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Die Erfindung betrifft eine Schwingkolbenpumpe, zur Erzeugung von hohen Drücken und Flussraten von Flüssigkeiten, wie diese beispielsweise in Espressomaschinen, Dampfbügelstationen, Dampfreinigern oder Wasser- und Getränkespendern Verwendung finden.
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Einen typischen Einsatz von Schwingkolbenpumpen stellt jedoch die Anwendung in Espressomaschinen dar, wo neben hohen Drücken auch ein definierter Durchfluss zur Erzielung eines optimalen Geschmacks des Kaffees notwendig ist.
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Eine solche Schwingkolbenpumpe ist aus
FR 2 465 903 bekannt, bei der der Anker mit einem über eine Diode bestromten Elektromagnet gegen eine Feder gezogen wird. In dieser Phase findet das Ansaugen der Flüssigkeit durch den Anker hindurch in eine ventilbegrenzte Druckkammer statt. In der unbestromten Phase des Elektromagneten erfolgt das Ausstoßen der Flüssigkeit durch ein Auslassventil unter Wirkung der Federkraft, so das ein erregtes Feder-Masse System entsteht. Für Espressomaschinen ist jedoch der gesamte Druckbereich von Bedeutung. So werden bei geringen Drücken höhere Durchflussraten benötigt, um die den Kaffee aufnehmende Brühkammer wieder mit Wasser zu befüllen. Der Anker benötigt hierbei eine spezielle Form, um die komplexen hydrodynamischen Vorgänge während der Ansaug- und Ausstoßphase zu gewährleisten. So verjüngt sich bei der vorgenannten Erfindung der Anker und weist in Radialrichtung eine spezielle Bohrung auf, um beim Ausschieben das Wasser zurückströmen zu lassen.
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Aus der
EP 0288 216 und der
EP 01169 574 sind Lösungen vorbekannt, die zur Vereinfachung des fertigungstechnisch schwierigen und teuren Ankers vorgesehen sind. Dabei wird das für den magnetischen Fluss wichtige Material von der schwierigen Form des hydrodynamischen guten Designs getrennt.
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Zur Verbesserung des vorgenannten Aufbaus ist in der
EP 1 205 663 die Ventilanordnung umgestaltet wurden, um die hydrodynamischen Verluste beim Ausstoßen der Flüssigkeit weiter zu verringern. Dies führt jedoch auf Grund der Flüssigkeit zu hydrodynamischen Verlusten zwischen Anker und Saugführung.
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Als besonders nachteilig ist bei obigen Anordnungen zu nennen, dass die zu transportierende Flüssigkeit bzw. das Fluid sich durch den Anker bewegen muss und dabei erhebliche Verluste erzeugt. Dies erfordert insbesondere bei hohen Durchflussraten eine spezielle Ankergeometrie.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Schwingkolbenpumpe vorzuschlagen, bei der die hydrodynamischen Verluste, insbesondere bei großen Hüben des Ankers, verringert werden und die einen höheren Gesamtwirkungsgrad aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Geräuschreduzierung.
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Erfindungsgemäß umfasst die Schwingkolbenpumpe zumindest eine Pumpeinheit mit einem Kompressionsraum für das zu komprimierende Fluid, einem Einlass und einem Auslass sowie eine mit der Pumpeinheit gekoppelte Antriebseinheit mit einem axial beweglichen Kolben zur Komprimierung des Fluids. Zur hydraulischen Trennung des Kompressionsraums der Pumpeinheit von der Antriebseinheit ist zumindest ein Dichtelement vorgesehen, das im Koppelbereich zwischen der Pumpeinheit und der Antriebseinheit platziert ist und sich dabei zumindest partiell um den Kolben erstreckt.
