Hubkolben-Membranpumpe
Die Erfindung betrifft eine Hubkolben-Membranpumpe, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Membran-Pumpen nach dem Hubkolbenprinzip sind im Stand der Technik insbesondere zur Förderung von aggressiven Medien bekannt. Der Einsatz solcher Membranpumpen hat sich zur Förderung einer Harnstoff-Wasser- Lösung bei Abgasnachbehandlungssystemen von Kraftfahrzeugen etabliert. Durch die Trennung von Förderraum und Antriebsraum mittels der Membran ist gewährleistet, dass die innerhalb des Antriebsraums befindlichen Antriebselemente nicht in Kontakt mit der aggressiven Harnstoff-Wasser-Lösung gelangen.
DE 20 2005 002 471 U1 zeigt eine Membranpumpe, bei der eine Membran mit einem Kurbelantrieb verbunden ist. Die Membran ist randseitig mit einem Einspannrand versehen und zwischen einem Kurbelgehäuse und einem Pumpenkopf eingespannt. Der Kurbelantrieb versetzt die Membran in oszillierende Walkbewegungen, wodurch sich ein Förderbetrieb der Membranpumpe einstellt. Die Membran ist mit dem Kugelantrieb über einen zentrisch vorgesehenen Wulst mit großem Volumen verbunden, was die Membran nachteilig teuer macht. Dieser Wulst erschwert überdies ein Fördern eines Fluids in kleinen und hochgenauen Mengen.
DE 198 19 408 A1 zeigt eine Membranpumpe zur Förderung von gasförmigen oder flüssigen Medien. Diese Pumpe verfügt über einen elektromotorischen Nockenantrieb, der eine Membran in Hubbewegung versetzt. Hierzu ist die Membran beidseits von zwei Membrantellern eingefasst, die aus gleich großen Scheiben in Ringform bestehen. Eine Schraube durchsetzt die Membran und die beiden Membranteller zentrisch und gewährleistet eine Verbindung mit einer Nockenscheibe des Nockenantriebs, wodurch eine Hubbewegung des
Nockenantriebs auf die Membran übertragen wird. Die erläuterte Verbindung der Membran mit dem Nockenantrieb hat den Nachteil einer Vielzahl von Einzelteilen und einer entsprechend aufwendigen und damit ungenauen Montage.
DE 199 10 920 B4 zeigt eine mit Wechselstrom betriebene, als Schwing- ankermembranpumpe ausgebildete Hubkolben-Membranpumpe zur Förderung von gasförmigen und flüssigen Medien. Die Membranpumpe umfasst einen Förderraum und einen Antriebsraum, wobei in dem Antriebsraum ein Antriebselement mit hieran angeschlossener Führungsstange in einem Gehäuse axial verlagerbar aufgenommen ist und durch Antriebsmittel in oszillierenden Hubbewegungen verschieblich ist. Ein Federelement spannt das Antriebselement gegen die angetriebene Bewegung vor. Der Förderraum und der Antriebsraum sind durch eine Membran voneinander getrennt, wobei der Förderraum über Sperrventile zu einem Einlass- und einem Auslasskanal führt. Eine halbkugelförmige Kuppe der Führungsstange ist in die Membran als Befestigungselement eingesetzt und in einer von der Membran abgekehrte Umfangsnut der Führungsstange sitzt ein Materialwulst der Membran, wobei die Membran bei jeder Hubbewegung mitgenommen wird und so ein Fluid über die Sperrventile durch den Einlasskanal hinein und durch den Auslasskanal hinaus gefördert wird.
DE 94 03 193 U 1 zeigt eine Membran für eine Membranpumpe zum Fördern eines brennbaren Fluids. Die Membran besteht aus Kunststoff, ist kreisförmig ausgebildet und an ihrem Rand mit einem Befestigungswulst zum Einspannen in ein Gehäuse ausgebildet. Im Mittelbereich ist die Membran mit einer scheibenförmigen Ausnehmung ausgebildet, die zur Aufnahme eines Befestigungselements dient.
DE 10 2005 015 117 B4 zeigt eine Hubkolben-Pumpe zur Förderung von flüssigem Brennstoff durch einen Antriebsraum hindurch, der zugleich der Förderraum ist, und daher auch keine Membran aufweist. Durch Bestromen von Antriebsmitteln wird ein Antriebselement elektromagnetisch entgegen der
Kraft einer Rückstellfeder in Bewegung versetzt. Werden die Antriebsmittel nicht bestromt, drückt die Rückstellfeder das Antriebselement in seine Ausgangsstellung.
