DE102015011936A1

DE102015011936A1 - Vorrichtung aus mindestens zwei Hubkolbenpumpen bestehend und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung

Info

Publication number: DE102015011936A1
Application number: DE102015011936.2A
Authority: DE
Inventors: Olaf Ohligschläger; Thomas Rolland; Axel Müller
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2015-09-12
Filing date: 2015-09-12
Publication date: 2017-03-16

Abstract

Aufgabe: Dosierung oder Förderung kleiner Mengen von Arbeitsfluid mittels preiswerter elektromagnetischer Hubkolbenpumpen, bei bedarfsgerechter Aufteilung von Druck und Volumenstrom auf mehrere Pumpen. Lösung: Die Vorrichtung enthält eine Mehrzahl von Hubkolbenpumpen (2) und weist eine elektrische Ansteuerung (14) auf, die alle enthaltenen Hubkolbenpumpen (2, 2') mittels ihrer antreibenden Elektromagnete (10, 10') durch elektrische Pulse mit derselben Frequenz und mit einstellbarem zeitlichen Versatz steuert. Anwendung: Förderung oder Dosierung geringer Mengen von Arbeitsfluid vorzugsweise in Fahrzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, bestehend aus mindestens zwei Hubkolbenpumpen entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs und Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung.
Stand der Technik:
Vorrichtungen, die aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteten Hubkolbenpumpen bestehen, sind bekannt, zum Beispiel aus der Druckschrift DE 10 2013 005 560 A1 . Parallel geschaltete Hubkolbenpumpen werden auch als bekannt vorausgesetzt. In Reihe geschaltete Hubkolbenpumpen werden dort eingesetzt, wo wegen ungünstiger Ansaugbedingungen eine Vorförderung erforderlich ist, oder dort, wo eine Pumpe allein den erforderlichen Ausgangsdruck nicht erreichen kann und deshalb eine Aufteilung des Drucks auf eine Mehrzahl von Pumpen erforderlich ist. Parallel geschaltete Pumpen werden eingesetzt, wenn der erforderliche Volumenstrom bedarfsgerecht auf mehrere Pumpen aufgeteilt werden soll. Es ist bekannterweise möglich, die Aufteilung des Drucks und/oder des Volumenstroms auf mehrere Pumpen durch geschaltete Ventile bedarfsgerecht vorzunehmen. Dazu werden elektromagnetisch geschaltete oder druckgeschaltete Ventile verwendet, auch der Einsatz geregelter Ventile für solche Zwecke ist bekannt. Bei der Anwendung kleiner Pumpen ergibt sich wegen der geringen erforderlichen Fördermenge für die genannten Ventile ein hoher Anteil der Kosten und des Bauraums für die Vorrichtung.
Aufgabe:
Wenn man aber für die Dosierung oder Förderung kleiner Mengen von Arbeitsfluid preiswerte elektromagnetische Hubkolbenpumpen, zum Beispiel entsprechend der Druckschrift DE 4328621 A1 , einsetzen will, ist bisher keine Lösung für eine bedarfsgerechte Aufteilung von Druck und Volumenstrom auf mehrere Pumpen bekannt, die geeignet ist, die spezifischen Vorteile dieser Hubkolbenpumpen zu erhalten. Diese Vorteile sind die geringen Kosten, die einfache Ansteuerung durch elektrische Pulse und die variable Förderung mittels einer Änderung der Pulsfrequenz.
Lösung:
Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs beschrieben, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die beiden letzten Ansprüche beschreiben Verfahren zum Betrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Die Vorrichtung enthält eine Mehrzahl von elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen, die jeweils durch elektrische Pulse angesteuert werden. Vorzugsweise sind diese Pulse zeitlich begrenzte elektrische Spannungspulse, die durch Ein- und Ausschalten einer vorhandenen Spannung in einer elektrischen Ansteuerung erzeugt werden. Der elektrische Strom zur Krafterzeugung im Elektromagneten ergibt sich dann jeweils durch den elektrischen Widerstand der Magnetspule, verzögert wegen der Induktivität der Magnetspule. Alternativ ist auch eine Ansteuerung mit einem gepulsten, geregelten elektrischen Strom möglich, dann ist die elektrische Ansteuerung aufwendiger, aber es ergibt sich unabhängig von der Höhe der Versorgungsspannung und der Temperatur der Magnetspule immer die bestmögliche Stromstärke. Mittels der Frequenz dieser elektrischen Pulse lässt sich die Fördermenge der jeweiligen Hubkolbenpumpe stufenlos einstellen, solange die genannte Frequenz unterhalb einer Grenzfrequenz bleibt, die sich vorrangig aus der Induktivität der Magnetspule ergibt. Wenn alle Hubkolbenpumpen der Vorrichtung elektrische Pulse gleicher Frequenz erhalten, arbeiten sie in einer vorteilhaften und steuerbaren Weise zusammen. Erfolgen die elektrischen Pulse an alle Hubkolbenpumpen gleichzeitig und gleichlang, bewegen sich auch alle Hubkolben gleichzeitig, und das nutzt man zur gleichmäßigen Aufteilung des Ausgangsdrucks der Vorrichtung auf die einzelnen Hubkolbenpumpen. Die Vorrichtung als Ganzes kann damit einen erheblich höheren Druck erzeugen als eine einzelne Hubkolbenpumpe.
