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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Antrieb für Membran- oder Kolbenpumpen
mit einem Schrittmotor.
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Antriebe
des genannten Typs sind bekannt und wurden zum Beispiel im deutschen
Patent
DE 196 23 537 oder
im amerikanischen Patent
US 4
326 837 beschrieben. in der Veröffentlichung
DE 196 23 537 wird eine Membranpumpe
beschrieben, die einen Kolben enthält, der mittels eines Nockensystems,
das über
Zahnräder
von einem Schrittmotor angetrieben wird, in eine Hin- und Herbewegung
versetzt wird, wobei dieser Motor durch einen Mikroprozessor gesteuert
wird.
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Im
Verhältnis
zu Pumpenantrieben mit Gleichstrommotor hat der Schrittmotor den
Vorteil, dass elektronische Mittel es ermöglichen, den gepumpten Fluiddurchsatz
besser zu beherrschen, weil der Schrittmotor eine feine Steuerung
der Drehgeschwindigkeit des Motors sowie eine Kenntnis der Winkelstellung
des Rotors zulässt,
ohne dass dafür ein
externer Aufnehmer erforderlich wäre.
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In
Pumpen mit Schrittmotor kann der gepumpte Fluiddurchsatz variiert
werden, indem die Drehgeschwindigkeit des Motorrotors verändert wird, wodurch
die Frequenz der Hin- und Herbewegung des über einen Nockenmechanismus
an den Rotor gekoppelten Kolbens verändert wird. Die Veränderung
der Frequenz der Hin- und Herbewegung des Kolbens kann einen abträglichen
Einfluss auf die Druckvariation in der gepumpten Flüssigkeit
haben, und zwar in Abhängigkeit
von den harmonischen Frequenzen des hydraulischen Systems, in das
die Pumpe gesetzt wird, sowie vom Dämpfungsgrad der Schwingungen
oder weiteren Faktoren.
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Ein
weiteres bekanntes Mittel, in Membran- oder Kolbenpumpen den gepumpten
Durchsatz zu variieren, besteht darin, die Amplitude der Kolbenbewegung
durch mechanische Mittel zu regulieren, wie sie in der europäischen Patentanmeldung
EP 1 283 366 beschrieben
werden. In dieser Anmeldung wird die Amplitude der Bewegung der
Kolben eingestellt, indem die Exzentrizität der Nocken, die die Kolben verschieben,
angepasst wird.
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Die
mechanische Anpassung der Amplitude kann Nachteile bezüglich des
Platzbedarfs und der Komplexität
des Systems wie auch bei den Möglichkeiten
der Regelung haben.
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Ein
Ziel der Erfindung besteht darin, einen Antrieb für eiue Kolben-
oder Membranpumpe zu liefern, der präzise über einen erweiterten Funktionsbereich
geregelt werden kann.
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Es
ist von Vorteil, einen Pumpenantrieb zu liefern, der es gestattet,
die Vibrationen und die Druckvariationen des ausgestossenen Fluids
zu begrenzen.
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Es
ist von Vorteil, einen Antrieb für
Kolben- oder Membranpumpen zu liefern, der sehr präzise und
reaktionsfähig
ist, um eine sehr schnelle Modifikation des Durchsatzes des ausgestossenen
Fluids zu ermöglichen.
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Es
ist von Vorteil, einen anpassungsfähigen und wenig sperrigen Antrieb
für Kolben-
oder Membranpumpen zu liefern.
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Ziele
der Erfindung werden durch den Antrieb für Kolben- oder Membranpumpen
nach Anspruch 1 realisiert.
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In
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Antrieb für Membran- oder Kolbenpumpen
einen Schrittmotor, einen Untersetzungsmechanismus und einen Mechanismus
für die
Umwandlung der Drehbewegung in eine Translationsbewegung mit einem Drehorgan
und einem Kolbenorgan, das dafür
bestimmt ist, einen Kolben oder eine Membran der Pumpe zu bewegen,
wobei der Schrittmotor einen Rotor umfasst, der über den Untersetzungsmechanismus an
das Drehorgan angekoppelt ist und mit dem Kolbenorgan im Eingriff
steht, um es zu einer im Wesentlichen linearen Hin- und Herbewegung
zu veranlassen, dadurch gekennzeichnet, dass der Schrittmotor und
der Translationsmechanismus so eingerichtet sind, eine vor- und
rückläufige Winkelbewegung
des Drehorgans des Translationsmechanismus mit einem Winkel von
weniger als 360° zu
bewirken.
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Der
Umwandlungsmechanismus kann ein Nockenelement auf dem drehenden
Abschnitt umfassen, das mit einem komplementären Nocken auf dem Organ für die im
Wesentlichen lineare Bewegung im Eingriff steht.
