DE102016224016B4

DE102016224016B4 - Linearkolbenpumpe mit parasitären Volumina

Info

Publication number: DE102016224016B4
Application number: DE102016224016.1A
Authority: DE
Inventors: Robert Zemke; Paul Hausemer; Nicole Claudia Oberdieck
Original assignee: Gardner Denver Thomas GmbH
Current assignee: Gardner Denver Thomas GmbH
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2016-12-02
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2036-12-03
Also published as: DE102016224016B8; DE102016224016A1; WO2018100156A1

Abstract

Linearkolbenpumpe umfassend
- einen geschlossenen Pumpzylinder (1), in dessen Arbeitsraum (2) mindestens ein Pumpkolben (3.1, 3.2) unter Bildung einer Pumpkammer (4) oszillierend angetrieben läuft,
- einen Pumpeneinlass (5) mit einem Einlassventil (7),
- einen Pumpenauslass (9) mit einem Auslassventil (8),
- mindestens ein parasitäres Volumen (14.1, 14.2) auf der der Pumpkammer (4) abgewandten Kolbenaußenseite (13.1, 13.2) des Pumpkolbens (3.1, 3.2), und
- eine Ventilations-Fluidverbindung (V) zwischen dem parasitären Volumen (14.1, 14.2) und dem Pumpenauslass (9) strömungstechnisch hinter dessen Auslassventil (8), dadurch gekennzeichnet, dass
im Pumpzylinder (1) zwei Pumpkolben (3.1, 3.2) unter Bildung der Pumpkammer (4) zwischen sich und parasitärer Volumina (14.1, 14.2) auf den einander abgewandten Kolbenaußenseiten (13.1, 13.2) gegenläufig oszillierend laufen und eine Ventilations-Fluidverbindung (V) zwischen dem jeweiligen parasitären Volumen (14.1, 14.2) und dem Pumpenauslass (9) verläuft.

