DE202020107139U1

DE202020107139U1 - Membranpumpe

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Publication number: DE202020107139U1
Application number: DE202020107139.4U
Authority: DE
Original assignee: KA Group AG
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2020-12-10
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-03-04
Anticipated expiration: 2030-12-11

Abstract

Membranpumpe zur pneumatischen Einstellung eines aufblasbaren Sitzformelements eines Kraftfahrzeugsitzes, mit einer aus Elastomermaterial mit einer Härte Shore-A im Bereich 40 - 60 bestehenden Pumpmembran (2), die wenigstens eine becherförmige Pumpkammer (4) mit einer Öffnung (6) und einem gegenüberliegenden Boden (8) ausbildet, der durch eine Stirnseite eines davon ausgehenden Antriebskolbens (10) gebildet ist, einer Taumelscheibe (40), mit der der Antriebskolben (10) an seinem von der Pumpkammer abgewandten Ende verbunden ist, einem Motor zum Antrieb der Taumelscheibe, um den Antriebskolben zu einer oszillierenden Bewegung anzutreiben und dadurch die zugehörige Pumpkammer (4) periodisch zu komprimieren, um Luft aus der Pumpkammer durch eine Ventilanordnung in einen Pumpenausgabekanal zu fördern, und zu dekomprimieren, um Luft aus der Umgebung durch die Ventilanordnung in die Pumpkammer (4) anzusaugen, und einer Druckbegrenzungseinrichtung, um den Ausgabedruck im Pumpenausgabekanal auf einen vorgegebenen Druckhöchstwert zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungseinrichtung ventillos durch Formgebung und Dimensionierung des Antriebskolbens (4) dadurch realisiert ist, dass der Antriebskolben (4) bei Erreichen des Druckhöchstwertes die durch die Taumelscheibe ausgeübte Kraft durch Deformation und Kompression des Antriebskolbens (4) aufnimmt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Membranpumpe zur pneumatischen Einstellung eines aufblasbaren Sitzformelements eines Kraftfahrzeugsitzes, mit einer aus Elastomermaterial mit einer Härte Shore-A im Bereich 40 - 60 bestehenden Pumpmembran, die wenigstens eine becherförmige Pumpkammer mit einer Öffnung und einem gegenüberliegenden Boden ausbildet, der durch eine Stirnseite eines davon ausgehenden Antriebskolbens gebildet ist, einer Taumelscheibe, mit der der Antriebskolben an seinem von der Pumpkammer abgewandten Ende verbunden ist, einem Motor zum Antrieb der Taumelscheibe, um den Antriebskolben zu einer oszillierenden Bewegung anzutreiben und dadurch die zugehörige Pumpkammer periodisch zu komprimieren, um Luft aus der Pumpkammer durch eine Ventilanordnung in einen Pumpenausgabekanal zu fördern, und zu dekomprimieren, um Luft aus der Umgebung durch die Ventilanordnung in die Pumpkammer anzusaugen, und einer Druckbegrenzungseinrichtung, um den Ausgabedruck im Pumpenausgabekanal auf einen vorgegebenen Druckhöchstwert zu begrenzen.
Eine derartige Membranpumpe ist aus EP 2 372 157 A1 bekannt. Die dort beschriebene Membranpumpe ist wie die Membranpumpe der vorliegenden Erfindung für die Anwendung in Kraftfahrzeugen vorgesehen, in denen solche Pumpen als Druckluftquellen zum Einstellen von aufblasbaren Kissen und Formelementen in Kraftfahrzeugsitzen verwendet werden, z.B. zum Einstellen von Lordosenstützen. Die Membranpumpe weist ein Pumpengehäuse auf, in dem eine Pumpmembran angeordnet und gegenüber einem Antriebsraum des Pumpengehäuses abgedichtet ist, in dem ein Antriebsmotor und eine von diesem angetriebene Taumelscheibe untergebracht sind. Die Pumpmembran ist mit einer Mehrzahl von becherförmigen Pumpkammern ausgebildet, z.B. vier becherförmige Pumpkammern, die in einer quadratischen Anordnung angeordnet sind. Auf der der Taumelscheibe gegenüberliegenden Seite der Pumpmembran befindet sich eine Ventilplatte mit wenigstens einem mit der Umgebungsatmosphäre in Verbindung stehenden Einlass-Einwegventil, um bei Unterdruck in einer der Pumpkammern Luft in diese einzulassen, und wenigstens einem Auslass-Einwegventil, um bei Überdruck in einer der Pumpkammern Luft daraus in den Auslasskanal zu fördern.
