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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
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Stand der Technik:
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Elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpen sind bekannt und beispielsweise in Fahrzeugheizungsanlagen verbreitet. Die Druckschrift
DE 4328621 A1 zeigt eine Hubkolbenpumpe mit innen durchströmtem Elektromagneten, die besonders kompakt aufgebaut ist und wegen dieser inneren Durchströmung keine Abdichtung zwischen dem Anker des Elektromagneten und dem Kolben des Verdrängerapparats benötigt.
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Die Druckschrift
EP 20161956 B2 zeigt eine andere Bauform einer elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe, hier ist der Elektromagnet nicht durchströmt und eine Membran, die auch Teil des Verdrängerapparats ist, dichtet den Elektromagneten gegen das Arbeitsfluid ab.
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In einigen Anwendungsfeldern ist es erforderlich, die Förderrichtung der Hubkolbenpumpe oder eines Pumpensystems umzukehren, zum Beispiel um die auslassseitigen Leitungen leerzusaugen, um einen Druck in einem Druckspeicher abzubauen oder um eine Last abzusenken. Die Druckschrift
DE 10 2011 118 836 B4 zeigt eine Doppelpumpe zur Förderrichtungsumkehr, die dieses Problem löst, aber zwei Hubkolbenpumpen erfordert.
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Eine andere Lösung des Problems der Förderstromumkehr zeigt die Druckschrift
DE 10 2013 015 453 A1 . Hier wird eine Hubkolbenpumpe mit einer geeignetenBauform bei sehr unterschiedlichen Frequenzen betrieben; bei niedrigen Frequenzen fördert die Hubkolbenpumpe von der Einlassleitung in die Auslassleitung und bei sehr hohen Frequenzen kehrt sich die Förderrichtung um, bei gleichzeitiger Minderung der Förderleistung. Die Förderstromumkehr wird durch eine starke Phasenverschiebung von mindestens einem steuernden Ventil der Hubkolbenpumpe bewirkt.
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Es sind auch andere als elektromagnetische Betätigungen für Ventile, Hubkolben und Membranen bekannt, beispielsweise zeigt die Druckschrift
DE 10 2017 001 317 A1 eine Dosierpumpe mit einem Membrandämpfer aus einem elektroaktiven Polymer.
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Aufgabe:
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Es soll eine Hubkolbenpumpe beschrieben werden, die durch eine geeignete Ansteuerung mit elektrischen Strömen zu unterschiedlichen Betriebsweisen gebracht wird, nämlich:
- - Förderung eines Arbeitsfluids von einer Einlassleitung zu einer Auslassleitung,
- - Förderung in umgekehrter Richtung
- - Ablassen von Arbeitsfluid aus einer unter Druck stehenden Auslassleitung in eine Einlassleitung.
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Die Einstellung der Betriebsweisen soll durch elektrisch angesteuerte Ventile bewirkt werden, die platz- und kostensparend in der Hubkolbenpumpe angeordnet sind.
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Lösung:
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Die Aufgaben werden durch die Merkmale des ersten Patentanspruchs und in Weiterbildungen durch die Merkmale der Unteransprüche 2 bis 11 gelöst, zwei Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe werden in den nebengeordneten Ansprüchen 12, und 13 beschrieben.
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Die erfindungsgemäße elektromagnetisch angetriebene Hubkolbenpumpe gemäß 1, 2, 3 oder 4 weist mindestens einen Elektromagneten, einen Verdrängerapparat, ein Einlassventil und ein Auslassventil auf. Der Verdrängerapparat besteht beispielsweise aus einem Zylinder und aus einem Kolben, der mit dem Anker des Elektromagneten verbunden ist. In einer anderen, nicht dargestellten Ausführung ist der Anker des Elektromagneten mit einer Verdrängermembran verbunden.
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Mindestens eines der genannten Ventile oder ein weiteres mit dem Einlass- und dem Auslassventil fluidisch verbundenes Rückströmventil enthält ein Federmittel, dessen Federvorspannung zeitweise durch einen elektrischen Strom gesteuert verändert wird, wobei die Änderung der genannten Federvorspannung die Betriebsweise des betreffenden Ventils so stark beeinflusst, dass auch die Betriebsweise der Hubkolbenpumpe verändert wird.
