DE102024101605A1

DE102024101605A1 - Membranpumpe sowie Anordnung und Verfahren zur Förderung eines Fluids und zugehörige Steuereinheit

Info

Publication number: DE102024101605A1
Application number: DE102024101605.1A
Authority: DE
Inventors: Raphael Frey; Stephan Kaufmann; Marcel Holzmann
Original assignee: KNF Flodos AG
Current assignee: KNF Flodos AG
Priority date: 2024-01-19
Filing date: 2024-01-19
Publication date: 2025-07-24
Also published as: WO2025153716A1

Abstract

Es wird vorgeschlagen, dass bei einer Anordnung (1) und einem Verfahren zur Förderung eines Fluids (2) eine Verdrängerpumpe (3), insbesondere eine Membranpumpe (16), mit einstellbarer Hubamplitude (h) verwendet wird und dass die Hubamplitude (h) der Verdrängerpumpe (3) durch eine Steuereinheit (6) steuerbar ist. Eine Hubfrequenz (f) der Verdrängerpumpe (3) kann so steuerbar sein, dass diese außerhalb einer hydraulischen Resonanzfrequenz der Anordnung (1) liegt. Die Hubamplitude (h) der Verdrängerpumpe (3) kann in Abhängigkeit eines gemessenen Strömungsparameters gesteuert werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Membranpumpe aufweisend ein Hubelement mit einstellbarer Hubamplitude. Solche Membranpumpen sind in der Praxis bekannt.
Die Erfindung betrifft weiter eine Anordnung zur Förderung eines Fluids. Die Anordnung umfasst eine Verdrängerpumpe. Weiter umfasst die Anordnung ein hydraulisches Speicherelement und eine Leitung. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Förderung eines Fluids mittels einer solchen Anordnung. Solche Anordnungen und Verfahren sind in der Praxis bekannt.
Die Verdrängerpumpe ist bevorzugt eine Membranpumpe. Die Verdrängerpumpe ist bevorzugt zur Förderung einer Flüssigkeit wie insbesondere Wasser ausgebildet.
Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zur Ermittlung einer hydraulischen Resonanzfrequenz einer Anordnung zur Förderung eines Fluids.
Die Erfindung betrifft weiter eine Steuereinheit, mit der eine Anordnung zur Förderung eines Fluids gesteuert werden kann.
Periodische Saug- und Druckphasen führen bei Verdrängerpumpen zu Druck- und Volumenstrompulsationen. Diese können durch das hydraulische Speicherelement reduziert werden. Die Anmelderin hat herausgefunden, dass die Pulsationen frequenzabhängig sind. Sie hat herausgefunden, dass das Speicherelement und die Leitung in vielen Anwendungen dazu führen, dass eine hydraulische Resonanzfrequenz auftritt, bei der die Druck- und Volumenstrompulsationen ein Maximum aufweisen. In der Praxis werden Verdrängerpumpen üblicherweise durch rotative Motoren und Exzenterantriebe mit unveränderlichem Hub angesteuert. Zur Anpassung der Förderrate ist es üblich, die Drehzahl und damit die Pumpenfrequenz anzupassen, was dazu führt, dass bei einer Änderung der Frequenz die Resonanzfrequenz durchfahren wird, sodass hohe Pulsationen auftreten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Förderung von Fluiden zu verbessern. Insbesondere soll eine beständige Fluidförderung ermöglicht und ein Energieverbrauch reduziert werden. Bevorzugt soll dies durch eine Verminderung von Druck- und Volumenstrompulsationen erreicht werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung die Merkmale von Anspruch 1 vor. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß bei einer Membranpumpe der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass die Membranpumpe einen spielfreien, als Direktantrieb ausgebildeten Linearantrieb zum Antrieb des Hubelements aufweist.
Ein spielfreier Antrieb kann dadurch charakterisiert sein, dass eine Hubbewegung des Hubelements ohne Spiel erfolgt. Insbesondere wird hierzu bei einem Direktantrieb das Hubelement fest an einer Membran der Membranpumpe befestigt sein.
Das nicht vorhandene Spiel ist gerade bei kleinen Hubamplituden und hohen Frequenzen besonders vorteilhaft. Ein im Antrieb bestehendes Spiel begrenzt den minimalen Hub, mit dem die Pumpe betrieben werden kann. Dies ist bei den aktuellen Einsatzbereichen von Membranpumpen unkritisch. Allerdings haben die Erfinder erkannt, dass durch einen spielfreien, direkten Linearantrieb die Einsatzmöglichkeiten von pulsationsgedämpften Pumpen signifikant erweitert werden können, da die Pumpe dann mit hohen Frequenzen und kleinen Hubamplituden betrieben werden kann. Dies erlaubt darüber hinaus einen Betrieb, bei dem die Förderrate über einen sehr großen Bereich verändert werden und dennoch präzise ist. Insbesondere können Resonanzfrequenzen vermieden werden können.
Durch einen Linearantrieb sind lediglich translatorische und keine rotatorischen Bewegungen ausführbar. Somit kann mit einem Linearantrieb die Hubamplitude des Hubelements besonders präzise und variabel gesteuert werden.
Ein Direktantrieb kann den Vorteil bieten, dass kein Getriebe im Antrieb und damit auch kein Spiel in der Hubbewegung des Hubelements vorhanden ist. Dadurch kann das Hubelement schnell und genau gesteuert werden. Weiter kann durch das Verwenden eines Direktantriebs eine hohe Lebensdauer der Membranpumpe erreicht werden, da kein Verschleiß von Getriebeteilen auftreten kann.
Weiter weist die Membranpumpe ein hydraulisches Speicherelement und eine Steuereinheit auf, mit der die Hubamplitude des Hubelements steuerbar ist.
Das hydraulische Speicherelement kann zwei Kammern aufweisen, die mittels einer Trennschicht - zum Beispiel eine Elastomerplatte oder eine Membran - voneinander getrennt sind. Eine Kammer kann dabei in Kontakt zu einem zu fördernden Fluid stehen. Die andere Kammer kann unter atmosphärischem Luftdruck oder einem anderen Druck stehen. Weiter kann die andere Kammer ein Federelement aufweisen, welches die Trennschicht stützt. Durch ein solches hydraulisches Speicherelement können etwaige Druck- und Volumenstrompulsationen, die von der Membranpumpe erzeugt werden, ausgeglichen werden, sodass gleichmäßigere Strömungsbedingungen in der Leitung vorliegen. Das Speicherelement kann daher auch als Pulsationsdämpfer bezeichnet werden.
Durch die Steuerbarkeit der Hubamplitude ist es möglich, die gewünschte Durchflussrate und/oder den gewünschten Druck über eine Veränderung der Hubamplitude einzustellen. Dadurch kann die Membranpumpe durchgehend bei einer hohen Hubfrequenz, vorzugsweise bei eine Hubfrequenz von mehr als 20 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 100 Hz, 200 Hz oder sogar mehr als 500 Hz oder in einem Intervall zwischen den genannten Frequenzen und mindestens 500 Hz betrieben werden, also beispielsweise in einem Intervall von zumindest zwischen 50 Hz und 500 Hz. Dadurch kann eine kompakte und platzsparende Bauweise der Membranpumpe ermöglicht werden. Zudem können durch einen Betrieb bei hohen Hubfrequenzen die Druck- und/oder Volumenstrompulsationen minimiert werden.
