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Die
Erfindung betrifft ein System und ein Verfahren zum Zuführen von
flüssigem
Ergol zu wenigstens einem Triebwerk und insbesondere den Triebwerken
zur Lagesteuerung oder zum Manövrieren
eines Luft- oder Raumfahrzeugs wie z.B. einem künstlichen Satelliten.
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Triebwerke
zur Lagesteuerung oder zum Manövrieren
eines Luft- oder Raumfahrzeugs müssen intermittierend
von einem Ergoltank, insbesondere mit einem Monergol wie Hydrazin,
der mit einem neutralen Gas wie z.B. Stickstoff auf einen Anfangsdruck typischerweise
im Bereich von 2 MPa bis 2,5 MPa gebracht wird, versorgt werden.
Durch diese Versorgung aus einem unter Druck stehenden Tank wird
die Versorgung der Triebwerke jederzeit rasch und nach Bedarf ermöglicht.
Während
des Flugs geht das Ergol im Tank zur Neige und der den Triebwerken
zugeführte
Ausgangsdruck nimmt daher auf einen Mindestdruck von etwa 0,55 MPa
ab, und an diesem Punkt wird der Tank als leer angesehen.
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Dieser
Druckabfall beeinträchtigt
die Leistung der Triebwerke, die in der Tat für einen vorbestimmten Ansaugdruck
optimal ist, aber über
einen solchen großen
Druckbereich nicht konstant sein kann. Diese Variation von Wirkungsgrad
und Leistung der Triebwerke während
des Flugs ist die Ursache mehrerer Probleme. Zunächst muss für dieselbe zugeführte Energie
eine Menge an Ergol bereitgestellt werden, die größer ist
als die, die notwendig wäre.
Außerdem
erfordert die Tatsache, dass ein Drucktank verwendet wird, der die
Triebwerke direkt versorgt, was einen relativ hohen Mindestdruck
(0,55 MPa) am Lebensende notwendig macht, einen Tank mit großem Volumen
und hohem Gewicht. Außerdem erschwert
dies eine automatische Steuerung der Maschine, da die Steuersignale
der Triebwerke zum Erzielen eines bestimmten Effekts, und insbesondere die
Zündungsdauer,
je nach ihrer Leistung variieren. Darüber hinaus gehen die Leistungsniveaus
der Triebwerke während
des Flugs zurück
und die Dauer von Manövern
der Maschine nimmt zu und auch der Ergolverbrauch für jedes
Manöver
kann steigen. Ferner nutzen die Triebwerke schneller ab, wenn sie
bei niedrigem Druck arbeiten.
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Um
diese Nachteile abzustellen, müssen
in bestimmten Raumfahrzeugen, in denen die Triebwerke Leistungsniveaus
benötigen,
die für
eine bestimmte Dauer wenigstens im Wesentlichen konstant sind, unter
hohem Druck stehende zusätzliche
Neutralgastanks an Bord genommen werden, damit der Druck im Ergoldrucktank
im Einklang mit dem Ergolverbrauch wiederhergestellt werden kann.
Diese Lösung kann
für große Raumfahrzeuge
(geostationäre
Satelliten, Planetenraumsonden oder dergleichen) vorgesehen werden.
Sie kann jedoch nicht für
kleine Raumfahrzeuge genutzt werden, in denen die zusätzliche
Last, die durch die zusätzlichen
Neutralgastanks entsteht, nicht akzeptabel wäre.
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In
allen Fällen
wird erkannt, dass der Einsatz eines Ergoldrucktanks, der die Triebwerke
direkt speist, eine Überdimensionierung
des Antriebssystems insgesamt erfordert.
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Andererseits
werden im einmaligen Dauerbetrieb arbeitende Triebwerke, z.B. die
Triebwerke von Weltraumstartrampen, mit einer Turbopumpe gespeist,
die von den verbrannten Gasen angetrieben wird und die Triebwerke
mit einem konstanten Ergoldruck versorgt. Eine solche Lösung ist
bei Triebwerken mit intermittierendem Betrieb nicht geeignet, die nach
Bedarf rasch versorgt werden müssen,
unter besonderer Berücksichtigung
der unakzeptablen Dauer von Start und Stopp der Turbopumpe und der benötigten Strömungs- und
Druckwerte. Darüber
hinaus sind hier ein Gewicht, eine Komplexität und Kosten beteiligt, die
einfach in Bezug auf die überschüssige Ergollast
nachteilig sind, die notwendig ist, um die Leistungsabnahme eines
Drucktanksystems zu kompensieren.
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Darüber hinaus
ist man der Ansicht, dass die beiden bekannten Lösungen, die darin bestehen, entweder
ein System mit einem Drucktank, das die Triebwerke direkt versorgt,
oder ein Speisepumpensystem zu verwenden, sich gegenseitig ausschließen, da
der Drucktank an sich zu einem relativ großen Inertmassenüberschuß führt und
den Vorteil des Einsatzes einer Pumpe eliminiert (da es ausreicht, eine
genügend
große
Ergolmenge an Bord zu nehmen), und andererseits die Verwendung einer
Pumpe es unnötig
macht, einen Drucktank zu benutzen, da das Ergol von einem Niederdrucktank
gepumpt werden kann, der eine weitaus niedrigere Inertmasse hat.
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So
beschreibt die US-5026259 ein miniaturisiertes Drucksystem, mit
dem ein Niederdruck-Monergol (0,35 MPa bis 1 MPa) gespeichert und
mit hohem Druck mittels einer Differential-Verdrängerpumpe zu den Triebwerken
geführt
werden kann, die von einem Heißgasgenerator
gespeist wird, der das Monergol in heißes Gas umwandelt, das die
Pumpe antreibt. Die Unterdrucksetzung erfolgt mittels eines instabilen
Regelkreises, der mit einem Druckbegrenzer assoziiert ist. Ein großer Druckspeicher
ist parallel zu den Triebwerken am Ausgang der Pumpe vorgesehen,
um die von der Pumpe erzeugten Druckvariationen auszugleichen. Diese
Lösung
hat auch den Nachteil, dass ein Teil des Ergols für die Unterdrucksetzung
benutzt wird und somit die Gesamtleistung des Antriebs herabsetzt,
während
das Gewicht infolge der mechanischen Teile des Triebwerks (Pumpe, Verteiler,
Gasgenerator usw.) erhöht
wird, umso mehr, als die Erzeugung eines wenigstens im Wesentlichen
kontinuierlichen Flusses von Hochdruck-Monergol eine Verdopplung
des Drucksystems erfordert. Darüber
hinaus ist die Menge an Ergol, die zur Unterdrucksetzung notwendig ist,
umso größer, je
mehr der Druck im Tank während
des Fluges abnimmt, und die Leistungsniveaus des Heißgasgenerators,
dessen Funktion mit der chemischen Zersetzungsreaktion des Monergols
assoziiert ist, sich nur schwer regeln lassen. Daher ist es schwierig,
die an Bord zu nehmende Monergolmenge genau auf die benötigte Flugdauer
und die Gebrauchsschwankungen der Triebwerke abzustimmen. Mit einer
solchen Lösung
ist eine automatische Steuerung des Raumfahrzeugs relativ komplex.
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Ebenso
beschreibt die US-4.696.160 ein System zum Zuführen von flüssigem Ergol zu einem Triebwerk,
das Niederdruck-Ergoltanks und Pumpen umfasst, die von Solenoiden
betätigt
werden, die das Ergol über
durch den Druck betätigte
Einspritzventile zum Triebwerk leiten. Die in diesem Dokument beschriebene
elektrische Solenoidpumpe ist nicht mit den Beschränkungen
von Gewicht, Abmessungen und Leistung kompatibel, die an Bord eines
Luft- oder Raumfahrzeugs erforderlich sind, und ist nicht zum Pumpen
eines Monergols wie Hydrazin ausgelegt. Insbesondere erfordert eine
solche Elektropumpe ein Solenoid mit großen Abmessungen, einem hohen Gewicht
und einer hohen Leistungsaufnahme für einen gegebenen Ausgangsdruck.