Die Pumpmembran ist so ausgebildet, dass sich an jeder Pumpkammer der Boden, der der Öffnung der becherförmigen Pumpkammer gegenüberliegt, in einen Antriebskolben übergeht, der im Wesentlichen die volle Querschnittsausdehnung des Bodens der becherförmigen Pumpkammer hat. Diese Antriebskolben kann an seinem von der Pumpkammer abgewandten Ende eine Abfasung aufweisen, so dass er sich am äußeren Ende zu einem geringeren Durchmesser verjüngt. An dieses Ende schließt ein Zapfen an, der in einer Öffnung der Taumelscheibe steckt und darin mit einer sphärischen Erweiterung, die durch die Öffnung gedrückt worden ist, gehalten ist.
Die Taumelscheibe wirkt bei Antrieb durch den Antriebsmotor auf die Antriebskolben und damit auf die becherförmigen Pumpkammern der Pumpmembran ein, um die Pumpkammern sukzessive in eine oszillierende Bewegung zu versetzen. Durch die Bewegung der Taumelscheibe bei Betrieb des Antriebsmotors werden die vier becherförmigen Pumpkammern sukzessive komprimiert, so dass Luft aus der jeweils komprimierten Pumpkammer durch das Auslass-Einwegventil in den Auslasskanal gedrückt wird. Nach der Kompression der Pumpkammer und Weiterbewegung der Taumelscheibe wird die Pumpkammer durch die oszillierende Bewegung der Taumelscheibe wieder dekomprimiert und dehnt sich dadurch wieder aus, wobei durch den dadurch in der Pumpkammer entstehenden Unterdruck Luft durch das Einlass-Einwegventil in die Pumpkammer eingezogen wird.
Die Membranpumpe weist eine Druckbegrenzungseinrichtung auf, die den von der Membranpumpe erzeugbaren Druck auf einen Druckhöchstwert begrenzt, damit es nicht zu einer Überlastung der aufblasbaren Sitzformelemente kommt. Die Druckbegrenzungseinrichtung ist in folgender Weise aufgebaut ist. Vier in quadratischer Anordnung angeordnete Pumpkammern umgeben einen zentralen Bereich der Membran. Bei der beschriebenen Membranpumpe ist der von den Pumpkammern umgebende zentrale Bereich der Membran durchgängig als dichte Membran ausgebildet. Auf diesen zentralen Bereich wirkt von unten eine in dem Pumpengehäuse gehaltene Kompressionsfeder ein, um den zentralen Bereich der Membran gegen eine Dichtungslippe zu drücken, die an der Unterseite der Ventilplatte in der Umgebung einer Öffnung zum Auslasskanal hin ausgebildet ist. Auf diese Weise ist der zentrale Bereich der Membran dem Druck im Auslasskanal Membranpumpe ausgesetzt. Steigt der Druck im Auslasskanal über einen vorgegebenen Druckhöchstwert an, der durch die Stärke der Feder bestimmt ist, wird der zentrale Bereich der Membran gegen den Druck der Feder nach unten gedrückt, wodurch sich die Membran von der Dichtungslippe löst und einen Durchflussweg zum Auslasskanal öffnet. Der Durchflussweg führt zu einem Luftansaugkanal für Pumpkammern und fließt dadurch in die untere Gehäusekammer zurück.
Die beschriebene Druckbegrenzungseinrichtung wird also durch ein Druckbegrenzungsventil realisiert, das sich bei Erreichen des Druckhöchstwertes öffnet und erste wieder schießt, wenn der Druck im Auslasskanal der Pumpe unter dem Druckhöchstwert gesunken ist. Nachteilig an einer solchen Membranpumpe mit einem Druckbegrenzungsventil ist der komplizierte Aufbau mit einem zusätzlichen Ventil (Druckbegrenzungsventil). Außerdem zeigen praktische Erfahrungen, dass die Funktion des Druckbegrenzungsventils mit Geräuschentwicklung verbunden ist, die von Benutzern als störend empfunden wird.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Membranpumpe so auszugestalten, dass bei einfachem Aufbau der Membranpumpe eine Druckbegrenzungsfunktion des von der Membranpumpe erzeugbaren Druckes realisiert wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe dient die Membranpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist die Druckbegrenzungseinrichtung der Membranpumpe ventillos durch Formgebung und Dimensionierung der Pumpmembran realisiert. Diese Formgebung und Dimensionierung der Pumpmembran betrifft insbesondere den Antriebkolben, der die Kraft der Taumelscheibe auf den Boden der zugehörigen Pumpkammer überträgt, um dieser zu komprimieren. Die Formgebung und Dimensionierung des Antriebkolbens ist derart, dass der Antriebskolben bei Erreichen des Druckhöchstwertes die durch die Taumelscheibe weiter ausgeübte Kraft durch Deformation und Kompression des Antriebskolbens aufnimmt, so dass durch die Deformation und Kompression des Antriebskolbens die Pumpkammer nicht weiter komprimiert wird. Das bedeutet, dass bei Erreichen des Druckhöchstwertes, auch wenn die auf den Antriebskolben einwirkende Taumelscheibe noch nicht den oberen Endpunkt ihres Hubs erreicht hat, die von der Taumelscheibe noch weiter auf den Antriebskolben ausgeübte Kraft nicht mehr in weitere Kompression der Pumpkammer und damit nicht mehr in eine Pumpfunktion umgesetzt wird, sondern durch die Deformation und Kompression des Antriebskolbens absorbiert wird.
