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Die
Erfindung betrifft eine Schwingankerpumpe nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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Eine
Schwingankerpumpe ist beispielsweise in der Druckschrift
EP 0 288 216 B1 beschrieben.
In dieser Druckschrift wird ein zweiteiliger Verbundkolben mit einem
Teil aus einem ferromagnetischen, metallischen Material und einem
Teil aus einem nicht metallischen und nicht ferromagnetischen Material beschrieben.
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Schwingankerpumpen
zeichnen sich durch einen in einer Bewegungsachse hin und her schwingenden
Pumpenkolben aus, der wenigstens teilweise aus magnetischem oder
magnetisierbarem Material besteht und über eine elektromagnetische
Spule angetrieben wird.
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Der
Kolben einer Schwingankerpumpe verdrängt beim Eintauchen in einen
Zylinder ein darin befindliches Fluid. Beim Ausfahren aus dem Zylinder wird
dieser über
eine Bohrung des Pumpenkolbens wieder mit Fluid nachgefüllt, so
dass zyklische Pumpvorgänge
während
der Oszillation des Pumpenkolbens erfolgen können.
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Durch
diese Funktionsweise ist es erforderlich, den Innenraum des Zylinders
fluiddicht zu gestalten. Diese Abdichtung muss in jeder Stellung
des Kolbens gewährleistet
sein, weshalb üblicherweise eine
Gleitfläche
als Dichtfläche
ausgebildet wird, die diese Dichtfunktion auch in der Axialbewegung
des Kolbens wahrnimmt.
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Bei
bekannten Schwingankerkolben wird diese Dicht- und Gleitfläche an der
Außenumfangsfläche des
Kolbens vorgesehen, die in der Axialbewegung des Kolbens an einer
stationären
Dichtung entlang gleitet. Bislang werden derartige Pumpenkolben
spanend gefertigt. Um eine dauerhafte Dichtfunktion zu gewährleisten
ist daher eine aufwändige Nachbehandlung
erforderlich, um umfangsseitige Strukturen, die beispielsweise bei
einer Fertigung als Drehteil erzeugt werden, zu glätten.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schwingankerpumpe vorzuschlagen, bei
der dieser Aufwand entfallen kann.
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Dementsprechend
zeichnet sich eine erfindungsgemäße Schwingankerpumpe
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 dadurch aus, dass die Dicht- und Gleitfläche durch
eine Bearbeitung in axialer Richtung gefertigt ist.
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Durch
die Bearbeitung in axialer Richtung ist sichergestellt, dass etwaige
Oberflächenstrukturen im
Bereich der Dicht- und Gleitfläche
in axialer Richtung verlaufen. Beim Anlegen einer elastischen Dichtung
formt sich eine solche Dichtung an derartige Oberflächenstrukturen
an. Dadurch, dass diese eventuell vorhandenen Fertigungsstrukturen
in axialer Richtung verlaufen, findet während der Bewegung des Pumpenkolbens
in axialer Richtung keine weitere Verformung des anliegenden Dichtelementes
statt.
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Auf
diese Weise ist es möglich,
den Fertigungsaufwand für
eine erfindungsgemäße Schwingankerpumpe
zu reduzieren und dabei dennoch eine lange Lebensdauer mit geringem
Verschleiß zu
gewährleisten.
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Eine
erfindungsgemäße Dicht-
und Gleitfläche
kann beispielsweise durch Tiefziehen in axialer Richtung hergestellt
werden. Auf diese Weise ist eine Fertigung in großer Stückzahl mit
geringem Aufwand möglich.
Insbesondere kann eine Nachbearbeitung der Dicht- und Gleitfläche entweder
ganz entfallen oder zumindest deutlich reduziert werden.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung umfasst der Zylinder die Dicht- und Gleitfläche. In
diesem Fall kann das an der Dicht- und Gleitfläche gleitende Dichtelement
fest am Kolben angebracht werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird hingegen die Dicht- und Gleitfläche am Pumpenkolben
angeordnet und das zugehörige Dichtelement
stationär
am Pumpengehäuse
bzw. am Zylinder angeordnet.
