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Membrankdlbenpumpe, insbesondere zur Förderung von Flüssigkeiten aus
großen Tiefen Die Hauptpatentanmeldung betrifft eine Membrankolbenpumpe mit einer
am Umfang eingespannten Membran, auf deren einer Seite der Arbeitsraum mit Druck-
und Saugventil angeordnet isst und deren andere Seite lose auf einem Kolbenstempel
aufliegt, wobei der Kolbenstempel mit einer zusätzlich zu seiner mit der :,Zembran
zusammenarbeitenden Stirnfläche vorgesehenen Ringfläche und einer zu dieser entsprechend
angeordneten Ringfläche im Führungszylinder des hinteren Kolbenstempelabschnittes
zugleich den Arbeitsraum einer Hilfspumpe bildet, welche Flüssigkeit unter Druck
zwischen die Stirnfläche des Kolbenstempels und die Membran fördert.
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Die Hauptpatentanmeldung bezweckt mit der vorstehend erläuterten Ausbildung,
die bei der Überwindung großer Höhenunterschiede stark beanspruchte Membran durch
ein zusätzliches Druckölpolster zu schützen und vor einer vorzeitigen Zerstörung
zu bewahren.
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Die Erfindung betrifft eine Weiterbildung der Hauptpatentanmeldung
und bezweckt, das Druckölpolster zwischen der Kolbenstirnfläche und der Membran
auch bei stark unterschiedlichen Belastungen und unterschiedlich großen Leckverlusten
in stets gleichbleibender Größe aufrechtzuerhalten und vor allem zu verhindern,
daß eine übergroße Nachlieferung von Drucköl in den Raum unterhalb der Membran ein
zu weites Aufblähen der Membran und ein Zerreißen derselben bewirkt.
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Erfindungsgemäß wird für eine Membrankolbenpumpe der zuvor beschriebenen
Art vorgeschlagen, daß die Ringfläche zwischen den Kolbenstempelabschnitten so dimensioniert
ist, daß die von der Hilfspumpe geförderte Flüssigkeitsmenge größer ist als die
bei den höchsten Arbeitsdrücken auftretenden Deckverluste und daß der Kolbenstempel
einen Abflußkanal für den Raum zwischen der Membran und der Stirnfläche des Kolbenstempels
aufweist, dessen Eintrittsöffnung normalerweise durch die Membran abgedeckt ist
und nur bei übermäßigen Ausstülpungen der Membran freigegeben wird. Durch die erfindungsgemäße
Maßnahme wird also das Volumen des Flüssigkeitspolsters zwischen der Membran und
der Kolbenstirnfläche durch die Membran selbst gesteuert.
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Der von der Membran gesteuerte Abflußkanal kann gemäß einem Merkmal
der Erfindung an der vorderen Stirnfläche des Stufenkolbens an einer von der Membran
abgedeckten Stelle einmünden, wobei vorzugsweise an der vom Stufenkolben abgewandten
Seite der Membran eine in Richtung des Kolbenhubes wirkende Federanordnung vorgesehen
ist, welche mit einem Federteller die Membran im Bereich der Abflußbohrung des Kolbens
beaufschlagt und den Abflußkanal entgegen dem zwischen Kolbenstirnfläche und Membran
herrschenden Druck verschlossen hält.
