-
Bereich der Erfindung
-
Eine Verdrängerpumpenvorrichtung wird offenbart, um Medien, wie z. B. Flüssigkeiten oder Gase, zu pumpen. Darüber hinaus wird auch ein Verfahren zur Steuerung des Betriebs einer Verdrängerpumpe offenbart. Es sei darauf hingewiesen, dass das Verfahren und die Vorrichtung für viele unterschiedliche Entwürfe einer Verdrängerpumpe angewendet werden können, was Pumpen mit mehreren Kammern einschließt.
-
Die
DE 103 92 934 B4 beschreibt ein normales Membranpumpensystem, welches eine flexible Membran einsetzt, um aggressive und/oder (ab)schleifende Medien, beispielsweise heiße und/oder stark korrosive flüssige Massen in der Bergbauindustrie zu verdrängen oder zu pumpen. Die Membran ist unter dem Einfluss einer Arbeitsflüssigkeit, welche unter Druck gesetzt werden kann, in einem Membrangehäuse bewegbar.
-
Die
DE 39 22 916 A1 offenbart eine Druckpumpe für fließfähige Medien, insbesondere für Espressomaschinen, zur Verwendung als Pumpe für höhere Pumpdrücke. Dabei werden Speicherfedern eingesetzt, um auf einen Kolben der Druckpumpe bei einem Kompressionshub einen zusätzlichen Druck auszuüben. Dadurch können zur Herstellung von Espresso höhere Betriebsdrücke erzielt werden.
-
Die
DE 600 24 154 T2 offenbart eine Kolbenpumpe für Flüssigkeiten. Ein Zylinder stellt einen geschlossenen Innenraum mit einander gegenüberliegenden Enden bereit. Eine Kolbenanordnung mit einem ausgebenden Ende und einem gegenüberliegenden Ende befindet sich bewegbar in dem Innenraum zur Bewegung in einander entgegengesetzten linearen Richtungen zwischen den gegenüberliegenden Enden des Innenraums. Ein Dichtungsglied sorgt für eine dynamische Fluiddichtung zwischen der Kolbenanordnung und dem Zylinder. Ein magnetischer Linearantrieb bewegt die Kolbenanordnung in den entgegengesetzten linearen Richtungen. Die Pumpe weist Medien auf, um bei der Bewegung der Kolbenanordnung durch den Saugtakt Energie zu speichern und um die gespeicherte Energie freizugeben, wenn die Kolbenanordnung in Richtung des ausgebenden Endes des Innenraums bewegt wird.
-
Die
DE 35 37 297 A1 beschreibt eine Antriebsvorrichtung für eine Pumpe. Die Antriebsvorrichtung umfasst eine Exzenterscheibe, einen durch die Exzenterscheibe entgegen der Kraft einer Rückholfeder verschiebbaren Pumpenstößel und eine Anordnung zur Speicherung mechanischer Energie.
-
-
Die
JP H10-122 131 A offenbart eine Dosierpumpe.
-
Die
DE 197 82 185 C2 beschreibt ein Pumpensystem zum Verpumpen heißer Medien, wobei das Pumpensystem eine Membranpumpe aufweist.
-
-
Hintergrund der Erfindung
-
Verdrängerpumpen werden weithin eingesetzt. Solche Pumpen können eine oder mehrere Pumpenkammern umfassen, wobei jede Kammer einen Einlass und einen Auslass aufweist. Im Betrieb können der Einlass und der Auslass aufeinanderfolgend geöffnet und geschlossen werden. Bei einer bekannten Vorrichtung kann jede Pumpenkammer mit zumindest einem Verdrängungselement angeordnet werden, welches mit irgendeinem Antriebsmittel, das in der Nähe der Pumpenkammer angeordnet ist, bewegt werden kann. Während dieser Bewegung führt das Verdrängungselement entweder einen Saughub oder einen Verdrängungshub aus, wodurch das Volumen der Pumpenkammer entsprechend erhöht oder verringert wird.
-
Bei einigen Ausführungsformen nach dem Stand der Technik weist die Pumpenkammer zumindest ein flexibles Trennelement auf, welches zumindest einen Teil der Seitenwand davon ausbildet und ausgestaltet ist, um das Verdrängungselement von dem Fluid zu trennen, welches durch die Kammer gepumpt wird.
-
Solche Verdrängerpumpen werden im Allgemeinen in Pumpen- und/oder Kompressorsystemen eingesetzt, um aggressive und/oder (ab)schleifende Medien, wie z. B. bestimmte flüssige Massen oder einige korrosive Flüssigkeiten oder Gase, welche eine hohe Temperatur aufweisen oder unter einem hohen Druck stehen, zu pumpen oder zu verdrängen. Bei einer Ausführungsform einer bekannten Verdrängungsvorrichtung, wird eine bestimmte Menge eines zu verdrängenden Mediums über die Einlassseite (und von dem Leitungssystem) während des Saughubs des Verdrängungselements in die Pumpenkammer befördert, und dieselbe Menge des Mediums wird über die Auslassseite während des Verdrängungshubs des Verdrängungselements aus der Pumpenkammer verdrängt bzw. gedrängt (oder gezwungen).
