DE19909302C1 - Freikolbenpumpe - Google Patents

Abstract

Offenbart wird eine Kolbenmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein translatorisch beweglicher Kolben angeordnet ist, dessen zumindest eine Stirnseite auf eine Fluidkammer mit Ein- und Auslaßventilen in dem Gehäuse wirkt. Das Gehäuse ist ausgestattet mit elastischen Rückstellelementen, die den Kolben in einer Ruheposition halten, wobei der Kolben aufgrund seiner Massenträgheit durch Schwingungen des Gehäuses in Translationsrichtung des Kolbens bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen Hohlraum aufweist, in dem ein in Bewegungsrichtung des Kolbens schwingungsfähiger mechanischer Resonator in Form einer über Federelemente aufgehängten Masse angeordnet ist, dessen Eigenfrequenz gleich der Frequenz der Schwingung des Gehäuses ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Freikolbenpumpe, wie durch den Oberbe­ griff des unabhängigen Patentanspruchs 1 beschrieben. Eine derartige Pumpe ist bereits aus der DE 197 19 800 C1 bekannt.

Bekannt sind sogenannte Freikolbenpumpen, die einen in einem Gehäuse enthaltenen schweren, trägen Kolben aufweisen, dessen Stirnseite auf eine Pumpkammer mit Einlaß- und Auslaßventil wirkt. Aufgrund der Massenträgheit des Kolbens werden dabei axiale Schwingungen des Pumpengehäuses über den Kolben in Pumpleistung umgesetzt, wobei die Ruhelage des Kolbens durch Rückstellfedern definiert ist.

Derartige Freikolbenpumpen haben den Vorteil, daß Sie einfach aufgebaut sind und herme­ tisch dicht ausgeführt werden können, so daß sie auch unter ungünstigsten Umwelt- und Wartungsbedingungen zur Förderung von Fluiden, Gasen und ähnlichem eingesetzt werden können.

Trotz der unbestreitbaren und oben beschriebenen Vorteile derartiger Pumpen ist dennoch zu berücksichtigen, daß die Schwingungen des Pumpengehäuses um so effektiver in Pumpleistung umgesetzt werden können, je größer die Masse des Kolbens gewählt wird. Diese theoretische Forderung nach einer möglichst großen Kolbenmasse steht aber in kras­ sem Widerspruch zu der verständlichen Forderung, das Gesamtgewicht derartiger Freikol­ benpumpen und damit die Kolbenmasse möglichst gering zu halten.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Freikolbenpumpe der gattungs­ gemäßen Art vorzusehen, bei der die Gehäuseschwingungen in höchst effektiver Weise in Pumpleistung umgesetzt werden können, wobei die Masse des Kolbens möglichst gering gehalten werden soll.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst, wobei zweckmäßige Ausführungsformen durch die Merkmale der abhängigen Un­ teransprüche beschrieben sind.

Vorgesehen ist eine Kolbenmaschine mit einem Gehäuse, in dem ein translatorisch bewegli­ cher Kolben angeordnet ist, dessen zumindest eine Stirnseite auf eine Fluidkammer mit Ein- und Auslaßventilen in dem Gehäuse wirkt, und mit elastischen Rückstellelementen, die den Kolben in einer Ruheposition halten, wobei der Kolben aufgrund seiner Massenträgheit durch Schwingungen des Gehäuses in Translationsrichtung des Kolbens bewegbar ist. Nach Maßgabe der Erfindung ist dabei vorgesehen, daß der Kolben einen Hohlraum aufweist, in dem ein in Bewegungsrichtung des Kolbens schwingungsfähiger mechanischer Resonator in der Form einer über Federelemente aufgehängten Masse angeordnet ist, dessen Eigenfre­ quenz gleich der Frequenz der Schwingung des Gehäuses ist.

Bevorzugt ist, daß die Federelemente zur Aufhängung der Masse als Spiralfedern ausgebil­ det sind.

Darüber hinaus kann der als über Federelemente aufgehängte Masse ausgebildete mechani­ sche Resonator als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet sein, dessen Rotationsachse derjenigen des Kolbens an sich entspricht.

Die Kolbenmaschine nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise als Pumpe ausgebildet, mit Anschlüssen für Saug- und Druckleitung.

Die eine Stirnseite des Kolbens kann dabei in zwei gleich große konzentrische Flächen un­ terteilt sein, die auf zwei getrennte Kompensationskammern wirken, von denen eine mit der Saugleitung und die andere mit der Druckleitung verbunden ist.

