DE3719939A1 - Elektromagnetische membranpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpume, insbes. für Flüssigkeiten, mit einem Förderraum, dem ein Einlaßventil vorgeordnet und ein Auslaßventil nachgeordnet ist und der von einer elastischen Membran einseitig abgeschlossen ist, die mit einem Anker eines Elektromagneten verbunden ist, der mit einer Rückstellfeder belastet ist.

Bei Membranpumpen bekannter Art ist der Anker des Elektromagneten in Verbindung mit der Membran angeordnet, so daß im bestromten Zustand des Magneten durch die elektrommagnetische Kraft der Förderraum zusammengepreßt wird. Somit entsteht, solange die Bestromung stattfindet, ein Pumpdruck. Für einen ständigen Druck ist somit eine praktisch ständige Bestromung erforderlich, weshalb die gesamte Auslegung des Magneten und seiner Bestromung auf 100% Einschaltdauer vorgesehen wird und dem entsprechenden Strom gemäß ein relativ niedriger Förderdruck möglich ist. Jeweils wenn der Ankerweg am Ende ist, wird der Strom kurzzeitig abgeschaltet, so daß eine Ankerrückholfeder auch die Membran zurückholt und Flüssigkeit in den Förderraum einströmt. Neben dem relativ niedrigen Förderdruck ist ein Nachteil, daß dann, wenn auf der Auslaßventilseite ein Unterdruck vorliegt, Flüssigkeit durch die Pumpe hindurchgesaugt wird.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine elektromagnetische Membranpumpe zu offenbaren, die mit einem gleich großen Elektromagneten und mit gleicher Verlustleistung wie bekannte Pumpen angetrieben, einen wesentlich höheren Förderdruck erbringt.

Die Lösung der Aufgabe besteht darin, daß der Anker des Elektromagneten in Verbindung mit der Membran so angeordnet ist, daß bei einem minimalen Ankerspalt bei angezogenem Anker der Förderraum am größten ist und die Rückstellfeder so dimensioniert und angeordnet ist, daß sie bei geöffnetem Ankerspalt unter einer solchen Vorspannung steht, daß entsprechend dem Membranquerschnitt ein vorgegebener minimaler Förderdruck entsteht, und sie bei geschlossenen Ankerspalt bei stromlosem Elektromagneten unter einer solchen Vorspannung steht, daß ein vorgegebener maximaler Förderdruck entsteht.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei einer solchen Anordnung wird der Magnet nur jeweils dann, wenn der Anker durch die Feder in die geöffnete Stelllung verbracht ist und das gesamte Fördervolumen abgeführt ist, mit höchstmöglicher Kraft, die durch magnetische Sättigung des Ankers zu erreichen ist, kurzzeitig gegen die Federkraft betätigt, wobei neue Flüssigkeit in den Förderraum nachströmt. Diese Bestromungsversorgung kann sehr kurzzeitig mit hohem Strom, bei gleicher Verlustleistung wie in bekannten Systemen, erfolgen, so daß eine entsprechend hohe Federkraft überwunden werden kann, die einen entsprechend hohen Förderdruck ergibt.

Um eine Zerstörung des Magneten im unbeabsichtigten Impulsbetrieb zu schneller Folge zu vermeiden, ist eine bekannte Abschaltung durch eine Thermosicherung vorgesehen.

Die Steuerung des Stromimpulse für die Erzeugung eines annähernden Dauerhochdrucks erfolgt zweckmäßig durch einen Positionsschalter, der den geöffneten Ankerzustand angibt. Die Magneterregung erfolgt vorteilhaft mit einem Stromimpuls definierter Spannung und Zeitdauer. Nach einer besonders vorteilhaften Schaltung, die eine übermäßige Stoßbelastung der verfügbaren Spannungsquelle vermeidet, wird jeweils die Impulsenergie aus einer langsam in der Bestromungspause nachzuladenden Kondensatorschaltung entnommen, wobei der Energiegehalt des geladenen Kondensators dem Energiebedarf des Elektromagneten für jeweils einen Impuls entspricht, so daß ein Schwingkreis bei der Verkopplung des Kondensators mit der Spule des Magneten entsteht, die eine schnelle Umlagerung der Energie zwischen dem Kondensator und der Induktivität erbringt. Mit der Schaltungsanordnung lassen sich außerdem Abschaltverluste weitgehend vermeiden, wenn das Auftrennen der Verbindung im geeigneten Zeitpunkt des Spannungsminimums am Kondensator erfolgt und anschließend die Energie in den Kondensator zurückgespeist wird.

