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Die
Erfindung betrifft eine Regeleinheit für eine Pumpe, insbesondere
für einen
Seitenkanalverdichter.
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Eine
Pumpe kann durch ihre möglichen
Betriebspunkte charakterisiert werden, die in einem Diagramm, in
dem der nutzbare Förderstrom
V (zeitabhängige
Volumenänderung)
gegen den Differenzdruck Δp
der Pumpe aufgetragen ist, eine charakteristische Kennlinie ergeben,
wobei der Differenzdruck Δp
der Druckunterschied zwischen Ansaug- und Austrittanschluß der Pumpe
ist. Für
bestimmte Anwendungen ist es erforderlich, den nutzbaren Förderstrom
V bei gleichem Differenzdruck Δp
zu reduzieren, der maximal erreichbare Arbeitsdruck der Pumpe aber
beibehalten werden muß.
In 1 sind mehrere solcher erwünschter Kennlinien dargestellt,
die ausgehend von einer Ausgangskennlinie durch eine entsprechende
Regelung der Pumpe erreicht werden sollen.
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Ferner
ist eine Regelung wünschenswert, die
einen von der Netzfrequenz des jeweiligen Landes unabhängigen Betrieb
der Pumpe ermöglicht. Für eine Pumpe
mit einem Antriebsmotor, der mit 50 Hz betrieben wird, ergibt sich
nämlich
im 60 Hz-Betrieb aufgrund der höheren
Motordrehzahl eine stark abweichende Kennlinie mit größeren Differenzdrücken Δp und Förderströmen V, wie
in 2 dargestellt ist. Für Anwendungen, bei der die
Pumpe in Ländern
mit 60 Hz- Netzfrequenz
aber die gleichen Differenzdrücke Δp und Förderströme V bereitstellen soll
wie in Ländern
mit 50 Hz-Netzfrequenz, ist daher eine Regelung erforderlich, mit
der im 60 Hz-Betrieb möglichst
die gleichen Betriebspunkte wie im 50 Hz Betrieb erreicht werden
können.
Im Falle eines periodischen Betriebs der Pumpe, in dem nicht nur
ein Betriebspunkt sondern ein bestimmter Bereich der Kennlinie abgefahren
wird, sollte eine solche Anpassung für den gesamten Bereich der
Kennlinie möglich sein.
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Bekannte
Regelverfahren, wie etwa die Anpassung der Motordrehzahl mittels
einer Riemenübersetzung
oder eines Frequenzumrichters sind, abgesehen von den hohen Kosten,
nicht in der Lage, die in 1 dargestellten
Kennlinien in befriedigender Weise zu erreichen. Es ist auch bekannt,
den nutzbaren Förderstrom
durch Abblasen des überschüssigen Fördermediums
im Druckbetrieb (Verdichter) bzw. durch Ansaugen von Nebenluft im
Vakuumbetrieb mittels sogenannter Bypassöffnungen zu reduzieren. Solche
zusätzlichen Öffnungen
sind jedoch für
die oben angegebenen Anforderungen wenig zweckmäßig, da der maximal erreichbare
Arbeitsdruck dadurch gesenkt wird, der nutzbare Förderstrom
aber nur verhältnismäßig wenig
beeinflußt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Regelung für eine Pumpe zu schaffen, mit
der die Kennlinie der Pumpe bezüglich
des Differenzdrucks und des nutzbaren Förderstroms gezielt beeinflußt werden
kann.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Regeleinheit für eine Pumpe mit einer Ventileinrichtung
vorgeschlagen, mit der ein vom Ansauganschluß bzw. Austrittanschluß der Pumpe
unabhängiger
Ansaug/Austrittquerschnitt variabel einstellbar ist. Die Erfindung
beruht auf der Erkenntnis, daß durch
Variation der angesaugten Nebenluftmenge im Vakuumbetrieb bzw. der
abgeblasenen Nebenluftmenge im Druckbetrieb die Kennlinie einer
Pumpe weitgehend frei angepaßt
werden kann.
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Vorzugsweise
ist eine vom Differenzdruck der Pumpe abhängige Steuerung des Ansaug/Austrittquerschnitts
vorgesehen. So kann bei geringem Differenzdruck mehr Nebenluft angesaugt
bzw. abgeblasen werden als bei hohem Differenzdruck. Die Steuerung
des Ansaug/Austrittquerschnitts kann auf einer mechanischen Konstruktion
basieren; es ist grundsätzlich
aber auch eine elektronische Steuerung denkbar.
