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Ventillose Pumpe Die Erfindung betrifft Pumpen mit rasch schwingenden
Kolben oder Membranen für die Flüssigkeitsförderung, die elektromagnetisch angetrieben
werden. Bei den meisten Pumpentypen dieser Art wird die Förderrichtung durch Ventile
bestimmt, die entweder im Rohrsystem oder im schwingenden Kolben selbst angeordnet
sind, wobei zumindest im letzteren Falle der Kolben einen durch ein Ventil gesteuerten
Durchflußkanal aufweist. Diese Typen besitzen die allen Ventilpumpen eigenen Nachteile,
nämlich die Gefahr eines Undichtwerdens derVentilsitze, einer Verstopfung der Ventile
bzw. eines Bruches -von hochbeanspruchten Ventilteilen usw. Hinzu. kommt noch, daß
wegen der raschen Schwingung der Ventile zufolge der Massenträgheit und der geringen
Stehkräfte nur solche von besonders leichter Bauart verwendbar sind, denn an sich
keine großen Beanspruchungen zugemutet werden können, und daß der Wirkungsgrad rasch
gesteuerter Ventile infolge der hohen Durchströmgeschwindigkeiten, die eine starke
Verwirbelung und damit einen Leistungsverzehr bedingen, recht ungünstig ist.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bereits ventillose Pumpen
konstruiert, deren Schwingkolben ebenfalls mindestens einen parallel zur Kolbenachse
verlaufenden Durchflußkanal aufweisen. Die Förderung wird bei diesen Pumpentypen
in der Regel dadurch bewirkt, daß der Durchflußkanal eine düsenförmige, sich in
der Strömungsrichtung verjüngende Gestalt besitzt; die Förderwirkung solcher Pumpen
ist jedoch sehr gering und nur für wenige spezielle Zwecke ausreichend. Andere Lösungen
gehen dahin, dem Kolben eine ungleichförmige, z. B. eine rasche Vorwärts- und eine
langsame Rückwärtsbewegung aufzuzwingen, jedoch sind diese Vorschläge bisher ohne
Bedeutung geblieben, insbesondere: weil eine direkte mechanische Beeinflussung des
Kolbens oder einer Membran auf konstruktive Schwierigkeiten stößt und eine indirekte
elektromagnetische Steuerung dieser Art kompliziert ist.
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Die Erfindung erstreckt sich daher auf ventillose Pumpen mit einem
als Kolben oder Membran ausgebildeten, insbesondere elektromagnetisch annähernd
nach einer Sinusfunktion angetriebenen, rasch schwingenden Teil und mindestens einem
im Flüssigkeitsweg, z. B. im rasch schwingenden Teil angeordneten, vorzugsweise
sich in der Strömungsrichtung verjüngenden Förderkanal. Erfindungsgemäß wird eine
beträchtliche Erhöhung der Förderwirkung derartiger Pumpen dadurch erzielt, daß
nahe der Austrittsöffnung des Förderkanals in der Zielrichtung des Flüssigkeitsstrahles
mindestens eine feststehende Querschnittsverengung des Abflußweges angeordnet ist,
deren Querschnitt etwa in der Größenordnung des Ouerschnittes der Austrittsöffnung
liegt. Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, d-aß die
Querschnittsverengung durch das Ende eines sich in der Strömungsrichtung erweiternden,
in einem Formstück ausgebildeten Kanals gebildet ist. Gemäß einer anderen Ausführungsform
besitzt das dem Kolben zugekehrte Ende des die Ouerschnittsverengung und den Kanal
aufweisenden Formstückes einen rohrförmigen Ansatz, der in der vorderen Totpunktlage
des Kolbens in die Austrittsöffnung des Förderkanals hineinragt oder umgekehrt.
Das die Ouerschnittsverengung und den Kanal aufweisende Formstück kann auch gegenüber
der Austrittsöffnung des Förderkanals zwecks Justierung in dem den Flüssigkeitsweg
bildenden Zylinder oder Rohr verschiebbar sein, wird jedoch im Betrieb z. B. durch
Klemmung festgehalten. Vorzugsweise ist der Zuflußweg für die Flüssigkeit z. B.
durch das der Ouerschnittsverengung abgekehrte Ende des Zylinders gebildet.