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Vorteilhafterweise
wird im Inneren des Pumpenkolbens ein Fluiddurchlass zur Füllung des
Zylinders vorgesehen, der mit einem Rückschlagventil verschließbar ist.
Ein solches Rückschlagventil
kann beispielsweise durch einen federgelagerten Ventilkörper gebildet
werden, der gegen eine Druckfeder im Pumpenzylinder abgestützt ist.
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Der
Zylinder wird vorteilhafterweise an der dem Pumpenkolben gegenüberliegenden
Seite mit einem Durchlass für
das Fluid versehen, der ebenfalls durch ein Rückschlagventil verschließbar ist. Dieses
Rückschlagventil
kann grundsätzlich
baugleich mit dem Rückschlagventil
für den
Verschluss des Kolbendurchlasses ausgebildet werden.
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Um
die verschleißmindernde
Ausbildung der erfindungsgemäßen Dicht-
und Gleitfläche
vollständig
zu nutzen, wird der Kolben vorzugsweise verdrehsicher in der Schwingankerpumpe
montiert, so dass er möglichst
in seiner Winkelstellung fixiert nur in axialer Richtung beweglich
ist. Hierzu können
beispielsweise entsprechende Führungselemente
vorgesehen werden, die jedoch in axialer Richtung von der Dicht-
und Gleitfläche
beabstandet sein sollten.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird der Pumpenkolben wenigstens zweiteilig ausgebildet,
wobei ein in den Zylinder eintauchendes Kolbenteil und ein über ein
Magnetfeld beeinflussbares Magnetteil vorgesehen ist.
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Das
die Dicht- und Gleitfläche
aufweisende Kolbenteil ist hierdurch kleiner, als dies bei einem
einstückigen
Kolben der Fall wäre
und somit mit geringerem Aufwand und höherer Präzision erfindungsgemäß, beispielsweise
durch Tiefziehen herstellbar. Demgegenüber kann für den Magnetteil ein einfacher Grundkörper, beispielsweise
ein Rohr gewählt
werden. Hierdurch ist mit wenig Aufwand eine große magnetische Masse verfügbar, die
lediglich noch mit dem Kolbenteil, der die Pump- und Dichtfunktion
gewährleistet,
zu verbinden ist.
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Die
Verbindung der beiden Teile kann beispielsweise durch verstemmen,
rollen, klemmen, verpressen, verkleben, verschweißen, schrumpfen
oder durch sonstige Fertigungsarten vorgenommen werden.
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Das
Magnetteil kann dabei als Aufsatz oder Einsatz für das Kolbenteil ausgebildet
werden, so dass beide Teile vor einer Befestigung der oben genannten
Art ineinander steckbar sind, wodurch die Montage erleichtert wird.
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In
einer besonderen Ausführungsform
umfasst der Pumpenkolben ein stirnseitiges Zentrierelement. Durch
eine stirnseitige Zentrierung kann die Montage erleichtert und ein
zentrischer und axialer Verlauf der Pumpenbewegung ohne größeren umfangsseitigen
Wandkontakt reibungsarm und kippsicher realisiert werden.
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In
einer Weiterbildung dieser Ausführungsform
werden zwei Zentrierelemente beidseits des Magnetteils angebracht,
um eine bessere Führung des
Pumpenkolbens zu bewirken.
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Ein
Zentrierelement kann beispielsweise als Ringschulter im Magnetteil
ausgebildet werden, die zugleich als Anschlag für eine Druckfeder dienen kann.
Eine solche Ringschulter ist dabei umfangsseitig oder auch innerhalb
einer Bohrung denkbar.
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In
der oben beschriebenen Ausführungsform kann
die Druckfeder zugleich als Führungselement für die zentrierte
und achsenparallele Bewegung des Pumpenkolbens dienen. In der oben
angeführten Ausführungsform
mit beidseits des Magnetteils angeordneten Zentrierelementen können diese
wiederum beidseits als Ringschulter mit Anschlag für Druckfedern
ausgestaltet werden. Hierdurch ergeben sich nicht nur Vorteile im
Hinblick auf die Führung
des Pumpenkolbens, sondern eine beidseitige Federlagerung mittels
Druckfedern führt
darüber
hinaus zu einem geräuscharmen
Lauf der Pumpe ohne hörbaren
Anschlag an einem oder beiden Totpunkten.