Mit der Steuereinheit kann ein Sensor, beispielsweise ein Drucksensor und/oder ein Volumenstromsensor, verbunden sein, sodass die Hubamplitude in Abhängigkeit eines Messwerts gesteuert werden kann.
In der Steuereinheit kann dabei ein Strömungsparameter - beispielsweise ein Druck oder ein Volumenstrom - einstellbar sein, wobei die Hubamplitude in Abhängigkeit des Strömungsparameters einstellbar ist, insbesondere wobei die Membranpumpe eine mit der Steuereinheit verbundene Schnittstelle aufweist, über die der Strömungsparameter oder ein in den Strömungsparameter umrechenbarer Parameter als Eingabewert einlesbar ist. Der Strömungsparameter kann auch über ein User-Interface eingebbar sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Linearantrieb als elektromagnetischer Antrieb ausgebildet ist. Dadurch kann der Linearantrieb präzise gesteuert werden.
Vorzugsweise ist der Linearantrieb als elektrodynamischer Antrieb ausgebildet. Der Aufbau eines elektrodynamischen Antriebs besteht aus einer starren Spulenarmatur und einem mobilen Läufer, der Permanentmagnete aufweist, oder in umgekehrter Anordnung aus einer starren Permanentmagnetarmatur und einem mobilen Läufer, der Spulen aufweist. Werden die Spulen von einem elektrischen Strom durchflossen, der senkrecht zum Magnetfeld fließt, dann wird eine Kraft senkrecht zum elektrischen Strom und zum magnetischen Feld erzeugt (Lorentzkraft). Diese Kraft bewirkt, dass sich entweder die Spule bei fixer Permanentmagnetarmatur oder die Permanentmagnetarmatur bei fixer Spule verschiebt. Wird die Stromrichtung umgekehrt, kehrt sich auch die Kraftrichtung um. Bevorzugt ist der elektrodynamische Antrieb spulenseitig polstückfrei. Die zuvor genannten Spulen werden bevorzugt mit abwechselnden Wickelrichtungen von Magnetfeldern abwechselnder Richtung durchflossen. Die Lorentzkraft kann dann direkt zwischen den Magnetfeldern der Permanentmagnete und den Spulen wirken.
Da der Kraftaufbau eines elektrodynamischen Antriebs proportional und sehr direkt, also ohne zeitlichen Versatz, zum eingeprägten Strom ist, kann mit einem solchen Antrieb die Membranpumpe sehr präzise und reaktionsschnell gesteuert werden. Weiter kann ein elektrodynamischer Antrieb einen Betrieb der Membranpumpe bei hohen Hubfrequenzen ermöglichen.
Zur Lösung der genannten Aufgabe kann vorgesehen sein, dass die zuvor beschriebene Membranpumpe und die beschriebenen Varianten in einer Anordnung verwendet wird, welche die Membranpumpe umfasst und eine Leitung, die an die Membranpumpe angeschlossen ist.
Alternativ oder zusätzlich sind zur Lösung der genannten Aufgabe erfindungsgemäß die Merkmale des ersten auf eine Anordnung zur Förderung eines Fluids gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art vorgeschlagen, dass eine Hubamplitude der Verdrängerpumpe einstellbar ist. Die Verdrängerpumpe ist bevorzugt als Membranpumpe ausgebildet. Diese kann insbesondere wie zuvor oder weiter unten beschrieben ausgebildet sein. Die Anordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die mit der Verdrängerpumpe verbunden ist. Weiter ist vorgesehen, dass die Hubamplitude der Verdrängerpumpe durch die Steuereinheit steuerbar ist und dass die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass eine Hubfrequenz der Verdrängerpumpe außerhalb einer hydraulischen Resonanzfrequenz der Anordnung liegt.
Die Leitung kann dabei saugseitig die Verdrängerpumpe mit einem Fluidreservoir verbinden. Die Leitung kann auch druckseitig die Verdrängerpumpe mit einem gleichen oder auch einem weiteren Fluidreservoir oder einem Fluidverbraucher verbinden. So ist durch die Verdrängerpumpe über die Leitung ein Fluid von einem ersten Fluidreservoir zu einem zweiten Fluidreservoir förderbar, wobei anstelle eines anderen, zweiten Fluidreservoir die Leitung auch zum ersten Fluidreservoir zurückgeführt sein kann.
In der Leitung können ein oder mehrere hydraulische Speicherelemente angeordnet sein. Bevorzugt kann ein hydraulisches Speicherelement auf der Saugseite der Verdrängerpumpe platziert sein. Weiter kann bevorzugt auf der Druckseite der Verdrängerpumpe ein hydraulisches Speicherelement platziert sein.
Die hydraulische Resonanzfrequenz entspricht der Frequenz, bei der die im geförderten Fluid auftretenden Druck- und/oder Volumenstrompulsationen maximal sind. Die hydraulische Resonanzfrequenz kann empirisch ermittelt oder berechnet werden. Die hydraulische Resonanzfrequenz entspricht näherungsweise einer Hubfrequenz der Verdrängerpumpe, bei der die im geförderten Fluid auftretenden Druck- und/oder Volumenstrompulsationen maximal sind.
Es hat sich gezeigt, dass Druckpulsationen bei den genannten Anordnungen ausgehend von einem Stillstand zunächst mit zunehmender Frequenz ansteigen können und ein Maximum bei der hydraulischen Resonanzfrequenz erreichen können. Steigt die Frequenz noch weiter an, können die Druckpulsationen wieder absinken, bis ein konstanter Wert erreicht wird - in diesem Bereich sind die Druckpulsationen also nicht mehr von der Frequenz abhängig.
Volumenstrompulsationen können ebenfalls mit steigender Frequenz zunehmen und können einen Maximalwert bei der hydraulischen Resonanzfrequenz erreichen. Bei weiter steigender Hubfrequenz können die Volumenstrompulsationen wieder abfallen.
Folglich kann es vorteilhaft sein, bei der Wahl der Hubfrequenz die hydraulische Resonanzfrequenz zu vermeiden, da so eine beständige Fluidförderung möglich ist, mit verminderten Pulsationen im Druck und/oder in der Durchflussrate des Fluids.
Die Einstell- und Steuerbarkeit der Hubamplitude der Verdrängerpumpe hat den Vorteil, dass die Fördermenge und/oder der Druck des Fluids auch dann flexibel einstellbar ist, wenn durch eine Anpassung der Hubfrequenz andernfalls das hydraulische Resonanzmaximum angefahren würde. Es können daher etwaige Sollwerte für den Druck und/oder für den Durchfluss des Fluids erreicht werden, ohne dass die Gefahr besteht, mit der Hubfrequenz in den Bereich der hydraulischen Resonanzfrequenz zu geraten.
