Die Erfindung betrifft eine Pumpe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
Als Antrieb für die Umwälzpumpe in einem Geschirrspüler
ist üblicherweise der einphasige Asynchronmotor anzutreffen, an dem über
einen Kondensator ein Spannungsverlauf in einer zweiten Phasenlage zur Drehfelderzeugung
generiert wird. Ein solcher Antrieb zeichnet sich durch seine Robustheit aus, weshalb
er sich trotz zahlreicher konstruktiver und betriebstechnischer Nachteile durchgesetzt
hat. Zu diesen Nachteilen zählt die lastabhängig schwankende Drehzahl,
das Erfordernis eines Tachogenerators o.dgl. als Drehzahlsensor und das Erfordernis
einer reibenden Dichtung zwischen Motor und Pumpe, deren mechanische Beanspruchung
über 10% der aufgenommenen Motorleistung verbraucht und zu Störgeräuschen
sowie Verschleiß führt. Außer bei seiner Nenndrehzahl kann ein solcher
Asynchron-Pumpenantrieb auch noch mit einer reduzierten Drehzahl betrieben werden,
allerdings bei sehr viel schlechterem Wirkungsgrad und ohne die Möglichkeit
einer freien Drehzahlbeeinflussung.
Konstruktiv vorteilhafter wäre der Einsatz eines Synchronmotors
als Pumpenantrieb. Denn aufgrund seines breiten zulässigen Luftspalts zwischen
Rotor und Stator könnte durch diesen Luftspalt die hohlzylindrische Wandung
eines zur Wasserseite der Pumpe hin offenen Kunststofftopfes eingesetzt werden,
in dessen Boden dann das Pumpen-Turbinenrad als Naßläufer gelagert wäre.
Damit wären die geräuschträchtigen und verschleißanfälligen
Dichtungserfordernisse zwischen Antriebsmotor und Wasserpumpe vermieden. Wie in
der EP 0 691 732 B1 ausgeführt,
ist der Einphasen-Synchronmotor üblicher Bau- und Betriebsart aber für
den Einsatz in Geschirr-Spülmaschinen nicht hinreichend leistungsstark und
auch aufgrund seines dynamischen Verhaltens an sich ungeeignet. Deshalb soll dort
der Betrieb des Synchronmotors aus dem Wechselspannungsnetz über einen Gleichrichter
mit nachgeschaltetem Wechselrichter erfolgen, mittels dessen variablen ausgangsseitigen
Pulsmusters eine Strom-Drehzahl-Kennlinie ähnlich derjenigen eines Gleichstrom-Nebenschluß-Verhaltens
erzwungen werden soll. Das ist ersichtlich sehr aufwendig; und es verbleibt dennoch
der Nachteil, daß auch ein derart betriebener Synchronmotor schon aufgrund
seines Masseträgheitsmomentes und erst recht unter Last nicht selbständig
anlaufen kann. Er benötigt zusätzlich eine elektronische Hochfahrsteuerung
in die synchrone Arbeitsdrehzahl hinein. Von Nachteil bleibt ferner, daß wie
dort beschrieben für den sicheren Anlauf eine Unsymmetrie des magnetischen
Feldes im Luftspalt erforderlich ist, nämlich ein in Umfangsrichtung des Luftspalts
nicht konstantes Feld. Daraus resultiert ein mit dem Umlauf des Rotors schwankendes
Drehmoment, das im Betrieb zu unangenehmer Geräuschentwicklung aufgrund Körperschallabstrahlung
über das Statorblechpaket sowie über die Masse der ablaufseitig verdichteten
Wassersäule des durch die Pumpe geförderten Wassers führt. Wohl auch
deshalb hat der Synchronmotor für eine Geschirrspüler-Umwälzpumpe,
deren Kreislauf nach der Steigleitung über die Sprühdüsen und den
Spülbehälter zum Pumpensumpf zurück führt, trotz anhaltender
technologischer Anstrengungen noch keine praktische Bedeutung erlangen können.