Die elastischen Rückstellelemente an dem Kolben können darüber hinaus als federelastische Kolbendichtungen ausgebildet sein, wobei die federelastischen Kolbendichtungen vorzugs­ weise als Faltenbälge ausgebildet sind, die aus Metall, aber auch aus anderen geeigneten Werkstoffen gefertigt sein können.

Alternativ können die elastischen Rückstellelemente als Rückstellfedern ausgebildet sein, wobei die Rückstellfedern bevorzugt als Spiralfedern ausgebildet sind.

Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen, darin zeigt:

Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Ausführungsform der Freikolben­ pumpe und

Fig. 2 einen Querschnitt durch den konstruktiven Aufbau einer Freikolbenpumpe.

In der Fig. 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine Kolbenmaschine nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung dargestellt, die hier als Freikolbenpumpe ausgebildet ist. Zu erkennen ist dabei ein Pumpengehäuse 2, in dem ein translatorisch beweglicher Kolben 4 angeordnet ist, der auf eine in dem Pumpgehäuse 2 angeordnete Pumpkammer 6 wirkt. Die Pumpkammer ist dabei mit Anschlüssen 8 und 10 für die Saugleitung 12 sowie die Druck­ leitung 14 versehen. In den Anschlüssen 8 und 10 sind entsprechende Rückschlagventile 16 und 18 vorgesehen, die sich nur in Pumprichtung öffnen. Wie der Fig. 1 nun weiter zu ent­ nehmen ist, ist der Kolben 4 derart aufgebaut, daß er einen Hohlraum 20 aufweist, in dem ein in Translationsrichtung des Kolbens 4 schwingungsfähiger mechanischer Resonator 22 angeordnet ist, dessen Eigenfrequenz gleich der Antriebsfrequenz ist, mit der das Pumpge­ häuse 2 angetrieben werden kann. Der mechanische Resonator 22 ist in der in Fig. 1 darge­ stellten Ausführungsform über Spiralfedern 24 und 26 in dem Hohlraum 20 des Kolbens 4 aufgehängt. Da der Schwingungswiderstand des mechanischen Resonators 22 im Resonanz­ fall gegen unendlich geht, verhält sich der Kolben 4 so, als habe er eine annähernd unend­ lich große Masse. Auf diese Weise kann die Pumpe mit dem Freikolben 4 möglichst effektiv arbeiten. Wie der Fig. 1 weiterhin zu entnehmen ist, ist der Kolben auf der der Pumpkam­ mer 6 entgegengesetzten Seite in zwei gleich große konzentrische Flächen 28 und 30 auf­ geteilt, die jeweils auf Kompensationskammern 32 und 34 wirken. Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, ist die Kompensationskammer 32 mit der Druckleitung 14 verbunden, wo­ hingegen die Kompensationskammer 34 mit der Saugleitung 12 verbunden ist. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Druckverhältnisse in Saugleitung 12 und Druckleitung 14 kei­ nen Einfluß auf die Ruhelage des Kolben 4 haben, so daß der Förderstrom ebenso gleichmä­ ßig wie bei einer doppelt wirkenden Pumpe mit vier Ventilen ist. Die Freikolbenpumpe nach Maßgabe der Ausführungsform wie in Fig. 1 dargestellt, arbeitet nun so, daß das Pumpge­ häuse 2 in Schwingungen versetzt wird, deren Richtung der Translationsrichtung des Frei­ kolbens 4 entspricht. Durch die Bewegung des Freikolbens 4, der vorzugsweise über fede­ relastische Elemente (nicht dargestellt) in Ruhestellung in dem Pumpgehäuse 2 gehalten ist, entsteht eine Pumpwirkung, in dem der Freikolben 4 auf die Pumpkammer 6 wirkt.

