DE102017001317B3

DE102017001317B3 - Hubkolbenpumpe mit aktivem Dämpfer und Verfahren zum Betrieb der Hubkolbenpumpe

Info

Publication number: DE102017001317B3
Application number: DE102017001317.9A
Authority: DE
Inventors: René Schulz
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2017-03-18
Filing date: 2017-03-18
Publication date: 2018-03-08
Anticipated expiration: 2037-03-19

Abstract

Aufgabe: Eine Hubkolbenpumpe soll einen elektrisch angetriebenen aktiven Dämpfer enthalten, der das Bauvolumen und die Herstellkosten nicht oder nur geringfügig im Vergleich zu einer Hubkolbenpumpe mit passivem Dämpfer erhöht. Lösung: Die Hubkolbenpumpe (1) weist mindestens einen Pulsationsdämpfer (20) auf, der auf der Seite des Einlasses (21) und/oder auf der Seite des Auslasses (22) einen Druck in einem Arbeitsfluid dämpft, wobei der mindestens eine Pulsationsdämpfer (2) eine elektroaktive Membran (23) aufweist, die aus einem elektroaktiven Polymer besteht. Anwendung: Hubkolbenpumpen dieser Gattung werden zur Förderung und Dosierung von Kraftstoffen und Reagenzien verwendet, vor allem in Heizungsanlagen für Fahrzeuge und für Abgasreinigungssysteme von Dieselmotoren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Hubkolbenpumpen dieser Gattung werden zur Förderung und Dosierung von Kraftstoffen und Reagenzien verwendet, vor allem in Heizungsanlagen für Fahrzeuge und für Abgasreinigungssysteme von Dieselmotoren. Dabei ist eine geringe Geräuschentwicklung Teil der Spezifikation, und das Geräusch wird zum Beispiel mittels eines Dämpfers vermindert, der die Druckschwankungen im Arbeitsfluid der Hubkolbenpumpe verringert.
Stand der Technik:
Dosierpumpen und Förderpumpen mit geringem Förderstrom werden aus Gründer der Ersparnis von Kosten und Bauraum als elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen ausgeführt, vorzugsweise als innen durchströmte Hubkolbenpumpen, die keine zur Umgebung hin abdichtende dynamische Dichtung erfordern, weil der Magnetanker im Arbeitsfluid angeordnet ist.
Derartige Hubkolbenpumpen sind bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 42 43 866 A1 . Sie bestehen aus einem Elektromagneten und einer Verdrängereinheit, wobei der Magnetanker des Elektromagneten mit dem Kolben der Verdrängereinheit kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden ist.
Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen erzeugen einen zeitlich ungleichförmigen Förderstrom. Dies hat zur Entwicklung von Hubkolbenpumpen mit Dämpfern geführt, die den Druckverlauf am Einlass oder am Auslass der Pumpe glätten.
Ein Dämpfer am Auslass ist besonders geeignet, die Druckschwankungen in der Druckleitung und an nachgeordneten Bauteilen zu vermindern.
Ein Dämpfer am Einlass verschafft der Pumpe bessere Ansaugverhältnisse und vermindert dadurch die Gefahr von Kavitation, zusätzlich kann ein solcher Dämpfer bei einem Einsatz von gefrierendem Arbeitsfluid die Hubkolbenpumpe vor einer Beschädigung durch das gefrierende Arbeitsfluid schützen.
Hubkolbenpumpen mit Dämpfer sind bekannt, die Druckschrift DE 102 27 659 B4 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit auslassseitigem Dämpfer und die Druckschrift DE 10 2011 111 938 B3 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit einlassseitigem Dämpfer.
Die bekannten Dämpfer, die auch als passive Dämpfer bezeichnet werden, haben allerdings nur eine begrenzte Wirkung, weil die von der Verdrängereinheit bewirkte Förderstrom- und Druckungleichförmigkeit bedeutende höherfrequente Anteile der Pulsation aufweist, denn der zeitliche Verlauf des Förderstroms ist nicht sinusförmig.
Es ist lange bekannt, dass eine aktive Dämpfung eine erheblich bessere Wirkung erzielen kann, aber bekannte aktive Dämpfer mit einer Verdrängereinheit und einem elektromagnetischen Antrieb sind im Vergleich zur Hubkolbenpumpe ohne Dämpfer sehr aufwendig und haben keinen Einsatz gefunden.
