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Die Erfindung betrifft eine Hochdruck-Plungerpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Derartige Hochdruck-Plungerpumpen sind hinlänglich bekannt und werden insbesondere genutzt, um flüssige Medien mit hohem Druck in einem Bereich von bis 4000 bar zu fördern.
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Prinzipiell haben sich solche Hochdruck-Plungerpumpen bewährt, insbesondere auch hinsichtlich ihrer Wartungsfreundlichkeit, d.h. hinsichtlich ihrer relativ langen Standzeiten.
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Vielfach kommen Hochdruck-Plungerpumpen mit vorzugsweise drei Plunger zum Einsatz, die in einem Winkelabstand von 120° oszillierend mittels einer Kurbelwelle bewegt werden, wobei diese Kurbelwelle durch einen Motor, üblicherweise einen Elektromotor, grundsätzlich auch durch einen Verbrennungsmotor antreibbar ist.
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Eine gattungsgemäße Hochdruck-Plungerpumpe ist in der
DE 101 25 669 B4 offenbart, bei der der Plunger gegenüber einem Innenraum des Gehäuses durch ein Dichtelement in Form eines Faltenbalges hermetisch abgedichtet ist. Eine solche Hochdruck-Plungerpumpe kommt konzeptionell bedingt unter atmosphärischen Bedingungen zum Einsatz, bei der zur dauerhaften Funktionsfähigkeit des Dichtelementes, sprich des Faltenbalges, keine besonderen Maßnahmen erforderlich sind. Lediglich muss das Dichtelement elastisch sein, um zum einen die Hubbewegungen des Plungers zu begleiten und zum anderen leichte Auslenkbewegungen des Plungers in einem Teilbereich ausgleichen zu können.
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Zunehmend werden maritime Ölquellen erschlossen, die sich in sehr großen Tiefen, beispielsweise in 3000 m und mehr unterhalb der Wasserfläche befinden. Um das zu fördernde Öl fließ- und damit förderfähig zu halten, werden dem Förderstrom im Austrittsbereich des Öls Hilfsfluide, sogenannte Inhibitoren zugesetzt, mit denen beispielsweise die Entstehung von Hydrat verhindert wird. Hierzu kommen üblicherweise Membranpumpen zum Einsatz, die auf einer oberwasserseitigen Plattform installiert sind.
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Aus vielerlei Gründen sind die bislang üblichen Fördermöglichkeiten von einer oberwasserseitigen Plattform aus nicht mehr möglich bzw. nur unter erschwerten und unwirtschaftlichen Bedingungen, so dass Überlegungen dahingehen, die Pumpen unmittelbar am Meeresgrund zu positionieren.
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Allerdings sind bislang die auf den Plattformen eingesetzten Pumpen, insbesondere Membranpumpen, für den genannten Einsatzzweck ungeeignet, zum einen aufgrund der herrschenden Betriebsbedingungen, insbesondere des hohen Wasserdrucks, dem solche Pumpen ausgesetzt sind, aber auch hinsichtlich systembedingter Störanfälligkeiten, die durch die erwähnten Betriebsbedingungen noch verstärkt werden.
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Unabhängig davon hat eine Membranpumpe systembedingt gegenüber einer Hochdruck-Plungerpumpe erhebliche Nachteile. Hierzu zählen u.a. der relativ geringe maximal erzeugbare Druck bis ca. 1000 bar, sowie eine geringe Verdrängungsintensität, die, um ein ausreichendes Fördervolumen zu erreichen, eine große Membranfläche erfordert, woraus sich hohe hydraulische Kräfte ergeben. Dies bedingt zum einen große Abmaße und zum anderen eine entsprechende Dimensionierung der belasteten Teile, wie Schrauben oder dergleichen.
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Wie erwähnt, bieten Hochdruck-Plungerpumpen aufgrund ihrer Robustheit und der sich daraus ergebenden, gegenüber einer Membranpumpe erweiterten Standzeit, erhebliche Vorteile.
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Die bekannten Hochdruck-Plungerpumpen sind jedoch nicht geeignet, in ihrer bestehenden Konzeption u.a. für den genannten Zweck eingesetzt zu werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruck-Plungerpumpe der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, dass ihre Verwendungsfähigkeit und ihre Betriebssicherheit verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Hochdruck-Plungerpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Unabhängig von den äußeren Bedingungen, d.h., beispielsweise des Umgebungsdrucks, ist durch die Erfindung stets die geforderte Betriebssicherheit gewährleistet, da der auf das Dichtelement durch das angesaugte Medium wirkende Innendruck dem Außendruck entspricht. Dabei steht der Innenraum des Dichtelementes, vorzugsweise des Faltenbalgs, mit dem Saugraum in Verbindung, ebenso wie der mit dem Fluid gefüllte Innenraum. D.h., durch Druckausgleich entspricht der auf das Dichtelement wirkende Außendruck dem des Innendrucks, so dass insoweit das Dichtelement unbelastet ist.