Der Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, eine
elektromotorisch betriebene Pumpe anzugeben, die ruhig und verschleißarm über
einen breiten Drehzahlbereich betreibbar ist, auch um unter Gewährleistung
der vom Markt geforderten Eigenschaften hinsichtlich Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit
ganz neue Spülprogramme realisieren zu können.
Diese Aufgabe ist gemäß vorliegender Erfindung durch die
Kombination der im Hauptanspruch angegebenen wesentlichen Merkmale gelöst,
wonach die Pumpe nun von einem Gleichstrommotor angetrieben wird, weil der alle
in Bezug auf die vorliegende Aufgabenstellung wesentlichen Anlauf- und Betriebseigenschaften
in besonders vorteilhafter Weise realisieren läßt. In diesem Zusammenhang
ist unter einem Gleichstrom-Motor derjenige zu verstehen, dessen magnetisches Drehfeld
nicht vom elektrischen Drehfeld der externen Motorspeisung vorgegeben, sondern –
abhängig von der Rotor-Bewegung selbst – über Kommutierungssensoren
gesteuert wird. Bevorzugt wird dabei an einen zweiphasig betriebenen Gleichstrommotor
mit bifilaren Feldwicklungen gedacht, wie er in der älteren (noch nicht veröffentlichten)
deutschen Patentanmeldung 101 39 928.6 vom 14.08.01 hinsichtlich seines Aufbaus
und seiner besonders vorteilhaften Ansteuerungsmöglichkeiten näher beschrieben
ist. Aber auch ein Gleichstrommotor konventioneller Bauart ist im Rahmen vorliegender
Erfindung ohne weiteres einsetzbar.
Solch ein Pumpenantriebs-Motor kann insbesondere in seiner Drehrichtung
problemlos umgekehrt und selbst unter Last aus dem Stillstand heraus bis zur Maximaldrehzahl
mit jeder beliebigen Drehzahl betrieben werden. Seine elektromechanische Funktion
läßt für das magnetische Drehfeld einen hinreichend großen radialen
Luftspalt zwischen Stator- und Rotor-Polschuhen zu, um einen dünnwandigen Lagertopf
für ein naßgelagertes Pumpen-Turbinenrad sich hier achsparallel hindurch
erstrecken zu lassen, so daß die erwähnten dichtungsbedingten Verschleiß-
und Geräuschprobleme entfallen.
Durch die Variation der Antriebsdrehzahl läßt sich die Fördermenge
und damit auch der Förderdruck, der durch die Pumpe auf das
Rohrleitungssystem und die Austrittsdüsen im Spülbehälter ausgeübt
wird, wahlweise kontinuierlich oder sprunghaft verändern und in weiten Grenzen
stationär einstellen. Das ermöglicht etwa ein Spülprogramm mit energetisch
sparsamem und mechanisch schonendem Einweichprogramm, ehe über eine Steigerung
der Drehzahl der Sprühdruck vorübergehend zum Reinspülen der eingeweichten
Oberflächen erhöht wird. Auch können, gesteuert über elektromagnetische
bzw. elektromotorische Stellglieder oder einfach über Wasserdrucksprünge,
Wasserweichen im Zuge des Rohrleitungssystems umgeschaltet werden, um beispielsweise
von einem unteren Dreharm auf einen oberen Dreharm umzuschalten; oder um vorübergehend
besonders intensiv aus z.B. längs des Umfangs des Spülbehälters fest
installierten Düsen zu spritzen.
Eine weitere Umschaltmöglichkeit betrifft einen Wechsel in der
Betriebsabfolge zwischen Nenndrehzahl des Elektromotors für den Umwälzbetrieb
im Kreislauf durch die Sprüharmdüsen und den Spülbehälter hindurch
einerseits und andererseits momentaner Umschaltung auf eine niedrigere Drehzahl
für das Entleeren des Spülbehälters mit geringerem Förderdruck,
so daß dieselbe elektromotorisch betriebene Pumpe einerseits als Laugenumlaufpumpe
und andererseits als Wasserentleerungspumpe verwendbar ist, also das zweite Pumpensystem
der herkömmlichen Geschirrspülerausstattung völlig entfallen kann.