In der Praxis kann eine solche elektrische Solenoidpumpe tatsächlich nicht
zum Zuführen
von Ergol mit einem Druck von etwa 2 MPa bis 2,5 MPa zu einem Triebwerk
eines Luft- oder
Raumfahrzeugs wie z.B. eines Mikrosatelliten und insbesondere eines
Kommunikationsmikrosatelliten eingesetzt werden. Ferner ist der
Druckanstieg bei jedem Starten der in diesem Dokument beschriebenen
Pumpe zu langsam, um einen korrekten Betrieb des Triebwerks zu gewährleisten,
besonders im Falle eines Triebwerks zur Lagesteuerung.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile abzustellen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe vorzuschlagen, die
in einem System und/oder einem Verfahren zum Zuführen von flüssigem Ergol eingesetzt werden
kann.
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Es
ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe vorzuschlagen,
die einen wenigstens im Wesentlichen konstanten hohen Druck, insbesondere
von etwa 2 MPa bis 2,5 MPa, von Flüssigkeit in einem Sekundärtank aufrechterhalten
kann, aus dem die Flüssigkeit
nach Bedarf genommen wird, wobei diese Elektropumpe mit Flüssigkeit
aus einem Haupttank gespeist wird, der unter einem Druck steht,
der über
eine Zeitperiode von einem hohen Druck, und insbesondere von etwa
2 bis 2,5 MPa, auf einen niedrigen Druck von insbesondere etwa 0,1
MPa variieren kann.
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Es
ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe vorzuschlagen,
die einen Druck mit einem hohen Durchschnittswert, der wenigstens im
Wesentlichen konstant ist, mit einer relativ niedrigen Strömungsrate
von insbesondere etwa 1 bis 10 cm3/s erzeugen
kann.
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Es
ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe bereitzustellen,
die eine kurze Druckanstiegs- und -ausgabezeit insbesondere von etwa
einer Sekunde oder weniger hat.
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Es
ist insbesondere Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe bereitzustellen,
die zum Pumpen von Ergol und insbesondere eines Monergols wie Hydrazin
ausgelegt ist, um wenigstens ein Triebwerk und insbesondere alle
Triebwerke eines Luft- oder Raumfahrzeugs zu speisen.
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Es
ist auch Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe bereitzustellen,
die mit den Einschränkungen
von Kosten, Gewicht, Abmessungen, Lebensdauer, Zuverlässigkeit
sowie Robustheit eines an Bord eines Luft- oder Raumfahrzeugs integrierten Gerätes kompatibel
ist.
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Spezifischer
ist es Aufgabe der Erfindung, eine Elektropumpe bereitzustellen,
die so ausgelegt ist, dass sie Triebwerke, insbesondere Triebwerke zur
Lagesteuerung oder zum Manövrieren
eines Luft- oder Raumfahrzeugs wie z.B. eines künstlichen Satelliten, mit Ergol
versorgt.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung eine elektrische Linearverdrängerpumpe,
die Folgendes umfasst:
- – wenigstens einen Kolben,
der translational in einem Zylinderblock geführt wird,
- – eine
Flüssigkeitsansaug-/-förderkammer,
die mit Ansaug-/Förderrückschlagventilen
ausgestattet und so gestaltet ist, dass sie durch die Bewegungen
des Kolbens erzeugte Druckvariationen aufnimmt,
- – elektromagnetische
Antriebsmittel mit der Aufgabe, den Kolben in wechselweise Translationsbewegungen
im Zylinderblock zu versetzen, wobei die Bewegung des Kolbens in
der einen Richtung den Ansaugphasen der Flüssigkeit in die Ansaug-/Förderkammer
entspricht, während
die Bewegung des Kolbens in der anderen Richtung den Förderphasen
der Flüssigkeit
aus der Ansaug-/Förderkammer
entspricht, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromagnetischen
Antriebsmittel Folgendes umfassen:
- – wenigstens
ein elektromagnetisches, variables, unidirektionales Linearreluktanz-Stellglied,
das einen beweglichen Anker in Verbindung mit dem Kolben umfasst,
um diesen translational in der Richtung zu bewegen, die den Flüssigkeitsförderphasen
entspricht,
- – elektronische
Stromversorgungs- und Steuermittel für das Stellglied, um den Betrieb
mit einer Betriebsfrequenz von mehr als 100 Hz zu steuern. Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß haben die
elektronischen Stromversorgungs- und
Steuermittel des Stellglieds die Aufgabe, den Betrieb mit einer
Betriebsfrequenz zwischen 100 Hz und 300 Hz, insbesondere zwischen
150 Hz und 250 Hz, zu steuern.
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Es
ist zu bemerken, dass ein elektromagnetisches Stellglied mit variabler
Reluktanz und linearem Pfad (vom Elektromagnettyp) keine elektrodynamische
Antriebsvorrichtung mit konstantem Luftspalt wie z.B. ein Solenoidstellglied
ist, das von einer einzigen Wicklung gebildet wird, die mit Wechsel-
oder Mischstrom gespeist wird, und nicht die Eigenschaften einer
Vorrichtung dieses Typs hat. Außerdem wird
in der erfindungsgemäßen Elektropumpe
das elektromagnetische Stellglied mit variabler Reluktanz mit hoher
Frequenz gesteuert und wird nicht auf Alles-oder-nichts-Basis bei
niedriger Frequenz verwendet, wie in den herkömmlichen Anwendungen dieser Stellglieder
(Hubelektromagnete, Relais usw.).
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Es
wurde jedoch in der Praxis gefunden, dass die Wahl eines Stellantriebs
dieses Typs zwar ein komplexeres elektrisches Steuersystem erfordert,
es aber ermöglicht,
eine kompakte Elektropumpe bereitzustellen, die einen hohen Druck
erzeugt, der einen Durchschnittswert haben kann, der wenigstens
im Wesentlichen konstant ist, aber nach Bedarf einstellbar ist,
trotz der Variationen des Ansaugdrucks über einen breiten Bereich.
Die Tatsache, dass das Stellglied mit einer hohen Frequenz von mehr
als 100 Hz und insbesondere zwischen 100 Hz und 300 Hz und vorzugsweise
zwischen 150 Hz und 250 Hz arbeiten kann, ermöglicht es insbesondere, den
Durchmesser des Kolbens sowie das Gewicht und die Abmessungen der
Elektropumpe zu reduzieren, während
ein relativ hoher Förderdruck
bereitgestellt wird.
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Eine
erfindungsgemäße Elektropumpe
ist vorteilhafterweise dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische
Stellglied einen festen Anker in Verbindung mit wenigstens einer
Magnetspule und einen beweglichen Anker umfasst, der wechselweise translational
in Bezug auf den festen Anker geführt wird, mit dem er einen
Magnetkreis mit einem Spalt definiert, dessen Größe im Verlaufe der Translationsbewegungen
des beweglichen Ankers variiert, wobei der bewegliche Anker mechanisch
mit dem Kolben so verbunden ist, dass er diesen translational in
der Richtung bewegt, die den Flüssigkeitsförderphasen beim
Schließen
des Spalts entspricht, der durch den Fluss eines elektrischen Stroms
in der Spule bewirkt wird, und translational mit dem Kolben in der
Richtung zurückgestellt
wird, die den Flüssigkeitsansaugphasen
beim Öffnen
des Spalts entspricht, und dadurch, dass die genannten elektronischen
Mittel so gestaltet sind, dass sie die Spule mit elektrischen Stromimpulsen
mit der Betriebsfrequenz speist, die geeignet ist, um den beweglichen
Anker, der in den Förderphasen
aktiv ist, in Bewegung zu versetzen, und um den beweglichen Anker
nicht in Bewegung zu versetzen, der in den Ansaugphasen inaktiv
ist, in denen der Kolben und der bewegliche Anker durch den Druck
der Ansaugflüssigkeit
und/oder durch die elastischen Rückstellmittel
zurückgestellt
werden.
