<Desc/Clms Page number 1>
Die Erfindung bezieht sich auf eine doppelt wirkende Pumpe mit hin-und hergehender Bewegung des Antriebselements, insbesondere einer solchen mit geringem Hub (z. B. Membranepumpe). Pumpen dienen bekanntlich zur Förderung von Flüssigkeiten und Gasen, sie arbeiten nach verschiedensten Prinzipien. Die häufigsten Bauarten sind die Zentrifugalpumpen, bei denen die Druckerhöhung durch Zentrifugalwirkung der rotierenden Flüssigkeit bzw. des rotierenden Gases zustandekommt. Diese Pumpenart ist besonders geeignet für höhere Drücke und kleinere Flüssigkeits- bzw. Gasmengen.
Eine kaum weniger verbreitete Bauart ist der Axialverdichter, bei dem die Förderung der Flüssigkeit oder des Gases durch ein Propellerrad erfolgt, das ebenso wie der Radialkompressor nach hydrodynamisehen Gesichtspunkten entworfen werden muss. Diese Pumpen sind vorzugsweise für grosse Luftmengen und kleinere Drücke geeignet. Für höchste Drücke sind heute vornehmlich Kolbenpumpen- und Kompressoren in Gebrauch, deren Hauptnachteil die verschleissbehafteten Kolbendichtungen bzw. Zylinder, Lager, Kurbelwellen, Nocken u. dgl. darstellen. Soll die Kolbenpumpe einen ununterbrochenen Strom des Fördermittel bewirken, muss sie entweder mit zwei im Gegentakt arbeitenden Zylindern ausgeführt sein, oder einen doppelt wirkenden Kolben besitzen. Beide Ausführungen sind mit einem zusätzlichen Aufwand gegenüber der einfach wirkenden Einzylinder-Kolbenpumpe verbunden.
Ausser diesen drei hauptsächliche Pumpensystemen sind eine grosse Zahl von andern Systemen bekannt, wie z. B. Rootsgebläse, Zahnradpumpen, Drehkolbenverdichter, Flüssigkeitsringpumpen (Elmopumpen) und Membranepumpen (vgl. Dubbel, Taschenbuch d. Maschinenbau, Springer-Verlag, Berlin, 13. Auflage 1974, S. 255 bis 261). Während Kolbenverdichter wegen der erforderlichen einwandfreien Schmierung von Kolben, Kurbelwelle, Lager und Nockenwelle vergleichsweise störanfällige Maschinen darstellen, die wegen der Kolbenschmierung (Öldämpfe) für reine Gase und Flüssigkeiten weniger geeignet sind, stellen Kreiselpumpen und Axialverdichter bedeutend unempfindlichere Maschinen dar, doch besitzen auch diese wartungsbedürftige bzw. empfindliche Elemente, wie Lager- und Wellendichtungen. Hinzu kommen noch erhöhte Verluste wie Ein-und Austrittsstossverluste usw.
Auch können vergleichbar hohe Drücke mit Kreiselverdichtern nur bei mehrstufigen Anordnungen erzielt werden, die eine weitere Verschlechterung des Wirkungsgrades mit sich bringen. Wenn nicht komplizierte Verstellschaufeln- oder Propeller vorgesehen werden, müssen zur Regelung der Fördermenge drehzahlverstellbare Antriebsmotoren oder Drosseln vorgesehen werden, die teuer sind und ihrerseits zusätzliche Störquelle und Verluste mit sich bringen. Ähnliche Nachteile besitzen mit Ausnahme der Membranepumpe auch die übrigen bekannten Systeme. Ein weniger bekanntes Pumpenprinzip wurde beispielsweise in den nachstehend angeführten Patentschriften beschrieben.
A. G. Bodine, Jr., Van Nuys : "Deep well pumpe", US-PS Nr. 2, 553, 541 und -"Sonic well pump with critically timed elastic support system and vibration isolator", US-PS Nr. 2, 902, 937 -"Verfahren zum Pumpen mit einer Tiefpumpe", A T- PS Nr. 275328.