Dass die Hubfrequenz außerhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt, bedeutet bevorzugt, dass die Hubfrequenz unterhalb von 90% der Resonanzfrequenz oder oberhalb von 110% der Resonanzfrequenz liegt. Besonders bevorzugt beträgt die untere Grenze 80% und die obere Grenze 125% der Resonanzfrequenz. Noch bevorzugter beträgt die untere Grenze 70% und die obere Grenze 140% der Resonanzfrequenz.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit in einem Betriebsmodus so eingerichtet ist, dass die Hubfrequenz konstant ist. Damit können frequenzabhängige Änderungen in den Druck- und/oder Volumenstrompulsationen vermieden werden und das Fluid kann beständig gefördert werden.
Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Hubfrequenz zwar veränderbar ist, aber konstant gehalten wird. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass die Hubfrequenz unveränderbar ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass die Hubfrequenz einen optimalen Wert aufweist, bei dem ein Minimum an Druck- und/oder Volumenstrompulsationen entstehen.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass die Hubfrequenz oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt. Hierbei bedeutet „oberhalb“ bevorzugt oberhalb von 110%, besonders bevorzugt oberhalb von 120% und ganz besonders bevorzugt oberhalb von 140% der Resonanzfrequenz. Liegt die Hubfrequenz oberhalb der Resonanzfrequenz, können hohe Förderraten bei niedrigen Pulsationen erzielt werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass in einem Betriebsmodus, insbesondere einem weiteren Betriebsmodus, ein Minimalwert der Hubfrequenz nicht unterschritten wird.
Bei dem Minimalwert kann es sich dabei um einen Wert oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz handeln. Bevorzugt kann dieser Wert 110%, 120% oder 140% der hydraulischen Resonanzfrequenz betragen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die Hubfrequenz außerhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt und Druck- und Volumenstrompulsationen besonders klein sind.
Vorzugsweise ist die Steuereinheit so eingerichtet, dass bei einer Reduktion einer Förderrate des Fluids zuerst die Hubamplitude reduziert wird und dass erst bei Erreichen eines Minimalwerts der Hubamplitude die Hubfrequenz reduziert wird.
Auf diese Weise kann die Förderrate sowohl durch die Steuerung der Hubfrequenz als auch durch die Steuerung der Hubamplitude variiert werden. Dies ist beispielsweise dann von Vorteil, wenn die gewünschte Förderrate so gering ist, dass diese bei hohen Hubfrequenzen über eine Steuerung lediglich der Hubamplitude nicht erreichbar ist. Zugleich wird aber durch die Vorgabe des Minimalwerts gewährleistet, dass die Hubfrequenz oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt.
Alternativ oder zusätzlich sind zur Lösung der genannten Aufgabe erfindungsgemäß die Merkmale des zweiten auf eine Anordnung zur Förderung eines Fluids gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit zur Lösung der genannten Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Hubamplitude der Verdrängerpumpe einstellbar ist. Die Verdrängerpumpe ist bevorzugt als Membranpumpe ausgebildet. Diese kann insbesondere wie zuvor oder weiter unten beschrieben ausgebildet sein. Die Anordnung umfasst ferner eine Steuereinheit, die mit der Verdrängerpumpe verbunden ist. Außerdem umfasst die Anordnung einen Sensor zur Messung eines Strömungsparameters des Fluids. Zudem ist vorgesehen, dass die Hubamplitude der Verdrängerpumpe durch die Steuereinheit in Abhängigkeit des durch den Sensor gemessenen Strömungsparameters steuerbar ist
Auf diese Weise kann der gemessene Strömungsparameter beispielsweise an vorgegebene Sollwerte angepasst werden. Die Steuerbarkeit der Hubamplitude bietet den Vorteil, dass eine Steuerung der Hubfrequenz nicht notwendig ist und dass diese im Wesentlichen konstant und/oder außerhalb einer Resonanzfrequenz der Anordnung werden kann, vorzugsweise bei einem hohen Wert. So können Pulsationen im Druck und/oder im Volumenstrom des Fluids auf ein Minimum reduziert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass es sich bei dem Strömungsparameter um einen Druck und/oder einen Durchfluss handelt. Somit können der Druck und/oder der Durchfluss an der Position des Sensors durch die Steuerung der Hubamplitude der Verdrängerpumpe angepasst werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Sensor so ausgebildet und angeordnet ist, dass durch diesen eine Auslenkung einer Trennschicht des hydraulischen Speicherelements messbar ist und dass aus der gemessenen Auslenkung, insbesondere durch die Steuereinheit, ein Druck, beispielsweise der bereits erwähnte Druck, ermittelbar ist.
Dies bietet den Vorteil, dass ein Drucksensor direkt in dem hydraulischen Speicherelement verbaut werden kann. Dies ist besonders platzsparend, da auf diese Weise in der Leitung kein Drucksensor angebracht werden muss, und führt wegen der geringen Pulsationen im Speicherelement zu einer präzisen Messung des Drucks.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass eine Hubfrequenz der Verdrängerpumpe, beispielsweise die bereits erwähnte Hubfrequenz, durch die Steuereinheit in Abhängigkeit des durch den Sensor gemessenen Strömungsparameters steuerbar ist.
So kann die Verdrängerpumpe nicht nur über die Hubamplitude, sondern auch über die Hubfrequenz gesteuert werden. Vorteilhaft ist dabei die größere Flexibilität bei der Steuerung. Insbesondere können so besonders hohe und besonders niedrige Strömungsparameter erreichbar sein, welche allein durch die Steuerung der Hubamplitude nicht erreichbar sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Leitung zur Erhöhung eines Strömungswiderstands eine Blende aufweist. Die Blenden unterstützen dabei die dämpfende Wirkung des hydraulischen Speicherelements, um die Druck- und Volumenstrompulsationen, die von der Verdrängerpumpe aufgebaut werden, zu vermindern. Außerdem können die Blenden effektiv eingesetzt werden, um das Resonanzverhalten des hydraulischen Systems zu beeinflussen. Zudem kann durch den Einbau einer Blende die Resonanzfrequenz des hydraulischen Systems reduziert werden, sodass für den Betrieb der Verdrängerpumpe ein größerer Hubfrequenzbereich oberhalb der Resonanzfrequenz zur Verfügung steht.
