DE102021125838A1

DE102021125838A1 - Kolben-Hochdruckpumpe mit kleinem Fördervolumen

Info

Publication number: DE102021125838A1
Application number: DE102021125838.3A
Authority: DE
Inventors: Samuel Schinkel; Klemens Krahn
Original assignee: Solo Kleinmotoren GmbH
Current assignee: Solo Kleinmotoren GmbH
Priority date: 2021-10-05
Filing date: 2021-10-05
Publication date: 2023-04-06
Also published as: WO2023057170A1

Abstract

Es wird eine Kolbenpumpe vorgeschlagen, die einen sehr guten Wirkungsgrad hat, obwohl sie eine sehr kleine Fördermenge hat und Förderdrücke von bis zu 200 bar bereitstellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe mit mehreren Kolben, die sich dadurch auszeichnet, dass sie einen hohen Förderdruck von weit über 100 bar aufbauen kann und die Fördermenge sehr klein ist.
Als kleine Fördermenge wird eine Fördermenge von beispielsweise 30 ml pro Minute bis 200ml pro Minute angesehen.
Haupteinsatzgebiet dieser ultra-low-volume (ULV)-Pumpe sind sogenannte Kaltvernebler (cold fogger), die eingesetzt werden, um Flüssigkeiten in Form kleiner Tröpfchen in der Luft zu verteilen. Die Tröpfchen schweben in der Luft und bilden zusammen mit der Luft ein Aerosol. Aerosole werden beispielsweise zum Desinfizieren von Räumen oder zum Ausbringen von Pestiziden eingesetzt. In einem Fall enthält das Fluid ein Desinfektionsmittel. Im anderen Fall enthält das Fluid ein Pestizid. Selbstverständlich können Kaltvernebler auch zu anderen Zwecken eingesetzt werden.
Bei allen Anwendungen werden relativ kleine Fluidmengen versprüht. Wichtig ist die Größe der Tröpfchen. Sind die Tröpfchen zu groß, sinken sie in der Luft zu schnell nach unten. Sind die Tröpfchen zu klein, dann werden sie lungengängig und können gesundheitsgefährdend sein.
Die Soll-Größe der Tröpfchen hängt unter anderem von der Anwendung und dem Einsatzort ab. Die Eigenschaften des Fluids (zum Beispiel dessen Viskosität) haben auch einen erheblichen Einfluss auf die Größe der Tröpfchen. Die wichtigsten Parameter zur Beeinflussung der Größe der Tröpfchen sind der Durchmesser einer Sprühdüse und der Druck mit dem das Fluid durch die Düse gepresst wird. Beim Austritt aus der Sprühdüse ändert sich der Druck des Fluids schlagartig. Zum Beispiel von 150 bar vor der Düse auf 1 bar (Umgebungsdruck). Dadurch „zerreißt“ das Fluid und es entstehen die gewünschten kleinen Tröpfchen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ULV-Hochdruckpumpe bereitzustellen, die über einen weiten Bereich von Förderdrücken einsetzbar ist und die noch dazu sehr energieeffizient arbeitet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe, umfassend einen Zylinderblock mit mehreren Zylinderbohrungen, mehreren Kolben, wobei in jeder Zylinderbohrung ein Kolben geführt ist, wobei jeder Zylinderbohrung ein Einlassventil und ein Auslassventil zugeordnet ist, wobei die Einlassventile als Membranventile ausgeführt sind und in einer Einlass-Membranplatte angeordnet sind, wobei die Auslassventile als Membranventile ausgeführt sind und in einer Auslass-Membranplatte angeordnet sind und wobei zwischen der Einlass-Membranplatte und der Auslass-Membranplatte eine Ventilplatte angeordnet ist.
Erfindungsgemäß befinden sich die Einlassventile in einer ersten Ebene wird) und die Auslassventile sind in einer zweiten Ebene angeordnet.
Die erste Ebene wird durch die erste Membranplatte definiert; die zweite Ebene wird durch die Auslass-Membranplatte definiert.
Zwischen den Membranplatten ist die Ventilsitzplatte angeordnet. Durch die „aufgelöste“ Bauweise ist es möglich, trotz des kleinen Durchmessers der Kolben der Kolbenpumpe die Herstellung und Montage der Ventile zu ermöglich bzw. zu vereinfachen Montage. Außerdem werden die Toträume minimiert, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Pumpe auswirkt. Die kleine Fördermenge der ULV-Pumpe bei gleichzeitig gutem Wirkungsgrad führt dazu, dass die Kolben einen kleinen Durchmesser von beispielsweise drei Millimetern haben.
Erfindungsgemäß ist die erste Membranplatte, an welcher die Einlassventile ausbildet sind, zwischen dem Zylinderblock und der Ventilsitzplatte angeordnet.
Die Auslass-Membranplatte, an welcher die Auslassventile ausgebildet sind, ist auf der dem Zylinderblock abgewandten Seite der Ventilsitzplatte angeordnet.
Diese Anordnung hat unter anderem den Vorteil, dass das unter hohem Druck stehende Fluid, welches durch die Auslassventile ausgeschoben wird, auf einfache Weise in einem zentralen Auslasskanal gesammelt werden kann und von dort weiter zu einem Auslass bzw. einem Drucksensorraum gefördert werden kann.
Auf der Saugseite hat das Fluid in etwa Umgebungsdruck. Die Zufuhr von Fluid zu den einzelnen Zylindern ist bei der erfindungsgemäßen Pumpe komplizierter gestaltet als auf der Förderseite. Weil aber auf der Saugseite der Druck sehr gering ist (ungefähr Umgebungsdruck) ist die Abdichtung unproblematisch.