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Das Rückschlagventil, über welches die hydraulische Flüssigkeit vom
Ringraum des Stufenkolbens in den Raum zwischen der Kolbenstirnfläche und der Membran
gefördert wird, kann entweder von einem Kugelrückschlagventil oder aber von einem
insbesondere auf der Basis von Äthylenglykol---Adipinsäure-Pol.yester hergesbellben
Kunststoffring .gebildet werden, welcher den vorderen Teil des Stufenkolbens eng
umschließt, jedoch bei einem im Ringraum des Stufenkolbens herrschenden Überdruck
in Richtung auf die Membran ausweichen und das Druckmittel hinauslassen kann.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch
die Membran mit Abstand zur Kolbenstirnfläche angeordnet und stützt sich auf einer
Siebplatte ab, die zwischen der Kolbenstirnfläche und der Membran vorgesehen- ist
und seitlich neben ihren Siehöffnungen in einer normalerweise von der Membran abgedeckten
Zone Bohrungen aufweist, die mit einem Abflußkanal in Verbindung stehen. Diese Siebplatte
kann sich im wesentlichen über die gesamte Fläche der Membran erstrecken und mit
dieser zusammen im Pumpengehäuse eingespannt sein, wobei die Siebplatte auf ihrer
zur Membran hin gerichteten Seite eine ringwallähnliche Erhöhung aufweist, welche
die zentral angeordneten Sieblöcher umgibt,
während eine Mehrzahl
von axialen Bohrungen, die über einen Ringkanal miteinander verbunden und an eine
Abflußleitung angeschlossen sind, zwischen der ringwallähnlichen Erhöhung und dem
Rand der Siebplatte vorgesehen sind. Bei einer solchenAusführungsform ist der vordere
Abschnitt .des Stufenkolbens vorzugsweise napfförmig ausgebildet und nimmt ein mit
dem Ringraum des Stufenkolbens in Verbindung stehendes Rückschlagventil und eine
Druckfeder auf, die sich an der Rückseite der Siebplatte abstützt und den Rückhub
des Stufenkolbens unterstützt.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt
sind. Es zeigt Abb. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Membrankolbentauchpumpe,
bei der jedoch zwecks vereinfachter Darstellung der Antriebsmotor fortgelassen ist,
Abb. 2 eine zweite Ausführungsform der Erfindung in ähnlicher Darstellung wie Abb.
1 und Abb. 3 eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer Membrankolbentauchpumpe
in einer den Abb. 1 und 2 entsprechenden Darstellung.
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Die in der Abb. 1 dargestellte Tauchpumpe ist in einem rohrförmigen
Gehäuse 1 untergebracht, das so dimensioniert ist, daß es in einem Bohrloch abgesenkt
werden kann. Im unteren Teil des Pumpengehäuses 1 befindet sich der in den Zeichnungen
nicht dargestellte elektrische Antriebsmotor, der in bekannter Weise über isolierte
Zuführungen von Übertage gespeist wird. Die Motorwelle 2, die in einem Kugellager
3 gelagert ist, trägt auf ihrem freien Ende ein Kegelrad 4, welches über das damit
im Eingriff stehende, weitere Kegelrad 5 eine Querwelle 6 antreibt. Diese Ouerwelle
6 ist in Pendelrollenlagern 7 gelagert und trägt einen Exzenter 8, welcher über
die Exzenterhülse 9 dem Pumpenkolben eine hin- und hergehende Bewegung erteilt.
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Der Kolben der Pumpe ist ein Stufenkolben, dessen vorderer Kolbenabschnitt
10 eine größere Querschnittfläche aufweist als der hintere Kolbenabschnitt 11. Zur
Führung des Kolbens dient der Zylinder 12, welcher vom Pumpengehäuse 1 getragen
wird. Der Zylinder 12 umgibt lediglich den bintexen Kolbenabschnitt 11, während
der vordere Kolbenabschnitt 10 aus dem Zylinder 12 herausragt und mit einem auf
der Basis von Äthylenglykol-Adipinsäure-Polyester hergestellten Kunststoffring 13
umgeben ist. Dieser Kunststoffring 13 ist an seinem äußeren Umfang fest im Pumpengehäuse
1 gelagert.
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Oberhalb der Stirnfläche des Kolbenabschnittes 10 die leicht gewölbt
ausgebildet ist, befindet sich eine Membran 14, welche zwischen zwei ringförmigen
Bauteilen 15 und 16 des Pumpengehäuses an ihrem Rand fest eingespannt ist.