DE 10 2004 011 123 A1 zeigt eine Hubkolben-Membranpumpe zur Förderung einer Harnstoff-Wasser-Lösung. Die Pumpe umfasst ein Gehäuse und eine darin befindliche Spule. Innerhalb der Spule ist ein topfförmiges Antriebselement gegen die Kraft eines Federelements axial beweglich. Der Boden des topfförmigen Antriebselements liegt einseitig gegen eine Membran aus thermo- plastischem oder vulkanisiertem Elastomer an, in der ein als Tellerfeder ausgebildetes Federelement integriert ist. In die Tellerfeder und die Membran ist zentral ein Befestigungselement eingesetzt, das sich als Ansatz mit einem Umfangsgewinde fortsetzt und in den Boden des Antriebselements eingeschraubt ist. Auf der dem Antriebselement gegenüberliegenden Seite der Membran ist ein Pumpenkopf mit einem darin befindlichen Förderraum, der über Sperrventile zum Einlass- und Auslasskanal verbunden ist, angebracht.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Hubkolben-Membranpumpe zu schaffen, bei der eine kostengünstige, stabile und exakte Verbindung der Membran mit einem Antriebselement der Pumpe möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Hubkolben-Membranpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Eine erfindungsgemäße Hubkolben-Membranpumpe umfasst ein mit einer Membran verbundenes Befestigungselement, das mit einem Antriebselement der Membranpumpe befestigbar ist. Das Befestigungselement ist in sich starr ausgebildet und gewährleistet somit eine exakte Verbindung zwischen Membran und dem Antriebselement mit einer hohen Toleranzgenauigkeit.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Befestigungselement mit dem Antriebselement verschraubt sein. Hierzu kann das Befestigungselement
ein Außengewinde aufweisen, das in ein daran angepasstes Innengewinde des Antriebselements eingeschraubt wird. Umgekehrt kann das Befestigungselement auch ein Innengewinde aufweisen, in das ein an dem Antriebselement vorgesehener Stift mit einem Außengewinde eingeschraubt wird. Das Verschrauben hat den Vorteil einer leichten und damit preiswerten Montage mit geringem Aufwand und einer Einstellbarkeit, um ein resultierendes Fördervolumen der Hubkolben-Membranpumpe infolge eines veränderlichen Abstands zwischen Membran und einer Stirnseite des Antriebselements zu justieren. Darüber hinaus lässt sich mittels der Verschraubung die Membran von dem Antriebselement demontieren, wodurch ein Austausch der Membran vorgenommen werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Befestigungselement einen Gewindeabschnitt auf, auf den ein Innengewinde des Antriebselements aufschraubbar ist. Damit kann das Befestigungselement zusammen mit der Membran bereits in der Membranpumpe, beispielsweise in deren Kernflansch, festgelegt sein, und das beispielsweise als Ankerkolben ausgebildete Ankerelement kann durch Verschrauben axial in eine solche Ausgangsposition bewegt werden, dass die Charakteristika des Magnetfeldes und die gewünschte Hublänge optimal eingestellt werden. Hierzu kann zweckmäßig ein Werkzeug an das Antriebselement angesetzt werden, wobei ein Ringspalt oder eine Buchse, beispielsweise aus Teflon, eine radiale Drehbeweglichkeit des Antriebselements zu dem Kernflansch ermöglicht.
Der Gewindeabschnitt umfasst zweckmäßigerweise eine Aussparung, in die ein Spreizglied einsetzbar ist. Die Aussparung kann einen zylindrischen oder kegeligen Bereich zwischen Gewindeabschnitt-Ringsegmenten umfassen, wobei im Falle einer durchbrochenen Mantelfläche auch diese Durchbrechung von dem Spreizglied verschlossen werden kann. Das Spreizglied dient dazu, nach dem Verschrauben eine radiale Verspannung mit dem Innengewinde des Antriebselements zu bewirken, um eine nachträgliche Veränderung der axialen Position zu verhindern. Hierzu kann das Spreizglied konisch oder keilförmig ausgebildet sein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Spreizglied scheibenförmig ausgebildet, und wird in einer entsprechend scheibenförmigen Aussparung des Gewindeabschnitts eingesetzt. Das Spreizglied weist dann zwei mit Gewinde versehene Schenkel auf, die zusammen mit dem Gewindeabschnitt einen gemeinsamen Gewindeverlauf definieren. Zwischen den Schenkeln ist ein Spreizkeil vorgesehen, der in einer Freigabestellung zwischen den Schenkeln gehalten ist, diese aber nicht außerhalb des Umfangs der Gewindeabschnitte vorspannt, und in einer weiteren Endstellung, in der er formschlüssig festlegbar ist und die Schenkel gegen das Innengewinde des Antriebselements vorspannt. Durch die scheibenförmige Ausgestaltung des Spreizgliedes und die Festlegung der Schenkel an dem Innengewinde fixiert der Spreizkeil damit auch das Antriebselement gegen eine Verdrehung relativ zu dem Gewindeabschnitt.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist es möglich, das Spreizglied als Spreizkegel oder Konus auszubilden, wobei die komplementär ausgebildete Aussparung diesen aufnimmt und für das Spreizglied eine erste Stellung aufweist, in der der Gewindeabschnitt nicht gegen das Innengewinde des Antriebselements verspannt wird und eine zweite Stellung, in der das Spreiz- glied den Gewindeabschnitt gegen das Innengewinde vorspannt. Hierzu ist der Gewindeabschnitt zweckmäßigerweise in wenigstens zwei Gewindeabschnittshälften unterteilt, möglicherweise aber auch in drei Drittel oder noch mehr Teile, so dass die Gewindeabschnitte sich ähnlich wie die Schenkel nach außen deformieren lassen.
Alternativ oder kumulativ kann das Antriebselement auch mittels eines Klebstoffs im Bereich des Gewindes an den Gewindeabschnitt festgelegt werden. Hierzu wird zweckmäßigerweise ein Klebstoff auf das Innengewinde des Antriebselements aufgetragen, der erst nach dem Erreichen der optimalen axialen Position aushärtet. Dies kann beispielsweise durch Erwärmen, insbesondere induktives Erwärmen durch die Spule des Elektromagneten, erfolgen. In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung kann das Befestigungselement mit dem Antriebselement verstemmt oder verclipst sein. Dies gewähr-
leistet eine preiswerte und positionsgenaue Befestigung des Befestigungselements an dem Antriebselement.
