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Elektromagnetisch angetriebene Kolbenpumpe, insbesondere für den Betrieb
unter Flüssigkeiten Es sind elektromagn etisch angetriebene Kolbenpumpen bekannt,
deren Antriebssystem .durch eine Membran gegen die Förderflüssigkeit abgedichtet
ist. Die Membran ist hierbei kraftschlüssig mit dem Magnetanker verbunden und dient
.als Förderorgan. Sie ist jedoch an der Einspannstelle einer starken Beanspruchung
unterworfen, wodurch leicht Risse entstehen, die ihre Lebensdauer herabsetzen. Man
hat deshalb vorgeschlagen, die Membran so .anzuordnen, daß sie lose an dem Magnetanker
anliegt, wobei sie den in dem Gehäuse flüssigkeitsdicht gekapselten elektromagnetischen
Antrieb nac h außen abdichtet, so daß eine (solche- Pumpe für den Betrieb unterhalb
eines Flüssigkeitsspiegels z. B. zur Förderung von Wasser oder Erdöl aus Tiefbrunnen
geeignet ist. Der Antriebskolben besteht hierbei aus einem Ansatz des Magnetankers
und. betätigt unmittelbar die Membran. Um,die kinetische Energiedes Magnetankers
gut auszunutzen und hohe Förderdrücke zu erzielen, muß der Anker in seiner Ausgangslage
bzw. in seiner inneren Endlage einen gewissen Abstand von der Membran haben, was
einen entsprechenden Abstand der Einspannstelle der Membran von dem Anker zur Voraussetzung
hat, damit die Membran in die Führungsöffnung des Ankers hin-einschwingen bzw. durch
den im Pumpenraum herrschenden Flüssigkeitsdruck in diese öffnung hineingepreßt
werden kann. Hierbei wird sie jedoch an dem Rand dieser öffnung stark auf Biegung
beansprucht und leicht beschädigt.
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Dieser Nachteil wird gemäß der Erfindung diad-.urch vermieden, daß
der Magnetanker sich in einem Zapfen fortsetzt, dessen freies Ende in der Ausgangslage
des Magnetankers von dem in an sich bekannter Wetise lose an der Membran anliegenden
und diesen hetätigenden Kolben einen freien Abstand hat. Durch eine derartige Ausbildung
.der Pumpe kann,der Anker frei schwingen und erhält einen Hub, der die volle Ausnutzung
seiner kinetischen Energie ermöglicht. Andererseits wird die Membran nur gering
beansprucht, da sie nicht bei dem Rückhub des Kolbens in dessen Führungsöffnung
hineingedrückt wird und infolgedessen vor Beschädigungen geschützt ist. Die Kolbenpumpe
gemäß der Erfindung ist daher für hohe Förderdrücke geeignet und kann wegen .der
vollständigen Abdichtung ihres Antriebes durch die Membran mit besonderem Vorteil
für die Förderung verunreinigter Flüssigkeiten, insbesondere von Erdöl aus tiefen
Bohrlöchern, verwendet werden.
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Die beiden Enden des Magnetankers sind in einer vorzugsweisen Aussgestaltung
der Erfindung durch Zapfen verlängert, die unter Zwischenschaltung von Wälzlagern
in Längsbohrungen des Gehäuses geführt sind. Dadurch erhält der Magnetanker eine
besonders gute Führung bei geringen Reibungsverlusten, was einen hohen Wirkungsgrad
ergibt.
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Zur Erhöhung des Förderdrucks können mehrere Magnetsysteme in solcher
Weise hintereinander angeordnet werden, daß die lose aneinanderliegenden Zapfen
der einzelnen Magnetanker auf den gemeinsamen Kolben einwirken. Die Magnetspulen
der einzelnen Magnetsysteme können hierbei in an sich. bekannter Weise synchron
in Gegentaktschaltung erregt werden.