Durch diesen Aufbau ist es auf einfache Art und Weise möglich, den von der Membranpumpe erzeugbaren Druck auf einen Druckhöchstwert zu begrenzen, wobei hierzu lediglich die Dimensionierung und Formgebung des Antriebskolbens aus Elastomermaterial so angepasst sein muss, dass die von dem Antriebskolben maximal auf die becherförmige Pumpkammer ausübbare Kraft in der gewünschten Weise begrenzt wird, so dass der Druckhöchstwert nicht überschritten werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Formgebung und Dimensionierung des Antriebskolbens so realisiert, dass sich der Antriebskolben aus einem an den der Pumpöffnung der Pumpkammer gegenüberliegenden Boden der Pumpkammer anschließenden, scheibenförmigen Kolbenkopf und einem mittig davon ausgehenden reduzierten Kolbenabschnitt mit gegenüber der Querschnittsfläche des Kolbenkopfes reduzierter Querschnittsfläche zusammensetzt. Diese Gestaltung ermöglicht ein Durchbiegen des äußeren Randes des scheibenförmigen Kolbenkopfes, der sich im äußeren Bereich, der über den reduzierten Kolbenabschnitt hinausragt, nach unten durchbiegen kann, um dadurch eine weitere Kompression der Pumpkammer zu verhindern. Weiterhin kann der reduzierte Kolbenabschnitt durch Kompression und Durchbiegen entlang seiner Längsachse von der Taumelscheibe weiter ausgeübte Kraft aufnehmen, ohne dass dadurch weitere Kompression der Pumpkammer bewirkt wird, wodurch der von der Pumpkammer erzeugte Druck begrenzt wird.
Insgesamt ist der Antriebskolben verglichen zum Stand der Technik, der im Wesentlichen die Gestalt eines vom Boden der Pumpkammer ausgehenden und diesen mit gleicher Querschnittsfläche fortsetzenden zylindrischen Kolbens hat, mit einer deutlichen Reduzierung in den Querschnittsabmessungen im Bereich des Antriebskolbens gestaltet, was eine geringere Festigkeit oder Steifigkeit im Bereich des Antriebskolbens zur Folge hat. Dadurch ist die durch den Antriebkolben auf den Boden der Pumpkammer übertragbare Kraft so begrenzt, dass der Druckhöchstwert in der komprimierten Pumpkammer nicht überschritten werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform setzt sich der Antriebskolben aus einem den Boden der Pumpkammer, der der Pumpöffnung der Pumpkammer gegenüberliegt, bildenden scheibenförmigen Kolbenkopf und einem mittig davon ausgehenden reduzierten Kolbenabschnitt mit gegenüber der Querschnittsfläche des Kolbenkopfes reduzierter Querschnittsfläche zusammen.
Vorzugsweise liegt die Dicke des scheibenförmigen Kolbenkopfes im Bereich von 1,5 - 4,0 mm.
Vorzugsweise hat die Membran im Bereich der die becherförmige Pumpkammer umgebenden Membranwand eine Dicke im Bereich von 0,28 - 0,42 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Pumpmembran vier Pumpkammern gleichen Aufbaus auf, die nebeneinander liegend eine quadratische Anordnung von Pumpkammern bilden.
