Elektrisch angetriebene Flüssigkeitspumpe. Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Flüssigkeitsmembranpumpe, de ren Arbeitsmembran durch den hin- und her gehenden Anker eines Elektromagnetes in schwingende Bewegung versetzt wird.
Gemäss der Erfindung wird der Elektro- niagnet des Aggregates mit Wechselstrom ge speist und die Bewegungsumkehr des schwin genden Systems durch die natürliche Inten sitätsänderung des speisenden Wechselstro ines in Zusammenwirkung mit einer dem magnetischen Anzug des Elektromagnetes entgegenwirkenden Feder (Schwingfeder) und den von der Flüssigkeit auf die Arbeits membran ausgeübten Gegenkräften erzwun gen.
Es empfiehlt sich, die Federung des schwingenden Systems derart zu bemessen und anzuordnen, dass ihre Eigenfrequenz gleich der Frequenz der wechselnden Anzie hungskraft des Elektromagnetes ist. Dadurch kann eine annähernde Resonanz des schwin genden Systems mit dieser Kraft erreicht werden. Man kann dabei die Anordnung so wählen, dass die Bewegung des schwingen den Systems nicht durch Anschläge begrenzt ist, so dass dasselbe ohne künstliche Verkür zung seines Schwingungsweges voll aus schwingen kann.
Noch vorteilhafter ist es, die Eigenfre quenz des gesamten schwingenden Systems, und zwar mit Berücksichtigung der in Schwingung versetzten Massen der Pump flüssigkeit, der Frequenz der die Bewegung des Systems erregenden und unterhaltenden magnetischen beziehungsweise elektrischen Schwingungen gleichzumachen, so dass eine praktisch genaue Resonanz zwischen dem schwingenden System und der Triebkraft besteht. Dabei kann es von Vorteil sein, die Pumpe und ihren Antrieb so zu entwerfen, dass die Masse des schwingenden Systems oder zumindest von Teilen desselben, insbe sondere die am Schwingvorgang beteiligte Flüssigkeitsmasse unter gegebenen Verhält nissen möglichst klein wird.
Die Zeichnung zeigt ein Ausführungs beispiel des erfindungsgemässen Aggregates, dessen Aufbau auch verschiedene Massnah men und Vorteile grundsätzlicher Art er kennen lässt, die vorangehend noch nicht be sprochen wurden.
Der die Flüssigkeitspumpe antreibende Elektromagnet 1 ist ein Wechselstromelektro- magnet, dessen Wicklung 2 vom Netzwech selstrom durchflossen wird und dadurch auf den Anker 3 eine ihrer Intensität nach perio disch sich ändernde Anziehungskraft aus übt. Er besitzt einen möglichst geschlosse nen Eisenkreis, um bei geringstem Gewicht und Raumbedarf eine möglichst' grosse elek tromagnetische Leistung zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grunde ist auch die Zahl und Grösse der den Eisenkreis unter brechenden Luftspalte auf ein Mindestmass beschränkt, wobei zwei dieser Luftspalte eine zur Schwingungsrichtung des Ankers schräge Lage einnehmen.
Der Anker 3 ist durch eine gerade Kolbenstange 4 mit dem Mittelteil der Kol benmembran 5 starr verbunden. Der Rand dieser Membran ist im Pumpengehäuse 6, das von Säulen 7 getragen wird, eingespannt.
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 bezw. 12 der Kolbenstange 4 stützen. Die Anordnung der Federn ist so getroffen, dass sie dem Ausschwingen des Ankers, ob dasselbe nun nach oben oder nach unten erfolgt, entgegen wirken und daher stets bestrebt sind, das be wegliche System in seine Mittellage zurück zuführen.
Das gesamte schwingende System, einschliesslich der mitschwingenden Flüssig keitsmasse, wird so bemessen, dass seine Eigenfrequenz genau oder angenähert gleich der Frequenz der magnetischen Anziehungs kraft des Elektromagnetes 1 beziehungs weise der Frequenz des speisenden Wechsel stromes oder einer Oberwelle desselben ist (Resonanz). In manchen Fällen kann man sich mit jener Annäherung an die Resonanz begnügen, die sich dann ergibt, wunii bloss die Eigenfrequenz der Federung der Fre- quenz der Triebkraft entspricht.
Durch Heben oder iSenken der Platte 10 relativ zum Bund 11 kann die Vorspannung der Fe dern ein- oder nachgestellt werden. Statt einer Schraubenfeder kann mit Vorteil auch eine Feder mit nichtlinearer Kraft-M'eg- Charakteristik, zum Beispiel eine entspre chend gebaute Kegelfeder verwendet wer den.