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Der als Ankerschaft ausgebildete Kolben bildet gemeinsam mit einem Ankerkörper einen Anker, der seinerseits mit einer den Ankerkörper umschließenden Erregerspule sowie zwei axial voneinander beabstandeten Flussstücken die als elektromagnetischen Antrieb ausgebildete Antriebseinheit definieren. Der Ankerkörper ist hierbei gegen die Kraft zumindest eines vorgespannten ersten Federelements in einem trockenen Ankerraum zwischen zwei Endlagen arbeitend angeordnet. Durch die Position der beiden Flussstücke an der Erregerspule sowie durch den Luftspalt zwischen den beiden Flussstücken werden die beiden Endlagen des Ankers im Ankerraum definiert.
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Das erste vorgespannte Federelement ist dabei vorzugsweise an der von der Pumpeinheit abgewandten Stirnseite des Ankerkörpers des Ankers im Ankerraum angeordnet. Im Zusammenwirken des Federelements und des Ankers entsteht ein Feder-Masse-System.
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Zum Zwecke der Schwingungskompensation ist an der zur Pumpeinheit weisenden Stirnseite des Ankerkörpers des Ankers bevorzugt ein zweites Federelement angeordnet, welches sich vorzugsweise koaxial um den Ankerschaft des Ankers erstreckt und zwischen dem Ankerkörper und der Pumpeinheit verspannt ist.
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Beide Federelemente sind in Kammern des trockenen Ankerraums angeordnet, nämlich im Bereich beider Stirnseiten des Ankerkörpers des Ankers.
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Durch die – im Gegensatz zum Stand der Technik – erfindungsgemäße hydraulische Trennung des Fluidkreises vom Magnetkreis werden die hydrodynamischen Verluste zwischen dem Anker und dem Kompressionsraum entscheidend verringert. Dies ist vor allem bei großen Hüben des Ankers und den dadurch resultierenden hohen Ankergeschwindigkeiten von entscheidender Bedeutung. Mit einer solchen Maßnahme wird zudem der Wirkungsgrad der Schwingkolbenpumpe verbessert.
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Dadurch sind keine speziellen und aufwändigen Ankerformen notwendig und der Fertigungsaufwand der Schwingkolbenpumpe wird erheblich gesenkt.
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Dadurch, dass der Anker erfindungsgemäß nicht mehr vom Fluid umströmt oder durchströmt wird, kann der Ankerdurchmesser verkleinert werden, was mit der Verringerung des Erregerspulendurchmessers einhergeht. Eine durch die hydraulische Trennung des Kompressionsraums des Pumpengehäuses von der Antriebseinheit bedingte Verringerung des Ankerdurchmessers führt zu einer erheblichen Einsparung von Kupfer und magnetischem Material.
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Eine weitere Kostenreduzierung kann dadurch erzielt werden, wenn anstelle von Kupfer Aluminium als Spulenmaterial eingesetzt werden. Durch die allgemeine Bauraumverringerung der erfindungsgemäßen Schwingkolben-Pumpe können folglich auch mit Aluminium bestückte Erregerspulen größeren Durchmessers eingesetzt werden.
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Der in den Kompressionsraum mündende Einlass sowie der Auslass der Pumpeinheit weisen jeweils ein Ventil mit einer zugehörigen Einlassventilfeder bzw. Auslassventilfeder auf. Die Anordnung des Einlasses und des Auslasses zueinander kann beliebig erfolgen, also axial, orthogonal oder in einem definierten Winkel zueinander. Aus Gründen der Verringerung der Druckverluste wird in der Praxis jedoch eine orthogonale Anordnung von Einlass und Auslass gewählt, wobei die Wirkungsrichtung des im Kompressionsraum arbeitenden Ankerschafts des Ankers der Ausströmrichtung des komprimierten Fluids entspricht.
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Der die Erregerspule aufnehmende Spulenkörper ist zum Zwecke des magnetischen Flusses von einem offenen Rahmen, einem geschlossenen Rahmen oder einem Topfmagneten umgeben. Die Verwendung eines Topfmagneten führt zum einen zu einer besseren Abdichtung der Erregerspulen der elektromagnetischen Antriebseinheit und verbessert zum anderen die magnetischen Eigenschaften.
