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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Linearkolbenpumpe, ein Verfahren zum Ansteuern einer Anordnung mit wenigstens zwei Linearkolbenpumpen sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung.
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Hintergrund der Erfindung
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Verbreitete Fluidpumpen bestehen aus einem Förderwerk mit festem oder variablem Fördervolumen (pro Hub bzw. Umdrehung), welches von einem rotatorischen Antrieb mit fester oder variabler Drehzahl angetrieben wird. Elektrische rotatorische Antriebe verfügen über einen Elektromotor und einen Antriebsregler bzw. Inverter zur Energieversorgung und Steuerung. Wenigstens eine der Größen Fördervolumen und Drehzahl ist variabel. Beim Betrieb solcher Pumpen werden üblicherweise der Volumenstrom und/oder der Förderdruck (d.h. Druckdifferenz zwischen Zulauf und Ablauf) durch entsprechende Anpassung des Fördervolumens des Förderwerks und/oder der Drehzahl geregelt, d.h. solche Pumpen besitzen bis zu zwei Freiheitsgrade bei der Regelung. Kolbenpumpen können auch mit einem Linearantrieb anstelle eines Rotationsantriebs ausgerüstet sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Linearkolbenpumpe, ein Verfahren zum Ansteuern einer Anordnung mit wenigstens zwei Linearkolbenpumpen mit jeweils einem Kolbenförderwerk und einem Linearantrieb sowie eine Recheneinheit und ein Computerprogramm zu dessen Durchführung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
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Im Einzelnen weist eine erfindungsgemäße Linearkolbenpumpe ein Kolbenförderwerk und einen Linearantrieb auf, wobei das Kolbenförderwerk eine axiale Kolbenanordnung mit zwei axialen Enden aufweist, die jeweils in einem Zylinder beweglich angeordnet sind, wobei der Linearantrieb dazu eingerichtet ist, die Kolbenanordnung axial hin und her zu bewegen. Die axialen Enden entsprechen Kolben, die in dem Zylinder bewegt werden. Zwischen den Kolben weist die Kolbenanordnung zumindest eine Kolbenstange als mechanische Verbindung auf.
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Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird elektrische Leistung direkt in translatorische mechanische Leistung gewandelt. So entfällt die Wandlung von rotatorischer Leistung in translatorische Leistung wie bei einer herkömmlichen Hydraulikpumpe. Dadurch können insbesondere auch die mechanischen Getriebe und Lager zur Lagerung der rotatorischen Bewegung in E-Motor und Hydraulikpumpe entfallen. Durch Wegfall der Lager können die Gehäuse weniger groß und meist auch weniger stark ausgeführt werden.
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Das Konzept ist modular und somit einfach für verschiedene Nenngrößen erweiterbar. Auch hat die Pumpe ein besseres Saugverhalten als eine Axialkolbenpumpe, da Kolbenschuhe nicht abheben können. Sowohl Drehzahl als auch Schluckvolumen als übliche Stellgrößen einer Pumpenregelung lassen sich alleine durch die elektrische Ansteuerung von Frequenz und Amplitude im Antrieb einstellen.
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Es existieren deutlich weniger tribologische Kontaktpartner. Dadurch ergeben sich weniger Ausfälle auf Grund von Verschleiß.
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Vorzugsweise weist der Linearantrieb eine Spulenanordnung zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf und die Kolbenanordnung weist magnetische Elemente auf, so dass die Kolbenanordnung durch ein von der Spulenanordnung erzeugtes magnetisches Feld bewegt wird. Bei dieser Ausführung sind Elektromotor und Hydraulik in einer Komponente zusammengefasst, um die Anzahl der Komponenten und die Anzahl der Energiewandlungsschritte zu reduzieren. Damit können auch die Kosten und der Bauraum reduziert werden. Die Platzierungsmöglichkeiten, insbesondere auch in unmittelbarer Nähe des Ventilblocks, werden erhöht. Damit können auch Druckverluste in den Zuleitungen reduziert werden.
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Eine besonders einfache und effektive Kombination ergibt sich, wenn die Spulenanordnung parallel oder koaxial zur Kolbenanordnung angeordnet ist, d.h. die Richtung des erzeugten Magnetfelds ist parallel zu oder koaxial mit der Bewegungsrichtung des Kolbens.
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Eine besonders einfache und effektive Kombination ergibt sich insbesondere, wenn die Spulen der Spulenanordnung um die Kolbenanordnung herumverlaufen, also in axialer Richtung nicht oder zumindest nicht wesentlich mehr Platz einnehmen als die Kolbenanordnung.
