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Elektrisch angetriebene Flüssigkeitspumpe.
Es ist wiederholt vorgeschlagen worden, Pumpen und Kompressoren für Flüssigkeiten und
Gase unter Vermeidung eines Antriebes mit drehender Bewegung mit einem elektromagnetischen Antrieb auszustatten, welcher ohne Mitwirkung eines magnetischen Gleiehfeldes durch Wechselstrom geringer oder normaler Frequenz oder durch gesteuerte Gleichstromstosse eine hin-und hergehende, auf den Pumpenkolben oder die Pumpenmembran wirkende Bewegung erzeugt. Bei manchen dieser Vorschläge sollen zu diesem Zweck die elektromagnetischen Kräfte mit Federkräften kombiniert werden, wobei zur Bewegungsumkehr des schwingenden Ankers elastische Anschläge vorgesehen werden ; bei andern soll die Bewegungsumkehr ohne Zuhilfenahme von Federn oder Anschlägen durch elektrisch gesteuerte Ventile erzwungen werden.
Beide Vorschläge eignen sich nicht zur Förderung von Flüssigkeiten, d. h. von praktisch unzusammendrückbaren Medien, weil die Begrenzung des Hubes durch elastische Anschläge auf eine konstante Länge vorzeitigen Verschleiss und eine vom Gegendruck unabhängige Fördermenge ergeben würde, während anderseits die Steuerung der Bewegungsumkehr durch Ventile schwere, die Konstruktion gefährdende Flüssigkeitsstösse verursachen müsste.
Es ist ferner ein elektromagnetisch angetriebener Gaskompressor der eingangs angeführten Art vorgeschlagen worden, bei welchem zwecks Erzielung eines harmonischen, resonanten Schwingungsverlaufes das gefederte, aus Pumpenkolben und Elektromagnetanker zusammengesetzte schwingende System auf Resonanz mit dem elektromagnetischen Wechselfeld abgestimmt ist und der Gegendruck durch Drosselung im Kompressor konstant gehalten werden soll. Auch dieser Vorschlag ist für die Förderung von Flüssigkeiten ungeeignet, da die Drosselung einer Flüssigkeitspumpe auf konstanten Druck eine starke Verschlechterung des Wirkungsgrades bewirken würde und es überhaupt bei derartigen Pumpen nicht möglich ist, die gleichen Konstruktionsgrundsätze für die Förderung von Gasen und von Flüssigkeiten anzuwenden.
So muss man beispielsweise bei der Förderung von Gasen das Hauptgewicht auf die Beseitigung des sogenannten "schädlichen Raumes" legen, während dieser Massnahme bei der Flüssigkeitsförderung keine Bedeutung zukommt. Dagegen muss man beim Pumpen von Flüssigkeiten den besonderen Umstand berücksichtigen, dass eine ganz ungewöhnliche Vergrösserung der rasch schwingenden Masse eintritt, da unabhängig von der Grösse des "schädlichen Raumes" die schwere, unzusammendrückbare Flüssigkeit den Schwingungsvorgang getreu mitmachen muss, wenn ein schlechter volumetrischer Wirkungsgrad und Flüssigkeitssehläge vermieden werden sollen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Pumpen zur Förderung flüssiger, d. h. unzusammendrückbarer Medien, welche zur Speisung die Verwendung von Wechselstrom normaler Frequenz gestatten und weder mit gesteuerten Ventilen noch sonstigen Steuerungseinrichtungen arbeiten. Die Bewegungsumkehr des schwingenden Systems wird durch das Zusammenwirken der magnetischen Anziehungskraft mit einer dieser Kraft entgegenwirkenden Federkraft erzwungen.
Gemäss der Erfindung wird die Grösse der sehwingungserzeugenden Kräfte und aller am Schwingungsvorgang beteiligten Massen, insbesondere auch der mitschwingenden Flüssigkeitsmasse, so bemessen, dass im normalen Betrieb der Pumpe Resonanz der mechanischen Schwingungen des Systems mit dem Wechsel der magnetischen Kraft bzw. den elektrischen Schwingungen besteht.