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Zwischen der Membran 14 und der eigentlichen Pumpenkammer 17 ist eine
weitere Membran 18 vorgesehen,- die in ähnlicher Weise wie die Membran 14 zwischen
zwei ringförmigen Bauteilen 15 und 19 des Pumpengehäuses 1 an ihrem Rand eingespannt
ist. Die ringförmigen Bauteile 15, 16 und 18 des Pumpengehäuses werden durch eine
Mehrzahl von axial gerichteten Schraubenbolzen 20 zusammengehalten, wobei gleichzeitig
eine sichere Einspannnug der Membranen 14 und 18 sichergestellt ist.
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In dem ringförmigen Bauteil 15 der Pumpe ist eine Siebplatte 21 vorgesehen,
welche die Mittelöffnung des- Bauteiles 15 überbrückt. Auf dieser Siebplatte 21
stützt sich eine kegelförmig abgewickelte Schraubenfeder 22 ab, welche in ihrem
anderen Ende mit einem Federteller 23 versehen ist, mit dem die Membran 14 zu einem
nachfolgend noch zu erläuternden Zweck auf die Stirnfläche des Kolbenabschnittes
10 gedrückt wird.
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Der eigentliche Pumpenraum 17 steht über zwei Rückschlagventile 24
bzw. 25 mit der Ansaug- bzw. Förderleitung in Verbindung. Da, wie vorstehend erwähnt,
die beispielsweise beschriebenen Pumpen Tauchpumpen sind, mündet das Ansaugventil
24 in einen Ringraum 26, welcher über Durchbrechungen 27 der Gehäusewandung 1 mit
dem sie umgebenden zu fördernden Medium in Verbindung steht. Das Druckventil 25
mündet in eine axiale Bohrung 28 des Pumpengehäuses, welche in bekannter Weise über
eine angeschlossene Rohrleitung aus dem Bohrloch herausführt. Um zu verhindern,
daß die stark beanspruchte, vom Kolben betätigte Membran vorzeitig verschlissen
wird, ist zwischen den beiden Membranen 14 und 18 in dem Raum 29 ein Druckölpolster
vorgesehen, über welches die Arbeitsbewegungen der Membran 14 auf die Membran 18
übertragen werden, ohne daß eine Gefahr besteht, daß das von Fremdkörpern nicht
völlig freie Fördermedium an die Membran 14 herangelangen kann.
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Um die Möglichkeit einer zu starken Beanspruchung der :Membran 14
gegenüber dem Kolben 10 herabzusetzen, wird in. dem Raum zwischen den beiden genannten
Teilen bei jedem Arbeitshub hydraulische Flüssigkeit hineingepumpt. Diese Zufuhr
von hydraulischer Flüssigkeit erfolgt über die Bohrung 30, die über eine weitere,
in der Zeichnung nicht dargestellte Leitung in den Motorraum führt, wo sich ruhiges
und luftfreies Öl befindet. In dieser Bohrung 30 des Gehäuseteiles 16 ist ein Kugelrückschlagventil
31 vorgesehen. Oberhalb des Kugelrückschlagventils 31 führt eine schräge Bohrung
32 zu dem von den Ringflächen 61 und 62 begrenzten Ringraum 33 zwischen Stufenkolben
und Zylinder. Diese schräge Bohrung 32 endet unmittelbar unterhalb des Innenumfanges
des Kunststoffringes 13.
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Die beschriebene Pumpe arbeitet wie folgt: Der Elektromotor versetzt
das Kegelrad 4 in Umdrehung. Diese Drehbewegung wird über das Kegelrad 5 auf die
Welle 6 übertragen, die dann mittels ihres Exzenters 8 dien Stufenkolben 10, 11
periodisch auf und ab bewegt. Durch die Aufundabbewegung des Kolbens wird auch die
an der Stirnfläche des Kolbenabschnittes 10 anliegende Membran periodisch auf und
ab bewegt, wodurch dann die hydraulische Flüssigkeit aus dem Raum 29 über die Siebplatte
21 verdrängt wird und eine periodische Ausstülpung der an der Pumpenkamner 17 vorgesehenen
Membran 18 bewirkt.