Die Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den konstruktiven Aufbau einer Ausführungsform einer Freikolbenpumpe nach Maßgabe der vorliegenden Erfindung. Soweit sich Elemente der Fig. 1 und 2 entsprechen, sind diese auch mit gleichen Bezugszeichen versehen. Wie zu erkennen, weist die Pumpe nach Maßgabe der Fig. 2 ebenfalls ein Pumpgehäuse 2 auf, das in der dargestellten Ausführungsform aus einem rohrzylindrischen Element 2a, einem unte­ ren Flansch 2b sowie einer oberen Flanschanordnung 2c gebildet ist. Innerhalb des Pumpge­ häuses 2 ist der Freikolben 4 angeordnet, der ebenfalls aus einem rohrzylindrischen Element 4a, einem unteren Flansch 4b sowie einem oberen Flansch 4c gebildet ist. Auf diese Weise wird ein Hohlraum 20 innerhalb des Freikolbens 4 gebildet, in dem über zwei Spiralfedern 24 und 26 ein mechanischer Resonator 22 schwingungsfähig aufgehängt ist, der in der dar­ gestellten Ausführungsform als rotationssymmetrisches Element ausgebildet ist. Der Frei­ kolben 4 mit samt des mechanischen Resonators 22, ist über als federelastische Elemente wirkende Metallbälge 36 bzw. 38 innerhalb des Pumpgehäuses 2 aufgehängt, die sich an den Flanschen 2b bzw. 2c abstützen. Die Pumpe nach Maßgabe der Fig. 2 arbeitet nun derart, daß ein zu pumpendes Medium über den Anschluß 8 für die Saugleitung durch den Falten­ balg 36 in einen Hohlraum innerhalb des Freikolbens 4 strömt, der durch einen Rohrab­ schnitt zwischen den Flanschen 4b und 4c gebildet ist. Am oberen Ende dieses Hohlraumes ist in dem Flansch 4c das Einlaßventil 16 angeordnet, das sich bei einer Abwärtsbewegung des Freikolbens 4 innerhalb des Gehäuses 2 und bei entsprechend einströmendem Medium über den Anschluß 8 öffnet, so daß das zu fördernde Medium in den durch den Faltenbalg 38 gebildeten Raum zwischen Flansch 2c und Flansch 4c entströmen kann. Der Flansch 2c ist, wie in Fig. 2 dargestellt, mit dem Auslaßventil 18 versehen, das sich dann öffnet, wenn sich der Freikolben 4 nach erfolgter Abwärtsbewegung wieder aufwärts innerhalb des Pumpgehäuses 2 bewegt, so daß das innerhalb des Faltenbalgs 38 befindliche Medium in einen innerhalb des Flansches 2c vorgesehenen Hohlraum 2d einströmen kann. Von dort gelangt das zu fördernde Medium über die innerhalb des Flansches 2c vorgesehenen Durch­ trittsbohrungen 2e an dem Freikolben 4 vorbei zu dem Anschluß für die Druckleitung 10. Die Pumpwirkung wird bei der Ausführungsform nach Maßgabe der Fig. 2 nur dadurch er­ reicht, daß das Gehäuse 2 in vertikale Schwingungen versetzt wird, so daß auch der Freikol­ ben 4 innerhalb des Pumpgehäuses in entsprechenden Bewegung gerät.

Natürlich lassen sich auch Merkmale der Ausführungsformen nach Maßgabe der Fig. 1 und der Fig. 2 miteinander kombinieren.

Claims (10)

1. Kolbenmaschine, mit einem Gehäuse, in dem ein translatorisch beweglicher Kolben angeordnet ist, dessen zumindest eine Stirnseite auf eine Fluidkammer mit Ein- und Auslaßventilen in dem Gehäuse wirkt, und mit elastischen Rückstellelementen, die den Kolben in einer Ruheposition halten, wobei der Kolben aufgrund seiner Massenträgheit durch Schwingungen des Gehäuses in Translationsrichtung des Kolbens bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben einen Hohlraum aufweist, in dem ein in Bewegungsrichtung des Kolbens schwingungsfähiger mechanischer Resonator in Form einer über Federelemente aufgehängten Masse angeordnet ist, dessen Eigenfrequenz gleich der Frequenz der Schwingung des Gehäuses ist.

2. Kolbenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Federelemente als Spiralfedern ausgebildet sind.

3. Kolbenmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Masse als rotationssymmetrischer Körper ausgebildet ist, dessen Rotationsachse derjenigen des Kolbens entspricht.

4. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenmaschine eine Pumpe mit Anschlüssen für Saug- und Druckleitung ist.

5. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Stirnseite des Kolbens in zwei gleich große konzentrische Flächen unterteilt ist, die auf zwei getrennte Kompensationskammern wirken, von denen eine mit der Saugleitung und die andere mit der Druckleitung verbunden ist.

6. Kolbenmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Rückstellelemente als federelastische Kolbendichtungen ausgebildet sind.

7. Kolbenmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die federelastischen Kolbendichtungen als Faltenbälge ausgebildet sind.

8. Kolbenmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltenbälge aus Metall sind.

9. Kolbenmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Rückstellelemente als Rückstellfedern ausgebildet sind.

10. Kolbenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfedern als Spiralfedern ausgebildet sind.