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Doppelt wirkende Kolbenpumpe für Flüssigkeiten mit einer Verbindungsleitung
zwischen den beiden Zylinderkammern Die Erfindung betrifft eine doppeltwirkende
Kolbenpumpe für Flüssigkeiten, deren Kolben den Zylinder in eine Kammer mit kreisförmigem
Querschnitt und eine um den Querschnitt der Kolbenstange verringerte ringförmige
Kammer unterteilt, mit Saug- und Druckanschlüssen an den Enden der Zylinderkammern
und einer Verbindungsleitung zwischen den beiden Zylinderkammern, in der ein vom
Förderdruck beaufschlagtes Steuerventil angeordnet ist, das die Verbindung bei überschreiten
eines bestimmten Wertes des Förderdruckes öffnet.
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Es ist eine Kolbenpumpe dieser Art bekannt, bei der das Steuerventil
aus einem federbelasteten Kolbenschieber besteht, der je nach Größe des Förderdruckes
die eine oder die andere von zwei möglichen Stellungen einnimmt. In der einen Stellung
ist die Verbindungsleitung geschlossen, und die Pumpe fördert pro Hin- und Herhub
des Kolbens eine Flüssigkeitsmenge, die der Summe der Maximalvolumina der kreisförmigen
und der ringförmigen Kammer entspricht. In der zweiten Stellung ist die Verbindung
der beiden Zylinderkammern geöffnet, und die Pumpe fördert eine Flüssigkeitsmenge,
die der Differenz der Volumina der kreisförmigen und der ringförmigen Zylinderkammer
entspricht. Diese Ausbildung der Pumpe hat den Nachteil, daß die Förderleistung
bei Erreichen eines bestimmten Förderdruckes schlagartig abfällt, und zwar um das
doppelte des Volumens der ringförmigen Zylinderkammer. Solche abrupten Sprünge in
der Förderleistung sind unerwünscht.
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Zweck der Erfindung ist es, diesen Nachteil zu beseitigen. Dies wird
erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß in der Verbindungsleitung ein Rückschlagventil
vorgesehen ist, welches in Richtung auf die ringförmige Zylinderkammer öffnet.
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Die Anordnung eines Rückschlagventils in der Verbindungsleitung ermöglicht
eine dritte Förderstufe, die zwischen den beiden möglichen Förderstufen der bekannten
Pumpe liegt und bei der die pro Hin- und Herhub geförderte Flüssigkeitsmenge dem
Volumen der kreisförmigen Zylinderkammer entspricht. Damit sind die Sprünge in der
Förderleistung von einer Förderstufe zur nächsten kleiner und die Veränderungen
der Förderleistung erfolgen weniger abrupt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Es zeigen F i g. 1 bis 3 Schnitte durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Pumpe mit drei verschiedenen Stellungen des Steuerventils und F i g. 4 einen Schnitt
durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe.
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Bei der Ausführungsform der Erfindung nach F i g. 1 bis 3 besitzt
die Kolbenpumpe einen Pumpenzylinder 50 mit einer Bohrung 51, in der ein Kolben
52 gleitet. Dieser ist einseitig mit einer Kolbenstange 53 versehen. Die Zylinderbohrung
ist an jedem Ende durch je ein Abschlußstück 54 mit einer Dichtung 55 verschlossen.
Die Kolbenstange 53 durchsetzt ein Abschlußstück in einer mittels einer Dichtung
abgedichteten Bohrung 56. An der Kolbenstange 53 greift eine nicht dargestellte
Antriebsvorrichtung zum Hin- und Herverschieben des Kolbens 52 zwischen den Bohrungsenden
an. Der Kolben 52 unterteilt die Zylinderbohrung in eine Kammer 58 mit kreisförmigem
Querschnitt und eine Zylinderkammer 59 mit ringförmigem Querschnitt, wobei der Ringquerschnitt
gleich dem Kreisquerschnitt, verringert um den Querschnitt der Kolbenstange, ist.
