-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Schwenkkolbenpumpe für flüssige und gasförmige Fluide, die universell für verschiedene Anwendungen, wie z.B. als Ölpumpe oder Kompressor eingesetzt werden kann.
-
Im Stand der Technik sind hierzu vorwiegend umlaufende Verdrängerpumpen, wie beispielsweise Flügelzellenpumpen bzw. Drehschieberpumpen bekannt, die sowohl für flüssige als auch für gasförmige Fluide weit verbreitet eingesetzt werden. An derartigen Flügelzellenpumpen sind konstruktionsbedingt bei der Fertigung eine Vielzahl an Teilen wie Flügel, Federn und Dichtungen zu montieren. Ferner müssen zur Sicherstellung einer langen Lebensdauer zahlreiche gleit- und dichtungsrelevante Passungen an Flügeln, Gleitschlitztaschen und dergleichen mit hoher Maßhaltigkeit gefertigt werden, da vereinzelte Toleranzabweichungen die Funktionalität einschränken.
-
Aus anderen Anwendungen, wie z.B. ölfrei laufenden Vakuumpumpen sind darüber hinaus nicht-umlaufende Verdrängerpumpen mit oszillierenden Pumpenbauteilen wie Schwenkkolbenpumpen bzw. Pendelkolbenpumpen bekannt, die im Betrieb mit Gasen ohne eine Schmiermittelzufuhr auskommen, wobei die Kolben des Pendels gegen ein Luftpolster an einer feststehenden Kammerwand anlaufen. Die Pumpenbaugruppe derartiger Schwenkkolbenpumpen kann verhältnismäßig wenig Bauteile umfassen, d.h. genaugenommen einen schwenkbaren Kolben bzw. Pendel und eine Pumpenkammer mit Ventilen.
-
Eine zum Anmeldetag der hier vorliegenden Patentanmeldung nachveröffentlichten Patentschrift
DE 10 2016 119 985 B3 . derselben Anmelderin beschreibt eine Pendelkolbenpumpe zur beispielgebenden Verwendung als ölfreie Vakuumpumpe an einem Bremskraftverstärker eines Fahrzeugs.
-
Diese Pendelkolbenpumpe umfasst ein Pendel, ein Pumpengehäuse, eine Mehrzahl von Rückschlagventilen, Ansaugöffnungen und einen exzentrischen Antriebsmechanismus. Das Pendel ist um einen Drehpunkt schwenkbar und weist zwei Kolben auf. Das Pumpengehäuse weist zwei sektorförmige Pumpenkammersegmente und seitliche Anlaufflächen auf, welche die jeweils äußersten Positionen der Schwenkbewegung des Pendels an jedem Kolben eingrenzen. Rückschlagventilen geben unter Druckbeaufschlagung aus den Pumpenkammersegmenten eine Verbindung zur Außenseite frei. Ansaugöffnungen des Einlasses sind während der Schwenkbewegung des Pendels durch eine Überschneidung mit dem jeweiligen Kolben zu den Pumpenkammersegmenten verschlossen. Sie werden in einem Umkehrbereich beim Durchlaufen der äußersten Position der Kolben freigegeben. Zwischen dem Pendel und einem Elektromotor ist ein exzentrischer Antriebsmechanismus angeordnet.
-
Derartige Pendelkolbenpumpen bzw. Schwenkkolbenpumpen sind verhältnismäßig kompakt und leistungsstark und haben einen einfachen Aufbau mit wenigen individuellen Pumpenbauteilen. Allerdings sind sie auf die Förderung von Gasen, d.h. kompressiblen Medien beschränkt.