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Bei
Verwendung einer Druckfeder als Führungshilfe kann diese beispielsweise
gleichzeitig über
eine geeignete Befestigung am Pumpengehäuse einerseits und am Pumpenkolben
andererseits auch für
eine verdrehsichere Winkelstellung des Pumpenkolbens verwendet werden,
um die erfindungsgemäßen Vorteile
bei der Fertigung der Dicht- und Gleitfläche vollständig zu nutzen.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung wird im Anschluss an den in den Zylinder eintauchenden
Kolbenteil des Pumpenkolbens eine Querbohrung vorgesehen, um den
durch das Fluid hervorgerufenen Strömungswiderstand beim Schwingen
des Pumpenkolbens zu reduzieren. Auf diese Weise lässt sich
der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Schwingankerpumpe verbessern.
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Erfindungsgemäße Schwingankerpumpen kommen
vermehrt in Haushaltsgeräten,
wie Getränkeautomaten,
Kaffeemaschinen, Eierkochern oder dergleichen zum Einsatz. Ihr Einsatzgebiet
ist jedoch hierdurch nicht beschränkt. Sie können überall dort zum Einsatz kommen,
wo eine platzsparende, geräuscharme
und elektrisch einfach ansteuerbare Pumpe benötigt wird. Sie bietet dabei
alle Vorzüge
einer Kolbenpumpe, insbesondere ist in Verbindung mit den Rückschlagventilen
eine Druckfestigkeit auch im stromlosen Zustand gewährleistet.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der
Figur nachfolgend näher
erläutert.
Im Einzelnen zeigt
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1 einen
Längsschnitt
durch eine erfindungsgemäße Schwingankerpumpe.
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Die
Schwingankerpumpe 1 gemäß der 1 umfasst
ein zweiteiliges Pumpengehäuse 2,
das an einem Joch 3 einer elektromagnetischen Spule 4 durch
eine Schraubverbindung 5 befestigt ist.
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Das
Pumpengehäuse 2 umfasst
eine rohrförmige
Ankeraufnahme 6, die in das Innere der Spule 4 eingesteckt
ist sowie ein Zylinderteil 7, das über einen Flansch 8 am
Joch 3 anliegt.
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Die
Ankeraufnahme 6 ist stirnseitig mit einer Ringschulter 9 versehen,
so dass über
das Anziehen der Schraubverbindung 5 beide Teile 6, 7 des
Pumpengehäuses 2 zum
einen mit dem Joch 3 bzw. der Spule 4 befestigt
und zum anderen untereinander verbunden werden.
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Eine
Pumpenkolben 11 ist in das Pumpengehäuse 2 eingelegt und
umfasst einen Kolbenteil 11 sowie ein Magnetteil 12.
Das Kolbenteil 11 ist rohrförmig mit einem axialen Durchlass
ausgebildet und taucht in einen Zylinder 13 ein, der in
dem Zylinderteil 7 ausgebildet ist. Der Zylinder 13 ist
in Richtung zum Magnetteil 12 über eine Ringdichtung 14 abgedichtet,
die vorliegend aus zwei ineinander gelegten Dichtringen besteht.
Ein O-Ring dient für
den elastischen Druck radial nach innen, während eine ringförmige Flächendichtung
für den
dichten Abschluss gegenüber
dem Kolbenteil 11 sorgt. Das Kolbenteil 11 ist
am Außenumfang
hierzu mit einer Dicht- und Gleitfläche 15 versehen. Der
Pumpenkolben 10 und somit auch das Kolbenteil 11 vollziehen
im Betrieb zyklische Axialverschiebungen in Richtung des Doppelpfeils
A, d.h. er schwingt periodisch in axialer Richtung hin und her.