Zu dieser Massnahme hat die Erkenntnis geführt, dass am Schwingungsvorgang nicht nur das Arbeitsorgan der Pumpe, der Anker, die Federung des schwingenden Systems und gegebenenfalls das Gestänge zwischen Arbeitsorgan und Anker, sondern auch eine mitschwingende Flüssigkeitsmasse beteiligt sind und dass die Nichtbeachtung des Einflusses, den diese Flüssigkeitsmasse auf die anzustrebende Schwingungresonanz ausübt, eine der Ursachen des praktischen Misserfolges früheren Konstruktionen ist.
Die mit-
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schwingende Flü3sigkeitsmasse bewirkt eine sehr beträchtliche und veränderliche Vergrösserung der gesamten schwingenden Masse, da, wie erwähnt, die Flüssigkeit unabhängig von der Grösse des"schäd- lichen Raumes"den Sehwingungsvorgang getreu mitmachen muss, wenn ein schlechter volumetrischer Wirkungsgrad und Flüssigkeitssohläge vermieden werden sollen.
Um diesem Nachteil zu begegnen, wird der Flüssigkeit erfindungsgemäss eine Verdrängungsmöglichkeit dadurch gegeben, dass im Saugraum oder im Druckraum, vorzugsweise aber in beiden Räumen möglichst nahe den Ventilen eine oder mehrere elastisch wirkende Flüssigkeitsbegrenzungsflächen vorgesehen werden, welche die Förderflüssigkeit gegen einen oder mehrere nachgiebige, z. B. lufterfüllte Räume abgrenzen, so dass das Flüssigkeitsvolumen sich im Druckraum beim Druckhub vergrössern, im Saugraum beim Saughub verkleinern kann und sich in der Druck-wie in der Saugleitung ein Flüssigkeitsstrom von praktisch konstanter Geschwindigkeit ergibt, also ein die Resonanz erschwerende Mitschwingen der Flüssigkeitsmassen in diesen Leitungen nicht erzwungen wird und daher unterbleibt.
Der Vorteil dieser Massnahme besteht darin, dass das Gewicht der schwingenden Flüssigkeitsmasse unabhängig von der Länge der Saugund Druckleitungen ist und auch praktisch unabhängig von Förderhöhe und Fördermenge bleibt, vor allem aber darin, dass dieses Gewicht verhältnismässig klein ist und daher die Verwirklichung der Resonanzbedingung mit Hilfe verhältnismässig kleiner magnetischer Kräfte und Federkräfte gestattet.
Die erläuterte grundsätzliche Wirkungsweise und Bedeutung der elastisch wirkenden Flüssigkeit- begrenzungsflächen ist von ihrer besonderen Gestalt unabhängig und es können daher ebene Flächen, wie z. B. in dem später beschriebenen Ausführungsbeispiel, oder krumme Flächen, z. B. Kugelflächen, zylindrische. Flächen od. dgl. (luftgefüllte Gummibälle, geschlossene Schläuche usw. ) der konstruk- tiven Ausführung zugrundegelegt werden.
Die Flüssigkeitspumpe nach der Erfindung wird vorzugsweise so ausgeführt, dass dem schwingenden System durch Vermeidung begrenzender Anschläge die Möglichkeit geboten ist, voll und frei auszuschwingen und sich je nach der zu bewältigenden Förderleistung selbsttätig einzustellen. Es ergibt sich auf diese Weise eine vorteilhafte Anpassung des veränderlichen Hubes der freien Schwingung an die je nach dem vorhandenen Gegendruck sich einstellende sekundliche Fördermenge und eine gleichsinnige Änderung der aufgenommenen elektrischen Energie mit der Änderung der Förderleistung. Um diesen Vorteil möglichst auszunutzen, wird ferner eine Bauart des Elektromagneten bevorzugt, bei der der Anker mit Bezug auf den Kern des Elektromagneten derart angeordnet ist, dass bei völlig angezogenem Anker ein nur von schmalen Luftspalten,
vorzugsweise nur von Stossfugen unterbrochener, geschlossener Eisenkreis bestehen würde. Diese Bauart hat insbesondere den Vorteil, dass die selbsttätige Einstellung des Schwingsystems bei wechselnden Förderverhältnissen die aufgenommene elektrische Leistung in einem für eine günstige Fördercharakteristik gewünschten Sinn beeinflusst, da die durch eine Verlagerung des Schwingsystems bewirkte Veränderung des Luftspaltes zwischen Anker und Magnetkern die aufgenommene elektrische Leistung erheblich beeinflusst, wenn die magnetischen Kraftlinien keinen andern Luftspalt von nennenswerter Grösse als diesen Luftspalt durchsetzen müssen.