-
Die Antriebsmittel, welche eine versetzende Bewegung bezüglich des Verdrängungselements ausführen, können ein Linearmotor, ein Magnetantrieb, ein hydraulischer Antrieb, eine Steuerwelle, ein exzentrischer Antrieb, ein Kurbel-Gestänge-Mechanismus, usw., sein. Bei normalen Betriebsfällen ist das Verdrängungselement einem Verdrängungshub, welcher aufgrund des Arbeitsdrucks zu einer Belastung führt, und einem keine Belastung oder eine geringe Belastung hervorrufenden Saughub ausgesetzt. Daher richten sich die Konstruktionsabmessungen des Verdrängungselements und seiner entsprechenden Teile aufgrund dieser nicht ausgeglichenen Aufbringung von Kräften dem eine Belastung verursachenden Verdrängungshub zu.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, eine Verdrängerpumpenvorrichtung bereitzustellen, bei welcher die Belastung auf die sich bewegenden Teile wesentlich verringert ist.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung stellt eine Verdrängerpumpenvorrichtung bereit, um ein zu pumpendes Fluid bzw. Pumpenfluid zu verdrängen, wobei die Vorrichtung umfasst:
eine oder mehrere Pumpenkammern, welche in einem Leitungssystem zur Aufnahme des zu pumpenden Fluids angeordnet sind, wobei das Leitungssystem mindestens einen Einlass, welcher mittels eines Ventils verschlossen werden kann, und mindestens einen Auslass, welcher mittels eines Ventils verschlossen werden kann, aufweist;
wobei die eine oder die mehreren Pumpenkammern über mindestens eine Zwischenfluidkammer mit mindestens einem Verdrängungselement verbunden sind, wobei das Verdrängungselement derart angeordnet ist, dass es abwechselnd während seiner Bewegung einen Saughub und einen Verdrängungshub durchführt, um ein Fluid in der Zwischenfluidkammer zu verdrängen, wodurch das Volumen der Pumpenkammer entsprechend erhöht bzw. verringert wird; und
wobei mindestens ein flexibles Trennelement bei der Pumpenkammer vorhanden ist, um das Fluid in der Zwischenfluidkammer von dem zu pumpenden Fluid zu trennen,
wobei erfindungsgemäß Kraftmittel vorhanden sind, um eine Kraft oder eine Energie auf einer Seite des mindestens einen Verdrängungselements zumindest während des Verdrängungshubs in solch einer Weise aufzubringen, dass die Kraft oder Energie der Kraft, welche durch das Fluid in der Zwischenfluidkammer auf das Verdrängungselement ausgeübt wird, entgegenwirkt, wodurch die Gesamtkraft, welche erforderlich ist, um die Verdrängungshubbewegung des Verdrängungselements auszuführen, verringert wird.
-
Bei einer Ausführungsform kann das Verdrängungselement durch Antriebsmittel bewegt werden, welche an einer Seite der Pumpenkammer angeordnet sind.
-
Bei einer Ausführungsform können die Kraftmittel eine Kraft oder eine Energie aufnehmen, welche während des Saughubs erzeugt wird.
-
Als Ergebnis der Ausübung einer zusätzlichen Kraft auf das Verdrängungselement kann die Belastung, welcher die verschiedenen Teile während des Betriebs der Verdrängungsvorrichtung ausgesetzt sind, wesentlich verringert werden.
-
Da sich das Verdrängungselement darüber hinaus in keinem direkten Kontakt mit dem zu pumpenden Fluid befindet, sondern aufgrund eines Trennelements und einer Zwischenfluidkammer davon getrennt ist, können die Kompensationskräfte direkt auf das Verdrängungselement aufgebracht werden, da dieses Verdrängungselement in einem reinen Zwischenfluid arbeitet, wodurch seine Konstruktionsabmessungen weiter beschränkt werden. Indem der einer Belastung ausgesetzte Verdrängungshub kompensiert und der keiner Belastung ausgesetzte Saughub mit näherungsweise derselben Kombinationskraft belastet wird, verteilt sich die Gesamtbelastung über den gesamten Hub des Verdrängungselements. Das gesamte Antriebsgetriebe kann mit einer viel höheren Verdrängungsenergie belastet werden oder ein Antriebsmittel mit geringeren Abmessungen kann unter denselben Betriebsbedingungen eingesetzt werden.
-
Bei einer Ausführungsform können die Kraftmittel auf einer Seite des Verdrängungselements angeordnet sein, welche der Seite, auf welcher sich die Pumpenkammer befindet, gegenüberliegt.
-
Die Kraftmittel sind ein Fluid, wie z. B. ein Hydrauliköl oder ein wasserhaltiges Fluid oder ein Gas.
-
Bei einer alternativen Ausführungsform können die Kraftmittel zumindest ein Federelement umfassen, welches sich mit dem mindestens einen Verdrängungselement auf einer Seite des Verdrängungselementes, welche der Seite, auf welcher die Pumpenkammer angeordnet ist, gegenüberliegt (d. h. auf die Seite des Verdrängungselements, welche der Pumpenkammer abgewandt ist), in Eingriff befindet.
-
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform können die Kraftmittel einen mit einem Gas arbeitenden bzw. vorgeladenen Druckspeicher bzw. Akkumulator für ein Arbeitsmedium umfassen, wobei sich der Druckspeicher in Kommunikation mit einer Seite des Verdrängungselement befindet, welcher der Seite, auf welcher sich die Pumpenkammer befindet, gegenüberliegt. Auf diese Weise kann ein Gegendruck oder eine entgegenwirkende Kraft in einer effektiven Weise, insbesondere während des Verdrängungshubs, auf das Verdrängungselement ausgeübt werden, was zu verringerten Kräften oder Belastungen bezüglich der sich bewegenden Teile der Vorrichtung führt. Dabei kann das Medium ein unter Druck setzbares Fluid, insbesondere ein Gas, sein. Bei solch einer Ausführungsform kann der Druckspeicher als ein Vorratsbehälter für ein Fluid fungieren, welches abhängig von der Stellung des Verdrängungselements in den Druckspeicher hinein gedrängt oder aus dem Druckspeicher hinaus gedrängt wird.