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Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß sind die
genannten elektronischen Mittel so gestaltet, dass sie ein Speisestromprofil
erzeugen, das einen Kontakt des beweglichen Ankers mit dem festen
Anker am Ende der Förderphasen
verhindert. Dadurch werden Stöße verhindert,
die für
einen Dauerbetrieb und für
die Lebensdauer der Pumpe schädlich
sind. Dazu reicht es aus, den Speisestrom der Wicklung früh genug
in jedem Impuls zu unterbrechen.
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Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß umfasst
das elektromagnetische Stellglied auch einen Wegendedämpfungsanschlag,
der die Bewegungsamplitude des beweglichen Ankers am Ende von Ansaugphasen
begrenzt, und die genannten elektronischen Mittel sind so gestaltet,
dass sie ein Speisestromprofil erzeugen, das die Aufgabe hat, einen
Kontakt des beweglichen Ankers mit dem Anschlag am Ende der Ansaugphasen
zu verhindern. Hierfür
reicht es aus, vor dem Ausgeben jedes Steuerimpulses in der Förderrichtung
einen Speisestrom mit einem Wert zu erzeugen, der zum Bremsen der Bewegung
des beweglichen Ankers vor dem Ende der Ansaugphase ausreicht, aber
begrenzt ist, so dass der bewegliche Anker seinen Weg während der Ansaugphase
vollenden kann.
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Der
variable Ansaugdruck assistiert bei der Rückführung des Kolbens und des beweglichen
Ankers während
der Ansaugphase. Demzufolge wird das Profil des Speisestroms der
Spule im Einklang mit diesem Ansaugdruck adaptiert, unter der Voraussetzung,
dass es größer bleibt
als ein vorbestimmter Wert, insbesondere etwa 0,3 MPa.
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Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß umfasst
die Elektropumpe Mittel zur elastischen Rückstellung des Kolbens und
des beweglichen Ankers des elektromagnetischen Stellglieds in der
Richtung, die den Flüssigkeitsansaugphasen
entspricht.
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Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß sind die
elastischen Rückstellmittel
so gestaltet, dass sie aktiv sind und eine Rückstellkraft ausüben, wenn der
Ansaugdruck kleiner wird als ein Wert, der vorbestimmter Druckschwellenwert
genannt wird. Dieser Schwellenwert ist vorzugsweise größer als
Pmin und beträgt
insbesondere etwa 0,3 MPa, während
Pmin etwa 0,1 MPa beträgt.
Die durch die Rückstellmittel ausgeübte Rückstellkraft
ist gleich der oder größer als
die, die vom Schwellendruck ausgeübt wird.
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Somit
wird für
Ansaugdruckwerte, die geringer sind als der genannte Schwellendruck,
sichergestellt, dass der Kolben und der bewegliche Anker gemäß den Charakteristiken
zurückgestellt
werden, die über
den Variationsbereich des Ansaugdrucks wenigstens im Wesentlichen
konstant sind, so dass die Modifikationen des Speisestromprofils
im Einklang mit den Variationen des Ansaugdrucks begrenzt oder sogar
unnötig
werden. Diese elastischen Rückstellmittel
können
vorteilhafterweise und erfindungsgemäß von einer einzigen Druckfeder
gebildet werden, die auf den Kolben oder auf den Kern des beweglichen
Ankers wirkt und so gestaltet ist, dass sie wenigstens am Ende der
Förderphase
zusammengedrückt
und wenigstens am Anfang der Ansaugphase entspannt wird.
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Ferner
umfassen die elektronischen Mittel vorteilhafterweise und erfindungsgemäß wenigstens einen
Sensor zum Erfassen der absoluten Position des beweglichen Ankers
und/oder des Kolbens. Vorteilhafterweise und erfindungsgemäß umfassen
die genannten elektrischen Mittel Mittel zum automatischen Regeln
der Position des beweglichen Ankers und/oder des Kolbens, um das
Speisestromprofil des elektromagnetischen Stellglieds anzupassen,
um Nenn-Förderdruckwerte
und/oder Nenn-Ausgangswerte
zu erhalten, die gemäß dem Wert
von wenigstens einem variablen Parameter und insbesondere dem Ansaugdruck
erzielt werden. Diese Mittel zur automatischen Regelung sind so
gestaltet, dass sie insbesondere den Wert des erzeugten Ausgangs
aufrechterhalten, wenn der Ansaugdruck abnimmt. Dazu modifizieren
sie das Speisestromprofil, um den Weg des Kolbens zu verändern, indem
sie das Profil vergrößern, wenn
der Ansaugdruck abnimmt.
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Außerdem kann
die Ansaug-/Förderkammer das
aktive Ende des Kolbens, das sich abwechselnd bewegt, in Anwendungen
aufnehmen, in denen die gepumpte Flüssigkeit mit einer radialen
dynamischen Dichtung kompatibel ist, die zwischen dem Kolben und
dem Zylinderblock ausgebildet ist. Als eine Variante, vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß, und insbesondere
dann, wenn die gepumpte Flüssigkeit eine
instabile Flüssigkeit
wie ein Monergol ist, insbesondere Hydrazin, umfasst die Pumpe Mittel
für eine dynamische
Dichtung zwischen dem Kolben und dem Zylinderblock sowie eine Pumpkammer,
in die ein aktives Ende des Kolbens mündet, wobei diese Pumpkammer
mit einer neutralen Flüssigkeit,
insbesondere Öl,
gefüllt
ist, und von einer flexiblen Membran, die zwischen den beiden Kammern
die Druckvariationen mit Betriebsfrequenz übertragen kann, auf dichte
Weise von der Ansaug-/Förderkammer
getrennt ist, so dass die gepumpte Flüssigkeit nicht mit dynamischen
Dichtungsmitteln in Kontakt kommt, die sich zwischen dem Kolben
und dem Zylinderblock befinden. Die Membran ist vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß metallisch.
Es ist ferner zu bemerken, dass der Kolben nicht direkt und mechanisch
mit der Membran verbunden ist, so dass ein Betrieb mit hoher Frequenz
und hohem Druck möglich
ist.
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Ferner
müssen
die Ventile der Ansaug-/Förderkammer
für einen
Betrieb mit einer hohen Frequenz ausgelegt sein. Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß umfasst
jedes der Rückschlagventile eine
Kugel, die von einer Feder gegen einen Ventilsitz zurück gedrückt wird,
und einen axialen Anschlag zum Begrenzen des Hubs der Kugel, um
eine axiale Verschiebung der Kugel über die Position hinaus zu verhindern,
in der sie den Fluss durch den Ventilsitz nicht mehr bremst. Vorteilhafterweise
und erfindungsgemäß umfasst
jedes der Rückschlagventile eine
Kugel aus Siliciumnitrid, deren Durchmesser etwa 3 mm beträgt.
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Außerdem hat
der Kolben vorteilhafterweise und erfindungsgemäß einen Durchmesser von 5 mm bis
10 mm, insbesondere von etwa 6 mm, für einen axialen Weg zwischen
0,5 mm und 5 mm, insbesondere von etwa 1 mm.
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Es
ist zu bemerken, dass der Hochfrequenzbetrieb es für dieselben
Leistungsniveaus ermöglicht, Durchmesser
und Weg des Kolbens und somit Abmessung, Gewicht und Kosten des
Stellglieds zu verringern. Er ermöglicht es auch, die Größe des Sekundärtanks sowie
das Ausmaß der
momentanen Variationen des erzeugten Ausgangs zu reduzieren.