-
Aus der
US 1 657 746 A ist ferner eine Pendelkolbenpumpe mit einer alternativen Konstruktion eines Einlass- und Auslassventils bekannt, bei der ein scheibenförmiges Ventilelement mit Sperrkörpern zwischen zwei Verdrängerabschnitten des Schwenkkolbens eine Unterteilung einer zylindrischen Pumpenkammer in zwei Bereiche mit jeweils einem Strömungskanal für das Medium bildet.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine abermals kompakte Pumpe mit kostengünstigem Aufbau zu schaffen, die auch zur Förderung von Fluiden bzw. flüssigen Medien geeignet ist.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Schwenkkolbenpumpe für flüssige und gasförmige Fluide mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
-
Die elektrisch angetriebene Schwenkkolbenpumpe, die u.a. einen Schwenkkolben mit diametral erstreckenden Verdrängerabschnitte, die in sektorförmigen Arbeitskammern eines Pumpengehäuses aufgenommen sind, sowie eine Gruppe von Einlassventilen oder Auslassventilen, die beidseitig von den Arbeitskammern angeordnet sind, aufweist, zeichnet sind insbesondere dadurch aus, dass die andere Gruppe der Einlassventile oder der Auslassventile in dem Schwenkkolben angeordnet ist und über eine Kavität in dem Schwenkkolben mit dem Pumpeneinlass bzw. dem Pumpenauslass kommuniziert.
-
Die Erfindung sieht somit erstmals eine Schwenkkolbenpumpe vor, deren Einlassführung oder Auslassführung einerseits durch das Pumpengehäuse und andererseits durch den Schwenkkolben in die Arbeitskammer mündet.
-
Bei herkömmlichen Aufbauten, in denen sowohl die Einlassführung als auch die Auslassführung durch das Pumpengehäuse in die Arbeitskammer münden, wird eine Mündung, i.d.R. diejenige der Einlassführung, von dem Kolben überlaufen und nur zeitweise freigegeben. Somit kann jedoch nur während eines Teils des Kolbenhubs ein Ladungsaustausch mit der Arbeitskammer stattfinden. Um eine volumetrisch wirksame Arbeitsstrecke des Kolbens zugunsten des Verdrängungsvolumens pro Kolbenhub effizient zu gestalten, erstreckt sich eine entsprechende Freigabe zum Ladungsaustausch lediglich innerhalb eines Wendebereichs des Kolbens. Aufgrund des kurzen verfügbaren Zeitfensters zum Befüllen bzw. Einsaugen eines Fördermediums in eine entleerte Arbeitskammer, eignen sich derartige Schwenkkolbenpumpen bzw. Pendelkolbenpumpen nur für einen effizienten Betrieb mit kompressiblen, gasförmigen Medien.
-
Durch den erfindungsgemäßen Aufbau gewähren die Mündung der Einlassführung und die Mündung der Auslassführung über den gesamten Kolbenhub hinweg einen kontinuierlichen Ladungsaustausch, weshalb sich neben kompressiblen, gasförmigen Medien auch ein volumetrisch effizienter Betrieb mit inkompressiblen, flüssigen Medien oder einem Fluid mit beliebigem Verhältnis von Gasphase zu Flüssigphase realisieren lässt.
-
Im Vergleich zu umlaufenden Verdrängerpumpen, wie Flügelzellenpumpen, die zur Förderung von flüssigen Medien geeignet sind, erzielt die erfindungsgemäße Schwenkkolbenpumpe ein besseres Leistungs-Abmessungs-Verhältnis.
-
Zudem umfasst der Aufbau der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenpumpe im Vergleich zu Flügelzellenpumpen weniger Komponenten und weniger Gleitkontaktflächen, sodass sie hinsichtlich des Montageaufwands und der Materialauswahl kostengünstiger zu produzieren ist.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenpumpe sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Kavität des Schwenkkolbens zu einer in Bezug auf die Schwenkachse axialen Seite geöffnet sein, und eine dem Schwenkkolben zugewandte Mündung des Pumpeneinlasses bzw. Pumpenauslasses im Pumpengehäuse kann in Überschneidung mit einem Öffnungsquerschnitt der Kavität ausgebildet sein.