Durch die erfindungsgemäße Bauart werden also hoher Wirkungsrad, Betriebssicherheit und das Problem der Abdichtung in vorteilhafter Weise gelöst.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist auf einer dem Zylinderblock abgewandten Seite der zweiten Membranplatt ein Ventildeckel angeordnet, daran anschließend sind ein Anschlussdeckel und optional ein Drucksensorgehäuse angeordnet, so dass sich insgesamt ein modularer Aufbau ergibt, bei dem die erfindungswesentlichen Bauteile „übereinander gestapelt“ angeordnet werden. Alle Bauteile der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe sind sehr gut zu montieren, fertigungstechnisch gut zu beherrschen.
Die Ventilsitzplatte weist bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung eine der Zahl der Zylinder entsprechende Zahl von Einlassbohrungen auf. Diese Einlassbohrungen gehen idealerweise direkt durch die Ventilsitzplatte und sind in der Verlängerung der Zylinderbohrungen angeordnet. In ähnlicher Weise weist die Ventilsitzplatte eine der Zahl der Kolben entsprechende Zahl von Auslassbohrungen auf. Allerdings ist hier vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Auslassbohrungen einen Versatz zwischen der Längsachse der Zylinderbohrungen und der Mitte der Auslassbohrungen an der Seite der Ventilsitzplatte aufweisen, die der Auslass-Membranplatte zugewandt ist. Dadurch werden die Auslassventile radial bzw. seitlich nach außen verschoben, bezogen auf die Mittelachse der Zylinder in dem Zylinderblock und es wird Platz gewonnen. Dadurch wird Platz geschaffen für die Auslassventile.
Es ist aus Platzgründen nicht möglich, die Einlassventile und die Auslassventile in einer Membranplatte zu integrieren und diese dann gewissermaßen direkt über der Zylinderbohrung anzuordnen. Der Hintergrund ist der, dass die Kolbendurchmesser nur wenige Millimeter, z.B. drei Millimeter, betragen. Es liegt auf der Hand, dass auf diesem kleinen Bohrungsdurchmesser es nicht möglich ist, ein Einlassventil und ein Auslassventil anzuordnen. Dieses Problem wird durch die erfindungsgemäße aufgelöste Bauweise mit dem Einlassventil in einer ersten Ebene und dem Auslassventil in einer zweiten Ebene, die durch die Ventilsitzplatte voneinander getrennt sind, gelöst.
Dadurch ist es auch möglich, die Ventilsitzplatten als Membranventilplatten auszubilden und beispielsweise aus einem dünnen Edelstahl-Blech herzustellen, das durch Laserschneiden bearbeitet wird.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung münden die Auslassbohrungen an der dem Zylinderblock abgewandten Seite der Ventilsitzplatte in einem zentralen Auslasskanal. Dieser zentrale Auslasskanal kann dann in den Anschlussdeckel weitergeführt werden. Dort ist ein Hochdruckanschluss vorhanden an den Hochdruckschlauch oder eine Hydraulikleitung geschraubt wird, welcher eine Sprühdüse mit unter hohem Druck stehenden Fluid versorgt.
Der Anschlussdeckel weist vorteilhafter Weise nicht nur einen Hochdruckanschluss, sondern auch einen Ansauganschluss auf. Der Ansauganschluss mündet in eine Versorgungsnut auf der der Ventilsitzplatte zugewandten Seite des Anschlussdeckels. Die Versorgungsnut ist so geformt, dass sie drei Einlassbohrungen in der Ventilsitzplatte mit Fluid versorgen kann. Dieser relativ lange Weg des Fluids durch den Anschlussdeckel, die Ringnut und die Einlassbohrungen ist fertigungstechnisch unproblematisch. Durch O-Ring-Dichtungen oder dergleichen ist auch die Dichtheit des Fluids auf der Einlassseite gewährleistet.
Die Auslassbohrung der Ventilsitzplatte wird in einem Auslasskanal in dem Anschlussdeckel weitergeführt. Das ist eine sehr einfache Konstruktion, die noch dazu die Zahl der Dichtstellen minimiert.
Darüber hinaus ist in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung an dem Anschlussdeckel eine Entlüftungseinrichtung vorgesehen, welche die Förder- bzw. Druckseite der Kolbenpumpe entlüftet. Dadurch ist sichergestellt, dass vor Betriebsbeginn bzw. vor Inbetriebnahme der Kolbenpumpe das System entlüftet werden kann und somit eventuell vorhandene Luftblasen aus dem System entfernt werden können. Diese Luftblasen würden die Funktion eines Kalt-Verneblers zumindest zeitweise beeinträchtigen. Daher ist es vorteilhaft, wenn die Druck- bzw. Förderseite der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe jederzeit, und vor allem nach einer Neubetankung oder vor einer ersten Inbetriebnahme, entlüftet werden kann.
Die Entlüftungseinrichtung kann als ferngesteuertes Sperrventil ausgebildet werden. Ein Sperrventil hat in der Regel eine Druckfeder und ein Ventilglied, das von der Druckfeder gegen einen Ventilsitz gepresst wird. Wenn das Ventilglied auf dem Ventilsitz aufsitzt, dann ist das Sperrventil geschlossen.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung des Sperrventils presst der Druck auf der Förderseite der Kolbenpumpe das Ventilglied gegen den Sitz, unterstützt von der optionalen Druckfeder. Wenn das System entlüftet werden soll, dann wird über einen Stift das Ventilglied von dem Ventilsitz abgehoben, so dass das Sperrventil geöffnet wird.