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Dabei kann vorzugsweise die Betriebsweise eines Ventils beeinflusst werden, indem die Wirkung eines Rückschlagventils derart aufgehoben wird, dass es dauerhaft öffnet. Auch ein dauerhaftes Schließen des Rückschlagventils kann mit einer anderen Anordnung des gesteuerten Federmittels erreicht werden. Die Wirkungsweise eines Rückschlagventils kann auch umgekehrt werden, indem es statt bei einer positiven Druckdifferenz bei einer negativen Druckdifferenz öffnet und ansonsten schließt.
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Die Betriebsweise der Hubkolbenpumpe wird im Sinne der Aufgabenstellung verändert, indem abhängig von dem steuernden Eingriff entgegen der vorgegebenen Förderrichtung das Arbeitsfluid von der Auslassseite zur Einlassseite hin abgelassen oder sogar zurückgepumpt wird.
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In einer ersten Ausführung gemäß 1 durchströmt das Arbeitsfluid der Hubkolbenpumpe den Elektromagneten, wobei das Arbeitsfluid durch das von dem Kolben betätigte als Schlitzventil ausgeführte Einlassventil in den Verdrängerapparat gelangt und durch das Auslassventil den Verdrängerapparat verlässt.
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Bei dieser ersten Ausführung ist vorzugsweise das Auslassventil als elektrisch gesteuertes Rückschlagventil ausgeführt und enthält ein Federmittel, dessen Federvorspannung zeitweise durch einen elektrischen Strom gesteuert verändert wird, wobei die Änderung der Federvorspannung die Betriebsweise des Auslassventils beeinflusst, zum Beispiel seine Wirkung als Rückschlagventil aufhebt, indem dieses unabhängig von der anliegenden Druckdifferenz nur öffnet.
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Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführung kann das gesteuerte Rückschlagventil so ausgeführt sein, dass es bei entsprechender elektrischer Ansteuerung unabhängig von der anliegenden Druckdifferenz nur schließt.
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Das Einlassventil kann dabei gemäß 2 oder gemäß 3 in dem Kolben des Verdrängerapparats angeordnet sein, als elektrisch gesteuertes Rückschlagventil ausgeführt sein und mindestens ein Federmittel enthalten, dessen Federvorspannung zeitweise durch einen elektrischen Strom gesteuert verändert wird, wobei die Änderung der Federvorspannung die Betriebsweise des Einlassventils beeinflusst.
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Wenn das Einlassventil gemäß 1 als Schlitzventil ausgeführt ist, entfällt die Möglichkeit der Beeinflussung des Betriebsverhaltens des Einlassventils durch eine Veränderung der Federvorspannung, dann muss allein die Änderung der Betriebsweise des Auslassventils die Betriebsweise der Hubkolbenpumpe beeinflussen.
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In der Ausführung der Ventile Einlassventil und Auslassventil gemäß 3 mit jeweils zwei elektrisch gesteuerten Federmitteln lassen sich beide Ventile umsteuern und damit lässt sich die Förderrichtung der Hubkolbenpumpe umkehren.
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In einer zweiten Ausführung gemäß 4 ist die Magnetspule des Elektromagneten oder der Elektromagnet insgesamt von dem Arbeitsfluid der Hubkolbenpumpe dichtend abgeteilt, der Elektromagnet wird nicht von dem Arbeitsfluid durchströmt. Dabei gelangt das Arbeitsfluid durch das als Rückschlagventil ausgeführte Einlassventil in den Verdrängerapparat und verlässt durch das ebenfalls als Rückschlagventil ausgeführte Auslassventil den Verdrängerapparat, wobei das Einlassventil und das Auslassventil in einem Pumpenkopf angeordnet sind.