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Die
Erfindung betrifft auch eine Elektropumpe, die in Kombination durch
alle oder einige der oben oder nachfolgend beschriebenen Merkmale
gekennzeichnet ist.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach einer
Lektüre
der nachfolgenden Beschreibung offensichtlich, die mit Bezug auf
die Begleitzeichnungen gegeben wird, die anhand eines nicht begrenzenden
Beispiels Ausgestaltungen der Erfindung illustrieren. Dabei zeigt:
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1 ein
Schema des erfindungsgemäßen Zuführungssystems;
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2 ein
Fließschema
eines Zuführungsverfahrens
gemäß der Erfindung;
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3 einen
schematischen axialen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Elektropumpe durch
eine diametrale Ebene, mit Ausnahme des Ansaug-/Förderkopfes,
der im Querschnitt in zwei radialen Ebenen illustriert ist, die
jeweils durch die Achse eines Ansaugventils und die Achse eines
Förderventils
passieren, wobei die Lagerung des Positionssensors im Querschnitt
durch eine diametrale Ebene illustriert wird, die sich von der des
Gehäuses
der Elektropumpe unterscheidet;
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4 eine
schematische axiale Ansicht von unten gemäß der Linie IV-IV von 3;
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5 einen
schematischen Querschnitt gemäß der Linie
V-V von 3;
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6 eine
schematische axiale Draufsicht gemäß der Linie VI-VI in 3;
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7 ein
allgemeines Diagramm des elektronischen Mittels zur Stromversorgung
und Steuerung einer erfindungsgemäßen Elektropumpe;
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8 ein
Elektronikdiagramm der Leistungskarte der Elektronikmittel einer
erfindungsgemäßen Elektropumpe;
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9 ein
Elektronikdiagramm einer Steuerkarte der Elektronikmittel einer
erfindungsgemäßen Elektropumpe;
und
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10 ein
Diagramm, das die Timing-Diagramme der Signale der Steuerkarte von 9 illustriert.
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1 zeigt
ein erfindungsgemäßes System zum
Zuführen
von flüssigem
Monergol zu den Triebwerken 1 eines Luft- oder Raumfahrzeugs
wie z.B. einem künstlichen
Satelliten und insbesondere einem Mikrosatelliten oder Minisatelliten.
Dieses System umfasst einen Haupttank 2, der einen Flüssigmonergolvorrat
und insbesondere Hydrazin enthält,
der von einem neutralen Gas wie Stickstoff, das unter Druck zum
Tank 2 geführt
wird, auf einen Druck Pr gebracht wurde, dessen Anfangswert Po ist.
Der Haupttank 2 ist insgesamt sphärisch und umfasst einen Druckeingang 3,
der mit einem Druckventil 4 versehen ist, und eine Öffnung 5 zum
Ansaugen/Ausgeben von Ergol, die dem Druckeingang 3 diametral
gegenüberliegt. Mit
dieser Öffnung 5 ist
eine Rohrleitung 6 verbunden, die mit einem Ventil 7 zum
Einfüllen
und Ablassen von Ergol versehen ist. Die Öffnung 5 ist auch
mit einer Speiserohrleitung 9 verbunden, die die vom Haupttank 2 erhaltene
Flüssigkeit
zu einem Filter 10 und von dort zu einer Elektropumpe 12 leitet,
die eine Flüssigkeitsmenge
mit einem Förderdruck
Ps zu einem Sekundärtank 13 und
zu Triebwerken 1 speist.
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Dieser
Sekundärtank 13 hat
ein festes Volumen, das geringer ist als das des Haupttanks 2.
Das Volumen dieses Sekundärtanks 13 wird
insbesondere nach der Menge ermittelt, die für die Triebwerke 1 benötigt wird,
und nach der Ansprechzeit zum Starten der Elektropumpe 12.
So liegt beispielsweise das Volumen des Haupttanks 2 zwischen
1 und 100 l und das Volumen des Sekundärtanks 13 zwischen
1 und 10 cm3. Der Sekundärtank 13 ist parallel
mit dem Ausgang 14 der Elektropumpe 12 verbunden
und wird von einem geschlossenen, nicht verformbaren Gehäuse gebildet,
das einen Balg 15 (oder einen anderen verformbaren Mechanismus)
enthält,
der mit Mitteln 8, wie z.B. einer Druckfeder, zum Zurückstellen
in Richtung einer Abnahme des nützlichen
Volumens des Sekundärtanks 13 gegen
den in diesem Gehäuse
vorliegenden Druck zurückgestellt
wird. In einer Variante können
diese Rückstellmittel 8 von
einem unter Druck stehenden neutralen Gas gebildet werden, das in
dem Balg 15 enthalten ist, wie im Haupttank 2.
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Der
Sekundärtank 13 ist
einerseits direkt mit dem Ausgang 14 der Elektropumpe 12 und
andererseits mit den einzelnen Steuerventilen 16 jedes
der Triebwerke 1 verbunden. Ein Drucksensor 17 ist
mit dem Sekundärtank 13 assoziiert,
um den Druck Pa messen zu können,
der im Sekundärtank 13 vorliegt und
dem Druck der Flüssigkeit
entspricht, die von diesem Sekundärtank 13 zu den Triebwerken 1 geliefert
werden kann.
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Der
Sekundärtank 13 bildet
somit einen Puffertank mit geringer Kapazität zwischen dem Haupttank 2 und
den Triebwerken 1, und dieser Tank 13 wird von
der Elektropumpe 12 und den Rückstellmitteln 8 gemäß dem Ergolbedarf
der Triebwerke 1 auf einem vorbestimmten Druck gehalten.
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Eine
Automatiksteuerung 18 ermöglicht die Steuerung des Betriebs
der Elektropumpe 12. Diese Automatiksteuerung 18 hat
die Aufgabe, den Betrieb der Elektropumpe 12 auszulösen, wenn
der im Sekundärtank 13 gemessene
Druck Pa unter einen vorbestimmten Druck Pamin abfällt. Die
Automatik 18 hat auch die Aufgabe, den Betrieb der Elektropumpe 12 zu
unterbrechen, wenn der im Sekundärtank 13 gemessene
Druck Pa einen vorbestimmten Wert Pamax erreicht, so dass die Triebwerke 1 vom
Sekundärtank 13 und/oder
von der Elektropumpe 1 mit flüssigem Monergol mit einem Druck
gespeist werden, der während
des Flugs der Maschine immer zwischen Pamin und Pamax bleibt. Die
Rückstellmittel 8 sind
so kalibriert, dass der Druck Pa im Sekundärtank 13 einen Wert
zwischen Pamin und Pamax annehmen kann, wenn die Elektropumpe 12 arbeitet.
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2 zeigt
ein vereinfachtes Fließschema eines
Zuführungsverfahrens,
das in einem System dieses Typs von der Automatiksteuerung 18 ausgeführt wird.
Während
des Prüfschritts 19 wird
untersucht, ob der vom Sensor 17 gemessene Druck Pa tiefer
ist als der Druck Pamin, der dem Mindestzuführungsdruck der Triebwerke 1 entspricht.
Wenn ja, dann wird Schritt 20 zum Starten der Elektropumpe 12 ausgeführt, die
den Sekundärtank 13 mit
einer Flüssigkeitsmenge
Qs von ungleich null mit einem Förderdruck
Ps versorgt, der vom Rückstellmittel 8 ermittelt
wird, zwischen Pamin und Pamax, gemäß der Füllgeschwindigkeit des Sekundärtanks 13.
In Schritt 21 wird dann geprüft, ob der vom Sensor 17 erzeugte
Druck Pa größer ist
als ein vorbestimmter Wert Pamax, der dem Maximaldruck entspricht,
der im Sekundärtank 13 vorliegen
muss. Wenn ja, dann wird Schritt 22 zum Stoppen der Elektropumpe 12 ausgeführt, die
dann keine Flüssigkeit
mehr zuführt (Qs=0).
Nach diesem Stoppschritt 22 wird erneut der Prüfschritt 19 ausgeführt. Wenn
im Prüfschritt 19 gefunden
wird, dass der im Sekundärtank 13 vorliegende
Druck Pa nicht niedriger ist als Pamin, dann wird dieser Schritt
kontinuierlich immer wieder ausgeführt. Ebenso wird, wenn in Schritt 21 gefunden
wird, dass der im Sekundärtank 13 vorliegende
Druck Pa nicht größer ist
als Pamax, der Prüfschritt 21 kontinuierlich immer
wieder ausgeführt.