In diesem Zustand kann Luft aus dem System entweichen, wenn die Kolbenpumpe angetrieben wird. Wenn die Luft entwichen ist, ist das System entlüftet und das Sperrventil kann wieder geschlossen werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Betätigung des Sperrventils, d.h. das Öffnen des Sperrventils, über einen Stift und einen von dem Stift betätigten Elektromagneten erfolgt. Der Stift kann von einem Elektromagneten bestätigt werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, diesen Stift manuell zu betätigen.
Der Unterbau der erfindungsgemäßen ULV-Kolbenpumpe kann auf verschiedene Arten und Weisen ausgeführt sein. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Unterbau eine Taumelscheibe aufweist, auf welcher die Enden der Kolben aufsitzen. Wenn die Taumelscheibe von einem Elektromotor in Drehung versetzt wird, dann führen die Kolben eine oszillierende Bewegung aus und fördern das in den Zylinderbohrungen befindliche Fluid durch die Ventilsitzplatte, die Auslass-Membranplatte hindurch auf die Förderseite der Kolbenpumpe.
Auf der dem Ventildeckel gegenüberliegenden Ende des Pumpengehäuses sind Lagerbuchsen vorgesehen, welche die Kolbenstangen führen und lagern, so dass keine Querkräfte oder Radialkräfte auf die Kolbenstange wirken. Das ist von besonderer Bedeutung für die Lebensdauer der Kolbenpumpe und, da die Kolbenstangen einen Durchmesser von nur wenigen Millimetern (z.B. drei Millimetern) aufweisen.
Zwischen den Lagerbuchsen und dem Zylinderblock sind in einer Ebene mehrere Stangendichtungen angeordnet. Diese Stangendichtungen sorgen dafür, dass das Fluid, welches in dem Spalt zwischen der Zylinderbohrung und der Kolbenstange aufgrund des hohen Förderdrucks nach unten, d.h. in Richtung der Lagerbuchsen gedrückt wird, zurückgehalten wird. Eventuell auftretende Leckagen der Lagerbuchsen werden über eine Leckageabfuhr abgeführt. Die Leckageabfuhr kann eine Bohrung vorstellen, welche die Leckage, die durch die Stangendichtungen hindurchgelangt, aufnimmt und beispielsweise in den Fluidtank zurückführt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung weist die Pumpe eine Taumelscheibe auf, wobei jedem Kolben eine Kolbenfeder zugeordnet ist, welche den Kolben in Anlage an der Taumelscheibe hält.
Wenn diese Taumelscheibe in an sich bekannter Weise in Drehung versetzt wird, dann wird dem Kolben eine oszillierende Bewegung aufgezwungen und im Förderraum des Kolbens wird zunächst Fluid durch die Einlassventile angesaugt, wenn sich der Kolben vom oberen Totpunkt OT in Richtung des unteren Totpunkts UT bewegt. Sobald der Kolben seinen UT erreicht hat und sich wieder in Richtung OT bewegt, wird das in dem Förderraum befindliche Fluid unter Druck gesetzt. Fas Fluid wird durch die Auslassventile ausgeschoben, wenn der Druck im Förderraum höher ist als auf der Förderseite der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar. Alle in der Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
Es zeigen:

1 eine Isometrie einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe;
2 und 3 die erfindungsgemäße Kolbenpumpe in einer Explosionsdarstellung;
4 das Pumpengehäuse in einer Ansicht von oben und einem Längsschnitt;
5 und 6 verschiedene Einzelteile der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe in verschiedenen Ansichten;
7 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe;
8 einen Teil-Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Hochdruckpumpe;
9 die Auslass-Membranplatte (stark vergrößert) und
10 den Ventildeckel (stark vergrößert).

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In der Figurenbeschreibung werden für gleiche Bauteile gleiche Bezugszeichen verwendet. Die 1 bis 8 beschreiben ein Ausführungsbeispiel. Nicht in allen Figuren sind alle Bezugszeichen eingezeichnet, wegen der Übersichtlichkeit.
In der 1 sind hintereinander angeordnet die wesentlichen Baugruppen der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe dargestellt. An einem handelsüblichen Elektromotor 1, in der Regel einem drehzahlregelbaren Gleichstrommotor, ist ein Flansch 2 befestigt. Mit diesem Flansch 2 ist ein Pumpengehäuse 8 verschraubt. Auf das Pumpengehäuse 8 sind ein Anschlussdeckel 22 und ein Drucksensorgehäuse 34 aufgesetzt.
Mit 30 ist ein Schlauch bezeichnet, der das unter hohem Druck stehende Fluid zu einer nicht dargestellten Düse führt. Wegen der hohen Betriebsdrücke von bis zu 200 bar ist der Schlauch 30 oft als sogenannter Stahlflex-Schlauch ausgeführt. Selbstverständlich ist es auch möglich, dass anstelle eines Schlauchs 30 ein Metallrohr angeschraubt wird. Mit 36 ist die Entlüftungseinrichtung bezeichnet.
In der 1 ist von der Entlüftungseinrichtung 36 vor allem ein Elektromagnet sichtbar. Mit Hilfe des Elektromagneten wird ein Sperrventil geöffnet, wenn die Förderseite der Kolbenpumpe entlüftet werden soll.