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Im Falle der seitlichen Zuführung der Flüssigkeit in den Raum vor
der Austrittsöffnung oder/und in den Raum zwischen der Austrittsöffnung und der
Querschnittsverengung sind jedoch in der Wand des den Flüssigkeitsweg bildenden
Zylinders, Rohres od. dgl. als Zuflußöffnungen Löcher oder Schlitze vorgesehen.
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Es sind ferner folgende prinzipielle Ausbildungsformen von erfindungsgemäßen
Pumpen mit seitlicher Zuführung der Flüssigkeit möglich. Die Zylinderhälfte, in
welcher der mit der Austrittsöffnung versehene Kolben schwingt, kann an dem der
Strömungsrichtung entgegengesetzten Ende z. B. durch eine Bodenplatte abgeschlossen
sein; sie kann jedoch auch mit einer zusätzlichen Zuflußöffnung z. B. in der Bodenplatte
versehen
sein. Schließlich kann aber auch die den Kolben bzw. statt dessen allenfalls eine
Fördermembran enthaltende Zylinderhälfte an dem der Strömungsrichtung entgegengesetzten
Ende durch den Kolben bzw. die Membran dicht abgeschlossen sein. In diesen Fällen
kann der seitliche Zufluß durch einen allenfalls mit einem Rohransatz versehenen
ringförmigen Kanal erfolgen, der die seitlichen Zuflußöffnungen einschließt und
den Zylinder bzw. das Rohr direkt umschließt oder vom Zylinder bzw. dem Rohr und
den beiden die Austrittsöffnung und die Querschnittsverengung aufweisenden Formstücken
gebildet ist.
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Für bestimmte Verwendungszwecke der erfindungsgemäßen Pumpe, z. B.
für den Einbau in das Becken von Zimmerfontänen, ist es besonders vorteilhaft, daß
der die seitlichen Zuflußöffnungen aufweisende Teil des Zylinders bzw. Rohres in
den mit der zu fördernden Flüssigkeit angefüllten Raum ragt, wogegen der Endteil
des Zylinders bzw. Rohres mit dem Antriebssystem - von der Flüssigkeit durch eine
Wand od. dgl. dicht abgeschlossen - außerhalb dieses Raumes angeordnet ist. Insbesondere
bei dieser Ausführungsart kann auch der Kolben seitliche Zuflußöffnungen aufweisen,
die mit den Zuflußöffnungen im Zylinder korrespondieren, wobei vorzugsweise der
Querschnitt der Zylinderwand im Bereich der Zuflußöffnungen größer ist als der Querschnitt
des Kolbenmantels.
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In den Figuren der Zeichnungen sind einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele
der Erfindung in durch die Mittelachsen der Zylinder bzw. Rohre der Pumpen geführten
Schnitten gezeigt, und zwar stellt Fig. 1 insbesondere die Anordnung der Querschnittsverengung
in der Form eines sich in der §trömungsrichtung erweiternden Kanals und Fig. 2 den
in die Austrittsöffnung des Förderkanals hineinragenden rohrförmigen Ansatz des
die Querschnittsverengung bildenden Formstückes dar, beides in Pumpen, bei welchen
der Zuflußweg für die Flüssigkeit durch das der Ouerschnittsverengung abgekehrte
Ende des Zylinders gebildet ist; Fig. 3, 4 und 5 betreffen schematische Darstellungen
von verschiedenen Kombinationen der einzelnen erfindungsgemäßen Elemente, wobei
aus Fig. 3 eine Pumpe mit einem hinten durch eine Bodenplatte abgeschlossenen Zylinder
und einem mit der Austrittsöffnung versehenen Kolben, aus Fig. 4 eine Pumpe mit
einer Fördermembran und einer im Pumpenrohr fix angeordneten Austrittsöffnung und
aus Fig. 5 wieder eine Pumpe mit einem Zylinder und einer im Kolben angeordneten
Austrittsöffnung ersichtlich ist.
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Bei sämtlichen, in den Fig. 3 bis 5 dargestellten Pumpen erfolgt jedoch
die Flüssigkeitszufuhr von der Seite über ringförmige Kanäle, bei der Pumpe gemäß
Fig. 5 ist überdies eine Flüssigkeitszufuhr auch von hinten vorgesehen. Schließlich
zeigt Fig. 6 eine besonders einfache Bauart einer Pumpe, welche teils in das mit
der zu fördernden Flüssigkeit gefüllte Gefäß ragt und direkt seitlich mit Flüssigkeit
angespeist wird und deren anderer, das nicht dargestellte Antriebssystem tragender
Zylinderteil aus dem Gefäß herausragt. Pfeile in den Figuren der Zeichnungen deuten
Strömungsrichtungen der Flüssigkeit an.