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Damit
der von der Pumpe maximal erzeugbare Differenzdruck als Arbeitsdruck
genutzt werden kann, ist die Steuerung gemäß der Erfindung so ausgelegt,
daß bei
maximalem Differenzdruck der Ansaug/Austrittquerschnitt vollständig verschlossen
ist.
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Zur
differenzdruckabhängigen
Einstellung der Nebenluftmenge weist die Ventileinrichtung vorzugsweise
ein mit dem Differenzdruck des Verdichters beaufschlagtes Steuerelement
auf, mittels dem der Ansaug/Austrittquerschnitt eingestellt wird.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Steuerelement ein in einem Zylindergehäuse verschiebbar
geführter
Kolben.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
sieht ferner vor, daß der
Kolben durch ein Federelement gegen die Kraft, die durch den Differenzdruck
auf den Kolben ausgeübt
wird, vorgespannt ist.
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Der
Ansaug/Austrittquerschnitt läßt sich
vorteilhaft durch wenigstens eine im Zylindergehäuse und/oder im Kolben gebildete Öffnung darstellen,
deren Gesamtquerschnitt durch eine Verschiebung des Kolbens veränderbar
ist. So kann der Verlauf der Kennlinie insbesondere durch die Lage
und Form der Öffnungen)
vorgegeben werden.
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Es
erweist sich als besonders vorteilhaft, daß die Lage des Kolbens im Zylindergehäuse auch
unabhängig
vom Differenzdruck der Pumpe einstellbar ist. Dies schafft eine
zusätzliche
Einstellmöglichkeit, mit
der bei einem bestimmten Differenzdruck verschiedene Nebenluftmengen
realisierbar sind, so daß eine
einfache Anpassung des Förderstroms
an eine andere Arbeitsaufgabe vorgenommen werden kann.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist hierzu vorgesehen, daß das Zylindergehäuse ein
offenes Ende aufweist, das durch einen einschraubbaren Boden geschlossen
ist. Je nachdem, wie weit der Boden eingeschraubt wird, kann dadurch
die effektive Länge
des Zylindergehäuses vergrößert oder
verkleinert und damit die relative Lage des Kolbens im Zylindergehäuse verändert werden.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung weist die Ventileinrichtung eine verschließbare Öffnung mit
vorbestimmtem Querschnitt auf, die im geöffneten Zustand eine permanente
Verbindung zwischen dem Austrittanschluß und dem Ansauganschluß der Pumpe
herstellt. Durch entsprechende Dimensionierung des Querschnitts
der zusätzlichen Öffnung können dadurch
im 60 Hz-Betrieb die Betriebspunkte des 50-Hz Betriebs, insbesondere
der maximale Arbeitsdruck, mit ausreichender Genauigkeit erreicht
werden.
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Die Öffnung ist
vorzugsweise mittels eines Stopfens verschließbar, so daß die Anpassung der Kennlinie
im 60 Hz-Betrieb der Pumpe an die Kennlinie des 50 Hz-Betriebs durch
einfaches Entfernen des Stopfens erfolgt.
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Um
insbesondere im Vakuumbetrieb durch das Ansaugen von Umgebungsluft
als Nebenluft bedingte erhöhte
Betriebsgeräusche
und negative Einflüsse
durch Verunreinigungen der Umgebungsluft zu vermeiden, steht ein
Bereich der Regeleinheit mit dem Ansauganschluß und ein anderer Bereich der Regeleinheit
mit dem Austrittanschluß der
Pumpe in Verbindung, wobei die Ventileinrichtung so zwischen diesen
Bereichen angeordnet ist, daß durch
den variabel einstellbaren Ansaug/Austrittquerschnitt eine Verbindung
zwischen dem Austrittanschluß und
dem Ansauganschluß der
Pumpe hergestellt ist. Ein solcher Aufbau ermöglicht den Übertritt von gefilterter Luft
als Nebenluft aus dem Austrittanschluß in den Ansauganschluß der Pumpe.
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Die
erfindungsgemäße Regeleinheit
ist vorzugsweise als Modul in einem Gehäuse mit wenigstens einem verschraubbaren
Deckel untergebracht, der eine leichte Zugänglichkeit der Komponenten
der Regeleinheit erlaubt.
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Die
Erfindung schafft auch eine Pumpe mit einem Gebläsegehäuse und einem Schalldämpfer sowie
einer zwischen dem Gebläsegehäuse und dem
Schalldämpfer
angeordneten erfindungsgemäßen Regeleinheit.