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Im Pumpenzylinder verläuft ein Saugkanal 60, der an einen die zu fördernde
Flüssigkeit enthaltenden Behälter angeschlossen ist. Der Saugkanal steht einerseits
über einen Schlitz 61 mit dem äußeren Ende der Zylinderkammer 58 und andererseits
über einen Schlitz 63 mit dem äußeren Ende der Zylinderkammer 59 in Verbindung.
An jedem Schlitz ist ein federbelastetes Kugelrückschlagventil 62 bzw. 64 angeordnet,
das jeweils zur Zylinderkammer hin öffnet.
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Im Pumpenzylinder 50 ist ferner ein das Fördermittel ableitender Druckkanal
71 vorgesehen. Dieser steht einerseits über Durchlässe 72 und 83, einen Kanal 82
und eine Bohrung 80 mit dem äußeren Ende der Zylinderkammer 58 und andererseits
über eine Bohrung 90, einen Ringkanal 89, einen Durchlaß 88 und einen Kanal 85 mit
dem äußeren Ende der Zylinderkammer 59 in Verbindung. Im Kanal 82 und am Eingang
der Bohrung 90 ist je ein federbelastetes
Kugelrückschlagventil
84 bzw. 91 angeordnet, das jeweils in Richtung auf den Druckkanal 71 öffnet.
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Die beiden Zylinderkammern 58 und 59 sind über eine Verbindungsleitung
miteinander verbunden, die bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bis 3 aus der
Bohrung 80, einer weiteren Bohrung 73, in die die Bohrung 80 bei 81 mündet, einem
Kanal 86 und dem Kanal 85 besteht.
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In der Bohrung 73 der Verbindungsleitung ist ein Steuerventil angeordnet,
das bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Doppelkolbenschieber 74 mit einem
ersten kurzen Kolben 75 und einem am anderen Ende befindlichen längeren Kolben 76
aufweist. Die Bohrung 73 steht an einem Ende mit dem Durchlaß 72 in Verbindung.
Der kürzere Kolben 75 ist an diesem Ende angeordnet. Zwischen den Kolben 75 und
76 ist der Querschnitt des Kolbenschiebers 74 verringert, so daß hier ein Ringraum
77 entsteht. Der kürzere Kolben 75 weist außen einen Fortsatz 75' auf, der so bemessen
ist, daß der Kolben 75 den Durchlaß 72 nicht verdecken kann. Am äußeren Ende des
längeren Kolbens 76 greift eine in der Bohrung 73 angeordnete Druckfeder 78 an,
die sich mit ihrem anderen Ende an einer in der Bohrung 73 eingeschraubten Einstellschraube
79 abstützt. Die Einstellschraube ist mit einer durchgehenden Axialbohrung 79' versehen,
die zum Entlüften der die Feder 78 aufnehmenden Kammer dient.
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In der Verbindungsleitung zwischen den Zylinderkammern 58 und 59 ist
erfindungsgemäß ein in Richtung auf die ringförmige Zylinderkammer öffnendes Rückschlagventil
87 angeordnet. Dieses ist bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 bis 3 als federbelastetes
Kugelventil ausgebildet und befindet sich in dem zur Verbindungsleitung 80, 73,
89, 88, 85 parallel geschalteten Kanal 86.
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Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist ferner vorteilhafterweise
ein Sicherheitsventil vorgesehen. Es ist in dem einen Abschlußstück 54 angeordnet
und besteht aus einem Kugelrückschlagventil, dessen Kugel mit 69 bezeichnet ist.
Diese Kugel wird mittels einer Druckfeder 68 auf das Ende eines Auslaßkanals 70
gepreßt, der die Zylinderkammer 58 mit einer im Abschlußstück 54 vorgesehenen Kammer
66 verbindet. Die Kammer 66 steht über einen Durchlaß 65 mit dem Saugkanal 60 in
Verbindung. Die Kraft der Feder 68 ist mittels Stellschraube 67 regelbar. Auf diese
Weise läßt sich der Druck, bei dem das Fördermittel aus der Kammer 58 über das Rückschlagventil
69 abströmt, an der Schraube 67 einstellen.
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Im folgenden wird die Arbeitsweise der Pumpe nach F i g. 1 bis 3 beschrieben.