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Die ventillose Pumpe gemäß Fig. 1 besitzt einen rasch schwingenden,
elektromagnetisch angetriebenen Kolben 11, der einen zentrischen, in Richtung seiner
Achse verlaufenden und sich in der Strömungsrichtung verengenden Förderkanal 12
aufweist. Der Kolben 11 bewegt sich gleitend hin und her in einem Zylinder 13 geringer
Wandstärke aus nicht magnetisierbarem, vorzugsweise isolierendem Material, durch
den die magnetischen Kraftfelder irgendeines bekannten schwingungserzeugenden, den
Zylinder umfassenden Antriebssystems, das jedoch nicht dargestellt ist, auf den
z. B. aus Isolierstoff bestehenden, mit einem längsgeschlitzten Eisenblechmantel
14 umgebenen Kolben 11 einwirken. Gegenüber der Austrittsöffnung 15 des Förderkanals
12 ist in der Zielrichtung des durch die Öffnung 15 gebildeten Flüssigkeitsstrahles
nahe der vorderen Totpunktlage des Kolbens 11, der in dieser Lage dargestellt ist,
eine feststehende Querschnittsverengung besonders des Abflußweges angeordnet, deren
Querschnitt etwa in der Größenordnung des Querschnittes der Austrittsöffnung 15
liegt. Die Ouerschnittsverengung 16 wird durch ein z. B. durch Klemmung festgehaltenes
Formstück 17 aus Gummi, Kunststoff od. dgl. gebildet, das einen zentrischen, an
die Querschnittsverengung 16 anschließenden, sich in der Strömungsrichtung erweiternden
Kanal 18 enthält. Das Formstück 17 kann zur Begrenzung der Schwingung des Kolbens
11 nach der einen Seite dienen, während auf der anderen Seite des Kolbens ein Anschlag
19, der z. B. aus einem Gummiring besteht, angeordnet sein kann. Sowohl das Formstück
17 als auch der Anschlag 19 sind zwecks Justierung der Pumpe im Zylinder 13 gegenüber
dem nicht gezeichneten magnetischen Antriebssystem längs verschiebbar. Allerdings
genügt es, allein den Anschlag 19 verschiebbar zu gestalten, wenn das magnetische
Antriebssystem selbst gegenüber dem allenfalls fest im Zylinder 13 angeordneten
Formstück 17 zwecks Justierung verschiebbar, jedoch für den Betrieb fixierbar ausgebildet
ist. Der Zuflußweg 33 bzw. der Abflußweg 43 münden vorzugsweise in nicht dargestellte
rohrförmige Ansatzstücke.
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Die Wirkungsweise einer derartigen Pumpe kann etwa folgendermaßen
erklärt werden: Bei der Kolbenbewegung in der Richtung auf das Formstück 17 wird
die zwischen dem Kolben 11 und dem Formstück 17 eingeschlosseneFlüssigkeit verdrängt
und strömt teils durch den Kanal 18 hindurch, zum geringeren Teil jedoch wegen der
Trägheit der in der Förderrichtung fließenden Wassersäule durch den Förderkanal
12. Bei der Umkehr der Kolbenbewegung wird der zwischen dem Kolben 11 und dem Formstück
17 eingeschlosseneRaum vergrößert. Hervorgerufen durch die Massenträgheit der durch
den Zylinder 13 nachströmenden Flüssigkeitssäule und die Kolbenbewegung gegen diese
Strömungsrichtung tritt aus der Spitze 15 des sich verjüngenden Förderkanals 12
ein scharfer Strahl aus, welcher in die Querschnittsverengung 16 des Formstückes
17 zielt und das Zurückströmen von Flüssigkeit aus demselben verhindert. Somit kommt
aber zu der am sich auch allein vorhandenen, den Rückfluß hemmenden Wirkung des
Förderkanals 12 die zusätzliche Sperrwirkung der Ouerschnittsverengung 16 während
des Kolbenrücklaufes hinzu, weshalb die Förderleistung bzw. der Wirkungsgrad derartiger
ventilloser Pumpen bedeutend besser ist als bei den bekannten ventillosen Pumpen.