Dabei kann die Blende auf einer Saugseite der Verdrängerpumpe angeordnet werden. Bevorzugt wird die Blende so angeordnet, dass sich das hydraulische Speicherelement zwischen der Verdrängerpumpe und der Blende befindet. Dadurch können auf der Saugseite der Verdrängerpumpe Druck- und Volumenstrompulsationen verringert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann die Blende auf einer Druckseite der Verdrängerpumpe angeordnet werden. Bevorzugt wird die Blende so angeordnet, dass sich das hydraulische Speicherelement zwischen der Verdrängerpumpe und der Blende befindet. Dies dabei den Vorteil, dass das von der Verdrängerpumpe geförderte Fluid zunächst in das hydraulische Speicherelement strömt, da der Strömungswiderstand dafür geringer ist als der Strömungswiderstand, der bestehen würde, wenn das Fluid durch die Blende direkt in die Leitung strömen würde. Auf diese Weise können Druck- und Volumenstrompulsationen auf der Druckseite der Verdrängerpumpe verringert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Hubamplitude über mindestens einen Faktor 10, bevorzugt um mindestens einen Faktor 20, 50 oder 100, steuerbar ist. Dies bietet bei der Steuerung der Anordnung eine besonders hohe Flexibilität, insbesondere bei der Einstellung eines bestimmten Druckes und/oder eines bestimmten Durchflusses.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit so eingerichtet ist, dass eine Hubfrequenz, beispielsweise die bereits erwähnte Hubfrequenz, zwischen einem 0,7- und einem 1,4-fachen, bevorzugt zwischen einem 0,8- und einem 1,2-fachen, besonders bevorzugt zwischen einem 0,9- und einem 1,1-fachen einer mechanischen Resonanzfrequenz der Verdrängerpumpe liegt. Beispielsweise kann die Hubfrequenz der mechanischen Resonanzfrequenz der Verdrängerpumpe entsprechen.
Das Hubelement der Verdrängerpumpe kann beispielsweise mittels Blattfedern oder, bei einer Membranpumpe, mittels der Pumpenmembran gelagert sein. Die mechanische Resonanzfrequenz der jeweiligen Pumpe ist somit die Resonanzfrequenz des Systems, das sich insbesondere aus dem oszillierenden Hubelement sowie aus dem Element, das das Hubelement lagert, also beispielsweise die Pumpenmembran und/oder die Blattfedern, zusammensetzt.
Es kann energetisch besonders vorteilhaft sein, die Hubfrequenz nahe der mechanischen Resonanzfrequenz einzustellen, da dadurch die Verdrängerpumpe im mechanischen Resonanzfall betrieben werden kann. Auf diese Weise kann von der elektrischen Energie, mit der das Hubelement angetrieben wird, ein maximaler Anteil in die Förderung des Fluids übertragen werden. Dies kann einen verringerten Energieverbrauch der Verdrängerpumpe zur Folge haben.
Bevorzugt wird dabei die Hubfrequenz konstant gehalten. So kann der Energieverbrauch der jeweiligen Pumpe auf einem konstant niedrigen Niveau gehalten werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Verdrängerpumpe einen Linearantrieb aufweist. Das bedeutet, dass die Verdrängerpumpe keinen Rotationsantrieb hat und dass durch den Antrieb der Membranpumpe lediglich translatorische Bewegungen ausführbar sind. Durch das Vermeiden von rotierbaren Teilen im Antrieb kann eine schnellere Reaktionsfähigkeit des Antriebs auf Stellsignale der Steuereinheit erreicht werden. Linearantriebe eignen sich besonders gut für Anwendungen, bei denen eine Hubamplitude einstellbar und gesteuert werden soll.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Linearantrieb ein elektromagnetischer Antrieb ist. Mit einem elektromagnetischen Antrieb ist gemeint, dass ein Hubelement der Verdrängerpumpe über elektromagnetische Induktion bewegt wird und nicht über ein Getriebe. Dadurch ist eine einfachere Einstellbarkeit der Hubamplitude und der Hubfrequenz möglich.
Alternativ oder zusätzlich ist ein Antrieb der Verdrängerpumpe, insbesondere der Linearantrieb, ein Direktantrieb. Durch das Verwenden eines Direktantriebs ist kein Getriebe im Antrieb und damit auch kein Spiel in der Hubbewegung vorhanden, sodass die Reaktionsfähigkeit des Antriebs auf Stellsignale der Steuereinheit noch schneller sein kann. Außerdem können auf diese Weise der Bedarf an Wartungsarbeiten minimiert und eine hohe Lebensdauer der Verdrängerpumpe erreicht werden, da ein Verschleiß von Getriebeteilen nicht auftreten kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass durch einen Positionssensor eine Hubposition der Verdrängerpumpe erfassbar ist und dass der Positionssensor mit der Steuereinheit verbunden ist.
Die Hubposition entspricht einer aktuellen Position des Hubelements. Mit dem Positionssensor kann erfasst werden, welchen Wert die aktuelle Hubamplitude aufweist. Mittels des Positionssensors kann beispielsweise kontrolliert werden, ob ein von der Steuereinheit vorgegebener Sollwert für die Hubamplitude auch tatsächlich umgesetzt wird.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Verdrängerpumpe mit einem Kopfspiel betreibbar ist, welches neben der Förderung von Flüssigkeit auch eine Förderung eines gasförmigen Mediums ermöglicht, und dass mit der Steuereinheit die Hubamplitude auf das Kopfspiel einstellbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass mit der Steuereinheit eine Nulllage des Hubelements auf das Kopfspiel einstellbar ist. Bei der Förderung von gasförmigen Medien ist es besonders vorteilhaft, das Kopfspiel so gering wie möglich und damit das Kompressionsverhältnis so groß wie möglich zu halten. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Hubamplitude einen maximalen Wert annimmt und/oder dass die Nulllage des Hubelements und damit die Neutrallage, also die Nulllinie, der Hubbewegung in Richtung Kopf verschoben wird.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Steuereinheit eingerichtet ist, die Anordnung so zu steuern, dass ein Verfahren wie nachfolgend beschrieben ausgeführt wird.
Mit den zuvor beschriebenen Anordnungen können Verfahren zur Förderung eines Fluids ausführbar sein, wobei hierbei die Hubamplitude und/oder eine Hubfrequenz der Verdrängerpumpe gesteuert wird.
Zur Lösung der genannten Aufgabe sind erfindungsgemäß die Merkmale eines ersten nebengeordneten, auf ein Verfahren zur Förderung eines Fluids gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit zur Lösung der genannten Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Hubamplitude der Verdrängerpumpe einstellbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass die Hubamplitude der Verdrängerpumpe gesteuert wird und dass eine Hubfrequenz der Verdrängerpumpe außerhalb einer hydraulischen Resonanzfrequenz der Anordnung gehalten wird.
Durch das Halten der Hubfrequenz außerhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz können Druck- und Volumenstrompulsationen vermindert und das Fluid unter beständigen Strömungsbedingungen gefördert werden. Durch die Steuerung der Hubamplitude sind die Strömungsbedingungen des Fluids flexibel einstellbar. Auch der Energieverbrauch der Verdrängerpumpe kann reduziert werden, da keine unnötige Energie zum Erzeugen der Druck- und Volumenstrompulsationen aufgebracht wird.
Was mit „außerhalb der Resonanzfreqeuenz“ gemeint ist, ist zuvor im Zusammenhang mit der Anordnung bereits beschrieben worden. Da das Verfahren insbesondere mit der zuvor beschriebenen Anordnung durchführbar ist, gelten die Definitionen und Weiterbildungen zur Anordnung entsprechend auch für die beschriebenen Verfahren.