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Der Anker der Schwingkolbenpumpe kann einteilig oder zweiteilig gefertigt sein. In beiden Fällen umfasst der Anker einen Ankerkörper und einen Ankerschaft. Während der Ankerkörper im trockenen Ankerraum platziert und dort zwischen zwei Endlagen positionierbar ist, kontaktiert der Ankerschaft das zu komprimierende Fluid im Kompressionsraum. Der Ankerschaft weist gegenüber dem Ankerkörper vorzugsweise einen kleineren Querschnitt auf. Ein einteilig gefertigter Anker entspricht hierbei der einfachsten Ausbildungsform, wobei der Ankerschaft und der Ankerkörper hierbei sowohl magnetisch als auch korrosionsbeständig ausgebildet sein müssen. Bei einer bevorzugten zweiteiligen Ausbildung des Ankers besteht der im Ankerraum platzierte und von der Erregerspule umgebene Ankerkörper aus einem magnetischen Material und der das Fluid kontaktierende Ankerschaft zumindest aus einem korrosionsbeständigen Material.
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Die Verringerung der Streuverluste im Magnetkreis kann durch eine Reduzierung des Luftspaltes zwischen dem Anker und dem Stator erfolgen. Jedoch muss jederzeit die äußere Dichtheit gewährleistet sein. Durch eine sinnvolle Anordnung von Dichtungen kann die Ankerführung, welche auch als Hülse zur äußeren Dichtheit dient, entfernt werden und so neben der Minimierung des Luftspaltes auch eine Verringerung des Erregerspulendurchmessers erreicht werden. Die Führung des Ankers kann durch den Spulenkörper erfolgen.
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Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb der beiden die Federelemente aufnehmenden Kammern des Ankerraums jeweils ein Fluid, beispielsweise ein Gel, angeordnet. Zusätzlich kann ein von diesem Fluid durchströmbarer Verbindungskanal ausgebildet oder angeordnet sein, der die beiden die die Federelemente aufnehmenden Kammern des Ankerraums miteinander verbindet. Dies führt zwar zu einer Verringerung des Wirkungsgrades, kann jedoch das Geräuschverhalten erheblich verbessern. Darüber hinaus sind jedoch noch weitere, nicht näher beschriebene Maßnahmen zur Geräuschminderung realisierbar, die erst mittels des erfindungsgemäßen trockenen Ankerraums realisiert werden können.
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Als weiterer Vorteil der Erfindung ist die Geräuschverringerung zu nennen, die durch die erfindungsgemäße Anordnung aller Komponenten der Schwingkolbenpumpe bedingt ist. Dadurch, dass das zu komprimierende Fluid nicht mehr durch den Ankerraum strömt bzw. dort rückströmt, konnten unerwünschte Strömungsgeräusche verringert werden.
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Die signifikanten Vorteile und Merkmale der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sind im Wesentlichen:
- • durch die Trennung von Magnetkreis und Fluidkreis kommt es zu einer Reduzierung der hydrodynamischen Verluste,
- • die Flüssigkeit bewegt sich nicht mehr durch den Anker des Elektromagneten hindurch, wodurch sich die Ankergeometrie deutlich vereinfacht,
- • mit den obigen Maßnahmen wird der Ankerdurchmesser erheblich verringert und somit Material für die Erregerspule, insbesondere Kupfer eingespart und
- • die Führung des Ankers erfolgt ohne die Verwendung einer zusätzlichen Hülse durch den Spulenkörper, was zu einer Reduzierung des magnetischen Luftspaltes führt.