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Somit
wird unabhängig
von dem Druckwert, der am Ausgang 5 vom Haupttank 2 zugeführt wird, oberhalb
eines Mindestdrucks Pmin von etwa 0,1 MPa (der so niedrig sein kann
wie der Grenzdruck am Anfang des Hohlsogs der Elektropumpe 12)
der Druck der Flüssigkeit
im Sekundärtank 13 immer
zwischen Pamin und Pamax liegen, so dass die Triebwerke 1,
die von demselben Sekundärtank 13 und/oder
der Elektropumpe 12 versorgt werden, die Flüssigkeit
mit einem Druck mit einem Durchschnittswert erhalten, der wenigstens
im Wesentlichen konstant (zwischen Pamin und Pamax) ist, so dass
ihre Leistung und ihr Betrieb optimiert werden können.
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Die
Elektropumpe 12 ist nur dann aktiv, wenn eines oder mehrere
der Triebwerk(e) 1 eine Flüssigkeitsmenge anfordert/n
oder angefordert hat/haben. Sie ist so ausgelegt, dass sie eine
Flüssigkeitsmenge ausgeben
kann, die ausreicht, um alle Triebwerke 1 zu speisen, die
direkt an ihrem Ausgang 14 und am Sekundärtank 13 angeschlossen
sind. Wenn kein Triebwerk 1 aktiv ist, dann ist der Förderdruck
Ps, von Lastverlusten abgesehen, gleich dem im Sekundärtank 13 vorliegenden
Druck Pa. Dies ist auch dann der Fall, wenn die Triebwerke aktiv
sind, unter der Voraussetzung, dass die Menge Qs größer ist
als die Summe der Versorgungsmengen aller Triebwerke.
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Wenn
die am Sekundärtank 13 angeschlossenen
Triebwerke 1 eine bestimmte Menge Ergol verbraucht haben,
dann ist dieser Sekundärtank 13 leer,
worauf, wenn der Druck den Wert Pamin erreicht, die Elektropumpe 12 startet
und den gesamten notwendigen Bedarf deckt.
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Der
Sekundärtank 13,
bei dem es sich um einen durch das Rückstellmittel 8 unter
Druck gesetzten Volumentank handelt, soll eine Verbindung mit der
Elektroverdrängerpumpe 12 ermöglichen,
die eine konstante Menge Qs zu den Triebwerken 1 liefert,
deren Ausgangsbedarf je nach dem variabel ist, ob ein (oder eine
Mehrzahl von) Triebwerk(en) 1 aktiv ist/sind.
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Das
Volumen des Sekundärtanks 13 bestimmt
die Periodizität
der Aktivierung der Elektropumpe 12 im Einklang mit der
den Triebwerken 1 zugeführten
Menge.
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Um
sicherzustellen, dass alle Triebwerke 1 permanent versorgt
werden können,
muss die von der Elektropumpe 12 erzeugte Menge Qs größer sein als
die Summe der Versorgungsmengen der verschiedenen Triebwerke 1,
die mit der Elektropumpe 12 und dem Sekundärtank 13 verbunden
sind. Somit arbeitet die Elektropumpe 12 selbst dann, wenn
alle Triebwerke 1 in Betrieb sind, intermittierend, gesteuert
von der Automatiksteuerung 18 gemäß den Variationen des Drucks
Pa zwischen Pamin und Pamax im Sekundärtank 13.
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Die
von der Elektropumpe 12 erzeugte Menge Qs liegt vorzugsweise
in derselben Größenordnung
(etwas größer als)
wie die gesamte Versorgungsmenge aller Triebwerke 1.
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Die
Werte von Pamin und Pamax werden so bestimmt, dass sie mit dem Nennversorgungsdruck Pe
der Triebwerke 1 übereinstimmen,
der im Allgemeinen zwischen 2 MPa und 2,5 MPa (Pamin ≤ Pe ≤ Pmax) liegt.
So wird Pamin beispielsweise für
einen Nennversorgungsdruck Pe von etwa 2,2 MPa mit etwa 2,1 MPa
und Pamax mit etwa 2,3 MPa gewählt. Die
Differenz Pamin – Pamax
repräsentiert
vorzugsweise etwa 5% bis 10% des Mittelwertes (Pamax + Pamin)/2,
was wiederum etwa Pe entspricht.
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Nachfolgend
wird eine elektrische Verdrängerpumpe 12 gemäß der Erfindung
beschrieben, die in einem erfindungsgemäßen Zuführungssystem zum Einsatz kommen
kann.
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Die
Elektropumpe 12 umfasst ein Pumpengehäuse 25 und ein elektromagnetisches
Stellglied 26 mit variabler Reluktanz, die jeweils in der
Verlängerung
des anderen montiert sind. Der Pumpenkörper 25 umfasst einen
Kolben 27, der translational in einem Zylinderblock 28 auf
einer Translationsachse 29 geführt wird. Zum Führen des
Kolbens 27 umfasst der Zylinderblock 28 eine zylindrische
Bohrung 30 sowie radiale dynamische Abdichtmittel, z.B.
in der Form einer Ringdichtung, die in einer Umfangsnut im Kolben 27 steckt
und die Abdichtung zwischen Kolben 27 und zylindrischer
Bohrung 30 über
den gesamten Translationsweg des Kolbens 27 gewährleistet.
Der Kolben 27 hat ein freies Pumpende 31 und die
zylindrische Bohrung 30, die den Kolben 27 enthält, mündet an
der freien Endseite 31 des Kolbens 27 in eine
Pumpkammer 32, die aufgeweitet ist und eine Form hat, die
wenigstens im Wesentlichen konisch ist, im Zylinderblock 28 angeordnet.
Diese Pumpkammer 32 wird von einer flexiblen Metallmembran 33 verschlossen,
die am Umfang mit der entsprechenden Wand des Zylinderblocks 28 verschweißt ist.
Diese Wand ist axial über
die Membran 33 hinaus verlängert, so dass eine Ansaug-/Förderkammer 34 entsteht,
die von einem Ansaug-/Förderkopf 35 hermetisch
abgedichtet wird, der Ansaug- 36 und Förder- 37 Rückschlagventile
aufweist. Wie 6 zeigt, umfasst die Elektropumpe
vorzugsweise zwei Ansaugeingänge 38a, 38b,
die jeweils mit einem Ansaugrückschlagventil 36 verbunden
sind und die vom Haupttank 2 kommende Flüssigkeit
aufnehmen, sowie einen Förderausgang 39,
der mit einem Förderrückschlagklappenventil 37 verbunden
ist, das die Flüssigkeit
unter Druck dem Sekundärtank 13 zuführt.
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Eine
nicht komprimierbare neutrale Flüssigkeit,
z.B. Öl,
füllt die
Pumpkammer 32 zwischen dem freien Ende 31 des
Kolbens 27 und der flexiblen Membran 33. Die flexible
Membran 33 überträgt somit
die durch die abwechselnden Translationen des Kolbens 27 in
der zylindrischen Bohrung 30 entstehenden Druckvariationen
zwischen der Pumpkammer 32 und der Ansaug-/Förderkammer 34.
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Um
den Kolben 27 vollständig
gegen den Außendruck
zu isolieren, der in Weltraumanwendungen dem Weltraumvakuum entspricht,
mündet
das Ende der zylindrischen Bohrung 30, das der Pumpkammer 32 gegenüberliegt,
in eine Isolationskammer 40, die eine größere radiale
Abmessung hat als die zylindrische Bohrung 30 und die im
Zylinderblock 28 vorgesehen und auf dichtende Weise an
dem der zylindrischen Bohrung 30 gegenüberliegenden Ende von einem
Ring 41 verschlossen wird, der ein axiales Loch und eine
mittlere Hülse 42 aufweist,
die eine Durchgangsbohrung 43 enthält. Ein Stab 44, der
den Kolben 27 verlängert,
passiert durch diese Bohrung 43 mit radialem Spiel. Ein
elastischer Balg 45 umgibt den Stab 44 und verbindet
die mittlere Hülse 42 auf dichte
Weise mit dem Ende 46 des Kolbens 27, der in die
Isolationskammer 40 mündet.