Erfindungsgemäß kann das Befestigungselement in die Membran eingebettet aufgenommen sein. Die Einbettung erfolgt vorzugsweise so, dass das Befestigungselement aus der Membran an ihrer dem Antriebsraum gegenüberliegenden Seite herausragt, um eine Befestigung mit dem Antriebselement zu ermöglichen. Diese Einbettung erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass das Befestigungselement in die Membran einvulkanisiert ist. Erfindungsgemäß ist das Befestigungselement scheibenförmig ausgebildet, wobei vorzugsweise der
Durchmesser des Befestigungselements im Wesentlichen dem Durchmesser der Membran entspricht. Dies führt vorteilhaft dazu, dass eine Verschiebung des Antriebselements der Pumpe sich in einer großflächigen Verformung der Membran niederschlägt, woraus ein hochgenaues Fördervolumen der Pumpe resultiert. An ihren Rändern steht die Membran ausreichend weit über das darin eingebettete Befestigungselement hervor, um ein Verformen der Membran bzw. eine Hubbewegung zu gewährleisten.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist das Befestigungselement aus Metall hergestellt. Hierdurch ist eine formstabile und präzise Befestigung mit dem Antriebselement möglich. Alterungs- beziehungsweise Ermüdungserscheinungen des Befestigungselements sind hinsichtlich der vergleichsweise geringen Antriebskräfte, die von dem Antriebselement auf die Membran übertragen werden, vernachlässigbar gering.
In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann das Befestigungselement einstückig mit dem Antriebselement ausgebildet sein, z. B. als Flansch an dessen Stirnseite. Der Außendurchmesser dieses Flansche ist größer als der Durchmesser des Antriebselements und eignet sich somit als Befestigungs- fläche für die Membran. Infolge des vergrößerten Außendurchmessers des Flansches gegenüber dem Hauptkörper des Antriebselements kann die Membran den Flansch hintergreifen, was eine dauerhafte und präzise Verbindung der Membran mit dem Befestigungselement bzw. mit dem Flansch
gewährleistet. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch eine weitere Verminderung von Bauteilen aus, da die Membran direkt mit dem Antriebselement verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Hubkolben-Membranpumpe umfasst ein Antriebselement, das in einem Gehäuse der Membranpumpe längsverschieblich aufgenommen und durch Antriebsmittel verschieblich ist, wobei das Antriebselement durch ein Federelement entgegen einer Kraft der Antriebsmittel vorgespannt ist. Das Federelement gewährleistet ein Rückstellen der Membran bzw. des Antriebsmittels nach einem jeweiligen Hub. In vorteilhafter Weise kann das Federelement koaxial zum Antriebselement innerhalb des Gehäuses angeordnet sein. Dies vermindert den beanspruchten Bauraum der Pumpe und führt zu kompakten Außenabmessungen. Eine weitere Verminderung der Baumaße kann dadurch erzielt werden, dass das Federelement zumindest teilweise innerhalb des Antriebselements aufgenommen ist. Alternativ hierzu kann das Federelement in Kontakt mit einer der Membran entgegengesetzten Stirnseite des Antriebselements sein.
Das Federelement kann in Form einer preisgünstigen Schraubenfeder oder einer Tellerfeder ausgebildet sein, wobei eine freie Federlänge an einen Hub des Antriebselements angepasst ist. Bei nur geringem Hub des Antriebselements kann eine Tellerfeder in Kontakt mit einer der Membran entgegengesetzten Stirnseite des Antriebselements sein, was eine einfache und preiswerte Ausgestaltung des Antriebselements ermöglicht.
Die Antriebsmittel der Hubkolben-Membranpumpe können aus einem elektromagnetischen Antrieb gebildet sein, bei dem ein von einer Ringspule erzeugtes Magnetfeld auf einen Magnetanker einwirkt, wodurch der Magnetanker, der als Antriebselement dient, innerhalb des Gehäuses längsverschieblich angetrieben wird. Alternativ hierzu ist ein elektromotorischer Antrieb für das Antriebselement möglich.
Zweckmäßigerweise ist in dem Einlasskanal bzw. dem Auslasskanal jeweils ein Sperrventil zugeordnet, wobei das dem Einlasskanal zugeordnete Sperrventil ein Rückschlagen von in den Förderraum eingesogener Flüssigkeit zurück in den Einlasskanal verhindert, und das dem Auslasskanal zugeordnete Sperr- ventil ein Rückschlagen von in den Auslasskanal ausgestoßener Flüssigkeit zurück in den Förderraum unterbindet. Es ist möglich, die Sperrventile als Kugelventile auszubilden, bei denen ein als Kugel ausgebildetes Ventilglied durch eine Feder in Richtung auf einen entsprechenden Sitz vorgespannt ist. Alternativ kann das Sperrventil auch als Plattenventil ausgebildet sein, bei dem das Ventilglied aus dem Plattenmaterial einer Membranplatte ausgeschnitten ist und eine Verbindungszunge mit der Membranplatte verbunden ist, und unter der Elastizität des Plattenmaterials auf einen entsprechenden Ventilsitz vorgespannt ist. Mit dieser Lösung ist die Teilezahl geringer und auch die Baulänge kann reduziert werden.