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Vorzugsweise ist die die Spulenanordnung zwischen den zwei Zylindern angeordnet. Dann kann das Zylindervolumen groß gehalten werden, ohne den Durchmesser der Spulen der Spulenanordnung zu vergrößern.
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Zweckmäßigerweise ist zum Versorgen der Spulenanordnung mit einem Wechselstrom, dessen Amplitude und/oder Frequenz vorteilhafterweise variabel und einstellbar sind, ein Wechselstromgenerator vorgesehen. Der Volumenstrom welcher durch eine Kolbenpumpe gefördert wird, ist proportional zur Frequenz, mit welcher der Kolben eine Bewegungsperiode durchläuft, und proportional zur Amplitude (Kolbenhub), die dabei erreicht wird. Eine Variation des Volumenstroms kann folglich durch Variation der Frequenz und/oder durch Variation der Amplitude erreicht werden. Optimale Frequenzen und Amplituden für den Anwendungsfall können abhängig von Eigenfrequenzen, Energieeffizienz usw. bestimmt werden. Eine bevorzugte Ansteuerung kann wie bei rotatorischen Motoren üblich mittels einer Sinusfunktion erfolgen, vorteilhaft, zur Reduktion von Pulsationen im Volumenstrom bzw. Druck, gemäß einer Dreiecksfunktion oder Trapezfunktion.
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Vorzugsweise steht die Spulenanordnung so in thermischem Kontakt mit dem Fluid im Förderwerk, dass über das Fluid Verlustwärme der Spulenanordnung abgeführt werden kann. Somit kann auf eine zusätzliche Kühlung mit externem Kühlmittel verzichtet werden.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Ansteuern einer Anordnung mit wenigstens zwei Linearkolbenpumpen mit jeweils einem Kolbenförderwerk und einem Linearantrieb wird jeder der wenigstens zwei Linearantriebe so angesteuert, dass eine Kolbenbewegung des von diesem angetriebenen Kolbenförderwerks eine Folge von Abschnitten aufweist, die jeweils eine Phase konstanter Beschleunigung, eine Phase konstanter erster Geschwindigkeit und eine Phase konstanter Verzögerung aufweisen, wobei die Phase konstanter Beschleunigung eines ersten der wenigstens zwei Linearantriebe und die Phase konstanter Verzögerung eines zweiten der wenigstens zwei Linearantriebe gleichzeitig stattfinden.
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Beim Betrieb von Kolbenpumpen muss der Kolben in der Pumpe regelmäßig die Richtung umkehren. Dadurch entsteht immer ein Zeitbereich, in dem die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung (und damit die Volumenstromförderung) null wird. Anschließend baut sich wieder ein Volumenstrom auf. Dadurch entstehen Druckpulsationen auf der Hochdruckseite. Diese wirken sich negativ auf z.B. die Geräuschentwicklung aus. Auch in einer herkömmlichen Hydraulikpumpe (z.B. Axialkolbenpumpe) entstehen aufgrund des mechanischen Aufbaues immer Druckpulsationen. Diese können durch mechanische Designelemente reduziert, jedoch nicht eliminiert werden. Mit der erfindungsgemäßen Ansteuerung hingegen lassen sich Pulsationen im Druck und Volumenstrom besonders effektiv reduzieren, da sich die Geschwindigkeiten von wenigstens zwei Kolben so vorgeben lassen, dass in Summe immer ein (im Rahmen der physikalischen Möglichkeiten - im Wesentlichen) konstanter Wert ergibt.
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Das Kolbenförderwerk kann einen oder mehrere Hydraulikzylinder mit Zylinder und Kolben aufweisen; insbesondere kann es entsprechend einer erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe eine axiale Kolbenanordnung mit zwei axialen Enden aufweisen, die jeweils in einem Zylinder beweglich angeordnet sind, wobei der Linearantrieb dazu eingerichtet ist, die Kolbenanordnung axial hin und her zu bewegen.
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Vorzugsweise sind wenigstens drei Linearkolbenpumpen mit jeweils einem Kolbenförderwerk und einem Linearantrieb vorgesehen, wobei die Phase konstanter Beschleunigung eines ersten der wenigstens drei Linearantriebe und die Phase konstanter Verzögerung eines zweiten der wenigstens drei Linearantriebe und die Phase konstanter erster Geschwindigkeit eines dritten der wenigstens drei Linearantriebe gleichzeitig stattfinden. Bei einer solchen Ausführung können Phasen von Geschwindigkeit null vermieden werden, was den Wirkungsgrad erhöht.
