DE102013018051B3

DE102013018051B3 - Pumpenkopf mit einer Ventilanordnung und einem Ausgleichsraum

Info

Publication number: DE102013018051B3
Application number: DE102013018051.1A
Authority: DE
Inventors: Axel Müller; Mike Heck; Edwin Kreuzberg; Tabea Krah
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2013-11-28
Filing date: 2013-11-28
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: DE202013012022U1

Abstract

Aufgabe: Dem Arbeitsfluid einer Hubkolbenpumpe soll für den Fall des Einfrierens ein größerer Raum zum Ausgleich der Volumenvergrößerung geboten werden, insbesondere dem Arbeitsfluid, das sich in dem Bereich der Ventile und der Verdrängereinheit befindet, und beim Auftauen des Arbeitsfluids soll das Volumen auf seine Größe vor dem Einfrieren wieder zurückgestellt werden, damit sich über eine Mehrzahl von Einfrierzyklen keine Volumenänderungen aufsummieren. Lösung: Das Ausgleichsvolumen (11) ist durch eine Membran (5) in ein erstes Teilvolumen (6) und ein zweites Teilvolumen (7) unterteilt, wobei das erste Teilvolumen (6) mit einem Arbeitsfluid gefüllt ist und wobei das zweite Teilvolumen (7) mit einem Gas gefüllt ist, und wobei die Membran (5) eine Ausstülpung (13) aufweist, die in das zweite Teilvolumen (7) hineinragt, wobei die Ausstülpung (13) durch ein elastisches Rückstellelement (12) in der Weise beaufschlagt ist, dass das erste Teilvolumen (6) verkleinert wird. Anwendung: Der erfindungsgemäße Pumpenkopf findet in Hubkolbenpumpen Anwendung, die entweder als Membranpumpen mit einer Betätigung der Membran durch einen Hubkolben oder als Kolbenpumpen ohne Membran mit einer dynamischen Abdichtung zwischen dem Kolben und einem Zylinder ausgeführt sind und vorzugsweise Wasser oder wässrige Lösungen fördern.