Die erfindungsgemäße Membranpumpe eignet sich insbesondere zur Verwendung bei Kraftfahrzeugen, z. B. zur Förderung und Dosierung einer aggressiven Harnstofflösung, um diese in den Abgasstrang einzuspritzen. Alternativ oder zusätzlich kann die Membranpumpe zur Förderung eines Fluids bzw. der genannten Harnstofflösung von einem Vorratsbehälter hinein in einen anderen Vorratsbehälter eingesetzt werden. Bei einem solchen Umpumpen von einem Vorratsbehälter in einen anderen dient die Membranpumpe als Transferpumpe. Falls das Fahrzeug mit einer Mehrzahl von Behältern bzw. Zusatz- oder Zwischentanks ausgerüstet ist, kann eine Mehrzahl von Membranpumpen vorgesehen sein, wobei eine jeweilige Membranpumpe zwischen zwei miteinander durch geeignete Leitungen in Verbindung stehenden Behältern angeordnet ist und ein Fördern bzw. Pumpen des Fluids von einem Behälter in den anderen ermöglicht.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand mehrerer Ausführungsbeispiele in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Seitenansicht einer Membran mit einem daran befestigten Befestigungselement und Antriebselement einer Hubkolben-Membranpumpe. Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch ein erstes bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer Hubkolben-Membranpumpe mit einer Membran und einem Antriebselement gemäß Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine seitliche Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Membran mit einem daran befestigten Befestigungselement und Antriebselement.
Fig. 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer weiteren Ausführungsform einer Membran mit einem daran befestigten Befestigungselement und Antriebselement.
Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer Hubkolben-Membranpumpe. Fig. 6 zeigt eine perspektivische Ansicht von Kolben, Membran, Einlegeteil und Gewindespreizelement der Hubkolben-
Membranpumpe gemäß Fig. 5.
Fig. 7 zeigt einen Längsschnitt durch Kolben, Membran, Einlegeteil und
Gewindespreizelement der Hubkolben-Membranpumpe gemäß Fig. 6. Fig. 8 zeigt eine alternative Verbindung von Kolben und Einlegeteil.
Fig. 9 zeigt ein Einpress- und Rastelement der Verbindung aus Fig. 8.
Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt durch ein drittes bevorzugtes
Ausführungsbeispiel einer Hubkolben-Membranpumpe.
Fig. 11 zeigt eine prinzipiell vereinfachte Ansicht eines erfindungsgemäßen Abgasnachbehandlungssystems, bei dem in einer Leitung von einem Reduktionsmittel-Tank zu einer vor einem Katalysator angeordneten Einspritzdüse eine Membranpumpe gemäß Fig. 2, 5 oder 10 angeordnet ist.
Fig. 12 zeigt eine Verwendung der Hubkolben-Membranpumpe gemäß Fig. 2, 5 oder 10.
Fig. 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer Membran 1 einer erfindungsgemä- ßen Hubkolben-Membranpumpe 9. In die Membran 1 ist ein Befestigungselement in Form eines metallischen Einlegeteils 2 eingebettet aufgenommen. Das Einlegeteil 2 ist scheibenförmig ausgebildet und mit seinem Außendurchmesser im Wesentlichen an einen Durchmesser der Membran 1 angepasst. Die Membran 1 ist mit ihrem Durchmesser nur so viel größer als das Einlegeteil 2 ausgebildet, als wie es für eine Verformung der Membran 1 in Richtung des in Fig. 1 gezeigten Pfeils erforderlich ist.
Die Membran 1 weist an einer Breitseite einen hervorstehenden umlaufenden Rand 3 auf, der eine Öffnung 4 begrenzt. Der Rand 3 umschließt eine innerhalb der Membran 1 ausgebildete Tasche 5, die durch die Öffnung 4 von der Breitseite der Membran 1 her zugänglich ist. Das Einlegeteil 2 ist durch die Öffnung 4 in die Tasche 5 eingesetzt, wobei der Rand 3 einen Umfangsrand des Einlegeteils 2 seitlich umschließt. Somit ist ein unvorhergesehenes und selbsttätiges Herausrutschen des Einlegeteils 2 aus der Tasche 5 nicht möglich. Die Membran 1 ist aus Gummi oder dergleichen hergestellt so dass das Einbetten des Einlegeteils 2 in die Tasche 5 durch ein Einvulkanisieren begleitet ist, wodurch eine feste Verbindung zwischen Einlegeteil 2 und Membran 1 gewährleistet ist.
An seiner der Membran 1 entgegengesetzten Seite weist das Einlegeteil 2 zumindest zwei Finger 6 auf, die sich in einer Richtung weg von der Membran 1 erstrecken. Die Finger 6 dienen zur Befestigung mit einem Antriebselement, was nachstehend noch erläutert ist.
Die Membran 1 dient zum Einsatz bei einer Membranpumpe nach dem Hubkolbenprinzip, die ein Antriebselement in Form eines Kolbens aufweist. Dieser Kolben ist in einem Gehäuse der Pumpe längsverschieblich aufgenommen und wird durch geeignete Antriebsmittel in eine Hin- und Herbewegung versetzt.
In Fig. 1 ist das Antriebselement einer Hubkolben-Membranpumpe 9 als Kolben 7 gezeigt. Der Kolben 7 weist an einer Stirnseite eine Befestigungsnut 8 auf, deren Innendurchmesser kleiner als ein Außendurchmesser des Kolbens 7 ist. Die Befestigung der Membran 1 mit dem Kolben 7 erfolgt dadurch, dass die beiden Finger 6 des Einlegeteils 2 radial nach innen umgeformt werden und dabei in die Nut 8 eingreifen. Durch die Befestigung der Membran 1 an dem Kolben 7 ist gewährleistet, dass eine Antriebsbewegung des Kolbens 7 als Hubbewegung auf die Membran 1 übertragen wird.