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Ebenso bevorzugt weisen die Abschnitte jeweils die Phase konstanter Beschleunigung, die Phase konstanter erster Geschwindigkeit, die Phase konstanter Verzögerung und eine Phase konstanter zweiter Geschwindigkeit, insbesondere null, auf, wobei die Phase konstanter erster Geschwindigkeit eines ersten der wenigstens zwei Linearantriebe und die Phase konstanter zweiter Geschwindigkeit eines zweiten der wenigstens zwei Linearantriebe gleichzeitig stattfinden. Bei dieser Ausführungsform kann bereits eine Anordnung mit lediglich zwei Linearkolbenpumpen eingesetzt werden.
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Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. ein Steuergerät einer Linearkolbenpumpe, ist, insbesondere programmtechnisch, dazu eingerichtet, ein erfindungsgemäßes Verfahren durchzuführen. Auch eine Anordnung mit einer Linearkolbenpumpe und einer solchen Recheneinheit ist Gegenstand der Erfindung.
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Auch die Implementierung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Computerprogramms oder Computerprogrammprodukts mit Programmcode zur Durchführung aller Verfahrensschritte ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten verursacht, insbesondere wenn ein ausführendes Steuergerät noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere magnetische, optische und elektrische Speicher, wie z.B. Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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- 1 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Linearkolbenpumpe in einer schematischen Schnittansicht.
- 2 zeigt ein erstes Ansteuerschema gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
- 3 zeigt ein zweites Ansteuerschema gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
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In 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung aus einer Linearkolbenpumpe 100 und einer Recheneinheit 300 schematisch in einer Querschnittsansicht dargestellt und insgesamt mit 200 bezeichnet. Die Linearkolbenpumpe 100 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist ein Kolbenförderwerk 110 und einen Linearantrieb 120 auf. Weiterhin weist das Kolbenförderwerk 110 eine axiale Kolbenanordnung 111 mit zwei axialen Enden 112 als Kolben, die jeweils in einem Zylinder 113 beweglich angeordnet sind, und eine die Kolben verbindende Kolbenstange auf. Durch die Kolbenbewegung wird das Hydraulikvolumen in dem Zylinder vergrößert und verkleinert, wobei bei der vorliegenden Ausführung durch die doppelseitige Ausgestaltung eine gegensätzliche Bewegung erfolgt, d.h. wenn das Hydraulikvolumen im linken Zylinder verkleinert wird, wird gleichzeitig das Hydraulikvolumen im rechten Zylinder vergrößert und umgekehrt. Die Zylinder 113 können in einem gemeinsamen Bauteil angeordnet sein, z.B. einem Zylinderblock.
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In der Figur sind die Kolbenstange und die Kolben der Kolbenanordnung einteilig und mit gleichem Durchmesser gezeigt. Es versteht sich jedoch, dass diese auch aus unterschiedlichen Bauteilen und/oder insbesondere auch mit kleinerem Durchmesser der Kolbenstange ausgebildet sein kann. In einem solchen Fall kann die Kolbenstange mittig im Kolben oder auch außermittig ansetzen. Sie kann auch insbesondere schräg zwischen den beiden Kolben verlaufen, z.B. von oberhalb der Mitte des einen Kolbens zu unterhalb der Mitte des anderen Kolbens, um insbesondere eine gezielte (leichte) Schrägstellung des Kolbens (innerhalb der Durchmessertoleranzen) zu bewirken.
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Um die Kolbenanordnung 111 in der Figur nach rechts und links zu bewegen, weist der Linearantrieb 120 eine Spulenanordnung 121 zum Erzeugen eines magnetischen Feldes auf. Weiterhin weist die Kolbenanordnung 111 magnetische Elemente auf bzw. ist zumindest in ihrem von der Spulenanordnung 121 umgriffenen mittleren Abschnitt aus ferromagnetischem Material (wie z.B. Eisen, Kobalt, Nickel aufweisend) ausgebildet, sodass die Kolbenanordnung 111 durch ein von der Spulenanordnung 121 erzeugtes Magnetfeld bewegt wird. Die Bestromung der Spulenanordnung kann durch Variation der Frequenz und Amplitude einer Wechselspannung die Kolbenbewegung beeinflussen.
