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