Alternativ oder zusätzlich sind zur Lösung der genannten Aufgabe erfindungsgemäß die Merkmale des zweiten nebengeordneten, auf ein Verfahren zur Förderung eines Fluids gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit zur Lösung der genannten Aufgabe bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Hubamplitude der Verdrängerpumpe einstellbar ist. Ferner ist vorgesehen, dass ein Strömungsparameter des Fluids gemessen wird und dass die Hubamplitude der Verdrängerpumpe in Abhängigkeit des gemessenen Strömungsparameters gesteuert wird.
Dabei ist vorteilhaft, dass für die Anpassung des Strömungsparameters keine Änderung der Hubfrequenz erforderlich ist, da die Anpassung über die Steuerung der Hubamplitude erfolgen kann. Dadurch kann die Hubfrequenz auf einem hohen Wert gehalten werden, der auch oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz sein kann, sodass Druck- und Volumenstrompulsationen auf ein Minimum reduziert werden können.
Bei einer vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass eine Hubfrequenz, beispielsweise die bereits erwähnte Hubfrequenz, der Verdrängerpumpe in Abhängigkeit des gemessenen Strömungsparameters gesteuert wird. Dadurch steht neben der Steuerung der Hubamplitude ein weiterer Freiheitsgrad zur Verfügung, mit dem der Strömungsparameter angepasst werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass die Hubamplitude auf einen maximalen Wert eingestellt wird, bis die Verdrängerpumpe mit Flüssigkeit gefüllt ist, und dass anschließend die Hubamplitude variabel gesteuert wird.
Dies ist insbesondere beim Anfahrvorgang der Verdrängerpumpe oder bei der Initialisierung eines Fördervorgangs von Vorteil. Beim Anfahrvorgang befindet sich häufig noch keine Flüssigkeit in der Leitung oder in der Verdrängerpumpe. Diese sind mit Luft oder einem anderen Gas gefüllt. Die Verdrängerpumpe muss also zunächst die Flüssigkeit ansaugen. Dazu muss die Verdrängerpumpe Gas fördern. Zur Förderung von Gasen ist es vorteilhaft, wenn die Hubamplitude maximal ist. Dies bewirkt ein geringeres Totvolumen in einer Pumpkammer und ein höheres Kompressionsverhältnis. Dadurch können größere Mengen an Gas gefördert werden. Zudem kann nur so ein genügend großes Vakuum erzeugt werden, um die Flüssigkeit durch die saugseitige Leitung in die Pumpe anzusaugen. Sobald die Flüssigkeit angesaugt wurde, also bei der Verdrängerpumpe angelangt ist und die Pumpkammer befüllt hat, kann die Hubamplitude wieder gesenkt und so gesteuert werden, dass sich beispielsweise ein gewünschter Strömungsparameter einstellt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass ein Sollwert für den Strömungsparameter vorgegeben wird und mit einem Messwert des Strömungsparameters verglichen wird und dass die Hubamplitude in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses gesteuert wird. Bevorzugt wird hierdurch der Messwert an den Sollwert angeglichen.
Dadurch können die Strömungsbedingungen des Fluids an entsprechende Anforderungen angepasst werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann vorgesehen sein, dass eine Stellgröße der Hubamplitude in Zeitschritten aktualisiert wird, wobei die Zeitschritte in Abhängigkeit von der Hubfrequenz gewählt werden. Damit können Stellsignale besonders schnell von der Verdrängerpumpe berücksichtigt werden.
Bevorzugt sind die Zeitschritte proportional zum jeweils aktuellen Kehrwert der Hubfrequenz. Der Kehrwert der Hubfrequenz kann als Hubperiode bezeichnet werden. So kann für jede Hubperiode oder für jede beliebige Anzahl von Hubperioden eine neue Stellgröße der Hubamplitude vorgegeben werden, wodurch der Druck oder der Durchfluss des Fluids besonders schnell und zugleich präzise an aktuelle Messwerte angepasst werden kann.
Alternativ oder zusätzlich sind zur Lösung der genannten Aufgabe erfindungsgemäß die Merkmale des auf ein Verfahren zur Ermittlung einer hydraulischen Resonanzfrequenz einer wie oben beschriebenen Anordnung gerichteten nebengeordneten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit zur Lösung der genannten Aufgabe bei einem Verfahren zur Ermittlung einer hydraulischen Resonanzfrequenz der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass ein Bereich von Hubfrequenzen der Verdrängerpumpe durchfahren wird, wobei zu jeder Hubfrequenz ein Messwert des Strömungsparameters erfasst wird.
Die hydraulische Resonanzfrequenz kann wie zuvor beschrieben durch die Hubfrequenz angenähert werden, bei der die größten Pulsationen in Druck und/oder Volumenstrom gemessen werden.
Durch ein derartiges Ermitteln der hydraulischen Resonanzfrequenz kann diese bei der Steuerung berücksichtigt und beim Betrieb der Anordnung vermieden werden.
Alternativ oder zusätzlich sind zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe die Merkmale des nebengeordneten, auf eine Steuereinheit gerichteten Anspruchs vorgesehen. Insbesondere wird somit erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass eine Steuereinheit eingerichtet ist, eine wie oben beschriebene Anordnung so zu steuern, dass ein wie oben beschriebenes Verfahren zur Förderung eines Fluids oder zur Ermittlung einer hydraulischen Resonanzfrequenz ausgeführt wird. Durch diese Steuereinheit können die oben beschriebenen Vorteile umgesetzt werden.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, ist jedoch nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Weitere Erfindungsvarianten und Ausführungsbeispiele ergeben sich durch Kombination der Merkmale einzelner oder mehrerer Schutzansprüche untereinander und/oder mit einzelnen oder mehreren Merkmalen der Ausführungsbeispiele und/oder der zuvor beschriebenen Varianten erfindungsgemäßer Vorrichtungen und Verfahren.
Es zeigt

1 eine Anordnung zur Förderung eines Fluids, wobei es sich bei dem gemessenen Strömungsparameter um einen Druck handelt,
2 eine Abwandlung der Anordnung, wobei mehrere Drucksensoren an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind,
3 eine Abwandlung der Anordnung, wobei es sich bei dem gemessenen Strömungsparameter um einen Durchfluss handelt,
4 eine Abwandlung der Anordnung, wobei mehrere Durchflusssensoren an unterschiedlichen Positionen angeordnet sind,
5 ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild für die in 1 gezeigte hydraulische Anordnung.

In 1 weist die Anordnung 1 eine Verdrängerpumpe 3 auf, welche mit einem Linearantrieb M ausgestattet ist. Die Verdrängerpumpe ist als Membranpumpe 16 ausgeführt. Der Linearantrieb M ist dabei ein Direktantrieb, mit dem ein Hubelement 17 antreibbar ist. Zur besseren Steuerung der Verdrängerpumpe 3 ist ein Positionssensor 10 vorgesehen, mittels dessen ein Erfassen der aktuellen Hubamplitude h der Verdrängerpumpe 3 möglich ist.