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Das Maximalvolumen der Kammer 58 sei mit V, dasjenige der Kammer 59
mit v bezeichnet.
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Die Druckfeder ist so bemessen, daß der Kolbenschieber 74 bei einem
Druck im Druckkanal 71, der unterhalb eines bestimmten Wertes P1 liegt, die Stellung
nach F i g. 1 einnimmt. Erreicht der Druck den Wert P1 oder überschreitet er ihn,
dann wird der Kolbenschieber 74 gegen die Kraft der Feder 78 in die Stellung nach
F i g. 2 verschoben. Erreicht der Druck einen Wert, der oberhalb eines wiederum
höheren Druckes P, liegt, dann wird der Kolbenschieber 74 gegen den Federdruck in
die Stellung nach F i g. 3 verschoben. Diese Verschiebungen erfolgen, weil der Druck
des Fördermittels auf die Außenseite des kurzen Kolbens 75 wirkt, wie sich aus der
Zeichnung ohne weiteres ergibt. In der Stellung des Kolbenschiebers 74 nach F i
g. 1 wird bei dem Hub des Kolbens 52 von links nach rechts ein Fördermittelvolumen
v über den Kanal 85, den Durchlaß 88, den Ringraum 89 und die Bohrung 90 in den
Druckkanal 71 gefördert. Beim Hub von rechts nach links wird ein Volumen V des Fördermittels
über die Bohrung 80, den Kanal 82 und die Durchlässe 83 und 72 in den Druckkanal
71 verdrängt. Daraus ergibt sich, daß bei einem Förderdruck unterhalb des Wertes
P1 bei einem Hin- und Herhub des Kolbens die Pumpe ein Flüssigkeitsvolumen V+v fördert.
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Bei der Stellung des Kolbenschiebers nach F i g. 2 wird beim Hub des
Kolbens von rechts nach links das Fördermittel aus der Kammer 58 in die Bohrung
80 und von dort in den Ringraum 77 gedrängt. über die Kanäle 86 und 85 fließt das
Fördermittel dann in die ringförmige Kammer 59, wozu sie das Rückschlagventil 87
öffnet. Da die Kammer 59 jedoch nicht das gesamte Flüssigkeitsvolumen aus der Kammer
58 aufnehmen kann, wird die Volumendifferenz V-v über den Kanal 82 und die Durchlässe
83 und 72 in den Druckkanal 71 gefördert. Bei der Bewegung des Kolbens 52 von links
nach rechts wird der Inhalt der ringförmigen Kammer 59 über den Kanal 85, den Durchlaß
88, den Ringraum 89 und die Bohrung 90 vollständig in den Druckkanal 71 gefördert.
Das Gesamtfördervolumen der Pumpe bei einem Förderdruck, der gleich oder größer
als P1 ist, jedoch kleiner als P2 ist, beträgt demnach (V - v) +
v= V.
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Bei der Stellung des Kolbenschiebers nach F i g. 3 wird beim Hub des
Kolbens 52 von rechts nach links der Inhalt der Kammer 58 über die Bohrung 80, den
Ringraum 77, den Durchlaß 88 und den Kanal 85 in die Kammer 59 verdrängt. Derjenige
Anteil, den die Kammer 59 nicht aufzunehmen vermag, fließt über den Kanal 82 und
die Durchlässe 83 und 72 in den Druckkanal 71. Beim Hub des Kolbens 52 von links
nach rechts wird der gesamte Inhalt der ringförmigen Zylinderkammer 59 auf dem beschriebenen
Wege in die Kammer 58 verdrängt, so daß dieser Hub wirkungslos ist. Das bei einem
Förderdruck gleich oder oberhalb von P, pro Hin- und Herhub des Kolbens geförderte
Flüssigkeitsvolumen beträgt daher V-v.
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Wenn der Förderdruck einen gefährlichen Wert P.; erreicht, öffnet
sich das Sicherheitsventi169, so daß das Fördermittel über die Bohrung 70, die Kammer
66 und den Durchlaß 65 in den Saugkanal 60 zurückströmen kann.