Aufgabe:
Die elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe soll einen elektrisch angetriebenen aktiven Dämpfer enthalten, der das Bauvolumen und die Herstellkosten nicht oder nur geringfügig im Vergleich zu einer Hubkolbenpumpe mit passivem Dämpfer erhöht.
Lösung:
Die Lösung der Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs beschrieben, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den folgenden Unteransprüchen angegeben, der letzte Anspruch beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe.
Die Hubkolbenpumpen mit passivem Dämpfer weisen eine schlauchförmige Membran aus einem hochelastischen Material auf, üblicherweise ein synthetisches Elastomer. Entsprechend der hier vorgeschlagenen Lösung wird diese Membran durch eine ähnlich geformte Membran aus einem elektroaktiven Polymer, vorzugsweise aus einem dielektrischen Elastomer, ersetzt. Dabei sind dielektrische Elastomere eine Unterordnung der elektroaktiven Polymere. Solche elektroaktiven Polymere sind bekannt, aber noch nicht weit verbreitet.
Beispielsweise zeigt die Druckschrift DE 10 2014 214 684 A1 ein Dichtsystem aus einem elektroaktiven Polymer und die Druckschrift DE 10 2011 107 046 A1 zeigt eine Mikropumpe mit einer Membran aus einem elektroaktiven Polymer. Auch Ventile mit einem Bauteil aus einem elektroaktiven Polymer sind bekannt, nämlich aus den Druckschriften DE 10 2014 115 825 A1 , DE 698 18 465 T2 und DE 10 2014 116 295 A1 .
Aus der Druckschrift EP 0 679 832 B1 ist eine Vorrichtung zum Reduzieren von Druckpulsationen in Hydraulikleitungen bekannt, bei der aktive bewegliche Mittel vorgesehen sind, die eine verschiebliche Wandung beaufschlagen. Die Druckschrift US 7,537,197 B2 zeigt elektroaktive Polymermittel zur Beeinflussung eines Fluidstroms, wobei insbesondere der Fluidstrom durch ein EPAM genanntes schlauchförmiges Mittel beeinflusst wird.
Die Druckschrift DE 10 2008 019 488 A1 zeigt eine Fluidpulsationsdämfungsvorrichtung in einem geschlossenen Fluidkreislauf, insbesondere in einem Kältemittelkreislauf. Dabei wird die Volumenbeeinflussungsvorrichtung in Abhängigkeit von dem Ausgabewert eines Druckpulsationssensors angesteuert.
Die erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe, enthält eine Verdrängereinheit, die aus einem Kolben, einem Zylinder, einem Einlassventil und einem Auslassventil besteht.
Die Hubkolbenpumpe wird innen von Arbeitsfluid durchströmt, daher bewegt sich der Magnetanker im Arbeitsfluid und es ist keine zur Umgebung wirkende dynamische Abdichtung des Magnetankers erforderlich.
Die Hubkolbenpumpe weist mindestens einen Pulsationsdämpfer auf, auf der Seite des Einlasses, auf der Seite des Auslasses oder sowohl auf der Einlassseite und der Auslassseite.
Der jeweilige Pulsationsdämpfer weist eine elektroaktive Membran auf, die aus einem elektroaktiven Polymer, vorzugsweise aus einem dielektrischen Elastomer besteht.
Die elektroaktive Membran weist vorzugsweise die Form eines Schlauches auf, dadurch lässt sie sich bauraumsparend in oder an der Hubkolbenpumpe anordnen und mit geringem Bauaufwand abdichten.
Auf der Seite der Membran, die dem Arbeitsfluid zugewandt ist, ist ein ausreichendes Volumen des Arbeitsfluids angeordnet, damit die Membran sich radial frei bewegen kann und damit ein Durchfluss von Arbeitsfluid zwischen der Membran und den innerhalb angeordneten Bauteilen möglich ist.
Auf der von dem Arbeitsfluid abgewandten Seite der Membran befindet sich vorzugsweise ein Gasvolumen, das gegen die Umgebung abgedichtet ist, oder mit einer Blende mit der Umgebungsluft verbunden ist. Die Elastizität der Membran und die Kompressibilität des Gasvolumens bewirken zusammen die Dämpfung.
