DE102008046168B4 - Axialkolbenpumpe und Umkehrosmoseeinrichtung - Google Patents

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Abstract

Axialkolbenpumpe mit einer Zylindertrommel, die mindestens zwei Zylinder aufweist, einem Kolben in jedem Zylinder, der mit einer Gleitfläche an einer Schrägscheibe anliegt, einer Ventilanordnung, die ein stationäres Anschlusselement und ein mit der Zylindertrommel rotierendes Ventilelement aufweist, wobei das Anschlusselement eine mit einem Einlassanschluss verbundene Pumpeneinlassöffnung und eine mit einem Hochdruckanschluss verbundene Pumpenauslassöffnung aufweist, wobei die Axialkolbenpumpe durch einen Motor antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (29, 43) eine als Motoreinlass dienende Öffnung (32) aufweist, die mit einem Hochdruckrücklaufanschluss (12) verbunden ist und mit jedem Zylinder (19) über einen vorbestimmten ersten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel (18) in Verbindung steht.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Axialkolbenpumpe mit einer Zylindertrommel, die mindestens zwei Zylinder aufweist, einem Kolben in jedem Zylinder, der mit einer Gleitfläche an einer Schrägscheibe anliegt, einer Ventilanordnung, die ein stationäres Anschlusselement und ein mit der Zylindertrommel rotierendes Ventilelement aufweist, wobei das Anschlusselement eine mit einem Einlassanschluss verbundene Pumpeneinlassöffnung und eine mit einem Hochdruckanschluss verbundene Pumpenauslassöffnung aufweist, wobei die Axialkolbenpumpe durch einen Motor antreibbar ist.
  • Ferner betrifft die Erfindung eine Umkehrosmoseeinrichtung mit einer Pumpe und einer Membraneinheit, die eine Membrane, einen Eingang und einen Konzentratausgang auf einer Seite der Membran und einen Permeatausgang auf der anderen Seite der Membran aufweist.
  • Eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus DE 102 23 844 A1 bekannt. Die Gleitschuhe werden dabei üblicherweise durch einen Niederhalter in Anlage an der Schrägscheibe gehalten. Wenn sich die Zylindertrommel dreht, dann werden die Gleitschuhe parallel zur Achse der Zylindertrommel auf einer Hälfte der Schrägscheibe aufwärts bewegt, so dass der Kolben ein Volumen im in der Zylindertrommel ausgebildeten Zylinder verkleinert, und in der anderen Hälfte der Schrägscheibe abwärts bewegt, so dass er das Volumen wieder vergrößert. Der Kolben führt also in der ersten Hälfte der Schrägscheibe einen Druckhub durch und in der anderen Hälfte der Schrägscheibe einen Saughub. Die Pumpeneinlassöffnung und die Pumpenauslassöffnung sind hierbei zweckmäßigerweise nierenförmig ausgebildet, so dass sie von einer Öffnung in dem als Ventilplatte ausgebildeten Ventilelement überstrichen werden können, wenn sich die Zylindertrommel dreht.
  • Wenn man eine derartige Axialkolbenmaschine als Pumpe in Zusammenhang mit einer Umkehrosmoseeinrichtung verwendet, dann ist der Hochdruckanschluss mit dem Eingang der Membraneinheit verbunden. Zu reinigendes Wasser, das der Membraneinheit zugeführt wird, steht dann unter einem erhöhten Druck an einer Seite der Membran an. Ein Teil dieses Wassers tritt durch die Membran hindurch und kann auf der anderen Seite der Membran als Permeat abgenommen werden. Auf der Seite der Membran, auf der der Eingang angeordnet ist, erhöht sich die Konzentration im Wasser, so dass sich hier ein Konzentrat bildet. Dieses Konzentrat steht immer noch unter einem erhöhten Druck.
  • Man hat daher vorgeschlagen, mit dem Konzentrat einen Motor oder eine Turbine zu betreiben, die auf der gleichen Welle angeordnet ist, wie die Pumpe, siehe US 6 139 740 A oder US 6 468 431 B1 . Weiterhin zeigt DE 25 33 151 A1 eine Membranfiltrierungsanlage mit einer Pumpe, die durch einen Elektromotor und einen Hydraulikmotor angetrieben wird. Der Hydraulikmotor wird durch Retentat angetrieben, d. h. Flüssigkeit, die die Membran der Membranfiltrierungsanlage nicht passiert hat. DE 44 39 545 A1 zeigt eine Vorrichtung zur teilweisen Trennung flüssiger Lösungen nach dem Prinzip der Querfiltration mit einer Pumpe, die einen hydraulischen Motor als Zusatzantrieb aufweist, der durch von der Membraneinheit zurückfließende Flüssigkeit gespeist wird.
  • Allerdings ist hier eine zusätzliche Vorrichtung erforderlich, nämlich der mit dem Konzentrat betreibbare Antriebsmotor.
  • US 7 121 190 B2 zeigt eine Axialkolbenmaschine für ein Gaskompressions-Kühlsystem. Die Axialkolbenmaschine weist mehrere Arbeitskammern auf, die jeweils durch einen Zylinder mit Kolben gebildet sind. Ein Teil der Arbeitskammern wirkt pumpend, während gleichzeitig ein anderer Teil der Arbeitskammer motorisch wirkt.