-
Durch eine entsprechende stirnseitige Schnittstelle der Einlassführung oder der Auslassführung zwischen der Gehäusewand und dem bewegtem Kolben kann mittels Spaltdichtung oder dergleichen eine Strömungsverbindung ohne Beeinträchtigung der Kolbenbewegung realisiert werden. Im Vergleich zu einer flexiblen Leitung oder dergleichen wird somit eine ermüdungsfreie Strömungsverbindung geschaffen.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Öffnungsquerschnitt der Kavität ringförmig um die Schwenkachse herum verlaufen, und die Mündung des Pumpeneinlasses bzw. des Pumpenauslasses kann zentral zur Schwenkachse angeordnet sein.
-
Durch diese Ausgestaltung wird über die gesamte Schwenkbewegung hinweg ein gleichmäßiger Strömungsquerschnitt an der Schnittstelle zwischen dem Pumpengehäuse und dem Schwenkkolben erzielt.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann die Kavität die Form eines der Außenkontur des Schwenkkolbens entsprechenden Hohlraums einnehmen.
-
Durch diese Ausgestaltung wird der Strömungsquerschnitt im Schwenkkolben maximiert. Zugleich werden die oszillierende Masse des Schwenkkolbens und der erforderliche Materialeinsatz minimiert, wodurch eine Antriebsleistung und Materialkosten gesenkt werden.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der Schwenkkolben in Form eines Kunststoffgussteil mit einer umspritzten Stahlwelle als Schwenkachse gefertigt sein.
-
Durch diese Materialauswahl werden die Ziele einer geringen oszillierenden Masse sowie einer kostengünstigen Ausführung des Schwenkkolbens als Formteil weiter begünstigt.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Auslassventile durch flexible Sperrflügel gebildet werden, die eine Ausgangseite einer Ventilöffnung freigeben.
-
Durch diese Ausgestaltung werden die Ventile der Pumpe als kostengünstige Biegeblechteile oder aus sonstigen flexible Materialen einteilig bereitgestellt, die z.B. in der Form einer Spange oder dergleichen ausgestanzt, geformt und in eine Aufnahme des Pumpengehäuses eingesetzt werden.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung können die Einlassventile jeweils durch eine Anordnung von flexibel zueinander beweglichen Prismen mit dreieckigem Querschnitt gebildet werden, die mit einer Scheitelkante des Querschnitts einer Durchlassrichtung entgegengerichtet und mit einer Seitenfläche des Querschnitts zu einer Sperrrichtung senkrecht entgegengerichtet angeordnet sind.
-
Durch diese Ausgestaltung werden die Ventile der Pumpe unter Auswahl eines Materials von geeigneter Elastizität als Gusskörper oder sogar integral mit dem Gusskörper des Schwenkkolbens hergestellt. Die strömungswirksame Geometrie und Ausrichtung solcher flexiblen prismatischen Ventilelemente bewirkt ein selbsttätiges Spreizen oder Zusammendrängen derselben in Abhängigkeit der Durchströmungsrichtung. Bei der dargestellten Anwendung als Einlassventile an einem Schwenkkolben, wird die Funktionalität eines Schließens und Öffnens noch in vorteilafter Weise durch die Massenträgheit der flexiblen Ventilelemente in dem oszillierenden Beschleunigungsablauf des Kolbens zusätzlich simultan unterstützt.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der elektrische Antrieb als Drehmagnet-Antrieb ausgebildet sein, dessen Anker zwischen zwei Arbeitspunkten um die Schwenkachse elektromagnetisch verschwenkbar ist, und mit dem Schwenkkolben drehfest fixiert ist.
-
Das Antriebskonzept eines Drehmagnet-Antriebs ist ideal für das Funktionsprinzip eines oszillierenden Verdrängerkolbens, da der erzeugte und der erforderliche Drehmomentverlauf nicht konstant sind, sondern im gleichen Sinne zu den Arbeitspunkten des Drehmagnets bzw. zu den Wendepunkten des Schwenkkolbens hin zunimmt.