Die Kolbenmembran 5 bildet die untere, der Pumpendeckel 14 die obere Begrenzung des Arbeitsraumes 13 der Pumpe. Im Deckel 14 sind als leicht bewegliche Klap pen, welche ring- oder schlitzförmige t#ff- nungen abdecken, das Saugventil 15 und das Druckventil 16 der Pumpe angeordnet. Das Saugventil, und das gleiche gilt vom Druck ventil, soll möglichst leicht beweglich und vorzugsweise derart ausgebildet sein, dass seine Eigenfrequenz gleich der oder höher als die Eigenfrequenz der Kolbenmembran 5 ist. Oberhalb der Ventile sind im Pum pengehäuse der Saugraum 17 und der Druckraum 18 der Pumpenflüssigkeit ange ordnet, an welche Räume das Saugrohr 19 und das Druckrohr 20 angeschlossen sind.
Die Ventile sollen vorzugsweise so angeord net werden, dass der Weg von den Saug- zu den Druckventilen möglichst kurz ist.
Der Saugraum 17 wird oben durch eine Wand 21 aus elastischem Material, die zum Beispiel eine Gummimembran sein kann, oder durch eine federbelastete Membran wand begrenzt und dies hat den Zweck, Druckstösse auszugleichen und eine mög lichst konstante Flüssigkeitsströmung wäh rend des Pumpens aufrecht zu erhalten. Aus dem gleichen Grunde besitzt auch der Druckraum 18 eine membranartige Decke 22, die sich bei sehr starkem Anwachsen des Druckes im Raum 18 an die mit Off nungen 23 versehene, gewölbte Gehäuse decke 24 anlegt.
Die Membranen 21 und 22 ersetzen die sonst bei Kolbenpumpen übli chen Saug- und Druckwindkessel und bie ten diesen gegenüber den Vorteil, dass sie bei geringem Raumbedarf der hohen Periodizität des Arbeitsvorganges der erfindungsge mässen Pumpe gut folgen können. Sie sollen vorzugsweise genau oder annähernd in Re sonanz mit der Frequenz des Schwingsystems stehen, was durch geeignete Bemessung der aus elastischem Material bestehenden Mem branen oder durch die Anordnung von regu lierbaren Federn zur Abstützung der aus elastischem oder unelastischem Material be stehenden Membranen erreicht werden kann.
Das beschriebene Aggregat arbeitet etwa folgendermassen: Wird die Spule 2 des Elek tromagnetes 1 mit Netzwechselstrom ge speist, so schwingen der Anker 3 und die mit ihm verbundenen Teile, also auch die Kolbenmembran 5, im Takte der Wechsel stromfrequenz, und die Amplitude dieser Schwingungen wird dann besonders gross sein, wenn das schwingende System genau oder annähernd auf die Frequenz der wech selnden Anziehungskraft des magnetischen Feldes abgestimmt ist. Durch die schwin gende Kolbenmembran 5 wird das Volumen des Arbeitsraumes 13 abwechselnd vergrö ssert und verkleinert, so dass bei entsprechen der Mitwirkung des Sangventils 15 und Druckventils 16 Flüssigkeit aus dem Saug rohr 19 in das Druckrohr 20 gefördert wird.
Die während jeder Periode ausserhalb des Ar beitsraumes in der Flüssigkeit auftretenden Druck- beziehungsweise Volumsschwankun- gen ->erden durch die Membranen 21 und 22 # in -isgegliellen. el Beim Saug ub wird nämlich die Membran 21 unter Zugwirkung, beim Druckhub die Membran 22 unter Druckwir kung gesetzt, wobei sie aber abwechselnd, ungefähr um eine Halbperiode verschoben arbeiten.
Mit andern Worten: Während des Saughubes drückt die 3lembran 22 die Flüssigkeit ab und während des Drucl.:hubes saugt die Membran 21 neue Flüssigkeit an. Die beiden Windkessel sorgen also für die Erhaltung der kinetischen Energie.
Wird der Pumpe unter sonst gleichen Verhältnissen eine geringere Flüssigkeits menge entnommen, so wächst der Druck im Raum 18, wodurch die Schwingungen der Membran 5 beziehungsweise des Ankers 3 derart beeinflusst werden, dass der Elektro magnet 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 ent nommen wird, so arbeitet die Pumpe nur mehr solange weiter, bis die Membran 22 ihre grösste Ausdehnung erreicht hat, also am Gehäuse 24 anliegt.
