Antriebsvorrichtung für eine Pumpe, insbesondere eine Flüssigkeitsdosierpumpe

Abstract

 Die für eine Flussigkeitsdosierpumpe bestimmt Antriebs­vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer moto­risch angetriebenen Exzenterscheibe (10), einem durch die Exzenterscheibe entgegen der Kraft einer Rückhol­feder (12) verschiebbaren Pumpenstößel (14) sowie einer Anordnung (16) zur Speicherung mechanischer Energie. Die Speicheranordnung (16) wird im Verlauf der Rückhol­phase des Pumpenstößels (14) durch die motorgetriebene Scheibe (10) auf einen Zustand höherer potentieller Energie aufgeladen, die in der Vorschubphase zur Unter­stützung der Motorkraft genutzt werden kann.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung für eine Pumpe, insbesondere eine Flüssigkeitsdosierpumpe, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

[0002] Bekannte Dosierpumpen mit elektromotorischem Antrieb dieser Art weisen ein Untersetzungsgetriebe auf, über das eine Exzenter- oder Kurvenscheibe angetrieben wird, die ihrerseits auf den Pumpenstößel einwirkt. Der Rück­hub wird mit einer Rückholfeder ausgeführt. Weiter kann ein Hubbegrenzer vorgesehen sein, der von außen einstellbar ist. Dieses Prinzip ist sowohl für Membran­pumpen als auch für Kolbenpumpen anwendbar. Die Motor­kraft wird dort nur für den Vorschub des Pumpenstößels aufgewandt. Beim Rückhub wird der Motor leer zurückge­dreht. Im Verlauf des Vorschubs nimmt die vom Elektro­motor auf den Pumpenstößel zu übertragende Kraft von einem relativ niedrigen Wert stetig bis zu einem Spitzenwert bei maximaler Auslenkung zu. Der Antriebs­motor muß dabei hinsichtlich seiner Leistung fur die Spitzenlast ausgelegt werden. Bei den bekannten Dosier­pumpen bedeutet dies aber, daß über einen großen Teil des Hubzyklus, vor allem beim Rückhub, die zur Verfügung stehende Motorleistung ungenutzt bleibt, so daß im Mittel eine Überdimensionierung des Motors erforderlich ist.

[0003] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die bekannte Antriebsvorrichtung dahingehend zu verbessern, daß trotz gleicher Spitzenbelastung in der Vorschubphase eine kleinere Motordimensionierung ermöglicht wird.

[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe wird ie im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 angegebene Merkmalskombination vorge­schlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0005] Der erfindungsgemäßen Lösung liegt der Gedanke zugrunde, daß während der Rückholphase des Pumpenstößels Motor­energie in Form von potentieller mechanischer Energie gespeichert wird, die in der Vorschubphase zur Unter­stützung der Motorkraft genutzt werden kann. Dement­sprechend ist erfindungsgemäß eine Anordnung zur Speicherung mechanischer Energie vorgesehen, die im Verlauf der Rückholphase des Pumpenstößels durch die motorgetriebene Exzenter- oder Kurvenscheibe auf einen Zustand höherer potentieller Energie aufladbar ist und durch die eine entgegen der Kraft der Rückholfeder gerichtete Kraft auf den Pumpenstößel übertragbar ist.

[0006] Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Speicheranordnung mindestens eine unter Vor­spannung stehende Feder als Speicherorgan auf. Hierfur kommt vor allem eine Druckfeder, insbesondere ein Tellerfedernpaket in Betracht. Aber auch Schrauben­federn, Torsionsfedern oder Spiralfedern sind als Feder­organe möglich. Grundsätzlich ist es auch möglich, ein elastomeres Material oder einen Gasdruckspeicher als Speicherorgane zu verwenden.

[0007] Die Speicheranordnung weist zweckmäßig einen im Gegen­takt zum Pumpenstößel entgegen der Kraft des Speicher­organs durch die motorgetriebene Scheibe verschiebbaren Speicherstößels sowie ein zwischen dem Pumpenstößel und dem Speicherstößel angeordnetes, die Scheibe über brückendes Kopplungsglied auf. Das Kopplungsglied hält die einander zugewandten, gegen die Scheibe wirkenden Stirnflächen der beiden Stößel auf einem Abstand voneinan­der, der geringfügig, vorzugsweise um etwa 0,05 bis 0,1 mm, größer als der Scheibendurchmesser ist.