Es empfiehlt sich, den Zusammenbau der Pumpe mit ihrem elektromagnetischen Antrieb so vorzunehmen, dass die Anzugsbewegung des Ankers den Saughub des Pumporgans bewirkt.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Aggregates, dessen Aufbau auch verschiedene Massnahmen und Vorteile grundsätzlicher Art erkennen lässt, die vorangehend noch nicht besprochen wurden.
Der die Flüssigkeitspumpe antreibende Elektromagnet 1 ist ein Wechselstromelektromagnet, dessen Wicklung 2 vom Netzwechselstrom durchflossen wird und dadurch auf den Anker 3 eine ihrer Intensität nach periodisch sich ändernde Anziehungskraft ausübt. Er besitzt einen möglichst geschlossenen Eisenkreis und wird so entworfen, dass er bei geringstem Gewicht und Raumbedarf eine möglichst grosse elektromagnetische Leistung zur Verfügung stellt. Die Zahl und Grösse der den Eisenkreis unterbrechenden Luftspalteist auf ein Mindestmass beschränkt, wobei zwei dieser Luftspalte eine zur Schwingungsrichtung des Ankers schräge Lage einnehmen. Ein weiterer Vorteil dieses Aufbaues des Elektro- magnetkerns soll später bei Besprechung der Wirkungsweise des Aggregates erörtert werden.
Der Anker 3 ist durch eine gerade Kolbenstange 4 mit dem Mittelteil der Kolbenmembran 5 starr verbunden. Der Rand dieser Membran ist im Pumpengehäuse 6, das von Säulen 7 getragen wird, eingespannt. Der Anker 3, die Membran 5, die Kolbenstange 4 und die diese Organe verbindenden Konstruktionsteile sollen zwecks Verminderung des Trägheitswiderstandes möglichst leicht sein.
Die Federung des schwingenden Systems besteht aus den Schraubenfedern 8 und 9, die sich einerseits gegen eine auf den Säulen 7 verstellbar angeordnete Tragplatte 10, anderseits gegen einen Bund 11 bzw. 12 der Kolbenstange 4 stützen. Die Anordnung der Federn ist also so getroffen, dass sie dem Ausschwingen des Ankers, ob dasselbe nun nach oben oder nach unten erfolgt, entgegenwirken und daher stets bestrebt sind, das bewegliche System in seine Mittellage zurückzuführen. Die Federung wird genau oder angenähert auf die Frequenz der magnetischen Anziehungskraft des Elektromagneten 1 bzw. auf die Frequenz des speisenden Wechselstromes oder auf eine Oberwelle desselben abgestimmt.
Die Masse der Federn soll, wie jene des gesamten Schwingungssystems, möglichst klein sein. Durch
Heben oder Senken der Platte 10 kann die Vorspannung der Federn ein-oder nachgestellt werden.
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Die Kolbenmembran 5 bildet die untere, der Pumpendeckel14 die obere Begrenzung des Arbeitsraumes 13 der Pumpe. Im Deckel 14 sind als leicht bewegliche Klappen, welche ring-oder schlitzförmige Öffnungen abdecken, das Saugventil M und das Druckventil J6 der Pumpe angeordnet. Das Saugventil und das Druckventil sind möglichst leicht beweglich gebaut und können eine Eigenfrequenz besitzen, die gleich oder höher ist als die Schwingungsfrequenz der Kolbenmembran 5. Oberhalb der Ventile sind im Pumpengehäuse der Saugraum 17 und der Druckraum 18 der Pumpenflüssigkeit angeordnet ; an diese Räume sind das Saugrohr 19 und das Druckrohr 20 angeschlossen.
Der Saugraum 17 wird oben durch eine Wand 21 aus elastischem Material begrenzt, also z. B. durch eine Gummimembran. Diese Wand bildet im Ausführungsbeispiel die erfindungsgemäss im Saugraum oder in der Saugleitung vorzusehende, elastisch wirkende Flüssigkeitsbegrenzungsfläche und sie hat daher die Bestimmung, Druckstösse auszugleichen, einen möglichst konstanten Flüssigkeitswiderstand während des Pumpens aufrechtzuerhalten und die mitschwingende Masse der Pumpflüssigkeit auf einen verhältnismässig kleinen und bei wechselnden Förderverhältnissen praktisch konstanten Wert zu beschränken. Aus dem gleichen Grunde besitzt auch der Druckraum 18 als elastisch wirkende Flüssigkeitsbegrenzungsfläche eine membranartige Decke 22.