Das Einlegeteil 2 ist vorzugsweise aus einem Metall hergestellt, wobei das Verformen bzw. Umbiegen der Finger 6 plastisch erfolgt und dadurch eine dauerhafte Verbindung zwischen Einlegeteil 2 und Kolben 7 gewährleistet ist. Alternativ zu den zwei Fingern 6 kann das Einlegeteil 2 an seiner der Membran 1 entgegengesetzten Breitseite auch einen umlaufenden Flansch 6' aufweisen, der zum Verbinden mit dem Kolben 7 in die Nut 8 hinein verformt bzw. verstemmt wird. Der Flansch 61 greift dabei kreisförmig in die Nut 8 ein, so dass eine Befestigung des Einlegeteils 2 entlang des Umfangs der Nut 8 gewährleistet ist.
Nachstehend ist unter Bezugnahme auf Fig. 2 eine Verwendung der Membran 1 mit dem Kolben 7 in einer Hubkolben-Membranpumpe 9 erläutert.
Fig. 2 zeigt eine Längs-Querschnittsansicht einer Hubkolben-Membranpumpe 9. Die Pumpe 9 umfasst ein Gehäuse 10 und einen Pumpenkopf 11 , der an dem Gehäuse 10 befestigt ist. Das Gehäuse 10 umschließt einen Antriebsraum 10a, in dem der Kolben 7 entlang einer Längsachse 12 der Pumpe 9 längsverschieblich aufgenommen ist. In einem Randbereich des Gehäuses 10 ist an
dessen Innenfläche eine Spule 13 aufgenommen, die den Kolben 7 zumindest teilweise umschließt. In dem Gehäuse 10 ist koaxial zum Kolben 7 an seiner der Membran 1 entgegengesetzten Stirnseite ein Joch 14 aufgenommen, das von einer Jochscheibe 15 innerhalb des Gehäuses 10 gehalten ist. In dem Joch 14 ist eine Schraubenfeder 16 aufgenommen, die zumindest teilweise in der ihr gegenüberliegenden Stirnseite des Kolbens 7 aufgenommen ist und den Kolben 7 in Richtung des Pumpenkopfes 11 vorspannt.
Die Membran 1 weist an ihrem Außenumfang einen Befestigungswulst 17 auf, der in eine entsprechende Vertiefung im Pumpenkopf 11 eingreift. Hierdurch ist die Membran 1 bezüglich des Pumpenkopfes 11 gehalten. Der Pumpenkopf 11 weist einen Einlasskanal 18 und einen Auslasskanal 19 auf, wobei der Einlassund Auslasskanal 18, 19 jeweils in einen Förderraum 20 münden. Der Förderraum 20 wird auf einer Seite durch die Membran 1 begrenzt. Zwischen dem Förderraum 20 und dem Einlasskanal 18 bzw. dem Auslasskanal 19 ist jeweils ein Sperrventil 21 angeordnet. Bei einem Bestromen der Spule 13 wird der Kolben 7 gegen die Kraft der Schraubenfeder 16 vom Pumpenkopf 11 wegbewegt, d. h. in Fig. 2 nach links. Bei einem Entregen der Spule 13 erfolgt durch die Kraft der Schraubenfeder 16 eine Bewegung des Kolbens 7 in die entge- gengesetzte Richtung, d. h. in Fig. 2 nach rechts. Durch die feste Verbindung zwischen Membran 1 und Kolben 7 wird die Membran 1 in eine oszillierende Hubbewegung versetzt, was im Förderraum 20 abwechselnd einen Über- und Unterdruck erzeugt. Entsprechend wird ein Fluid durch den Einlasskanal 18 und den Auslasskanal 19 in Richtung der dargestellten Zeile gefördert, wobei die Sperrventile in Richtung der Pfeile aufgrund der sich durch die Hubbewegung der Membran 1 einstellenden Druckverhältnisse öffnen und schließen.
In Fig. 3 ist die Membran 1 in einer alternativen Ausführungsform gezeigt. Hierbei weist das Einlegeteil 2 an seiner der Membran 1 entgegengesetzten Seite ein Innengewinde 22 auf. Der Kolben 7 weist an seiner Stirnseite gegenüberliegend zum Einlegeteil 2 ein Außengewinde 23 auf. Der Kolben 7 ist mit dem Innengewinde 22 verschraubt, so dass eine Schraubverbindung zwischen Einlegeteil 2 und Kolben 7 vorliegt. Bei der Verschraubung kann eine (nicht
gezeigte) Kontermutter vorgesehen sein, die auf das Außengewinde 23 aufgeschraubt ist und mit einem Randbereich des Einlegeteils 2 in Kontakt ist. Durch eine solche Kontermutter lassen sich ein vorbestimmter Abstand zwischen Einlegeteil 2 und Kolben 7 bzw. eine vorbestimmte Einschraubtiefe ein- stellen, um dadurch einen Hub der Membran 1 vor einer Inbetriebnahme der Pumpe 9 zu justieren. Die Schraubverbindung zwischen Einlegeteil 2 und Kolben 7 ermöglicht ebenfalls ein Austauschen der Membran 1 zu Wartungszwecken oder dergleichen. Die Ausführungsform der Membran 1 gemäß der Darstellung von Fig. 3 kann in gleicher weise wie vorstehend erläutert bei einer Pumpe gemäß Fig. 2 zum Einsatz kommen.
In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform einer Membran 1 gezeigt. Hierbei weist der Kolben 7 an seiner der Membran 1 gegenüberliegenden Stirnseite einen Flansch 24 auf, der in der Tasche 5 der Membran 1 eingefasst ist. Somit dient der Flansch 24 als Befestigungselement bzw. als Einlegeteil 2, um die Membran 1 mit dem Kolben 7 zu verbinden.
Es versteht sich, dass die Ausführungsformen gemäß der Fig. 3 und 4 in gleicher Weise wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1 für einen Einsatz in einer Hubkolben-Membranpumpe 9 gemäß Fig. 2 geeignet sind.