  • WO 97/31185 A1 , US 6 038 958 A und DE 102 20 543 A1 zeigen Hydrotransformatoren, die drei Anschlüsse haben. Ein Anschluss ist mit einem Versorgungsanschluss verbunden, über den Medium mit hohem Druck zugeführt wird. Ein weiterer Anschluss ist mit Tank oder Niederdruck verbunden und ein dritter Anschluss ist mit einem Verbraucher verbunden. Der Druck am Versorgungsan schluss dient dazu, die Zylindertrommel anzutreiben, wobei dann ein Teil des Mediums über den Niederdruckanschluss und ein anderer Teil des Mediums über den Arbeitsanschluss ausgegeben wird. Vereinfacht ausgedrückt stellt sich der Druck im Verbraucheranschluss in Abhängigkeit davon ein, wo die Steuernieren der jeweiligen Anschlüsse relativ zum oberen und unteren Totpunkt der Bewegung der Kolben angeordnet sind.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Umkehrosmoseeinrichtung möglichst wirtschaftlich betreiben zu können.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass man eine Axialkolbenmaschine der eingangs genannten Art verwendet, bei der das Anschlusselement eine als Motoreinlass dienende Öffnung aufweist, die mit einem Hochdruckrücklaufanschluss verbunden ist und mit jedem Zylinder über einen vorbestimmten ersten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel in Verbindung steht.
  • Eine derartige Axialkolbenmaschine arbeitet dann sozusagen gleichzeitig als Pumpe und als Motor. Allerdings reicht die Antriebsleistung des Motors dabei nicht aus, um die Pumpenleistung zur Verfügung zu stellen, so dass ein zusätzlicher Antrieb für die Zylindertrommel erforderlich ist. Allerdings kann man das von der Membraneinheit der Umkehrosmoseeinrichtung zurückfließende Konzentrat verwenden, um die Maschine anzutreiben. Das von der Membraneinheit zurückfließende Konzentrat wirkt also antreibend auf einen Kolben, während ein anderer Kolben die Pumpenleistung erbringt. Allerdings wird das Konzentrat nicht über den gesamten ”Saughub” des Kolbens in den Zylinder eingespeist, sondern nur über den vorbestimmten ersten Drehwinkelbereich, so dass über den Rest des ”Saughubs” Flüssigkeit über den Einlassanschluss zugeführt werden kann.
  • Hierbei ist bevorzugt, dass die Motoreinlassöffnung in Drehrichtung der Zylindertrommel zwischen der Pumpenauslassöffnung und der Pumpeneinlassöffnung angeordnet ist. Damit wird erreicht, dass frische Flüssigkeit vom Einlassanschluss, die zuletzt eingespeist wird, wie bei einem nachfolgenden Druckhub des Kolbens als erstes wieder an den Hochdruckanschluss ausgegeben wird.
  • Vorteilhafterweise ist eine Ventileinrichtung vorgesehen, die über einen vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel einen Auslasskanal aus dem Zylinder freigibt. Damit lässt sich erreichen, dass man das Konzentrat, das zuvor zum Antreiben der Zylindertrommel verwendet worden ist, zumindest weitgehend aus dem Zylinder entfernt und durch frische Flüssigkeit ersetzt. Der Betrieb der Membraneinheit der Umkehrosmoseeinrichtung wird daher nicht dadurch gestört, dass man die Konzentration im Konzentrat über vorbestimmte Grenzen hinaus erhöht.
  • Vorzugsweise mündet der Auslasskanal in einer vorbestimmten axialen Entfernung zur Ventilanordnung in den Zylinder. Wenn der Auslasskanal freigegeben wird, kann man dann eine Durchströmung erzeugen, d. h. die eintretende frische Flüssigkeit kann dann das zuvor zum Antreiben der Zylindertrommel verwendete Konzentrat aus dem Auslasskanal hinaustreiben. Ein Arbeitszyklus eines Zylinders sieht dabei so aus: wenn der Kolben den tiefsten Punkt der Schrägscheibe erreicht hat, wird er bei einer weiteren Drehung der Zylindertrommel zur Ventilanordnung hin bewegt und verdrängt dabei Flüssigkeit aus dem Zylinder in die Pumpenauslassöffnung. Von dort gelangt die Flüssigkeit zum Eingang der Membraneinheit. Das von der Membraneinheit zurückfließende Konzentrat, das nach wie vor unter einem relativ hohen Druck steht, der nur geringfügig kleiner ist als der Druck an der Pumpenauslassöffnung, wirkt dann auf den Kolben, wenn der Kolben den höchsten Punkt der Schrägscheibe überschritten hat und sich wieder von der Ventilanordnung weg bewegt. Dabei stellt das Konzentrat einen Teil der Antriebsleistung zur Verfügung, weil der mit einem Druck von der Ventilanordnung weg beaufschlagte Kolben über die Schrägscheibe ein Antriebsmoment auf die Zylindertrommel erzeugt. Wenn sich die Zylindertrommel weiter bewegt, öffnet die Ventileinrichtung den Auslasskanal, so dass bei einer weiteren Bewegung des Kolbens von der Ventilanordnung weg nunmehr die Volumenzunahme durch frische Flüssigkeit aufgefüllt wird, die später in der Membraneinheit durch Umkehrosmose gereinigt werden soll.