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An
der dem Magnetteil 12 gegenüberliegenden Seite ist der
Zylinder 13 durch einen Quersteg 16 verschlossen,
der eine zentrale Durchgangsöffnung 17 aufweist.
Zur Kolbenseite hin stützt
sich an dem Quersteg 16 eine Druckfeder 18 ab,
die einen Dichtkörper 19 auf
den Auslass des rohrförmigen
Kolbenteils 11 drückt.
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Auf
der dem Kolben 11 gegenüberliegenden Seite
des Querstegs 16 ist das Zylinderteil 7 rohrförmig verlängert und
bildet an seinem äußeren Ende den
druckseitigen Anschlussstutzen 20 der Schwingankerpumpe 1.
Ein Stützring 21 ist
in den Anschlussstutzen 20 eingelegt und bildet einen Anschlag
für eine
weitere Druckfeder 22, die einen Dichtkörper 23 an den Quersteg 16 drückt und
dabei die Durchgangsöffnung 17 verschließt.
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Der
Pumpenkolben 10 ist ausgehend vom Kolbenteil 11 in
Richtung zum Magnetteil 12 mit einer zweistufigen Querschnittserweiterung
versehen. An den Kolbenteil 11 mit kleinen Querschnitt
schließt sich
somit ein Zwischenteil 24 mit mittlerem Querschnitt sowie
der Magnetteil 12 mit großem Querschnitt an. Im Zwischenteil 24 ist
eine Querbohrung 25 angebracht, die mit den axialen Durchlässen 26, 27 des
Kolbenteils 11 einerseits und Magnetteils 12 andererseits
in Verbindung stehen.
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Eine
erste Druckfeder 28 umschließt das Zwischenteil 24 und
stützt
sich an der Abstufung zum Magnetteil 12 mit großem Querschnitt
auf einer Seite ab. Auf der gegenüberliegenden Seite wird die Druckfeder 28 an
einer Anschlagscheibe 29 abgestützt, die zwischen der Ankeraufnahme 6 und
dem Zylinderteil 7 des Pumpengehäuses 2 eingesetzt
ist.
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Auf
der dem Kolbenteil 11 gegenüberliegenden Seite weist das
Magnetteil 12 eine Abstufung auf, die eine Ringschulter 30 bildet.
Eine zweite Druckfeder 31 umschließt den durch die Abstufung gebildeten
Fortsatz 32 und stützt
sich an der Ringschulter 30 ab. Auf der gegenüberliegenden
Seite der Druckfeder 31 liegt diese an einer Abstufung 33 der Ankeraufnahme 6 an.
Die Ankeraufnahme 6 ist aus der Spule 4 heraus
verlängert
und bildet an ihrem Ende eine Anschlusstülle 34 zum Anschluss
einer Zufuhrleitung.
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Die
Schwingankerpumpe 1 arbeitet folgendermaßen.
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Durch
Beaufschlagung der Spule 4 mit Wechselstrom wird der Pumpenkolben 10 in
Schwingungen in axialer Richtung A versetzt. Er schwingt dabei periodisch
um eine durch die Druckfedern 28, 31 sowie gegebenenfalls
auch die Druckfeder 18 definierte Neutralposition.
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Bei
Eindringen des Kolbenteils 11 in den Zylinder 13 wird
das in dem Zylinder 13 befindliche Fluid verdrängt. Hierbei
schließt
der Dichtkörper 19 die Ausgangsöffnung des
axialen Durchlasses 26 im Kolbenteil 11 ab. Das
im Zylinder 13 befindliche Fluid sucht sich infolgedessen
seinen Weg durch die Durchgangsöffnung 17 des
Querstegs 16 in den Anschlussstutzen 20, wobei
der Dichtkörper 23 gegen den
Druck der Druckfeder 22 von der Durchgangsöffnung 17 durch
das unter Druck gesetzte Fluid weggedrückt wird.
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Beim
Zurückschwingen
des Pumpenkolbens 10 in die gegenläufige Richtung zieht sich der
Kolbenteil 11 aus dem Zylinder 13 zurück. Das
im Zylinder 13 befindliche Restfluid wird dabei entspannt
und in der weiteren Folge unter Unterdruck gesetzt. Hierdurch wird
die Durchgangsöffnung 17 mittels
der Druckfeder 22 und des Dichtkörpers 23 verschlossen.