Description

Die Erfindung betrifft einen Pumpenkopf einer Hubkolbenpumpe mit einer Ventilanordnung und einem Ausgleichsraum entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik
Pumpen mit Steuerventilen in einem Pumpenkopf sind bekannt und zum Beispiel in den Druckschriften EP 2061956 B1 , DE 10 2006 044 248 B3 , DE 10 2006 044 252 B3 , und DE 10 2006 044 255 B3 beschrieben. Diese Pumpe sind geeignet, auch einfrierende Flüssigkeiten zu fördern und/oder zu dosieren, die ihr Volumen beim Einfrieren vergrößern.
Die Druckschrift DE 10 2010 036 109 A1 zeigt eine für einfrierende Flüssigketen einsetzbare Pumpe mit einer Druckausgleichseinrichtung.
Einsatzbedingt kann es bei bekannten Dosierpumpen vorkommen, dass nach vielen Einfrierzyklen sich Verformungen von Ausgleichsräumen über die Einfrierzyklen addieren und dadurch Räume im Pumpenkopf der Pumpe sich allmählich vergrößern, was dann die Ansaugleistung der Pumpe vermindert und die Gefahr von Schäden durch das Einfrieren der Flüssigkeit vergrößert.
Aufgabe
Dem Arbeitsfluid soll für den Fall des Einfrierens ein größerer Raum zum Ausgleich der Volumenvergrößerung geboten werden, insbesondere dem Arbeitsfluid, das sich im Ansaugbereich der Verdrängereinheit befindet, und beim Auftauen des Arbeitsfluids soll das Volumen auf seine Größe vor dem Einfrieren wieder zurückgestellt werden, damit sich über eine Mehrzahl von Einfrierzyklen keine Volumenänderungen aufsummieren.
Lösung
Die Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs beschrieben, in Verbindung mit den Unteransprüchen, die weitere Merkmale zur technischen Lehre angeben.
Der Ansaugbereich enthält einen Ausgleichsraum, der durch eine Membran in zwei Teilräume aufgeteilt wird. Da nur in dem ersten Teilraum Arbeitsfluid vorhanden ist, kann bei einem Einfrieren des Arbeitsfluids die Membran durch ein Ausweichen die Volumenänderung des Arbeitsfluids aufnehmen.
Da aber die durch das Ausweichen der Membran bewirkte Volumenänderung nicht ausreicht, ist eine weitere Volumenänderung erforderlich, und diese wird durch eine Ausstülpung der Membran in der Richtung des zweiten Teilraums bewirkt.
Diese Ausstülpung kann sich elastisch verformen und erzeugt damit eine Volumenänderung.
Damit diese Volumenänderung nach dem Auftauen des Arbeitsfluids wieder rückgängig gemacht wird, drückt eine Feder direkt oder über einen Kolben auf diese Ausstülpung, und dieselbe Feder drückt auch andere Bereiche der Membran wieder zurück in die Ausgangsstellung.
Durch die Wirkung der Feder wird im Normalbetrieb mit flüssigem Arbeitsfluid die Flüssigkeitsmenge im ersten Teilraum vermindert. Das ist vorteilhaft, denn eine Verminderung dieser Flüssigkeitsmenge verbessert die Ansaugleistung der Hubkolbenpumpe.
Der zweite Teilraum ist in einer ersten Ausführung mit einer unveränderlichen Gasmenge gefüllt, diese dient dann als zusätzliches Federelement zur Rückstellung der Membran.
In einer zweiten Ausführung ist der zweite Teilraum mit Luft aus der Umgebung gefüllt und steht auch mit der umgebenden Atmosphäre in fluidischer Verbindung. Bei dieser Ausführung muss die genannte Feder gemeinsam mit dem elastischen Material der Membran die Rückstellung bewirken, aber es besteht kein Risiko eines Gasverlustes.
Die Ausstülpung weist vorteilhafterweise Formelemente auf, die einerseits eine leichte Volumenänderung erlauben und andererseits den Innenraum der Ausstülpung mindestens teilweise durch Elastomermaterial ausfüllen, wobei der erste Teilraum entsprechend weniger vergrößert wird.
Als geeignete Formelemente werden hier umlaufende Sicken beschrieben, die jeweils aus einer innenliegenden Rille, zwei verbindenden Flanken und zwei äußeren Rändern besteht.
Damit das Elastomermaterial den Raum innerhalb der Ausstülpung möglichst gut ausfüllt, ist der Innendurchmesser der Rillen so bemessen, dass er kleiner ist als die Hälfte des Außendurchmessers der äußeren Ränder.
Wenn das Arbeitsfluid einen flüssigen Aggregatzustand aufweist, wölbt sich die Membran in das erste Teilvolumen hinein, weil die Feder nicht nur auf die Ausstülpung, sondern auch auf die anderen Teile der Membran drückt. Dadurch wird das erste Teilvolumen verkleinert.
Gleichzeitig weist die Sicke oder die Gruppe der Sicken wegen ihrer Formgebung und wegen der Elastizität des Membranmaterials einen Innendurchmesser der Rille D1 auf, der weniger als die Hälfte des Außendurchmessers des äußeren Rands D2 beträgt. Dadurch wird ein großer Teil des Innenraums der Ausstülpung durch das Membranmaterial ausgefüllt.
Wenn aber das Arbeitsfluid einen festen Aggregatzustand einnimmt und sich dabei ausdehnt, dann wölbt sich die Membran in das zweite Teilvolumen hinein, weil das erstarrende Arbeitsfluid die Feder zusammendrückt.
Gleichzeitig zwingt das erstarrende Arbeitsfluid die Sicken ihre Innendurchmesser D1 erheblich zu vergrößern, und gleichzeitig vergrößern sich, wenn mehrere Sicken vorhanden sind, die axialen Abstände LA der äußeren Ränder voneinander, weil die Flanken die äußeren Ränder mit den Rillen formschlüssig verbinden. Diese elastischen Formänderungen erfolgen gegen die inneren Spannungen des Materials der Membran und gegen die Kraft der Feder.
Wenn das Arbeitsfluid wieder auftaut, drückt die Feder die Membran und die Ausstülpung wieder zurück in die Ausgangsstellung und die Ausstülpung nimmt aufgrund der Elastizität des Materials der Membran wieder die Ausgangsform bei flüssigem Aggregatzustand des Arbeitsfluids ein.