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Der
Drehwinkel des drehbaren Nockenelements definiert die Amplitude
der linearen Bewegung des Kolbenorgans. Der Drehwinkel des Nockens
wird vorteilhafterweise elektronisch ebenso wie die Geschwindigkeit
und die Beschleunigungen des Motors durch die Steuerung des Schrittmotors
geregelt, ohne mechanische Regelorgane zu verlangen. Der Durchsatz
der Pumpe kann somit nicht nur durch eine Veränderung der Frequenz der Hin-
und Herbewegung des Kolbens variiert werden, sondern ebenso durch
eine Veränderung
seiner Amplitude durch elektronische Steuerung des Schrittmotors,
wodurch die Funktion der Pumpe über
einen grossen Wertebereich optimiert werden kann, d.h. für grosse
und kleine Durchsätze,
indem die Amplitude und/oder die Frequenz gesteuert werden.
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An
der Stelle eines Nockenmechanismus kann auch ein Pleuelsystem verwendet
werden, was besagt, dass das sich linear bewegende Organ mittels
eines Drehgelenks auf dem Drehteil am Ausgang der Untersetzung angebracht
ist.
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Die Übertragung
des Drehmoments des Motors über
die Untersetzung, die in Gestalt von Zahnrädern vorliegen kann, schliesst
ein, dass der Motorrotor mehrere Umdrehungen ausführen kann,
ehe ein Richtungswechsel erfolgt. Dadurch kann angesichts der Verringerung
der Bewegung über
die Untersetzung eine feinere Steuerung der Winkelbewegung und eine
bessere Steuerung der Verzögerungs- und
Beschleunigungsrampe insbesondere beim Wechsel der Drehrichtung
erreicht werden.
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Weitere
Ziele und vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung werden aus den
Ansprüchen,
der Beschreibung und den beigefügten
Zeichnungen hervorgehen, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemässen Antriebs für Kolben-
oder Membranpumpen ist;
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2a eine
Draufsicht des Pumpenantriebs ist, die eine erste Endstellung der
Kolbenbewegung zeigt;
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2b eine
der 2a ähnliche
Ansicht ist, die den Kolben in der zweiten Endstellung zeigt;
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3 eine
Ansicht des Antriebs in der Richtung III von 2b ist,
wobei die Auflageplatte obenauf ist; und
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4 ein
Schnitt entlang der Linie IV-IV von 2a ist,
wobei die Auflageplatte obenauf ist.
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Auf
die Figuren Bezug nehmend, umfasst ein Pumpenantrieb 1 einen
elektrischen Schrittmotor 2 mit einem bewickelten Stator 3 und
einem Rotor 4, einen Untersetzungsmechanismus 5,
einen Mechanismus 6 für
die Umwandlung der Drehbewegung in eine im Wesentlichen lineare
Bewegung sowie ein Kolbenorgan 7.
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Die
Untersetzung 5 umfasst Zahnräder 8, 9, 10, 11,
die eine Verringerung des Übertragungsverhältnisses
zwischen der Rotorachse 12 und der Abtriebswelle 13 der
Untersetzung bewirken. Der Umwandlungsmechanismus 6 umfasst
ein Nockenelement 14, das fest mit der Abtriebswelle 13 des
Untersetzungsmechanismus verbunden ist und mit einem komplementären Nockenelement 15 in
Gestalt eines auf das Kolbenorgan 7 montierten, frei laufenden
Rades im Eingriff steht. Das Kolbenorgan 7 ist in ein Lager 16 eines
Körpers
oder Trägers 17 des
Antriebs montiert, um das Kolbenorgan in einer Translationsbewegung
entlang einer Achse A zu führen.
In diesem Beispiel hat das Nockenorgan 14 die Gestalt einer
im Wesentlichen flachen Scheibe mit einer Öffnung 18, deren Peripherie 19 – oder zumindest
ein Teil der Peripherie – die
Funktion einer Nockenoberfläche
besitzt, die mit dem komplementären,
auf das Kolbenorgan 7 montierten Nockenelement 15 im
Eingriff steht, damit letzteres in eine Hin- und Herbewegung versetzt
wird, während
das sich drehende Nockenorgan 14 eine vor- und rückläufige Winkelbewegung
ausführt.
Das Profil der Nockenoberfläche 20, das
durch die Winkellage jedes Punktes der Oberfläche und dessen radialen Abstand
von der Drehachse des Organs 14 definiert wird, definiert
die axiale Stellung des Kolbenorgans 7.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
entspricht eine erste Winkelendstellung 20a des Nockenprofils
einer axialen Endstellung des Kolbenorgans, während die andere Winkelendstellung 20b der
Nockenoberfläche
der axialen Endstellung des Kolbenorgans in der anderen Richtung
entspricht. Die Bewegung des Nockenorgans zwischen den Winkelendstellungen 20a, 20b entspricht
somit der maximalen Amplitude des Kolbenorgans. Die entgegengesetzten
Nockenflächen 20c, 20d ermöglichen es,
das Kolbenorgan zu schieben und zu ziehen, ohne eine Rückstellfeder
zu verlangen, was die Abnutzung durch Reibung und die Anzahl der
Bauteile verringert. Die entgegengesetzten Nockenoberflächen ermöglichen
es ferner, starke Beschleunigungen und Verzögerungen zu bewirken.
