DE19528618A1 - Verdrängerkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verdrängerkolben­ pumpe, deren Zylinder, einander gegenüberliegend, eine Saugöffnung und eine Drucköffnung aufweist und deren Kolben durch einen Antrieb gleichzeitig um seine Achse drehbar und axial hin und her bewegbar ist und am Um­ fang eine mit seinem Hubraum in Verbindung stehende Ta­ sche aufweist, die abwechselnd die Saugöffnung und die Drucköffnung überstreicht und durch eine die zylindri­ sche Kolbenoberfläche schneidende Grundfläche begrenzt wird.

Eine solche Verdrängerkolbenpumpe ist beispielsweise aus US-A-3 168 872 bekannt. Durch die kombinierte Hub- und Drehbewegung des Kolbens kommt der Hubraum abwech­ selnd mit der Saugöffnung und der Drucköffnung in Ver­ bindung, ohne daß es zusätzlicher Ventile bedarf. Eine solche Pumpe ist insbesondere in der Nahrungsmittel- und Medizin-Industrie anwendbar. Sie eignet sich für die Handhabung von Blut und Dialyseflüssigkeiten. Die Tasche besitzt eine ebene Grundfläche und erstreckt sich über etwa 130° der Umfangsfläche des Kolbens.

Eine ähnliche Pumpe ist aus US-A 5 158 441 bekannt. Hier ist die Grundfläche der Tasche, die sich etwa über denselben Winkel von ca. 130° erstreckt, durch eine Halbzylinderfläche gebildet, die zur Umfangsfläche des Kolbens konzentrisch verläuft und einen kleineren Durchmesser hat. Außerdem besitzt der Kolben eine Spül­ vorrichtung, die im Zylinder, einander gegenüberlie­ gend, einen Anschluß für den Spülmittelzulauf und einen Anschluß für den Spülmittelablauf und im Kolben eine U-förmige Steueröffnung, die durch eine Halbringnut und zwei an deren Enden anschließende, sich axial erstreckende Taschen gebildet wird, aufweist. Diese Taschen kommen bei jedem Hub zeitweilig mit den beiden An­ schlüssen in Verbindung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verdrän­ gerkolbenpumpe der eingangs beschriebenen Art anzuge­ ben, die ein verbessertes Ansaugverhalten hat und unter Berücksichtigung der Tatsache, daß die Kolben normaler­ weise aus Sintermaterial bestehen und nur durch Schlei­ fen bearbeitbar sind, mit möglichst geringen Kosten hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Grundfläche konvex und durch eine Zylinderfläche mit größerem Radius als der Kolben oder aus mehreren winklig aneinanderstoßenden ebenen Flächen gebildet ist.

Bei dieser Ausgestaltung erhält das Taschenvolumen eine sehr geringe Größe. Daher läßt sich der Totraum ent­ sprechend klein halten. Insbesondere gelingt es, das sogenannte "air lock problem" zu lösen, nämlich eine mit ruft gefüllte Pumpe selbsttätig Flüssigkeit aus einem darunter liegenden Behälter ansaugen zu lassen. Die Form der Grundfläche, nämlich eine Zylinderfläche oder ein dieser angepaßte Polygon-Flächenzug läßt sich durch eine Relativbewegung einfachster Art, nämlich Kreisbogen oder Geraden, zwischen Kolben und Schleif­ werkzeug erzielen, so daß die Herstellungskosten gering sind.

Eine alternative Lösung besteht darin, daß die Grund­ fläche konkav und durch eine Zylinderfläche gebildet ist und sich über einen Winkel der zylindrischen Kol­ benoberfläche von weniger als 90° erstreckt.

Auch hierbei empfiehlt es sich, daß der Radius der kon­ kaven Zylinderfläche größer als der Radius des Kolbens ist.

Bei dieser Konstruktion, die sich hauptsächlich bei zähflüssigen Materialien empfiehlt, bei denen eine starke Wandreibung zu erwarten ist, ergibt sich das gewünschte kleine Volumen der Tasche durch die Verkür­ zung der Tasche in Umfangsrichtung, was in aller Regel durch eine Verlängerung der Saugöffnung und der Druck­ öffnung in Umfangsrichtung kompensiert werden muß. Durch den linsenförmigen Querschnitt der Tasche erhält man den kleinstmöglichen Strömungswiderstand. Auch hier ist die Grundfläche durch eine Zylinderfläche gebildet, die sich sehr leicht durch Schleifen herstellen läßt.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß die Grundflä­ che zur Kolbenachse geneigt ist. Hiermit kann man sich den beim Saug- und Druckhub auftretenden Strömungsver­ hältnissen noch besser anpassen. Die Einfachheit der Schleifbearbeitung wird hierdurch nicht beeinträchtigt.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist dafür gesorgt, daß der Zylinder, einander gegenüberliegend, einen An­ schluß für den Spülmittelzulauf und einen Anschluß für den Spülmittelablauf besitzt und der Kolben eine Ring­ nut aufweist, die in jedem Arbeitszyklus zeitweilig die beiden Anschlüsse verbindet. Die Ringnut läßt sich sehr einfach durch Schleifen herstellen. Es treten keine Umlenkverluste auf, wie bei der U-förmigen Steueröff­ nung gemäß US-A-5 158 441. Trotzdem erfolgt in jedem Arbeitszyklus über einen Teilabschnitt ein Spülvorgang, wie dies für das Sauberhalten und Abführen von uner­ wünschten Partikeln erforderlich ist.

Hierbei empfiehlt es sich, daß der Zylinder relativ zu den Totpunkten der Kolben axial verstellbar ist. Durch diese Verstellung kann man die Zeit, während der der Spülvorgang erfolgt, vorgeben.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine er­ findungsgemäße Verdrängerkolbenpumpe,

Fig. 2 eine Seitenansicht des Kolbens der Fig. 1,

Fig. 3 eine Ansicht von links auf die Stirnseite des Kolbens der Fig. 2,

Fig. 4 verschiedene Drehstellungen des Kolbens im Laufe des Arbeitszyklus,

Fig. 5 eine Stirnansicht entsprechend Fig. 3 eines an­ deren Ausführungsbeispiels und

Fig. 6 eine Stirnansicht von links entsprechend Fig. 3 eines weiteren Ausführungsbeispiels.

Die in der Zeichnung veranschaulichte Verdrängerkolben­ pumpe weist in einem Gehäuse 1 einen Zylinder 2 auf, in dem ein Kolben 3 angeordnet ist. Dieser führt gleich­ zeitig eine kontinuierliche Rotationsbewegung (Pfeil 4) und eine hin- und hergehende Hubbewegung (Pfeil 5) durch, wie dies aus US-A-3 168 872 oder US-A-5 158 441 bekannt ist.

Im Zylinder 2 und Gehäuse 1 befindet sich eine Saugöff­ nung 6, die mit einem Vorratsbehälter 7 verbunden wer­ den kann, und auf der gegenüberliegenden Seite eine Drucköffnung 8, die mit einem Verbraucher verbunden werden kann. Als Steueröffnung dient eine Tasche 9, die an der Außenseite des Kolbens 3 vorgesehen ist und bis zu dessen Stirnfläche 10 reicht. Durch diese Tasche wird der Hubraum 11 abwechselnd mit der Saugöffnung 6 und der Drucköffnung 8 verbunden.

Dies ist in Fig. 4 näher veranschaulicht. Bild a zeigt die Lage der Tasche 9 im unteren Totpunkt des Kolbens 3. Bei der anschließenden Bewegung des Kolbens 3 nach links kommt daher die Tasche und damit der Hubraum 11 mit der Drucköffnung 8 in Verbindung (Bilder b und c). Bild d zeigt die Lage der Tasche 9 im oberen Totpunkt des Kolbens 3. Bei der Weiterdrehung führt der Kolben 3 einen Saughub aus, während die Tasche 9 mit der Saug­ öffnung 6 in Verbindung steht (Bilder e und f).

Erfindungsgemäß besitzt die Tasche 9 eine Grundfläche 12, die konvex gekrümmt ist und durch eine Zylinderflä­ che gebildet wird, die einen größeren Radius als der Kolben 3 besitzt. Auf diese Weise ergeben sich zwei Steuerkanten 13 und 14, die einen Winkelabstand α von 90° und mehr, insbesondere von 100° bis 160° und vor­ zugsweise 130° haben. Durch die Ausgestaltung der Grundfläche 12 ergibt sich ein sehr geringes Taschenvo­ lumen bei verhältnismäßig großem Winkelabstand α der Steuerkanten 13 und 14. Infolgedessen vermag die Pumpe selbsttätig anzulaufen, auch wenn der Hubraum 11 zu­ nächst mit Luft gefüllt ist und die Flüssigkeit aus einem tiefer liegenden Vorratsbehälter 7 angesaugt wer­ den muß.

Der Kolben 2 ist ein Sinterkörper. Die Tasche 9 wird durch Schleifen erzeugt. Es genügt hierbei, wenn bei fest eingespanntem Kolben 2 das Schleifwerkzeug, bei­ spielsweise eine Schleifscheibe, um eine gegenüber der Kolbenachse versetzte Schwenkachse bewegt wird (oder bei ortsfest gelagertem Schleifwerkzeug der Kolben um eine entsprechende Schwenkachse verlagert wird).

Des weiteren besitzt die Verdrängerkolbenpumpe der Fig. 1 bis 3 eine Spülvorrichtung 15. Sie weist zwei einan­ der gegenüberliegende Anschlüsse 16 und 17 im Zylinder 2 auf, die dem Spülmittelzulauf bzw. dem Spülmittelab­ lauf dienen. Im Kolben 3 ist eine Ringnut 18 angeord­ net, die während der Hubbewegung des Kolbens 3 zeitwei­ lig die beiden Anschlüsse 16 und 17 miteinander verbin­ det. Dies ergibt einen wegen der intermittierenden Zu­ fuhr begrenzten Spülmittelstrom, mit dem störende Be­ standteile abgeführt werden und eine gewisse Schmierung des Kolbens erfolgt.

Zur Einstellung der Spülperioden ist der Zylinder 2 im Gehäuse 1 axial verstellbar, so daß die Ringnut 18 für mehr oder weniger lange Abschnitte eines jeden Arbeits­ zyklus die Verbindung der Anschlüsse herstellt.

Die Ringnut 18 hat den Vorteil, daß sie leicht herzu­ stellen ist, nämlich mit einem Schleifwerkzeug, bei­ spielsweise einer Schleifscheibe. Es ist lediglich da­ für zu sorgen, daß der Kolben 3 während des Schleifens um seine Achse gedreht wird. Außerdem hat die Ringnut 18 den Vorteil, daß die Umlenkverluste während des Durchtritts der Spülflüssigkeit gering sind, so daß der Spülvorgang nur eine geringe Leistung erfordert.

Die Ausführungsform der Fig. 5 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 3 allein dadurch, daß die Grundflä­ che 112 durch drei winklig aneinanderstoßende ebene Flächen 112a, 112b und 112c gebildet wird, welche die zylinderförmige Grundfläche 12 nachahmen, beispielswei­ se in Form von Tangentialflächen. Auch diese ebenen Flächen lassen sich leicht durch ein Schleifwerkzeug erzeugen, das geradlinig, aber in drei verschiedenen Neigungswinkeln, bewegt wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 6 ist die Grundfläche 212 der Tasche durch eine konkave Zylinderfläche gebil­ det, bei der die beiden Steuerkanten 213 und 214 einen kleineren Winkel β von weniger als 90°, vorzugsweise 70° bis 80°, einschließen. Es ergibt sich im Quer­ schnitt eine Art Linsenform, die ein kleines Taschenvo­ lumen mit vergleichsweise wenig Wandreibung verbindet und daher auch für zähflüssigere Pumpflüssigkeiten ge­ eignet ist. Selbstverständlich muß bei dieser verkürz­ ten Tasche die Umfangserstreckung der Saug- und Druck­ öffnung vergrößert werden.

Die Herstellung ist wiederum einfach, weil lediglich eine Schleifscheibe radial an den Kolben angesetzt wer­ den muß.

In allen Ausführungsbeispielen sind die Erzeugenden der Grundfläche 12, 112 oder 212 durch Geraden gebildet, die parallel zur Kolbenachse verlaufen. In manchen Fäl­ len empfiehlt es sich jedoch, statt dieser Parallelität eine leichte Neigung der Grundfläche mit Bezug auf die Kolbenachse vorzusehen, insbesondere derart, daß sich der Taschenquerschnitt zum Hubraum hin vergrößert. Die Winkelneigung ist aber in der Regel so klein zu wählen, insbesondere im Bereich von 1° bis 5°, daß sie zeichne­ risch nicht mehr dargestellt werden kann.

Claims (6)

1. Verdrängerkolbenpumpe, deren Zylinder, einander ge­ genüberliegend, eine Saugöffnung und eine Drucköff­ nung aufweist und deren Kolben durch einen Antrieb gleichzeitig um seine Achse drehbar und axial hin und her bewegbar ist und am Umfang eine mit seinem Hubarm in Verbindung stehende Tasche aufweist, die abwechselnd die Saugöffnung und die Drucköffnung überstreicht und durch eine die zylindrische Kol­ benoberfläche schneidende Grundfläche begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (12; 112) konvex und durch eine Zylinderfläche mit größerem Radius als der Kolben (3) oder aus mehre­ ren winklig aneinanderstoßenden ebenen Flächen (112a, 112b, 112c) gebildet ist.

2. Verdrängerkolbenpumpe, deren Zylinder, einander ge­ genüberliegend, eine Saugöffnung und eine Drucköff­ nung aufweist und deren Kolben durch einen Antrieb gleichzeitig um seine Achse drehbar und axial hin und her bewegbar ist und am Umfang eine mit seinem Hubarm in Verbindung stehende Tasche aufweist, die abwechselnd die Saugöffnung und die Drucköffnung überstreicht und durch eine die zylindrische Kol­ benoberfläche schneidende Grundfläche begrenzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche (212) konkav und durch eine Zylinderfläche gebildet ist und sich über einen Winkel (β) der zylindri­ schen Kolbenoberfläche von weniger als 90° er­ streckt.

3. Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der konkaven Zylinderfläche größer als der Radius des Kolbens ist.

4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche zur Kolbenachse geneigt ist.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2), einander gegenüberliegend, einen Anschluß (16) für den Spül­ mittelzulauf und einen Anschluß (17) für den Spül­ mittelablauf besitzt und der Kolben (3) eine Ring­ nut (18) aufweist, die in jedem Arbeitszyklus zeit­ weilig die beiden Anschlüsse verbindet.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2) relativ zu den Totpunkten des Kolbens (3) axial verstellbar ist.