-
Bei einer Ausführungsform kann die Seite von zumindest einem der Verdrängungselemente, welche der Seite, auf welcher die Pumpenkammer angeordnet ist, gegenüberliegt, in Kommunikation mit einer Seite von mindestens einem anderen der Verdrängungselemente stehen, welche auch auf der gegenüberliegenden Seite von einer anderen entsprechenden Pumpenkammer angeordnet ist. Bei dieser Anordnung kann eine Anzahl von Verdrängungselementen in solch einer Weise in Phase miteinander versetzt werden, dass das Volumen auf den Seiten der Verdrängungselemente, welche sich in Kommunikation miteinander befinden, zusammenhängend ist und so dass die Summe der Volumen im Wesentlichen oder vollständig konstant bleibt.
-
Wenn mit anderen Worten die Kraftmittel ein Fluid sind, wird, während ein Verdrängungselement bei einem Verdrängungshub ausfährt, ein anderes der Verdrängungselemente zu diesem Moment bei einem Saughub eingezogen, so dass das Fluid von dem Bereich hinter dem einen Verdrängungselement zu dem Bereich hinter dem entsprechenden anderen Verdrängungselement strömen kann. Der Vorteil davon ist, dass sich die verschiedenen Pumpenabschnitte der Verdrängungspumpe in einer in sich geschlossenen Weise unterstützen. Dies führt zu einer effektiven Verwendung des unter Druck stehenden Arbeitsmediums, so dass das Medium jederzeit den Abgabehub der verschiedenen Pumpenkammern der Verdrängerpumpe unterstützen kann. Bei einer bestimmten Ausführungsform dieser Anordnung kann das zusammenhängende Volumen innerhalb einer Sammelleitung definiert sein.
-
Bei einer Ausführungsform kann das oder jedes Verdrängungselement ein Kolben sein.
-
Bei einer Ausführungsform kann das oder jedes flexible Trennelement eine Wand oder einen Abschnitt einer Wand der Zwischenkammer ausbilden, welche/r an die Pumpenkammer angrenzt bzw. der Pumpenkammer zugewandt ist.
-
Bei einer Ausführungsform können die Kraftmittel darüber hinaus ein Pumpenelement umfassen, welches derart ausgestaltet ist, dass es das Zwischenmedium zu der Seite des mindestens einen Verdrängungselements drängt, welche der Seite, auf welcher die Pumpenkammer angeordnet ist, gegenüberliegt.
-
Bei einer Ausführungsform können die Kraftmittel teilweise abhängig von dem Druck, welcher in dem Auslass und möglicherweise auch in dem Einlass des Leitungssystems herrscht, gesteuert werden.
-
Bei einer Ausführungsform können die Kraftmittel teilweise abhängig von der Temperatur, welche auf der Seite des mindestens einen Verdrängungselements, wo die Kraft angreift, herrscht, gesteuert werden.
-
Bei einer Ausführungsform können die Kraftmittel teilweise abhängig von dem Druck, welcher auf der Seite des mindestens einen Verdrängungselements, wo die Kraft angreift, herrscht, gesteuert werden.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Ungeachtet aller anderen Ausführungsformen, welche in den Umfang des Verfahrens und der Vorrichtung fallen, die in der Zusammenfassung dargelegt worden sind, werden im Folgenden bestimmte Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung beispielhaft und mit Bezug zu den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gilt:
-
1 ist eine perspektivische Außenansicht einer Verdrängerpumpe nach dem Stand der Technik;
-
2a zeigt eine schematische Darstellung einer ersten, partiellen Ausführungsform einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
2b zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren, partiellen Ausführungsform einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
2c zeigt eine schematische Darstellung einer noch anderen, partiellen Ausführungsform einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
3 zeigt eine schematische Darstellung einer partiellen Ausführungsform einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
4 zeigt eine schematische Darstellung einer partiellen Ausführungsform einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
5a zeigt eine schematische Darstellung einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
5b zeigt eine schematische Darstellung einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
5c zeigt eine schematische Darstellung einer Verdrängerpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
-
6a zeigt eine Darstellung von einigen experimentellen Messungen von Verdrängungselement-Lastmessungen, welche mit einer Verdrängerpumpe sowohl mit als auch ohne einen Belastungsausgleich durchgeführt worden sind, wobei der Belastungsausgleich mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt worden ist;
-
6b zeigt eine Darstellung von einigen theoretischen Berechnungen individueller Fluidströmungsraten, welche durch individuelle Verdrängungselemente als Funktion eines Pumpenkurbelwellenwinkels erzeugt worden sind, wobei eine Verdrängerpumpe mit drei Kombinationen eines Verdrängungselements, einer Zwischenkammer, einer Pumpenkammer und eines flexiblen Trennelements entsprechend einer erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzt worden ist.
-
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden ähnliche Teile im Folgenden in der Beschreibung der Figuren mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. 1 stellt eine Ausführungsform einer Verdrängerpumpe gemäß dem Stand der Technik dar. Die Pumpe 10 umfasst drei Pumpenkammern 12a–c, welche in einem Pumpengehäuse 12 integriert sind, das mit dem Kurbelgehäuse 11 verbunden ist.