Im Ausführungsbeispiel der Zeichnung kann sich die Membran 22 bei sehr starkem Anwachsen des Druckes im Raume 18 an die mit Öffnungen 23 versehene, gewölbte Gehäusedecke 24 anlegen. Die Membranen 21 und 22 sind zweckmässig so auszubilden, dass sie bei geringem Raumbedarf der hohen Periodizität des Arbeitsvorganges der Pumpe gut folgen können.
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neten 1 mit Netzwechselstrom gespeist, so schwingen der Anker 3 und die mit ihm verbundenen Teile also insbesondere die Kolbemembran 5, im Takte der Wechselstromfrequenz und die Amplitude dieser Schwingungen wird dann besonders gross sein, wenn das schwingende System oder zumindest die Federn 8 und 9 auf die Frequenz der wechselnden Anziehungskraft des magnetischen Feldes abgestimmt sind, Durch die schwingende Kolbenmembran 5 wird das Volumen des Arbeitsraumes 13 abwechselnd vergrössert und verkleinert, so dass bei entsprechender Mitwirkung des Saugventils 15 und Druckventils 16 Flüssigkeiten aus dem Saugrohr 19 in das Druckrohr 20 gefördert wird. Dabei entspricht der Saughub der Anzugsbewegung des Ankers. Die während jeder Periode ausserhalb des Arbeitsraumes in der Flüssigkeit auftretenden Druck-bzw.
Volumssehwankungen werden durch die Membranen 21 und 22 ausgeglichen.
Wird der Pumpe unter sonst gleichen Verhältnissen eine geringere Flüssigkeitsmenge entnommen, so wächst der Druck im Raum 18, wodurch die Schwingungen der Membran 5 bzw. des Ankers 3 derart beeinflusst werden, dass der Elektromagnet eine entsprechend geringere Leistung aufnimmt. Die Arbeitsweise des Aggregates passt sich also selbsttätig den wechselnden Betriebsbedingungen an. Tritt aber der Grenzfall ein, dass dem Druckrohr überhaupt keine geförderte Flüssigkeitsmenge mehr entnommen wird, so arbeitet die Pumpe nur mehr so lange weiter, bis die Membran 22 ihre grösste Ausdehnung erreicht hat, also am Gehäuse 24 anliegt.
Ist dies geschehen, bleibt als nachgiebige Begrenzung der Flüssigkeit nur mehr die Kolbenmembran 5 übrig, welche durch den im Arbeitsraum sich einstellenden hohen Flüssigkeitsdruck in ihre tiefste Stellung bewegt wird, in welcher der Anker sich auf die entsprechenden Flächen des Elektromagnetkernes aufsetzt. Da man, wie das Ausführungsbeispiel der Zeichnung zeigt, den Anker und den Elektromagnet so ausbilden kann, dass bei vollständig angezogenem Anker praktisch kein nennenswerter Luftspalt mehr vorhanden ist, so wird bei einer Sperrung oder starken Drosselung der Flüssigkeitsentnahme der Kern des Elektromagneten derart geschlossen, dass die Wicklung einen hohen induktiven Widerstand bietet und daher praktisch fast keinen Strom aufnimmt. Es ist mithin bei einer solchen Pumpe nicht notwendig, während kürzerer Betriebspausen den Wechselstrom abzuschalten.
Wird nach einer solchen Pause Druckflüssigkeit wieder entnommen, sinkt also der Druck im Raume 18, so setzen sich der Anker und die Kolbenmembran der Pumpe wieder selbsttätig in Bewegung ; man kann daher auf die Anordnung irgendeines besonderen Flüssigkeitsbehälters zum Ingangsetzen der Pumpe verzichten.
Da das erfindungsgemässe Aggregat keine Konstruktionsteile enthält, die einer Schmierung bedürfen, ist die Wartung der Maschine sehr vereinfacht, und die Pumpflüssigkeit bleibt von jeder Verunreinigung durch Öl bewahrt.
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