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Bei dieser zweiten Ausführung gemäß 4 ist mindestens eines der genannten Ventile (Einlassventil, Auslassventil) als elektrisch gesteuertes Rückschlagventil ausgeführt und enthält ein Federmittel, dessen Federvorspannung zeitweise jeweils durch einen elektrischen Strom verändert wird. Dabei beeinflusst die Änderung der Federvorspannung die Betriebsweise des betreffenden Ventils und die Betriebsweise des Ventils verändert die Betriebsweise der Hubkolbenpumpe.
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Ebenfalls bei der zweiten Ausführung gemäß 4 kann der Pumpenkopf nur gemäß 6 das Einlassventil und das Auslassventil enthalten, oder gemäß 5 auch ein Rückströmventil enthalten, das als elektrisch gesteuertes Rückschlagventil gemäß 8 oder 9 ausgeführt ist und ein Federmittel enthält, dessen Federvorspannung zeitweise durch einen elektrischen Strom verändert wird, wobei die Änderung der Federvorspannung die Betriebsweise des Rückströmventils beeinflusst, beispielsweise eine Rückströmung von der Auslassseite der Hubkolbenpumpe zur Einlassseite der Hubkolbenpumpe ermöglichen.
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Vorteilhafterweise enthält mindestens eines der elektrisch angesteuerten Ventile gemäß 8 oder 9 ein Federmittel gemäß 13 oder 14, das als Druckfeder aus gewendeltem Draht ausgeführt ist, wobei die Federvorspannung der Druckfeder verändert wird, wenn der aus einer Formgedächnislegierung bestehende FGL-Draht des Federmittels bei einer Erwärmung des FGL-Drahts durch einen elektrischen Strom oder bei einer Abkühlung nach dem Ausschalten des Stroms eine Gefügeänderung vollzieht, die die Federvorspannung des Federmittels verändert.
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Alternativ zu der oben beschriebenen vollständigen Gefügeänderung kann der FGL-Draht von einer elektrischen Steuerung mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, dessen Größe zwischen Null und einem Maximalwert eingestellt ist, wobei der FGL-Draht eine teilweise Gefügeänderung erfährt, wodurch die Federvorspannung des Federmittels eine Änderung erfährt, deren Größe zwischen Null und einem Maximalwert liegt. Damit kann beispielsweise ein Rückschlagventil mit einstellbarem Ansprechdruck aufgebaut werden, das in einer Betriebsart (bei geringer Vorspannung) ein besonders gutes Ansaugverhalten und in einer anderen Betriebsart (bei hoher Vorspannung) ein besonders gutes Abdichtverhalten aufweist.
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Ebenfalls vorteilhafterweise weist mindestens eines der elektrisch angesteuerten Ventile in den Anordnungen gemäß 3 oder 7 einen Dichtkörper und zwei elektrisch angesteuerte Federmittel gemäß 10, 11 oder 12 auf, wobei in den Ventilen gemäß 10 oder 11 die zwei Federmittel hinsichtlich ihrer Kraft gegeneinander auf den Dichtkörper wirken, und wobei die Federvorspannungen beider Federmittel elektrisch verändert werden, wenn der aus einer Formgedächnislegierung bestehende FGL-Draht eines Federmittels bei einer Erwärmung des FGL-Drahts durch einen elektrischen Strom oder bei einer Abkühlung nach dem Ausschalten des elektrischen Stroms eine Gefügeänderung vollzieht, wobei jeweils ein Federmittel bestromt und das andere nicht bestromt wird.
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Ein solches Ventil mit zwei elektrisch gesteuerten Federmitteln kann vier verschiedene Betriebsweisen einnehmen:
- - Rückschlagventil, offen bei einer Druckdifferenz, die größer ist als eine positive Ansprechdruckdifferenz, ansonsten geschlossen
- - Rückschlagventil, offen bei einer Druckdifferenz, die kleiner ist als eine negative Ansprechdruckdifferenz, ansonsten geschlossen
- - Immer offen
- - Immer geschlossen, solange eine Grenzdruckdifferenz nicht überschritten wird.
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In einer anderen vorteilhaften Ausführung gemäß 15 enthält mindestens eines der elektrisch angesteuerten Ventile ein Federmittel, das als elektroaktive Membran ausgeführt ist, die aus einem dielektrischen Elastomer besteht, wobei die Membran auch die Funktion des Dichtkörpers mindestens eines der genannten Ventile übernimmt.