Noch zweckmäßiger ist es, für den Wechsel zwischen
Umwälzbetrieb und Abpumpbetrieb die Antriebsrichtung des Pumpenrades umzukehren,
so daß diesbezüglich das Erfordernis einer Wasserweiche im Wasserstrom
entfällt, weil z.B. je nach der momentanen Strömungsrichtung der Wasserablauf
vom Turbinenrad der Pumpe entweder durch den einen oder aber durch den anderen zweier
gegensinnig tangential orientierter Turbinenauslässe erfolgt. Für diese
Drehrichtungsänderung des Gleichstrommotor-Pumpenantriebs brauchen nur die
Polarität der Feldspannung im Motor umgekehrt und dafür die Speisespannungsanschlüsse
umgepolt zu werden. Das erfordert allerdings elektrisch hoch belastbare Schaltkontakte.
Günstiger ist es deshalb, die Polaritäten etwa von Hall-Sensoren zur bürstenlosen
Kommutierung des Rotorstromes ausgangsseitig umzupolen, um die Drehrichtung eines
solchen Gleichstrommotor-Pumpenantriebs zu wechseln.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung eines
Gleichstrommotors als Pumpenantrieb liegt in der einfachen Verfügbarkeit von
aus Betriebsgrößen des Motors abgeleiteten aktuellen Betriebsinformationen,
ohne für deren Gewinnung eigens zusätzliche Sensoren in der Spülmaschine
anbringen und betreiben zu müssen. So ist die Schaltfrequenz der Sensoren für
die bürstenlose Kommmutierung des Rotorstromkreises ein direktes Maß für
die momentane Rotordrehzahl, die somit ohne zusätzlichen Schaltungsbedarf unmittelbar
als Istwert zur Verfügung steht, etwa für eine Drehzahlregelung zum Abarbeiten
eines abgespeicherten Spülprogrammes mit einer Folge unterschiedlicher Drücke
bzw. Strömungsvolumina in den an die Pumpe angeschlossenen Steigleitungen.
Im Rahmen einer Weiterbildung der Erfindung ist es schließlich
auch von Interesse, aus dem Motorstrom des Gleichstromantriebs unmittelbar auf die
momentan in das Spülsystem abgegebene mechanische Leistung schließen zu
können. Das ermöglicht es, ohne zusätzliche Installation und Abfrage
von Wasserstandssensoren einen hinsichtlich des Wasserverbrauches optimalen Betrieb
einzuhalten, nämlich z.B. einen Spülgang mit nur solchem maximalem Wasserstand
im Pumpentopf unter dem Spülbehälter, daß die im Umwälzbetrieb
arbeitende Pumpe gerade noch nicht auch Luft ansaugt, weil sie gerade noch ganz
im Wasser arbeitet. Das zusätzliche Ansaugen von Luftblasen würde zu einer
schwankenden Leistungsaufnahme führen und kann somit einspeiseseitig, über
einen unruhig schwankenden Stromverlauf, als Steuersignal für die Zufuhr von
Frischwasser abgefragt werden, bis sich mit konstanter Förderleistung- wegen
Pumpenbetriebs im Wasser ohne Luftansaugen – wieder konstanter Motorstrom
einstellt. Andererseits kann beim Entleerungsbetrieb der Pumpe deren Ansteuerung
abgeschaltet werden, sobald sich das Restwasser im Pumpentopf unter dem Spülbehälter
auf ein Niveau abgesenkt hat, ab dem die Pumpe auch Luft zieht. Dadurch werden die
unangenehm gurgelnden Geräusche, die sonst bei Fördern eines Wasser-Luft-Gemisches
bis zum Beendigen des Entleerungsbetriebes auftreten, nun infolge Abschaltens des
Pumpenantriebs bei Einsatz schwankender Stromaufnahme sofort wieder beendet.