-
Die Verdrängerpumpe 10 ist in diesem Fall als eine dreifache Verdrängungsvorrichtung ausgestaltet. Bei dieser Ausführungsform umfasst die Pumpenkammer 12 drei Pumpenabschnitte, welche als Zylinder-Kolben-Kombinationen konfiguriert sind, wobei die individuellen Zylinder davon mit 13a–13c bezeichnet sind. Innerhalb der Zylinderkammern 13a–13c sind drei Kolben 14a–14c (nicht dargestellt) angeordnet, welche als Verdrängungselemente arbeiten. Wie dargestellt ist, ist jeder Kolben 14a–14c mit einer Kolbenstange 15a–15c (siehe 3 und 4) verbunden, wobei die Kolbenstange 15a–15c mit irgendeiner Art eines Antriebsmittels verbunden ist. Bei dieser Ausführungsform sind die Antriebsmittel als eine Kurbelwelle ausgestaltet, welche zur Drehung in dem Kolbengehäuse 11 montiert ist und welche durch die Antriebswelle 111 über ein inneres Getriebe in diesem Gehäuse angetrieben wird.
-
Mit Hilfe der drehbaren Antriebskurbelwelle 110 werden die Kolben 14a–14c in den Zylinderkammern 13a–13c, welche einen Teil der Pumpenkammer ausbilden, über die verschiedenen Kolbenstangen 15a–15c hin und her bewegt (verschoben).
-
Mit Bezug auf 2a umfasst das Pumpengehäuse 20 eine Pumpenkammer 22. Das Pumpengehäuse 20 befindet sich in einem Leitungssystem mit einer Einlassseite 21' und einer Auslassseite 21'', wobei die Einlassseite und die Auslassseite mit Hilfe eines Einwegventils 24' bzw. 24'' verschließbar ist.
-
Um ein Medium, welches durch das Leitungssystem strömt, zu verdrängen, ist ein Verdrängungselement in der Form einer Kombination aus einem Kolbenkopf 14 und einer Kolbenstange 15 vorhanden, welche durch Antriebsmittel (nicht dargestellt) in und aus der Pumpenkammer 22 bewegt werden kann. Aufgrund dieser Bewegung wird der Kolbenkopf und die Kolbenstange 14, 15 einem Saughub wie auch einem Verdrängungshub ausgesetzt. Während des Saughubs bewegt sich der Kolbenkopf 14 von rechts nach links (mit Bezug auf 2a), wodurch sich das Volumen des Pumpenkammerraumes 22 erhöht. Über die Einlassseite 21' wird ein Fluid oder ein Gemisch, welches zu pumpen ist, in den Pumpenkammerraum 22 nach dem Einwegventil 24', welches in dieser Situation offen ist, eingeführt. Der Raum wird größer, da sich das Fluid in der Zwischenfluidkammer 13a von rechts nach links bewegt und das flexible Trennelement in der Form einer Membran 23 auch nach links, zu dem Kolbenkopf 14, zurückgezogen wird.
-
Wenn sich der Kolbenkopf und die Kolbenstange 14, 15 während des Verdrängungshubes von links nach rechts, wie es in 2a dargestellt ist, bewegen, wird das Volumen des Pumpenkammerraumes 22 verkleinert und das Fluid oder das Gemisch, welches sich in dem Pumpenkammerraum befindet, wird über die Auslassseite 21'' hinausgedrängt. Das Einwegventil 24'' öffnet sich, während das Einwegventil 24' auf der Einlassseite 21' geschlossen bleibt. Das Fluid in der Zwischenfluidkammer 13a wird von links nach rechts bewegt, und die Membran, wie es in 2a dargestellt ist, wird auch von rechts nach außen und weg von dem Kolbenkopf 14 geschoben.
-
Um die sich ergebenden Kräfte auszugleichen, welche auf die Kolbenstange und die Antriebsmittel während der Schiebebewegung des Kolbenkopfes während des gesamten Schiebehubes ausgeübt werden, sind Kraftmittel vorhanden, durch welche die Energie, welche während des Saughubs gespeichert worden ist, während des nächsten Verdrängungshubes abgegeben wird, um dadurch die Kraft, welche für den Verdrängungshub, damit dieser auftritt, erforderlich ist, zumindest teilweise zu reduzieren. Bei der in 2a dargestellten Ausführungsform sind die Kraftmittel als ein Federelement 16 ausgestaltet, welches vorgespannt sein kann und welches auf dem Boden 130 des Zylindergehäuses 13 gelagert ist. Das Federelement 16 übt eine Kraft auf den Kolbenkopf 14 aus, welcher sich in dem Zylindergehäuse 13 bewegt.
-
2b stellt eine andere Ausführungsform der Kraftmittel 16 gemäß der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Kraftmittel einen Druckspeicher 162 umfassen, in welchem ein Trennelement 166 angeordnet ist, welches den Raum des Druckspeichers 162 in einen ersten Raum 168 und in einen zweiten Raum 167 unterteilt. Der erste Raum 168 ist mit einem Gas gefüllt, welches von dem Arbeitsmedium, das in dem zweiten Raum 167 vorhanden ist, insbesondere durch die flexible Membran 166 getrennt ist. Das Gas, welches in dem ersten Raum 168 vorhanden ist, kann beispielsweise unter einem bestimmten Druck stehende komprimierte Luft sein, während das in dem zweiten Raum vorhandene Medium beispielsweise eine Flüssigkeit sein kann. Das Arbeitsmedium übt eine Kraft auf den Kolbenkopf 14 aus, da sich der Druckspeicher 162 in Kommunikation mit dem Raum 13' des Zylinders 13 befindet, in welchem sich der Kolbenkopf 14 während des Betriebs bewegt.