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Vorzugsweise umschließt die elastische Membran einen einseitig offenen und auf der anderen Seite geschlossenen Zylinder mit einer Querbohrung, wobei die Membran und der Zylinder zusammen als Rückschlagventil wirken.
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Dabei wird die elektroaktive Membran zeitweise bestromt und verändert durch die Bestromung ihre Vorspannung, wobei sich die Betriebsweise des Ventils verändert, beispielsweise öffnet das Ventil dauerhaft, schließt dauerhaft oder öffnet und schließt in Abhängigkeit von der an dem Ventil anliegenden Druckdifferenz.
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Zum Betrieb der erfindungsgemäßen elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpe mit mindestens einem elektrisch gesteuerten Ventil wird die Federvorspannung des in dem Ventil enthaltenen Federmittels zeitweise durch einen elektrischen Strom aus einer elektrischen Steuerung gesteuert verändert.
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In einer bevorzugten Betriebsweise wird mindestens eines der Ventile, das elektrisch gesteuert ausgeführt ist, von der elektrischen Steuerung zeitlich unabhängig von der Ansteuerung der Magnetspule des Elektromagneten angesteuert. Die Ansteuerung der Ventile erfolgt vorzugsweise durch einen geregelten Strom. Dabei ist die Frequenz der Strom- oder Spannungspulse für die Betätigung der Magnetspule größer als die Frequenz der Strompulse für das betreffende Ventil, vorzugsweise erheblich größer.
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So wird beispielsweise das Rückströmventil für eine gewisse Zeit geöffnet, dann erfolgt eine druckabhängige Rückströmung vom Auslass zum Einlass unabhängig von der Betriebsweise der Hubkolbenpumpe. Alternativ dazu können die beiden den Verdrängerapparat steuernden Ventile, das Einlassventil und das Auslassventil, dauerhaft geöffnet werden, auch dann erfolgt eine Rückströmung vom Auslass zum Einlass.
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Auch eine aktive Rückförderung ist bei dieser Betriebsweise möglich, dazu sind vorzugsweise das Einlassventil und das Auslassventil jeweils gemäß 10, 11 oder 12 mit zwei elektrisch gesteuerten Federmitteln ausgerüstet, so dass beide Ventile immer als Rückschlagventil arbeiten, aber je nach Ansteuerung der Federmittel als Rückschlagventil, das zur Anschlussseite (Einlass oder Auslass) hin öffnet, oder als Rückschlagventil, das zum Verdränger hin öffnet. Öffnet das mit dem Einlass verbundene Ventil nur zum Verdrängerapparat hin und das mit dem Auslass verbundene Ventil nur zum Auslass hin, fördert die Pumpe vom Einlass zum Auslass.
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Wenn aber das mit dem Einlass verbundene Ventil nur zum Einlass hin und das mit dem Auslass verbundene Ventil nur zum Verdrängerapparat hin öffnet, fördert die Pumpe zurück vom Auslass zum Einlass.
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Wenn der Verdrängerapparat mit einer Arbeitsfrequenz betrieben wird, die auch von den elektrisch gesteuerten Ventilen erreicht werden kann, ist eine gleichzeitige, aber phasenverschobene Ansteuerung des Verdrängerapparats einerseits und der den Einlass und den Auslass der Hubkolbenpumpe steuernden Ventile sinnvoll. Damit lässt sich dann eine Umkehr der Förderrichtung auch mit gesteuerten Ventilen erreichen, die nur jeweils ein elektrisch gesteuertes Federmittel enthalten, indem die gesteuerten Ventile dem Verdrängerapparat jeweils voreilen oder nacheilen.