Weitere Vorteile sowie zusätzliche Alternativen und Abwandlungen
zur erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen
und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung
auf das Wesentliche nicht maßstabsgerecht und stark abstrahiert skizzierten
bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in Seitenansicht unter einem
Spülbehälter einen Pumpentopf mit angebauter, von einem elektronisch kommutierenden
Gleichstrommotor angetriebener Kreiselpumpe für das gesamte Wassermanagement
dieser Spülmaschine.
Der in der Zeichnung skizzierte Blick ins Innere des Gehäuses
einer Geschirr-Spülmaschine 11 läßt einen vertikal orientierten
hohlzylindrischen Spülbehälter 12 erkennen,
der unter seinem mit einem Schmutzfang-Filter 13 ausgestatteten Boden
14 in einen Pumpentopf 15 übergeht. Vor dessen hohlzylindrische
Wandung 16 ist eine Pumpe 17 montiert, deren sichtabgelegene Ansaugöffnung
über Wandungs-Durchbrechungen mit dem Pumpensumpf 18 im Inneren des
Pumpentopfes 15 in Strömungsverbindung steht. Die Pumpe
17 ist als Kreiselpumpe ausgelegt, deren Turbinen-Pumpenrad von einem koaxial
zu ihm angeflanschten elektrischen Antriebsmotor 19, eventuell über
ein integriertes Getriebe, angetrieben wird. An das Gehäuse 20 der
Pumpe 17 ausgangsseitig angeschlossen ist z.B. das Druckrohr
21 zur Steigleitung 22 des Wasserkreislaufes über Sprühdüsen
23 in den Spülbehälter 12 hinein und durch das Filter
13 hindurch in den Pumpentopf 15 zurück. Im dargestellten
Beispielsfalle ist dieser Anschluß des Druckrohres 21 derart orientiert,
daß es bei Rechtslauf 24 des Motors 19 beströmt wird.
Bei Linkslauf 25 dagegen wird ein Druckrohr 21 zu einer Steigleitung
22 beströmt, die entgegengesetzt tangential zum vorgenannten an das
Pumpengehäuse 20 angeschlossen ist und an einem Auslauf-Siphon
26 zum Entleeren des Spülbehälters 12 endet.
Als Pumpenantrieb ist grundsätzlich jeder gängige Gleichstrom-Motor
19 hervorragend geeignet. Bevorzugt wird jedoch der schon erwähnte
zweiphasig betriebene Gleichstrommotor 19 mit bifilaren Feldwicklungen
eingesetzt, wie er in der älteren deutschen Patentanmeldung 101 39 928.6 vom
14.08.01 hinsichtlich seines Aufbaus und seiner gerade im Rahmen vorliegender Erfindung
besonders vorteilhaften Ansteuerungsmöglichkeiten näher beschrieben ist.
Nachstehend werden nur einige jener Ansteuerungsmöglichkeiten anhand des stark
vereinfachten Bockschaltbildes dieser Zeichnung behandelt.
Die elektrische Speisung des Motors 19 erfolgt über
ein zweiadriges Speisekabel 27 aus dem Gleichstromzwischenkreis
28 eines an das Wechselstrom-Hausnetz (nicht gezeichnet) angeschlossenen
Steuergerätes 29. Über ein manuell oder aus einer übergeordneten
Programmsteuerschaltung einstellbares Stellglied 30 wird die Ausgangsgleichspannung
des Zwischenkreises 28 und damit die Drehzahl des Motors 19 beeinflußt.
Außerdem kann hier eine Umpolung der Motorspeisung zur Drehrichtungsumkehr
24/25 erfolgen.