-
Bei der in 2c dargestellten Ausführungsform umfassen die Kraftmittel auch einen Druckspeicher 162, welcher in diesem Fall vollständig mit einem gasförmigen Medium gefüllt ist und wobei das Trennelement 166, wie es in 2b dargestellt ist, fehlt.
-
3, 4, 5a und 5b stellen eine Verdrängerpumpe dar, in dieser Ausführungsform eine dreifache Verdrängungsvorrichtung, obwohl in den 3 und 4 nur das Detail von einer der drei Kombinationen eines Verdrängungselements in der Form eines Kolbenkopfes 14 und einer Kolbenstange 15, einer Zwischenkammer 13'', einer Pumpenkammer 22 und eines flexiblen Trennelements in der Form einer Membran 23 dargestellt ist. Ein Zwischenmedium ist in der Zwischenkammer 13'' vorhanden. Bei einigen Ausführungsformen kann das Zwischenmedium ein nicht komprimierbares Fluid, wie z. B. eine Flüssigkeit, sein. Bei einigen Ausführungsformen ist die Membran kein separates Element, sondern bildet eine Wand (oder einen Abschnitt einer Wand) der Zwischenkammer, welche/r der Pumpenkammer gegenüberliegt.
-
Während der Hin- und Her-Bewegung in den Zylinderkammern 13a'–13c' drängt jeder der Kolbenköpfe 14a–14c das Zwischenfluid, welches in der Zwischenkammer 13'' vorhanden ist, in die Richtung eines flexiblen Trennelements in der Form einer Membran oder eines Schlauchs 23. Die Membran oder der Schlauch 23 isoliert die Verdrängungsvorrichtung 10 von der Pumpenkammer 22, welche mit Hilfe von Verbindungsflanschen 21a'–21a'' in einer Leitung montiert ist, durch welches zum Beispiel eine aggressive und abschleifende Flüssigkeit gepumpt werden kann. Das flexible Trennelement kann auch ein schlauchartiges Element sein.
-
Während des Verdrängungs- oder Abgabe-Hubes wird die Bewegung des Verdrängungselementes hydraulisch über das Zwischenfluid in der Zwischenkammer 13'' auf die Membran 23 übertragen, wobei sich die Membran 23 ausdehnt und das zu pumpende Fluid oder die wässrige Masse, welche in der Pumpenkammer 22 vorhanden ist, über eine der zwei Flanschverbindungen 21a bzw. 21b hinauspumpt. Wie es deutlich in den 3 und 4 dargestellt ist, ist die Leitung 21a'–21a'' mit Einweg-Ventilen 24a' und 24a'' versehen, welche daher eine Beförderung des zu pumpenden Fluids oder der wässrigen Masse mittels der sich hin und her bewegbaren flexiblen Membran 23a über die Einlassseite 21a' in die Richtung der Auslassseite 21a'' ermöglicht. Um jede pulsierende Bewegung in dem Strom der wässrigen Masse, welche gepumpt wird, zu absorbieren, wird eine so genannte Dämpfungsvorrichtung 25a für pulsierende Bewegungen in dem stromabwärtigen Leitungsabschnitt 21a'' montiert.
-
Um die Belastung zu verringern, welche auf die Kolbenstange 15a–15c und den Kolbenkopf 14a–14c ausgeübt wird während die Verdrängerpumpe über die Kurbelwelle 110, die Kurbelwellenstange, die Verbindungsstange und den Verbindungsriegel (nicht dargestellt) angetrieben wird, ist die Verdrängungsvorrichtung mit Kraftmitteln versehen, welche eine zusätzliche Kraft auf die Seite des entsprechenden Kolbenkopfes 14a–14c auf der gegenüberliegenden Seite der Membran 23 ausüben.
-
Obwohl die Kraftmittel bei einer ersten Ausführungsform in der Form eines Federelements 16 und um die Kolbenstange 15 herum angeordnet sind (siehe 2a), welches sowohl auf dem Kolbenkopf 14a–14c als auch auf dem Boden 130 des Zündergehäuse 13 gelagert ist, können die Kraftmittel bei einer anderen Ausführungsform ein unter Druck setzbares Arbeitsmedium aus einem Vorratstank 160 (siehe 3 und 4) umfassen. Das unter Druck setzbare Medium kann ein Fluid sein, welches mit Hilfe einer Pumpe 161, einem Ventil 162 und Zuführungsleitungen 16d und 16a–16c der entsprechenden ersten Zylinderkammer 13a'–13b'–13c' des Gehäuses 13a–13c zugeführt wird.
-
Ein unter Druck Setzen des Kraftkompensationssystems findet nur einmal bei der Inbetriebnahme der Verdrängungsvorrichtung statt, wobei es anschließend nur eingesetzt wird, um einen Schwund wieder aufzufüllen oder zu kompensieren, die Entladungsdruckveränderungen der Verdrängungsvorrichtung anzupassen oder das Fluid für Temperatursteuerzwecke wieder aufzufüllen. Das Bezugszeichen 163a bezeichnet eine Rückführleitung, um jegliches überflüssige Zwischenarbeitsmedium in dem Speichertank 160 zu sammeln.
-
Das unter Druck Setzen des Kraftkompensationssystems kann auch von dem Verdrängungssystem selbst, insbesondere mit Hilfe des Zwischenfluids durchgeführt werden, welches von der Zwischenkammer 13a'' über eine Rückführleitung 163d zu dem Ventil 162 und den Zufuhrleitungen 16d und entsprechend 16a–16c zurückgeführt wird. Diese Ausführungsform ist in 4 dargestellt.