  • Vorzugsweise weist die Ventileinrichtung eine Abflussöffnung in der Schrägscheibe auf, die der Pumpeneinlassöffnung gegenüber liegt, und der Auslasskanal durchsetzt die Gleitfläche. Wenn der Zylinder über die Ventilanordnung in Verbindung zu der Pumpeneinlassöffnung steht, dann ist er durch den Kolben hindurch mit der Abflussöffnung in der Schrägscheibe verbunden, so dass das Konzentrat durch den Kolben hindurch, also durch den Auslasskanal, abfließen kann. Man kann dann mehr frisches Wasser in den Zylinder einspeisen, als es an und für sich bei dem Hub möglich wäre, den der Kolben noch auf dem verbleibenden Weg über die Schrägscheibe ausführt. Wenn der Kolben dann nach dem Durchlaufen des tiefsten Punktes der Schrägscheibe wieder einen Druckhub ausführt, dann wird im Wesentlichen frisches Wasser in die Pumpenauslassöffnung gepumpt, so dass sich die Konzentration von Salzen oder anderen im Permeat unerwünschten Stoffen nicht über ein vorbestimmtes Maß hinaus erhöhen kann.
  • Hierbei ist bevorzugt, dass die Abflussöffnung deckungsgleich zur Pumpeneinlassöffnung angeordnet ist. Je genauer die Zuordnung zwischen der Abflussöffnung und der Pumpeneinlassöffnung ist, desto besser kann man die Befüllung des Zylinders mit frischem Wasser bewirken.
  • In einer alternativen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Ventileinrichtung einen in die Zylindertrommel ragenden Zapfen aufweist, der den in der Zylindertrommel ausgebildeten Auslasskanal abdeckt oder im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigibt. Auch bei dieser Ausgestaltung weist die Ventileinrichtung ein stationäres Element auf, nämlich den Zapfen, und ein rotierendes Element, nämlich die Zylindertrommel. Durch die Rotation der Zylindertrommel wird dann automatisch der Auslasskanal im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigegeben und im Übrigen gesperrt.
  • In einer weiteren Alternative kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung einen mit der Zylindertrom mel verbundenen Zapfen aufweist, der in die Schrägscheibe hineinragt. In diesem Fall wird die Ventilfunktion beispielsweise in der Schrägscheibe angeordnet sein.
  • In einer weiteren Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Ventileinrichtung eine außen an der Zylindertrommel anliegende Dichtwand aufweist, die den Auslasskanal abdeckt oder im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel freigibt. Auch hier hat die Ventileinrichtung ein stationäres Element, nämlich die Dichtwand und ein rotierendes Element, nämlich die Zylindertrommel. Durch die Rotation der Zylindertrommel wird der Auslasskanal lagerichtig freigegeben oder gesperrt.
  • In den letzten drei Ausgestaltungen ist es von Vorteil, wenn der Auslasskanal radial verläuft. In diesem Fall kann man den Auslasskanal relativ einfach herstellen. Der Begriff ”radial” ist hierbei nicht im mathematisch strengen Sinn zu verstehen. Der Auslasskanal muss nur von radial innen nach radial außen verlaufen. Er kann also durchaus auch einen Winkel ungleich 90° zur Rotationsachse der Zylindertrommel aufweisen und muss diese Rotationsachse nicht einmal schneiden.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Anschlusselement in die Zylindertrommel ragt. In diesem Fall hat man größere Freiheiten bei der Gestaltung der Anschlussgeometrie, d. h. bei der Zu- und Abfuhr der Flüssigkeit in den verschiedenen Druckstufen.
  • Vorzugsweise ist dem Niederdruckanschluss eine Speisepumpe vorgeschaltet. Die Speisepumpe muss keinen größeren Druck erzeugen. Sie dient lediglich dazu, das Konzentrat aus dem Zylinder so weit zu verdrängen, wie dies erforderlich ist. Hierzu reicht ein vergleichsweise niedriger Druck aus.
  • Vorzugsweise ist die Motoreinlassöffnung über eine Drossel mit einem Niederdruckbereich verbunden. Es ist insbesondere bei wechselnden Permeat-Verbrauchsmengen an der Membraneinheit schwierig, den Rückfluss des Konzentrats richtig einzustellen. Theoretisch sollte genau soviel Konzentrat zur Motoreinlassöffnung gelangen, wie sich das Volumen des Zylinders durch die Bewegung des Kolbens vergrößert, wenn der Zylinder die Motoreinlassöffnung überstreicht. Durch die Drossel kann man dann dafür sorgen, dass ein Zuviel an Konzentrat in den Niederdruckbereich abfließen kann. Gleichwohl bleibt die Antriebsleistung des Konzentrats erhalten.
  • Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Schrägscheibe einen veränderbaren Winkel aufweist. Wenn der Winkel verändert wird, dann verändert sich auch der Hub des Kolbens im Zylinder und somit das Volumen, das bei jedem Hub des Kolbens im Zylinder freigegeben oder verdrängt wird. Auch damit lässt sich eine Anpassung an das rückfließende Konzentrat vornehmen.
  • Hierbei ist bevorzugt, dass eine Steuereinrichtung zur Veränderung des Winkels vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung mit einem Sensor verbunden ist. Der Sensor kann beispielsweise den Permeatverbrauch an der Membraneinheit messen oder die Salz- oder Schmutzkonzentration auf der Konzentratseite der Membran.
  • Die Aufgabe wird bei einer Umkehrosmoseeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Pumpe wie oben beschrieben ausgebildet ist, wobei die Pumpenauslassöffnung mit dem Eingang und die Motorauslassöffnung mit dem Konzentratausgang verbunden ist.
  • Auf diese Weise ist es möglich, den Druck, der am Permeatausgang der Membraneinheit noch ansteht, zum Antrieb der Axialkolbenmaschine zu verwenden, ohne dass eine zusätzliche Maschine erforderlich ist.
  • Vorzugsweise ist eine Längendifferenz zwischen der Pumpenauslassöffnung und der Motoreinlassöffnung in Drehrichtung an die Membrane angepasst. Wenn man von einem stationären Betrieb ausgeht, bei dem immer eine konstante Menge an Permeat am Permeatausgang entnommen wird, dann kann man leicht errechnen, wie groß die Differenz zwischen dem Volumen ist, das der Kolben im Zylinder bei einem Druckhub fördert, und dem Volumen, das vom Permeatausgang der Membran überhaupt noch zurückfließen kann. Wenn beispielsweise 25% des Frischwassers als Permeat abgenommen werden, dann können nur 75% durch den Konzentratausgang wieder abfließen. Dementsprechend würde es in diesem Fall ausreichen, die Motoreinlassöffnung so zu dimensionieren, dass der Kolben über 75% der Kolbenbewegung vom Konzentratausgang beaufschlagt wird. Das dann beim Vorbeilaufen an der Motoreinlassöffnung durch die Bewegung des Kolbens freiwerdende Volumen im Zylinder entspricht dann genau der Menge an Flüssigkeit, die vom Konzentratausgang zurückfließt.
  • Vorzugsweise weist die Membraneinheit einen Verbrauchssensor auf, der mit einer Verstelleinrichtung gekoppelt ist. In diesem Fall kann man auch bei wechselnden Verbrauchsvolumen dafür sorgen, dass bei einem antreibenden Hub des Kolbens im Zylinder der Zylinder gefüllt wird, aber nicht überfüllt wird.
  • Hierbei ist bevorzugt, dass die Verstelleinrichtung auf eine Drossel einwirkt, die die Motoreinlassöffnung mit einem Niederdruckbereich verbindet. Überschüssiges Konzentrat kann dann durch die Drossel zum Niederdruckbereich abfließen, wobei man die Drossel so einstellen kann, dass der zum Betreiben der Zylindertrommel notwendige Druck erhalten bleibt. Als verstellbare Drossel kann auch ein Ventil angesehen werden, das durch die Verstelleinrichtung geöffnet oder geschlossen werden kann.
  • Man kann auch vorsehen, dass die Verstelleinrichtung auf dem Neigungswinkel der Schrägscheibe einwirkt. In diesem Fall wird die Hubhöhe des Kolbens im Zylinder verändert, so dass man auch dadurch auf das Arbeitsvolumen im Zylinder, das vom Kolben freigegeben oder das verdrängt wird, Einfluss nehmen kann.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit einer Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Umkehrosmoseeinrichtung,
  • 2 eine Axialkolbenmaschine im Längsschnitt,
  • 3 eine perspektivische Darstellung einer Anschlussplatte,
  • 4 eine perspektivische Darstellung einer Ventilplatte,
  • 5 eine schematische Darstellung einer Schrägscheibe mit Kolben und Gleitschuh,
  • 6 eine Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise einer Umkehrosmoseeinrichtung,
  • 7 eine abgewandelte Ausführungsform zu 6,
  • 8 eine weitere Ausführungsform einer Axialkolbenmaschine in schematischer Darstellung und
  • 9 eine weitere Ausführungsform einer Axialkolbenmaschine in schematischer Darstellung.
  • 1 zeigt eine Umkehrosmoseeinrichtung 1 mit einer Membraneinheit 2, die eine Membran 3 aufweist. Die Membraneinheit weist einen Eingang 4 und einen Konzentratausgang 5 auf einer Seite der Membran 3 auf. Auf der anderen Seite der Membran 3 ist ein Permeatausgang 6 angeordnet, an dem gereinigtes Wasser entnommen werden kann.