Ein vorzugsweises Verwendungsgebiet der Pumpe ist die Einspritzung von Brennstoff oder Brennstoffzusätzen, wie Wasser oder Alkohol, in Verbrennungsmotoren. Bei diesen Anwendungen entsteht im Schubbetrieb ein Sog am Auslaßventil. Vorteilhaft läßt sich die Membranpumpe so ausgestalten, daß an dem Stößel des Ankers ein Schließteil angesetzt ist, das den Auslaß des Förderraumes bei völlig geöffnetem Anker verschließt. Wird im Schubbetrieb der Elektromagnet nicht betätigt, so passiert keine Flüssigkeit durch den Sog des Motors die Pumpe.

In vorteilhafter Weise läßt sich die Membranpumpe mit der Durchsaugsperre auch als steuerbare Einspritzpumpe für Verbrennungsmotore verwenden, wobei durch geeignet kurze Bemessung des Stromimpulses der Anker jeweils einen definierten Weg zurücklegt und ein entsprechendes Volumen Flüssigkeit, d.h. Brennstoff, ansaugt und dann ausbringt.

Ein zusätzliches gesteuertes Ventil zur Brennstoffdosierung erübrigt sich. Für jeden Zylinder des Motors wird vorzugsweise eine solche steuerbare Einspritzpumpe vorgesehen. Eine zentrale Pumpe entfällt dafür.

Eine vorteilhafte Konstruktion mit einer zentrischen Magnetanordnung und eine geeignete Steuerung ist in den Fig. 1-6 dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen vertikalen Schnitt durch eine Membranpumpe,;

Fig. 2 zeigt ein Auslaßventil vergrößert,;

Fig. 3 zeigt ein Einlaßventil vergrößert;

Fig. 4 zeigt eine Aufsicht auf den Pumpenkörper;

Fig. 5 zeigt einen Schnitt durch den Anker vergrößert; Fig. 6 zeigt eine Ansteuerschaltung;

Fig. 7 zeigt eine Tellerfedermembran.

In Fig. 1 ist eine Membranpumpe gezeigt, die weitgehend rotationssymmetrisch aufgebaut ist. In einem Pumpenkörper (1) sind ein Einlaßventil (2) und ein Auslaßventil (3) eingeschraubt, die über Verbindungskanäle (11, 12) mit einem im wesentlichen flachen, zylindrischen Förderraum (13) verbunden sind. Stirnseitig ist der Förderraum mit einer Membran (14) aus elastischem Material, vorzugsweise Gummi oder Kunststoff, abgedeckt. Die Membran (14) reicht allseitig über einen Dichtrand (15) hinaus, auf dem sie durch einen ringförmigen Andruckkörper (16) gehalten ist. Dieser ist ein Teil des Magnetkreises des Elektromagneten (4), dessen Gehäuse (41) mit einer Ringnut (141) den Andruckkörper (16) hält und auf den Pumpenkörper (1) aufgeschraubt ist. Der Magnetkreis ist über das Gehäuse (41) und einen Kern (43) zu dem Arbeitsluftspalt (6) geführt, von dem sich der Anker (50) bis in eine zylindrische Ausnehmung (161) des Andruckkörpers (16) mit einem allseitigen geringen Luftspalt erstreckt. Zwischen dem Kern (43) und dem Gehäuse (41) ist die Wicklung (42) des Magneten angeordnet.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, liegt der Anker (50) mit seiner Endfläche (55) auf der Membran (14) auf. Zur axialen Führung hat der Anker einen Führungsstift (51), der durch den Kern (43) - siehe Fig. 1 - hindurchgeführt ist. Endseitig ist an dem Stift (51) ein Widerlager (46) des Magnetankers bzw. der Pumpe befestigt. Die andere Seite der Druckfeder (45) stützt sich in einer am Gehäuse (4) endseitig befestigten Kappe (44) unter Vorspannung ab. In oder auf der Kappe (44) ist ein Positionsmelder (7), der zweckmäßig ein Schalter mit Schalthysterese ist, angeordnet, der die Stellung des Ankers (50) an dem mit diesem mitbewegten Widerlager (46) abgreift und signalisiert, wenn der Luftspalt jeweils den nahezu geöffneten bzw. geschlossenen Zustand hat.