-
Bei solchen Anordnungen wird eine zusätzliche Fluidkraft oder ein zusätzlicher Fluiddruck auf die Kolbenköpfe 14a–14c während des Abgabehubes ausgeübt, weshalb die auf die verschiedenen Teile einwirkende Belastung als Ergebnis der Betriebskräfte, welche während des Betriebs auftreten, kleiner sind, wie es bereits mit Bezug auf die Ausführungsformen eines einzelnen Verdrängungselements beschrieben worden ist. Daher können, als wichtiges Ergebnis, sich bewegende Teile zur Abgabe einer Verdrängungskraft der Verdrängerpumpe 10 mit kleineren Abmessungen für dieselben Betriebsbedingungen entworfen oder eingesetzt werden.
-
In 4 ist eine alternative Darstellung gezeigt, in welcher bei einer weiteren Ausführungsform die Zwischenkammer 13a''–13c'' von jedem Pumpenabschnitt über die Leitung 163d mit dem Ventil 162 verbunden ist. Bei dieser Anordnung kann das Fluidmedium, welches in der Zwischenkammer 13a''–13c'' vorhanden ist, während des Ausgabehubs unter Druck abgegeben werden und kann verwendet werden, um einer ersten Druckkammer 13a'–13b' eines anderen Pumpenabschnitts zugeführt zu werden. In ähnlicher Weise kann das Fluidmedium, welches in der ersten Zylinderkammer 13a'–13c' vorhanden ist, unter Druck über die Leitungen 16a–16c und die gemeinsame Leitung 16d (oder Sammelleitung) während des Saughubs unter Druck zu der ersten Zylinderkammer 13a'–13c' eines anderen Pumpenabschnitts abgegeben werden, wobei ein anderer Leitungsabschnitt gleichzeitig einen Verdrängungs- oder Abgabehub durchführt.
-
Auf diese Weise unterstützen sich die verschiedenen Abschnitte untereinander, indem sie abwechselnd durch das hin und her drängende Fluidmedium unter Druck einen Abgabehub und einen Saughub ausführen. Dadurch werden die Kräfte, welche von den Antriebsmitteln, der Kurbelwelle und dem Getriebe auf die verschiedenen sich bewegenden Teile während der Ausgabehübe abgegeben werden müssen, wesentlich verringert, so dass die verschiedenen Teile mit kleineren Abmessungen entworfen werden können. Dies kann zu einer kompakteren Antriebsmitteleinheit oder Kurbelwelleneinheit für die einfache Verdrängungsvorrichtung führen, welche darüber hinaus preiswerter gefertigt werden kann.
-
Bei einigen Anordnungen ist das Fluid, welches eingesetzt wird, um eine Verringerung der Kräfte, welche auf die Kolben und die Kolbenstangen ausgeübt werden, zu bewirken, dasselbe wie das Zwischenmedium, welches eingesetzt wird, um die flexible Membran 23a–23c (23) während des Abgabehubs und des Saughubs der verschiedenen Abschnitte zu bewegen.
-
5a, 5b und 5c zeigen weitere Ausführungsbeispiele der in 3 und 4 dargestellten Ausführungsformen, welche mit drei Verdrängungsabschnitten aufgebaut sind, die jeweils durch Kraftmittel desselben Typs gesteuert werden. Bei den in 5a–5c dargestellten Ausführungsformen wird ein Druckspeicher 163, wie er in 2c dargestellt ist, eingesetzt, welcher im Gegensatz zu der einfachen Ausführungsform in diesem Fall nur eine geringe Elastizität aufweist, da sich das Volumen der Kammern 13a'–13c' vergrößert und verkleinert und da sich das Volumen dieser Kammern 13a'–13c' sonst während des Betriebs untereinander kompensiert. Bei den in 5a–5c dargestellten Ausführungsformen wird eine geringe Elastizität benötigt, um thermale Effekte, geringe mechanische (konstruktionsbedingte) Differenzen (z. B. eine fehlerhafte Phasensteuerung der verschiedenen Verdrängungselemente) und einen geringen Schwund zu kompensieren.
-
Die Ausführungsform der 5a offenbart eine passiv betriebene Konstruktion der Kraftmittel gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein unter Druck setzbares Arbeitsfluidmedium wird in dem Speichertank 160 gespeichert, welcher mit der Zuführungsleitung 16d verbunden ist. Die Zuführungsleitung 16d ist darüber hinaus über eine entsprechende Leitung 163a–c mit den Kammern 13a''–13c'' verbunden, wobei in jeder Leitung ein Rückschlagventil 170 vorhanden ist, was das Verdrängen eines Zwischenkammerfluids während der Saug- und Druckhübe zu der Zuführungsleitung 16d und damit zu der Seite des Kolbenkopfes 14a–14c, welche sich entfernt von dem flexiblen Membran 23a–23c befindet, ermöglicht.
-
Das Rückschlagventil in der Leitung 163a–c sorgt für einen Fluiddruck bezüglich der Ausgleichsammelleitung oder Zuführungsleitung 16d während der Abgabehübe der einzelnen Zylinder. Die Öffnung 171 in der Ablassleitung 172 zu dem Tank 160 ergibt einen kontinuierlichen Schwund von der Sammelleitung 16d zu dem Tank 160. Dieser Schwund wird wiederum durch die Zuführungsleitungen 163a–c kompensiert. Da der Druck in der Sammelleitung 16d aufgrund des Abflusses zu dem Tank 160 fällt, fällt er unter den Abgabedruck, welcher während des Abgabehubs des Kolbens in den Zwischenkammern 13a''–13c'' vorhanden ist. Der Druck in der Leitung 16d wird dann automatisch erhöht, indem Fluid von den Zwischenkammern 13a''–13c'' abgezogen wird, welches über die Rückschlagventile 170 durch die Leitungen 163a–c strömt. Die Zwischenkammer wird durch das ,normale' Membranpositionssteuersystem wieder gefüllt.