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Nach einem weiteren Gedanken der Erfindung steht der Saugraum mit einer Saugkammer mit kleinerem Volumen in Verbindung. Während der Saugraum über eine Saugleitung an die Mediumquelle angeschlossen ist, ist die Saugkammer mit dem Innenraum des Gehäuses verbunden.
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Die Saugkammer steht mit dem Saugraum über einen Drosselspalt in Verbindung, durch den eine Strömung von dem größeren Saugraum hin zur kleineren Saugkammer gedämpft wird. Dadurch werden Druckspitzen insbesondere bei Inbetriebnahme der Hochdruck-Plungerpumpe verhindert, ebenso wie Vibrationen und gegebenenfalls ein Druckabfall, wie er auch hochdruckseitig auftreten kann.
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Der Druckausgleich sowie ein Ausgleich einer temperaturbedingten Volumenvergrößerung des Mediums erfolgt mittels eines Ausgleichsgefäßes, das zwei durch eine Membran getrennte Kammern aufweist, von denen eine mit der Saugkammer verbunden und mit dem zu fördernden Medium gefüllt ist, während die andere an den Innenraum des Gehäuses angeschlossen und mit dem darin befindlichen Fluid gefüllt ist.
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Alternativ oder ergänzend ist nach einem weiteren Gedanken der Erfindung vorgesehen, die Plunger und den Kurbeltrieb in einer am Gehäuse angeschlossenen verformungssteifen Aufhängung zu lagern, die im Innenraum des Gehäuses angeordnet und diesem gegenüber offen ist, so dass sie ebenfalls mit dem Fluid gefüllt ist.
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Durch Druckschwankungen oder Druckabsenkungen auf der Förderseite auftretende Verformungen des Gehäuses bleiben dadurch im Wesentlichen ohne Einfluss auf die Lagerung der Plunger ebenso wie auf den Kurbeltrieb, wobei ein Anschluss des Antriebs an die Kurbelwelle mittels einer biegeelastischen Kupplung erfolgt.
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Bevorzugt besteht das den Innenraum füllende Fluid aus einem Öl, insbesondere einem Schmieröl, das zusätzlich der Kühlung des Antriebs dient, wozu ein den Motor umschließendes Mantelgehäuse fluiddurchlässig mit dem Innenraum des Gehäuses verbunden ist.
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Der Innenraum des Gehäuses kann mit Füllstücken ausgestattet sein, um den Anteil des Fluids zu begrenzen, wobei die Menge des Fluids so bemessen ist, dass der Innenraum vollständig gefüllt ist, unabhängig davon, ob solche Füllstücke eingebracht sind oder der Innenraum ausschließlich mit Fluid gefüllt ist.
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Die Füllstücke sind hinsichtlich ihrer Konsistenz so gehalten, dass sie eine deutlich geringere Kompressibilität als das Fluid im Innenraum aufweisen.
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Prinzipiell ist die neue Hochdruck-Plungerpumpe vielfältig und problemlos einsetzbar, d.h., sowohl bei atmosphärischem wie auch bei hohem Umgebungsdruck, wie er in großen Wassertiefen als hydrostatischer Druck herrscht.
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Gegenüber einer Membranpumpe zeichnet sich die erfindungsgemäße Hochdruck-Plungerpumpe u.a. dadurch aus, dass sie in ihren Abmaßen wesentlich kleiner gehalten ist, mit geringerem Leistungsgewicht, einen höheren volumetrischen Wirkungsgrad aufweist und sehr hohe Drücke erzielbar sind. Überdies sind die Betriebskosten minimiert, nicht zuletzt durch die sehr lange Standzeit, die eine Verbesserung der Betriebssicherheit mit sich bringt.
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Weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Hochdruck-Plungerpumpe in einer Seitenansicht
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2 einen Längsschnitt durch die Hochdruck-Plungerpumpe
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3 einen um 90° versetzten Längsschnitt durch die Hochdruck-Plungerpumpe.
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In den Figuren ist eine Hochdruck-Plungerpumpe dargestellt, mit einem einen Saugraum 9 aufweisenden Gehäuse 1, an dem ein Pumpenkopf 2 angeschlossen ist und in dem mindestens ein über einen Kurbeltrieb 13 oszillierend bewegbarer Plunger 11 angeordnet ist.