Fig. 5 zeigt ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe 109. Dieselben Bezugszeichen bezeichnen hierbei dieselben oder strukturell vergleichbare Teile wie bei den vorherigen Ausfüh- rungsbeispielen, insbesondere in Fig. 2.
Bei der Hubkolben-Membranpumpe 109 ist ein Pumpenkopf 11 aus Kunststoff an einem Gehäuse 10 befestigt, wobei das Gehäuse 10 einen Antriebsraum 10a umschließt, in dem ein Kolben 7 entlang seiner Längsachse 12 längsver- schieblich aufgenommen ist. Eine Spule 13 ist in dem Gehäuse 10 aufgenommen und umschließt den Kolben 7 zumindest teilweise. Ferner ist in dem Gehäuse 10 ein Joch 14 aufgenommen, das einstückig mit einer entsprechenden Jochscheibe 15 ausgebildet ist. In dem Joch 14 ist eine Schraubenfeder 16
aufgenommen, die zumindest teilweise in der ihr zugekehrten Stirnseite des Kolbens 7, der einen Aktor der Hubkolben-Membranpumpe 9 bildet, aufgenommen ist, und damit den Ankerkolben 7 in Richtung auf den Pumpenkopf 11 vorspannt. Der Kolben 7 ist gegenüber einem Kernflansch 30 durch eine Buchse 31 radial umschlossen, die eine axiale Verlagerung des Kolbens 7 zulässt. Eine Kappe 32 spannt eine Druckausgleichsmembran 33 gegen das Joch 15 ein. Der Pumpenkopf 11 ist über ein entsprechendes Sicherungsteil an den Kernflansch 30 angeschlossen.
Die Membran 1 weist an ihrem Außenumfang einen Befestigungswulst 17 auf, der in einer entsprechenden Vertiefung des Kernflansch 30 eindringt, wobei der Pumpenkopf 11 die Membran 1 zusätzlich festlegt.
Zwischen der Membran 1 einerseits und dem Pumpenkopf 11 mit dem Einlass- kanal 18 und dem Auslasskanal 19 andererseits ist ein Förderraum 20 definiert, wobei der Einlasskanal und der Auslasskanal in den Förderraum 20 münden. Auf der dem Förderraum 20 abgekehrten Seite weist die Membran 1 einen umlaufenden Rand 3 auf, der eine innerhalb der Membran 1 ausgebildete Tasche 5 umschließt, wobei durch eine entsprechende Öffnung 4 ein Einlege- teil 2, das an den Kolben oder Ankerkolben 7 anschließbar ist, einsetzbar ist.
Man erkennt, dass der Rand 3 nur einen geringfügig kleineren Durchmesser als die Tasche 5 aufweist, so dass die Membran 1 beim Einsetzen des Einlegeteils 2 kaum deformiert werden muss. Das Teil 2 ist in die Membran 1 einvulkanisiert, so dass das metallische Teil 2 an der aus Gummi hergestellten Membran 1 günstig angeschlossen ist. Das Einlegeteil 2 ist über eine verrastbare
Schraubverbindung, die nachstehend im Einzelnen noch erläutert wird, mit dem Kolben 7 verbunden.
In Fig. 6 und 7 sind der Kolben 7, die Membran 1 , das Einlegeteil 2 sowie deren nachstehend noch im Einzelnen zu erläuternde Verbindung in einer vergrößerten Darstellung gut zu erkennen. Die Membran 1 ist an das Einlegeteil 2 anvulkanisiert, so dass das Einlegeteil 2 nicht relativ zu der Membran 1 verdreht werden kann.
Von dem Einlegeteil 2 steht axial ein Gewindeabschnitt 134 ab, der aus zwei mit einem Gewindegang versehenen Zylinderabschnitten 134a und 134b besteht. Im Bereich des Anschlusses an das Anlegeteil 2 ist ferner jeweils eine Entlüftungsnut 135a vorgesehen. Zwischen den beiden Zylinderabschnitten 134a, 134b, ist eine scheibenförmige Aufnahme 135 gebildet, in die ein Gewindespreizelement 136 aus Kunststoff einsetzbar ist, wobei das Gewindespreizelement 136 ein mit dem Gewinde 134 zusammenpassenden Gewindeumfang entlang zweier Schenkel 136a, 136b aufweist, so dass bei eingesetz- tem Gewindespreizelement 136 das resultierende Außengewinde mit einem korrespondierenden Innengewinde 7a des Kolbens 7 zusammengreift.
Das Gewindespreizelement 136 weist ferner eine innenseitige Rastverzahnung 136c auf, in die ein Rastkeil 137 mit einer Außenverzahnung aufgenommen ist, welches über eine Kunststoffverbindung 136d mit dem Gewindespreizelement 136 verbunden ist. Zum Anschließen der Membran 1 an den Kolben 7 wird zunächst das Gewindespreizelement 136 mit nur leicht eingeschobenem Rastkeil 137 in die Aufnahme 135 eingesetzt, wobei ein zentraler Vorsprung 136e des Gewindespreizelements 136 in Anlage mit dem Einlegeteil 2 gelangt und damit sicherstellt, dass die mit Gewinde versehenen Umfangs-Abschnitte zusammenpassen.