Weil die Membran elektroaktiv ausgeführt ist, kann durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an mit der Membran verbundene Elektroden die schlauchförmige Membran zu einer zusätzlichen radialen Bewegung veranlasst werden, diese zusätzliche Bewegung unterstützt die Dämpfungswirkung, wenn sie relativ zur Bewegung des Kolbens synchron, aber zeitverschoben erfolgt. Die Membran des Pulsationsdämpfers weist vorzugsweise zwei Elektroden auf, die über im Inneren der Hubkolbenpumpe verlaufende elektrische Leitungen mit einem mehrpoligen elektrischen Steckverbinder elektrisch verbunden sind. In einer anderen Ausführung können die Leitungen mindestens teilweise an der Oberfläche der Hubkolbenpumpe verlaufen. Mit dem genannten Steckverbinder sind auch zwei elektrische Leitungen zum Anschluss der Magnetspule verbunden. Dabei ist jede der genannten Leitungen an einem zugeordneten Steckkontakt in dem mehrpoligen Steckverbinder angeschlossen.
Wenn die Spannung einer einlagigen elektroaktiven Membran nicht ausreicht, die erforderlichen Bewegungen zu bewirken, ist eine mehrlagige Membran einzusetzen. Dabei weisen die Lagen der Membran gemeinsame Elektroden an den axialen Enden der schlauchförmigen Membran auf.
Bilder:
1 zeigt eine erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe mit einem auslassseitigen Pulsationsdämpfer.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Hubkolbenpumpe mit einem einlassseitigen Pulsationsdämpfer
3 zeigt ein schematisches Bild der elektrischen Leitungen in der Hubkolbenpumpe und der elektrischen Ansteuerung
Beispielhafte Ausführung:
Eine Hubkolbenpumpe (1) gemäß 1 oder 2 wird durch einen Elektromagneten (2) angetrieben, der mindestens eine Magnetspule (3), einen Eisenrückschluss (4), ein Joch (5), einen Magnetpol (6) und einen Anker (7) enthält.
Eine Verdrängereinheit (7) der Hubkolbenpumpe (1) besteht aus einem Kolben (8), einem Zylinder (9), einem Einlassventil (10) und einem Auslassventil (11). Dabei ist der Kolben (8) mit dem Anker (7) kraftschlüssig verbunden.
Die Hubkolbenpumpe (1) wird innen von Arbeitsfluid durchströmt, daher kann eine zur Umgebung hin abdichtende dynamische Dichtung vermieden werden. Die Hubkolbenpumpe (1) weist mindestens einen Pulsationsdämpfer (20) auf, der auf der Seite des Einlasses (21) und/oder auf der Seite des Auslasses (22) den Druck im Arbeitsfluid dämpft.
Der mindestens eine Pulsationsdämpfer (2) weist eine elektroaktive Membran (23) auf, die aus einem elektroaktiven Polymer, vorzugsweise aus einem dielektrischen Elastomer, besteht, und weist vorteilhafterweise eine schlauchförmige Gestalt auf.
In einer ersten bevorzugten Ausführung gemäß 1 ist der Pulsationsdämpfer (20) in Durchflussrichtung hinter dem Auslassventil (11) angeordnet, wobei die Membran (23) die Auslassleitung (24) so mit Abstand umfasst, dass sich zwischen der Auslassleitung (24) und der Membran (23) Arbeitsfluid befindet.
In einer zweiten Ausführung gemäß 2 ist der Pulsationsdämpfer (20) in Durchflussrichtung vor dem Einlassventil (10) angeordnet, wobei die Membran (23) die Verdrängereinheit (7) so mit Abstand umfasst, dass sich zwischen der Verdrängereinheit (7) und der Membran (23) Arbeitsfluid befindet und das Arbeitsfluid zum Einlassventil (10) strömen kann.
In einer dritten Ausführung, die sich aus der Zusammenschau von 1 und 2 erschließt, weist die Hubkolbenpumpe zwei Pulsationsdämpfer (20', 20'') auf, wobei der erste Pulsationsdämpfer (20') in Durchflussrichtung vor dem Einlassventil (10) angeordnet ist und der zweite Pulsationsdämpfer (20'') in Durchflussrichtung hinter dem Auslassventil (11) angeordnet ist.