Description

Die Erfindung betrifft eine Linearkolbenpumpe mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.
Derartige Linearkolbenpumpen sind durch offenkundige Vorbenutzung bekannt und weisen im vorliegenden Fall einen geschlossenen Pumpzylinder auf, in dessen Arbeitsraum mindestens ein Pumpkolben unter Bildung einer Pumpkammer oszillierend angetrieben läuft. Ferner sind ein Pumpeneinlass mit einem Einlassventil und ein Pumpenauslass mit einem Auslassventil vorgesehen. Die Pumpe bildet aufgrund der geschlossenen Ausführung des Pumpzylinders auf der Kolbenaußenseite des mindestens einen Pumpkolbens einen geschlossenen Raum aus, welcher im Folgenden als parasitäres Volumen bezeichnet wird.
Zu der der Erfindung zugrunde liegenden Problematik ist festzuhalten, dass solche Linearkolbenpumpen beispielsweise bei einer Ausführung mit zwei symmetrischen, gegenläufig arbeitenden Pumpkolben aufgrund des Massenausgleichs der Kolben an sich vergleichsweise ruhig und vibrationsfrei arbeiten. Asymmetrische Lasten auf die Kolben, wie sie beispielsweise durch pneumatische Lasten hervorgerufen werden können, stören die Massenbalance und müssen daher egalisiert werden.
Des Weiteren führt eine variable Veränderung der Druckverhältnisse in den parasitären Volumina zu einer Verschiebung des jeweiligen Kolbens aus der optimalen Arbeitslage, aus welcher sodann ein Leistungsabfall der Pumpe resultiert. Dieser Effekt tritt auch bei nicht ausbalancierten Einkolbenpumpen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 auf und sollte dort ebenfalls kompensiert werden.
Bei Linearkolbenpumpen mit geschlossenen Pumpzylindern stellt sich die Problematik, dass jegliche Art von Kolbendichtungen inhärent eine variable, nicht kontrollierbare Leckagerate mit sich bringt. Aufgrund dieser Leckage durch die Kolbendichtungen können sich auf der Außenseite der Kolben in den parasitären Volumina unterschiedliche Druckbeaufschlagungen ausbilden, die asymmetrische Belastungen auf die Kolben ausüben. Insbesondere für Linearkolbenpumpen, die in explosionsgefährdeten Atmosphären arbeiten und entzündliche Fluide, wie Benzin, Benzindämpfe oder dergleichen flüchtige Fluide fördern, ist es nicht möglich, diese nicht regelbaren Druckverhältnisse durch eine Verbindung der parasitären Volumina zur Umgebung auszugleichen, da dies erhebliche Gefährdungen, wie Explosionsgefahr und gesundheitliche Beeinträchtigungen durch die Stoffe selbst mit sich bringt.
Aus der DE 199 09 302 C1 ist eine Linearkolbenpumpe mit einem Pumpkolben nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt, bei dem eine Ventilations-Fluidverbindung zwischen dem parasitären Volumen und dem Pumpenauslass strömungstechnisch hinter dessen Auslassventil angelegt wird.
Die Druckschriften US 5 415 531 A , US 2007/0169619 A1 , DE 10 2012 010 646 A1 und US 5 094 596 A offenbaren grundsätzliche Möglichkeiten, Leckagefluide aus einer Pumpe abzuleiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer hocheffizienten Linearkolbenpumpe auf konstruktiv einfache Weise eine wirksame Fluid-Ableitung und einen Ausgleich eines unerwünschten Druckaufbaus in parasitären Volumina zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst, wonach bei einer doppelläufigen Linearkolbenpumpe mit zwei Pumpkolben im Pumpzylinder die Ventilations-Fluidverbindungen zwischen den jeweiligen parasitären Volumina auf der Außenseite der gegenläufigen Kolben und dem Pumpenauslass angelegt sind.
Aufgrund dieser Fluidverbindungen werden Fluide, die aufgrund von Leckagen im Bereich der Kolbendichtungen sich in dem oder den parasitären Volumina ansammeln und einen entsprechenden Druckaufbau mit sich bringen, in den Fluidstrom auf der Auslassseite der Pumpe abgeleitet. Die Pumpenwirkung wird dabei zum einen nicht wesentlich beeinträchtigt, da aufgrund der üblichen Auslegung der Pumpkolben die Leckageraten in die parasitären Volumina deutlich geringer ausfallen, als die eigentliche Förderleistung der Pumpe, wie sie durch den Hubraum des oder der Kolben definiert ist. Sofern während des Fördertaktes der Pumpe Pumpfluid über die Ventilations-Fluidverbindung in die parasitären Volumina zurück gepumpt wird, so ist dies aufgrund der Leckageraten bereits an sich unproblematisch. Darüber hinaus wird beim anschließenden Ansaugtakt durch die umgekehrte Bewegung der Kolben das in parasitäre Volumina eingesaugte Fluid wieder quasi in einem sekundären Fördertakt ausgestoßen. Insoweit wird auch das Pulsationsverhalten der Pumpe ausgleichend beeinflusst, so dass sich eine gleichmäßigere und hocheffiziente Pumpwirkung der Doppel-Linearkolbenpumpe einstellt.
In den abhängigen Ansprüchen sind bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung angegebenen. So können die Ventilations-Fluidverbindungen jeweils als Ventilationsöffnung im Pumpzylinder außerhalb des von den Pumpkolben überstrichenen Raums angelegt sein. Dies stellt eine besonders einfache Ausführung für die Fluidverbindungen dar, die insbesondere im Zusammenhang mit einer auslassseitig am Pumpzylinder vorgesehenen Abdeckkappe von Vorteil ist. Letztere kann so angeordnet sein, dass sie die Ventilations-Fluidverbindungen und das Auslassventil dichtend übergreift und gleichzeitig den Auslassanschluss der Pumpe zur Verfügung stellt. Dadurch ist in besonders kompakter Bauweise eine Abdichtung des Pumpenauslasses zusammen mit den Ventilations-Fluidverbindungen realisierbar.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können in Pumpeneinlass und/oder Pumpenauslass, dort insbesondere in den jeweiligen Anschlussstutzen, auch die bei Einsatz der Pumpe in explosionsgefährdeten Umgebungen vorgesehenen Explosionsschutzeinrichtungen, wie eine Flammenrückschlagssicherung untergebracht sein.
In einer alternativen Ausführungsform können die Ventilations-Fluidverbindungen jeweils auch gesondert durch eine Leitung zwischen der Ventilationsöffnung am jeweiligen parasitären Volumen und dem Auslassanschluss der Pumpe angelegt sein. Diese Leitungen können als externe Schläuche vorgesehen sein, von besonderem Vorteil in herstellungstechnischer Hinsicht ist allerdings die Integration der Leitung in das Gehäuse des Pumpzylinders.
Bei einer Ausbildung der Linearkolbenpumpe, bei der im Pumpzylinder eine Kolbenlaufbuchse für den mindestens einen Pumpkolben vorgesehen ist, kann die Leitung für die Ventilations-Fluidverbindung in herstellungstechnisch besonders einfacher Weise durch den Abstandsspalt, vorzugsweise Ringspalt zwischen der Kolbenlaufbuchse und dem Pumpzylinder gebildet sein.
Um Flüssigkeiten, die sich aufgrund der Leckage im Bereich der Kolbendichtungen in den parasitären Volumina ansammeln können, über die Ventilations-Fluidverbindungen ohne weiteres Zutun gravitationsbedingt abführen zu können, sind die Fluidverbindungen bevorzugter Maßen in Einbauposition der Pumpe mit dem tiefsten Punkt des Pumpzylinders verbunden und davon weggeführt.
Schließlich können das oder die parasitären Volumina der Pumpe gegenüber der Umgebung dicht abgeschlossen sein, wodurch die Pumpe besonders für Einsatzbedingungen geeignet ist, bei denen explosive oder anderweitig gesundheitsgefährdende Stoffe gefördert werden.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