Eine solche Anordnung der Regeleinheit gewährleistet eine optimale Geräuschdämpfung.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und aus den beigefügten Zeichnungen,
auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:
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1 verschiedene
gewünschte
Regelkennlinien im Vergleich zu einer Ausgangskennlinie einer Pumpe;
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2 zwei
Kennlinien einer Pumpe im 50 Hz- bzw. 60 Hz-Betrieb;
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3a eine
Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Regeleinheit;
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3b, 3c Schnittansichten
der Regeleinheit aus 3a entlang der Schnittlinien
A-A bzw. B-B;
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4 einen
schematischen Aufbau einer Pumpe mit einer erfindungsgemäßen Regeleinheit; und
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5 mit
der erfindungsgemäßen Regeleinheit
erreichbare Kennilinien einer Pumpe.
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Die
in den 3a bis 3c dargestellte
erfindungsgemäße Regeleinheit 10 für eine Pumpe
ist als Modul konzipiert und in einem langgestreckten Gehäuse 12 mit
zwei stirnseitig verschraubten Deckeln 14 untergebracht.
Eine Zwischenwand 12a des Gehäuses 12 grenzt einen
Bereich 16 der Regeleinheit 10, der mit dem Ansauganschluß der Pumpe
in Verbindung steht (Ansaugbereich), von einem mit dem Austrittanschluß der Pumpe
in Verbindung stehenden Bereich 18 (Austrittbereich) der
Regeleinheit 10 ab. Zwischen den Bereichen 16 und 18 ist
eine Ventileinrichtung mit einer Kolben/Zylinder-Einheit vorgesehen.
In einem Zylindergehäuse 20 der
Kolben/Zylinder-Einheit ist ein Kolben 22 verschiebbar geführt. An
einem Ende des Zylindergehäuses 20 ist ein
Boden 24 eingeschraubt. Aus dem anderen Ende des Zylindergehäuses 20 ragt
ein Ende des Kolbens 22 in den Austrittbereich 18.
Zwischen dem Boden 24 und einer stirnseitigen Wand 26 des
Kolbens 22 ist ein Federelement in Form einer Schraubenfeder 28 angeordnet,
die eine Vorspannkraft auf den Kolben 22 ausübt. Die
Lage des Kolbens 22 im Zylindergehäuse 20 kann abhängig davon,
wie weit der Boden in axialer Richtung 24 in das Zylindergehäuse eingeschraubt
ist, variiert werden. Ein Zuganker 40, der den Boden 24 mit
der Wand 26 verbindet, verhindert ein Herausfallen des
Kolbens 22 aus dem Zylindergehäuse 20.
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Im
Boden 24 und im Kolben 22 sind Öffnungen 30 vorgesehen,
die den Austrittbereich 18 mit dem Ansaugbereich 16 verbinden.
Die Öffnungen 30 sind
so angeordnet, daß sie
bei einer Verschiebung des Kolbens 22 gegen die Vorspannung
der Feder 28 immer weiter abgedeckt werden, so daß sich ihr
Gesamtquerschnitt kontinuierlich verringert.
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In
der Wand 26 des Kolbens 22 ist eine weitere Öffnung 32 gebildet,
die eine zusätzliche
Strömungsverbindung
zwischen dem Austrittbereich 18 und dem Ansaugbereich 16 herstellt,
aber durch einen Stopfen 33 oder ein anderes geeignetes
Verschlußelement
verschließbar
ist.
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4 zeigt
eine Pumpe mit einem Antriebsmotor 34 und einer in die
Pumpe integrierten Regeleinheit 10, wobei die Regeleinheit 10 zur
optimalen Geräuschdämpfung zwischen
einem Gebläsegehäuse 36 und
einem Schalldämpfer 38 der
Pumpe angeordnet ist.
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Im
folgenden werden die Funktionsweise der Regeleinheit 10 und
die mittels einer solchen Regeleinheit realisierbaren Kennlinien
am Beispiel einer Pumpe im Vakuumbetrieb erläutert, wobei als Arbeitsmedium
Luft angenommen wird.