In den 2 und 3 sind die verschiedenen Bauteile der Kolbenpumpe in einer Explosionsdarstellung dargestellt. Der Flansch 2 ist, wie sich aus der 2 ergibt, auf den Motor 1 aufgeschraubt. In dem Flansch 2 sind mehrere Innengewinde vorhanden, so dass das Pumpengehäuse 8 auf den Flansch 2 aufgeschraubt werden kann. Zwischen dem Flansch 2 und dem Pumpengehäuse ist ein Dichtring 3 angeordnet.
Auf eine Rotorwelle 1.1 des Motors 1 sind ein Axiallager 4 und eine Taumelscheibe 5 aufgesetzt. Das Axiallager 4 wird in dem Flansch 2 aufgenommen und in axialer Richtung abgestützt. Auf der Taumelscheibe 5 ist ein weiteres Axiallager 4 angeordnet.
Das in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiel einer ULV-Kolbenpumpe hat drei Kolben 3 und dementsprechend drei Zylinderbohrungen.
Die Kolben 6, die mit ihren in 2 linken Enden auf der Taumelscheibe 5 bzw. dem zweiten Wälzlager bzw. dem Wälzlager 4, das auf der Taumelscheibe 5 aufgesetzt ist, aufliegen. Die Kolben 6 weisen an ihren der Taumelscheibe 5 zugewandten Enden einen Teller 6.1 auf, der als Widerlager für die Kolbenfedern 7 dient. Außerdem liegen die Teller 6.1 auf dem Wälzlager 4 auf der Taumelscheibe 5 auf. Die Kolbenfedern 7 halten die Kolben 6 in Anlage an der Taumelscheibe, so dass, wenn der Motor 1 die Taumelscheibe in Drehung versetzt, die Kolben eine oszillierende Bewegung zwischen Oberem Totpunkt OT und unterem Totpunkt OT ausführen.
Das Pumpengehäuse 8 weist auf der dem Motor 1 abgewandten Stirnseite eine erste Ausnehmung 8.1 auf. Auf der dem Motor 1 zugewandten Stirnseite weist das Pumpengehäuse 8 eine zweite Ausnehmung 8.2 auf (siehe 4).
In der ersten Ausnehmung 8.1 sind ein Zylinderblock 14, eine erste Membranlatte 15, welche die Einlassventile enthält, eine Ventilsitzplatte 16, eine Auslass-Membranplatte 17, welche die Auslassventile umfasst, ein Ventildeckel 18 und Dichtringe 19, 20 und 21 vorhanden.
In dem Pumpengehäuse 8 sind (entsprechend der Zahl der Kolben 6) drei Lagerbuchsen 12 eingepresst oder auf andere Weise befestigt. Zwischen den Lagerbuchsen 12 und dem Zylinderblock 14 sind drei Stangendichtungen in dem Pumpengehäuse 8 angeordnet. Jede Stangendichtung dichtet eine Kolbenstange bzw. einen Kolben 6 ab.
Weil bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel drei Kolben 6 bzw. drei Zylinderbohrungen vorgesehen sind, haben bei diesem Ausführungsbeispiel die erste Ausnehmung 8.1 eine dreieckige Kontur. Auch die in der Ausnehmung 8.1 angeordneten Bauteile (Zylinderblock 14, Membranplatten 15, 17, Ventilsitzplatte 16 und ein Ventildeckel 18) eine dreieckige oder polygone Außenkontur.
Diese Außenkontur bietet sich bei einer Kolbenpumpe mit drei Kolben 6 an, weil dadurch bei geringem Platzbedarf die „platten-oder scheibenförmigen" Bauteilen 14 bis 18 untergebracht werden können.
Die Ausnehmung 8.1 mit den Bauteilen 14 bis 21 wird durch den Anschlussdeckel 22 verschlossen. In dem Anschlussdeckel 22 ist einerseits ein Einlass (nicht dargestellt in der 3), die Entlüftungseinrichtung 36 und ein Auslass vorgesehen.
An den Auslass ist der druckfester Schlauch 30 mittels einer Hohlschraube 31 angeschraubt. An den Anschlussdeckel 22 wiederum schließt ein Drucksensorgehäuse an, das einen Drucksensor 33 aufnimmt. Der Drucksensor 33 dient dazu, den auf der Förderseite der Pumpe herrschenden Druck zu erfassen. Die Ausgangssignale des Drucksensors 33 werden einem Steuergerät zugeführt, das über die Steuerung der Drehzahl des Motors 1 den Druck auf der Förderseite, entsprechend einem vom Nutzer vorgegebenen Sollwert, regelt. Der Sollwert hängt unter anderem ab von der verwendeten Düse, der gewünschten Tröpfchengröße und den Eigenschaften des Fluids. Das Steuergerät, die Signalleitungen zwischen dem Drucksensor 33 und dem Steuergerät, die elektrischen Anschlüsse des Motors 1 und ein Akkumulator zur Stromversorgung sind in den Figuren nicht dargestellt.
In der 4 ist eine Ansicht von vorne und ein Längsschnitt durch das Pumpengehäuse 8 dargestellt. Das Pumpengehäuse 8 weist an einer Stirnseite, welche vom Motor 1 abgewandt ist, eine annähernd dreieckige erste Ausnehmung 8.1 auf. In dieser Ausnehmung 8.1 werden der Zylinderblock, die Membranplatten 15 und 17 sowie die Ventilsitzplatte 16 und der Ventildeckel 18 aufgenommen.