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Die in Fig. 2 der Zeichnung dargestellte Ausführungsform bewährt sich
besonders in jenen Fällen, in denen unter Ausnutzung der zeitweisen Strahlbildung
in der Spitze 15 des Förderkanals 12 der an sich stark pulsierende Flüssigkeitsdruck
nicht ausgeglichen werden, sondern erhalten bleiben soll, z. B. für Zimmerfontänen
mit Ausstoßdüsen, aus denen der Flüssigkeitsstrahl in möglichst viele feine Tröpfchen
zerteilt
austreten soll. Dies wird dadurch bewirkt. daß z. B. das
dem schwingenden Kolben 11 zugekehrte Ende des die Querschnittsverengung 16 bildenden
Formstückes 17 einen rohrförmigen Ansatz 20 aufweist, der in der vorderen Totpunktlage
des schwingenden Kolbens 11 in die Austrittsöffnung 15 des Förderkanals 12 hineinragt.
Die gleiche `'Wirkung erhält man, wenn das rohrförmige Ansatzstück 20 am Kolben
angeordnet ist und am Ende des Hubes in die Querschnittsverengung 16 hineinragt.
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Besonders günstige Ergebnisse liegen vor, wenn man sowohl den Förderkanal
12 als auch den Kanal 18 bei sämtlichen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Pumpe nach strömungstechnischen Gesichtspunkten ausbildet, um überflüssige Wirbelbildungen
zu vermeiden; dies wird offenbar am besten dadurch erreicht, daß man die genannten
Kanäle düsenartig formt.
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Mit Pumpen dieser Art, bei welchen die Flüssigkeitszufuhr von hinten
erfolgt, werden besonders günstige Förderhöhen erzielt. Für den Fall jedoch. da.ß
eher auf große Fördermengen Wert gelegt wird, hat es sich als vorteilhaft erwiesen,
die zu fördernde Flüssigkeit seitlich zuzuführen. Eine derartige Pumpe zeigt Fig.
3; der rasch schwingende Kolben 11 trägt an seiner Stirnseite die Austrittsöffnung
15, der die Querschnittsverengung 16 gegenübersteht. An den Zylinder 13, der hinten
durch die Bodenplatte 26 dicht abgeschlossen ist, schließt ein ringförmiger Zulaufkanal22
an, der die Flüssigkeitszufuhr durch den korrespondierende Löcher oder Schlitze
24 aufweisenden oder überhaupt an dieser Stelle unterbrochenen Zylinder 13 in den
Raum zwischen der Austrittsöffnung 15 und der Querschnittsv erengung 16 ermöglicht.
An den Zulaufkanal 22 ist ein rohrförmiges Ansatzstück 33 angeschlossen, ebenso
an den Zylinder 13 das Ansatzstück 43 als Abflußweg.
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In Fig. 4 ist hingegen eine Pumpe mit einer Fördermembran 21, die
an Stelle der Bodenplatte 26 den Abschluß des Rohres 23 bildet, dargestellt. Bei
dieser Pumpe, zu deren Antrieb ein besonders einfach gestaltetes Antriebssystem
- z. B. ein Solenoid - genügt, ist auch der die Austrittsöffnung 15 bildende Formteil
gegenüber dem die Querschnittsverengüng 16 aufweisenden Formteil fest angeordnet,
und der ringförmige Zubringerkanal 22 wird eben durch diese Formteile sowie durch
das Rohr 23 gebildet, das eine seitliche Zuflußöffnung 24 und den Rohrstutzen 33
aufweist. Der Abflußweg wird durch den Rohrstutzen 43 gebildet.