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Das sich vermittels der Membran 18 periodisch verändernde Volumen
der Pumpenkammer 17 hat zur Folge, daß beim Vorwärtshub des Kolbens 11 (der in der
Zeichnung dargestellt ist) ein Teil des Pumpenkammervolumens über das Druckventil
25 ausgestoßen und in die Förderleitung gedrückt wird, während beim Rückwärtshub
des Kolbens in der Kammer 17 ein Unterdruck entsteht, durch den das Ventil 25 geschlossen
gehalten wird, während durch das Ansaugventil 24 das Fördermedium angesaugt wird.
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Bei der Rückwärtsbewegung des Stufenkolbens 10, 11 vermindert sich
das Volumen des Ringraumes 33, und es wird, da dieser Ringraum mit Druckflüssigkeit
angefüllt ist, diese Druckflüssigkeit an dem Kunststoffring 13 vorbei in den Raum
zwischen Membran 14 und der Stirnfläche des Kolbenabschnittes 10 gefördert. Beim
nachfolgenden Vorwärtshub des
Stufenkolbens 10, 11 öffnet sich wieder
der Ringraum 33 und saugt dann über den Kanal 32, das Rückschlagventil 31
und die Bohrung 30 weitere Druckflüssigkeit an, die dann beim nächsten Rückwärtshub
des Kolbens 6 am Kunststoffring 13 vorbei in den Raum zwischen Membran 14 und Kolbenstirnfläche
gefördert wird. Da der Kunststoffring 13 lediglich in Richtung auf die Membran 14
ausweichen kann, ist sichergestellt, daß beim Vorwärtshub des Stufenkolbens 10,
11 der Ringkanal 33 nur über das Rückschlagventil 31, nicht aber aus dem
Raum zwischen der Membran 14 und der Kolbenstirnfläche aufgefüllt werden kann.
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Der Stufenkolben 10, 11 ist so dimensioniert, daß er auch bei den
höchsten Arbeitsdrücken der Pumpe eine Druckmittelmenge fördert, die die Leckverluste
übersteigt.
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Um nun zu verhindern, daß das Druckölpolster zwischen der Stirnfläche
des Stufenkolbens 10 und der Membran 14 zu groß wird, ist in der Stirnfläche des
Kolbenabschnittes 10 eine Bohrung 34 vorgesehen, die normalerweise von der Membran
14 abgedeckt ist und über einen Abflußkanal 35 in den Ölsammelraum des Motors führt.
Die Membran 14 wird durch den Federteller 23 gegen die Bohrung 34 gedrückt. Übersteigt
jedoch der Druck zwischen Membran 14 und Stufenkolben 10 einen vorgegebenen Wert,
d. h. wird die Membran 14 übermäßig ausgestülpt, wird entgegen der Kraft der Feder
22 die Bohrung 34 freigegeben, so daß übermäßige Druckmittelmengen abfließen, können.
Auf diese Weise regelt die Membran 14 selbst vollautomatisch die Größe des sie schützenden
Druckmittelpolsters gegenüber der Stirnfläche des Stufenkolbens 10. Es kann somit
keine Überbeanspruchung der Membran 14 auftreten. Die mechanischen Beanspruchungen
der Membranen 14 und 18 sind auch noch durch entsprechende Abrundungen der angrenzenden
Gehäuseteile bzw. durch abgerundete Kanten des Stufenkolbens herabgesetzt.
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Das in Abb.2 dargestellte Ausführungsbeispiel deckt sich im wesentlichen
mit der Ausführungsforrn gemäß Abb. 1. Es sind, um Wiederholungen der Beschreibung
zu vermeiden, gleiche Teile oder in gleicher `''eise wirkende Teile mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Im Gegensatz zur Abb. 1 ist an Stelle des Kunststoffringes 13 ein
zweites Rückschlagventil 36 im Pumpengehäuse, Abschnitt 16, angeordnet. Dieses Rückschlagventil
steht über eine radiale Bohrung 37 mit dem Ringrahmen 33 des Stufenkolbens in Verbindung,
der im übrigen in gleicher Weise wie bei der Ausführung gemäß Abb. 1 über ein Rückschlagventil
31 zum Ölsammelraum des Motors geführt ist.