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Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der- Zeichnung, .in der als
beispielsweise Ausführungsform eine zum Betrieb unter Flüssigkeiten, z. B. in Bohrlöchern,
geeignete, von zwei Magnetsystemen angetriebene Pumpe @in Abb. i im Längsschnitt
und in Abb. 2 im Querschnitt durch den Anker dargestellt ist.
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Gemäß Abb. i sind in einem Gehäuserohr i zwei Paare von Magnetspulen
2, 2a, 2', 2ä untereinander angeordnet. Zwischen jeder Spule 2, 2"
bzw. 2', 2ä befindet sich ein ringförmiges ?Mitteljoch 3, 3'. An den Enden der Spulen
2, 2" bzw. 2', 2ä sind Jochringe 4, 4" bzw- 4', 4ä angebracht, zwischen
denen der Magnetanker 5, 5' angeordnet ist, der bei abwechselnder Erregung der Spulen
2, 2d 'bzw. 2', 2Q' zwischen diesen hin- und herschwingt.
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Der Magnetanker 5, 5' ist gemäß Alb. 2 so lamelliert, daß der Magnetfluß
in der Längsrichtung nicht unterbrochen wird, in der Querriehtung jedoch die Bildung
von Wirbelströmen erschwert wird. Zu diesem Zweck kann der Anker aus einzelnen,
sektorförmigen Eisenstäben, einem Drahtbündel oder auch aus Eisenpulver oder Eisenspänen
zusammengesetzt sein, die durch Kunststoff oder Gießharz vorzugsweise
auf
der Grundlage von Äthoxylin zusammengepreßt sind. Der lamellierte Anker 5, 5' weist
.innerhalb des Bereichs jeder Spule je einen Kurzschlußring 6, 6' auf, der aus stromleitendem
Metall, wie Kupfer, Bronze oder Messing, besteht und den Anker vollständig umschließt.
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Der Magnetanker 5 ist- auf einem Schaft 7 befestigt, dessen oberes
Ende als Zapfen 7" ausgebildet ist. Das freie Ende dieses Zapfens ist in einem Lager
8, z. B. einem Längskugellager, geführt und hat in der Ausgangslage des Ankers 5
von dem Kolben 9 einen freien Abstand.. Der Kolben 9 ragt mit seinem oberen, mit
größerem Durchmesser ausgeführten Teil i9 über den Gehäuseteil io hinaus, auf dem
sowie auf .dem Kolbenteil i9 eine an ihrem Rand von der Gehäusetrappe 12 eingespannte
Membran i i lose anliegt. Diese besteht zweckmäßig aus abriebfestem Gummi oder Kunststoff,
z. B. Polycarbamid, und' bildet die untere Begrenzung des Pumpenraumes 2o, der durch,
ein Saugventil 13, mit der das Gehäuse i umgebenden Förderflüssigkeit und durch
ein Druckventil 13 mit dem Förderrohr in Verbindung steht.
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Der Schaft 7' des in gleicher Weise ausgebildeten unteren Magnetsystems
2', 2ä setzt sich ebenfalls in einem Zapfen 7"' fort, .dessen oberes Ende bei 17
lose an dem unteren Ende des Zapfens 7a des Schaftes 7 des oberen Magnetsystems
anliegt. Der untere Zapfen 7a ist indem Lager 18 und,der Zapfen 7ä in dem Lager
18' .geführt. Beide Lager sind z. B. als Längskugellager ausgebildet. Der Schaft
7' trägt an seinem unteren Ende einen Teller 14, der sich auf einer im Gehäusefuß
16 belagerten Feder 15 abstützt.