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Im Beispiel sind drei Plunger
11 vorgesehen, die auf einer Kurbelwelle
14 des Kurbeltriebs
13 um einen vorgegebenen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind. Die Funktion einer solchen Hochdruck-Plungerpumpe ist beispielsweise in der
DE 101 25 669 B4 ausführlich beschrieben, auf die ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Das Gehäuse 1 weist ein Gehäuseunterteil 3 und ein den Pumpenkopf 2 tragendes Gehäuseoberteil 4 auf, wobei das Gehäuseunterteil 3 und das Gehäuseoberteil 4 fest und fluiddicht miteinander verbunden sind, beispielsweise durch Verschrauben.
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Das Gehäuseoberteil 4 beherbergt den Saugraum 9, an den sich ein Saugstutzen 5 anschließt, über den das zu fördernde Medium, beispielsweise ein Inhibitor oder dergleichen, angesaugt wird.
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Über einen jedem Plunger 11 zugeordneten Drosselspalt 23 steht der Saugraum 9 mediumdurchlässig mit einer im Volumen kleineren Saugkammer 15 in Verbindung, die ebenfalls im Gehäuseoberteil 4 angeordnet ist. Dabei wird durch den Drosselspalt 23 das angesaugte Medium in seinem Durchfluss gedämpft, wodurch beispielsweise auftretende Druckveränderungen ausgeglichen werden, was im Übrigen auch den Durchfluss des Mediums hin zum Pumpenkopf 2 betrifft, an den sich ein Druckstutzen 6 anschließt, der wiederum mit einer Druckleitung verbindbar ist.
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Die Saugkammer 15 ist über eine Rohrleitung 20 an ein Ausgleichsgefäß 16 angeschlossen, das zwei Kammern aufweist, die durch eine Membran 19 getrennt sind, und zwar eine Mediumkammer 17, die mit der Saugkammer 15 in Verbindung steht und eine Fluidkammer 18, die, gleichfalls über eine Rohrleitung 20 mit dem Innenraum 10 verbunden ist, der, gemäß der Erfindung mit einem Fluid gefüllt ist.
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Dabei ist der Innenraum 10 vollständig gefüllt, wahlweise ausschließlich mit dem Fluid, bevorzugt einem Schmieröl, oder mit dem Fluid und zusätzlich nicht dargestellten Füllkörpern, um das Volumen des Fluids zu beschränken.
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Durch das Ausgleichsgefäß 16 wird ein Druckausgleich zwischen dem im jeweiligen Faltenbalg 12 herrschenden Innendruck und dem anstehenden Außendruck durch das Fluid im Innenraum 10 erreicht, ebenso wie ein Volumenausgleich bei sich durch Temperaturänderung ergebender Volumenänderung.
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Um eine Belastung der Plunger 11 bzw. deren Lagerung bei einer durch beispielsweise Umgebungsdruck bedingten Verformung des Gehäuses 1 weitgehend zu verhindern, sind die Plunger 11 und ist der Kurbeltrieb 13 in einer verformungssteifen Aufhängung 21 gelagert, die über eine unterseitige Öffnung 22 mit dem Innenraum 10 verbunden ist, so dass das darin befindliche Fluid auch das Innere der Aufhängung 21 ausfüllt.
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Diese Aufhängung 21 ist im Beispiel mit dem Gehäuseoberteil 4 durch Verschrauben verbunden, wie insbesondere die 3 deutlich zeigt.
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Über eine biegeelastische Kupplung 24 ist die Kurbelwelle 14 an einen im Mantelgehäuse 8 des Antriebs 7 (1) gelagerten Motor angeschlossen, wobei die biegeelastische Kupplung 24 fluidoffen ist, so dass der im Mantelgehäuse 8 positionierte Motor vom Fluid umspült und gekühlt wird, gegebenenfalls mit Unterstützung einer Umwälzpumpe.
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Die Konfiguration der Aufhängung 21 ist im Wesentlichen frei gestaltbar und nur abhängig von der Anordnung der Lagerstellen sowohl für die Plunger 11 wie auch für den Kurbeltrieb 13 sowie die Anbringung am Gehäuse 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Pumpenkopf
- 3
- Gehäuseunterteil
- 4
- Gehäuseoberteil
- 5
- Saugstutzen
- 6
- Druckstutzen
- 7
- Antrieb
- 8
- Mantelgehäuse
- 9
- Saugraum
- 10
- Innenraum
- 11
- Plunger
- 12
- Faltenbalg
- 13
- Kurbeltrieb
- 14
- Kurbelwelle
- 15
- Saugkammer
- 16
- Ausgleichsgefäß
- 17
- Mediumkammer
- 18
- Fluidkammer
- 19
- Membrane
- 20
- Rohrleitung
- 21
- Aufhängung
- 22
- Öffnung
- 23
- Drosselspalt
- 24
- Kupplung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10125669 B4 [0005, 0032]