Die Druckfeder 22 und der Dichtkörper 23 bilden ein
Rückschlagventil,
durch das der Rückfluss
des einmal in den Bereich des Anschlussstutzens 20 gelangte
Fluid unterbunden ist.
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Während des
Rückzugs
des Kolbenteils 11 bildet sich in dem Zylinder 13 ein
Unterdruck aus, der dazu führt,
dass der Dichtkörper 19 vom
Ausgang des axialen Durchlasses 26 abhebt, so dass Fluid durch
den Durchlass 26 in den Zylinder 13 nachströmt. Das
flüssige
oder gasförmige
Fuid gelangt über
die Einlasstülle 34 ins
Innere der Ankeraufnahme 6 sowie durch den axialen Durchlass 27 des
Magnetteils 12 zum axialen Durchlass 26 des Kolbenteils 11.
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Nachdem
der Zylinder 13 in der Rückwärtsbewegung des Kolbenteils 11 gefüllt wurde,
wird das im Zylinder 13 befindliche Fluid in der Vorwärtsbewegung
des Kolbenteils 11 wiederum aus dem Zylinder 13 durch
die Durchgangsöffnung 17 verdrängt.
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In
der dargestellten Ausführungsform
liegt das Magnetteil 12 mit seinem großen Querschnitt nahe an der
Innenwandung der Ankeraufnahme 6. Die Schwingungsbewegung
des Pumpenkolbens 10 erfordert jedoch die zyklische Füllung und
Entleerung des Innenraums der Ankeraufnahme 6 beidseits
des Magnetteils 12. Da bei dieser Ausgestaltung des Magnetteils 12 nur
ein sehr kleiner Spalt zwischen Magnetteil 12 und Innenwandung
der Ankeraufnahme 6 vorhanden ist, befindet sich in dieser
Ausführungsform
die Querbohrung 25 im Zwischenbereich 24, so dass
ein ungehinderter Fluidfluss von einer Seite des Magnetteils 12 auf
die andere und umgekehrt gewährleistet
ist.
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Die
Funktion der Querbohrung 25 kann jedoch auch anderweitig,
beispielsweise durch Längsbohrungen
oder Kerbungen im Magnetteil 12 verwirklicht werden. Die
vorliegende Ausführungsform
bietet jedoch den Vorteil einer großen magnetischen Masse im Wirkungsbereich
der Spule 4.
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Durch
die beidseitige Federlagerung des Pumpenkolbens 10 mittels
der Druckfedern 28, 31 erfolgt beim Anlauf an
jeden Totpunkt in der axialen Bewegung eine gefederte Umkehr der
Bewegung, so dass kein harter Anschlag stattfindet. Hierdurch ergibt
sich ein sehr geräuscharmer
Lauf der Pumpe. Darüber
hinaus stellt diese Anordnung ein mechanisch schwingfähiges System
dar, so dass weniger Energie seitens der Spule 4 erforderlich
ist, um die mechanischen Baukomponenten der Schwingankerpumpe in
Schwingung zu halten.
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Durch
die Abstützung
der Druckfedern 31, 28 an den jeweiligen Abstufungen
des Pumpenkolbens 10 bilden die Druckfedern 28, 31 in
Verbindung mit dem Fortsatz 32 bzw. dem Zwischenteil 24 mit
mittlerem Querschnitt zugleich Zentrierelemente für den Pumpenkolben 10.
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Wie
aus der obigen Funktionsbeschreibung hervorgeht, stellt fertigungstechnisch
die am Außenumfang
des Kolbenteils 11 befindliche Dicht- und Gleitfläche 15 große Anforderungen
an die Oberflächeneigenschaft,
um eine dauerhafte Dichtigkeit ohne größeren Verschleiß der Ringdichtung 14 zu
ermöglichen.