Anwendung
Der erfindungsgemäße Pumpenkopf findet in Hubkolbenpumpen Anwendung, die entweder als Membranpumpen mit einer Betätigung der Membran durch einen Hubkolben oder als Kolbenpumpen ohne Membran mit einer dynamischen Abdichtung zwischen dem Kolben und einem Zylinder ausgeführt sind und vorzugsweise Wasser oder wässrige Lösungen fördern.
Bilder:
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf mit einer koaxialen Anordnung der Ausstülpung relativ zum Überströmventil.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf mit einer versetzten Anordnung der Ausstülpung, nicht die Erfindung zeigend.
3 zeigt einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf mit einem in die Membran integrierten Rückstellmechanismus, allerdings mit einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung des Überströmventils.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf mit einer Ausstülpung der Membran ohne Sicken, aber mit O-Ring, allerdings mit einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung des Überströmventils.
5 zeigt einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf mit einer Ausstülpung der Membran, die einen Einzug aufweist, allerdings mit einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung des Überströmventils.
6 zeigt einen erfindungsgemäßen Pumpenkopf mit einem Rückstellmechanismus aus einem Elastomermaterial, allerdings mit einer nicht erfindungsgemäßen Anordnung des Überströmventils.
Beispielhafte Ausführung
Der Pumpenkopf (1) gemäß 1 enthält ein Einlassventil (2), ein Auslassventil (3), ein druckgesteuertes Überströmventil (4) und ein Ausgleichsvolumen (11).
Das Ausgleichsvolumen (11) ist mit dem Einlass der Pumpe verbunden und durch eine Membran (5) in ein erstes Teilvolumen (6) und ein zweites Teilvolumen (7) unterteilt.
Dabei ist das erste Teilvolumen (6) mit einem Arbeitsfluid gefüllt und das zweite Teilvolumen (7) ist mit einem Gas, zum Beispiel mit Luft, gefüllt und gegebenenfalls mit der äußeren Atmosphäre verbunden.
Die Membran (5) weist eine Ausstülpung (13) auf, die in das Teilvolumen (7) hineinragt. Die Ausstülpung dient vor allem dazu, dem ersten Teilvolumen (6) eine größere Variabilität zu verschaffen.
In der der beispielhaften Ausführung gemäß 1 ist die Ausstülpung (13) koaxial zu dem Überströmventil (4) angeordnet, und eine Feder (12) wirkt auf beide.
Die Ausstülpung (13) ist durch die Feder (12) unmittelbar oder mittels eines Kolbens (8) in der Weise beaufschlagt, dass das Teilvolumen (6) durch die Kraft der Feder verkleinert wird. Damit wird erreicht, dass im Normalbetrieb der Pumpe das erste Teilvolumen (6) so klein wie möglich ist.
Die Ausstülpung (13) weist vorzugsweise eine Sicke (9) oder eine Mehrzahl von Sicken auf, wobei jede Sicke innen eine Rille (14), zwei Flanken (15) und anteilig zwei äußere Ränder (16) enthält. Die Sicke oder die Gruppe der Sicken erhöhen die Variabilität des ersten Teilvolumens erheblich.
In einer anderen alternativen Ausführung der Membran gemäß 3 wird die Feder (12) durch ein Formelement (17) der Membran ersetzt, das wegen der Elastizität des Membranwerkstoffs als Rückstellelement dient.
In einer weiteren alternativen Ausführung der Membran gemäß 4 wird die Ausstülpung (13) durch einen O-Ring (18) eingeschnürt, wobei die Einschnürung wegen der Elastizität der Membran und des O-Rings elastisch nachgebend ist.
5 stellt eine weitere alternative Ausführung der Membran dar, die in diesem Fall einen Einzug (20) aufweist, der sich druckabhängig elastisch verformen kann.
Das Rückstellelement kann auch, wie 6 zeigt, ein elastischer Körper (19) sein, der nicht Teil der Membran ist und entweder aus einem massiven oder aus einem porösen Elastomerwerkstoff besteht.
Wenn das Arbeitsfluid einen flüssigen Aggregatzustand aufweist, wölbt sich die Membran (5) mit ihrem Formelement (10) in das erste Teilvolumen (6) hinein, weil die Feder (12) nicht nur auf die Ausstülpung (13), sondern auch auf die Membran (5) drückt.
Gleichzeitig weist die Sicke (9) oder die Gruppe der Sicken wegen ihrer Formgebung und wegen der Elastizität des Membranmaterials einen Innendurchmesser der Rille D1 auf, der weniger als die Hälfte des Außendurchmessers des äußeren Rands D2 beträgt. Dadurch wird ein großer Teil des Innenraums der Ausstülpung (13) durch das Membranmaterial ausgefüllt.
Wenn aber das Arbeitsfluid einen festen Aggregatzustand einnimmt und sich dabei ausdehnt, dann wölbt sich die Membran (5) mit ihrem Formelement (10) in das zweite Teilvolumen (7) hinein, weil das erstarrende Arbeitsfluid die Feder (12) zusammendrückt.
Gleichzeitig zwingt das erstarrende Arbeitsfluid die Sicken (9) ihre Innendurchmesser D1 erheblich zu vergrößern, und gleichzeitig vergrößern sich, wenn mehrere Sicken vorhanden sind, die axialen Abstände LA der äußeren Ränder (16) voneinander, weil die Flanken (15) die äußeren Ränder (16) mit den Rillen (14) formschlüssig verbinden. Diese elastischen Formänderungen erfolgen gegen die inneren Spannungen des Materials der Membran und gegen die Kraft der Feder (12).
Wenn das Arbeitsfluid wieder auftaut, drückt die Feder (12) das Formelement (10) der Membran und die Ausstülpung (13) wieder zurück in die Ausgangsstellung und die Ausstülpung nimmt aufgrund der Elastizität des Materials der Membran wieder die Ausgangsform bei flüssigem Aggregatzustand des Arbeitsfluids ein.
Bezugszeichenliste