[0008] Eine optimale Anpassung der Speicheranordnung an die Pumpenlast wird dann erzielt, wenn die von der Speicher­anordnung auf den Pumpenstößel übertragbare Kraft etwa 25 bis 50 % der Spitzenlast entspricht und wenn die von der motorgetriebenen Scheibe zur Ladung der Speicheran­ordnung aufzuwendende Kraft maximal etwa 50 bis 75 % der auf der Seite des Pumpenstößels auftretenden Spitzen­last entspricht. Eine solche Antriebsvorrichtung kann bei gegebener Leistung des Elektromotors um etwa 30 % mehr Pumpenleistung erbringen. Umgekehrt kann bei ge­gebener Pumpenleistung ein entsprechend kleinerer und dadurch billigerer Motor als bisher verwendet werden.

[0009] In der Zeichnung ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung in schematischer Weise dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 bis 3 eine Draufsicht auf eine Antriebsvorrichtung für einen Pumpenstößel mit mechanischer Speicher­anordnung in verschiedenen Betriebszuständen.

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer Antriebsvorrichtung.

[0010] Die in der Zeichnung dargestellte Antriebsvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer motorisch angetriebenen Exzenterscheibe 10, einem durch die Exzenterscheibe entgegen der Kraft einer Rückholfeder 12 verschieb­baren Pumpenstößel 14 sowie einer Anordnung 16 zur Speicherung mechanische Energie. Die Speicheran­ordnung 16 weist einen in einer gehäusefesten Führung 18 geführten Speicherstößel 20 sowie einen Satz auf dem Stößel 20 angeordneter, zwischen einer Stößel­schulter 22 und einer gehäusefesten Schulter 24 unter Vorspannung eingespannter Tellerfedern 26 auf. An dem Speicherstößel 20 ist ein Kopplungsglied 28 angeformt, das die Exzenterscheibe mit seinen Auslegern 29 im seitlichen Abstand käfigartig umgreift und mit seiner Stirnfläche 30 gegen eine Ringschulter 32 des Pumpen­stößels 14 anschlagbar ist. Die Stirnfläche 30 des Kopplungsgliedes 28 ist durch einen ringförmigen An­schlagschuh 30′ gebildet, der auf dem rückwärtigen Teil 14′ des Pumpenstößels 14 gefuhrt ist.

[0011] Die aus einer Innenscheibe 34 und einem auf dieser kugelgelagerten Laufring 36 bestehende Exzenterscheibe 10 ist mit ihrer exzentrischen Drehachse 38 auf der Abtriebswelle eines nicht dargestellten elektrischen Getriebe- oder Schrittmotors gelagert. Diese Drehachse 38 ist ortsfest zwischen den beiden Stößelführungen 18,40 angeordnet. Die Exzenterscheibe befindet sich zwischen den einander zugewandten Stirnflächen 42,44 der beiden Stößel 14,20, gegen die sie mit ihrer Mantelfläche 46 je nach Drehlage wechselweise anschlägt. Durch das gegen die Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlagende Kopplungsglied 28 des Speicherstößels 20 wird zwischen den beiden Stirnflächen 42,44 ein Abstand definiert, der geringfügig, vorzugsweise um ca. 0,05 bis 0,1 mm, größer als der Scheibendurchmesser aber wesentlich kleiner als der Stößelhub ist. Aus Gründen der besseren Darstellung sind diese Abstände in der Zeichnung nicht maßstäblich wiedergegeben. Zur Einstellung des Pumpenhubs ist am Gehäuse ein stift­ förmiger Begrenzungsanschlag 48 in seiner Achsrichtung verschiebbar angeordnet, gegen dessen kegelförmige Spitze 50 eine schräge Anschlagfläche 52 des Pumpen­stößels 14 unter der Einwirkung der Rückholfeder 12 anschlagbar ist.

[0012] In dem in Fig. 1 dargestellten Ausgangszustand ist die Exzenterscheibe 10 zum Speicherstößel 20 hin maximal ausgelenkt und liegt gegen dessen Stirnfläche 44 zentral an. Das Federpaket 26 ist zwischen den beiden Schultern 22,24 auf seine geringste Ausdehnung zusammengedrückt und weist die im Verlauf eines Zyklus maximale potentielle Energie auf. Auf der anderen Seite liegt der Pumpenstößel 14 mit seiner Anschlagfläche 52 gegen den Begrenzungsstift 48 an. Sowohl die Exzenterscheibe 10 als auch das Kopplungsglied 28 ist von der zuge­hörigen Stirn- bzw. Schulterfläche 32,42 des Pumpen­stößels abgehoben.