Wenn die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern einfassenden Quadrats im Bereich von 28 - 32 mm liegt und wenn die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes und des reduzierten Kolbenabschnitts jeweils kreisförmig sind, liegt der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes vorzugsweise im Bereich 5,6 - 8,0 mm und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts im Bereich 2,5 - 4,4 mm. In diesem Fall liegt die Höhe des Antriebskolbens in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf verläuft, vorzugsweise im Bereich von 5,4 - 5,95 mm. Die Höhe (Länge) des Antriebskolbens setzt sich aus der Dicke des scheibenförmigen Kolbenkopfes und der Länge des daran anschließenden reduzierten Kolbenabschnitts zusammen.
Wenn die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern einfassenden Quadrats im Bereich von 32 - 36 mm liegt und wenn die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes und des reduzierten Kolbenabschnitts jeweils kreisförmig sind, liegt der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes vorzugsweise im Bereich 8,0 - 10,0 mm und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts im Bereich 3,6 - 5,5 mm. In diesem Fall liegt die Höhe des Antriebskolbens in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf verläuft, vorzugsweise im Bereich von 5,95 - 6,75 mm.
Wenn die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern einfassenden Quadrats im Bereich von 36 - 40 mm liegt und wenn die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes und des reduzierten Kolbenabschnitts jeweils kreisförmig sind, liegt der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes vorzugsweise im Bereich 10,0 - 11,0 mm und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts im Bereich 4,5 - 6,0 mm. In diesem Fall liegt die Höhe des Antriebskolbens in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf verläuft, vorzugsweise im Bereich von 6,75 - 7,4 mm.
Wenn die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern einfassenden Quadrats im Bereich von 40 - 45 mm liegt und wenn die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes und des reduzierten Kolbenabschnitts jeweils kreisförmig sind, liegt der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes vorzugsweise im Bereich 11,0 - 12,8 mm und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts im Bereich 5,0 - 7,0 mm. In diesem Fall liegt die Höhe des Antriebskolbens in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf verläuft, vorzugsweise im Bereich von 7,4 - 8,2 mm.
In einer bevorzugten Ausführungsform liegt die Querschnittsfläche des reduzierten Kolbenabschnitts im Bereich von 15 - 42% der Querschnittsfläche des scheibenförmigen Kolbenkopfes.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Membranhalter vorhanden, in dem für jede becherförmige Pumpkammer eine zylindrische Durchführung zur Aufnahme und Führung der zugehörigen becherförmigen Pumpkammer ausgebildet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Elastomermaterial der Pumpmembran ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Silikonkautschuk, wie etwa Hochtemperatur vernetzter Festsilikonkautschuk oder Flüssigsilikonkautschuk.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Ansicht einer Pumpmembran zeigt, die mit vier identischen Pumpkammern in quadratischer Anordnung nebeneinander liegend ausgebildet ist,
2 eine Querschnittsansicht durch zwei nebeneinander liegende Pumpkammern der Pumpmembran aus 1 ist,
3 eine Draufsicht von oben auf die Pumpmembran aus 1 ist,
4 eine Sequenz von Querschnittsansichten durch eine Pumpkammer in aufeinander folgenden Stellungen während eines Bewegungszyklus der Taumelscheibe zeigt, wobei die Pumpkammer während des Pumpzyklus keinem Gegendruck ausgesetzt ist,
5 eine Sequenz von Querschnittsansichten durch eine Pumpkammer in aufeinander folgenden Stellungen während eines Bewegungszyklus der Taumelscheibe zeigt, wobei die Pumpkammer während des Pumpzyklus dem Gegendruck einer dabei aufgeblasenen Luftzelle ausgesetzt ist,
6 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Querschnitts durch die Pumpkammer aus 5 in der Stellung der Taumelscheibe bei 120° zeigt,
7 eine vergrößerte Einzeldarstellung des Querschnitts durch die Pumpkammer aus 5 in der Stellung der Taumelscheibe bei 180° zeigt,
8 eine Sequenz von Querschnittsansichten durch eine Pumpkammer wie in 4, aber für eine Membranpumpe mit einer Pumpmembran gemäß Stand der Technik zeigt, wobei die Pumpkammer während des Pumpzyklus keinen Gegendruck ausgesetzt ist,
9 eine Sequenz von Querschnittsansichten durch eine Pumpkammer wie in 5, aber für eine Membranpumpe mit einer Pumpmembran gemäß Stand der Technik zeigt, wobei die Pumpkammer während des Pumpzyklus dem Gegendruck einer dabei aufgeblasenen Luftzelle ausgesetzt ist, und
10 zeigt einen Graphen des Druckanstiegs im Pumpenausgangskanal als Funktion der Zeit des Betriebs der Pumpe für eine erfindungsgemäßen Membranpumpe im Vergleich zum Druckanstieg bei einer herkömmlichen Membranpumpe ohne Druckbegrenzungseinrichtung.