Wenn aber die elektrischen Pulse bei gleicher Frequenz mit einem zeitlichen Versatz V so erfolgen, dass jeweils eine Hubkolbenpumpe fördert, während die anderen ansaugen oder stillstehen, erhöht sich die durchschnittliche Fördermenge der Vorrichtung auf das N-fache der Fördermenge einer Hubkolbenpumpe, wobei N die Anzahl der Hubkolbenpumpen in der Vorrichtung ist. Der Ausgangsdruck wird allerdings nicht auf die Hubkolbenpumpen aufgeteilt. Dazu ist es aber erforderlich, dass jede Hubkolbenpumpe das Arbeitsfluid frei von ihrem Einlass zu ihrem Auslass durchleitet, wenn sie nicht fördert. Diese Eigenschaft der Durchleitfähigkeit wird durch die ohnehin vorhandenen Rückschlagventile in den Hubkolbenpumpen bereitgestellt, es müssen lediglich Rückschlagventile mit geringer Druckdifferenz zum Öffnen ausgewählt werden.
In einer dritten Betriebsart der Vorrichtung werden die Hubkolbenpumpen wieder mit einem zeitlichen Versatz V betrieben, aber so, dass die Förderhübe der einzelnen Pumpen sich überlappen. Damit lässt sich eine stufenlose Erhöhung der Gesamtfördermenge der Vorrichtung erreichen, denn entsprechend des Zeitanteils, in dem keine Überlappung der Förderhübe vorliegt, fördert die Vorrichtung mehr Arbeitsfluid als eine einzelne Hubkolbenpumpe. Es ergibt sich auch für bestimmte Betriebszustände eine automatische druckabhängige Anpassung der Fördermenge der Vorrichtung, wenn nur mehrere Hubkolbenpumpen den Lastdruck gemeinsam überwinden können; dann erfolgt nur eine Förderung der Vorrichtung, wenn sich die Förderhübe überlagern.
Im Vergleich zur Reihenschaltung herkömmlicher elektromagnetischer Hubkolbenpumpen lässt sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Kostenminderung erzielen, weil die Gesamtzahl der Rückschlagventile geringer ist. Es kann jeweils eine Hubkolbenpumpe die Rückschlagventile der benachbarten Hubkolbenpumpen mit nutzen, um den Fluidstrom zu steuern. Der erforderliche Bauraum der Vorrichtung ist geringer und günstiger angeordnet als bei einer Parallelschaltung mehrerer Hubkolbenpumpen konventioneller Bauart.
Eine weitere Kostenminderung kann man erreichen, wenn man für mehrere Hubkolbenpumpen ein gemeinsames Gehäuse vorsieht. Wenn es erforderlich ist, eine freie Durchströmung der Vorrichtung im Stillstand zu verhindern, ist beispielsweise ein zusätzliches geschaltetes Ventil vorzusehen, das bei einer Förderung der Hubkolbenpumpen elektromagnetisch eingeschaltet wird und im Stillstand der Vorrichtung durch eine Feder geschlossen wird. Vorteilhafterweise wird dieses Ventil auch von der genannten elektrischen Ansteuerung geschaltet.
Anwendung:
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird zur Förderung oder Dosierung geringer Mengen von Arbeitsfluid vorzugsweise in Fahrzeugen eingesetzt.
Bilder:
1 zeigt schematisch eine beispielhafte Ausführung der Vorrichtung mit zwei Hubkolbenpumpen und einem zusätzlichen Einlassventil
2 zeigt schematisch eine Ausführung der Vorrichtung mit zwei Hubkolbenpumpen und einem zusätzlichen Auslassventil
3 zeigt schematisch eine Ausführung der Vorrichtung mit zwei Hubkolbenpumpen, einem zusätzlichen Einlassventil und einem zusätzlichen Auslassventil
4 zeigt schematisch eine Ausführung der Vorrichtung mit zwei Hubkolbenpumpen, einem zusätzlichen Einlassventil und einem zusätzlichen elektromagnetisch geschalteten Auslassventil
5 zeigt in Diagrammform das zeitliche Zusammenwirken der elektrischen Pulse für die drei verschiedenen Betriebsarten.