1 einen schematische Schnitt durch eine Linearkolbenpumpe in einer ersten Ausführungsform,
2 einen schematischen Schnitt durch eine Linearkolbenpumpe in einer zweiten Ausführungsform,
3 einen schematischen Schnitt durch eine Linearkolbenpumpe in einer dritten Ausführungsform, und
4 eine Schnitt gemäß der Schnittlinie A-A nach 3.

Anhand der 1 sollen die grundsätzlichen Komponenten der Linearkolbenpumpe erläutert werden, wie sie auch bei der Pumpe gemäß 2 bzw. 3 und 4 vorhanden und dort mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind. So weist die Pumpe einen geschlossenen Pumpzylinder 1 auf, in dessen Arbeitsraum 2 zwei Pumpkolben 3.1, 3.2 synchron gegenläufig durch einen nicht näher dargestellten Antrieb in Doppelpfeilrichtung P laufen. Die beiden Pumpkolben 3.1, 3.2 bilden eine Pumpkammer 4 zwischen sich, die sich oszillierend beim Ansaugtakt der Pumpe vergrößert und beim Fördertakt der Pumpe verkleinert.
Auf der einen Seite des Pumpzylinders 1 ist mittig ein Pumpeneinlass 5 mit einem ansaugseitigen Anschlussstutzen 6 dicht angebracht, mit dem anzusaugendes Fluid über ein Einlassventil 7 im Pumpzylinder 1 in die Pumpkammer 4 gelangen kann.
Auf der gegenüberliegenden Seite des Pumpzylinders 1 ist ein Auslassventil 8 im Pumpzylinder 1 angeordnet, über den das zu pumpende Fluid beim Fördertakt der Pumpe aus der Pumpkammer 4 gefördert wird.
Ein Pumpenauslass 9 ist mit einem entsprechenden auslassseitigen Anschlussstutzen 10 ist über dem Auslassventil 8 angeordnet. In den beiden Anschlussstutzen 6, 10 ist jeweils eine Explosionsschutzeinrichtung beispielsweise in Form einer Flammenrückschlagssicherung 11, 12 eingesetzt.
Auf den einander abgewandten Kolbenaußenseiten 13.1, 13.2 sind im Pumpzylinder 1 parasitäre Volumina 14.1, 14.2 ausgebildet, in die über die Kolbendichtungen 15.1, 15.2 durch Leckage Pumpfluid gelangen kann.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind als Ventilations-Fluidverbindung V jeweils außerhalb des von den Pumpkolben 3.1, 3.2 überstrichenen Raumes seitlich am Pumpzylinder 1 Ventilationsöffnungen 16.1, 16.2 als Ventilations-Fluidverbindung V eingebracht, die bezogen auf den Pumpzylinder 1 nach außen führen. Die beiden Ventilationsöffnungen 16.1, 16.2 sind zusammen mit dem Auslassventil von einer gemeinsamen Abdeckkappe 17 abgedeckt, die in diesem Ausführungsbeispiel den Pumpenauslass 9 bildet und an der der Anschlussstutzen 10 angelegt ist.
Pumpfluid, das während des Pumpenbetriebes über die Kolbendichtungen 15.1, 15.2 in die parasitären Volumina 14.1, 14.2 austritt, kann nun über die Ventilationsöffnungen 16.1, 16.2 in dem durch die Abdeckkappe 17 geschlossenen System zum Pumpenauslass 9 abgeleitet werden und geht somit nicht verloren. Darüber hinaus wird dadurch wirkungsvoll verhindert, dass Pumpfluid in die Umgebung gelangt. Sofern während des Fördertaktes bei aufeinander zu bewegten Pumpkolben 3.1, 3.2 durch die sich vergrößernden parasitären Volumina 14.1, 14.2 Pumpfluid dort hingelangt, wird dieses beim Ansaugtakt bei auseinanderlaufenden Pumpkolben 3.1, 3.2 durch die Pumpwirkung auf die parasitären Volumina 14.1, 14.2 wieder ausgestoßen und zum auslassseitigen Anschlussstutzen 10 gefördert. Dies unterstützt die Pumpe so, dass sie bei gleichbleibender Förderrate auf der Auslassseite mit geringeren Druckspitzen arbeiten kann.
Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform sind die Ventilationsöffnungen 16.1, 16.2 der Ventilations-Fluidverbindung V zwischen den parasitären Volumina 14.1, 14.2 über jeweils eine in den Pumpzylinder 1 integrierte Verbindungsleitung 18.1, 18.2 mit dem auslassseitigen Anschlussstutzen 10 verbunden, so dass gleichermaßen wie bei der Ausführungsform gemäß 1 Pumpfluid aus den parasitären Volumina 14.1, 14.2 abgeleitet werden kann.
Bei der Ausführungsform gemäß 3 und 4 ist die Pumpe jeweils mit Kolbenlaufbuchsen 19.1, 19.2 für jeden Pumpkolben 3.1, 3.2 versehen, die jeweils ventilseitig im Pumpzylinder 1 durch Einpressen verankert und über Längsstege 20 an der Innenseite des Pumpzylinders 1 abgestützt sind.
Damit ist auch zwischen dem Pumpzylinder 1 und zwei parallel verlaufenden Längsstegen 20 einerseits und der jeweiligen Kolbenlaufbuchse 19.1, 19.2 andererseits ein Spaltkanal 21 gebildet, der als jeweilige Verbindungsleitung 18.1, 18.2 für die Ventilations-Fluidverbindung V zu einer Auslassbohrung 22.1, 22.2 im Pumpzylinder 1 zum Anschlussstutzen 10 hin fungiert.
Zu den parasitären Volumina 14.1, 14.2 ist für alle drei Ausführungsformen festzuhalten, dass diese gegenüber der Umgebung vorzugsweise hermetisch dicht abgeschlossen sind.