Ist dies geschehen, bleibt als nachgiebige Begrenzung der Flüs sigkeit nur mehr die Kolbenmembran 5 üb rig, welche durch den im Arbeitsraum sich einstellenden hohen Flüssigkeitsdruck in ihre tiefste Stelle bewegt wird, in welcher der Anker sich auf die entsprechenden Flä chen des Elektromagnetkernes aufsetzt.
Da man, wie das Ausführungsbeispiel der Zeich nung zeigt, den Anker und den Elektro magnet so ausbilden kann, dass bei vollstän dig angezogenem Anker praktisch kein neu- nenswerter Luftspalt mehr vorhanden ist, so -wird bei einer Sperrung oder starken Drosselung der Flüssigkeitsentnahme der Kern des Elektromagnetes derart geschlos sen, dass letzterer in bezug auf den speisen den Wechselstrom wie eine Drosselspule von hohem induktivem Widerstand wirkt und daher praktisch fast keinen Strom aufnimmt. Es ist daher bei einem solchen Aggregat nicht notwendig, während kürzerer Betriebs pausen den Wechselstrom abzuschalten.
Wird nach einer solchen Pause Druckflüs sigkeit wieder entnommen, sinkt also der Druck im Raume 18, so setzt sich der Anker und die Kolbenmembran der Pumpe wieder selbsttätig in Bewegung, so dass die Anord nung irgendeines besonderen Flüssigkeits behälters zum Ingangsetzen der Pumpe über flüssig ist.
Es empfiehlt sich, besondere Verbindun gen, zum Beispiel enggewickelte Spiral federn, zwischen dem feststehenden Gehäuse und dem schwingenden .System vorzusehen, welche das Ausweichen des letzteren von seiner vorgeschriebenen Bahn, insbesondere ein seitliches Abweichen verhindern oder er schweren.
Electrically driven liquid pump. The invention relates to an electrically driven diaphragm liquid pump, de Ren working diaphragm is set in oscillating motion by the reciprocating armature of an electromagnet.
According to the invention, the electronics of the unit is fed with alternating current and the reversal of movement of the oscillating system is caused by the natural change in intensity of the feeding alternating current in cooperation with a spring (oscillating spring) counteracting the magnetic attraction of the electromagnet and that of the liquid the opposing forces exerted by the working diaphragm.
It is advisable to dimension and arrange the suspension of the oscillating system in such a way that its natural frequency is equal to the frequency of the alternating attraction force of the electromagnet. As a result, an approximate resonance of the oscillating system can be achieved with this force. You can choose the arrangement so that the movement of the oscillating system is not limited by stops, so that the same can swing fully without artificial shortening of its oscillation path.
It is even more advantageous to equalize the natural frequency of the entire vibrating system, taking into account the vibrating masses of the pump fluid, the frequency of the movement of the system exciting and maintaining magnetic or electrical vibrations, so that a practically accurate resonance between the oscillating system and the driving force. It can be advantageous to design the pump and its drive so that the mass of the oscillating system or at least parts of it, in particular the liquid mass involved in the oscillation process, is as small as possible under given conditions.
The drawing shows an exemplary embodiment of the unit according to the invention, the structure of which also allows various measures and advantages of a fundamental nature to be known that have not been discussed previously.
The electromagnet 1 driving the liquid pump is an alternating current electromagnet, the winding 2 of which is traversed by the mains alternating current and thereby exerts an attractive force on the armature 3 that changes periodically in intensity. It has an iron circle that is as closed as possible in order to provide the greatest possible electromagnetic power with the lowest possible weight and space requirements. For this reason, the number and size of the air gaps breaking the iron circle is limited to a minimum, two of these air gaps assuming a position inclined to the direction of oscillation of the armature.
The armature 3 is rigidly connected benmembran 5 by a straight piston rod 4 with the central part of the Kol. The edge of this membrane is clamped in the pump housing 6, which is supported by columns 7.
The suspension of the oscillating system consists of the coil springs 8 and 9, which are on the one hand against an adjustable support plate 10 arranged on the columns 7, on the other hand against a collar 11 or. 12 of the piston rod 4. The arrangement of the springs is such that they counteract the swinging out of the armature, whether it is up or down, and therefore always endeavor to return the movable system to its central position.
The entire oscillating system, including the oscillating liquid, is dimensioned so that its natural frequency is exactly or approximately equal to the frequency of the magnetic attraction force of the electromagnet 1 or the frequency of the alternating current or a harmonic of the same (resonance). In some cases one can be content with the approximation to the resonance which then results if only the natural frequency of the suspension corresponds to the frequency of the driving force.