Eine Pumpmembran einer erfindungsgemäßen Membranpumpe wird im Folgenden mit Bezug auf die 1 - 3 beschrieben. Die in 1 dargestellte Pumpmembran 2 ist in einem Stück aus einem Elastomermaterial hergestellt. Die Pumpmembran ist mit vier Pumpkammern 4 ausgebildet, die identische Abmessungen haben und in einer quadratischen Anordnung nebeneinander liegend angeordnet sind. Wie in 2 zu erkennen, liegen die Pumpkammern direkt nebeneinander, so dass zwischen benachbarten Membranwänden nur ein schmaler Streifen Pumpmembranmaterial verbleibt.
Wie in der Querschnittsdarstellung in 2 zu erkennen ist hat jede Pumpkammer 4 eine Öffnung 6 und der Öffnung 6 gegenüberliegend einen Boden 8, der durch die Stirnseite eines Antriebskolbens 10 gebildet wird. Zwischen dem Boden 8 und der Öffnung 6 verläuft ein umlaufender seitlicher Membranwandbereich der Pumpkammer 4.
Für die grundsätzliche Funktionsweise einer Membranpumpe mit einer solchen Pumpmembran wird auf die oben erwähnte Veröffentlichung DE 10 2015 105 304 A1 verwiesen. Kurz zusammengefasst wirkt eine von einem Motor angetriebene (hier nicht dargestellte) Taumelscheibe auf die Antriebskolben ein, um die Pumpkammern 4 während einer Hubbewegung jedes Antriebskolbens sukzessive zu komprimieren und wieder zu dekomprimieren, um dadurch Luft durch eine Ventilplatte in einen Ausgangskanal der Pumpe zu pumpen. Die Öffnung 6 jeder Pumpkammer 4 ist einer (in den 1 - 3 nicht dargestellten) Ventilplatte mit diversen Einwegventilen zugewandt, die so eingerichtet sind, dass bei Kompression der Pumpkammer die durch die Öffnung 6 ausgestoßene Luft in den Pumpausgabekanal gefördert wird und dass bei anschließender Dekompression (Volumenvergrößerung) der Pumpkammer die Verbindung zum Pumpausgabekanal geschlossen und zur Umgebung geöffnet wird, so dass Luft in die Pumpkammer nachströmt.
Wie eingangs erläutert war der Antriebskolben der Pumpkammer im Stand der Technik als Vollkörper ausgestaltet, der als zylindrischer Antriebskolben mit seiner Querschnittsfläche den Querschnitt des Bodens 8 der Pumpkammer vollflächig fortsetzte. Im Stand der Technik sind auch Antriebskolben bekannt, die an ihrem von der Pumpkammer abgewandten Ende mit einer Fase versehen ist, so dass der Antriebskolben sich am Ende, vor dem Übergang in einen Zapfenfortsatz zur Verbindung mit der Taumelscheibe leicht verjüngt. Daher war der Antriebskolben so massiv und steif, dass er den Hub der Taumelscheibe vollständig in einen Hub der Pumpkammer umsetzte, auch wenn der Ausgabedruck im Pumpausgabekanal größer als der maximal erwünschte Druck war. Aus diesem Grund wurde häufig eine separate Druckbegrenzungseinrichtung vorgesehen, die bei Überschreiten eines Druckhöchstwertes diesen durch Öffnen eines Ventils begrenzte.
Erfindungsgemäß ist die Pumpmembran 2 hinsichtlich Formgebung und Dimensionierung so ausgestaltet, dass sie selbst, ohne Ventil, auch die Druckbegrenzungseinrichtung darstellt; dazu ist die Pumpmembran durch Formgebung und Dimensionierung des Antriebskolbens 10 so ausgestaltet, dass der Antriebskolben bei Erreichen des Druckhöchstwertes kein weitere Kompression der Pumpkammer bewirkt, sondern die durch die Taumelscheibe ausgeübte Kraft durch Deformation und Kompression des Antriebskolbens 10 aufgenommen wird.