Sodann wird mit Hilfe eines Werkzeugs der Ankerkolben 7 auf das Umfangs- gewinde aus den beiden Zylinderabschnitten 134a, 134b und den beiden Schenkeln des Gewindespreizelements 136 aufgeschraubt, wodurch eine sehr günstige Anpassung an den Konus des Kernflansches ermöglicht wird, so dass eine optimale Anpassung an die Magnetkennlinie durch den definierten Abstand zum Konus des Kernflansches erreicht wird. Weist der Kolben 7 den gewünschten Abstand auf, wird das Keilelement 137 in Richtung auf die Membran 1 verlagert, beispielweise durch ein Werkzeug geschoben. Durch die Keilform des Keilelements 137 und die entsprechende Verzahnung des Gewindespreizelements 136 werden die beiden Schenkel des Gewindespreizelements 136 nach außen gedrückt, wodurch die entsprechenden
äußeren Gewindeabschnitte gegen das Innengewinde 7a des Kolbens 7 verspannt werden. Das Verlagern des Keilelements 137 kann durch den Kanal 7b, der in dem Kolben 7 vorgesehen ist, leicht erfolgen.
Fig. 8 zeigt eine alternative Ausgestaltung zur Festlegung des Kolbens 7 an das Einlegeteil 2 der Hubkolben-Membranpumpe 109, wobei dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 6 und 7 dieselben Teile bezeichnen. Hierbei ist ein Einpress- und Rastelement 236 in einen konischen Innenraum eines dem Einlegeteil 2 zugeordneten Gewindeabschnitts 134 eingesetzt, und nach dem Verschrauben mit dem Innengewinde 7a des Kolbens 7 wird das Einpress- und Rastelement 236 derart durch den Kanal 7b in Richtung auf die Membran 1 gedrückt, dass die Gewindeabschnitte 134a, 134b gegen das Innengewinde 7a des Kolbens 7 verspannt werden. Hierbei kann ebenfalls vorgesehen sein, dass ein scheibenförmiges Spreizelement zwischen den Gewindeabschnitten vorgesehen ist, es kann aber auch ausreichen, die beiden Gewindeabschnitte 134a, 134b auf diese Weise auseinander zu drücken. Statt des konisch ausgebildeten Einpress- und Rastelement 236 kann auch ein Keil oder dergleichen vorgesehen sein. Zum Schrauben des Kolbens 7 weist dieser einen polygonalen Ansatz 7c für ein Werkzeug auf. Man erkennt in Fig. 9, dass das Einpress- und Rastelement 236 an seinem Außenumfang eine umlaufende Verzahnung 236a aufweist; der konische Innenraum der Gewindeabschnitte 134a, 134b kann mit korrespondierenden Zähnen ausgebildet sein, um ein formschlüssiges Verriegeln zu erreichen.
Fig. 10 zeigt eine abgewandelte Hubkolbenpumpe 109', die im Prinzip dem
Aufbau der Hubkolbenpumpe 109 gemäß Fig. 5 entspricht, so dass dieselben Bezugszeichen wie in Fig. 5 dieselben oder strukturell vergleichbare Teile bezeichnen. Im Unterschied zu Fig. 5 ist der Pumpenkopf 11' aus Fig. 10 kürzer, so dass die Baulänge der Hubkolbenpumpe 109' insgesamt kürzer ausfällt.
An den eigentlichen Pumpenkopf 11' mit dem Einlasskanal 18 und dem Auslasskanal 19 ist in der entsprechenden zylindrischen Ausnehmung des
Kernflansches 30 ein Plattenkörper 50 und einem Membranplatte 51 vorgesehen. Der Plattenkörper 50 weist Bohrungen auf, die in etwa dem Durchmesser des Einlasskanals 18 bzw. des Auslasskanals 19 entsprechen, und die die Verbindung zum Förderraum 20 herstellen. Im Bereich des Einlasskanals 18 weist der Pumpenkörper 11 ' am Übergang zur Membranplatte 51 einen Sitzabschnitt 11a auf, gegen den sich ein Ventilglied 51a aus dem Plattenmaterial der Membranplatte 51 aufgrund seiner Vorspannung abstützt. Das Ventilglied 51a dient als Rückschlagventil und verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Förderraum 20 in den Einlasskanal 18 zurück gedrängt wird. Das Ventil- glied 51a ist hierbei über einen Verbindungsabschnitt mit der Membranplatte 51 verbunden. Auch dem Auslasskanal 19 ist ein Ventilglied 51b aus dem Material der Membranplatte 51 zugeordnet, wobei der entsprechende Sitz 50a in dem Plattenkörper 50 vorgesehen ist. Dieses Ventilglied 51b stellt sicher, dass über den Hub der Membran 1 aus dem Förderraum 20 in den Auslasskanal 19 verdrängte Flüssigkeit nicht zurück in den Förderraum 20 gelangt.
Der Pumpenkopf 11' kann zusammen mit dem Plattenkörper 50 und der Membranplatte 51 leicht montiert werden, und durch ein entsprechendes Verriegelungselement an dem Kernflansch 30 festgelegt werden. Durch diese Ausgestaltung lässt sich die Teilezahl reduzieren, so dass nicht für jeden der
Einlass- und Auslasskanäle seperate Kugelventile vorgesehen werden müssen. Zweckmäßigerweise sind an dem Pumpenkopf 11' im Bereich seiner Anlagefläche mit der Membranplatte 51 Positionierhilfen in Gestalt von vorstehenden Noppen gebildet, die entsprechende Löcher in der Membranplatte 51 durch- setzen und zugleich in Sacklochbohrungen des Plattenkörpers 50 eingreifen, so dass sichergestellt ist, dass diese stets die richtige Position zueinander einnehmen.