[0013] Wird nun die Exzenterscheibe um die Achse 38 im Uhr­zeigersinn in die in Fig. 2 gezeigte Stellung weiterge­dreht, so verschiebt sich der Speicherstößel 20 unter Ausdehnung des Federpakets in Richtung Pumpenstößel 14, bis das Kopplungsglied 28 mit seinem Anschlagschuh 30′ gegen die Ringschulter 32 des Pumpenstößels 14 anschlägt und diesen unter der Einwirkung der Kraft des Federpakets 26 entgegen der Kraft der Rückholfeder 12 vom Anschlag 50 abhebt. Im weiteren Verlauf des Stößelvorschubs nimmt die zu überwindende Gegenkraft zu, bis sie schließlich der vom Federpaket 26 über­tragenen Kraft entspricht. Von diesem Punkt an hebt die Exzenterscheibe 10 von der Stirnfläche 44 des Speicherstößels 20 ab und schlägt gegen die rückwärtige Stirnfläche 42 des Pumpenstößels 14 an, so daß die fehlende Kraft nunmehr vom Motor auf den Pumpenstößel 14 übertragen wird. Auch im letzten Abschnitt der Vor­schubbewegung bis zu der in Fig. 3 gezeigten Stellung trägt jedoch das Federpaket 26 aufgrund seiner Vor­spannung zur Überwindung der Gegenkraft mit einem ge­wissen Anteil bei. Zweckmäßig werden Federeigenschaften und Vorspannung so gewählt, daß bei Erreichen der Spitzenlast im Zustand der Fig. 3 noch etwa 25 bis 50 % der auf den Pumpenstößel 14 einwirkenden Vorschub­kraft von der Speicheranordnung 16 übertragen werden.

[0014] Beim Weiterdrehen der Exzenterscheibe 10 im Uhrzeiger­sinn vom Zustand der Fig. 3 aus wird der Pumpenstößel 14 unter der Einwirkung der Ruckholfeder 12 allmählich zurückbewegt, bis er gegen den Begrenzungsstift 48 anschlägt. Vom Punkt des Kräftegleichgewichts an, spätestens jedoch nach dem Anschlag des Pumpenstößels 14 hebt die Exzenterscheibe 10 von der Stirnfläche 42 des Pumpenstößels 14 ab und wirkt auf die Stirnfläche 44 des Speicherstößels 20 ein. In dieser Phase wird das Federpaket 26 unter Aufwendung von Motorkraft zu­sammengedrückt und auf einen Zustand höherer poten­tieller Energie gebracht. Die Federeigenschaften werden dabei zweckmäßig so gewählt, daß die aufzuwendende Spitzenkraft im Zustand der Fig. 1 etwa 50 bis 75 % der auf der Seite des Pumpenstößels auftretenden Spitzenlast entspricht.

[0015] Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausfuhrungsbeispiel ist die Exzenterwelle 10′ an einem oberen und einem nicht gezeigten unteren gehäusefest angeordneten Kugellager 64 mit Hilfe des Motors 66 und des Untersetzungsge­triebes 68 um die Exzenterachse 38 drehbar gelagert. Auf der Exzenterwelle 10′ sind zwei voneinander ge­trennte Kugellager 60,62 im Abstand voneinander ange­ ordnet. Der Pumpenstößel 14 liegt unter der Einwirkung der als Schraubendruckfeder ausgebildeten Rückholfeder 12 mit seiner Stirnfläche 42 gegen den Außenring 36′ des Kugellagers 60 an deren Mantelfläche 46′ an, während der Speicherstößel 20 unter der Einwirkung der als Speicherorgan dienenden Schraubendruckfeder 26 mit seiner Stirnfläche 44 gegen die Mantelfläche 46′′ des Außenrings 36′′ des Kugellagers 62 anliegt. Beim Drehen des Exzenters 10′ kann somit der jeweilige Außen­ring 36′,36′′ auf der Stirnfläche 42,44 des betreffenden Stößels abrollen, ohne daß dabei eine Querreibung ent­steht. Ein zusätzliches Kopplungsglied ist bei diesem Ausführungsbeispiel entbehrlich.

[0016] Grundsätzlich ist es auch möglich, unter Verwendung nur eines Kugellagers auf der Exzenterwelle 10′ die Stößel 12,20 gemeinsam ohne Kopplungslied von einander gegenüberliegenden Seiten auf den Außenring 36 des Kugellagers einwirken zu lassen. Hierbei müssen zwar Gleitreibungsverluste zwischen den beiden Stößeln und dem Außenring in Kauf genommen werden. Es wird dadurch jedoch vermieden, daß auf die Exzenterwelle 10′ ein von den Lagern 64 aufzunehmendes Drehmoment ausgeübt wird. Außerdem wird eines der Kugellager 60,62 einge­spart, so daß man insgesamt eine kostengünstigere Bau­weise erhält. Die Gleitreibungreibung im Bereich des Außenrings kann im übrigen durch geeignete Maßnahmen, beispielsweise durch Gleitmittel, eine Gleitbeschichtung oder Laufrollen reduziert werden.