Die Verdrängerpumpe 3 ist durch eine Leitung 5 auf deren Saugseite 11 mit einem ersten Fluidreservoir 13 verbunden, aus dem das Fluid 2 herausgefördert wird. Auf der Druckseite 12 ist die Verdrängerpumpe 3 durch eine Leitung 5 mit einem zweiten Fluidreservoir 14 verbunden, in welches das Fluid 2 hineingefördert wird. Bei dem Fluid 2 handelt es sich um eine Flüssigkeit.
Weiter sind in der Leitung 5 auf beiden Seiten 11, 12 der Verdrängerpumpe 3 jeweils ein hydraulisches Speicherelement 4 und eine Blende 8 angeordnet. Das hydraulische Speicherelement 4 weist zwei Kammern auf, welche durch eine Trennschicht 9 voneinander getrennt sind.
Die Förderrate Q_p der Verdrängerpumpe 3 weist eine Pulsation auf, da die Verdrängerpumpe 3 je Hubperiode einen Ansaugvorgang und einen Ausstoßvorgang durchläuft. Dadurch ist die Förderrate Q_p nicht stetig, sondern pulsierend. Durch die hydraulischen Speicherelemente 4 wird die Förderrate Q_p ausgeglichen, sodass der eintretende Durchfluss Q_u sowie der austretende Durchfluss Q_d verminderte Druck- und Volumenstrompulsationen aufweisen.
Die Blenden 8 erhöhen den Strömungswiderstand in der Leitung 5. Die auf der Druckseite 12 positionierte Blende 8 sorgt dafür, dass das Fluid 2 nicht direkt in Richtung des zweiten Fluidreservoirs 14 strömt und damit an dem hydraulischen Speicherelement 4 vorbeiströmt. Durch den von der Blende 8 erzeugten Strömungswiderstand ist es für das Fluid 2 einfacher, zunächst in das hydraulische Speicherelement 4 zu strömen, welches die Druck- und Volumenstrompulsationen ausgleicht. Die Wirksamkeit des hydraulischen Speicherelements 4 wird durch die Blende 8 also unterstützt.
Auf der Saugseite 11 verhält es sich ähnlich. Durch die Blende 8 erhöht sich der Strömungswiderstand des Fluids 2 in der Leitung 5. Somit wird von der Verdrängerpumpe 3 das Fluid 2 zu einem größeren Anteil aus dem saugseitigen hydraulischen Speicherelement 4 angesaugt und zu einem kleineren Anteil aus der Leitung 5 vor der Blende 8. Damit sind die Strömungsbedingungen in der Leitung 5 vor der Blende 8 ausgeglichener, da die Druck- und Volumenstrompulsationen, die von der Verdrängerpumpe erzeugt werden, durch das hydraulische Speicherelement 4 ausgeglichen werden. Die Blende 8 unterstützt dabei die Arbeit des hydraulischen Speicherelements 4.
Auf der Druckseite 12 der Verdrängerpumpe 3 ist ein Sensor 7 angeordnet, mit dem ein Druck p_m gemessen werden kann. Der gemessene Druck p_m wird an eine Steuereinheit 6 gegeben, in der der Messwert mit einem Solldruck p_ref verglichen wird.
Basierend auf dem Vergleichsergebnis gibt die Steuereinheit 6 der Verdrängerpumpe 3 neue Stellgrößen für die Hubamplitude h und die Hubfrequenz f vor. Die Stellgrößen werden dabei mit jedem Zeitschritt Δt neu berechnet. Der Zeitschritt Δt entspricht dabei der Hubperiode - also dem Kehrwert der Hubfrequenz f - der Verdrängerpumpe 3, sodass für jede neue Hubperiode eine neue Hubamplitude h und eine neue Hubfrequenz f vorgegeben werden.
Die beschriebene Anordnung weist eine hydraulische Resonanzfrequenz auf. Die hydraulische Resonanzfrequenz kann entweder berechnet oder empirisch ermittelt werden. Zur empirischen Ermittlung können die verfügbaren Hubfrequenzen f der Verdrängerpumpe 3 in einem Testlauf durchfahren werden. Zu jeder Hubfrequenz f werden mittels des Sensors 7 Messwerte für den Druck p_m erfasst. Diese Messwerte werden aufgezeichnet. Bei der Auswertung dieser Messwerte kann die hydraulische Resonanzfrequenz identifiziert werden als diejenige Hubfrequenz f, bei der die größten Druckpulsationen gemessen worden sind.
Für den darauffolgenden Betrieb der Anordnung 1 wird die Steuereinheit 6 so eingerichtet, dass die Hubfrequenz f stets oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt. Für die Einstellung des gewünschten Druckes p_ref wird vorrangig auf eine Steuerung der Hubamplitude h gesetzt. Um jedoch bei der Steuerung der Anordnung 1 über eine möglichst große Flexibilität zu verfügen, wird die Hubfrequenz f ebenfalls gesteuert, jedoch in einem Bereich, der oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt. Dabei wird ein Minimalwert für die Hubfrequenz f festgelegt. Bei Erreichen dieses Minimalwerts wird die Hubfrequenz f nicht weiter gesenkt und die Steuerung erfolgt ab diesem Punkt ausschließlich über die Hubamplitude h, welche um einen Faktor 100 steuerbar ist und somit einen sehr großen Bereich an lieferbarem Druck und/oder Durchfluss abdeckt.
Die Hubfrequenz f wird außerdem in einem Bereich nahe der mechanischen Resonanzfrequenz der Verdrängerpumpe 3, die als Membranpumpe 16 ausgeführt ist, gehalten. Damit ist der erforderliche Energieaufwand für die Förderung des Fluids 2 minimal.
Bevor die Verdrängerpumpe 3 jedoch das Fluid 2, welches eine Flüssigkeit ist, aus dem ersten Fluidreservoir 13 in das zweite Fluidreservoir 14 fördern kann, muss die Verdrängerpumpe 3 im Gasbetrieb betrieben werden. Dies ist notwendig, da beim Anfahren der Anordnung 1 die Leitung 5 noch nicht mit dem flüssigen Fluid 2, sondern mit einem Gas - in diesem Fall Luft - gefüllt ist. Das flüssige Fluid 2 muss also zuerst aus dem ersten Fluidreservoir 13 angesaugt werden.
Dazu wird die Verdrängerpumpe 3 bei einer maximalen Hubamplitude h betrieben. Dies ist bei kompressiblen Medien wie Luft von Vorteil, da das Kopfspiel in der Verdrängerpumpe 3 in diesem Fall minimal ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch die Neutrallage der Hubbewegung so angepasst werden, dass das Kopfspiel minimal wird. Damit steht ein maximales Hubvolumen und damit ein großes Vakuum zur Förderung der Luft und zum Ansaugen des flüssigen Fluids 2 zur Verfügung. Sobald das flüssige Fluid 2 angesaugt wurde, wird die Hubamplitude h variabel so gesteuert, dass sich der gewünschte Druck p_m einstellt.
In den 2 bis 4 sind Varianten des Ausführungsbeispiels aus 1 gezeigt. Die jeweilige Anordnung 1 besitzt dabei dieselbe Grundkonfiguration wie oben beschrieben und kann auf ähnliche Weise betrieben werden.