Man erkennt, dass die an das Anlegeteil 2 anvulkanisierte Membran 1 einen Gewindeabschnitt aufweist, der in das Innengewinde 7a des Kolbens 7 eingeschraubt ist, bzw. auf den das Innengewinde 7a des Kolbens 7 aufgeschraubt wird. In einer Ausnehmung des Gewindeabschnitts ist kein Spreizglied eingesetzt, vielmehr erfolgt die Verbindung des Gewindeabschnitts mit dem Innen-
gewinde durch eine Klebung. Hierzu wird ein Klebstoff auf das Innengewinde 7a des Kolbens 7 aufgestrichen, und dann der genaue Abstand durch Aufschrauben eingestellt, bevor der Klebstoff aushärtet. Es ist möglich, einen thermisch härtenden Klebstoff hierfür vorzusehen.
In Fig. 11 ist ein System 70 zur Nachbehandlung eines Abgases eines Verbrennungsmotors mit einem Reduktionsmittel gezeigt, bei dem die erfindungsgemäße Membranpumpe 9 eingesetzt werden kann. Das System 70 arbeitet nach dem Prinzip des SCR-Verfahrens, bei dem ein Reduktionsmittel in Form einer wässrigen Harnstoff-Wasser-Lösung in die Abgase eines Dieselmotors stromaufwärts eines SCR-Katalysators eingespritzt wird.
Mit dem System 70 können die Grenzwertstufen Euro 4 und Euro 5 eingehalten und die einleitend genannten Vorteile des SCR-Verfahrens erzielt werden. Die Membranpumpe 9 eignet sich aufgrund der genannten Medientrennung zwischen Antriebsraum 10a und Förderraum 20 vorzüglich zum Dosieren eines aggressiven Reduktionsmittels.
Nachstehend ist das System 70 im Detail erläutert.
Das System 70 umfasst einen Tank 71 , in dem die Harnstoff-Wasser-Lösung enthalten ist. Eine Verbindungsleitung 72 führt zu einer Einspritzdüse 73, die stromaufwärts eines Katalysators 74 an einem Abgasrohr 75 eines (nicht gezeigten) Diesel-Verbrennungsmotors befestigt ist. In der Verbindungsleitung 72 ist eine Membranpumpe 9 angeordnet, die oben unter Bezugnahme auf die Fig. 2 erläutert ist. Die Membranpumpe 9 dient in dem System 70 als Dosierpumpe, um die Harnstoff-Wasser-Lösung aus dem Tank 71 an die Einspritzdüse 73 zu dosieren und in das Abgasrohr 75 einzuspritzen.
Die Membranpumpe 9 ist an eine Steuereinheit 76 angeschlossen, die wiederum an eine Motorsteuerung 77 angeschlossen ist. Mittels der Steuereinheit wird das Bestromen der Magnetspule 13 gesteuert, um dadurch einen Hub und eine Frequenz für den Kolben 7 einzustellen. Hieraus resultiert ein
veränderliches Fördervolumen für die Harnstoff-Wasser-Lösung. Das bei der obigen Erläuterung der Membranpumpe 9 so genannte flüssige Medium ist bei dem System 70 als die wässrige Harnstoff-Wasser-Lösung zu verstehen.
Die Steuereinheit 76 kann über die Motorsteuerung 77 an verschiedene Betriebszustände des Motors, wie z. B. Leerlauf, Vollgas oder dergleichen, angepasst werden. Hierdurch können für die Membranpumpe 9 verschiedene Betriebszustände erzielt werden, die in Bezug auf die Menge der einzuspritzenden Harnstoff-Wasser-Lösung an den jeweiligen Motor-Betriebszustand ange- passt sind.
Das System 70 weist nur eine Verbindungsleitung 72 auf, die von dem Tank 71 zur Einspritzdüse 73 führt. Es ist keine weitere Rückleitung von der Düse 73 zurück zum Tank 71 vorgesehen. Mit der Membranpumpe 9 lassen sich aus- reichend hohe Drücke erzielen, so dass die Harnstoff-Wasser-Lösung mit der gewünschten Dispersion in das Abgasrohr 75 eingespritzt wird. Beispielsweise können mit der Membranpumpe 9 Drücke von größer als 10 bar erzeugt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Membranpumpe 9 und ihren zugehörigen erfindungsgemäßen Komponenten ist eine äußerst präzise und Gegendruck unabhängige Dosierung von Fluiden bis hin zu mehreren Atmosphären Gegendruck möglich, zum Beispiel mit Druckwerten von größer als 10 bar. Durch die Trennung des Antriebsraums 10a von dem Förderraum 20 mittels der Membran 1 ist auch ein Dosieren von aggressiven Medien, zum Beispiel einer wässrigen Harnstoff-Wasser-Lösung, möglich.
In Fig. 12 ist eine weitere Verwendung der Membranpumpe 9 gemäß Fig. 2 gezeigt. Ein erster Behälter 40 ist mit einem zweiten Behälter 41 mittels einer Leitung 42 verbunden, wobei die Membranpumpe 9 an die Leitung 42 angeschlossen ist. Die Membranpumpe 9 bildet somit einen Teil der Leitung 42, so dass es mittels der Membranpumpe 9 möglich ist, ein in dem Behälter 40 enthaltenes Fluid durch die Leitung 42 in den zweiten Behälter 41 zu
fördern. Ein solches Fördern kann mit hoher Genauigkeit und ggf. hohem Durchsatz erfolgen.
Soweit vorstehend in Fig. 11 oder 12 die Membranpumpe 9 aus Fig. 2 genannt ist, kann alternativ auch die Membranpumpe 109 aus Fig. 5 oder die Membranpumpe 109' aus Fig. 10 vorgesehen werden.