Ansprüche

1. Antriebsvorrichtung für Pumpe, insbesondere eine Flüssigkeitsdosierpumpe, mit einem motorgetriebenen, in einer Vorschub- und einer Rückholphase hin- und herverschiebbaren Pumpenstößel und einer Anordnung zur Speicherung mechanischer Energie, durch die auf den Pumpenstößel eine in Vorschubrichtung gerichtete Kraft übertragbar ist und die im Verlauf der Rückhol­phase des Pumpenstößels auf einen Zustand hõherer poten­tieller Energie aufladbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenstößel (14) unter der zumindest zeit­weiligen Einwirkung der Mantelfläche (46) eines motor­getriebenen Exzenters oder einer Kurvenscheibe (10) entgegen der Kraft einer Rückholfeder (12) verschieb­bar ist und daß die Speicheranordnung (16) einen im Gegentakt zum Pumpenstößel entgegen der Kraft eines Speicherorgans (26) durch den Exzenter oder die Scheibe (10) verschiebbaren Speicherstößel (20) aufweist.

2. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, daß zwischen dem Pumpenstößel (14) und dem Speicherstößel (20) ein den Exzenter (10) überbrückendes Kopplungsglied (28) angeordnet ist.

3. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Kopplungsglied (28) die einander zugewandten, gegen den Exzenter (10) wirkenden Stirn­flächen (42,44) der beiden Stößel (14,20) auf einem Abstand voneinander hält, der geringfügig, vorzugs­weise um höchstens 0,1 mm größer als der Exzenterdurch­messer ist.

4. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kopplungsglied (28) mindestens einen mit dem Speicherstößel (20) starr verbundenen Ausleger (29) aufweist, der mit seiner Stirnfläche (30) gegen eine rückwärtige Schulter (32) des Pumpen­stößels (14) anschlagbar ist.

5. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekenn­zeichnet, daß das Kopplungsglied zwei Ausleger (29) aufweist, die den Exzenter auf einander gegenüberlie­genden Seiten seiner Mantelfläche (46) käfigartig im Abstand überbrucken.

6. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenstößel (14) unter der Einwirkung der Rückholfeder gegen einen den Pumpenhub bestimmenden verstellbaren Begrenzungsan­schlag (48) anschlagbar ist.

7. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung (16) mindestens eine unter Vorspannung stehende, vor­zugsweise als Druckfeder ausgebildete Feder (26) als Speicherorgan aufweist.

8. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Feder (26) als Schraubenfeder, Tor­sionsfeder, Blattfeder, Spiralfeder oder Tellerfeder­paket ausgebildet ist.

9. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung (16) ein aus einem elastomeren Material bestehendes Speicherorgan aufweist.

10. Antriebsvorrichtung nach einem der Anspruche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Speicheranordnung (16) einen Gasdruckspeicher als Speicherorgan aufweist.

11. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Exzenters (46′,46′′) durch den Außenring (36′,36′′) eines auf einer exzentrisch gelagerten, motorisch ange­triebenen Welle (10′) angeordneten Kugellagers (60,62) gebildet ist.

12. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­zeichnet, daß nur ein Kugellager (60) vorgesehen ist, gegen dessen Außenring die dem Exzenter zugewandten Stirnflächen (42,64) sowohl des Pumpenstößels (14) unter der Einwirkung der Rückholfeder (12) als auch des Speicherstößels (20) unter der Einwirkung des Speicherorgans (26) auf einander gegenüberliegenden Seiten anliegen.

13. Antriebsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekenn­zeichnet, daß der Pumpenstößel (14) und der Speicher­stößel (20) mit ihren dem Exzenter (10) zugewandten Stirnflächen (42,44) unter der Einwirkung der Rückhol­feder (12) bzw. des Speicherorgans (26) gegen den Außen­ring (36′,36′′) je eines von zwei getrennt auf der Exzenterwelle (10′) angeordneten Kugellagers (60,62) andrückbar sind.

14. Antriebsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche (46; 46′,46′′) des Exzenters (10,10′) oder der Kurven­scheibe und/oder die Stirnflächen (42,44) des Pumpen­stößels (14) und des Speicherstößel (20) mit gleit­reibungsmindernden Mitteln, beispielsweise mit einer Gleitbeschichtung oder mit Rollen, versehen sind.

Zeichnung