Dieses Ende 46 ist aufgeweitet, so dass es radiale Abmessungen
wie der Balg 45 hat, die äußerst geringfügig größer sind als
die des Kolbens 27. Somit bleibt der Druck in der mit Öl gefüllten Isolationskammer 40 während der
abwechselnden translationalen Verschiebungen des Kolbens 27 wenigstens
im Wesentlichen konstant. Diese Isolationskammer 40 und
die statischen Dichtungen 75 zwischen dem Ring 41 und
der Hülse 42 und 77 zwischen
dem Ring 41 und dem Zylinderblock 28 ermöglichen
somit eine Isolation der Baugruppe aus zylindrischer Bohrung 30 und
Kolben 27 gegen Außendruck.
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In
einer Variante ist es möglich,
diese Abdichtung durch den Einbau der Stellgliedbaugruppe 26 in
eine axiale Verlängerung
des Zylinderblocks 28 auszuführen, wobei die Baugruppe durch
einen Deckel hermetisch abgedichtet wird, der eine statische Dichtung
aufweist. Diese Variante ermöglicht
es, die Elektropumpe 12 zuverlässig zu machen (der verformbare
Balg 45 und die Dichtungen 76, 77 sind durch
eine einzige statische Dichtung ersetzt) und Abmessungen und Kosten
zu reduzieren.
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Jedes
der Rückschlagventile 36, 37 umfasst eine
Kugel 47, die von einer Druckfeder 48 gegen einen
Ventilsitz 49 zurückgestellt
wird. Ein axialer Anschlag 50 zum Begrenzen des Anhebens
der Kugel verhütet
eine axiale Verschiebung der Kugel 47 über ihre Position hinaus, in
der sie den durch den Sitz des Ventils 49 passierenden
Flüssigkeitsstrom
nicht mehr bremsen kann. Die Kugel 47 jedes Ventils 36, 37 besteht
vorteilhafterweise aus Siliciumnitrid und hat einen Durchmesser
von etwa 3 mm. Ein solches Rückschlagventil 36, 37 mit
einer Kugel kann mit einer hohen Frequenz von mehr als 100 Hz, insbesondere
bei einer Frequenz zwischen 100 Hz und 300 Hz und vorzugsweise zwischen
150 Hz und 250 Hz arbeiten.
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Das
elektromagnetische Stellglied 26 umfasst einen Stellgliedkörper 51,
der mit einem Verbindungsflansch 52 als Verlängerung
des Zylinderblocks 28 befestigt ist. Der Kopf 35 des
Zylinderblocks 28, der Zylinderblock 28, der Verbindungsflansch 52 und
der Körper 51 des
Stellgliedes sind mit einander paarweise einstückig ausgeführt, indem sie auf konventionelle
Weise verschweißt
und/oder mit externen Schraubbolzen (nicht dargestellt) verbunden
sind. Der Stellgliedkörper 51 enthält einen festen
Anker 53, der von vier festen Teilen aus magnetischem Material
gebildet wird, jeweils in der allgemeinen Form einer U- oder C-förmigen Klammer. Diese festen
Teile sind global radial ausgerichtet und gleichmäßig im Winkel
von 90° voneinander
um die Translationsachse 29 verteilt. Wie 3 zeigt,
hat jeder feste Teil des festen Ankers 53 zwei parallele
Flügel 54, 55,
die durch einen Steg 56 verbunden sind, und eine Öffnung 57,
die zwischen den freien Enden der beiden Flügel 54, 55 begrenzt
wird, wobei diese Öffnung 57 gegenüber dem
Pumpenkörper 25 ausgerichtet
ist, wobei die Flügel 54, 55 parallel
zur Translationsachse 29 sind. Alle Öffnungen 57 und die vier
festen Teile sind in derselben radialen Ebene ausgerichtet. Die
vier festen Anker 53 nehmen zwischen ihren Flügeln 54, 55 eine
Magnetisierungswicklung 58 auf, die auf der Translationsachse 29 zentriert
ist.
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Jeder
der festen Teile 53 ist aus einem laminierten Magnetmaterial
gebildet, z.B. aus einem Magnetblechstapel, insbesondere aus dünnen Siliciumblechen,
die voneinander isoliert und aneinander geklebt sind. Jede Lamelle
dieses laminierten Magnetmaterials ist U- oder C-förmig, und
die verschiedenen U- oder C-förmigen
Lamellen sind übereinander
gelegt, so dass sie einen radialen Stapel in der Form einer Klammer
bilden. Ein solches laminiertes Magnetmaterial ermöglicht es,
die Entwicklung von Foucault-Strömen
zu verhindern, wenn ein elektrischer Strom durch die Wicklung 58 fließt.
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Die
vier festen Teile 53 sind starr am Stellgliedkörper 51 um
einen mittleren Zylinder 59 dieses Stellgliedkörpers 51 befestigt.
Dieser mittlere Zylinder 59 ist hohl und enthält einen
axialen Durchgangskern 60, der starr mit der Verlängerung
des Stabs 44 des Kolbens 27 verbunden ist. Dieser
axiale Kern 60 ist am Ende des Stabs 44, beispielsweise
durch Schrauben, befestigt und mündet
gegenüber
dem Stab 44 axial außerhalb
des mittleren Zylinders 59 und hinter dem festen Anker 53,
so dass er an einem Kreuz 61 befestigt werden kann, das
vier radiale Schenkel im Winkel von 90° umfasst, die gegenüber den
freien Enden der Flügel 54, 55 der
festen Teile 53 verlaufen. Dieses Kreuz 61 und
der Kern 60 bilden einen beweglichen Anker 60, 61,
der translational geführt
wird. Der axiale Kern 60 und das Kreuz 61 sind so
gestaltet, dass sie einen Luftspalt 62 zwischen jedem der
Schenkel des Kreuzes 61 und den freien Enden der Flügel 54, 55 des
festen Teils 53 gegenüber definieren.
Jeder dieser Schenkel des Kreuzes 61 definiert somit einen
Magnetkreis mit dem festen Teil 53 gegenüber, mit
einem Luftspalt, dessen Abmessung während der Translationsbewegungen
des beweglichen Ankers 60, 61 variieren, der mechanisch mit
dem Kolben 27 verbunden ist, um diesen translational in
der Richtung anzutreiben, die den Förderphasen der Flüssigkeit
während
des Schließens
des Luftspalts entspricht, das durch den Fluss eines elektrischen
Stroms durch die Wicklung 58 induziert wird, und translational
mit dem Kolben 27 in der Richtung zurückgestellt wird, die den Ansaugphasen
der Flüssigkeit
während
des Öffnens
des Luftspalts entspricht.
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Das
Kreuz 61 besteht aus einem massiven weichmagnetischen Material
und insbesondere aus Weicheisen und weist gegenüber dem Luftspalt 62 Längsrillen 69 auf,
die in jedem seiner Schenkel vorgesehen sind, um die Foucault-Ströme zu reduzieren.
Diese Rillen 69 sind aus der Dicke der Schenkel herausgearbeitet,
z.B. durch Elektroerosion.
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In
einer nicht dargestellten Variante kann der feste Anker 53 aus
einem Stück
weichmagnetischem Material gebildet sein, das, z.B. durch Elektroerosion, in
die Masse gearbeitet ist, um zwei konzentrische Zylinder zu bilden,
die an einem ihrer Enden durch einen Endring verbunden sind, zwischen
sich die Magnetisierungswicklung aufnehmen und axiale Schlitze in
ihren zylindrischen Abschnitten und radiale Schlitze im Endring
aufweisen, um eine Laminierung zum Schutz gegen Foucault-Ströme zu erzeugen.