In 2 ist eine Variante der Anordnung 1 zu sehen, bei der vier mögliche Positionen für Sensoren 7 zur Erfassung eines Drucks p_m zu sehen sind.
Zwei mögliche Positionen für Sensoren 7 sind auf der Saugseite 11 der Verdrängerpumpe 3. Dadurch ist der Druck p_m des Fluids 2 vor dem Eintritt in die Verdrängerpumpe 3 messbar, wodurch der Druck p_m auch in diesem Bereich regelbar ist. Insbesondere kann der Druck p_m unterhalb eines Maximalwerts und/oder oberhalb eines Minimalwerts gehalten werden. Die erste dieser Positionen für einen Sensor 7 ist vor der Blende 8 vorgesehen. Die zweite Position ist in dem saugseitigen hydraulischen Speicherelement 4 angeordnet und misst die Auslenkung der Trennschicht 9 - über die gemessene Auslenkung kann daraufhin der im hydraulischen Speicherelement 4 vorliegende Druck p_m berechnet werden. Alternativ kann auch ein regulärer Drucksensor im hydraulischen Speicherelement 4 eingebaut werden.
Analog dazu sind auf der Druckseite 12 der Verdrängerpumpe 3 zwei weitere mögliche Positionen für Sensoren 7 vorgesehen - eine Position in dem druckseitigen hydraulischen Speicherelement 4 und eine Position hinter der druckseitigen Blende 8.
Abhängig von der angestrebten Betriebsweise können ein oder auch mehrere Sensoren 7 an einer oder mehreren Positionen platziert werden.
Das Ausführungsbeispiel in 3 gleicht demjenigen in 1, jedoch wird mit dem Sensor 7 nicht ein Druck p_m, sondern ein Durchfluss Q_m gemessen. Der Messwert wird an die Steuereinheit 6 gegeben, die diesen mit einem vorgegebenen Referenzwert Q_ref vergleicht. Auf Basis des Vergleichsergebnisses werden der Verdrängerpumpe 3 in Zeitschritten Δt aktualisierte Stellgrößen für die Hubamplitude h und die Hubfrequenz f vorgegeben.
Diese Anordnung 1 bietet sich insbesondere dann an, wenn ein bestimmter Solldurchfluss Q_ref von der Verdrängerpumpe 3 erbracht werden soll.
In 4 ist eine Variante des Ausführungsbeispiels von 3 zu sehen. Hier ist eine weitere Einbauposition für einen Sensor 7 vorgesehen, um den Durchfluss Q_m auch auf der Saugseite 11 der Verdrängerpumpe 3 zu messen. Dadurch kann der Durchfluss Q_m auch auf der Saugseite 11 geregelt werden. Es kann ein Sensor 7 an einer der beiden Einbaupositionen angeordnet werden. Alternativ können auch zwei Sensoren 7 verwendet werden, wodurch Leckagen in der Leitung 5 detektiert werden können, wenn beispielsweise der Durchfluss Q_m auf der Saugseite 11 größer ist als der Durchfluss Q_m auf der Druckseite 12.
5 zeigt ein elektrotechnisches Ersatzschaltbild für die in 1 gezeigte hydraulische Anordnung. Um das Verhalten eines hydraulischen Systems mathematisch beschreiben zu können, kann das System zusätzlich mit einem elektrischen Schema und den üblichen Elementen (Widerstand, Kapazität, Induktivität, Stromquelle) dargestellt werden. Da die in 1 gezeigte Anordnung symmetrisch aufgebaut ist, wird in 5 nur die Druckseite dargestellt.
Die hydraulischen und elektrischen Symbole in 1 und 5 repräsentieren dabei einzelne Komponenten des Systems. Eine hydraulische Leitung 5 entspricht einer Reihenschaltung aus einem elektrischen Widerstand (Rd) und einer Induktivität (Ld). Eine Blende 8 entspricht einem Widerstand (Ro). Ein hydraulisches Speicherelement 4 entspricht einer Kapazität (Ca). Ein Reservoir mit einem Anschluss unter dem Flüssigkeitsniveau entspricht einer Masse 15. Eine Verdrängerpumpe 3 entspricht einer Stromquelle (Ap).
Diese Analogie zur Elektrotechnik zeigt, dass ein hydraulisches System ein bestimmtes Resonanzverhalten aufweist, welches von der Kapazität der Speicherelemente, dem Widerstand der Leitungen und ggf. der Blenden und von weiteren hydraulischen Elementen sowie von deren Verschaltung abhängt.
Aufgrund dieser Analogie ist ein Fachmann für Elektrotechnik in der Lage, aus einem so entwickelten Ersatzschaltbild wie es bspw. 5 zeigt, ein Resonanzverhalten des hydraulischen Systems zu ermitteln. Die hierdurch ermittelten Informationen, insbesondere über Resonanzfrequenzen, können sodann erfindungsgemäß genutzt werden, um die Verdrängerpumpe durch Steuerung der Hubamplitude und ggf. auch der Hubfrequenz so zu steuern, dass Resonanzfrequenzen vermieden werden.
Es wird vorgeschlagen, dass bei einer Anordnung 1 und einem Verfahren zur Förderung eines Fluids 2 eine Verdrängerpumpe 3, insbesondere eine Membranpumpe 16, mit einstellbarer Hubamplitude h verwendet wird und dass die Hubamplitude h der Verdrängerpumpe 3 durch eine Steuereinheit 6 steuerbar ist. Eine Hubfrequenz f der Verdrängerpumpe 3 kann so steuerbar sein, dass diese außerhalb einer hydraulischen Resonanzfrequenz der Anordnung 1 liegt. Die Hubamplitude h der Verdrängerpumpe 3 kann in Abhängigkeit eines gemessenen Strömungsparameters gesteuert werden.
Bezugszeichenliste

1: Anordnung
2: Fluid
3: Verdrängerpumpe
4: hydraulisches Speicherelement
5: Leitung
6: Steuereinheit
7: Sensor
8: Blende
9: Trennschicht (von 4)
10: Positionssensor
11: Saugseite (von 3)
12: Druckseite (von 3)
13: erstes Fluidreservoir
14: zweites Fluidreservoir
15: Masse
16: Membranpumpe
17: Hubelement
h: Hubamplitude
f: Hubfrequenz
M: Linearantrieb
pm: Druck (gemessen)
pref: Solldruck
Qd: austretender Durchfluss (aus 3)
Qm: Durchfluss (gemessen)
Qp: Förderrate (von 3)
Qref: Solldurchfluss
Qu: eintretender Durchfluss (in 3)
Δt: Zeitschritt

Claims

Membranpumpe (16) aufweisend ein Hubelement (17) mit einstellbarer Hubamplitude (h), einen spielfreien, als Direktantrieb ausgebildeten Linearantrieb (M) zum Antrieb des Hubelements (17), ein hydraulisches Speicherelement (4) und eine Steuereinheit (6), mit der die Hubamplitude (h) des Hubelements (17) steuerbar ist.