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Während bei der Abb. 1 die Förderung des Druckmittels in den Raum
unterhalb der Membran 14 beim Rückwärtshub des Kolbens erfolgte, ist die Pumpe
1, (Abb. 2) so ausgebildet, daß die Druckmittelförderung beim Vorwärtshub
erfolgt. Hierzu besteht der Stufenkolben aus einem rückwärtigen Abschnitt 38 größerer
Querschnittsfläche und einem vorderen Kolbenabschnitt 39 von geringerer Querschnittsfläche.
Der Stufenkolben 38, 39 ist von einem zweigeteilten Zylinder 40 bzw. 41 umgeben.
Die Membran 14 ist zusammen mit einer Ringscheibe 42 zwischen den Pumpengehäuseteilen
15 und 19 eingespannt. Die Ringscheibe 42 umgibt mit geringem Spiel den vorderen
Teil des Kolbenabschnittes 39 und deckt auch zum größten Teil die vordere Stirnfläche
des Zylindergehäuses41 ab. Um dieDruckmittelzuführung zum Raum zwischen der :Membran
14 und der Stirnfläche des Stufenkolbens 39 zu ermöglichen, führen von der Austrittsöffnung
des Rückschlagventils 36 ein oder mehrere radial gerichtete Kanäle unterhalb der
Ringscheibe 42 zur Gleitfläche des Stufenkolbens. Vorzugsweise ist jedoch die Ringscheibe
42 an ihrem Außenrand mit einem ringförmigen Vorsprung versehen, so daß von ihr
gegenüber den Gehäuse- und Zylinderteilen ein hohlzylinderförmiger Raum eingeschlossen
wird. Auf diese `'eise ruht die äußere Ringzone der Membran 14 nicht auf einem festen,
sondern auf einer nachgiebigen, federnden Unterlage.
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Die Arbeitsweise der Pumpe gemäß Abb.2 entspricht im wesentlichen
der Arbeitsweise der Pumpe gemäß Abb. 1. Es ist jedoch zu vermerken, daß die Druckmittelzufuhr
in den Raum zwischen Membran und Kolbenstirnfläche beim Vorwärtshub erfolgt. Bei
übermäßiger Zufuhr von Druckmitteln hebt sich in gleicher Weise wie bei der Ausführungsform
gemäß Abb. 1 die Membran entgegen der Wirkung der Feder 22 etwas von der Kolbenstirnfläche
ab, so daß dann das Druckmittel über die Bohrung 34 und den Kanal 35 abfließen kann.
Da der Kanal 35 aber nicht unmittelbar mit dem Sammelraum der hydraulischen
Flüssigkeit in Verbindung steht, sondern nur eine radiale Bohrung 43 zu diesem Zweck
zur Verfügung sieht, welche beim Vorwärtshub vom Zylinder 40 abgedeckt wird, kann
der Rückfluß des Druckmittels nur in der untersten Totpunktstellung (in der Zeichnung
dargestellt) des Stufenkolbens erfolgen.
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Bei der Ausführungsform gemäß Abb. 3 ist wiederum ein Stufenkolben
verwendet, dessen Abschnitt 44 mit kleinerem Querschnitt zur Membran 14 hin gerichtet
ist, während der Kolbenabschnitt des größeren Querschnittes 45 sich am rückwärtigen
Ende befindet. Zwei Zylinderteile 46 bzw. 47 dienen zur Führung der Kolbenabschnitte.
Da der motorseitige Antrieb des Kolbens in gleicher Weise wie bei den Ausführungsformen
gemäß Abb. 1 und 2 erfolgt, wird eine nochmalige Erläuterung dieser Teile für nicht
erforderlich angesehen. Es sind lediglich wiederum für gleiche Teile gleiche Bezugszeichen
verwendet.