Wie Fig. 4 zeigt, ist der Abführkanal (12) zentrisch in den Förderraum (13) geführt. Der zentrale Anschluß (121) des Abführkanals (12) erweitert sich in einer konischen Ansenkung (122). In diese paßt ein Ansatz (152) - siehe Fig. 5 eines Schließteiles (52), das mit einem Gewindeansatz durch eine Ausstanzung (141) in der Mitte der Membrane (14) geführt und mit dem stößelartigen Anker (50) verschraubt ist. Dichtflächen (54, 55) am Schließteil und am Anker fassen die Membran abdichtend. Um eine hohe linienförmige Belastung der Membran bei der Ankerbewegung zu vermeiden, verlaufen die Konturen des Ankers (50) und Schließteiles (52) anschließend an die Dichtflächen (54, 55) flach abgerundet.

Die Ventile (2, 3) sind aus jeweils gleichen Teilen als Schraubnippel aufgebaut, in deren zylindrischem Innenraum, der durch einen durchbohrten Dichtstopfen (23, 33) abgeschlossen ist, jeweils eine mit einer Feder (22, 32) belastete Kugel (21, 31), je nach Arbeitsrichtung des Ventils, nippel- oder stopfenseitig eingebaut ist.

Die Teile des Magneten und der Pumpe lassen sich ohne besondere fertigungstechnische Maßnahmen so genau herstellen, so daß eine Justage der Lage des Ankers und der Ferderspannung entbehrlich ist. Ein Auswechseln einer defekten Membran (14) ist durch die Schraubverbindung des Gehäuses (41) zum Pumpenkörper (1) und des Schließ- und Ankerteiles leicht möglich.

Da die Federkraft bei geöffnetem Ankerspalt am kleinsten ist, ergibt sich ein leichtes Anziehen des Ankers und eine gute Umsetzung der magnetischen Energie im Luftspalt in mechanische Federenergie, die wiederum in Pumpenergie umgesetzt wird.

Fig. 6 zeigt eine Schaltungsanordnung zum selbsttätigen Betrieb der Membranpumpe, die zur energiesparenden Schnellerregung des Magneten der Membranpumpe geeignet ist. Die Wicklung (42) wird mit der Versorgungsspannung (U) beim Schließen des Kontaktes (71) des Schalters (7), - Fig. 1 - beaufschlagt. Bei Abschaltung fließt der Strom der Wicklung (42) von dem schalterseitigen Wicklungsende (K 1) über eine erste Diode (D 1) über einen ersten Anschluß (A 1) in den Kondensator (C), wo die Energie gespeichert wird. Der Kondensator (C) ist vorzugsweise so bemessen, daß er dabei auf ein mehrfaches der Versorgungsspannung (U) geladen wird. Bei allen weiteren Einschaltvorgängen wird nun jeweils, parallel zum ersten Kontakt (71) ein zweiter Kontakt (72) geschlossen, der den Kondensator (C) mit der Wicklung (42) an ihrem zweiten Wicklungsende (K 2) verbindet, eine Schnellerregung durch die bei Einschalten der Wicklung (42) zugeführte hohe Spannung des Kondensators (C) bewirkt. Bis die Energie aus dem Kondensator (C) abgeflossen ist, hindert eine zweite Diode (D 2) einen Stromrückfluß zur Versorgungsleitung. Erst wenn der Kondensator (C) entladen ist, fließt weiterer Strom über die zweite Diode (D 2) in die Wicklung (42) des Magneten nach. Die durch eine geeignete Hysterese bestimmten Schaltpunkte der Kontakte (71, 72) geben einen selbstätigen Betrieb zur Erreichung einer Förderung mit einem vorgegebenen Mindestdruck, den die Rückstellfeder in der Einschaltstellung aufbringt.