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Die Ziele und Vorteile dieser Erfindung sind nach sorgfältigem Studium der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der hier bevorzugten, nicht einschränkenden Beispielausgestaltungen der Erfindung mit den zugehörigen Zeichnungen besser zu verstehen und zu bewerten, von denen zeigen:
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1: eine Schnittdarstellung der Schwingkolbenpumpe in der Ruheposition,
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2: perspektivische Darstellung der Schwingkolbenpumpe,
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3: Detaildarstellung des Ankers,
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4: Detaildarstellung eines Topfmagneten und
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5: abstrakte Pumpenkennlinie der Schwingkolbenpumpe.
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Die 1 illustriert eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Schwingkolbenpumpe 1 in der Ruheposition. Die Schwingkolbenpumpe 1 weist als wesentliche Bauteile eine Pumpeinheit 30 und eine daran gekoppelte Antriebseinheit 28 auf, welche zunächst erläutert wird. Ein einen Ankerschaft 2.2 und einen Ankerkörper 2.1 umfassender Anker 2 bildet zusammen mit den zwei Flussstücken 3 und dem Rahmen 4 den Stator des Magnetkreises. Der Luftspalt 20 wird durch den Spulenkörper 5 definiert. Am Spulenkörper 5 befindet sich eine zusätzliche Gleitfläche, welche zur Führung 6 des Ankers 2 dient. Das Anlegen einer Wechselspannung an die Erregerspule 19, beispielsweise unter Verwendung einer Diode, wird ein magnetischen Fluss im Magnetkreis erzeugt, wobei zur Verringerung der Reluktanz sich der Anker 2 in Richtung der Längserstreckung der Schwingkolbenpumpe 1 gegen die Federkraft des an der linken Stirnseite des Ankerkörpers 2.1 platzierten ersten Federelements 7 bewegt. In der zweiten Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung wird (mittels der Diode) kein magnetischer Fluss erzeugt und der Anker 2 bewegt sich, unter der rücktreibenden Kraft des ersten Federelements 7, in Richtung des Kompressionsraums 21 der an späterer Stelle beschriebenen Pumpeinheit 30, wodurch sich der Luftspalt 20 zwischen den beiden Flussstücken 3 wieder vergrößert. Bei einer eingeprägten Frequenz von beispielsweise 50 Hz stellt sich so ein erregtes Feder-Masse-System der Antriebseinheit 28 ein; bestehend aus dem Anker 2 und den beiden stirnseitig angeordneten Federelementen 7 und 8. Die beiden Federelemente 7, 8 sind in Kammern 34.1 des Ankerraums 34 angeordnet.
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Die erfindungsgemäße Schwingkolbenpumpe 1 weist außerdem eine Pumpeinheit 30 auf, deren Pumpenkopf 15 die über ein Distanzteil 25 und ein Befestigungsteil 16 drehbar an der Antriebseinheit 28 befestigt ist. Die Pumpeinheit 30 besteht im Wesentlichen aus einem Kompressionsraum 21 für das zu komprimierende Fluid, einem Einlass 36 und einem Auslass 35. Der Einlass 36 umfasst ein Einlassventil 11 mit einer Einlassventilfeder 9 und der Auslass 35 weist ein Auslassventil 12 mit einer Auslassventilfeder 10 auf. Der Kompressionsraum 21 ist mittels eines dynamischen ringförmig ausgebildeten Dichtelements 13 gegenüber der Antriebseinheit 28 abgedichtet. In der ersten Halbwelle der sinusförmigen Spannung bewegt sich der Anker 2 durch die magnetische Kraft entgegen der Federkraft des ersten Federelements 7, wodurch das Volumen im Kompressionsraums 21 vergrößert wird. Durch den dabei entstehenden Unterdruck öffnet sich das Einlassventil 11 gegen die Federkraft der Einlassventilfeder 9 und das Fluid wird im Kompressionsraum 21 angesaugt. Während der zweiten Halbwelle der sinusförmigen Spannung bewegt sich der Anker 2 entgegen der Federkraft des zweiten Federelements 8, wodurch das Volumen im Kompressionsraums 21 verkleinert wird. Dabei entsteht ein Überdruck im Kompressionsraums 21, wobei das Einlassventil 11 schließt und das Auslassventil 12 gegen die Federkraftwirkung der Auslassventilfeder 10 öffnet. Somit entsteht bei ständiger Bewegung des Ankers 2 im erregten Feder-Masse-System 2, 7, 8 ein Flüssigkeitsfluss. Das Auslassventil 12 öffnet sich jedoch naturgemäß nur, wenn der von außen wirkende Druck am Auslass 35 geringer ist als der im Kompressionsraum 21 erzeugte Druck. Kann das Feder-Masse-System 2, 7, 8 diesen äußeren Druck nicht überwinden bleibt die erfindungsgemäße Schwingkolbenpumpe 1 stehen, bis der äußere Druck sich wieder verringert, beispielsweise durch die Benutzung eines Ventils.