Eine Drehrichtungsumkehr wird aber vorteilhafter, da dann nicht mehr
starkstromseitig sondern nur auf Sensorsignalpfaden, durch ein Umpolen im Zuge der
Ankerstromkommutierung vorgenommen, deren Signalleitungen 31 die Brückenschaltungen
am Ausgang des Zwischenkreises 28 rotorstellungsabhängig umsteuern.
Einer Drehrichtungsumkehr über beispielsweise Hall-Sensoren (in der Zeichnung
nicht dargestellt) dient ein Mehrfach-Umschalter 32 zum Umpolen deren Signalleitungen
31 an die Ausgangsanschlüsse der Hall-Sensoren.
Ein Frequenzmesser 33 leitet aus der von einem der Hall-Sensoren
oder dergleichen Kommutierungssensoren gelieferten Pulsfolge eine Drehzahlinformation
34 ab. Ein an das Speisekabel 27 angeschlossenes Strom- oder Leistungsmeßgerät
35 liefert eine Information 36 über die aktuelle Leistungsaufnahme
der Pumpe 17, die signifikant schwankt, wenn neben Wasser auch Luftblasen
gefördert werden. Eine Auswertegerät 37 verarbeitet diese Informationen
34/36 nach Maßgabe von aus dem übergeordneten Betriebsprogramm
im Steuergerät 29 vorgegebenen Kriterien und beeinflußt dementsprechend,
mittelbar oder unmittelbar, die Ansteuerung des Pumpenmotors 19.
Jenes übergeordnete Betriebsprogramm kann beispielsweise vorsehen,
daß zu Betriebsbeginn die Pumpe 17 mit mäßiger Drehzahl
und deshalb geräuscharm in Umwälzrichtung 24 angetrieben wird,
während der Pumpentopf 15 über den Spülbehälter
12 aus einem Zulauf 38 mit Frischwasser gefüllt wird. Das
verbrauchs- und betriebsoptimale Wasservolumen ist eingefüllt, wenn die Pumpe
17 keine Luft mehr ansaugt, weil ihre Ansaugöffnung in der Topfwandung
20 gerade gänzlich unter dem Wasserspiegel liegt, also ganz mit Wasser
gefüllt ist. Mit Erreichen diesen Niveaus steigt deshalb der Förderleistungsbedarf
und damit der Motorstrom signifikant an, was im Steuergerät 29 zum
Abschalten des Zulaufes 38 ausgewertet wird. Wenn danach, während
des Sprühbetriebes über die Düsen 23 ins Innere des Spülbehälters
12 hinein, der Wasserspiegel im Pumpentopf 15 – insbesondere
infolge Verdunstung und wegen der Benetzung der Innenwände des Spülbehälters
12 und der Oberflächen des zu reinigenden Geschirrs sowie wegen der
Feuchtigkeitsaufnahme in der Verunreinigung auf dem Geschirr – unter die
obere Einlaufkante zur Pumpe 17 absinkt, dann saugt diese zusätzlich
zum Rücklaufwasser auch Luft an, was durch unregelmäßige Stromeinbrüche
auf dem Speisekabel 27 detektiert wird und zum Öffnen des Zulaufes
38 ausgewertet wird, um das Wasserniveau wieder bis auf luftfreies Ansaugen
durch die Pumpe 17 anzuheben.
