DE2025924A1 - Klappenlose Druck und Saugkolbenpumpe - Google Patents

Description

• Klappenlose Druck- und Saugkolbenpumpe Die Erfindung bezieht sich auf eine klappenlose Pumpe mit durchbohrtem Kolbens mit der durch Saug- und Druckhub Flüssigkeiten gefördert werden.
• Pumpen die ohne Ventile oder Abschlussklappen in der Saug-und Druckleitung arbeiten, sind bekannt. Bei einer Einrichtung dieser Art wird die Flüssigkeit durch den zwischen dem Förderkanal und dem Kolben befindlichen Raum gefördert. Um ein Zurückfliessen der Flüssigkeit gegen die Förderrichtung zu verhüten, sind besondere hakenförmige Ringe am Aussenumfang des Förderkolbens und am Innenumfang des Börderkanals angeordnet.
• Eine andere ohne sbschlussventil arbeitende Pumpe besitzt einen mit einer glatten zylindrlschen Bohrung versehenen Kolben, durch den die Flüssigkeit beim Saughub hindurchfliesst. Beim nachfolgenden Druckhub wird hier der weitaus grösste Teil der Flüssigkeit wieder in der entgegengesetzten Richtung zurückströmen, weil besondere Vorrichtun-~ gen, die dieses verhindern könnten, nicht vorhanden sind.
• Schliesslich ist eine elektromagnetisch mit Hilfe einer Membran betriebene Flüssigkeitskolbenpumpe bekannt geworden, deren Arbeitsraum in ständig offener Verbindung einerseits mit dem Saugraum und andererseits über-den mit einem kegeligen Durchtrittskanal versehenen Hohlkolben mit dem Druckraum steht. Bei einer solchen Pumpe wird der Zylinder, in dem der Kolben geführt ist, in einen Behälter eingebaut, welcher von der zu fördernden Flüssigkeit bis zu einem bestimmten Spiegel mit Flüssigkeit gefüllt ist.
• Auf diese Weise ist der Arbeitsraum der Pumpe stets unterhalb des Flüssigkeitsspiegels.
• Aufgabe der Erfindung ist, eine verbesserte kläppenlose Druck- und Saugkolbenpumpe zu schaffen, bei-der die Flüssigkeit über eine Zuleitung angesaugt wird und deren Einsatz- -bereich gegenüber bekannten klappenlosen Kolbenpumpen vorteilhaft erweitert ist, deren Aufbau einfach und deren Herstellung wirtschaftlich ist, die nur wenig reparaturanfällig ist und minimale Wartungskosten hat und die so ausgebildet ist, dass durch Hintereinanderschalten mehrerer Pumpen ein ausserordentlich leistungsfähiges Hochdrucksystem geschaffen werden kann.
• Gegenstand der Erfindung ist eine klappenlose Druck und Saugkolbenpumpe, bei der in einem Gehäuse ein Hohlkolben vorgesehen ist, dessen Innenraum ständig mit dem Saugraum in Verbindung steht und der mit einem kegeligen 1uchtrittskanal zum Druckraum versehen ist, und die dadurch gekennzeichnet ist, dass seitlich am Gehäuse mindestens ein Zulaufkanal mit angeschlossener Saugleitung und an einer Stirnseite des Gehäuses mindestens ein Ablaufkanal mit angeschlossener Druckleitung vorgesehen ist, die Saugleitung über den Zulaufkanal und einen Schlitz im Mantel des Hohlkolbens in ständig offener Verbindung mit dem Eolbeninnenraum steht, der im Bereich dieses Schlitzes eine glatte zylindrische Bohrung aufweist, die an einer Seite durch einen Kolbenboden verschlossen ist, die zylindrische Bohrung gegenüber dem Boden gegen den Kolbenausgang zu konisch verjüngt ist, wobei sich an die engste Durchtrittsstelle ein sich nach aussen erweiternder Abschnitt mit scharfkantigen Absätzen anschliesst, der in eine Druckzelle mündet, die ihrerseits über einen als konische Düse ausgebildeten Abschnitt mit dem Ablaufkanal in Verbindung steht.