An der dem Motor 1 zugewandten Stirnseite des Pumpengehäuses 8 ist eine im Wesentlichen zylindrische zweite Aussparung 8.2 vorgesehen. In dieser zweiten Ausnehmung 8.2 sind die Taumelscheibe 5, die Wälzlager 4 und ein Teil der Kolben 6 n mit ihren Tellern 6.1 und die Kolbenfeder 7 angeordnet. In der 4 ist das Pumpengehäuse 8 ohne Einbauten dargestellt. In den 7 und 8 ist das Pumpengehäuse 8 mit den Einbauteilen dargestellt.
Zwischen den Ausnehmungen 8.1 und 8.2 erstreckt sich eine Stufenbohrung 8.3. In der Stufenbohrung 8.3 werden eine Lagerbuchse 12 und eine Stangendichtung 13 montiert. Die Lagerbuchse 12 ist in dem Bereich der Stufenbohrung 8.3 angeordnet, der in der zweiten Ausnehmung 8.2 endet. Die Stangendichtung 13 ist in dem Bereich der Stufenbohrung 8.3 angeordnet, der in der ersten Ausnehmung 8.1 endet.
Etwa in der Mitte der Stufenbohrung 8.3 zweigt eine Leckageabfuhr 8.4 mit einer optionalen Drossel ab. Über die Leckageabfuhr 8.4 werden kleine Leckagen der Stangendichtung abgeführt, so dass kein Fluid zu den Axiallagern 4 oder dem Motor 1 gelangen können.
Entsprechend der Zahl der Kolben 6 sind drei Stufenbohrungen 8.3 in dem Pumpengehäuse 8 ausgebildet.
In der 5 sind die Einbauteile der ersten Ausnehmung 8.1 des Pumpengehäuses 8 dargestellt. Allen Einbauteilen ist gemeinsam, dass sie eine dreieckige Außenkontur aufweisen, die komplementär zu der Form der ersten Ausnehmung 8.1 ist.
Die Beschreibung der Einbauteile beginnt mit der Ventilsitzplatte 16. Die Ventilsitzplatte 16 weist drei Einlassbohrungen 16.1 und drei Auslassbohrungen 16.2 auf. Außerdem ist noch eine Leckagebohrung 16.3 vorhanden.
Die Einlassbohrungen 16.1 bilden ein gleichseitiges äußeres Dreieck. Die Mittelpunkte der Einlassbohrungen befinden sich in der Verlängerung der Längsachse der Stufenbohrungen 8.3 im Pumpengehäuse 8. Innerhalb dieses Dreiecks sind die drei Auslassbohrungen 16.2 angeordnet.
In der 5 ist links von der Ventilsitzplatte 16 die erste Membranplatte 15 dargestellt. Sie umfasst drei als Membranventile ausgebildete Einlassventile 15.1. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein Membranventil 15.1 mit Bezugszeichen versehen. Jedes Einlassventil 15.1 besteht aus einer Zunge oder Membran 15.2. Die Membran 15.2 eines Einlassventils 15.1 ist so positioniert, dass die Membran 15.2 eine Einlassbohrung 16.1 der Ventilsitzplatte 16 verschließen kann.
In der Einlass-Membranplatte sind eine Bohrung 15.3 und drei Bohrungen 15.4 vorhanden. Die Bohrung 15.3 ist an der gleichen Stelle wie die Leckagebohrung 16.3 der Ventilsitzplatte 16 angeordnet.
Die Bohrungen 15.4 sind an der gleichen Stelle wie die Auslassbohrungen 16.2 der Ventilsitzplatte 16 angeordnet. Durch die Bohrungen 15.4 in der Einlass-Membranplatte 15 und die Auslassbohrungen 16.2 gelangt das Fluid aus dem Förderraum der Kolbenpumpe zu den Auslassventilen 17.1 der Auslass-Membranplatte 17.
Die Auslass-Membranplatte 17 ist ähnlich wie die erste Membranplatte 15 aufgebaut. Sie umfasst drei Auslassventile 17.1, deren Membran 17.2 so positioniert ist, dass sie die Auslassbohrungen 16.2 verschließen können.
In der Auslass-Membranplatte 17 sind eine Bohrung 17.3 und drei Bohrungen 17.4 vorhanden. Die Bohrung 17.3 ist an der gleichen Stelle wie die Leckagebohrung 16.3 der Ventilsitzplatte 16 angeordnet.
Die Bohrungen 17.4 sind an der gleichen Stelle wie die Einlassbohrungen 16.1 der Ventilsitzplatte 16 angeordnet. Durch die Bohrungen 17.4 in der Auslass-Membranplatte 17 und die Einlassbohrungen 16.1 gelangt das Fluid zu den Einlassventilen 15.1 der Einlass-Membranplatte 15.
Die erste Membranplatte 15 wird zwischen dem Zylinderblock 14 und der Ventilsitzplatte 16 angeordnet. Die Auslass-Membranplatte 17 wird zwischen der Ventilsitzplatte 16 und dem Ventildeckel 18 angeordnet.
Im unteren Teil der 5 ist der Ventildeckel 18 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der Ventildeckel 18 hat eine Unterseite (links unten in der 5) und eine Oberseite. Mit Unterseite wird die Seite des Ventildeckels 18 bezeichnet, mit der der Ventildeckel 18 auf der Auslass-Membranplatte 17 aufliegt.
An der Unterseite des Ventildeckels 18 ist für jedes Auslassventil eine Ausnehmung 18.1 vorgesehen. Die Ausnehmungen 18.1 auf der Unterseite des Ventildeckels münden in Bohrungen 18.2, die wiederum in einen Auslasssammelraum 18.3 an der Oberseite des Ventildeckels münden. Damit wird erreicht, dass das aus den relativ weit auseinanderliegenden Auslassventilen 17,1 strömende Fluid in den zentralen Auslasssammelraum 18.3 gelangt.
In dem Ventildeckel 18 sind Einlassbohrungen 18.4 vorgesehen, die in derselben Position angeordnet sind, wie die Einlassbohrungen 16.1 in der Ventilsitzplatte und die entsprechenden Bohrungen 17.4 in der Auslass-Membranplatte 17.
In der Schnittdarstellung entlang der Linie E-E ist die hydraulische Verbindung zwischen der Ausnehmung 18.1 und dem Auslasssammelraum 18.3 erkennbar. Außerdem ist zu erkennen, dass in dem Ventildeckel Einlassbohrungen 18.4 angeordnet sind, die in derselben Position angeordnet sind, wie die Einlassbohrungen 16.1 in der Ventilsitzplatte 16 und die entsprechenden Bohrungen 17.4 in der Auslass-Membranplatte 17.
Durch die anhand der 4 und 5 dargestellte und im Detail erläuterte aufgelöste Bauweise mit zwei Membranplatten 15 und 17, die zu beiden Seiten der Ventilsitzplatte 16 angeordnet sind, und dem Ventildeckel 18, der es ermöglicht, das aus den Auslassventilen strömende Fluid in einem zentralen Auslasssammelraum 18.3 zu sammeln, ist es möglich, eine Hochdruckpumpe bereitzustellen, die sehr kompakt baut. Die Toträume sind klein, so dass ein guter Wirkungsgrad der Kolbenpumpe auch bei kleinen und kleinsten Fördermengen möglich ist.
In der 6 ist der Anschlussdeckel 22 in verschiedenen Ansichten dargestellt. Der Anschlussdeckel 22 hat eine kreisförmige Außenkontur mit drei ebenen Flächen. Dort befinden sich ein Ansauganschluss 22.7, ein Hochdruckanschluss 22.6 und eine Stufenbohrung 22.3 in welche die Entlüftungseirichtung 36 eingeschraubt werden kann.
An der dem Ventildeckel 18 zugewandten Seite weist der Anschlussdeckel 22 eine Versorgungsnut 22.1 auf. Die Versorgungsnut 22.1 dient dazu, über den Einlass angesaugtes Fluid an die drei Einlassbohrungen 18.4 des Ventildeckels 18 zu bringen. Von da gelangt das angesaugte Fluid über die Einlassbohrungen 17.4 in der Auslass-Membranplatte 17 und die Einlassbohrungen 16.1 der Ventilsitzplatte 16 zu den Einlassventilen 15.1 der Einlass-Membranplatte 15.
Innerhalb der Ring- oder Versorgungsnut 22.1 ist ein Auslasskanal 22.2 vorhanden. Der Auslasskanal 22.2 ist hydraulisch mit dem Auslasssammelraum 18.3 des Ventildeckels 18 verbunden und führt das von der Pumpe geförderte unter hohem Druck stehende Fluid durch den Anschlussdeckel 22 hindurch, so dass es an der Oberseite bzw. der dem Drucksensor 33 zugewandten Seite in das Drucksensorgehäuse 34 gelangen kann.
Damit aus dem Auslasskanal 22.2 kein Fluid entweichen kann, sind sowohl an der Ventildeckelseite als auch an der Drucksensorseite Dichtungen vorgesehen, die in der 6 nicht dargestellt sind.
Von dem Auslasskanal 22.2 zweigt eine Stufenbohrung 22.3 ab, in welche die Entlüftungseinrichtung 3 eingeschraubt wird. Von dieser Stufenbohrung 22.3 zweigt wiederum ein Rücklauf 22.4 ab. Über diesen Rücklauf 22.4 wird die beim Entlüften der erfindungsgemäßen Pumpe anfallende Fluidmenge in einen Fluidtank (nicht dargestellt) zurückgeführt.
Die Funktionsweise der Entlüftungseinrichtung 36 wird weiter unten näher erläutert.
Auf der Drucksensorseite erweitert sich der Auslasskanal 22.2 zu einem Windkessel 22.5. Er dämpft die Amplituden der Druckpulsationen. Der Windkessel 22.5 wird von den Drucksensor 33 begrenzt, so dass der Drucksensor 33 den Druck des Fluids erfassen kann. Die Ausgangssignale des Drucksensors 33 werden zur Druckregelung benötigt.
Anhand der 7 wird der Weg des Fluids durch die Pumpe erläutert.
Das Fluid wird über den Ansauganschluss 22.7 in dem Anschlussdeckel 22 angesaugt. Es gelangt dann in die Ringnut 22.1 an der Unterseite des Anschlussdeckels 22. Von dort wird das angesaugte Fluid über die Einlassbohrungen 18.4 durch die Bohrungen 17.4 in der Auslass-Membranplatte 17 und die Einlassbohrungen 16.1 der Ventilsitzplatte 16 bis zu der Einlass-Membranplatte 15 geleitet. Dort sind die Einlassventile 15.1 ausgebildet. Wenn sich der Kolben 6 vom oberen Totpunkt OT zum unteren Totpunkt UT bewegt, saugt er durch das Einlassventil 15.1 das Fluid in den Förderraum dieses Pumpenelements. Sobald sich der Kolben 6 vom unteren Totpunkt UT in Richtung OT bewegt, steigt der Druck im Förderraum des Kolbens 6 bzw. der Zylinderbohrung im Zylinderblock 14. Sobald der Druck im Förderraum größer ist als der auf der Auslassseite herrschende Druck, öffnet das zugehörige Membranventil 17.1 in der Auslass-Membranplatte 17, so dass eine hydraulische Verbindung zwischen dem Förderraum und dem Ventildeckel 18 entsteht. Das Von dort strömt das Fluid, welches unter hohem Druck steht, über die Ausnehmung 18.1 und die Bohrung 18.2 in den Auslasssammelraum 18.3. Von dort gelangt das Fluid über den Auslasskanal 22.1 in den Windkessel 22.5 des Anschlussdeckels 22, den zu dem Hochdruckanschluss 22. 6 und (nicht sichtbar in der 7) auch zu der Entlüftungseinrichtung 36.
Anhand der 7 ist auch gut zu erkennen, dass die Stangendichtungen 13 in einer Ebene angeordnet sind und unterhalb dieser Ebene die Lagerbuchsen 12 angeordnet sind.
Unterhalb bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Lagerbuchsen näher am Motor 1 angeordnet sind, als die Stangendichtungen 13.
Zwischen den Stangendichtungen 13 und den Lagerbuchsen ist jeweils eine Leckagebohrung 8.3 vorgesehen, die eventuell auftretende Leckage abführt.
Anhand der 7 ist auch gut zu erkennen, dass die Kolbenfedern 7 sich einerseits gegen das Pumpengehäuse 8 und andererseits gegen den Teller der Kolben 6 abstützen und diese somit in Anlage an dem Wälzlager 4 halten, welches auf der Taumelscheibe 5 montiert ist.
Anhand der 8 können Details der erfindungsgemäßen Pumpe noch besser nachvollzogen werden, weil die 8 einen Ausschnitt aus der Pumpe darstellt und von diesem Ausschnitt noch ein Detail X1 stark vergrößert herausgezeichnet ist.
In der 9 ist eine Auslassmembranplatte 17 stark vergrößert dargestellt. Die Auslassmembranplatte 17 wurde im Zusammenhang mit der 5 schon erläutert. Anhand der 9 soll die Membran 17.2 näher erläutert werden. Wie man anhand der 9 gut erkennen kann, hat die Membran 17.2 ein kreisförmiges Ende, dass etwas über einen Durchmesser D hinausragt. Eine solche filigrane Form der Membran kann durch Laserschneiden ohne weiteres hergestellt werden.
In der 10 ist der Ventildeckel 18 mit seiner Unterseite ebenfalls stark vergrößert dargestellt. Die Unterseite des Ventildeckels 18 ist der Auslass-Membranplatte 17 zugewandt. Wie man der 10 entnehmen kann, weisen die Ausnehmungen 18.1 einen Stützbereich 18.5 auf. Der Stützbereich 18.5 dient dazu, den Übergang zwischen der Membran 17.2 und der Auslass-Membranplatte 17 zu stützen. Der Übergang hat die Funktion eines federnden Gelenks und wird beim Öffnen und Schließen der Membran 17.2 auf Biegung (im federelastischen Bereich) beansprucht.
An der dem Stützbereich 18.5 gegenüberliegenden Seite der Ausnehmung 18.1 ist ein Absatz 18.6 ausgebildet. Der Absatz 18.6 ist so dimensioniert, dass das distale Ende der Membran 17.2 auf dem Absatz 18.6 aufliegen kann.
Der Absatz 18.6 ist etwas tiefer als die Unterseite des Ventildeckels 18. Er kann zum Beispiel durch Fräsen hergestellt werden.
Der Absatz 18.6 stellt einen Anschlag für die Membran 17.2 dar. Der Absatz 18.6 verhindert, dass die Membran 17.2 bei einer Druckbeaufschlagung zu weit öffnet. Wenn die Membran 17.2 zu weit öffnet, dann verformt sie sich bleibend (plastische Verformung) und das Auslassventil kann nicht mehr schließen.
Man kann den Absatz 18.6 auch als Wegbegrenzung für die Membran 17.2 sehen. Der Absatz18.6 ist so weit von der Unterseite der des Ventildeckels 18 zurückgesetzt, dass einerseits die Membran 17.2 gut öffnen kann. Andererseits darf die Membran 17.2 auf keinen Fall plastisch verformt werden, wenn siege durch den Überdruck im Förderraum der Kolbenpumpe geöffnet wird.
In entsprechender Weise sind am Zylinderblock 14 ebenfalls ein Absatz und ein Stützbereich ausgebildet. Man kann dies in der 2 bei genauem Hinsehen erkennen. Weil die Gestaltung im Zylinderblock 14 identisch zu der Gestaltung in dem Ventildeckel 18 ist, wird der Zylinderblock 14 nicht vergrößert dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Motor
1.1: Rotorwelle
2: Flansch
2.1: Innengewinde
3: Dichtring
4: Axiallager
5: Taumelscheibe
6: Kolben
7: Kolbenfeder
8: Pumpengehäuse
8.1: Ausnehmung
8.2: zweite Ausnehmung
8.3: Stufenbohrung
8.4: Leckageabfuhr
9: Zylinderstift
10: Zylinderstift
11: Schraube
12: Lagerbuchse
13: Stangendichtung (Dichtring)
14: Zylinderblock
15: Einlass-Membranplatte
15.1: Einlassventil
15.2: Membran
15.3: Leckagebohrung
15.4: Auslassbohrung
16: Ventilplatte
16.1: Einlassbohrung
16.2: Auslassbohrung
16.3: Leckagebohrung
17: Auslass-Membranplatte
17.1: Auslassventil
17.2: Membran
17.3: Leckagebohrung
17.4: Einlassbohrung
17: Auslassventil
18: Ventildeckel
18.1: Ausnehmung
18.2: Bohrung
18.3: Auslasssammelraum
18.4: Einlassbohrung
18.5: Stützbereich
18.6: Absatz/Wegbegrenzung
19, 20, 21: Dichtring (O-Ring)
22: Anschlussdeckel
22.1: Ringnut
22.2: Auslasskanal
22.3: Stufenbohrung
22.4: Rücklauf
22.5: Windkessel
22.6: Hochdruck-Anschluss
22.7: Ansauganschluss
23: Druckfeder Entlüftungsventil
24: Entlüftungsschieber
25, 26, 27: Dichtring (O-Ring)
28: -
29: Dichtring (O-Ring)
30: Schlauch
31: Hohlschraube
32: Dichtring (O-Ring)
33: Drucksensor
34: Drucksensorgehäuse
35: Kolbenfeder
36: Entlüftungseinrichtung

Claims

Kolbenpumpe umfassend einen Zylinderblock (14) mit mehreren Zylinderbohrungen (14.1), mehreren Kolben (6), wobei in jeder Zylinderbohrung (14.1) ein Kolben (6) geführt ist, wobei jeder Zylinderbohrung (14.1) mindestens ein Einlassventil und mindestens ein Auslassventil zugeordnet ist, wobei die Einlassventile (15.1) als Membranventile ausgeführt sind und in einer Einlass-Membranplatte (15) angeordnet sind, wobei die Auslassventile (17.1) als Membranventile ausgeführt sind und in einer Auslass-Membranplatte (17) angeordnet sind, und wobei zwischen der Einlass-Membranplatte (15) und der Auslass-Membranplatte (17) eine Ventilsitzplatte (16) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Membranplatte (15) zwischen dem Zylinderblock (14) und der Ventilsitzplatte (16) angeordnet ist, und dass die Auslass-Membranplatte (17) auf einer dem Zylinderblock (14) abgewandten Seite der Ventilsitzplatte (16) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Zylinderblock (14) abgewandten Seite der Auslass-Membranplatte (17) ein Ventildeckel (18) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Zylinderblock (14) abgewandten Seite des Ventildeckels (18) ein Anschlussdeckel (22) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer dem Zylinderblock (14) abgewandten Seite des Anschlussdeckels (22) ein Drucksensorgehäuse (34) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzplatte (16) eine der Zahl der Kolben entsprechende Zahl von Einlassbohrungen (16.1) aufweist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jede Einlassbohrung (16.1) in eine Zylinderbohrung (14.1) mündet.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilsitzplatte (16) eine der Zahl der Kolben entsprechende Zahl von Auslassbohrungen (16.2) aufweist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jede Auslassbohrung (16.2) in eine Zylinderbohrung (14.1) mündet.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventildeckel (18) Einlassbohrungen (18.4) umfasst, dass an einer Unterseite des Ventildeckels (18) ist für jedes Auslassventil (17.1) eine Ausnehmung (18.1) vorgesehen ist, dass die Ausnehmungen (18.1) hydraulisch mit einem Auslasssammelraum (18.3) an der Oberseite des Ventildeckels (18) verbinden sind, und dass in dem Ventildeckel (18) Einlassbohrungen (18.4) vorgesehen sind.
Kolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (18.1) einen Stützbereich (18.5) und/oder einen Absatz (18.6) umfassen.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussdeckel (22) einen Ansauganschluss (22.7) und einen Hochdruck-Anschluss (22.6) aufweist, dass der Ansauganschluss (22.7) in eine Versorgungsnut (22.1) auf der der Ventilsitzplatte (16) zugewandten Seite mündet, und dass die Versorgungsnut (22.1) die in der Ventilsitzplatte (16) vorhandenen Einlassbohrungen (16.1) hydraulisch mit dem Ansauganschluss (22.7) verbindet.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussdeckel (22) einen Auslasskanal (22.2) und einen Windkessel (22.5) aufweist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Auslasskanal (22.2) eine Stufenbohrung abzweigt, in welcher eine Entlüftungseinrichtung (36) befestigt ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftungseinrichtung (36) als ferngesteuertes Sperrventil ausgebildet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Sperrventil durch einen Elektromagnet steuerbar ist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (8) eine erste Ausnehmung (8.1) aufweist, die den Zylinderblock (14), die Membranplatten (15, 17) und den Ventildeckel (18) aufnimmt.
Kolbenpumpe nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse (8) für jeden Kolben (6) eine Lagerbuchse (12) vorgesehen ist, und dass jeweils eine Lagerbuchse (12) in der Verlängerung einer Zylinderbohrung (14.1 des Zylinderblocks (14) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Pumpengehäuse (8) für jeden Kolben (6) eine Stangen-Dichtung (13) vorgesehen ist, und dass die Stangen-Dichtung (13) zwischen einer Lagerbuchse (12) und dem Zylinderblock (14) angeordnet ist.
Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (8) mindestens eine Leckageabfuhr (8.4) aufweist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinderblock (14) neben jeder Zylinderbohrung einen Absatz zur Wegbegrenzung der Membran (15.2) eines Einlassventils (15.1) ausgebildet ist.
Kolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Taumelscheibe (5) aufweist, und dass jedem Kolben (6) eine Kolbenfeder (7) zugeordnet ist, welche den Kolben (6) in Anlage an der Taumelscheibe (5) hält.