Diese Pumpenart beruht darauf, dass ein langes Rohr, z. B. das Rohrgestänge einer Tiefbohranlage in Längsschwingungen versetzt wird. Das Rohr, das durch gleichsinnig sperrende Ventile im Abstand einer halben Wellenlänge in Kammern unterteilt ist, arbeitet dann selbst als einfach wirkendes Förderelement, wobei die Ventile in den Knoten der stehenden Druckverteilung angeordnet sind. Die erfindungsgemässe Anordnung beruht, ähnlich wie die oben beschriebene, auf einer longitudinalen Resonanzschwingung des Fördermittel, bzw. des Zylinders (Rohr). Im Gegensatz der bekannten Anordnung ermöglicht die erfindungsgemässe Pumpe mit nur einem einzigen Zylinder (Kammer) einen ununterbrochenen Flüssigkeits- (Gas)-Strom.
Dies wird durch eine Anordnung erreicht, bei der ein Zylinder, der an einem Ende durch eine feste Wand, am andern Ende durch eine mit Eigenfrequenz der Fördermittelsäule in Schwingung gehaltene Membrane oder einen schwingenden Kolben abgeschlossen ist, erfindungsgemäss mit einer Länge gleich der halben Wellenlänge der Längsschwingung, vermehrt um einen kleinen Bruchteil AI derselben ausgeführt ist und der am Zylinderende und im Abstand AI von der Membrane je ein Einlass- und Auslassventil besitzt, wobei im Betrieb gleichzeitig ein Einlassventil an einem Ende und ein Auslassventil am andern Ende geöffnet sind, bzw. umgekehrt. Dies ist insofern bemerkenswert als sich beide Ventile im selben Zylinderraum befinden, an dessen einem Ende Überdruck, am andern Unterdruck herrscht.
Fig. l zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Anordnung im Längsschnitt. Fig. 2 stellt den Geschwindigkeitsverlauf in der Flüssigkeits- oder Gassäule dar, bzw. des Systems Zylinder-Fördermittel.
Fig. 3 gibt die zugehörige Druckverteilung entlang des Zylinders wieder.
<Desc/Clms Page number 2>
Das Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 stellt eine zweizylindrige Anordnung im Gegentakt dar, doch ist dies für die beabsichtigte Wirkungsweise nicht unbedingt Voraussetzung. In Fig. 1 bezeichnet --I--
EMI2.1
3, 4(c.... Schallgeschwindigkeit, vgl. Westphal : Physik 25/26 Auflage, Springer-Verlag Berlin, Seite 193, 194).--2--bezeichnet eine Membrane, die durch den Eisenanker--3--und die Halbwellen-Wechselstrom-gespeisten Spulen --4-- in Schwingungen versetzt wird. --5 und 6 bzw. 7 und 8--bezeichnen die Ein-und Auslassventile, wobei das Einlassventil--5 bzw. 7-- der ersten Stufe mit dem Speicher der zu komprimierenden Flüssigkeit bzw.
des zu verdichtenden Gases in Verbindung steht, während die Auslassventile --6 und 8-- zu dem ersten Zwischendruckspeicher und zur nächsten Stufe führen.
Fig. 2 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung entlang des Zylinders, Fig. 3 stellt die Druckverteilung dar. Wegen der, bei geschlossenem Ventil festen Begrenzung am Zylinderkopf muss dort die Geschwindigkeit der Gasteilchen Null sein, während die Geschwindigkeit am andern Ende durch die Auslenkung der Membrane aus der Nullage bestimmt ist ; sie entspricht der Geschwindigkeit der Gasteilchen an einer Stelle, nahe dem Knoten der stehenden Geschwindigkeitswelle. Die Frequenz der elektromagnetischen Anregung durch die Spule (4), bzw. die Zylinderlänge und Eigenschwingungszahl des Antriebssystems sind auf diese Zusammenhänge abgestimmt.
Durch Wahl der Zylinderlänge um einen Bruchteil Al grösser als eine Halbwelle der Schwingung der Gassäule (Fig. l, 2,3) ist es möglich, mit dem sehr kleinen Hub der Membrane die Schwingung resonanzartig anzufachen und in Gang zu halten, wobei die Schwingungsausschläge an den Wellenbäuchen in Zylindermitte ein Vielfaches der Membrane-Auslenkung betragen (vgl.
Fig. 2).