Spätestens sogleich nach erstmaligem Erreichen dieser verbrauchsoptimalen
und betriebsruhigen Minimalfüllung für den Umwälzbetrieb
24 kann nun die Drehzahl erhöht werden, um z.B. fortan über die
Sprühdüsen 22 eines unteren Dreharmes 39 das im Spülbehälter
12 in Halterungen eingestellte Geschirr (nicht gezeichnet) zum Einweichen
im Energiesparbetrieb einzusprühen. Mit weiterem Hochsteuern der Förderleistung
der Pumpe 17 im Umwälzbetrieb 24 schaltet eine Wasserweiche
40 elektromotorisch, elektromechanisch oder druckbetätigt von der
Steigleitung 22 zum unteren Dreharm 39 zusätzlich oder ausschließlich
auf die Steigleitung 22 zum oberen Dreharm 39 um. Der nun infolge
erhöhter Motorleistung vorübergehend vergrößerte Sprühdruck
führt zum raschen Abspülen der zuvor eingeweichten Verschmutzung von dem
Geschirr. Vorher oder nachher kann über diese oder eine andere Wasserweiche
statt dessen oder zusätzlich eine Reihe von rundum im Spülbehälter
12 feststehend angebrachten Sprühdüsen 23 über
ihre Steigleitungen 22 beströmt werden, um vorübergehend auch
noch mit maximal zulässigem Sprühdruck z.B. die im Mittenbereich des Spülbehälters
12 kopfüber angeordneten Gegenstände mit besonders intensiver
Verschmutzung wie Töpfe und Pfannen von unten her innen zu reinigen.
Sowohl beim seichten Sprühbetrieb zum Einweichen wie insbesondere
auch beim intensiveren Sprühbetrieb zum Abwaschen der Verschmutzungen ist es
zweckmäßig, den Wasserdruck pulsieren zu lassen, was durch entsprechendes
Variieren der Motordrehzahl erreicht wird.
Nach dem Abschluß dieser zeitlich und energetisch wie auch hinsichtlich
des Wasserverbrauches optimierten Spülfolge wird die Drehrichtung des Motorbetriebes
von Umwälzen (24) mit wechselnden Förderdrucken im Wasserkreislauf
auf Entleeren (25) des Spülbehälters 12 unter geringerem
Förderdruck umgeschaltet. Dafür wird der drehrichtungsumgesteuerte Motor
mit niedrigerer Drehzahl betrieben, um den Inhalt des Spülbehälters
12 über die in der anderen Strömungsrichtung an das Pumpengehäuse
20 angeschlossene Steigleitung 22 und deren Siphon 26
zu entleeren. Dieser Entleerungsbetrieb 25 wird beendet, sobald die Pumpe
17 über ihren Ansaugstutzen aus dem Pumpentopf 15 außer
Wasser auch Luft ansaugt, was einen signifikant schwankenden Motorstrom durch das
Speisekabel 27 zur Folge hat und darüber zur sofortigen Beendigung
des sonst sehr geräuschvollen Entleerungsbetriebes 25 führt.
So werden erfindungsgemäß ohne besonderen apparativen oder
programmtechnischen Mehraufwand auch besser optimierbare und sogar ganz neue Betriebsarten
einer Spülmaschine 11 – und selbst die Ausführung deren
gesamten Wassermanagement über nur eine einzige Pumpe 17 –
eröffnet, indem der Pumpenantrieb über einen bei umkehrbarer Drehrichtung
mit beliebiger Drehzahl betreibbaren Elektromotor 19 erfolgt, wofür
sich ein zweiphasiger, sensorisch kommutierender Gleichstrommotor 19 mit
bifilaren Wicklungen steuerungstechnisch als optimal erweist. Über in unterschiedlichen
Strömungsrichtungen an das Pumpengehäuse 20 angeschlossene Druckrohre
21 kann die Pumpe 17 drehrichtungsabhängig im Umwälzbetrieb
– auch unter impulsartigem Druckverlauf – durch den Spülbehälter
12 hindurch oder aber im Entleerungsbetrieb aus dem Spülbehälter
12 heraus arbeiten, mit Einschalten des Wasserzulaufs oder Abschalten des
Abpumpens in Abhängigkeit vom Aussetzen bzw. Einsetzen signifikanter Schwankungen
des Motorstromes infolge Pumpenförderung von Luftblasen zusätzlich zum
Wasser bei einem Wasserspiegel gerade unterhalb der oberen Einlaufkante der Pumpe
17.