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Anwendung:
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Hubkolbenpumpen der beschriebenen Art werden in Fahrzeugheizungsanlagen und Abgasreinigungsanlagen zur Förderung und/oder Dosierung von Kraftstoff oder wässrigen Reagenzien verwendet.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Hubkolbenpumpe (1) mit innen durchströmtem Elektromagneten (2), der eine Magnetspule (9) enthält, mit einem Verdrängerapparat (3), der einen Kolben (6) enthält und zwei Ventilen, mit einem mit dem Einlass (16) der Hubkolbenpumpe (1) verbundenen Einlassventil (4) und mit einem mit dem Auslass der Hubkolbenpumpe (1) verbundenen Auslassventil (5). Dabei weist das Auslassventil ein Federmittel (13) auf, dessen Federvorspannung durch einen elektrischen Strom beeinflussbar ist.
- 2 zeigt eine Hubkolbenpumpe (1) mit zwei elektrisch gesteuerten Ventilen, einem Auslassventil (5) und einem Einlassventil (4), wobei das Einlassventil (4) in dem Kolben (6) des Verdrängerapparats (3) angeordnet ist.
- 3 zeigt eine Hubkolbenpumpe (1) mit zwei elektrisch gesteuerten Ventilen, dem Einlassventil (4) und dem Auslassventil (5), wobei beide Ventile jeweils zwei gesteuerte Federmittel (13, 13') aufweisen, damit beide Ventile in ihren Wirkrichtungen umgesteuert werden können, und die Förderrichtung der Hubkolbenpumpe (1) umgekehrt werden kann.
- 4 zeigt eine Hubkolbenpumpe (1), deren mit dem Einlass (16) verbundenes Einlassventil (4) und mit dem Auslass (17) verbundenes Auslassventil (5) in einem Pumpenkopf (8) angeordnet sind, wobei der nicht dargestellte antreibende Elektromagnet (2) und der Kolben (6) nicht innen durchströmt werden.
- 5 zeigt eine Anordnung von Ventilen im Pumpenkopf (8), mit einem elektrisch gesteuerten Auslassventil (5), einem nicht gesteuerten Einlassventil (4) und einem elektrisch gesteuerten Rückströmventil (7). Die Steuerung der Ventile erfolgt jeweils durch gesteuerte Federmittel (13).
- 6 zeigt eine andere Anordnung von Ventilen im Pumpenkopf (8), mit einem elektrisch gesteuerten Einlassventil (4) und einem elektrisch gesteuerten Auslassventil (5). Hier wird die Rückströmfunktion durch die beiden genannten gesteuerten Ventile (4, 5) realisiert. Die Steuerung der Ventile erfolgt jeweils durch gesteuerte Federmittel (13).
- 7 zeigt eine weitere Anordnung von Ventilen im Pumpenkopf (8), wobei sowohl das elektrisch gesteuerte Einlassventil (4) als auch das elektrisch gesteuerte Auslassventil (5) jeweils zwei gesteuerte Federmittel (13, 13') aufweisen, damit die Ventile in ihren Wirkrichtungen umgesteuert werden können und damit die Förderrichtung der Hubkolbenpumpe umgekehrt werden kann.
- 8 und 9 zeigen jeweils ein gesteuertes Auslassventil (5) mit zwei auf einen Dichtkörper (12) wirkenden Federmitteln (10, 13), wobei mindestens ein Federmittel (13) elektrisch gesteuert ist, damit auch das Auslassventil (5) elektrisch gesteuert ist. Vorzugsweise wird das öffnend wirkende Federmittel (13) gesteuert ausgeführt, dann kann das Auslassventil (5) je nach dem anliegenden Steuersignal als Rückschlagventil oder als dauerhaft offenes Ventil wirken. Wenn ein Einlassventil (4) gesteuert ausgeführt sein soll, ist es vorzugsweise ähnlich aufgebaut.