  • Aus Gründen der Einfachheit wird im Folgenden davon ausgegangen, dass mit Hilfe der Membraneinheit 2 Salzwasser entsalzen werden soll, das aus einem Vorrat 7 entnommen wird. Das entsalzene Wasser wird am Permeatausgang 6 abgegeben. Wasser mit einer höheren Salzkonzentration wird am Konzentratausgang 5 abgegeben. Die Umkehrosmoseeinrichtung 1 ist jedoch nicht auf die Verwendung im Zusammenhang mit Salzwasser beschränkt. Auch andere Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, die mit anderen Belastungen versehen sind, können mit der Umkehrosmoseeinrichtung 1 entsprechend gereinigt werden.
  • Für die Umkehrosmose ist ein erhöhter Druck des Salzwassers erforderlich. Dieser erhöhte Druck wird durch eine Axialkolbenmaschine 8 erzeugt, die in Zusammenhang mit den 2 bis 5 näher beschrieben werden wird. Die Axialkolbenmaschine 8 wirkt hier hauptsächlich als Pumpe. Sie wird durch einen schematisch dargestellten Motor 9 angetrieben, beispielsweise einem Elektromotor oder einem Verbrennungsmotor. Eine Speisepumpe 10 kann der Axialkolbenmaschine vorgeschaltet sein, um eine ausreichende Befüllung der Axialkolbenmaschine 8 herzustellen, wie nachfolgend erläutert werden wird.
  • Das Konzentrat, das am Konzentratausgang 5 ansteht, weist einen erhöhten Druck auf, der nur wenige bar unter dem Druck am Hochdruckanschluss 11 der Axialkolbenmaschine 8 liegt. Um diesen Druck auszunutzen, ist der Konzentratausgang 5 der Membraneinheit 2 mit einem Hochdruckrucklaufanschluss 12 der Axialkolbenmaschine 8 über eine Leitung 13 verbunden. Aus der Leitung 13 kann eine Zweigleitung 14 abzweigen, in der eine Drossel 15 angeordnet ist. Die Drossel 15 kann verstellbar sein.
  • Hierzu kann beispielsweise am Permeatausgang 6 der Membraneinheit 2 ein Sensor 16 vorgesehen sein, der in Abhängigkeit von der Abflussmenge des Permeats die Drossel 15 verstellt. Die Drossel 15 kann auch durch ein Ventil gebildet sein, das beispielsweise abwechselnd geöffnet und geschlossen wird.
  • Die Axialkolbenmaschine 8 weist noch einen Abflussanschluss 37 auf, der mit einem Niederdruckbereich verbunden ist, beispielsweise dem Vorrat 7.
  • Die Axialkolbenmaschine 8 wird im Zusammenhang mit den 2 bis 5 näher erläutert. Sie ist in weiten Teilen nach Art einer herkömmlichen Axialkolbenmaschine aufgebaut, d. h. sie weist ein Gehäuse 17 auf, in dem eine Zylindertrommel 18 drehbar gelagert ist. In der Zylindertrommel 18 ist mindestens ein Zylinder 19 angeordnet, dessen Achse hier parallel zur Achse der Zylindertrommel 18 verläuft. Im Zylinder 19 ist ein Kolben 20 angeordnet, der in Richtung eines Doppelpfeils 21 hin und her bewegbar ist.
  • Der Kolben 20 stützt sich mit einem Gleitschuh 22 an einer Schrägscheibe 23 ab. Ein Niederhalter 24 hält den Gleitschuh 22 mit seiner Gleitfläche 25 in Anlage an der Schrägscheibe 23. Wenn sich die Zylindertrommel 18 dreht, dann wird der Kolben 20 von seinem in 2 dargestellten oberen Totpunkt in einen unteren Totpunkt und wieder zurück bewegt.
  • Die Zylindertrommel 18 ist mit einer Ventilplatte 26 verbunden. Hierzu ist jeder Zylinder 19 mit einer Buchse 27 versehen, die in die Ventilplatte 26 eingesteckt ist. Diese Buchsen 27 müssen nicht unbedingt vorhanden sein. Derartige Axialkolbenmaschinen können viele unterschiedliche Ausgestaltungen haben. Die Ventilplatte 26 hat für jeden Zylinder 19 eine Steueröffnung 28.
  • Die Ventilplatte 26 liegt an einer Anschlussplatte 29 an, die in 3 näher dargestellt ist.
  • Die Anschlussplatte 29 weist drei Steueröffnungen auf, die auch als ”Steuernieren” bezeichnet werden, weil sie einen bogenförmigen Verlauf haben. Im Einzelnen weist die Anschlussplatte 29 eine Pumpeneinlassöffnung 30 und eine Pumpenauslassöffnung 31 auf, wie dies von herkömmlichen Axialkolbenmaschinen bekannt ist. Zusätzlich ist in Drehrichtung der Zylindertrommel 18 zwischen der Pumpenauslassöffnung 31 und der Pumpeneinlassöffnung 30 eine Motoreinlassöffnung 32 vorgesehen.
  • Die Pumpenauslassöffnung 31 steht mit dem Hochdruckanschluss 11 in Verbindung. Die Motoreinlassöffnung 32 steht mit dem Hochdruckrücklaufanschluss 12 in Verbindung. Die Pumpeneinlassöffnung 30 steht mit einem Einlassanschluss 33 der Axialkolbenmaschine in Verbindung.