Membranpumpe (16) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der Linearantrieb (M) als elektromagnetischer Antrieb, insbesondere als elektrodynamischer Antrieb ausgebildet ist.
Anordnung (1) zur Förderung eines Fluids (2), umfassend - eine Verdrängerpumpe (3), insbesondere Membranpumpe (16), mit einstellbarer Hubamplitude (h) - ein hydraulisches Speicherelement (4), - eine Leitung (5) und - eine Steuereinheit (6), die mit der Verdrängerpumpe (3) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubamplitude (h) der Verdrängerpumpe (3) durch die Steuereinheit (6) steuerbar ist und dass die Steuereinheit (6) so eingerichtet ist, dass eine Hubfrequenz (f) der Verdrängerpumpe (3) außerhalb einer hydraulischen Resonanzfrequenz der Anordnung liegt.
Anordnung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) in einem Betriebsmodus so eingerichtet ist, dass die Hubfrequenz (f) konstant ist oder dass die Hubfrequenz (f) unveränderbar ist und/oder dass die Hubfrequenz (f) oberhalb der hydraulischen Resonanzfrequenz liegt.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) so eingerichtet ist, dass in einem Betriebsmodus ein Minimalwert der Hubfrequenz (f) nicht unterschritten wird, insbesondere wobei bei einer Reduktion einer Förderrate des Fluids (2) zuerst die -Hubamplitude (h) reduziert wird und dass erst bei Erreichen eines Minimalwerts der Hubamplitude (h) die -Hubfrequenz (f) reduziert wird.
Anordnung (1) zur Förderung eines Fluids (2), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend - eine Verdrängerpumpe (3), insbesondere Membranpumpe (16), mit einstellbarer Hubamplitude (h), - ein hydraulisches Speicherelement (4), - eine Leitung (5), - einen Sensor (7) zur Messung eines Strömungsparameters des Fluids (2) und - eine Steuereinheit (6), die mit der Verdrängerpumpe (3) und dem Sensor (7) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubamplitude (h) der Verdrängerpumpe (3) durch die Steuereinheit (6) in Abhängigkeit des durch den Sensor (7) gemessenen Strömungsparameters steuerbar ist.
Anordnung (1) nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Strömungsparameter um einen Druck (p_m) und/oder einen Durchfluss (Q_m) handelt.
Anordnung (1) nach einem der beiden vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (7) so ausgebildet und angeordnet ist, dass durch diesen (7) eine Auslenkung einer Trennschicht (9) des hydraulischen Speicherelements (4) messbar ist und dass aus der gemessenen Auslenkung, insbesondere durch die Steuereinheit (6), ein oder der Druck (p_m) ermittelbar ist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die Hubfrequenz (f) der Verdrängerpumpe (3) durch die Steuereinheit (6) in Abhängigkeit eines oder des durch einen oder den Sensor (7) gemessenen Strömungsparameters steuerbar ist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (5) zur Erhöhung eines Strömungswiderstands eine Blende (8) aufweist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubamplitude (h) über mindestens einen Faktor 10, bevorzugt um mindestens einen Faktor 100, steuerbar ist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) so eingerichtet ist, dass eine oder die Hubfrequenz (f) zwischen einem 0,7- und einem 1,4-fachen einer mechanischen Resonanzfrequenz der Verdrängerpumpe (3) liegt, insbesondere wobei die Hubfrequenz (f) konstant gehalten wird.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe einen Linearantrieb (M) aufweist, insbesondere wobei der Linearantrieb (M) ein elektromagnetischer Antrieb und/oder ein Direktantrieb ist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Positionssensor (10) eine Hubposition der Verdrängerpumpe (3) erfassbar ist und dass der Positionssensor (10) mit der Steuereinheit (6) verbunden ist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrängerpumpe (3) mit einem Kopfspiel betreibbar ist, welches neben der Förderung von Flüssigkeit auch eine Förderung eines gasförmigen Mediums ermöglicht, und dass mit der Steuereinheit (6) die Hubamplitude (h) und/oder eine Neutrallage des Hubelements (17) auf das Kopfspiel einstellbar ist.
Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (6) eingerichtet ist, die Anordnung (1) so zu steuern, dass ein Verfahren nach einem der nachfolgenden Verfahrensansprüche ausgeführt wird.
Verfahren zur Förderung eines Fluids (2) mittels einer Anordnung (1), insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend - eine Verdrängerpumpe (3), insbesondere Membranpumpe (16), mit einstellbarer Hubamplitude (h), - ein hydraulisches Speicherelement (4) und - eine Leitung (5), dadurch gekennzeichnet, dass die Hubamplitude (h) der Verdrängerpumpe (3) gesteuert wird, insbesondere wobei eine Hubfrequenz (f) der Verdrängerpumpe (3) außerhalb einer hydraulischen Resonanzfrequenz der Anordnung gehalten wird.
Verfahren zur Förderung eines Fluids (2) mittels einer Anordnung (1), insbesondere nach einem der vorangehenden auf eine Anordnung gerichteten Ansprüche, umfassend - eine Verdrängerpumpe (3), insbesondere Membranpumpe (16), mit einstellbarer Hubamplitude (h), - ein hydraulisches Speicherelement (4) und - eine Leitung (5), dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungsparameter des Fluids gemessen wird und dass die Hubamplitude (h) der Verdrängerpumpe (3) in Abhängigkeit des gemessenen Strömungsparameters gesteuert wird.
Verfahren nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die Hubfrequenz (f) der Verdrängerpumpe (3) in Abhängigkeit des gemessenen Strömungsparameters gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubamplitude (h) auf einen maximalen Wert eingestellt wird, bis die Verdrängerpumpe (3) mit Flüssigkeit gefüllt ist, und dass anschließend die Hubamplitude (h) variabel gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollwert (p_ref, Q_ref) für den Strömungsparameter vorgegeben wird und mit einem Messwert des Strömungsparameters verglichen wird und dass die Hubamplitude (h) in Abhängigkeit eines Vergleichsergebnisses gesteuert wird, insbesondere wobei hierdurch der Messwert an den Sollwert angeglichen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellgröße der Hubamplitude (h) in Zeitschritten (Δt) aktualisiert wird, wobei die Zeitschritte (Δt) in Abhängigkeit von der Hubfrequenz (f) gewählt werden, insbesondere wobei die Zeitschritte (Δt) proportional zum jeweils aktuellen Kehrwert der Hubfrequenz (f) sind.
Verfahren zur Ermittlung einer hydraulischen Resonanzfrequenz einer Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich von Hubfrequenzen (f) der Verdrängerpumpe (3) durchfahren wird, wobei zu jeder Hubfrequenz (f) ein Messwert des Strömungsparameters erfasst wird.
Steuereinheit (6), die eingerichtet ist, eine Membranpumpe (16) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 und/oder eine Anordnung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche 3 bis 16 so zu steuern, dass ein Verfahren nach einem der vorangehenden Verfahrensansprüche ausgeführt wird.