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Die
in 5 mit 60 Hz bezeichnete Kennlinie zeigt die möglichen
Betriebspunkte der Pumpe im 60 Hz Betrieb ohne Verwendung der Regeleinheit 10. Die
Regeleinheit 10 ermöglicht
eine Anpassung dieser Ausgangskennlinie im Hinblick auf einen verringerten
Förderstrom
V, wie durch die Pfeile A, B und C angedeutet. Im Betrieb der Pumpe
wird neben der durch den Ansauganschluß der Pumpe angesaugten Luft
auch Nebenluft angesaugt. Dadurch wird der nutzbare Förderstrom
V herabgesetzt. Die Nebenluft stammt aus dem Austrittanschluß der Pumpe
und gelangt über
den Austrittbereich 18 der Regeleinheit 10 durch
die Öffnungen 30 im
Zylindergehäuse 20 bzw. im
Kolben 22 zum Ansauganschluß der Pumpe. Die angesaugte
Nebenluft ist also keine Umgebungsluft, sondern gefilterte Luft
aus dem Ansauganschluß der Pumpe.
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Die
Besonderheit der erfindungsgemäßen Regeleinheit 10,
nämlich
die vom Differenzdruck Δp der
Pumpe abhängige
Steuerung der angesaugten Nebenluftmenge, wird durch den erfindungsgemäßen Aufbau
der Ventileinrichtung ermöglicht.
Der Kolben 22 ist im Austrittbereich 18 der Regeleinheit 10 mit
dem Differenzdruck Δp
der Pumpe beaufschlagt, der gegen die vorgegebene Vorspannung der
Feder 28 wirkt. Somit nimmt der Kolben 22 eine
definierte, vom Differenzdruck Δp
abhängige
Stellung im Zylindergehäuse 20 ein.
Die Öffnungen 30 im
Zylindergehäuse 20 bzw.
im Kolben 22 sind so angeordnet, daß sich der Gesamtströmungsquerschnitt
vom Austrittbereich 18 in den Ansaugbereich 16 mit
zunehmendem Differenzdruck Δp
verringert. Bei maximalem Differenzdruck Δp ist der Kolben 22 so
weit verschoben, daß die Öffnungen 30 vollständig verschlossen sind.
Die Menge der angesaugten Nebenluft nimmt also bei steigendem Differenzdruck Δp bis auf
0 ab. Dies führt
insgesamt zu einer Verschiebung der Kennlinie der Pumpe zu geringeren
Förderströmen V (siehe
Pfeil A in 5), wobei dennoch der maximale Differenzdruck Δp der Pumpe
als Arbeitsdruck erreichbar ist.
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Die
Kennlinie kann zusätzlich
angepaßt
werden, indem die relative Lage des Kolbens 22 im Zylindergehäuse 20 mit
Hilfe des schraubbaren Bodens 24 verändert wird. Durch einfaches
Drehen des Bodens 24 kann der Gesamtquerschnitt der Öffnungen 30 und
damit die anzusaugende Nebenluftmenge bei gegebenem Differenzdruck Δp eingestellt
werden. Dadurch kann insbesondere die Steigung der Kennlinie bei
niedrigen Differenzdruckwerten beeinflußt werden (siehe Pfeil B in 5).
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Im
50 Hz-Betrieb der Pumpe ist die zusätzliche Öffnung 32 in der Wand 26 des
Kolbens 22 durch den Stopfen 33 verschlossen.
Soll die Pumpe nun mit 60 Hz betrieben und der maximal erreichbare
Arbeitsdruck an den entsprechenden Wert im 50 Hz-Betrieb angeglichen
werden, wird einfach der Stopfen entfernt. Dies führt dazu,
daß ein
Nebenluftstrom vom Austrittbereich 18 durch die Öffnung 32 in den
Ansaugbereich 16 fließt.
Der Querschnitt der Öffnung 32 ist
dabei so dimensioniert, daß soviel
Nebenluft angesaugt wird, daß gerade
der maximale Arbeitsdruck des 50 Hz-Betriebs erreicht wird (siehe Pfeil
C in 5).
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Die
Funktionsweise der Regeleinheit 10 im Druckbetrieb der
Pumpe entspricht im wesentlichen der oben beschriebenen Funktionsweise
für den
Vakuumbetrieb, wobei in diesem Fall die Öffnungen 30 keinen
zusätzlichen
Ansaugquerschnitt, sondern einen zusätzlichen Austrittquerschnitt
darstellen.
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Die
Zugänglichkeit
des Bodens 24 und der Öffnung 32 bzw.
des Stopfens zur Einstellung der Regeleinheit 10 ist durch
die abnehmbaren Deckel 14 gewährleistet, so daß eine Anpassung
der Regeleinheit 10 jederzeit ohne großen Aufwand vorgenommen werden
kann.