Claims

Linearkolbenpumpe umfassend - einen geschlossenen Pumpzylinder (1), in dessen Arbeitsraum (2) mindestens ein Pumpkolben (3.1, 3.2) unter Bildung einer Pumpkammer (4) oszillierend angetrieben läuft, - einen Pumpeneinlass (5) mit einem Einlassventil (7), - einen Pumpenauslass (9) mit einem Auslassventil (8), - mindestens ein parasitäres Volumen (14.1, 14.2) auf der der Pumpkammer (4) abgewandten Kolbenaußenseite (13.1, 13.2) des Pumpkolbens (3.1, 3.2), und - eine Ventilations-Fluidverbindung (V) zwischen dem parasitären Volumen (14.1, 14.2) und dem Pumpenauslass (9) strömungstechnisch hinter dessen Auslassventil (8), dadurch gekennzeichnet, dass im Pumpzylinder (1) zwei Pumpkolben (3.1, 3.2) unter Bildung der Pumpkammer (4) zwischen sich und parasitärer Volumina (14.1, 14.2) auf den einander abgewandten Kolbenaußenseiten (13.1, 13.2) gegenläufig oszillierend laufen und eine Ventilations-Fluidverbindung (V) zwischen dem jeweiligen parasitären Volumen (14.1, 14.2) und dem Pumpenauslass (9) verläuft.
Linearkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilations-Fluidverbindung (V) eine Ventilationsöffnung (16.1, 16.2) im Pumpzylinder (1) außerhalb des von dem mindestens einen Pumpkolben (3.1, 3.2) überstrichenen Raums aufweist.
Linearkolbenpumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auslassseitig am Pumpzylinder (1) eine Abdeckkappe (17) vorgesehen ist, die die Ventilations-Fluidverbindung(en) (V) und das Auslassventil (8) dichtend übergreift und an der der Auslassanschluss (9) der Pumpe angeordnet ist.
Linearkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Pumpeneinlass (5) und/oder Pumpenauslass (9) Explosionsschutzeinrichtungen (11, 12) untergebracht sind.
Linearkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilations-Fluidverbindung (V) jeweils eine Leitung (18.1, 18.2) zwischen der Ventilationsöffnung (14.1, 14.2) und dem Pumpenauslass (9) aufweist.
Linearkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (18.1, 18.2) in das Gehäuse des Pumpzylinders (1) integriert ist.
Linearkolbenpumpe nach Anspruch 5, ferner umfassend eine im Pumpzylinder (1) angeordnete Kolbenlaufbuchse (19.1, 19.2) für den mindestens einen Pumpkolben (3.1, 3.2), dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (18.1, 18.2) für die Ventilations-Fluidverbindung (V) durch einen Abstandsspalt, vorzugsweise eine Spaltöffnung (21) zwischen Kolbenlaufbuchse (19.1, 19.2) und Pumpzylinder (1) gebildet ist.
Linearkolbenpumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilations-Fluidverbindung(en) (V) in Einbauposition der Pumpe derart mit dem tiefsten Punkt des Pumpzylinders (1) verbunden und davon weggeführt ist(sind), dass LeckageFlüssigkeit im parasitären Volumen (14.1, 14.2) gravitationsbedingt abführbar ist.
Linearkolbenpumpe nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die parasitären Volumina (14.1, 14.2) der Pumpe gegenüber der Umgebung dicht abgeschlossen sind.