Auf der dem Arbeitsfluid abgewandten Seite der Membran (23) ist vorteilhafterweise ein Gasvolumen (35) angeordnet ist, das zur Umgebung abgedichtet ist oder durch eine Drossel (36) mit der Umgebung verbunden ist.
Weiter vorteilhafterweise ist die Membran (23) aus einer Mehrzahl von Lagen von dielektrischem Elastomer hergestellt, wobei die Mehrzahl von Lagen jeweils an den axialen Enden mit einer gemeinsamen Elektrode versehen sind.
Die mindestens eine Membran (23) des mindestens einen Pulsationsdämpfers (20) weist vorzugsweise zwei Elektroden (25, 25') auf, die über im Inneren der Hubkolbenpumpe (1) verlaufende elektrische Leitungen (27, 27') mit einem mehrpoligen elektrischen Steckverbinder (29) elektrisch verbunden sind. Mit dem Steckverbinder (29) sind auch zwei elektrische Leitungen (30, 31) zum Anschluss der Magnetspule (3) verbunden. Dabei ist jede der Leitungen (27, 27', 30, 30') an einem ihr zugeordneten Steckkontakt (32) in dem Steckverbinder (29) angeschlossen.
Zum Betrieb der Hubkolbenpumpe beaufschlagt gemäß 3 eine elektrische Ansteuerung (33), die über eine mehradrige Leitung (34) und über den mehrpoligen Steckverbinder (29) sowie über elektrische Leitungen (30, 30') die Magnetspule (3) und über weitere elektrische Leitungen (27, 27') die Membran (23).
Dabei steuert die elektrische Ansteuerung (33) die Magnetspule (3) und die elektroaktive Membran (23) mit derselben Frequenz an, aber mit einer Zeitverschiebung der Ansteuerimpulse für die elektroaktive Membran (23), wobei die Zeitverschiebung und die Amplitude entsprechend einer in der elektrischen Ansteuerung (33) abgelegten Tabelle von der Frequenz der Ansteuerimpulse abhängig sind. Dabei wird die Zeitverschiebung so gewählt, dass der maximale Fördervolumenstrom der Hubkolbenpumpe mit der maximalen radialen Geschwindigkeit der Dehnung der Membran (23) zeitlich zusammenfällt. Die Werte der genannten Tabelle werden empirisch im Rahmen der Produktentwicklung ermittelt.
Bezugszeichenliste

1: Hubkolbenpumpe
2: Elektromagnet
3: Magnetspule
4: Eisenrückschluss
5: Joch
6: Magnetpol
7: Anker
8: Verdrängereinheit
9: Kolben
10: Zylinder
11: Einlassventil
12: Auslassventil
20: Pulsationsdämpfer
21: Einlass
22: Auslass
23: Membran
24: Auslassleitung
25: Elektrode
27: Leitung
29: Steckverbinder
30: Leitung
32: Steckkontakt
33: Elektrische Ansteuerung
34: Mehradrige Leitung
35: Gasvolumen
36: Drossel

Claims

Hubkolbenpumpe (1), angetrieben durch einen Elektromagneten (2), der mindestens eine Magnetspule (3), einen Eisenrückschluss (4), ein Joch (5), einen Magnetpol (6) und einen Anker (7) enthält, mit einer Verdrängereinheit (7), bestehend aus einem Kolben (8), einem Zylinder (9), einem Einlassventil (10) und einem Auslassventil (11), wobei die Hubkolbenpumpe (1) innen von Arbeitsfluid durchströmt wird, und wobei die Hubkolbenpumpe (1) mindestens einen Pulsationsdämpfer (20) aufweist, der auf der Seite des Einlasses (21) und/oder auf der Seite des Auslasses (22) einen Druck in einem Arbeitsfluid dämpft dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Pulsationsdämpfer (2) eine elektroaktive Membran (23) aufweist, die aus einem elektroaktiven Polymer besteht, wobei die Membran (23) eine schlauchförmige Gestalt aufweist, und wobei eine elektrische Ansteuerung (33), die die Magnetspule (3) beaufschlagt, auch mindestens eine elektroaktive Membran (23) mit derselben Frequenz ansteuert, aber mit einer Zeitverschiebung der Ansteuerimpulse für die mindestens eine elektroaktive Membran (23), wobei die Zeitverschiebung und die Amplitude der Membranbewegung von der Frequenz der Ansteuerimpulse abhängig ist.
Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (23) aus einem elektroaktiven Polymer der Unterordnung dielektrisches Elastomer hergestellt ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsationsdämpfer (20) in Durchflussrichtung hinter dem Auslassventil (11) angeordnet ist, wobei die Membran (23) die Auslassleitung (24) so mit Abstand umfasst, dass sich zwischen der Auslassleitung (24) und der Membran (23) Arbeitsfluid befindet.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulsationsdämpfer (20) in Durchflussrichtung vor dem Einlassventil (10) angeordnet ist, wobei die Membran (23) die Verdrängereinheit (7) so mit Abstand umfasst, dass sich zwischen der Verdrängereinheit (7) und der Membran (23) Arbeitsfluid befindet.
Hubkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Pulsationsdämpfer (20', 20'') aufweist, wobei der erste Pulsationsdämpfer (20') in Durchflussrichtung vor dem Einlassventil (10) angeordnet ist und der zweite Pulsationsdämpfer (20'') in Durchflussrichtung hinter dem Auslassventil (11) angeordnet ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der dem Arbeitsfluid abgewandten Seite der Membran (23) ein Gasvolumen (35) angeordnet ist, das zur Umgebung abgedichtet ist oder durch eine Drossel (36) mit der Umgebung verbunden ist.
Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (23) aus einer Mehrzahl von Lagen von dielektrischem Elastomer hergestellt ist, wobei die Mehrzahl von Lagen jeweils an den axialen Enden mit einer gemeinsamen Elektrode (25) versehen sind.
Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Membran (23) des mindestens einen Pulsationsdämpfer (20) zwei Elektroden (25, 25') aufweist, die über im Inneren der Hubkolbenpumpe (1) verlaufende elektrische Leitungen (27, 27') mit einem mehrpoligen elektrischen Steckverbinder (29) elektrisch verbunden sind, wobei mit dem Steckverbinder (29) auch zwei elektrische Leitungen (30, 30') zum Anschluss der Magnetspule (3) verbunden sind, und wobei jede der Leitungen (27, 30) an einem ihr zugeordneten Steckkontakt (32) in dem mehrpoligen Steckverbinder (29) angeschlossen ist.
Verfahren zum Betrieb einer Hubkolbenpumpe (1), die von einem Elektromagneten (2) angetrieben wird, der mindestens eine Magnetspule (3), einen Eisenrückschluss (4), ein Joch (5), einen Magnetpol (6) und einen Anker (7) enthält, und die eine Verdrängereinheit (7) aufweist, bestehend aus einem Kolben (8), einem Zylinder (9), einem Einlassventil (10) und einem Auslassventil (11), wobei die Hubkolbenpumpe (1) innen von Arbeitsfluid durchströmt wird, und wobei die Hubkolbenpumpe (1) mindestens einen Pulsationsdämpfer (20) aufweist, der auf der Seite des Einlasses (21) oder auf der Seite des Auslasses (22) den Druck im Arbeitsfluid dämpft, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Ansteuerung (33), die über eine mehradrige Leitung (34) und über einen mehrpoligen Steckverbinder (29) sowie über elektrische Leitungen (30, 30') eine Magnetspule (3) beaufschlagt und über weitere elektrische Leitungen (27, 27') mindestens eine elektroaktive Membran (23) beaufschlagt, wobei die elektrische Ansteuerung die Magnetspule (3) und die elektroaktive Membran (23) mit derselben Frequenz ansteuert, aber mit einer Zeitverschiebung der Ansteuerimpulse für die elektroaktive Membran (23), wobei die Zeitverschiebung und eine Amplitude der Membranbewegung entsprechend einer in der elektrischen Ansteuerung (33) abgelegten Tabelle von der Frequenz der Ansteuerimpulse abhängig ist, und wobei die Tabelle im Zusammenhang mit der Produktentwicklung empirisch ermittelt wird.