-
Der kontinuierliche Schwund ergibt eine kontinuierliche Erneuerung des Fluids in der Leitung 16d, was für eine Kühlung und automatische Drucksteuerung des Drucks in der Sammelleitung 16d sorgt, so dass dieser Druck gleich dem Abgabedruck der Pumpe ist.
-
In den 5b und 5c werden zwei andere Techniken dargestellt, um Kraftmittel aktiv zu betreiben. Das Bezugszeichen 180 bezeichnet einen Drucksensor, welcher in einer Schwingungsdämpfungsvorrichtung 25a oder in der Auslassleitung 21a'' angeordnet ist, wohingegen das Bezugszeichen 181 einen Drucksensor bezeichnet, welcher in der Eingangsleitung 21a' angeordnet ist. Beide Drucksensoren sind über eine Signalleitung 180a bzw. 181a mit einer Steuervorrichtung 182 verbunden. Die Steuervorrichtung 182 steuert ein Ventil 162, um den Durchgang eines Arbeitsfluids zur Erhöhung des Drucks zu ermöglichen. Die Steuervorrichtung 182 steuert auch ein Ventil 164, um das Arbeitsfluid abzulassen, um den Druck in dem System zu verringern.
-
Weitere Signaleingänge zu der Steuervorrichtung (um die Ventile 162 und 164 zu steuern) werden von einem Temperatursensor 183 und einem Drucksensor 184, welche in der Zuführungsleitung 16d angeordnet sind, zugeführt.
-
Durch die Eingangssignale, welche von den Drucksensoren 180–181 erhalten werden, berechnet die Steuervorrichtung 182 den optimalen Druck in der Zuführungsleitung 16d, wobei der berechnete Druck durch einen Betrieb der zwei Ventile 162 und 164 eingestellt wird. Darüber hinaus kann die Temperatur des Arbeitsfluids in der Zuführungsleitung 16d mit der Steuervorrichtung 182 gesteuert werden, indem die Ventile 162 und 164 abhängig von der Temperaturmessung mit dem Temperatursensor 183 und dem Drucksensor 184 geöffnet und geschlossen werden, wodurch das Arbeitsfluid der Kraftmittel erneuert wird.
-
In 5b wird eine Pumpe 161 eingesetzt, damit das Zwischenfluid von dem Speichertank 160 zu der Zuführungsleitung 16d zirkuliert, wohingegen überflüssiges Zwischenfluid über eine Rückkehrleitung 172a–c zu dem Tank 160 zurückkehren kann.
-
In 5c fehlt das Pumpenelement 161, da hier das Zwischenmedium über eine Leitung 163a–c von den Kammern 13a''–13c'' während des Druckhubs der Verdrängungselemente 14a–14c zu der Zuführungsleitung 16d zugeführt wird.
-
Es sei angemerkt, dass diese Merkmale, wie sie in den 5b und 5c dargestellt sind, auch bei den Ausführungsformen der 3 und 4 eingesetzt werden können.
-
Mit Bezug zu 4 (und 5c) sei weiter angemerkt, dass kein Pumpenelement 161 (wie es in 3 dargestellt ist) eingesetzt wird, um das Zwischenkammerfluid, welches dafür vorgesehen ist, das Kraftkompensationssystem unter Druck zu setzen, zirkulieren zu lassen. Tatsächlich kann bei der Ausführungsform der 4 das Zwischenkammerfluid während des Druckhubs der Verdrängerpumpenvorrichtung von der Leitung 163d abgelassen werden. Daher sei angemerkt, dass bei der Ausführungsform der 4 der maximale Druck des Zwischenfluids in der Zuführungsleitung 16d dem maximalen Druck entspricht, welcher in den Kammern 13a''–13b''–13c'' auftritt. Um den Druck in der Zuführungsleitung 16d für den Fall eines abnehmenden Arbeitsdrucks zu verringern, muss die Steuervorrichtung 182 in der Lage sein, das Ventil 162 derart zu steuern, dass das Zwischenkammerfluid abgelassen wird.
-
Die Ausführungsform der 4 weist gegenüber der Ausführungsform der 3 den Vorteil auf, dass keine zusätzliche Pumpeneinheit erforderlich ist, um die Zuführungsleitung 16d unter Druck zu setzen.
-
Jedoch ist auch der maximale Druck in der Zuführungsleitung 16d auf den maximalen Druck begrenzt, welcher durch die Verdrängerpumpe geliefert wird, wobei dieser Nachteil jedoch durch die Ausführungsform der 3 vermieden wird. Dabei ermöglicht der Einsatz eines Pumpenelementes 161, das höhere Drücke in der Zuführungsleitung 16d erzeugt werden, welche tatsächlich höher sein können, als der Druck, welcher in den Kammern 13a''–13c'' auftritt. Höhere Drücke ermöglichen, dass geringere Mengen eines Zwischenfluids von und zu der Zuführungsleitung 16d gedrängt werden müssen, was die Konstruktionsabmessungen der Pumpenkonstruktion weiter verringert. Darüber hinaus wird auch während des Betriebs der Pumpe weniger Hitze erzeugt. Der Druck in der Zuführungsleitung 16d kann auch durch die Druckmessungen mit den Sensoren 180 und 181 genauer gesteuert werden.