By raising or lowering the plate 10 relative to the collar 11, the bias of the springs can be adjusted or readjusted. Instead of a helical spring, a spring with a non-linear force-M'eg characteristic, for example a conical spring constructed accordingly, can also be used with advantage.
The piston diaphragm 5 forms the lower, the pump cover 14 the upper limit of the working space 13 of the pump. In the cover 14, the suction valve 15 and the pressure valve 16 of the pump are arranged as easily movable flaps which cover ring-shaped or slit-shaped openings. The suction valve, and the same applies to the pressure valve, should be as easily movable as possible and preferably designed in such a way that its natural frequency is equal to or higher than the natural frequency of the piston diaphragm 5. Above the valves, the suction chamber 17 and the pressure chamber 18 of the pump fluid are in the Pum pen housing, to which spaces the suction pipe 19 and the pressure pipe 20 are connected.
The valves should preferably be arranged in such a way that the path from the suction to the pressure valves is as short as possible.
The suction chamber 17 is limited at the top by a wall 21 made of elastic material, which can be a rubber membrane, for example, or wall by a spring-loaded membrane and this has the purpose of compensating for pressure surges and maintaining a constant flow of liquid as possible during pumping. For the same reason, the pressure chamber 18 also has a membrane-like cover 22 which, when there is a very strong increase in the pressure in the chamber 18, rests against the convex housing cover 24 provided with openings 23.
The diaphragms 21 and 22 replace the suction and pressure air vessels otherwise customary in piston pumps and offer the advantage over these that they can easily follow the high periodicity of the operation of the pump according to the invention with little space requirement. They should preferably be exactly or approximately in Re resonance with the frequency of the oscillating system, which can be achieved by appropriate dimensioning of the existing membrane made of elastic material or by the arrangement of adjustable springs to support the existing membranes made of elastic or inelastic material.
The unit described works roughly as follows: If the coil 2 of the elec tromagnet 1 is fed with mains alternating current, the armature 3 and the parts connected to it, including the piston diaphragm 5, oscillate in time with the alternating current frequency, and the amplitude of these oscillations is then be particularly large if the oscillating system is matched exactly or approximately to the frequency of the alternating attraction of the magnetic field. Due to the oscillating piston diaphragm 5, the volume of the working chamber 13 is alternately enlarged and reduced, so that with the cooperation of the Sang valve 15 and pressure valve 16, liquid is conveyed from the suction pipe 19 into the pressure pipe 20.
The pressure or volume fluctuations that occur in the liquid outside the working space during each period -> ground through the membranes 21 and 22 # in -isgegliellen. When suction ub namely the membrane 21 is put under tensile effect, during the pressure stroke the membrane 22 is set under Druckwir effect, but they work alternately, shifted approximately by a half period.
In other words: during the suction stroke the membrane 22 pushes the liquid off and during the pressure stroke the membrane 21 draws in new liquid. The two air tanks ensure that the kinetic energy is maintained.
If a smaller amount of liquid is withdrawn from the pump under otherwise identical conditions, the pressure in space 18 increases, whereby the vibrations of the membrane 5 or the armature 3 are influenced in such a way that the electric magnet consumes a correspondingly lower power. The mode of operation of the unit adapts automatically to the changing operating conditions. If, however, the borderline case arises in which no more conveyed amount of liquid is withdrawn from the pressure pipe, the pump only continues to operate until the membrane 22 has reached its greatest extent, i.e. is in contact with the housing 24.
Once this is done, only the piston membrane 5 remains as a resilient limitation of the liq fluid, which is moved to its lowest point by the high liquid pressure in the working chamber, in which the armature touches the corresponding surfaces of the electromagnet core.
Since, as the embodiment of the drawing shows, the armature and the electro magnet can be designed in such a way that when the armature is fully tightened there is practically no new air gap, so the core becomes in the event of a blockage or severe throttling of the liquid withdrawal The electromagnet is closed in such a way that the latter acts like a choke coil with high inductive resistance in relation to the supply of alternating current and therefore consumes practically no current. It is therefore not necessary with such a unit to switch off the alternating current during short breaks in operation.
If pressure fluid is removed again after such a break, i.e. if the pressure in space 18 falls, the armature and the piston diaphragm of the pump start moving again automatically, so that the arrangement of any special fluid container for starting the pump is superfluous.
It is advisable to provide special connections, for example tightly wound spiral springs, between the fixed housing and the oscillating system, which prevent the latter from deviating from its prescribed path, in particular sideways deviation, or make it difficult.