-
Darüber hinaus kann eine direkte Antriebsverbindung über eine Welle ohne eine exzentrische Kinematik oder dergleichen eingerichtet werden. Zudem kann eine kostengünstigere Steuerungselektronik als eine im Stand der Technik übliche ECU für einen bürstenlosen Gleichstrommotor eingesetzt werden.
-
Gemäß einem Aspekt der Erfindung kann der elektrische Antrieb als elektrisch drehender Motor ausgebildet sein, der über einen exzentrischen Stellmechanismus mit dem Schwenkkolben gekoppelt ist.
-
Im Falle dieser Alternative kann zumindest bezüglich des Elektromotors auf eine verfügbare Vielfalt kostengünstiger Standartantriebe zurückgegriffen werden.
-
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben. In diesen zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Schwenkkolbenpumpe mit Draufsicht auf den Schwenkkolben, die Arbeitskammern und die Ventile;
- 2 eine perspektivische Ansicht auf die erfindungsgemäße Schwenkkolbenpumpe mit einer zentralen Saugöffnung und einem Druckstutzen;
- 3 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Schwenkkolbenpumpe mit einem Drehmagnet-Antrieb.
-
Zunächst wird mit Bezug auf 1 der Aufbau einer beispielgebenden Ausfiihrungsform der erfindungsgemäßen Schwenkkolbenpumpe beschrieben, die zur Verwendung als Ölpumpe in einem Niedrigdruck-Schmiermittelsystem, wie z.B. für eine Schmierölversorgung von Zahnrädern in einem Getriebe ausgelegt ist.
-
In 1 sind von einer Schwenkachse 12 aus oben links und unten rechts zwei diametral gegenüberliegende, sektorförmige Arbeitskammern 10 abgebildet, die sich im Pumpengehäuse 1 in einer Ebene zur Schwenkbewegung des Schwenkkolbens 2 erstrecken. Die Flanken der Arbeitskammern 10 bilden Anlaufflächen für den Schwenkkolben 2.
-
Von der Schwenkachse 12 aus oben rechts und unten links dargestellt, sind zwischen den Arbeitskammern 10 zwei Bereiche eines Pumpenauslasses 14 angeordnet, die über einen bogenförmigen Kanal in dem Pumpengehäuse 1 verbunden sind. Zwischen den Arbeitskammern 10 und dem Pumpenauslass 14 sind in den Anlaufflächen der Arbeitskammern 10 Ventilöffnungen ausgebildet. Die Ventilöffnungen bilden gemeinsam mit spangenförmigen elastischen Sperrflügeln 40, die jeweils eine zur Arbeitskammer 10 außenliegende Seite der Ventilöffnungen abdecken, Auslassventile 4 der Schwenkkolbenpumpe.
-
Der Schwenkkolben 2 ist auf der Schwenkachse 12 fixiert, die zugleich eine Antriebswelle des elektrischen Antriebs 3 ist. Der Schwenkkolben 2 umfasst zwei Verdrängerabschnitte 20, die in den Arbeitskammern 10 über einen Drehwinkel von etwa 90° wechselseitig verschwenkt werden, wie durch den Doppelpfeil dargestellt ist. Zwischen den Verdrängerabschnitten 20 weist der Schwenkkolben 2 eine kreisförmige Außenkontur auf. Im Inneren ist der Schwenkkolben 2 als Hohlkörper ausgenommen und zur Seite des Betrachters der Darstellung geöffnet, wodurch sich eine Kavität 25 ergibt. Die Kavität 25 umgibt eine Aufnahme der Schwenkachse 12 und verläuft in die Verdrängerabschnitte 20 hinein.