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Beim Betrieb der Pumpe mit Wechselstrom werden die Mag netspulen :2,2,
2', 2ä über einen nicht dargestellten Einweggleichrichter an ein Wechselstromnetz
angeschlossen und im Gegentakt abwechselnd erregt. Dadurch werden die Magnetanker
5, 5' in Schwingungen versetzt, deren kinetische Energie durch den oberen Zapfen
7, auf den Kolben. 9 übertragen wird. Dieser bewegt sich nach .oben und drückt
die Membran i i hoch, so da.ß die im Pumpenraum 20 vorhandene Förderflüssigkeit
durch Druckventil 13 in die Förderloitung gedrückt wird. Beim Rückhub ,der Anker
5, 5' dringt :infolge der Druckdifferenz zwischen Pumpenraum 2o und der über diesem
stehenden Flüssigkeitssäule Förderflüssigkeit durch Saugventil 13" in den Pumpenraum
2o, wodurch Membran i i sowie Kolben 9 in die Ausgangsstellung zurückbewegt werden.
Hierbei befindet sich die Oberseite des Kolbenteiles 19 über der Einspannfläche
der Membran, i i, und diese kann nichtdurchgebogen werden. Die Membran ist d aher
keiner Wechsel'biegungsbe@anspruchung unterworfen und auf ihrer ganzen Fläche druckentlastet,
so daß sie selbst bei einer Stärke von nur wenigen Millimetern ständig einen Druck
von mehreren hundert atü aushalten kann. Es wird :daher auch bei großen Bohrlochtiefen
eine störungsfreie Flüssigkeitsförderung, insbesondere von Erdöl, bei geringstem
Verschleiß erreicht, da die Antriebseinrichtung durch d ie Membran i i vollkommen
gegen die Förderflüss.i -#keit abgedichtet ,ist.
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Be'n Rückhub wird die nicht verbrachte Energie in die:- Druckfeder
15 aufgespeichert, die ihre Energie beim `örderhub auf .die Schäfte 7, 7' ,der beiden
Magneta--ker abgibt und damit den Förderhub unterstützt. Da .die beiden Magnetsysteme
2, 2" und 2', 2"' durch den Einweggleichrichter synchron erregt werden, liegen die
beiden Schäfte 7, 7' dicht aneinander, und ihre Schwingungszahl entspricht der Frequenz
des Wechselstromnetzes.
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Beim Betrieb der Pumpe mit Gleichstrom können in an sich bekannter
Weise Zerhacker oder andere Impulsgeber oder Stromunterbrecher Anwendung finden,
die so geschaltet werden, daß die einzelnen Magnetspulen paarweise abwechselnd erregt
«-erden.
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Die Pumpe gemäß der Erfindung kann auch nur mit einem Magnetsystem
2, 2, ausgerüstet «-erden, insbesondere bei kleineren Leistungen, während bei größeren
Leistungen und hohen Förderdrücken zwei und mehr derartige Magnetsysteme Anwendung
finden, die ihre Schwingungsenergie gemeinsam auf den Kolben 9 abgeben. Auf @diese
`Veise kann bei geringem Durchmesser des Pumpengehäuses i ein hoher Förderdruck
erhalten werden, so d@aß die Pumpe besonders zur Förderung von Flüssigkeiten, wie
Erdöl u.. dgl., aus tiefen und engen Bohrlöchern geeignet ist.
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Es empfiehlt sich, die -aufeinanderschlagenden Teile des Zapfens
7a und des Kolbens 9 zu härten, um hier einen möglichst geringen Verschleiß
zu erhalten. Ferner kann der Kolben mit einer Olumlaufschmierung versehen werden,
die auch die Auflagefläche des Kolbenteiles i9 schmiert, wodurch .die Abnutzung
der im wesentlichen nur auf Zug beanspruchten. Membran ii weiter verringert wird.
Die ölumlaufscbmierung ka:n-n auch an, ,den Lagerungen 8, i 8, i8' der Zap fen
7a, 7ä vorgesehen sein, besonders, wenn diese Lagerungen als Gleitlager ausgebildet
sind, während bei Verwendung von Längskugellagern auf eine besondere Schmierung
dieser Teile verzichtet werden kann.