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Es ist weiterhin erkennbar, dass die Spulenanordnung 121 bzw. das von dieser erzeugte Magnetfeld parallel zur Kolbenbewegung ist. Dabei ist die Spulenanordnung 121 zwischen den zwei Zylindern 113 angeordnet.
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Es ist weiterhin erkennbar, dass die Spulenanordnung 121 bzw. das von dieser erzeugte Magnetfeld auch parallel und koaxial zur Kolbenstange ist. Es sei jedoch bemerkt, dass auch eine nicht-koaxiale und/oder nicht-parallele Anordnung, z.B. eine Schrägstellung der Kolbenstange wie oben beschrieben, möglich ist und bestimmte Vorteile entfalten kann, z.B. hinsichtlich einer verminderten Reibung durch die gezielte Schrägstellung anstelle einer sich zufällig einstellenden.
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Ein Wechselstromgenerator 130 zum Versorgen der Spulenanordnung 121 mit Wechselstrom ist elektrisch leitend mit der Spulenanordnung 121 verbunden und weist überdies zur Ansteuerung die Recheneinheit 300 auf. Die Recheneinheit 300 weist, wie üblich, einen Prozessor und Speichermittel zum Aufnehmen und Ausführen von Software und zum Ansteuern des Wechselstromgenerators 130 auf. Die Recheneinheit 300 kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen Volumenstrom oder einen Differenzdruck zu regeln, d.h. einen Istwert auf einen Sollwert zu regeln. Ein Istwert kann beispielsweise durch sog. Flowmeter oder Drucksensoren bereitgestellt werden. Die Recheneinheit 300 stellt somit insbesondere einen elektronischen Pumpenregler dar, welcher Leistungs-, Druck- und Volumenstromgrenzwerte einhalten kann. Durch die Fähigkeit zur Einregelung eines Druck oder Volumenstroms eignet sich die Linearkolbenpumpe 100 für sämtliche herkömmliche anschließbare Ventilsysteme (z.B. LS, Flow Matching, Positve Flow Control usw.).
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Der Volumenstrom, welcher durch die gezeigte Anordnung 200 gefördert wird, ist proportional zur Frequenz, mit welcher die Kolbenanordnung 111 eine Bewegungsperiode durchläuft, und proportional zur Amplitude, die dabei erreicht wird. Eine Variation des Volumenstroms kann folglich durch Variation der Frequenz und/oder durch Variation der Amplitude erreicht werden.
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Optimale Frequenzen und Amplituden können abhängig von Eigenfrequenzen, Energieeffizienz usw. bestimmt werden.
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Zur Förderung von Fluid weist die Linearkolbenpumpe 100 in der Figur jeweils am äußeren Ende des Zylinders 113, der nicht von der Kolbenanordnung 111 verschlossen ist, eine Ventilanordnung 140 mit einem Sauganschluss 141 und einem Druckanschluss 142 für das zu fördernde Fluid auf. In der Figur sind die jeweiligen Anschlüsse beispielhaft mit einem Rückschlagventil ausgerüstet, in der Praxis wird dem Fachmann die Ventilanordnung jedoch passend ausgestaltet; insbesondere ist auch eine gemeinsame bauliche Einheit für die rechtsseitige und linksseitige Ventilanordnung vorteilhaft, die über entsprechende Zuleitungen mit den Ventilkammern verbunden sind. Vorteilhafterweise ist die Pumpe zur Verbesserung des Saugverhaltens so aufgebaut, dass die Tankleitung von oben direkt an die Sauganschlüsse angebunden werden kann. Somit wird bestmöglich der die Ansaugung begünstigende Aufbau des statischen Drucks in der Ölsäule eingesetzt.
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Wenn die Linearkolbenpumpe in Ihrer geometrischen Ausführung dem Ventilblock gleicht bzw. genügend ähnelt, besteht die Möglichkeit, eine oder mehrere solcher Linearkolbenpumpen direkt neben den Ventilblockscheiben in einem gemeinsamen Block zu verbinden. Damit besteht die Möglichkeit, die Druckleitung zwischen Pumpe und Ventilblock einzusparen, da diese intern über den Block direkt verbunden sind. Dadurch lassen sich wiederum Leistungsverluste zwischen Pumpe und Ventilblock reduzieren, was wiederum zu einer möglichen Absenkung des Druckverlustes und somit zur Steigerung der Energieeffizienz führt.