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Das Dichtelement 13 ist zwar zwischen der Pumpeinheit 30 und der Antriebseinheit 28 fest arretiert, stellt jedoch eine dynamische Dichtung dar, da sich der von dem Dichtelement 13 umschlossene Ankerschaft 2.2 des Ankers 2 axial bewegt. In jedem Fall muss die äußere Dichtheit gesichert sein. Das heißt, ein Austreten von Flüssigkeit aus der erfindungsgemäßen Schwingkolbenpumpe 1 muss verhindert werden, auch wenn heutige eingesetzte moderne dynamische Dichtungen sehr zuverlässig über lange Zeiträume arbeiten. Das Dichtelement 22 verhindert das Austreten von Flüssigkeit an der der Pumpeinheit 30 zugewandten Seite der Antriebseinheit 28. Auf der gegenüberliegenden Seite der Erregerspule erfüllen die Dichtelemente 23 und 24 diese Funktion. Durch den Einsatz dieser speziellen Dichtungen 22, 23, 24 kann ein großer Hub des Ankers 2 realisiert werden. Mit Hilfe des Distanzteils 25 und der Befestigungsschrauben 18 wird eine Verdrehbarkeit der Pumpeinheit 30 gegenüber der Antriebseinheit 28 realisiert. Während des Anschraubens der Schwingkolbenpumpe 1 an ein feststehendes Rohrstück kann somit der gesamte Pumpenkopf 15 der Pumpeinheit 30 verdreht und unter Nutzung der Schlüsselform 27 sicher montiert werden.
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Die 2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Schwingkolbenpumpe 1. Die als elektromagnetischer Antrieb ausgebildete Antriebseinheit 28 weist als signifikantes Merkmal eine die Erregerspule 19 umfassenden geschlossenen Rahmen 4 auf. Der an der Vorderseite des Rahmens 4 der Antriebseinheit 28 angeordnete Pumpenkopf 15 der Pumpeinheit 30 ist drehbar gelagert, wodurch der Einlass 36 bzw. das Einlassventil 11 der Pumpeinheit 30 gemäß den vorliegenden Anschlussbedingungen optimal zur nichtdargestellten Fluidzuführung, beispielsweise ein Rohrstück, ausgerichtet werden kann. Der Auslass 35 bzw. das Auslassventil 12 erstrecken sich axial zur Längsrichtung des Spulenkörpers 5 und sind damit orthogonal zum Einlass 36 bzw. Einlassventil 11 ausgerichtet.