In der in den 1 - 3 dargestellten bevorzugten Ausführungsform ist der Antriebskolben 10 durch gegenüber den Antriebskolben aus dem Stand der Technik reduzierte Dimensionierung geschwächt: Der Antriebskolben setzt sich aus einem den Boden 8 der Pumpkammer 4, der der Pumpöffnung 6 gegenüberliegt, bildenden scheibenförmigen Kolbenkopf 12 und einem mittig davon ausgehenden reduzierten Kolbenabschnitt 14 mit gegenüber der Querschnittsfläche des Kolbenkopfes 12 reduzierter Querschnittsfläche zusammen. Durch die Materialreduktion und Formgebung ist der Antriebskolben daher so ausgestaltet, dass das Elastomermaterial im Bereich des Antriebskolbens 10 bei Erreichen des Druckhöchstwertes weitere Kraft, die durch den weitergehenden Hub der Taumelscheibe erzeugt wird, durch Deformation und Kompression im Bereich des Antriebskolbens aufnimmt, so dass keine weitere Volumenreduzierung im Bereich der Pumpkammer mehr eintritt und damit der Ausgangsdruck der Pumpkammer nicht mehr ansteigt. Der Antriebskolben 10 kann in dieser Ausgestaltung einerseits im Bereich des teller- oder scheibenförmigen Kolbenkopfes 12 so deformiert werden, dass der Außenrandbereich des scheibenförmigen Kolbenkopfes 12 sich elastisch durchbiegt, was dadurch möglich ist, dass an den scheibenförmigen Kolbenkopf 12 der reduzierte Kolbenabschnitt 14 mit reduziertem Querschnitt anschließt, so dass der Kolbenkopf 12 in dem über den reduzierten Kolbenabschnitt 14 hinausstehenden Bereich sich nach unten durchbiegen kann.
Darüber hinaus kann der reduzierte Kolbenabschnitt 14 durch Kompression und Durchbiegen entlang der Längsachse nachgeben und so auch dadurch zur gewünschten Begrenzung des Druckhöchstwertes beitragen.

Für Membranpumpen, die zum Aufpumpen eines aufblasbaren Sitzformelements eines Kraftfahrzeugsitzes ausgestaltet sind, wird angestrebt, den Ausgabedruck der Membranpumpe auf einen Überdruck im Pumpausgabekanal auf einen Druckhöchstwert im Bereich 0,3 - 0,4 bar (30 - 40 kPa) zu begrenzen. Mit einer Pumpmembran, deren Elastomermaterial eine Shore-A-Härte im Bereich 40 - 60 hat sind bevorzugte Dimensionierungen des Antriebskolbens in Tabelle 1 angegeben, wobei diese Dimensionierungen von der Pumpengröße abhängen, wobei die Pumpengröße hier durch die Kantenlänge eines die quadratische Anordnung von vier Pumpkammern einfassenden Quadrats angegeben ist. Diese Pumpengröße liegt für Membranpumpen zum Aufblasen von Sitzformelementen von Kraftfahrzeugsitzen typischerweise im Bereich von 28 mm bis 45 mm. Tab. 1: Abmessungen der Pumpmembran

Pumpengröße [mm]	Ø Kolbenkopf [mm]	Ø Reduzierter Kolbenabschnitt [mm]	Länge Antriebskolben [mm]
28-32	5,6-8,0	2,5-4,4	5,4-5,95
32-36	8,0-10-0	3,6-5,5	5,95-6,75
36-40	10,0-11,0	4,5-6,0	6,75-7,4
40-45	11,0-12,8	5,4-5,95	7,4-8,2

4 zeigt eine Ablaufsequenz eines Pumpzyklus, wobei eine Pumpkammer 4 im Schnitt zusammen mit einem Ausschnitt der Taumelscheibe dargestellt ist und der Hubsequenz der Taumelscheibe mit 0° zu Beginn einer Kompression bis 360° zu Beginn der nächsten Kompression bezeichnet ist. In 4 ist diese Pumpsequenz für den Fall dargestellt, dass die Pumpe keinem Gegendruck ausgesetzt ist, d.h. die Membranpumpe fördert die gepumpte Luft in die Umgebungsatmosphäre ohne auf Widerstand zu treffen. Unter diesen Umständen realisiert die Pumpmembran keine Druckbegrenzungsfunktion, da sich im Pumpausgabekanal kein Überdruck aufbaut und es demzufolge nicht zu Deformationen oder Kompressionen im Bereich des Antriebskolbens kommt.