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Fig. 5 stellt eine hinsichtlich der Ausbildung des ringförmigen Zubringerkanals
22 der Pumpe gemäß Fig. 4 ähnliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe
dar. Allerdings handelt es sich hierbei um eine Kolbenpumpe, deren Kolben 11 an
seiner konisch geformten Stirnseite die Austrittsöffnung 15 trägt, so daß der ringförmige
Kanal 22 durch die Stirnseite des Kolbens 11, den Zylinder 13 und den die Querschnittsverengung
16 aufweisenden Formteil gebildet ist. Auch hier erfolgt der seitliche Zufluß über
Rohre 33 und Löcher oder Schlitze 24 in der Zylinderwand, und der Abflußweg wird
durch den Stutzen 43 gebildet, jedoch kann eine Flüssigkeitszufuhr mittels eines
abgezweigten Rohres oder Schlauches 33'. das in eine Öffnung der Bodenplatte 26
mündet, auch von hinten erfolgen. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß die Fördercharakteristik
der Pumpe durch die Verstellung der in den beiden Zuführungsrohren 33 angeordneten
Ventile 25 wahlweise geändert werden kann. Bei einer Schließung des die hintere
Zufuhr regelnden Hahnes und der Öffnung des seitlichen Hahnes wird eine große Flüssigkeitsmenge
gefördert, wogegen bei der umgekehrten Halmstellung eine große Förderhöhe mit der
gleichen Pumpe erzielbar ist. Selbstverständlich sind auch Hahnstellungen möglich
bzw. fallweise zweckmäßig, bei welchen beide Zuflußwege mehr oder weniger geöffnet
sind. Insbesondere ist es zweckmäßig, die beiden Hähne auf Verdrehung zu kuppeln
oder einen Doppelhahn vorzusehen, damit beide Hähne mit einem einzigen Handgriff
im gegensätzlichen Sinne verstellbar sind.
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Es ist ferner selbstverständlich, daß bei den Ausführungsbeispielen
gemäß den Fig. 3 bis 5 sowohl die die Austrittsöffnung 15 sowie die Querschnittsverengung
16 aufweisenden Formteile als auch alle anderen im Flüssigkeitsweg angeordneten
Einzelteilen nach strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgebildet sind und daß
insbesondere die beiden Formstücke zur Justierung verstellbar sind. Schließlich
können auch die Zu- und Abflußwege 33 bzw. 43 in einer anderen als in der dargestellten
Form, z. B. als über den Zylinder 13 bzw. das Rohr 23 geschobene Mäntel, ausgebildet
sein.
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In Fig.6 ist eine ventillose Pumpe mit direkter seitlicher Zuführung
der zu fördernden Flüssigkeit dargestellt. Die Anordnung eines ringförmigen Zubringerkanals
erübrigt sich hierbei, da der die Zuflußöffnungen 24 tragende Teil des Zylinders
13 in den mit Flüssigkeit angefüllten Raum 28 ragt. Dieser ist durch eine Wand 29
vom übrigen Teil des Pumpenzylinders 13, der den Kolben sowie die nicht dargestellte
Antriebsvorrichtung trägt, dicht abgeschlossen. Der dichte Abschluß wird z. B. durch
die Schraubenmutter 30 und den Dichtungsring 31 bewirkt, der gegen den Bund 32 des
Zylinders 11 gepreßt ist. Der Pumpenzylinder ist hinten durch die Bodenplatte 26
abgeschlossen. Der länglich ausgebildete Kolben 11 trägt den Eisenmantel 14 für
den Antrieb und weist in seinem vorderen Teil nahe der Austrittsöffnung 15 Schlitze
27 auf, die mit den Löchern 24 in der Wand des Zylinders 11 korrespondieren und
den Zutritt der Flüssigkeit aus dem Raum 28 durch die Löcher 24 in den Förderkanal
12 ermöglichen. Um eine Geradführung des Kolbens 11 zu erübrigen, ist hierbei sein
äußerer Durchmesser im Bereich der Öffnung 27 bzw. 24 geringer gehalten als der
innere Durchmesser des Zylinders 13, so daß auch im Falle einer relativen Verdrehung
der Öffnungen 24 und 27 zueinander ein Weg für die Flüssigkeit offen steht. Die
übrigen Teile der Pumpe sind entsprechend dem in der Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel
ausgebildet.
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Naturgemäß können gegenüber den gezeigten Ausführungsbeispielen von
Pumpen, die wegen ihres ventillosen Aufbaues besonders einfach, wenig störanfällig
und billig sowie zum Gebrauch in Springbrunnen, zur Förderung von Kühlmitteln, Säuren,
ferner in Getränkeautomaten sowie für Reklamezwecke, Aquarien usw. geeignet sind,
auch andere Konstruktionsvarianten benutzt werden, ohne daß der Rahmen der Erfindung
verlassen wird.