- 10 und 11 zeigen gesteuerte Auslassventile (5), die als Rückschlagventile wirken, deren Wirkrichtung umgesteuert ist. Insgesamt können diese Ventile 4 Betriebsweisen einnehmen:
- - Rückschlagventil, offen bei einer Druckdifferenz, die größer ist als eine positive Ansprechdruckdifferenz, ansonsten geschlossen
- - Rückschlagventil, offen bei einer Druckdifferenz, die kleiner ist als eine negative Ansprechdruckdifferenz, ansonsten geschlossen
- - Immer offen
- - Immer geschlossen, solange eine Grenzdruckdifferenz nicht überschritten wird
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Dazu weisen sie jeweils zwei gesteuerte Federmittel (13, 13') und jeweils zwei Dichtsitze (18, 19) auf, wobei jeweils einer der Dichtsitze (18, 19) mit dem Dichtkörper (12) zusammenwirkt, wenn die Dichtfunktion wahrgenommen werden soll. Wenn ein Einlassventil (4) umsteuerbar ausgeführt sein soll, ist es vorzugsweise ähnlich aufgebaut.
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12 zeigt ein mit den Ventilen in 10 und 11 vergleichbares Auslassventil (5), das aber nicht nur einen Dichtkörper, sondern zwei Dichtkörper (12, 12') aufweist.
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Bei dieser Ausführung entfällt das Merkmal, die beiden gesteuerten Federmittel (13, 13') gegeneinander wirken zu lassen, beide Federmittel müssen jeweils allein auf den zugeordneten Dichtkörper (12, 12') wirken und es besteht die Möglichkeit, beide Dichtkörper (12, 12') gesteuert aus dem jeweiligen Dichtsitz (18, 19) herauszuheben. Damit entfällt die Betriebsweise „immer geschlossen“. Wenn ein Einlassventil (4) auf die oben beschriebene Weise gesteuert ausgeführt sein soll, ist es vorzugsweise ähnlich aufgebaut.
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13 und 14 zeigen jeweils gesteuerte Federmittel (13), wobei diese aus einem FGL-Draht (11) bestehen, der durch einen elektrischen Strom durchflossen und dadurch beheizt wird. Der Strom wird von der elektrischen Steuerung (15) durch elektrische Leitungen (20, 20') über nach außen isolierte Scheiben (23, 23') zu dem FGL-Draht (11) zugeführt. Bei der Ausführung gemäß 14 führt eine elastische Leitung (24) den elektrischen Strom von einer Scheibe (23') zu einem Anschluss an dem FGL-Draht (11).
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15 zeigt eine Ausführung eines gesteuerten Auslassventils (5), das eine elastische Membran (14) aus einem elektroaktiven Elastomer aufweist, die einen Zylinder (21) mit Querbohrung (22) umschließt. Durch elektrische Leitungen (20, 20') wird die Membran (14) von der elektrischen Steuerung (15) bestromt. Je nach der Größe des Stroms wird die Vorspannung eingestellt, mit der die elastische Membran die Querbohrungen (22) verschließt. Damit lässt sich das Öffnungs- und Schließverhalten des Rückschlagventils so stark beeinflussen, dass das Betriebsverhalten der Hubkolbenpumpe im Sinne der Aufgabenstellung verändert wird. Wenn ein Einlassventil (4) durch ein elektroaktives Elastomer gesteuert ausgeführt sein soll, ist es vorzugsweise ähnlich aufgebaut.
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Liste der Bezugszeichen
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- 1.
- Hubkolbenpumpe
- 2.
- Elektromagnet
- 3.
- Verdrängerapparat
- 4.
- Einlassventil
- 5.
- Auslassventil
- 6.
- Kolben
- 7.
- Rückströmventil
- 8.
- Pumpenkopf
- 9.
- Magnetspule
- 10.
- Federmittel
- 11.
- FGL-Draht
- 12.
- Dichtkörper
- 13.
- Gesteuertes Federmittel
- 14.
- Membran
- 15.
- Elektrische Steuerung
- 16.
- Einlass der Hubkolbenpumpe
- 17.
- Auslass der Hubkolbenpumpe
- 18.
- Erster Dichtsitz
- 19.
- Zweiter Dichtsitz
- 20.
- Elektrische Leitung
- 21.
- Zylinder
- 22.
- Querbohrung
- 23.
- Scheibe
- 24.
- Elektrische Leitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4328621 A1 [0002]
- EP 20161956 B2 [0003]
- DE 102011118836 B4 [0004]
- DE 102013015453 A1 [0005]
- DE 102017001317 A1 [0006]