5 zeigt die gleiche Betriebssequenz der Pumpkammer über einen Hubzyklus der Taumelscheibe, wobei hier der Fall dargestellt ist, dass die Membranpumpe beim Aufblasen eines Sitzformelements einem Gegendruck ausgesetzt ist, so dass in diesem Fall die Druckbegrenzungsfunktion der Membranpumpe durch Deformation und Kompression von Bereichen des Antriebskolbens in Erscheinung tritt. Dies zeigt sich nahe der maximalen Kompression der Pumpkammer zwischen 120° und 240° des Zyklus der Taumelscheibe. Die Zykluszustände bei 120° bzw. 180° aus 5 sind vergrößert in 6 bzw. 7 dargestellt. In 6 und 7 ist zu erkennen, dass hier der scheibenförmige Kolbenkopf 12 an seinem äußeren, über den reduzierten Kolbenabschnitt 14 vorstehenden Rand durchgebogen ist, wodurch der der Pumpkammer zugewandte Boden, der durch die Stirnfläche des Kolbenkopfes 12 gebildet wird, eine konkave Oberflächenform erhält, was das Volumen der Pumpkammer vergrößert und daher einer Druckerhöhung entgegenwirkt. Darüber hinaus findet auf dem Weg zur maximalen Kompression bei 180° eine gewisse Kompression des reduzierten Kolbenabschnitts 14 in dessen Längsrichtung statt, die die Volumenkompression der Pumpkammer vermindert und dadurch dazu beiträgt, den Druckhöchstwert, den die Pumpkammer erzeugen kann, zu begrenzen.
In den 8 und 9 sind die Sequenzen von Pumpzyklen entsprechend den 4 und 5 für eine Membranpumpe mit einer Pumpmembran gemäß Stand der Technik gezeigt. Wegen der massiven zylindrischen Form des Antriebskolbens 10 findet hier während des Pumpzyklus keine Deformation und Kompression im Bereich des Antriebskolbens statt. Infolgedessen bewirkt diese Membranpumpe gemäß Stand der Technik mit einer Pumpmembran, die keine Druckbegrenzungsfunktion realisiert, einen höheren Anstieg des Pumpausgabedrucks als Funktion der Betriebszeit der Membranpumpe.
In 10 ist mit durchgezogener Linie der Pumpausgabedruck als Überdruck als Funktion der Betriebszeit der Membranpumpe für eine erfindungsgemäße Membranpumpe dargestellt. Daran ist zu erkennen, dass sich bereits nach etwa 3 Sekunden der Druckanstieg deutlich verlangsamt und nach einer Betriebszeit von etwa 6 Sekunden praktisch kein Anstieg des Drucks im Pumpausgabekanal mehr gegeben ist. Daran zeigt sich, dass bei einem Gegendruck von etwa 0,35 bar im Pumpausgabekanal als Druckhöchstwert kein weiterer Druckanstieg mehr bewirkt werden kann, da bei diesem Gegendruck eine solche Deformation und Kompression der Pumpmembran im Bereich der Antriebskolben eintritt, so dass die Pumpmembran die Druckbegrenzungsfunktion realisiert, in diesem Fall auf einen Druckhöchstwert von etwas mehr als 0,35 bar Überdruck.
Demgegenüber ist in 10 in gestrichelter Linie der Druckanstieg als Überdruck im Pumpausgabekanal für eine Membranpumpe mit einer Pumpmembran wie in 8 und 9 dargestellt aufgezeichnet. Da in diesem Fall keine merkliche Deformation und Kompression im Bereich der Antriebskolben der Pumpmembran auftritt steigt der Druck im Pumpausgabekanal mit der Betriebszeit der Membranpumpe wesentlich stärker an und zeigt keine Sättigung bei einem Druckhöchstwert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2372157 A1 [0002]
DE 102015105304 A1 [0027]

Claims

Membranpumpe zur pneumatischen Einstellung eines aufblasbaren Sitzformelements eines Kraftfahrzeugsitzes, mit einer aus Elastomermaterial mit einer Härte Shore-A im Bereich 40 - 60 bestehenden Pumpmembran (2), die wenigstens eine becherförmige Pumpkammer (4) mit einer Öffnung (6) und einem gegenüberliegenden Boden (8) ausbildet, der durch eine Stirnseite eines davon ausgehenden Antriebskolbens (10) gebildet ist, einer Taumelscheibe (40), mit der der Antriebskolben (10) an seinem von der Pumpkammer abgewandten Ende verbunden ist, einem Motor zum Antrieb der Taumelscheibe, um den Antriebskolben zu einer oszillierenden Bewegung anzutreiben und dadurch die zugehörige Pumpkammer (4) periodisch zu komprimieren, um Luft aus der Pumpkammer durch eine Ventilanordnung in einen Pumpenausgabekanal zu fördern, und zu dekomprimieren, um Luft aus der Umgebung durch die Ventilanordnung in die Pumpkammer (4) anzusaugen, und einer Druckbegrenzungseinrichtung, um den Ausgabedruck im Pumpenausgabekanal auf einen vorgegebenen Druckhöchstwert zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckbegrenzungseinrichtung ventillos durch Formgebung und Dimensionierung des Antriebskolbens (4) dadurch realisiert ist, dass der Antriebskolben (4) bei Erreichen des Druckhöchstwertes die durch die Taumelscheibe ausgeübte Kraft durch Deformation und Kompression des Antriebskolbens (4) aufnimmt.
Membranpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Antriebskolben (10) aus einem den Boden (8) der Pumpkammer, der der Pumpöffnung (6) der Pumpkammer gegenüberliegt, bildenden, scheibenförmigen Kolbenkopf (12) und einem mittig davon ausgehenden reduzierten Kolbenabschnitt (14) mit gegenüber der Querschnittsfläche des Kolbenkopfes (12) reduzierter Querschnittsfläche zusammensetzt.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des scheibenförmigen Kolbenkopfes (12) im Bereich von 1,5 - 4,0 mm liegt.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpmembran (2) im Bereich der die becherförmige Pumpkammer (4) umgebenden seitlichen Membranwand eine Dicke im Bereich von 0,28 - 0,42 mm hat.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpmembran (2) vier Pumpkammern (4) gleicher Ausgestaltung aufweist, die nebeneinander liegend eine quadratische Anordnung von Pumpkammern bilden.
Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern (4) einfassenden Quadrats im Bereich von 28 mm bis 32 mm liegt, dass die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes (12) und des reduzierten Kolbenabschnitts (14) jeweils kreisförmig sind und der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes (12) im Bereich 5,6 - 8,0 mm liegt und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts (14) im Bereich 2,5 - 4,4 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern (4) einfassenden Quadrats im Bereich von 32 mm bis 36 mm liegt, dass die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes (12) und des reduzierten Kolbenabschnitts (14) jeweils kreisförmig sind und der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes (12) im Bereich 8,0 - 10,0 mm liegt und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts (14) im Bereich 3,6 - 5,5 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern (4) einfassenden Quadrats im Bereich von 36 mm bis 40 mm liegt, dass die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes (12) und des reduzierten Kolbenabschnitts (14) jeweils kreisförmig sind und der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes (12) im Bereich 10,0 - 11,0 mm liegt und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts (14) im Bereich 4,5 - 6,0 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenlänge des die quadratische Anordnung von Pumpkammern (4) einfassenden Quadrats im Bereich von 40 - 45 mm liegt, dass die Querschnittsflächen des Kolbenkopfes (12) und des reduzierten Kolbenabschnitts (14) jeweils kreisförmig sind und der Durchmesser des scheibenförmigen Kolbenkopfes (12) im Bereich 11,0 - 12,8 mm liegt und der Durchmesser des reduzierten Kolbenabschnitts (14) im Bereich 5,0 - 7,0 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Antriebskolbens (10) in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf (12) verläuft, im Bereich von 5,4 - 5,95 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Antriebskolbens in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf (12) verläuft, im Bereich von 5,95 - 6,75 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Antriebskolbens (10) in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf (12) verläuft, im Bereich von 6,75 - 7,4 mm liegt.
Membranpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe des Antriebskolbens (10) in dessen Längsrichtung, die senkrecht zum scheibenförmigen Kolbenkopf (10) verläuft, im Bereich von 7,4 - 8,2 mm liegt.
Membranpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des reduzierten Kolbenabschnitts (14) im Bereich von 15 - 42% der Querschnittsfläche des scheibenförmigen Kolbenkopfes (12) liegt.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Membranhalter vorhanden ist, in dem für jede becherförmige Pumpkammer (4) eine zylindrische Durchführung zur Aufnahme und Führung der zugehörigen becherförmigen Pumpkammer gebildet ist.
Membranpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Elastomermaterial der Pumpmembran (2) ein Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk (EPDM), hydrierter Acrylnitril-Butadien-Kautschuk (HNBR), Epichlorhydrin-Kautschuk (ECO), Silikonkautschuk, wie etwa Hochtemperatur vernetzter Festsilikonkautschuk oder Flüssigsilikonkautschuk, ist.