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Ebenso
kann das Kreuz 61 des beweglichen Ankers 60, 61 durch
eine Scheibe aus einem weichmagnetischen Material ersetzt werden,
das, z.B. durch Elektroerosion, in die Masse gearbeitet ist, mit radialen
Schlitzen zum Erzeugen einer Laminierung zum Schutz gegen Foucault-Ströme.
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Wie
auch immer, der bewegliche Anker 60, 61 umfasst
somit wenigstens ein Teil (Kreuz 61 oder Scheibe) aus (weichem)
magnetischem Material, das radial relativ zu seiner translationalen
Verschiebungsachse 29 relativ zum festen Anker 53 verläuft, um
den Luftspalt 62 mit diesem festen Anker 53 zu bilden.
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Ferner
umfasst die Elektropumpe 12 Mittel 63 zum elastischen
Zurückstellen
des Kolbens 27 und des beweglichen Ankers 60, 61 des
elektromagnetischen Stellglieds 26 in der Richtung, die
den Ansaugphasen der Flüssigkeit
entspricht, die aktiv sein und eine Rückstellkraft erzeugen sollen,
wenn der Ansaugdruck niedriger wird als ein Wert, Schwellenwert
genannt, insbesondere etwa 0,3 MPa. Die Rückstellmittel 63 sind vorzugsweise
nur am Wegende des Kolbens 27 während der Förderphasen aktiv.
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Es
kann auch vorgesehen werden, dass diese Rückstellmittel 63 nur
in einem Endabschnitt des Wegs des Kolbens 27 aktiv sind.
In diesem Fall sind die elektronischen Steuermittel so ausgelegt,
dass sie den Kolben 27 in diesem Endabschnitt nur dann antreiben,
wenn der Ansaugdruck niedriger wird als der Schwellendruck. Somit
sind die Rückstellmittel 63 so
lange inaktiv, wie der Ansaugdruck höher bleibt als der Schwellendruck.
Der Schwellendruck ist größer ist
als der im Haupttank 2 zulässige Mindestdruck Pmin. So
beträgt
der Schwellendruck beispielsweise etwa 0,3 MPa, während Pmin
etwa 0,1 MPa beträgt. Während der
Ansaugphasen ist somit der von den Rückstellmitteln 63 ausgeübte Rückstelldruck
gleich oder größer als
die vom Schwellendruck ausgeübte Kraft.
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Die
von den Rückstellmitteln 63 und
vom Ansaugdruck ausgeübte
Rückstellkraft
ist immer geringer als die vom Stellglied 26 während der
Förderphasen
ausgeübte
Kraft. Die Differenz zwischen diesen Kräften entspricht dem zu erzeugenden
Nennförderdruck.
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Vorteilhafterweise
sind die elastischen Rückstellmittel 63 so
gestaltet, dass sie eine Rückstellkraft erzeugen,
die etwa gleich oder größer ist
als die, die einem Ansaugdruck von etwa 0,3 MPa entspricht.
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3 zeigt
eine Ausgestaltung mit elastischen Rückstellmitteln 63,
die von einer Druckfeder 63 gebildet werden, die sich zwischen
der mittleren Hülse 42 und
dem Ende des axialen Kerns 60 befindet, wobei diese Feder 63 während der
Förderphasen
komprimiert und während
der Ansaugphasen entspannt wird.
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Ebenso
sind zum Führen
des axialen Kerns 60 radiale flexible Platten 64 mit
dem Ende des axialen Kerns 60 assoziiert, der mit dem Stab 44 verbunden
ist, und radiale flexible Platten 65 sind am freien Ende
des mit dem Kreuz 61 verbundenen axialen Kerns 60 befestigt.
Diese flexiblen Platten 64, 65 verhindern auch
eine Rotation des beweglichen Ankers 60, 61 relativ
zum Stellgliedkörper
und relativ zum festen Anker 53.
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Der
Kolben 27 hat einen Durchmesser von etwa 5 mm bis 10 mm,
insbesondere von etwa 6 mm, für
einen axialen Weg zwischen 0,5 mm und 5 mm, insbesondere von etwa
1 mm. Der Luftspalt 62 hat eine axiale Abmessung, die geringfügig größer ist
als der Weg des Kolbens 27.
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Die
flexible Membran 33 und die Ansaug-/Förderkammer 34 haben einen Durchmesser von
etwa 15 mm bis 25 mm, insbesondere von etwa 20 mm.
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Ein
Sensor 66 für
die absolute Position des beweglichen Ankers 60, 61 und
des Kolbens 27 ist gegenüber dem freien Ende 71 des
axialen Ankers 60 assoziiert. Dieser Sensor 66 der
absoluten Position ist an einem Querelement 75 befestigt,
das einstückig
mit dem Stellgliedkörper 51 ausgebildet
ist. So kann beispielsweise ein bekannter Sensor 66 des
kapazitiven Typs oder des Foucault-Stromtyps zum Einsatz kommen.
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Die
erfindungsgemäße Elektropumpe 12 umfasst
darüber
hinaus Mittel 70 zur Stromversorgung und Steuerung des
Stellglieds 26, die den Betrieb desselben mit einer Betriebsfrequenz
steuern kann, die größer ist
als 100 Hz, insbesondere zwischen 100 Hz und 300 Hz und vorzugsweise
zwischen 150 Hz und 250 Hz liegt. Diese elektronischen Mittel 70 umfassen
eine elektronische Logiksteuerschaltung, die die Automatiksteuerung 18 bildet,
eine elektronische Leistungsschaltung 72, die von der Automatiksteuerung 18 gesteuert
wird und elektrische Energie von einer Gleichspannungsquelle 73 über Filtermittel 74 erhält. Die
elektronische Leistungsschaltung 72 ist mit der Wicklung 58 verbunden,
die sie mit elektrischem Strom speist. Der Positionssensor 66 sendet
ein elektrisches Signal zur Automatiksteuerung 18, die
ferner vom Sensor 17 ein elektrisches Signal erhält, das
für den
Druck Pa repräsentativ
ist, der im Sekundärtank 13 vorliegt.
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Die
elektronischen Mittel 70 sind so gestaltet, dass sie die
Wicklung 58 mit elektrischem Impulsstrom gemäß der Betriebsfrequenz
speisen, wobei dieser Strom den beweglichen Anker 60, 61 antreiben
kann, der in den Förderphasen
aktiv ist, und den beweglichen Anker 60, 61 nicht
antreibt, der in den Ansaugphasen inaktiv ist, während der der Kolben 27 und
der bewegliche Anker 60, 61 durch den Druck der
Flüssigkeit
beim Ansaugen zurückgestellt
werden, und/oder durch die elastischen Rückstellmittel 63.
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Das
von den elektronischen Mitteln 70 erzeugte Speisestromprofil
ist auch so ausgelegt, dass ein Kontakt des beweglichen Ankers 60, 61 mit
dem festen Anker 53 am Ende der Förderphasen verhindert wird.
Ebenso umfasst das elektromagnetische Stellglied 26 einen
Wegendedämpfungsanschlag 67, der
von einer Gummidichtung gebildet wird, die am Stellgliedkörper 51 gegenüber einem
Bund 68 befestigt ist, der durch das Ende des mit dem Stab 44 des Kolbens 27 verbundenen
axialen Kerns 60 gebildet wird. So wird der Weg des beweglichen
Ankers 60, 61 und des Kolbens 27 am Ende
der Ansaugphase in jedem Fall durch den Kontakt zwischen diesem
Bund 68 und dem Anschlag 67 begrenzt, der einstückig mit dem
Stellgliedkörper 51 ausgebildet
ist.