-
In den Flanken der Verdrängerabschnitte 20, die zu den Anlaufflächen der Arbeitskammern 10 geschwenkt werden, sind Einlassventile 5 der Schwenkkolbenpumpe angeordnet. Die Einlassventile 5 werden durch prismatische Abschnitte 50 und dazwischenliegende Öffnungen im Bereich der Wand des Schwenkkolbens 2 gebildet. Die prismatischen Abschnitte 50 weisen einen dreieckigen Querschnitt auf und sind an einem Ende einteilig mit dem Schwenkkolben 2 ausgeformt. Da es sich in der beispielgebenden Ausführungsform um Einlassventile 5 handelt, die einen angesaugten Förderstrom von der Kavität 25 in eine Arbeitskammer 10 passieren lassen, und in umgekehrter Richtung sperren sollen, sind alle dreieckigen Querschnitte strömungswirksam derart ausgerichtet, dass sie zur Kavität 25 mit einem Scheitel weisen und zur Pumpenkammer 10 mit einer Fläche bzw. Hypotenuse des Dreiecks weisen.
-
Zur geöffneten Seite der Kavität 25 weisen die prismatischen Abschnitte 50 ein freies Ende auf, sodass sie sich unter Auswahl eines Materials mit ausreichender Elastizität, insbesondere einem Kunststoff, im Sinne von einseitig eingespannten Biegebalken am freien Ende neigen können. Bei einer Durchströmung des Fördermediums werden die prismatischen Abschnitte 50 somit flexibel geneigt, wobei sie je nach Strömungsrichtung durch den unterschiedlichen Strömungswiderstand des dreieckigen Querschnitts am freien Ende entweder auseinander gespreizt oder zusammen gedrängt werden. Somit ergeben sich in entgegengesetzten Strömungsrichtungen eine Durchlassfunktion und ein Sperrfunktion.
-
In der beispielgebenden Ausführungsform der Schwenkkolbenpumpe, die zur Verwendung als Schmierölpumpe, also für Fördermedien höherer Viskosität ausgelegt ist, kann eine ausreichende Ventilfunktion bereits durch die dargestellte Anordnung von drei prismatischen Abschnitten 50 mit einem mittleren größeren Querschnitt und zwei dazu versetzten kleineren Querschnitten erzielt werden, wobei die Sperrfunktion durch die Wahl unterschiedlicher Querschnittsgrößen verbessert wird.
-
In 2 ist eine Außenseite eines Pumpendeckels 11 der Schwenkkolbenpumpe dargestellt, an dem eine Saugöffnung des Pumpeneinlasses 15 und ein Druckstutzen des Punpenauslasses 14 ersichtlich sind. Die Saugöffnung des Pumpeneinlasses 15 ist zentral zu der Schwenkachse 12 in dem Pumpendeckel 11 angeordnet, sodass sie innerhalb der kreisförmigen Außenkontur des Schwenkkolbens 2, unabhängig von dessen Stellung direkt in die Kavität 25 mündet. Wie aus den 1 und 2 hervorgeht, mündet der Druckstutzen des Pumpenauslasses 14 in den von der Schwenkachse 12 aus links unten dargestellten Bereich des Pumpenauslasses 14.
-
Wie in 3 gezeigt ist, umfasst das Pumpengehäuse 1 ferner einen in Richtung der Arbeitskammern 10 gerichteten Flanschabschnitt, in dem ein elektrischer Antrieb 3 aufgenommen ist. Auf einer rechts dargestellten Seite des Pumpengehäuses 1 ist ein durch einen Deckel 13 abgeschlossener weiterer Flanschabschnitt ausgebildet, in dem eine Steuerschaltung 34 des elektrischen Antriebs 3 aufgenommen ist. Zuleitungsanschlüsse, die zu Elektromagneten 30 des elektrischen Antriebs 3 führen, treten durch einen nach oben gerichtet dargestellten Stutzen aus dem Pumpengehäuse 1 heraus.