  • In 5 ist die Schrägscheibe 23 mit einem Kolben 20 und dem zugehörigen Gleitschuh 22 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass in der Schrägscheibe 23 eine Abflussöffnung 34 vorgesehen ist. Der Kolben 20 ist, wie dies aus 2 zu erkennen ist, hohl. Er weist einen Auslasskanal 35 auf, der die Gleitfläche 25 durchsetzt und mit dem hohlen Innenraum 36 in Verbindung steht. Dementsprechend kann, wenn der Kolben 20 die Abflussöffnung 34 überfährt, Flüssigkeit aus dem Zylinder 19 durch die Abflussöffnung 34 abfließen. Die Abflussöffnung 34 ist verbunden mit dem Abflussanschluss 37 der Axialkolbenmaschine 8.
  • Aus 5 ist zu erkennen, dass die Abflussöffnung 34 so positioniert ist, dass sie winkelmäßig mit der Pumpeneinlassöffnung 30 übereinstimmt. Wenn also eine Steueröffnung 28 die Pumpeneunlassöffnung 30 erreicht, dann verdrängt Salzwasser, das dem Eingangsanschluss 33 der Axialkolbenmaschine 8 zugeführt wird, die bis dahin im Zylinder 19 befindliche Flüssigkeit durch den Abflussanschluss 37 in einen Niederdruckbereich, beispielsweise den Vorrat 7.
  • Diese Funktion soll nun anhand von 6 näher erläutert werden. Dargestellt ist ein Kolben 20 in neun verschiedenen Positionen a–i, wobei diese Positionen durch die Position der dem zugehörigen Zylinder 19 zugeordneten Steueröffnung 28 in Bezug auf die Pumpeneinlassöffnung 30, die Pumpenauslassöffnung 31 und die Motoreinlassöffnung 32 dargestellt sind. Die Zylindertrommel 18 dreht sich dabei bezogen auf 6 entgegen dem Uhrzeigersinn.
  • Wenn der Kolben 20 mit seiner Steueröffnung 28 den Beginn der Pumpenauslassöffnung 31 erreicht (a), befindet er sich in seinem unteren Totpunkt, d. h. der zugehörige Zylinder 19 ist mit der größtmöglichen Salzwassermenge gefüllt. Wenn sich die Zylindertrommel 18 weiter dreht (b–d), dann wird der Kolben 20 nach oben gedreht und verdrängt die im Zylinder 19 befindliche Menge an Salzwasser durch die Pumpenauslassöffnung 31 und den Hochdruckanschluss 11 zum Eingang 4 der Membraneinheit 2.
  • Das Salzwasser tritt teilweise durch die Membrane 3 und kann über den Permeatausgang 6 abgenommen werden.
  • Am Konzentratausgang 5 steht Konzentrat mit einem immer noch relativ hohen Druck an. Dieses Konzentrat wird der Motoreinlassöffnung 32 zugeführt über den Hochdruckrücklaufanschluss 12. Dieses Konzentrat presst den Kolben 19 (f, g) die Schrägscheibe 23 hinunter, wobei durch das Zusammenwirken von Gleitschuh 22 und Schrägscheibe 23 der Kolben, der mit der Motoreinlassöffnung 32 in Überdeckung steht, motorisch wirkt, d. h. er erzeugt ein Antriebsmoment auf die Zylindertrommel 18. Dadurch kann man die Energie des Konzentrats teilweise in eine Rotationsenergie umwandeln, mit anderen Worten einen Teil der Energie wiedergewinnen. Die Länge der Motoreinlassöffnung 32 kann dabei so gewählt sein, dass sie an den Verbrauch von Permeat angepasst ist. Wenn beispielsweise 25% des dem Eingang zugeführten Salzwassers als Permeat am Permeatausgang 6 abgenommen wird, dann steht eine Menge von 75% zugeführten Salzwassers am Konzentratausgang 5 zur Verfügung. Dementsprechend kann beispielsweise die Länge der Motoreinlassöffnung 32 in Rotationsrichtung der Zylindertrommel 18 so dimensioniert sein, dass sie den Zylinder über 75% der Länge der Kolbenbewegung mit Konzentrat versorgt.
  • Wenn die Steueröffnung 28 die Pumpeneinlassöffnung 30 erreicht (Position h), dann wird durch die Speisepumpe 10 wieder frisches Salzwasser zugeführt. Durch die Abflussöffnung 34 kann das im Zylinder 19 befindliche Konzentrat heraus fließen (i), so dass beim nachfolgen den Pumpenhub des Kolbens 20 wieder frisches Salzwasser zum Eingang 4 der Membraneinheit 2 gepumpt wird.
  • 7 zeigt eine zu 6 abgewandelte Ausführungsform, bei der aus der Leitung 13 zwischen dem Konzentratausgang 5 und dem Hochdruckrücklaufanschluss 12 die Leitung 14 mit der Drossel 15 abzweigt. Die Drossel 15 sorgt dafür, dass in der Motoreinlassöffnung 32 immer Konzentrat mit einem ausreichenden Druck vorhanden ist, ein Zuviel an Konzentrat aber über die Zweigleitung 14 abfließen kann.