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Der
Durchsatz der Pumpe kann variiert werden, indem auf die Anzahl der
durch den Rotor des Schrittmotors vor dem Richtungswechsel ausgeführten Schritte
eingewirkt wird, und zwar durch eine elektronische Steuerung, die
die Anzahl der Schritte zählt
und die Verzögerung,
das Anhalten und die Beschleunigung des Rotors des Schrittmotors
in der anderen Richtung steuert. Man kann den gepumpten Durchsatz
ferner dadurch variieren, dass die Geschwindigkeit der Bewegung
des Kolbenorgans variiert wird, indem die Schrittfrequenz des Schrittmotors elektronisch
gesteuert wird.
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Mit
der erfindungsgemässen
Vorrichtung kann ein asymmetrisches Geschwindigkeitsprofil der Hin-
und Herbewegung erreicht werden, indem mittels der elektronischen
Steuerung die Bewegung in der einen Drehrichtung mit einer anderen
Schrittfrequenz gesteuert wird als die Bewegung in der anderen Drehrichtung.
Ein asymmetrisches Bewegungsprofil kann sehr vorteilhaft sein, um
das Ansaugen und den Ausstoss der Flüssigkeit durch den Kolben in
Abhängigkeit
von den Eigenschaften der Pumpe und des hydraulischen Systems zu
optimieren, zum Beispiel, um Kavitation während des Ansaugens oder Stösse bzw.
Vibrationen während
des Ausstosses zu vermeiden.
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Der
Einsatz eines Schrittmotors bietet nicht nur den Vorteil, eine sehr
zuverlässige
und präzise Steuerung
der Amplitude und Frequenz mit einem gewünschten Geschwindigkeitsprofil
zu ermöglichen, sondern
auch den Vorteil, ein erhöhtes
Drehmoment bei verhältnismässig geringen
Drehgeschwindigkeiten zu erzeugen.
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Die
elektronische Steuerung des Motors kann vorteilhaft über eine
geräuscharme
Steuerung der Stromversorgung erfolgen, um die bekannten Resonanzen
der Schrittmotoren zu vermeiden und den Wirkungsgrad des Motors
zu optimieren. Man kann also dessen Erwärmung verringern, indem der Strom
je nach dem Funktionszustand variiert wird, zum Beispiel indem der
Strom beim Anhalten abgeschaltet wird, indem der Strom während des
Ansaugzyklus der Pumpe bei schwachem Druck verringert wird und indem
ein erhöhter
Strom oder der Sollstrom während
des Ausstosszyklus der Pumpe bei grossem hydraulischem Druck geliefert
wird.
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Der
Untersetzungsmechanismus ermöglicht es,
den Platzbedarf des Motors zu verringern und dabei noch die Rampen
der Beschleunigung und Verzögerung
des Rotors sowie die Präzision
der Positionierung des Nockenorgans, folglich auch die Amplitude und
Frequenz der Bewegung des Kolbenorgans zu verbessern.
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Der
Untersetzungsmechanismus ermöglicht es
ebenfalls, insbesondere bei Richtungswechseln Stösse zu absorbieren. Um starke
radiale Belastungen aushalten zu können, ist die Abtriebswelle 13 des
Untersetzungsmechanismus mit einem Lager in Gestalt eines Nadellagers 21 mit
geringem Platzbedarf ausgerüstet.
Das komplementäre
Nockenelement 15 des Kolbenorgans 7 ist ebenfalls
in ein Lager in Gestalt eines Nadellagers 22 montiert,
um die Reibung zwischen der Nockenoberfläche 20 und diesem Teil
zu verringern. Es muss vermerkt werden, dass das komplementäre Nockenelement 15 einen
Durchmesser besitzt, der geringfügig
kleiner als der radiale Abstand zwischen den Oberflächen der
gegenüberliegenden
Nocken 20c, 20d ist, wobei dieses geringe Spiel
es ermöglicht,
Reibung des komplementären Nockenelements
an der Oberfläche
des der eingreifenden Nockenoberfläche gegenüberliegenden Nockens zu vermeiden.
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Statt
eines Nockensystems kann die Drehbewegung am Ausgang des Untersetzungsmechanismus
auch durch ein Pleuelsystem umgewandelt werden, d.h. durch ein System,
wo das Kolbenorgan an eine Scheibe angeschlossen ist, die fest über ein drehbar
an die Scheibe und das Kolbenorgan angekoppeltes Drehgelenk mit
der Abtriebswelle des Untersetzungsmechanismus verbunden ist. Es
sei betont, dass das Kolbenorgan nicht notwendigerweise eine reine
Translationsbewegung ausführen
muss, solange eine Bewegungskomponente in einer zur allgemeinen
Ebene der Membran senkrechten Richtung vorhanden ist, um das Volumen
der Pumpe variieren zu lassen.