-
In der dargestellten Ausführungsform ist der elektrische Antrieb 3 durch einen sogenannten bistabilen Drehmagnet bereitgestellt, der zwei Elektromagnete 30 und einen Anker 32 umfasst. Die Elektromagnete 30 sind axial voneinander getrennt und stehen mit zwei ebenso axial getrennten Polringen 31 und einem koaxialen Ferritkern 33 in Kontakt. Der Anker 32 ist auf der Schwenkachse 12 schwenkbar und weist zwei Ankerkörper auf, die jeweils eine diametral längere, und 90° Grad versetzt dazu, eine diametral kürzere Erstreckung des Umfangs aufweisen, d.h. beispielsweise eine Kreisfläche mit zwei gegenüberliegend nach innen ausgenommenen Kreisbogensegmenten. Die Ankerkörper sind jeweils in einer zentralen Ausnehmung eines Polrings 31 gelagert aufgenommen. Jede Ausnehmung der Polringe 31 weist zwei gegenüberliegende Polschuhe auf.
-
Wenn einer der Elektromagnete 30 mit Strom versorgt wird, schwenkt der Anker 32 durch eine Reluktanzkraft in eine Position, in welcher der entsprechende Ankerkörper sich mit seiner längeren diametralen Erstreckung zwischen den Polschuhen der Ausnehmung des entsprechenden Polrings 31 ausrichtet, um den Luftspalt und somit den magnetischen Widerstand in einem magnetischen Kreis zu verringern, der den Elektromagnet 30, den Ferritkern 33, den Polring 31 und den Ankerkörper durchläuft.
-
Die Polschuhe der beiden Polringe 31 oder die beiden Ankerkörper des Ankers 32 sind um 90° zueinander versetzt. Wenn die beiden Elektromagnete 30 abwechselnd durch die Steuerschaltung 34 mit Strom versorgt werden, wird somit eine wechselseitige Schwenkbewegung der Schwenkachse 12 um 90° erzeugt.
-
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Schwenkkolbenpumpe erläutert.
-
Wenn sich der Schwenkkolben 2 aus der in 1 dargestellten Ausgangsposition gegen den Uhrzeigersinn bewegt, wird ein Volumen des Fördermediums vor dem Schwenkkolben 2 verdrängt bzw. aus den Arbeitskammern 10 ausgeschoben. Hierbei werden die flexiblen Sperrflügel 40 der Auslassventile 4 auf der Druckseite des Schwenkkolbens 2 im Pumpengehäuse 1 nach außen gedrängt und geben die Ventilöffnungen frei. Die prismatischen Abschnitte 50 der Einlassventile 5 auf der vorderen Druckseite des Schwenkkolbens 2 werden an den freien Enden gegeneinander gedrängt und sperren einen Durchlass zur Kavität 25.
-
Zeitgleich entsteht in dem Abschnitt der Arbeitskammer 10 auf der hinteren Seite des Schwenkkolbens 2 ein Unterdruck, sodass ein Volumen des Fördermediums, das über den Pumpeneinlass 15 ansaugt wird, in die Arbeitskammer 10 nachströmt. Hierbei werden prismatischen Abschnitte 50 der Einlassventile 5 auf der hinteren Saugseite des Schwenkkolbens 2 durch den angesaugten Förderstrom an den freien Enden auseinander gespreizt und öffnen sich für eine Durchströmung von der Kavität 25 in die Arbeitskammer 10. Die flexiblen Sperrflügel 40 der Auslassventile 4 werden auf der Saugseite des Schwenkkolbens 2 gegen die Ventilöffnungen im Pumpengehäuse 1 gezogen und sperren die Auslassventile 4.
-
In einer umgekehrten Schwenkbewegung zurück in die Ausgangsposition des Schwenkkolbens 2 in 1 besteht dieselbe Funktionsweise. Die Schwenkkolbenpumpe ist somit ein Typ einer Doppelhubpumpe.