1: Pumpenkopf
2: Einlassventil
3: Auslassventil
4: Überströmventil
5: Membran
6: Erstes Teilvolumen
7: Zweites Teilvolumen
8: Kolben
9: Sicke
10: Formelement
11: Ausgleichsvolumen
12: Feder
13: Ausstülpung
14: Rille
15: Flanke
16: Äußerer Rand
17: Formelement
18: O-Ring
19: Elastischer Körper
20: Einzug
D1: Innendurchmesser
D2: Außendurchmesser
LA: axialer Abstand

Claims

Pumpenkopf (1) mit einem Einlassventil (2), einem Auslassventil (3), einem zwischen dem Auslass und dem Einlass wirkenden druckgesteuerten Überströmventil (4) und einem Ausgleichsvolumen (11), wobei das Ausgleichsvolumen (11) durch eine Membran (5) in ein erstes Teilvolumen (6) und ein zweites Teilvolumen (7) unterteilt ist und wobei das erste Teilvolumen (6) mit einem Arbeitsfluid gefüllt ist und wobei das zweite Teilvolumen (7) mit einem Gas gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) eine Ausstülpung (13) aufweist, die in das zweite Teilvolumen (7) hineinragt, und wobei die Ausstülpung (13) durch ein Rückstellelement (12) in der Weise beaufschlagt ist, dass das erste Teilvolumen (6) verkleinert wird, und wobei das Überströmventil (4) koaxial zu der Ausstülpung (13) angeordnet ist und von demselben elastischen Rückstellelement (12) wie die Ausstülpung beaufschlagt wird.
Pumpenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (12) eine metallische Feder ist, die mittels eines Kolbens (8) auf die Ausstülpung (13) wirkt.
Pumpenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (12) ein leicht verformbares Formelement (17) der Membran (5) ist, das unmittelbar auf die Ausstülpung (13) wirkt.
Pumpenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Rückstellelement (12) ein Körper (19) aus massivem oder porösem Elastomermaterial ist, der unmittelbar auf die Ausstülpung (13) wirkt.
Pumpenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im zweiten Teilvolumen (7) Luft ist und dass das zweite Teilvolumen (7) fluidisch mit der umgebenden Atmosphäre verbunden ist.
Pumpenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass das Gas im zweiten Teilvolumen (7) umfassend abgedichtet ist und durch seine Druckwirkung auf die Membran (5) die Kraft der Feder (12) verstärkt.
Pumpenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Ausstülpung (13) mindestens ein Formelement enthält, das durch seine Verformung den Innenraum der Ausstülpung vergrößern und verkleinern kann, wobei es durch seine Formsteifigkeit und Ausgangsform zu einem kleinstmöglichen Innenraum gedrängt wird.
Pumpenkopf nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Formelement ein Sicke (9) ist, wobei jede Sicke eine Rille (14), zwei Flanken (15) und anteilig zwei äußere Ränder (16) aufweist.
Pumpenkopf nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Formelement durch einen O-Ring (18) eingeschnürt wird.
Pumpenkopf nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Formelement Teil der Membran (5) ist.
Pumpenkopf nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Formelement einen Einzug (20) aufweist, der sich unter veränderlichem Druck elastisch verformt.
Pumpenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 11 dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (5) dann, wenn das Arbeitsfluid einen flüssigen Aggregatzustand aufweist, sich mit Formelementen (10) in das erste Teilvolumen (6) hineinwölbt, weil das elastische Rückstellelement (12) nicht nur auf die Ausstülpung (13), sondern mittelbar auch auf andere Formelemente der Membran (5) drückt und dadurch das erste Teilvolumen (6) verkleinert.
Pumpenkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Sicke (9) wegen ihrer Formgebung und wegen der Elastizität des Membranmaterials bei einem flüssigen Aggregatzustand des Arbeitsfluids einen Innendurchmesser der Rille D1 aufweist, der weniger als die Hälfte des Außendurchmessers des äußeren Rands D2 beträgt.
Pumpenkopf nach einem der Ansprüche 8 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Erstarren des Arbeitsfluids die Innendurchmesser D1 der Sicken (9) sich erheblich vergrößern und gleichzeitig sich die axialen Abstände LA der äußeren Ränder (16) vergrößern, wobei die genannten elastischen Formänderungen gegen innere Spannungen des Materials der Membran und/oder gegen die Kraft des elastischen Rückstellelements (12) erfolgen.