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Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die
Membran 14 jedoch mit Abstand zum Stufenkolben angeordnet. Die Membran 14 ist zusammen
mit einer Siebscheibe 48 zwischen den Pumpengehäuseteilen 15 und 19 eingespannt.
Die Siebscheibe weist auf ihrer zur Membran 14 hin gerichteten Seite eine einem
Ringwall ähnliche Erhöhung 49 auf, welche die zentral angeordneten Sieböffnungen
umgibt. Auf diese Weise liegt die Membran 14 normalerweise nur in ihrer Randzone
auf der Siebplatte 48 auf.
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Der unterhalb der Siebplatte48 angeordnete vordere Kolbenabschnitt
44 des Stufenkolbens ist napfförmig ausgebildet und nimmt eine Schraubenfeder 50
auf, die sich einerseits an der Bodenfläche des napfartigen Kolbenabschnittes 44
und andererseits an der Unterseite der Siebplatte 48 abstützt.
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In der Bodenfläche des Kolbenabschnittes 44 ist ein Rückschlagventi151
angeordnet, welches einerseits mit dem Raum zwischen Membran 14 und Kolben 44 und
andererseits über einen radialen Kanal 53 mit .dem von den Ringflächen 61 und 62
begrenzten Ringraum 52 zwischen den beiden Stufenkolbenabschnitten 44 und 45 in
Verbindung steht. Im übrigen ist der Ringraum 42 in gleicher Weise wie bei den Ausführungsformen
gemäß Abb.1 und 2 über ein Kugelrückschlagventil 31 mit dem ölsammelraum des Motors
und Getriebes verbunden.
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Im Gegensatz jedoch zu den bisher erläuterten Ausführungsformen mündet
der Rückflußkanal für das
Ölpolster der Membran 14 nicht in der
Kolbenstirnfläche, sondern außerhalb der ringförmigen Erhöhung 49 in der Siebplatte
48. Um einen Abfluß des Druckmittels bei übermäßig ausgestülpter Membran zu ermöglichen,
sind unterhalb der Membran eine Mehrzahl von axial gerichteten Bohrungen 54 vorgesehen,
die in einen ringförmigen Sammelkanal 55 einmünden, welcher über den im Gehäuseabschnitt
15 vorgesehenen Kanal 56 in den Getriebe- und Motorraum einmündet.
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Auch bei dieser Pumpenform erfolgt das Nachfüllen des Druckmittels
in den Raum zwischen Kolben 44 und Membran 14 während des Vorwärtshubes. Beim Rückwärtshub
des Stufenkolbens, der in der Zeichnung dargestellt ist, wird das Ventil
31 Druckmittel angesaugt und beim nachfolgenden Vorwärtshub aus dem Ringraum
52 über das Rückschlagventil 51 in den Raum unterhalb der Membran 14 verdrängt.
Da bei dieser Ausführungsform keinerlei mechanische Verbindung zwischen dem Stufenkolben
und der Membran 14 vorgesehen ist, erfolgt die Übertragung des Pumpenhubes auf rein
hydraulische Weise. Eine Konstanthaltung dieses hydraulischen Übertragungsmittels
zwischen Kolben und Membran wird wiederum von der Membran 14 sichergestellt, die
bei einer übermäßigen Ausstülpung die axial gerichteten Bohrungen 54 freigibt und
eine begrenzte Menge des Druckmittels über den Kanal 56 zurückfließen läßt.
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Die Erfindung ist nicht auf die dargestelllten Ausführungsformen beschränkt.
Es kann beispielsweise, wenn es sich um die Förderung von fremdkörperfreien Medien
handelt, auch auf die Schutzmembran 18 verzichtet werden, so daß dann die Membran
14 unmittelbar die Pumpenkammer 17 beaufschlagt. Auch läßt sich der Antrieb des
Stufenkolbens an Stelle eines Kegelradgetriebes und eines Exzenters unmittelbar
mit einer Taumelscheibe oder einer Kurvensteuerung bewirken.