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Bei
herkömmlicher
spanender Bearbeitung dieser Dicht- und Gleitfläche 15 ergeben sich
in der Fertigung ringförmige
Strukturen an der Oberfläche, die
in der axialen Gleitbewegung in eingebautem Zustand die Dichtung 14 strapazieren.
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Erfindungsgemäß wird nunmehr
zumindest der die Dicht- und Gleitfläche 15 umfassende
Teil 11 des Pumpenkolbens 10 durch Bearbeitung
in axialer Richtung, beispielsweise durch Tiefziehen hergestellt.
Fertigungsbedingte Oberflächenstrukturen
verlaufen damit in axialer Richtung, an die sich die Ringdichtung 14 zwar
einmal anpassen muss, in der Folge der Axialbewegung A der Dicht-
und Gleitfläche 15 jedoch
nicht mehr nennenswert beeinträchtigt
wird.
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Somit
ist durch die erfindungsgemäße Fertigung
eine Herstellung der Schwingankerpumpe 1 mit wenig Aufwand
bei hoher Lebensdauer möglich.
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Der
Pumpenkolben 10 kann dabei ohne weiteres mehrteilig ausgeführt sein.
Die Schnittstelle zwischen den verschiedenen Teilen kann dabei vor oder
nach dem Zwischenteil 24 vorgesehen werden. Die Verbindung
zwischen den einzelnen Teilen kann auf unterschiedlichste, weiter
oben bereits erwähnte Arten
vorgenommen werden.
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Bei
einer mehrteiligen Ausführung
des Pumpenkolbens 10 besteht weiterhin die Möglichkeit
unterschiedlicher Materialauswahl zwischen Magnetteil 12 und
Kolbenteil 11. Die Materialauswahl beim Kolbenteil 11 kann
somit im Hinblick auf die Dichtfunktion ausgewählt werden, wobei die magnetischen
Eigenschaften eine untergeordnete bzw. gar keine Rolle spielen.
Für diesen
Teil des Pumpenkolbens 10 können demnach je nach Bedarf
magnetische oder auch nicht magnetische Materialien verwendet werden.
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Wesentlich
ist hingegen, dass im Magnetteil 12 im unmittelbaren Wirkungsbereich
der Spule 4 eine ausreichend große Masse aus magnetischem Material
angeordnet wird. An das Material des Magnetteils 12 werden
dabei keine nennenswerten Eigenschaften im Hinblick auf eine Dichtigkeit
der Pumpe gestellt, so dass an dieser Stelle beispielsweise eine
Materialauswahl im Hinblick auf den Wirkungsgrad oder die Leistung
der Pumpe vorgenommen werden kann. Darüber hinaus bietet die zwei-
oder mehrteilige Ausgestaltung des Pumpenkolbens 10 im Bereich
des Magnetteils 12 die Möglichkeit einer einfachen Fertigung,
beispielsweise durch Ablängen des
Magnetteils 12 von einem Rohrstück mit entsprechendem Durchmesser
und Axialdurchlass 27 aus geeignetem magnetischen oder
magnetisierbaren Material.
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- 1
- Schwingankerpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Joch
- 4
- Spule
- 5
- Schraubverbindung
- 6
- Ankeraufnahme
- 7
- Zylinderteil
- 8
- Flansch
- 9
- Ringschulter
- 10
- Pumpenkolben
- 11
- Kolbenteil
- 12
- Magnetteil
- 13
- Zylinder
- 14
- Ringdichtung
- 15
- Dicht-
und Gleitfläche
- 16
- Quersteg
- 17
- Durchgangsöffnung
- 18
- Druckfeder
- 19
- Dichtkörper
- 20
- Anschlussstutzen
- 21
- Stützring
- 22
- Druckfeder
- 23
- Dichtkörper
- 24
- Zwischenteil
- 25
- Querbohrung
- 26
- axialer
Durchlass
- 27
- axialer
Durchlass
- 28
- Druckfeder
- 29
- Anschlagscheibe
- 30
- Ringschulter
- 31
- Druckfeder
- 32
- Fortsatz
- 33
- Abstufung
- 34
- Anschlusstülle