Beispielhafte Ausführung:
Die Vorrichtung (1) zur Förderung und/oder Dosierung eines Arbeitsfluids gemäß 1 enthält mindestens zwei Hubkolbenpumpen (2, 2'), wobei die in Durchflussrichtung erste Hubkolbenpumpe auf der Seite ihres Einlasses (5) mit dem Einlass (3) der Vorrichtung verbunden ist. Die zweite Hubkolbenpumpe (2') ist einlassseitig mit dem Auslass (6) der ersten Hubkolbenpumpe (2) verbunden.
Die zweite Hubkolbenpumpe ist auslassseitig mit dem Auslass (4) der Vorrichtung verbunden. Jede Hubkolbenpumpe weist zwei Verdrängerräume (7, 8) auf und enthält einen Kolben (9), der jeweils die beiden Verdrängerräume (7, 8) trennt. Der Kolben (9) wird jeweils von einem Elektromagneten (10) in eine Richtung und von einer Rückstellfeder (11) in die andere Richtung gedrückt. Jede Hubkolbenpumpe weist ein Rückschlagventil (12) auf, das die beiden Verdrängerräume (7, 8) fluidisch so verbindet, dass ein Durchfluss nur von dem einlassseitigen Verdrängerraum (7) zu dem auslassseitigen Verdrängerraum (8) zugelassen wird. Die Vorrichtung enthält mindestens ein weiteres Rückschlagventil (13), das den Einlass der Vorrichtung und/oder den Auslass der Vorrichtung fluidisch so steuert, dass nur ein Durchfluss von dem Einlass der Vorrichtung zu dem Auslass der Vorrichtung zugelassen wird. In einer ersten Ausführung gemäß 1 enthält die Vorrichtung ein Rückschlagventil (13), das den Einlass (3) der Vorrichtung mit dem Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe (2) fluidisch verbindet, wenn der Druck im Einlass (3) der Vorrichtung höher ist als der Druck im Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe. In einer zweiten Ausführung gemäß 2 enthält die Vorrichtung ein Rückschlagventil (13'), das den Auslass (6) der zweiten Hubkolbenpumpe (2) mit dem Auslass (4) der Vorrichtung fluidisch verbindet, wenn der Druck im Auslass (6) der letzten Hubkolbenpumpe höher ist als der Druck im Auslass (4) der Vorrichtung. In einer dritten Ausführung gemäß 3 enthält die Vorrichtung zwei Rückschlagventile (13, 13'), nämlich eines, das den Einlass (3) der Vorrichtung mit den Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe (2) fluidisch verbindet, wenn der Druck im Einlass (3) der Vorrichtung höher ist als der Druck im Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe, und ein weiteres, das den Auslass (6) der zweiten Hubkolbenpumpe (2) mit dem Auslass (4) der Vorrichtung fluidisch verbindet, wenn der Druck im Auslass (6) der zweiten Hubkolbenpumpe höher ist als der Druck im Auslass (4) der Vorrichtung.
Vorzugsweise sind die den Hubkolbenpumpen zugeordneten Rückschlagventile (12, 12') in den Kolben (9, 9') angeordnet.
Die Vorrichtung weist eine elektrische Ansteuerung (14) auf, die alle enthaltenen Hubkolbenpumpen mittels ihrer antreibenden Elektromagnete durch elektrische Pulse mit derselben Frequenz und mit einstellbarem zeitlichen Versatz steuert.
Die elektrische Ansteuerung (14) ist vorzugsweise mit einer Stromversorgung (15) und einem elektrischen Signalgeber (16) verbunden, wobei der Signalgeber (16) die elektrische Ansteuerung (14) veranlasst, die Elektromagnete (10) der Hubkolbenpumpen (2) entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt mit elektrischen Pulsen anzusteuern, wobei der zeitliche Versatz auch von dem Signalgeber (16) vorgegeben wird.
Vorteilhafterweise weist eine Mehrzahl von Hubkolbenpumpen (2, 2') ein gemeinsames Gehäuse (17) auf.