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Die 3 zeigt eine Detaildarstellung des Ankers 2. Der zylinderförmige Anker 2 umfasst einen Ankerkörper 2.1 sowie einen Ankerschaft 2.2. Der hier dargestellte einteilig gefertigte Anker 2 entspricht der einfachsten Ausbildungsform und weist zudem keine aufwändig zu fertigenden Löcher oder Aussparungen auf. Während derer Ankerkörper 2.1 im trockenen Ankerraum 34 platziert und dort zwischen zwei Endlagen positionierbar ist, kontaktiert der Ankerschaft 2.2 das zu komprimierende Fluid im Kompressionsraum 21 gemäß 1. Der Ankerschaft 2.2 weist gegenüber dem Ankerkörper 2.1 einen kleineren Querschnitt auf. Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Anker 2 zweiteilig ausgebildet, wobei der von der Erregerspule 19 umgebene Ankerkörper 2.1 des Ankers 2.1 zumindest aus einem magnetischen Material besteht und der das Fluid kontaktierende Ankerschaft 2.2 des Ankers 2.2 zumindest korrosionsbeständig ausgebildet ist. Der Querschnitt des Ankerschafts 2.2 ist auch bei dieser Ausgestaltung kleiner als der Querschnitt des Ankerkörpers 2.1.
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Die 4 illustriert die Verwendung eines Topfmagneten 31 für den Magnetkreis, der zum Zwecke der Erzielung einer besseren Abdichtung als ein geschlossener Rahmen für den Spulenkörper 5 gemäß 1 eingesetzt wird. Der Topfmagnet 31 umschließt haubenartig die Erregerspule 19, sodass das komplizierte Umspritzen der Erregerspule 19 für diesen Anwendungsbereich entfällt.
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Die 5 zeigt eine abstrakte Pumpenkennlinie 33 – gestrichelt dargestellt – der erfindungsgemäßen Schwingkolbenpumpe 1 im Vergleich zu einer Pumpenkennlinie 32 – durchgehende Linie – einer aus dem Stand der Technik vorbekannten Schwingkolbenpumpe 1. In dem dargestellten 2D-Diagramm ist der Volumenstrom auf der Abszisse und der zugehörige Druck auf der Ordinate aufgetragen. Wie ersichtlich, weist die erfindungsgemäße Schwingkolbenpumpe 1 im unteren Druckbereich eine höhere Effizienz auf. Das heißt konkret, dass die erfindungsgemäße Schwingkolbenpumpe 1 gegenüber einer aus dem Stand der Technik vorbekannten Schwingkolbenpumpe 1 in der Lage ist, bei einem vergleichbaren Druck einen höheren Volumenstrom zu erzielen. Ursächlich dafür ist der trockene, d. h. nicht vom Fluid durchströmte, Ankerraum 34 der Schwingkolbenpumpe 1 zu nennen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schwingkolbenpumpe
- 2
- Anker
- 2.1
- Ankerkörper
- 2.2
- Ankerschaft
- 3
- Flussstück
- 4
- Rahmen
- 5
- Spulenkörper
- 6
- Führung im Spulenkörper
- 7
- erstes Federelement
- 8
- zweites Federelement
- 9
- Einlassventilfeder
- 10
- Auslassventilfeder
- 11
- Einlassventil
- 12
- Auslassventil
- 13
- Dichtelement
- 14
- erster Dichtring
- 15
- Pumpenkopf
- 16
- Befestigungsteil
- 17
- zweiter Dichtring
- 18
- Befestigungsschrauben
- 19
- Erregerspule
- 20
- Luftspalt
- 21
- Kompressionsraum
- 22
- Dichtelement
- 23
- Dichtelement
- 24
- Dichtelement
- 25
- Distanzteil
- 26
- Pumpengehäuse
- 27
- Schlüsselform
- 28
- Antriebseinheit
- 29
- Einlassventilkörper
- 30
- Pumpeinheit
- 31
- Topfmagnet
- 32
- Pumpenkennlinie, Schwingkolbenpumpe aus dem Stand der Technik
- 33
- Pumpenkennlinie, erfindungsgemäße Schwingkolbenpumpe
- 34
- Ankerraum
- 34.1
- Kammern des Ankerraums
- 35
- Auslass
- 36
- Einlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- FR 2465903 [0003]
- EP 0288216 [0004]
- EP 01169574 [0004]
- EP 1205663 [0005]