-
Der Erfinder hat beispielhaft einige experimentelle Messungen durchgeführt, um den Effekt der Anwendung von Kraftmitteln auf eine Seite des Verdrängungselements bei einer Pumpenanordnung, wobei sich die Pumpenkammern in einer zusammenhängenden Kommunikation oder in einer Fluidkommunikation befinden, zu verdeutlichen.
-
In 6a ist die Messung des Erfinders einer Belastung (einer in kN gemessenen Kraft) einer Kolbenstange (15) bei einer Verdrängerpumpe mit und ohne den Einsatz der erfindungsgemäßen Kraftmittel dargestellt. Die gestrichelte Linie stellt die Messungen ohne die Anwendung der Kraftmittel dar, und die durchgezogene Linie stellt die Messungen mit der Anwendung der Kraftmittel dar.
-
Wie der 6a entnommen werden kann, erhöht sich die Belastung der Stange ohne Anwendung der Kraftmittel von einem Niveau nahe Null während des Saughubs auf ein nahezu maximales Niveau während des Abgabehubs. Wenn die Kraftmittel eingesetzt werden (in diesem Fall ein konstanter Fluiddruck in der Ausgleichssammelleitung 16d) wird die maximale Belastung während des Abgabehubs abgesenkt und die Belastung nahe Null während des Saughubs wird erhöht, aber in die entgegengesetzte Richtung (negatives Vorzeichen). Daher wird für diesen Fall die maximale absolute Belastung verringert. Da ein sich bewegendes Mittel derart zu entwerfen ist, dass es den maximalen absoluten Wert (unabhängig von dem Vorzeichen) der Belastung der Kolbenstange berücksichtigt, können daher die Antriebsmittel mit geringeren Abmessungen entworfen werden, da diese absolute maximale Belastung, welche auszuhalten ist, geringer ist als bei einer Anordnung ohne erfindungsgemäße Kraftmittel.
-
In 6b ist eine theoretische Berechnung der einzelnen Ströme, welche durch die einzelnen Verdrängungselemente, die den flexiblen Trennelementen gegenüberliegen, für den Fall einer Verdrängerpumpe mit drei Zylindern, welche einen Kurbelwellen-Gestänge-Mechanismus als Antriebsmittel einsetzt, als gestrichelte Linien dargestellt. Die durchgezogene Linie stellt die Summe der drei einzelnen Strömungen dar, welche Null ist, wenn ein korrekter Phasenwinkel zwischen den einzelnen Kurbelwellenzapfen und somit Kolben verwendet wird. Die Nullsumme dieser Strömungen stellt sicher, dass das Volumen in der Ausgleichssammelleitung 16d während eines Pumpzyklus (einer Drehung der Kurbelwelle) konstant ist, wodurch die Größe des erforderlichen Druckspeichers beschränkt wird, welcher dann nur benötigt wird, um geringe Volumendifferenzen aufgrund einer unkorrekten Phasenlage der Kolben, eine thermische Ausdehnung des Fluids und einen geringen Schwund zu kompensieren. Durch den Druckspeicher wird das Steuersystem auch weniger empfindlich, wenn es auf geringere Abgabedruckänderungen und eine Fluiderneuerung zur Temperatursteuerung reagieren soll.
-
Bei einer weiteren bezüglich der beschriebenen Ausführungsformen alternativen Ausführungsform müssen die ausgewählten Kraftmittel nicht für jede Kolbenkammer dieselben sein, und es können andere Kraftmittel in einer oder in mehreren Kammern eingesetzt werden. Zum Beispiel kann eine Zylinderkammer mit einer Feder ausgestaltet sein, wohingegen andere Kammern mit einem Fluid gefüllt sind. Einige Kammern können über eine gemeinsame Sammelleitung oder eine andere Art eines Gehäuses verbunden sein, ohne dass jede Kammer so verbunden sein muss. Bei weiteren Ausführungsformen müssen die Zylinderkammern nicht dieselben Abmessungen aufweisen.
-
In der vorab stehenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist eine bestimmte Terminologie aus Klarheitsgründen verwendet worden.
-
Die derart beschriebene Erfindung soll aber durch diese ausgewählten speziellen Begriffe nicht beschränkt werden, und es sei darauf hingewiesen, dass jeder spezielle Begriff technische Äquivalente umfasst, welche in einer ähnlichen Weise wirken, um einen ähnlichen technischen Zweck zu erfüllen. Begriffe, wie „über”, ”unter”, ”rechts”, ”links” und so weiter, werden eingesetzt, um für Referenzpunkte zu sorgen und sollen nicht als einschränkende Begriffe angesehen werden.
-
Um eine Wiederholung zu vermeiden und um einen Bezug zu vereinfachen, sind ähnliche Komponenten und Merkmale bei alternativen Ausführungsformen, welche in unterschiedlichen Zeichnungen dargestellt sind, mit einem zusätzlichen Buchstaben gekennzeichnet worden, wie z. B. der Kolbenkopf 14, 14a, 14b und 14c.
-
Während die Erfindung mit Bezug zu einer Anzahl von bevorzugten Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung in zahlreichen anderen Formen ausgeführt sein kann.
-
In den folgenden Ansprüchen und in der vorstehenden Beschreibung sind die Worte ”umfassen” und Variationen davon, wie ”umfasst” oder ”umfassend”, in einem einschließenden Sinn verwendet worden, es sei denn der Zusammenhang erfordert ausdrücklich oder aufgrund einer notwendigen Implikation etwas anderes, d. h. das Vorhandensein der beschriebenen Merkmale wird spezifiziert, aber das Vorhandensein oder der Zusatz von weiteren Merkmalen in verschiedenen Ausführungsformen der Vorrichtung wird dadurch nicht ausgeschlossen.