Weiter vorteilhafterweise weist die Vorrichtung gemäß 4 auslassseitig ein elektromagnetisch geschaltetes Ventil (18) auf, das bei einem Stillstand aller Hubkolbenpumpen (2, 2') nicht elektrisch angesteuert wird und den Einlass (3) oder den Auslass (4) sicher und dicht abschließt, auch bei einem Ausfall der elektrischen Spannungsversorgung. Wenn die Hubkolbenpumpen das Arbeitsfluid fördern sollen, erhält das Ventil (18) von der elektrischen Ansteuerung (14) ein Signal zum Öffnen. Das elektromagnetisch geschaltete Ventil kann auch einlassseitig in der Vorrichtung angeordnet sein.
Zum Betrieb der Vorrichtung (1), ist die elektrische Ansteuerung (14) dazu eingerichtet, wahlweise eine von drei verschiedenen, von einem Signalgeber (16) ausgewählten Betriebsarten einzunehmen, wie in 5 als Zeitverlauf der elektrischen Pulse schematisch dargestellt:

• eine erste Betriebsart, in der alle Hubkolbenpumpen gleichzeitig und gleichlang elektrisch angesteuert werden
• eine zweite Betriebsart, in der die Hubkolbenpumpen so zeitlich versetzt elektrisch angesteuert werden, dass nur jeweils eine Hubkolbenpumpe Arbeitsfluid vom Einlass (5) zum Auslass (6) verdrängt
• eine dritte Betriebsart, in der die Hubkolbenpumpen um einen Versatz V zeitlich versetzt, aber zeitlich überlappend elektrisch angesteuert werden, so dass zeitanteilig eine Hubkolbenpumpe (2) gleichzeitig mit mindestens einer anderen Hubkolbenpumpe (2') Arbeitsfluid vom Einlass (5) zum Auslass (6) verdrängt und alternativ zeitanteilig Arbeitsfluid verdrängt, das diese andere Hubkolbenpumpe (2') mittels eines Rückschlagventils (12) durchströmt.

Vorteilhafterweise steuert in der dritten Betriebsart der elektrischen Ansteuerung der Signalgeber (16) auch den Zeitanteil für den gleichzeitigen Verdrängerbetrieb von mehr als einer Hubkolbenpumpe.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Hubkolbenpumpe
3: Einlass der Vorrichtung
4: Auslass der Vorrichtung
5: Einlass der Hubkolbenpumpe
6: Auslass der Hubkolbenpumpe
7: Verdrängerraum einlassseitig
8: Verdrängerraum auslassseitig
9: Kolben
10: Elektromagnet
11: Rückstellfeder
12: Rückschlagventil
13: Rückschlagventil
14: Elektrische Ansteuerung
15: Elektrische Stromversorgung
16: Elektrischer Signalgeber
17: Gehäuse
18: Geschaltetes Ventil
V: Versatz

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102013005560 A1 [0002]
DE 4328621 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Förderung und/oder Dosierung eines Arbeitsfluids mit den folgenden Merkmalen: – die Vorrichtung enthält mindestens zwei Hubkolbenpumpen (2, 2') – die in Durchflussrichtung erste Hubkolbenpumpe ist auf der Seite ihres Einlasses (5) mit dem Einlass (3) der Vorrichtung verbunden – alle weiteren Hubkolbenpumpen sind einlassseitig mit dem Auslass (6) der vorhergehenden Hubkolbenpumpe verbunden – die letzte Hubkolbenpumpe ist auslassseitig mit dem Auslass (4) der Vorrichtung verbunden – jede Hubkolbenpumpe weist zwei Verdrängerräume (7, 8) auf – jede Hubkolbenpumpe weist einen Kolben (9) auf, der von einem Elektromagneten (10) in eine Richtung und von einer Rückstellfeder (11) in die andere Richtung gedrückt wird – der Kolben (9) trennt jeweils die beiden Verdrängerräume (7, 8) der Hubkolbenpumpen voneinander – jede Hubkolbenpumpe weist ein Rückschlagventil (12) auf, das die beiden Verdrängerräume fluidisch so verbindet, dass ein Durchfluss nur von dem einlassseitigen Verdrängerraum (7) zu dem auslassseitigen Verdrängerraum (8) zugelassen wird – die Vorrichtung enthält mindestens ein weiteres Rückschlagventil (13), das den Einlass der Vorrichtung und/oder den Auslass der Vorrichtung fluidisch so steuert, dass nur ein Durchfluss von dem Einlass der Vorrichtung zu dem Auslass der Vorrichtung zugelassen wird – die Vorrichtung weist eine elektrische Ansteuerung (14) auf, die alle enthaltenen Hubkolbenpumpen (2, 2') mittels ihrer antreibenden Elektromagnete (10, 10') durch elektrische Pulse mit derselben Frequenz und mit einstellbarem zeitlichen Versatz steuert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Rückschlagventil (13) enthält, das den Einlass (3) der Vorrichtung mit dem Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe (2) fluidisch verbindet, wenn der Druck im Einlass (3) der Vorrichtung höher ist als der Druck im Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Rückschlagventil (13') enthält, das den Auslass (6) der letzten Hubkolbenpumpe (2) mit dem Auslass (4) der Vorrichtung fluidisch verbindet, wenn der Druck im Auslass (6) der letzten Hubkolbenpumpe höher ist als der Druck im Auslass (4) der Vorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Rückschlagventile (13, 13') enthält, nämlich eines, das den Einlass (3) der Vorrichtung mit den Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe (2) fluidisch verbindet, wenn der Druck im Einlass (3) der Vorrichtung höher ist als der Druck im Einlass (5) der ersten Hubkolbenpumpe, und ein weiteres, das den Auslass (6) der letzten Hubkolbenpumpe (2) mit dem Auslass (4) der Vorrichtung fluidisch verbindet, wenn der Druck im Auslass (6) der letzten Hubkolbenpumpe höher ist als der Druck im Auslass (4) der Vorrichtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Hubkolbenpumpen zugeordneten Rückschlagventile (12, 12') in den Kolben (9, 9') angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von Hubkolbenpumpen (2, 2') ein gemeinsames Gehäuse (17) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung (14) mit einer Stromversorgung (15) und einem elektrischen Signalgeber (16) verbunden ist, wobei der Signalgeber (16) durch elektrische Signale die elektrische Ansteuerung (14) veranlasst, die Elektromagnete (10) der Hubkolbenpumpen (2) entweder gleichzeitig oder zeitlich versetzt mit elektrischen Pulsen anzusteuern, wobei der zeitliche Versatz auch von dem Signalgeber (16) vorgegeben wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 5, 6 oder 7 dadurch gekennzeichnet, dass sie einlassseitig oder auslassseitig ein elektromagnetisch geschaltetes Ventil (18) aufweist, das bei einem Stillstand der Vorrichtung den Einlass (3) oder den Auslass (4) sicher und dicht abschließt, auch bei einem Ausfall der elektrischen Stromversorgung (15), wobei dann, wenn die Hubkolbenpumpen (2, 2') von der elektrischen Ansteuerung (14) pulsartige elektrische Signale erhalten, das Ventil (18) von der elektrischen Ansteuerung (14) ein elektrisches Signal zum Öffnen erhält.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung (1), die aus einer Mehrzahl von in Reihe miteinander fluidisch verbundenen elektromagnetisch angetriebenen Hubkolbenpumpen (2, 2') und einer elektrischen Ansteuerung (14) besteht, die alle Hubkolbenpumpen mit gleicher Frequenz pulsartig ansteuert, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Ansteuerung (14) dazu eingerichtet ist, wahlweise eine von drei verschiedenen, von einem Signalgeber (16) ausgewählten Betriebsarten einzunehmen – eine erste Betriebsart, in der alle Hubkolbenpumpen (2, 2') gleichzeitig und gleichlang elektrisch angesteuert werden – eine zweite Betriebsart, in der die Hubkolbenpumpen (2, 2') so zeitlich versetzt elektrisch angesteuert werden, dass nur jeweils eine Hubkolbenpumpe Arbeitsfluid vom Einlass (5) zum Auslass (6) verdrängt – eine dritte Betriebsart, in der die Hubkolbenpumpen (2, 2') zeitlich versetzt, aber zeitlich überlappend elektrisch angesteuert werden, so dass zeitanteilig eine Hubkolbenpumpe (2) gleichzeitig mit mindestens einer anderen Hubkolbenpumpe (2') Arbeitsfluid vom Einlass (5) zum Auslass (6) verdrängt und während eines anderen Zeitanteils Arbeitsfluid verdrängt, das diese andere Hubkolbenpumpe (2') mittels eines Rückschlagventils (12') durchströmt.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der dritten Betriebsart der elektrischen Ansteuerung der Signalgeber (16) auch den Zeitanteil für den gleichzeitigen Verdrängerbetrieb von mehr als einer Hubkolbenpumpe steuert, wobei sich abhängig von dem erforderlichen Druck der Last ein höherer Volumenstrom als bei einer einzelnen Hubkolbenpumpe oder eine Druckaufteilung auf die gleichzeitig fördernden Hubkolbenpumpen ergibt.