Obwohl die Möglichkeit der Erzielung eines Pump effekts durch Längsschwingungen einer Flüssigkeitssäule bzw. eines Rohres durch die eingangs erwähnten Patentschriften bekannt sind, ist dem Patentinhaber keine andere Anwendung ausser der als Tiefbrunnenpumpe bekannt. Dies mag einerseits an dem Umstand liegen, dass die bekannte Anordnung von Natur aus nur einen intermittierenden Flüssigkeitsstrom bewirkt. Anderseits geht aus keiner der eben genannten Patentschriften deutlich hervor, welchen wesentlichen Vorteil der Betrieb bei Resonanzfrequenz bietet. Dieser Vorteil ist gegeben durch die Entlastung des Antriebssystems von Massenbeschleunigungs- und Verzögerungskräften, für die es bei einer erzwungenen Schwingung bemessen werden müsste.
Auch kommen bei der Anwendung der Tiefbrunnenpumpe wesentliche andere Vorteile dieses Pumpensystems gar nicht zum Tragen ; diese sind :
1. Pumpe und Antrieb können bei Schwingankerantrieb zu einem System vereinigt werden.
2. Da die hier beschriebene Pumpe bei Membraneantrieb mit Schwinganker keine reibung-un verschleissbehafteten Teile aufweist, ist ihre Lebensdauer unbegrenzt und ihre Betriebssicherheit optimal.
3. Da der Flüssigkeits- bzw. Gaskreislauf nach aussen dichtungslos abgeschlossen ist, sind
Verunreinigungen durch Schmier- und Dichtungsmittel oder durch eindringende Gase ausgeschlossen.
4. Fördermenge bzw. Druck können auf einfache Weise durch Vorschaltung einer Induktivität verändert werden oder durch Veränderung des Magnetspulenabstandes ; auch eine Verstellung der Ventilfederkraft ist denkbar.
Die genannten Vorzüge des in Rede stehenden bekannten Pumpensystems wurden wegen der sehr speziellen Anwendungsmöglichkeit (Brunnen) entweder gar nicht benötigt oder durch spezifische Nachteile der bisher bekannten Anordnung wieder uninteressant gemacht. Ein solcher Nachteil ist bei der bekannten Pumpe von Bodine der intermittierende Fördermittelstrom zufolge des Ansaugtakts und der nur einfach wirkenden Anordnung. Bei diesem System befinden sich die Ventile nicht im Schwingungsbauch der Druckverteilung wie bei der erfindungsgemässen Pumpe sondern an der Stelle maximaler Geschwindigkeit des Rohres (Zylinders). Dies ist notwendig, da diese Geschwindigkeit (bei geschlossenem Ventil) gleichzeitig die Fördergeschwindigkeit ist. Lange Rohre (grosse Wellenlänge) und tiefe Anregungsfrequenz sind für diese Anordnung daher Bedingung.
Bei der erfindungsgemässen Pumpe hingegen ist ein Mitschwingen des Zylinders mit der Flüssigkeitsoder Gassäule zwar nicht ganz vermeidbar, aber nicht unbedingt nötig ; dies bringt Vorteile beim Einbau.
Darüberhinaus kann ein billiger betriebssicherer elektromagnetischer Schwingankerantrieb für Netzfrequenz verwendet werden. Der wesentlichste Vorteil der erfindungsgemässen Pumpe ist aber der, dass sie mit nur einem Zylinder gleichzeitig ansaugt und ausschiebt, so dass sie einen ununterbrochenen Fördermittelstrom bewirkt.
<Desc/Clms Page number 3>
Je nach der Dichte des Fördermittel wurden unter Umständen grosse Zylinderlängen erforderlich, deren Unterbringung Schwierigkeiten verursachen könnte. In diesen Fällen ist eine spiral- oder schraubenförmige Anordnung des Rohres möglich.
Die obenstehend angeführten Vorteile des in Rede stehenden Pumpensystems verleihen diesem in Verbindung mit den zusätzlichen Vorteilen durch den Erfindungsgegenstand Eigenschaften, die z. B. besonders in der Reaktortechnik oder auch in der Lebensmittelerzeugung und Verarbeitung von grosser Wichtigkeit sind (keine bewegten Dichtungen, höchste Betriebssicherheit und Abdichtung).