucher (28), der mit der Mischung der Fluide versorgt wird
– eine elektrische Steuerung (30), die die Magnetspule (22) mit pulsierender elektrischer Energie versorgt.

Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Elektromagnet
3: Verdrängerapparat
4: Einlass
5: Verdrängerauslass
6: Mischkammer
7: Einlass
8: Vorrichtungsauslass
9: Rückschlagventil
10: Rückstellfeder
11: Federraum
12: Verbindungsbohrung
13: Verbindungsbohrung
14: Anker
15: Flussleitbauteil
16: Flussleitbauteil
17: Patronenbaugruppe
18: Spulenbaugruppe
19: Spannelement
20: Flussleitbauteil
21: Flussleitbauteil
22: Magnetspule
23: Kunststoffumspritzung
24: Elastische Membran
25: Ausgleichsvolumen
26: Absperrvorrichtung
27: Vorratsbehälter
28: Verbraucher
29: Versorgungseinrichtung
30: Elektrische Steuerung
31: Dichtkörper
32: Dichtfläche
33: Rückstellfeder

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

DE 4328621 A1 [0002]
DE 102011118417 B4 [0002]

Claims

Hubkolbenpumpe (1) mit einem antreibenden Elektromagneten (2) und einem Verdrängerapparat (3), der ein Arbeitsfluid von einem ersten Einlass (4) zu einem Verdrängerauslass (5) fördert, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerauslass (5) in eine Mischkammer (6) mündet, in der das Arbeitsfluid mit einem zweiten Fluid vermischt wird, das durch einen zweiten Einlass (7) in die Mischkammer einströmt, wobei das vermischte Fluid durch einen Vorrichtungsauslass (8) die Hubkolbenpumpe verlässt.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischkammer (6) einen größeren Querschnitt zum Fluiddurchlass aufweist als der Verdrängerauslass (5).
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerapparat (3) ein auslassseitiges Rückschlagventil (9) aufweist und dass dieses Rückschlagventil (9) mit seiner Rückstellfeder (10) und seinem Federraum (11) in die Mischkammer (6) ragt.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Einlass (7) und/oder der Vorrichtungsauslass (8) sich bei ihrem Übergang zur Mischkammer (6) erheblich verjüngen, so dass eine stark erhöhte Flussgeschwindigkeit des zweiten Fluids und/oder des vermischten Fluids entsteht.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Federraum (11) in die Mischkammer (6) ragt und dass der zweite Einlass (7) und der Vorrichtungsauslass (8) durch Verbindungsbohrungen (12, 13) mit der Mischkammer verbunden sind, wobei die Verbindungsbohrungen (12, 13) jeweils einen geringeren Querschnitt aufweisen als der zweite Auslass und der Vorrichtungsauslass.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerapparat (3) zusammen mit einem Anker (14) und mit Flussleitbauteilen (15, 16) des Elektromagneten (2) eine erste Baugruppe bildet, und dass eine Magnetspule (22) mit Flussleitbauteilen (20, 21) eine zweite Baugruppe bildet.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdrängerapparat (3) zusammen mit dem Anker (14) und mit Flussleitbauteilen (15, 16) des Elektromagneten (2) eine vormontierbare Patronenbaugruppe (17) bilden, die in eine Spulenbaugruppe (18) des Elektromagneten (2) einschiebbar ist und durch ein Spannelement (19) in seiner Lage in der Spulenbaugruppe gesichert ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Flussleitbauteile (20, 21) in der Spulenbaugruppe (18) die Form eines Bügels aufweist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenbaugruppe (18) eine Kunststoffumspritzung (23) aufweist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Fluid eine wasserhaltige Flüssigkeit ist und dass das zweite Fluid Luft ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein von einer elastischen Membran (24) abgeteiltes Ausgleichsvolumen (25) enthält.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Absperrvorrichtung (26) enthält, die ein Nachfließen des ersten Fluids durch die Hubkolbenpumpe verhindert, wenn die Magnetspule (22) stromlos ist, wobei die Absperrvorrichtung aus einem elastischen Dichtkörper (31) und einer Dichtfläche (32) besteht und wobei eine zweite Rückstellfeder (33) über den Anker (14) die Dichtfläche (32) gegen den Dichtkörper drückt.
Fördersystem mit einer Hubkolbenpumpe nach den Ansprüchen 1, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die darin enthaltene Hubkolbenpumpe – ein erstes Fluid aus einem Vorratsbehälter (27) ansaugt – eine Absperrvorrichtung (26) enthält – ein von einer elastischen Membran (24) abgeteiltes Ausgleichsvolumen (25) enthält – mit einer Versorgungseinrichtung (29) durch eine Leitung verbunden ist, die ein zweites Fluid bereitstellt – eine Mischkammer (6) enthält, in der das zweites Fluid zugemischt wird – einen Verbraucher (28) mit der Mischung der Fluide versorgt – von einer elektrische Steuerung (30) mit pulsierender elektrischer Energie versorgt wird.