  • Eine alternative, nicht näher dargestellte Möglichkeit besteht darin, die Neigung der Schrägscheibe 23 zu verändern, um den Hub des Kolbens 20 an die Menge des rückfließenden Konzentrats anzupassen.
  • 8 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine 8. Elemente, die denen der 1 bis 7 entsprechen, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Dabei zeigen 8a einen schematischen Schnitt durch die Axialkolbenmaschine 8, 8b eine Draufsicht auf die Ventilplatte 29 und 8c einen Schnitt A-A nach 8a.
  • Geändert hat sich die Lage und die Ansteuerung des Abflusskanals 35. Zur gesteuerten Öffnung des Abflusskanals 35 ist auch hier eine Ventileinrichtung vorgesehen mit einem stationären Element und einem rotierenden Element. Das stationäre Element ist gebildet durch einen Zapfen 38. Das bewegliche Element ist durch die Zylindertrommel 18 gebildet. Der Zapfen 38 ist in einer zentrischen Bohrung 39 in der Zylindertrommel 18 ange ordnet und liegt mit seiner Umfangswand 40 dichtend an der Wand der Bohrung 39 an.
  • Der Auslasskanal 35 verläuft im Wesentlichen radial vom Zylinder 19 in die Bohrung 39. Der Zapfen 38 weist eine Ausnehmung 41 in seiner Umfangswand 40 auf. Wenn also die Mündung des Auslasskanals 35 in den Bereich der Ausnehmung 41 kommt, dann wird der Auslasskanal 35 freigegeben. Ansonsten ist der Auslasskanal 35 durch den Zapfen 38 gesperrt.
  • Im Zylinder 19 ist die Mündung des Auslasskanals 35 noch von einer Erweiterung 42 axial in beide Richtungen umgeben. Diese Erweiterung 42 erlaubt den Abfluss von Konzentrat aus dem Zylinder 19, bevor der Kolben 20 am Auslasskanal 35 vorbeigelaufen ist.
  • Man kann die Anordnung auch umgekehrt vorsehen. In diesem Fall ist die Zylindertrommel 18 mit einem Zapfen ähnlich dem Zapfen 38 versehen. Dieser Zapfen ragt dann in die Schrägscheibe, wobei die Ventilfunktion in der Schrägscheibe angeordnet sein kann. Der in die Schrägscheibe 23 ragende Zapfen kann dann entweder an seiner Stirnseite oder an seiner Umfangsseite entsprechende Öffnungen aufweisen, die, da der Zapfen mit der Zylindertrommel 18 rotiert, als Ventilelemente dienen können.
  • In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform kann man den Zapfen 38 auch weglassen und die Steuerung des Auslasskanals 35 durch den Kolben 20 vornehmen.
  • In beiden Fällen wird das aus dem Zylinder 19 verdrängte Konzentrat in das nicht näher dargestellte Gehäuse der Axialkolbenmaschine 8 abgelassen und muss von dort entfernt werden.
  • In einer weiteren nicht näher dargestellten Ausgestaltung kann man anstelle des Zapfens 38 auch eine die Zylindertrommel 18 umgebende Dichtwand verwenden, wobei man in diesem Fall den Auslasskanal 35 vom Zylinder 19 im Wesentlichen radial nach außen führt. Die Dichtwand kann dann ebenfalls eine Ausnehmung aufweisen, die der Ausnehmung 41 des Zapfens 38 entspricht. Wenn der Auslasskanal 35 in den Bereich dieser Ausnehmung kommt, dann wird er freigegeben. Ansonsten ist er durch die Dichtwand abgedeckt.
  • Man kann auch die Schrägscheibe 23 mit einer veränderbaren Neigung ausstatten (nicht dargestellt). Unter Umständen muss man in diesem Fall den Auslasskanal 35 verlegen oder man muss den Zapfen 38 von der Schrägscheibe 23 entkoppeln.
  • Der Auslasskanal 35 kann unterschiedliche Formen haben. Er kann beispielsweise als Ringkanal oder als Ellipse ausgebildet sein. Er kann auch eine Drosselnut aufweisen.
  • Es ist auch möglich, die Erweiterung nicht im Zylinder 19, sondern am Kolben 20 vorzusehen. Die Wirkung ist ansonsten die gleiche.
  • 9 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer Axialkolbenmaschine 8, bei der Elemente, die denen der 1 bis 8 entsprechen, mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. 9a zeigt dabei einen Längsschnitt durch die Maschine und 9b einen Schnitt A-A aus 9a.
  • Die Anordnung der Auslasskanäle 35 entspricht denen der 8. Geändert hat sich die Ventilanordnung. Die Ventilanordnung weist nun einen Zapfen 43 auf, der in die Zylindertrommel 18 ragt. Die Zylinder 19 können daher stirnseitig durch eine Deckplatte 44 geschlossen sein. Der Zapfen 43 weist ebenfalls eine Ausnehmung 41 an seiner Umfangswand 40 auf, die den Auslasskanal 35 in einem Drehwinkelbereich der Zylindertrommel 18 freigibt.