Selbstverständlich lassen sich die Kontakte (71, 72) durch elektronische Schaltelemente ersetzen. Insbes. können die Schaltelemente auch durch einen Impulsgeber jeweils für eine vorgegebenen Zeit aufgesteuert werden. Die Schaltungsanordnung wird zweckmäßig über einen zum Schutz dienenden Thermoschalter (TS), der zweckmäßig in der Wicklung eingebaut ist, gespeist. Falls die Membranpumpe in einer Einspritzanordnung eines Verbrennungsmotores eingesetzt ist, wird die Stromversorgung über einen Ruhekontakt eines durch eine Unterdruckdose (UP) betätigten Schubbetriebsschalters (SBS) geführt, so daß im Schubbetrieb keine Ventildurchströmung erfolgt, da die Zu­ und Abführkanäle dann schließen, wenn keine Magnetbetätigung erfolgt.

Fig. 7 zeigt eine Membran (14), die gleichzeitig die Rückstellfeder (65) für den Anker bildet. Sie ist als Tellerfeder ausgebildet und zur Festlegung der geeigneten Federcharakteristik und zur Bestimmung der Rückstellkräfte in den beiden Endpunkten der Ankerlage zweckmäßig mit wellenförmigen konzentrischen Einprägungen (66) versehen. Als Federmaterial eignet sich besonders Stahl oder Federbronce, z.B. Kupfer-Beryllium-Bronce, wobei die Auswahl abhängig von der Korrosivität des zu pumpenden Mediums zu treffen ist. Eine Kombination einer metallischen Tellerfeder mit einer Kunststoff- oder Gummimembran ist ebenfalls einsetzbar, wenn das zu pumpende Medium dies erfordert.

Claims (16)

1. Membranpumpe insbes. für Flüssigkeiten, mit einem Förderraum (13), dem ein Einlaßventil (2) vorgeordnet und ein Auslaßventil (3) nachgeordnet ist und der von einer elastischen Membran (14) einseitig abgeschlossen ist, die mit einem Anker (50) eines Elektromagneten (4) verbunden ist, der mit einer Rückstellfeder (45, 65) belastet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (50) des Elektromagneten (4) in Verbindung mit der Membran (14) so angeordnet ist, daß bei einem minimalen Ankerspalt (6) bei angezogenem Anker (50) der Förderraum (13) am größten ist und die Rückstellfeder (45, 65) so dimensioniert und angeordnet ist, daß sie bei geöffnetem Ankerspalt (6) unter einer solchen Vorspannung steht, daß entsprechend dem Membranquerschnitt ein vorgegebener minimaler Förderdruck entsteht, und sie bei geschlossenemAnkerspalt (6) bei stromlosem Elektromagneten unter einer solchen Spannung steht, daß ein vorgegebener maximaler Förderdruck entsteht.

2. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Förderraum (13) ein flacher zylindrischer Raum ist, auf dessen Dichtrand (15) die Membran (14) mit einem ringförmigen Andruckkörper (16) gepreßt ist.

3. Membranpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Andruckkörper (16) Teil des magnetischen Kraftflußweges des Elektromagneten (4) ist, der koaxial zu dem Förderraum (13) auf den Pumpenkörper (1) aufgeschraubt ist und den Andruckkörper (16) zentrisch hält.

4. Membranpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der elektromagnetsiche Andruckkörper (16) über das Gehäuse (41) des Elektromagneten (4) und einen inneren Kern (43), den die Spule (42) umgibt, zu dem Ankerspalt (6) erstreckt und von diesem sich der Anker (50) konzentrisch mit einem geringen allseitigen Spalt in den Andruckkörper (16) erstreckt.

5. Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Anker (50) ein Schließteil (52) befestigt ist, das mit einer Dichtfläche, vorzugsweise einem Dichtkonus (152), dem jeweiligen Ankerspalt (6) entsprechend einer korrespondierenden Dichtfläche, vorzugsweise einer konischen Ansenkung (122), gegenüberliegend angeordnet ist und von der Dichtfläche bzw. der Ansenkung (122) ausgehend ein Abführkanal (12) zu dem Auslaßventil (3) und/oder ein Zuführkanal (11) zu dem Einlaßventil (2) führt.

6. Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließteil (52) durch eine Ausstanzung (141) in der Membran (14) koaxial hindurchgeführt und das Schließteil (52) in den Anker (50) eingeschraubt ist und das Schließteil (52) und der Anker (50) parallele Dichtflächen (54, 55) haben, zwischen denen die Membran (14) dichtend eingeklemmt ist, und deren Oberflächen anschließend an die Dichtfläche (54, 55) abgeschrägt oder abgerundet divergierend von der Membran (14) verlaufen.

7. Membranpumpe nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (43) eine zentrischen Bohrung hat, in der der Anker (50) mittels eines Führungsstiftes (51) axial verschieblich gelagert ist.

8. Membranpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (45), eine Druckfeder ist, die an dem Ende des Stiftes (51) das dem Anker (50) gegenüber liegt, mittels eines ersten Widerlagers (46) einerseits abgestützt ist und andererseits am Gehäuse (41) über ein kappenförmiges zweites Widerlager (44) gehalten ist.

9. Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (14) die als eine Tellerfeder ausgebildete Rückstellfeder (65) ist, die vorzugsweise konzentrische wellenförmige Einprägungen (66) trägt.

10. Membranpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (65) aus Stahl oder Federbronce besteht.

11. Membranpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Positionsschalter (7) an dem Elektromagneten (4), vorzugsweise an dem zweiten Widerlager (44), angeordnet ist, der mit seinem Schaltfühler die Position des Ankers (50) bzw. des ersten Widerlagers (46) abgreift und mit seinen, vorzugsweise hysteresebehafteten, Schaltpunkten so angeordnet ist, daß eine Umschaltung jeweils bei geöffnetem bzw. nahezu geschlossenem Luftspalt (6) erfolgt.

12. Schaltungsanordnung zur Ansteuerung einer Membranpumpe, die von einem Elektromagneten (4) mit einem Anker (50) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (45) betätgbar ist, wobei eine Wicklung (42) des Elektromagneten (4) über einen Kontakt (71) mit einer Spannungsquelle (U) steuerbar verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das kontaktseitige Wicklungsende (K 1) der Wicklung (42) über eine erste Diode (D 1) mit einem Kondensator (C) verbunden ist, dessen zweiter Anschluß an die Spannungsquelle (U) geführt ist, und dessen erster Anschluß (A 1) über einen zu dem Kontakt (71) parallel arbeitenden zweiten Kontakt (72) mit dem zweiten Wicklungsende (K 2) der Wicklung (42) verbunden ist, das über eine zweite Diode (D 2) mit der Spannungsquelle (U) verbunden ist.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kondensator (C) in seiner Kapazität so bemessen ist, daß beim Öffnen des Kontakts (71) eine Spannung am Kondensator (C) auftritt, die das Mehrfache, z.B. das Dreifache, der Spannung der Spannungsquelle (U) beträgt.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontakte (71, 72) vor dem Anker (50) betätigt werden und sie derart hysteresebehaftet sind, daß sie jeweils in vorgegebenen Endlagen des Ankers umschalten.

15. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (U) über einen Thermoschutzkontakt (TS), der in der Wicklung (42) angeordnet ist, mit der Wicklung (42) verbunden ist.

16. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (U) über einen Schubabschaltkontakt (SBS), der von einem Unterdruckorgan (UP), das in der Ansaugleitung einer Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, betätigt wird, mit der Wicklung (42) verbunden ist und die Membranpumpe eine Dosierpumpe für Kraftstoff oder einen Zusatzstoff dazu an der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist.