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Die
Erfindung betrifft eine Sicherheitseinrichtung an einer Pumpe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Die
DE 40 09 641 A1 betrifft
eine Sicherheitseinrichtung an einer Hydraulikanlage, bei welcher vom
Auslaß einer
Hydraulikpumpe eine Bypassleitung zum Pumpeneinlaß zurückgeführt ist.
In der Bypassleitung ist ein Stromregler angeordnet, welcher sowohl
in Abhängigkeit
von der Fördermenge
der Pumpe als auch temperaturabhängig
arbeitet. Damit wird erreicht, daß bei zu hoher Temperatur des
Hydrauliköles
ein vom Pumpenauslaß zum
Pumpeneinlaß führender
Bypassweg geöffnet
wird, über
welchen das Hydrauliköl
dann unter geringem Widerstand fließen kann, wodurch die Fördermenge
der Pumpe erhöht
und das Hydrauliköl
abgekühlt
wird.
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Die
Bypassleitung und der Stromregler benötigen Platz in der unmittelbaren
Umgebung der Pumpe.
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Die
DE 195 12 153 A1 offenbart
eine Einrichtung zum Detektieren des Verschleißes einer Schrägscheibenpumpe.
Der Verschleiß wird über die Förderleistung
der Pumpe überwacht,
die konkret über
den Druckabfall an einer Venturidüse gemessen wird.
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Die
JP 07 334 247 A betrifft
eine Einrichtung zur Kühlung
von überhitztem
Hydrauliköl.
Es wird vorgeschlagen, einen Teil des überhitzten Hydrauliköles über einen
Bypass und einen Ölkühler in
den Sumpf zurückzuführen. Dabei
wird der Bypass durch ein Servoventil gesteuert, das in Abhängigkeit
vom Ausgangssignal eines Temperaturfühlers arbeitet, der in der
Ansaugleitung der Hydraulik pumpe angeordnet ist.
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In
der
DE 30 28 396 A1 ist
eine Hochdruckpumpe beschrieben, die eine Mehrzahl von Kolben/Zylindereinheiten
aufweist, die einzeln zu- bzw. abgeschaltet werden können. Hierzu
sind die Einlaßventile
der entsprechenden Zylindereinheiten zwangszweise in eine Offenstellung
bewegbar, so daß die
entsprechende Kolben/Zylindereinheit dann effektiv keine Arbeit
mehr leistet.
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Weitere
Sicherheitseinrichtungen sind z.B. in Form von Überdruckventilen bekannt, bei
welchen im Falle übermäßigen Drucks
ein durch eine Feder in Schließrichtung
beaufschlagtes Ventil auf der Auslaßseite der Pumpe geöffnet wird
und so das unter Überdruck
stehende Gas in die Atmosphäre
entweichen kann.
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Bei
dieser bekannten Sicherheitsvorrichtung wird im Falle eines abnormalen
Betriebszustandes ein unter erhöhtem
Druck stehendes Gas in die Atmosphäre abgegeben. Bei zahlreichen
Anwendungsformen, wie z.B. bei der Zurückförderung von Treibstoffdämpfen an
Tankstellen, ist ein Entweichen des unter erhöhtem Druck stehenden Gases
in die Atmosphäre
z.B. aus Umweltschutz- oder aus Sicherheitsgründen unerwünscht.
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Andererseits
ist auch ein Abschalten der Pumpe im Falle eines abnormalen Betriebszustands, insbesondere
bei Überhitzung
nicht immer erwünscht,
wenn eine ausreichende Abkühlung
durch den lastfreien Weiterbetrieb der Pumpe erreicht werden kann.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Sicherheitsvorrichtung
an einer Pumpe so weiterzubilden, daß im Falle eines abnormalen
Betriebszustandes weder ein Abschalten der Pumpe noch ein Ablassen
von Gas in die Atmosphäre
notwendig ist, wobei die Sicherheitseinrichtung nur äußerst geringen
Platzbedarf hat.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorgesehen ist dabei eine Sicherheitsvorrichtung an einer Pumpe,
bei der die Druckentlastungsleitung mit einer Einlaßleitung
der Pumpe durch Öffnen
eines Entlastungsventils verbindbar ist. Das Entlastungsventil wird
durch einen an der Pumpe oder einen in der Auslaßleitung angeordneten Störfalldetektor
gesteuert. Hierdurch wird die Pumpe kurzgeschlossen, sie arbeitet
also ohne Verdichtung und transportiert ein Gasvolumen immer wieder
von seinem Auslaß zu seinem
Einlaß.
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Hierdurch
wird insbesondere die Betriebssicherheit von Pumpen bei der Förderung
und Verdichtung sicherheits- oder umweltrelevanter Gase verbessert,
denn durch den kontinuierlichen Transport des Gases in einem Kreislauf
gelangt kein Gas unerwünschterweise
in die Atmosphäre.
Darüberhinaus wird
z.B. die Lebensdauer einer Pumpe erhöht, indem ein lastfreier Betrieb
zu Abkühlungszwecken möglich ist,
ohne hierbei sicherheits- oder umweltrelevante Gase in die Atmosphäre abzulassen.
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Die
erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung
weist eine Druckentlastungsleitung auf, welche an ihrem ersten Ende
mit der Auslaßleitung
oder direkt mit dem Verdichtungsraum der Pumpe in Verbindung steht.
Die Druckentlastungsleitung mündet
an ihrem zweiten Ende in die Einlaßleitung der Pumpe und ist
im Normalfall durch ein Entlastungsventil verschlossen. Im Bedarfsfalle
kann dieses Entlastungsventil durch den Störfalldetektor jedoch geöffnet werden,
wodurch eine Verbindung zwischen Ein- und Auslaßseite der Pumpe geschaffen
wird.
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Damit
wird rasch ein lastreduziertes oder ein lastfreies Arbeiten der
Pumpe erreicht, ohne jedoch die Auslaßleitung mit der Atmosphäre zu verbinden.
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Die
erfindungsgemäße Sicherheitsvorrichtung
weist eine Druckentlastungsleitung, welche durch einen Abschnitt
der Einlaßleitung
gebildet ist und ein Entlastungsventil, welches das Einlaßventil der
Pumpe umfaßt,
auf. Das Entlastungsventil kann dabei unabhängig vom Arbeitstakt der Pumpe,
im Falle einer Kolbenpumpe also unabhängig von Position und Bewegungsrichtung
des Kolbens, durch einen Stellmotor in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des
Störfalldetektors
in Offenstellung gehalten werden. Wenn das Entlastungsventil im
Bedarfsfalle ständig
geöffnet
ist, wird eine dem Hubvolumen der Pumpe entsprechende Gasmenge in
der Einlaßleitung
hin- und herbewegt, ohne daß eine
Verdichtung stattfindet oder Gas in die Atmosphäre ausgestoßen wird. Diese Weiterbildung
schafft eine besonders einfache erfindungsgemäße Sicherheitseinrichtung, welche
insbesondere bei Pumpen nach dem Hubkolben-Prinzip anwendbar ist
und welche sich durch äußerst geringen
Platzbedarf auszeichnet.
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Die
Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch
2 weist einen Störfalldetektor
auf, welcher mindestens einen Sensor, wie z.B. einen Temperaturfühler, eine
Drucksonde oder einen Schwingungssensor, umfaßt, wobei dieser Sensor mindestens
einen aktuellen Betriebsparameter erfaßt und das Signal an einen
Komparator weiterleitet, der die erfaßten Signale mit vorab definierten
Grenzwerten vergleicht. Sobald ein Überschreiten oder ein Unterschreiten
eines Grenzwerts festgestellt wird, wird die Ausgabe eines Signals
veranlaßt,
welches ein Öffnen
des Entlastungsventils in der Druckentlastungsleitung bewirkt. Diese
Weiterbildung getattet ein besonders präzises Schalten der Sicherheitseinrichtung
und eine einfache sowie variable Einstellung der Grenzwerte.
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Bei
der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 weist der Störfalldetektor
ein Dehnelement, vorzugsweise einen Thermoschalter, auf, welcher
im Falle z.B. einer Temperatur- oder
einer Druckerhöhung
ein Öffnen
des Entlastungsventils bewirkt. So kann z.B. eine überhöhte Temperatur
zu einer thermischen Ausdehnung des Dehnelements und somit zu einer
Verschiebung führen,
wodurch z.B. über
geeignete mechanische Übetragungsmittel das
Entlastungsventil geöffnet
wird. Diese Weiterbildung gestattet einen einfachen und auch unter schwierigen
Umgebungsbedigungen zuverlässigen und
wartungsfreundlichen Aufbau der Sicherheitsvorrichtung.
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Die
Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 4 ist durch die Verwendung
eines Magnetventils oder eines fluidgesteuerten Ventils für das Entlastungsventil
gekennzeichnet. Hierdurch wird ein schnelles und zuverlässiges Schalten
vor allem in Verbindung mit einer elektronischen Erfassungseinheit
gewährleistet.
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Im
Unteranspruch 5 sind verschiedene Ventiltypen aufgelistet, welche
besonders gut als Entlastungsventil einer erfindungsgemäßen Sicherheitseinrichtung
geeignet sind. Kegel- und Kugelventile sind besonders robust und
auch bei hohen Druckdifferenzen einsetzbar. Klappen- und Membranventile
ermöglichen
es, das Entlastungsventil auf einfache Weise in Zylinderköpfe von
Pumpen zu integrieren, und gestatten so eine günstige Herstellung eines Zylinderkopfes
mit integriertem Entlastungsventil.
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Die
Weiterbildung nach Anspruch 6 umfaßt ein mit der Entlastungsleitung
verbundenes Puffergefäß, welches
vorzugsweise durch eine Balgkonstruktion und/oder ein gummi artiges
Material dehnbar ist, sowie ein zusätzliches Rückschlagventil, welches im Bedarfsfalle
die Einlaßleitung
zur Umgebung hin verschließen
kann. Hierdurch wird, insbesondere bei großen Hubvolumina pro Arbeitstakt
in Verbindung mit kurzen Leitungslängen ein Volumen geschaffen, welches
als "Zwischenlager" des Gases zwischen Ausstoß- und Ansaugtakt
dient, wobei durch das Rückschlagventil
gewährleistet
wird, daß kein
Gas in die Umgebungsatmosphäre
gelangt.
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Im
Unteranspruch 7 ist angegeben, einen Wärmetauscher an der Pumpe oder
in der Entlastungsleitung anzuordnen. Dies ist insbesondere dann von
Vorteil, wenn eine rasche Abkühlung
der Pumpe im Bedarfsfall erfolgen soll.
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Nachstehend
wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnung näher
erläutert.
In dieser zeigen:
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1:
eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer Sicherheitsheitseinrichtung
mit den Schaltzeichen der Fluidtechnik;
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2:
einen Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer Sicherheitseinrichtung
mit einem durch ein Dehnelement bewegten Kegelventil;
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3:
einen vertikalen Schnitt durch einen Zylinderkopf einer Hubkolbenpumpe
mit einem dritten Ausführungsbeispiel
einer Sicherheitsvorrichtung.
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In 1 ist
eine Sicherheitseinrichtung 2 dargestellt, welche an einer
Pumpe 10 angeordnet ist und unter anderem einen Störfalldetektor 4 umfaßt.
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Die
Pumpe 10 weist eine Auslaßleitung 22, welche
z.B. zu einem Druckbehälter 98 führen kann, sowie
eine Einlaßleitung 12 auf.
Ein Sensor 24 für
die Erfassung des Betriebszustandes, vorzugsweise ein Temperatursensor,
ist an die Auslaßleitung 22 in
der Nähe
der Pumpe 10 angekoppelt. Mit dem Sensor 24 ist
ein Komparator 28 verbunden, der den vom Sensor 24 übertragenen
Wert mit einem von einem Vergleichswertgeber 26 abgegebenen
Wert vergleicht. Sensor 24, Vergleichswertgeber 26 und
Komparator 28 bilden den Störfalldetektor, welcher insgesamt
mit dem Bezugszeichen 4 versehen ist. von der Auslaßleitung 22 zweigt
eine Druckentlastungsleitung 20 ab, welche über einen
Wärmetauscher 64 zu
einem 2/2-Wegeventil mit Rückholfeder
führt,
welches als Entlastungsventil 16 dient und über eine
Verbindungsleitung 14 die Auslaßleitung 22 mit der
Einlaßleitung 12 verbinden
kann. Das Entlastungsventil 16 wird von einer elektromagnetischen
Stelleinheit 18 betätigt,
welche vom Komparator 28 angesteuert wird. Die Einlaßleitung 12 ist
mit einem Puffer-Behälter 68 verbunden.
Zwischen dem Abzweig zum Puffer-Behälter 68 und dem Beginn
der Einlaßleitung 12 ist
in der Einlaßleitung 12 ein
federbelastetes Rückschlagventil 62 angeordnet.
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Der
in 1 dargestellte Sensor 24 kann auch ein
Drucksensor oder ein Schwingungssensor sein. Ferner kann die Stelleinheit 18 auch
eine pneumatische oder eine mechanische Stelleinheit sein.
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Die
Sicherheitseinrichtung 2 funktioniert folgendermaßen:
Im
Falle z.B. einer Blockierung der Auslaßleitung 22 zum Druckbehälter 98 hin
steigt die Temperatur auf Grund der starken Verdichtung des Gasvolumens
in der Auslaßleitung 22 an.
Diese Temperaturerhöhung wird
vom Sensor 24 erfaßt.
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Der
Komparator 28 vergleicht laufend die vom Sensor 24 gemessenen
Werte mit denen, die ihm vom Vergleichswertgeber 26 geliefert
werden. Übersteigt
die vom Sensor 24 erfaßte
Temperatur einen im Vergleichswertgeber 26 gespeicherten
Wert, gibt der Komparator 28 ein Steuersignal an die Stelleinheit 18 aus,
welche bewirkt, daß das
Entlastungsventil 16 öffnet.
Hierdurch wird eine Verbindung von der Auslaßleitung 22 über die
Druckentlastungsleitung 20 und die Verbindungsleitung 14 zur
Einlaßleitung 12 geschaffen,
so daß die
Ein- und Auslaßleitung
der Pumpe 10 kurzgeschlossen sind. Der Wärmetauscher 64 in
der Entlastungsleitung 20 kühlt das zirkulierende Gas ab,
so daß die
Pumpe 10 schnellstmöglich
abkühlen
kann. Das Rückschlagventil 62 in der
Einlaßleitung 12 verhindert,
daß zirkulierendes Gas
aus der Einlaßleitung 12 entweichen
kann. Der Puffer-Behälter 68 ist
balgartig ausgeführt
und ermöglicht
so eine verdichtungsfreie Zirkulation des Gases.
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In 2 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
Sicherheitseinrichtung 102 an einer nur zum Teil abgebildeten
Pumpe dargestellt, wobei die technischen Funktionselemente von Störfalldetektor
und Stelleinheit im Gegensatz zu 1 im Detail
dargestellt sind.
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In
einem Zylinderkopf 110 einer Pumpe ist eine Auslaßleitung 122 vorhanden,
von welcher eine im vorliegenden Fall sackförmige Druckentlastungsleitung 120 abzweigt.
In den Zylinderkopf 110 der Pumpe ist weiterhin eine Einlaßleitung 112 eingearbeitet,
von welcher eine Verbindungsleitung 114 abzweigt. Die Druckentlastungsleitung 120 und
die Verbindungsleitung 114 münden beide in einen zylindrischen
Raum 130, welcher ebenfalls in den Zylinderkopf 110 der
Pumpe eingearbeitet ist, wobei die Druckentlastungsleitung 120 in
Richtung des zylindrischen Raumes 130 einen kegelförmigen Ventilsitz 138 aufweist.
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In
den zylindrischen Raum 130 ist ein ebenfalls zylindrischer
Führungskörper 132 eingebracht, welcher
auf seiner der Druckentlastungsleitung 120 zugewandten
Seite einen Stößel 134 trägt, an dessen
dem Führungskörper 132 abgewandten
Ende ein kegelförmiges
Verschlußteil 136 angeordnet
ist. Der Führungskörper 132 wird
von einer Druckfeder 140 in der Zeichnung nach links in
die Schließstellung
vorgespannt, welche sich gegen die Rückseite des kegelförmigen Ventilsitzes 138 der
Druckentlastungsleitung 120 stützt. Hierdurch wird das kegelförmige Verschlußteil 136 gegen
den kegelförmigen
Ventilsitz 138 der Druckentlastungsleitung 120 gepreßt. Der Führungskörper 132 mit
dem Stößel 134,
das Verschlußteil 136,
der kegelförmige
Ventilsitz 138 und die Druckfeder 140 bilden insgesamt
ein Entlastungsventil 116.
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Schließlich ist
in dem zylindrischen Raum 130, auf der dem Stößel 134 entgegengesetzten
Seite des Führungskörperes 132,
ein thermisches Dehnelement 142 vorhanden, welches sich
gegen einen den zylindrischen Raum 130 nach außen druckdicht verschließenden Stopfen 156 abstützt. Das
Dehnelement 142 entspricht von der Funktion her dem Störfalldetektor 4 des
ersten Ausführungsbeispiels.
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Die
Sicherheitseinrichtung 102 funktioniert folgendermaßen:
Wenn
sich der Zylinderkopf 110 der Pumpe z.B. aufgrund einer
durch eine Blockierung der Auslaßleitung 122 hervorgerufenen Überkompression
erwärmt,
beginnt sich das thermische Dehnelement 142, z.B. ein Thermo-Wachselement,
auszudehnen. Durch eine geeignete Dimensionierung des Dehnelements 142 und/oder
eine geeignete Auswahl des Dehnstoffes kann die Einrichtung 102 so
eingestellt werden, daß das
Dehnelement 142 bei Überschreiten
einer bestimmten Temperatur in Anlage einerseits an den Stopfen 156 und
andererseits an den Führungskörper 132 kommt.
Bei einer weiteren Erwärmung
dehnt sich das Dehnelement 142 weiter aus und bewegt der
Führungskörper 132 gegen
die Kraft der Feder 140 so, daß sich das kegelförmige Verschlußteil 136 von
dem kegelförmigen
Ventilsitz 138 der Druckentlastungsleitung 120 entfernt.
Hierdurch wird die Druckentlastungsleitung 120 über den
zylindrischen Raum 130 und die Verbindungsleitung 114 mit
der Einlaßleitung 112 verbunden.
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In 3 ist
ein drittes Ausführungsbeispiel einer
Sicherheitseinrichtung 102 dargestellt, welche in einen
aus zwei Segmenten 210, 211 bestehenden Zylinderkopf
einer Hubkolbenpumpe eingearbeitet ist.
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Die
Hubkolbenpumpe umfaßt
einen Zylinder 250, in welchem sich ein Hubkolben 244,
welcher über
ein Pleuel 246 von einem Antrieb (nicht dargestellt) angetrieben
wird, auf und ab bewegt. Zwischen der Oberseite des Hubkolbens 244 und
dem ersten Segment 210 bzw. dem zweiten Segment 211 des Zylinderkopfs
befindet sich ein Arbeitsraum 248.
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Der
Zylinderkopf dieses Ausführungsbeispiels
ist montagebedingt zweiteilig ausgeführt. Im Segment 211 des
Zylinderkopfs ist eine Auslaßleitung 222 vorhanden,
welche über
eine Ventilzunge 252 mit dem Arbeitsraum 248 verbunden
werden kann. Die Ventilzunge 252 verfügt außerdem über einen Ventilsitz 254.
Die Funktionsweise von Hubkolbenpumpen in Verbindung mit Ventilzungen
wird als bekannt vorausgesetzt und ist daher hier nicht erläutert. Im
Segment 210 des Zylinderkopfs ist ebenfalls eine Ventilzunge 236 mit
einem Ventilsitz 238 vorhanden, welche eine Einlaßleitung 212 mit
dem Arbeitsraum 248 verbinden kann. Außerdem ist dort ein Dehnelement 242 vorhanden,
dessen eines Ende fest an der Wand 258 der Einlaßleitung 212 befestigt ist
und dessen anderes Ende in Richtung der Ventilzunge 236 zeigt.
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Die
Funktionsweise dieser Sicherheitseinrichtung ist folgendermaßen:
Wenn
sich der Zylinderkopf 210, 211 der Hubkolbenpumpe
erwärmt,
beginnt sich das Dehnelement 242 auszudehnen. Analog zu
dem Ausführungsbeispiel von 2 kann
das Dehnelement 242 so dimensioniert bzw. der Dehnstoff
so ausgewählt
werden, daß bis
zu einer bestimmten Temperatur das Dehnelement 242 die
Ventilzunge 236 nicht berührt. Wird diese Temperatur überschritten,
berührt
das Dehnelement 242 die Ventilzunge 236 und drückt diese
vom Ventilsitz 238 weg. Hierdurch wird die Ventilzunge 236 zwangsweise
und unabhängig
vom Arbeitstakt der Pumpe ständig
geöffnet
und wirkt somit als ein Entlastungsventil 216. Wenn die
Ventilzunge 236 geöffnet
ist, wirkt die Einlaßleitung 212 als
eine Druckentlastungsleitung 220.