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Die
elektronischen Mittel 70 können jedoch so ausgelegt sein,
dass ein Speisestromprofil entsteht, das die Aufgabe hat, einen
Kontakt des Bundes 68 des beweglichen Ankers 60, 61 mit
dem Anschlag 67 am Ende der Ansaugphase zu verhüten. Dann
steuern die elektronischen Mittel 70 das elektromagnetische
Stellglied 26 mit variabler Reluktanz so, dass der bewegliche
Anker 60, 61 in abwechselnden axialen Translationsbewegungen
verschoben wird, ohne mit dem festen Anker 53 oder dem
Stellgliedkörper 51 in
Kontakt zu kommen.
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8 ist
ein Beispiel für
ein Diagramm der elektronischen Leistungsschaltung 72,
die zunächst bei
H von zwei Transistoren und Dioden gebildet wird. Diese Schaltung
empfängt
eine Speisegleichspannung E und zwei Steuersignale H und L, die
von der Automatiksteuerung 18 erzeugt werden. Diese Steuersignale
H und L ermöglichen
es, den Betrieb von zwei Schaltern T1 und T2 zu steuern, die beispielsweise
von Feldeffekttransistoren gebildet werden. Die Wicklung 58 ist
zwischen der Source des Transistors T1 und dem Drain des Transistors
T2 geschaltet, und die Schaltung umfasst zwei Freilaufdioden D1,
D2.
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Wenn
die Schalter T1 und T2 geschlossen werden, dann wird ein Strom i
in der Wicklung 58 erzeugt und nimmt mit einem Gradienten
E/l zu, wobei l die Induktanz der Wicklung 58 ist. Wenn
Schalter T1 offen und Schalter T2 geschlossen ist, dann geht der durch
die Wicklung 58 passierende Strom weiter in Richtung auf
die Freilaufdiode D1. Wenn beide Schalter T1, T2 offen sind, dann
kehrt der durch die Wicklung 58 fließende Strom in Richtung auf
Versorgung zurück
und nimmt mit einem Gradienten von -E/l auf null ab.
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9 zeigt
ein elektronisches Diagramm der Automatiksteuerung 18.
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10 zeigt
ein Beispiel für
ein Timing-Diagramm der unterschiedlichen Signale, die von der Automatiksteuerung 18 in 9 erzeugt
werden.
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Die
Automatiksteuerung 18 verarbeitet und liefert die Steuersignale
H und L für
die Transistoren der Leistungsschaltung 72. Die Automatiksteuerung 18 ist
so ausgelegt, dass die Leistungsschaltung 72 ein geeignetes
Stromprofil zur Wicklung 58 sendet. Wenn der Wert e von 62 der
maximale Luftspalt ist, dann muss beim Starten einer Förderphase
eine erhebliche Kraft auf den Kolben 27 aufgebracht werden.
Diese Kraft ist proportional zu i2/e2, wobei i der Strom in der Wicklung 58 ist.
Daher muss ein hoher Impulswert für den Strom erzeugt werden.
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Die
Schaltung der Automatiksteuerung 18 in 9 erhält ein Taktsignal
CLK, das die Betriebsfrequenz bestimmt und es ermöglicht,
deren Wert einzustellen, und ein Spannungssignal VLEM von einem Stromsensor
(z.B. vom Hall-Effekt-Typ), der in die Schaltung integriert und
das Bild des in der Wicklung 58 fließenden Realstroms i ist. Sie
liefert ferner die Steuersignale H und L, die an die Transistoren
T1 und T2 der Leistungsschaltung 72 angelegt werden. Das
Taktsignal wird an die Eingänge
von zwei monostabilen Schaltungen 81, 82 angelegt,
die jeweils die Signale S1 und S2 aussenden. Mit dem ersten Signal S1
kann die Dauer der Anlassimpulse eines Einstellsignals CONS ermittelt
werden, das am Ausgang von einer Schaltung 80 zum Verstärken des
Signals S1 erhalten wird. Mit dem zweiten Signal S2 kann die Dauer
des Betriebs ermittelt werden und es bildet das Steuersignal L,
das direkt an den Transistor T2 angelegt wird.
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Das
Einstellsignal CONS ermittelt die Dauer des Stromimpulses in der
Wicklung 58. Es wird von einer Vergleichsstufe 83 mit
einem Operationsverstärker,
dessen Ausgang durch eine Verstärkungsschaltung 84 verstärkt wird,
mit dem Signal VLEM verglichen, dem Bild des Realstroms in der Wicklung 58.
Das am Ausgang erhaltene Regulierungssignal REG wird mit einer Diode 85 an
den Eingang eines Ports ET 86 angelegt, der auch das Signal
S2 als Eingang erhält
und dessen Ausgang das Steuersignal H erzeugt, das an den Transistor
T1 der Leistungsschaltung angelegt wird. Auf diese Weise wird der Strom
i reguliert. Das Regulierungssignal REG ist auf einem hohen Pegel,
wenn CONS ≥ VLEM
ist. In den Timing-Diagrammen ist der mit gestrichelten Linien angedeutete
Teil des Signals H derjenige, der vom Realstrom i (von dem nur ein
theoretisches Beispiel dargestellt ist) in der Wicklung 58 abhängig ist.
Die so bewirkte Regulierung ermöglicht
es, einen Stromwert i in der Wicklung 58 zu erhalten, der
wenigstens im Wesentlichen während
des Impulses konstant ist und verhindert, dass der Wert zu stark
ansteigt.
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Das
Filtermittel 74 kann mit einer herkömmlichen passiven Differentialmodus-Filterschaltung ausgebildet
werden, die einen reiheninduktiven Widerstand und einen parallelen
Kondensator umfasst. Eine solche Variante hat den Vorteil, dass
sie sehr einfach ist, aber den Nachteil, dass sie recht groß ist, da
der Wert der Komponenten relativ hoch sein muss.
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In
einer weiteren Ausgestaltungsvariante kann das Filtermittel 74 durch
eine aktive Filterschaltung gebildet werden, die so gestaltet ist,
dass sie aus dem für
die Spannungsquelle 73 gelieferten Strom einen Strom extrahiert,
dessen Wert gleich dem Gegensatz der Variationen des von der Leistungsschaltung 72 verbrauchten
Stroms ist, wobei der Durchschnittswert dieses verbrauchten Stroms subtrahiert
wird.
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Die
Diagramme in den 9 und 10 entsprechen
einer Automatiksteuerung 18, die keine Regelungsmittel
umfasst. Die Anziehungskraft zwischen dem beweglichen Anker 60, 61 und
dem festen Anker 53 nimmt in der ersten Annäherung proportional
zum Reziprok des Quadrats des Luftspalts zu. Am Wegende erreicht
der bewegliche Anker 60, 61 somit die Nähe des festen
Ankers 53 und erfährt
eine äußerst große Kraft,
die einen Stoß verursachen kann.
Um diesen Nachteil abzustellen, muss die Einstellung des Speisestroms
der Wicklung 58 ausreichend früh unterbrochen werden, so dass
die Kraft gelöscht
wird. Unter Berücksichtigung
der Tatsache, dass dieser Strom nicht sofort in der Wicklung 58 gelöscht werden
kann, und der Trägheit
des mechanischen Teils, ermöglicht
es die Regelung über
den Absolutpositionssensor 66, den beweglichen Anker 60, 61 mit
einer Wegeinstellung oder einem minimalen Luftspaltwert zu beaufschlagen,
der nicht überschritten
werden darf. Eine solche Steuerung kann auf herkömmliche Weise in einem Regelkreis
ausgeführt werden.
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Die
Erfindung kann Gegenstand zahlreicher Varianten im Vergleich zu
den beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausgestaltungen
sein. Insbesondere kann die Elektropumpe 12 eine Mehrzahl von
elektromagnetischen Stellgliedern 26 umfassen, die beispielsweise
auf jeder Seite desselben Pumpenkörpers 25 Kopf an Ende
montiert werden kann, um eine Doppeleffektpumpe zu erzielen. Ebenso kann
jeder Pumpenkörper
eine Mehrzahl von parallelen Kolben umfassen, um die Pumpengröße zu erhöhen.