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Ähnlich dem Aufbau eines hydraulischen Ventilblocks für mobile Anwendungen können mehrere Linearkolbenpumpen 100 zusammengeschaltet werden. Ein Modul einer elektrischen Linearkolbenpumpe besteht wie in 1 gezeigt aus einem Förderwerk mit hier zwei Verdrängervolumen und einer Spulenanordnung. Die Module der Linearkolbenpumpe können variabel an die Anwendung angepasst werden, indem für größere geforderte Volumenströme ein oder mehrere zusätzliche Module angebracht werden.
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Bei Betrieb mehrerer solcher Linearkolbenpumpen in paralleler Anordnung kann im Teillastbetrieb bei geringen Volumenströmen ein Teil der Linearkolbenpumpen abgeschaltet werden. Somit sind nur die Linearkolbenpumpen in Bewegung, welche zur Förderung des benötigten Volumenstroms benötigt werden. Unnötige Reibverluste und Ventilverluste der abgeschalteten Linearkolbenpumpen werden vermieden.
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Zur genaueren Ansteuerung weist der Linearantrieb 120 ein Positionsbestimmungsmittel 122 auf, mit dem eine Position x der Kolbenanordnung bestimmbar ist. Damit lässt sich insbesondere das Hubvolumen der Kolbenanordnung und damit das Verdrängungsvolumen je Kolbenhub genauer bestimmen bzw. einstellen. Werden mehrere Module gemeinsam betrieben, sollte der zeitliche Verlauf der Kolbenposition x eines jeden Moduls um [2-π/ Anzahl der Module] phasenverschoben sein, um Druckpulsationen zu reduzieren.
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Beim Betrieb einer solchen Anordnung 200 entstehen auf der Druckseite sogenannte Pulsationen, da die Geschwindigkeit der Kolbenanordnung 111 im jeweiligen Umkehrpunkt rechts und links null beträgt und in diesem Moment auch der geförderte Volumenstrom null ist. Zur Vermeidung solcher Pulsationen wird gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung eine besondere Ansteuerung vorgeschlagen, von der in den 2 und 3 zwei unterschiedliche bevorzugte Ausführungsformen dargestellt sind und nachfolgend erläutert werden.
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Dabei ist in 2 ein erstes Ansteuerschema gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und in 3 ein zweites Ansteuerschema gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. In 2 sind einzelne Kolbengeschwindigkeiten 21 und 22 sowie eine sich daraus ergebende Summengeschwindigkeit 23 gegen die Zeit t in beliebigen Einheiten aufgetragen. In 3 sind drei Kolbengeschwindigkeiten 31, 32, 33 und eine sich daraus ergebende Summengeschwindigkeit 34 gegen die Zeit t in beliebigen Einheiten aufgetragen.
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Die jeweiligen Kolbengeschwindigkeiten weisen Phasen a konstanter Beschleunigung, Phasen b erster Geschwindigkeit b und Phasen c konstanter Verzögerung auf, wobei zusätzlich die Kolbengeschwindigkeiten in 2 Phasen d konstanter zweiter Geschwindigkeit aufweisen. Im vorliegenden Beispiel beträgt die erste Geschwindigkeit jeweils 0,6 beliebige Einheiten und die zweite Geschwindigkeit 0. Daraus ergibt sich bei der Ausführungsform gemäß 2 eine Summengeschwindigkeit von ebenfalls 0,6; in 3 jedoch ein doppelter Wert von 1,2, d. h. durch die Hinzunahme einer einzigen weiteren Linearkolbenpumpe kann die Leistungsfähigkeit verdoppelt werden.
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Bei der Ausführungsform gemäß 2 finden die Phasen a konstanter Beschleunigung der einen Kolbenbewegung und die Phasen c konstanter Verzögerung der anderen Kolbenbewegung gleichzeitig statt. Ebenso finden die Phasen b konstanter erster Geschwindigkeit und die Phasen d konstanter zweiter Geschwindigkeit gleichzeitig statt. In der Summe ergibt sich daraus eine konstante effektive Kolbenbewegung 23, die einem (im Wesentlichen) konstanten effektiven Volumenstrom und Druck entspricht.
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In der Ausführungsform gemäß 3 finden ebenfalls jeweils Phasen a konstanter Beschleunigung und Phasen c konstanter Verzögerung von jeweils zwei der Kolbenbewegungen gleichzeitig statt, wobei ebenso gleichzeitig die verbleibende dritte Kolbenbewegung eine Phase b konstanter Geschwindigkeit hat. Auch hier ergibt sich in der Summe eine effektive konstante Kolbenbewegung, jedoch mit doppelter Geschwindigkeit und somit doppeltem Volumenstrom.