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Die erfindungsgemäße Pumpe fördert um so weniger Flüssigkeit, je größer
der Förderdruck ist. Sie läßt sich daher mit Vorteil in Anlagen mit hydraulischer
Regelung verwenden, wo Bauteile ebenfalls bei großem Hub mit geringem Widerstand
und bei kleinerem Hub mit erhöhtem Widerstand verschoben werden müssen. Die Pumpe
paßt sich selbsttätig den Erfordernissen der Anlage zu jedem Zeitpunkt an. Die dabei
an der Kolbenstange aufzubringende Leistung bleibt in jeder der drei Stellungen
des Schiebers 74 in hohem Maße gleich. Diese Leistung entspricht dem in der Zeiteinheit
geförderten Flüssigkeitsvolumen multipliziert mit dem jeweiligen Förderdruck. Durch
entsprechende Bemessung der Feder 78, des Querschnitts der Bohrung 73, des Durchmessers
des Kolbens 52 und der Kolbenstange 53 läßt es sich erreichen, daß die an der Kolbenstange
aufzubringende maximale Kraft in allen drei Stellungen gleich groß ist.
In
F i g. 4 ist eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe dargestellt,
wobei für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 bis 3 verwendet
sind.
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Der Saugkanal 60 teilt sich bei dieser Ausführungsform in zwei Kanäle
117, 118 auf, die jeweils an den äußeren Enden in die Zylinderkammern 58 bzw. 59
münden. An jeder Mündung ist ein federbelastetes Kugelrückschlagventi111.9 angeordnet,
das auf die entsprechende Zylinderkammer zu öffnet.
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Der Druckkanal 71 steht über zwei Kanäle 121, 122 ebenfalls mit den
äußeren Enden der Kammern 58 und 59 in Verbindung. Auch hier ist an den Mündungen
je ein federbelastetes Kugelrückschlagventil 123 angeordnet, das jedoch jeweils
in Richtung auf den Druckkanal 71 öffnet.
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In der Bohrung des Pumpenzylinders 50 ist ein Kolben 101 angeordnet,
mit dem einseitig eine Kolbenstange 104 verbunden ist, die bei diesem Ausführungsbeispiel
als Rohr ausgebildet ist. Der Kolben 101 enthält eine zentrale Bohrung 106
und die Kolbenstange 104 ist derart in den Kolben 101 eingesetzt, daß die Bohrung
106 eine Fortsetzung der Bohrung 105 der rohrförmigen Kolbenstange bildet. Die Bohrung
106 steht über eine Öffnung 107 mit der kreisförmigen Zylinderkammer 58 in Verbindung.
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Die Wand der Kolbenstange 104 weist in der Nähe des Kolbens 101 Durchbrechungen
112 auf, so daß eine Verbindungsleitung zwischen den Zylinderkammern 58 und 59 entsteht,
die sich aus der Öffnung 107, der Bohrung 106, der Kolbenstangenbohrung 105 und
den Durchbrechungen 112 zusammensetzt.
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Im Inneren der hohlen Kolbenstange 104 ist ein zweckmäßig als Stufenkolben
ausgebildeter Kolben 108 gleitend angeordnet. Dieser stützt sich einerseits mit
einem Zapfen 109 am Rand der Öffnung 107 ab und steht andererseits unter der Wirkung
einer in der Kolbenstange angeordneten Druckfeder 113, die ihn gegen die Öffnung
107 preßt. In das äußere Ende der Kolbenstange ist eine bei 115 durchbohrte
Regelschraube 114 zum Einstellen des Federdruckes eingeschraubt. Die Durchbohrung
115 dient zum Entlüften der die Feder 113 aufnehmenden Kammer.
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Die Abmessungen der Öffnung 107 und des Stufenkolbens 108 sind so
gewählt, daß die Querschnittfläche der Öffnung 107 größer ist als die Ringschulterfläche
110 des Stufenkolbens. Der Stufenkolben bildet somit ein Rückschlagventil in der
Verbindungsleitung zwischen den Zylinderkammern 58 und 59.