  • Der Zapfen 43 bildet hier das Anschlusselement. Die Zylindertrommel 18 bildet hier das Ventilelement. Der Zapfen 43 weist an seinem Ende 45, das in die Zylindertrommel 18 hineingesteckt ist, drei Ausnehmungen auf, die eine Pumpenauslassöffnung 31, eine Motoreinlassoffnung 32 und eine Pumpeneinlassöffnung 30 bilden. Diese Öffnungen 3032 sind durch Dichtzonen 4648 voneinander getrennt. Im Zapfen 43 verlaufen drei Kanäle, nämlich ein Hochdruckkanal 49, der mit der Pumpenauslassöffnung 31 verbunden ist, ein Niederdruckkanal 50, der mit der Pumpeneinlassöffnung 30 verbunden ist, und ein nur in 9b erkennbarer Motorkanal 51, der mit der Motoreinlassöffnung 32 verbunden ist.

Claims (20)

  1. Axialkolbenpumpe mit einer Zylindertrommel, die mindestens zwei Zylinder aufweist, einem Kolben in jedem Zylinder, der mit einer Gleitfläche an einer Schrägscheibe anliegt, einer Ventilanordnung, die ein stationäres Anschlusselement und ein mit der Zylindertrommel rotierendes Ventilelement aufweist, wobei das Anschlusselement eine mit einem Einlassanschluss verbundene Pumpeneinlassöffnung und eine mit einem Hochdruckanschluss verbundene Pumpenauslassöffnung aufweist, wobei die Axialkolbenpumpe durch einen Motor antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (29, 43) eine als Motoreinlass dienende Öffnung (32) aufweist, die mit einem Hochdruckrücklaufanschluss (12) verbunden ist und mit jedem Zylinder (19) über einen vorbestimmten ersten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel (18) in Verbindung steht.
  2. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinlassöffnung (32) in Drehrichtung der Zylindertrommel (18) zwischen der Pumpenaunlassöffnung (31) und der Pumpeneinlassöffnung (30) angeordnet ist.
  3. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventileinrichtung (22, 23; 38; 43) vorgesehen ist, die über einen vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel (18) einen Auslasskanal (35) aus dem Zylinder (19) freigibt.
  4. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (35) in einer vorbestimmten axialen Entfernung zur Ventilanordnung in den Zylinder (19) mündet.
  5. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung eine Abflussöffnung (34) in der Schrägscheibe (23) aufweist, die der Pumpeneinlassöffnung (30) gegenüberliegt, und der Auslasskanal (35) die Gleitfläche (25) durchsetzt.
  6. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abflussöffnung (34) deckungsgleich zur Pumpeneinlassöffnung (30) angeordnet ist.
  7. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung einen in die Zylindertrommel (18) ragenden Zapfen (38, 43) aufweist, der den in der Zylindertrommel (18) ausgebildeten Auslasskanal (35) abdeckt oder im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel (18) freigibt.
  8. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung einen mit der Zylindertrommel (18) verbundenen Zapfen aufweist, der in die Schrägscheibe (23) hineinragt.
  9. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung eine außen an der Zylindertrommel (18) anliegende Dichtwand aufweist, die den Auslasskanal abdeckt oder im vorbestimmten zweiten Drehwinkelbereich der Zylindertrommel (18) freigibt.
  10. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslasskanal (35) radial verläuft.
  11. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (43) in die Zylindertrommel (18) ragt.
  12. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem Einlassanschluss (33) eine Speisepumpe (10) vorgeschaltet ist.
  13. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Motoreinlassöffnung (32) über eine Drossel (15) mit einem Niederdruckbereich (7) verbunden ist.
  14. Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägscheibe (23) einen veränderbaren Winkel aufweist.
  15. Axialkolbenpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zur Veränderung des Winkels vorgesehen ist, wobei die Steuereinrichtung mit einem Sensor (16) verbunden ist.
  16. Umkehrosmoseeinrichtung mit einer Pumpe und einer Membraneinheit, die eine Membrane, einen Eingang und einen Konzentratausgang auf einer Seite der Membrane und einen Permeatausgang auf der anderen Seite der Membrane aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe als Axialkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgebildet ist, wobei die Pumpenauslassöffnung (31) mit dem Eingang (4) und die Motoreinlassöffnung (32) mit dem Konzentratausgang (5) verbunden ist.
  17. Umkehrosmoseeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Längendifferenz zwischen der Pumpenauslassöffnung (31) und der Motoreinlassöffnung (32) in Drehrichtung an die Membrane (3) angepasst ist.
  18. Umkehrosmoseeinrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Membraneinheit (2) einen Verbrauchssensor (16) aufweist, der mit einer Verstelleinrichtung gekoppelt ist.
  19. Umkehrosmoseeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung auf eine Drossel (15) einwirkt, die die Motoreinlassöffnung (32) mit einem Niederdruckbereich (7) verbindet.
  20. Umkehrosmoseeinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung auf den Neigungswinkel der Taumelscheibe (23) einwirkt.
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