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Die Feder 113 wird so bemessen, daß bei einem Förderdruck, der unterhalb
eines bestimmten Wertes P1 liegt, der Kolben 108 sich nicht von der öffnUng
107 abhebt. Erreicht der Förderdruck den Wert P1 oder übersteigt er diesen
Wert, dann reicht die im Querschnitt der Öffnung 107 durch den Druck auf den Kolben
ausgeübte Kraft zum Zurückschieben des Kolbens aus. Der Druck P1 ist jedoch nicht
groß genug, um durch Angriff an der Ringschulterfläche 110 den Kolben 108 zurückzuschieben.
Erst wenn der Förderdruck einen Wert P, erreicht oder übersteigt, genügt es auch,
die Ringschulterfläche 110 dem Druck auszusetzen, um ein Zurückverschieben des Kolbens
zu erreichen.
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Die Wirkungsweise der Pumpe nach F i g. 4 ist folgende: Bei einem
Förderdruck unterhalb von P1 bleibt der Kolben 108 in Anlage am Rand der öffnung
107, so daß bei Hub von rechts nach links das volle Volumen der Kammer 58
und beim Hub von links nach rechts das volle Volumen der Kammer 59 in den Druckkanal
71 verdrängt wird. Bei einem Hin- und Herhub beträgt das geförderte Volumen daher
V+v.
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übersteigt der Förderdruck den Wert P1, wobei er jedoch kleiner als
P, ist, dann wird der Kolben 108
beim Hub von rechts nach links von der Öffnung
107 abgehoben, so daß das Fördermittel aus, der Kammer 58 in die Kammer 59 strömt.
Die Differenz der Volumina der Kammern 58 und 59 fließt über den Zweigkanal 21 in
den Druckkanal 71. Beim Hub von links nach rechts reicht der zwischen P1 und P.,
liegende, an der Ringschulterfläche 110 angreifende Druck nicht aus, um den Kolben
108 vom Rand der Öffnung 107 abzuheben. Es wird daher das gesamte Volumen v der
Kammer 59 in den Druckkanal 71 gedrängt, und das Gesamtvolumen pro Hin- und Herhub
beträgt (V-v)+v = V.
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Erreicht oder überschreitet der Förderdruck den Wert P z, dann ist
der Kolben 108 sowohl beim Hub von rechts nach links als auch beim Hub von links
nach rechts vom Rand der Öffnung 107 abgehoben. Der Druck P2 reicht nämlich, wie
bereits erwähnt, aus, um auch beim Angriff an der Ringschulterfläche 110 den Kolben
gegen die Kraft der Feder 113 zurückzuschieben. In diesem Fall wird beim Hub von
rechts nach links die Differenz V-v der Kammervolumina in den Druckkana171 gefördert,
während beim Hub von links nach rechts der gesamte Inhalt der Kammer 59 in die Kammer
58 fließt, so daß dieser Hub wirkungslos ist. Bei einem Hin- und Herhub wird daher
lediglich das Flüssigkeitsvolumeen V- v gefördert.
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In der Verbindungsleitung zwischen den beiden Kammern treten minimale
Strömungsverluste auf, da der Förderdruck sofort nach dem Zurückschieben des Kolbens
108 auf dessen gesamte Querschnittfläche wirkt, so daß er gegen die Kraft der Feder
113 verhältnismäßig weit in die Kolbenstange hineingedrückt wird. Die Strömungsquerschnitte
sind dann dementsprechend weit, und es können keine Drosselverluste auftreten.
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Bei der Pumpe nach F i g. 4 sind, wie sich aus vorstehender Beschreibung
ergibt, analog zu der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 3, drei Förderstufen vorhanden,
auf die sich die Pumpe selbsttätig einstellt und bei denen die in der Kolbenstange
aufzubringende Leistung im wesentlichen gleich groß ist.
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Es kann auch bei der Ausführungsform nach F i g. 4 ein Sicherheitsventil
an der Außenwand der Kammer 58 angeordnet sein. Zweckmäßigerweise ist die Querschnittfläche
der Kolbenstange 53 bzw. 104 angenähert gleich der Querschnittfläche der
ringförmigen Zylinderkammer 59.