• Bei der erfindungsgemässen Pumpe ist ein kontinuierlicher Flüssigkeitsstrom gewährleistet, der bei der Förderung von Flüssigkeiten grosse Vorteile bringt. So ist beispielsweise die Besandung von Brunnen weitgehend ausgeschaltet, die bei den herkömmlichen Ventil-Kolbenpumpen infolge der Schlagwirkung häufig auftritt. Ferner wird durch den kontinuierlichen Flüssigkeitsstrom die zur Uberwindung der Trägheit der Flüssigkeit auf zubringende Energie auf ein Minimum reduziert. Da Windkessel und Klappen nicht erforderlich sind, sind bei der Herstellung und Wartung erhebliche Vorteile gegeben. Durch den Flüssigkeitsstrom im Xolbeninneren ist eine automatische Kühlung desselben gewährleistet. Die klappenlose Bauart ermöglicht auch eine sichere Förderung von verschmutzten Flüssigkeiten. Der Aufbau der Pumpe ermöglicht es, mehrere Pumpen hintereinander zu schalten, wobei ein leistungsfähiges Hochdrucksystem geschaffen wird.
• Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen, in denen eine Ausfuhrtngsform der klappenlosen Druck- und Saugkolbenpumpe dargestellt ist, näher erläutert.
• Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch eine erfindungsgemässe Pumpe; und Fig. 2 ist eine schematische Darstellung zweier hintereinandergeschalteter Pumpen, teilweise im Schnitt.
• Die Pumpe besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse A und einem Hohlkolben B. Diese Teile können aus verschiedenen Metallen, Legierungen, aus Kunststoff oder anderen neuen Materialien hergestellt sein.
• Auf dem Gehäuse A ist seitlich ein Zulaufkanal 1 und an einer Stirnseite ein Ablaufkanal 2 vorgesehen. Die Anzahl der Zulauf- und Ablaufkanäle kann äe nach den Erfordernissen variieren. An der Stirnseite des Gehäuses A kann eine Manschette 7 angeordnet sein, die dichtend wirkt und das Eindringen von Fremdkörpern in das Gehäuseinnere verhindert.
• Der Zulaufkanal 1 ist an eine Saugleitung 8 und der Ablaufkanal 2 ist an eine Druckleitung 6 angeschlossen.
• Im Gehäuse A ist ein Hohlkolben B eingesetzt. Der unmittelbar mit der Saugleitung 8 in Verbindung stehende Abschnitt des Kolbens B ist als eine glatte zylindrische Bohrung 16 ausgebildet, deren der Förderrichtung abgekehrtes Ende mit einem Boden 15 abgeschlossen ist. Der Durchgang von der durch diese glatte zylindrische Bohrung 16 gebildeten Kammer zur Saugleitung 8 wird durch einen Schlitz 10 gebildet, der seitlich im Mantel des Gehäuses A angeordnet ist. Die Länge dieses Schlitzes 10 entspricht dem Kolbenweg und seine Breite entspricht dem Innendurchmesser des Zulaufkanals 1.
• Der dem Boden 15 abgekehrte Abschnitt 14 der zylindrischen glatten Bohrung 16 ist konisch ausgebildet. An die engste Durchtrittsstelle 12 schliesst sich- ein nach aussen erweiterter Abschnitt 13 mit scharfkantig-en, beispielsweise stufenförmigen Absätzen an. In der dargestellten Ausführungsform (Fig. 1) ist diese konische Verengung 14 und die stufenförmige Erweiterung 13 in einem Saug- und Druckkörper 11 angeordnet, der in den dem Boden 15 gegenüberliegenden Endabschnitt der glatten zylindrischen Bohrung 16 des Hohlkolbens B eingesetzt ist. Der uebergang von der zylindrischen Bohrung 16 in den konischen Abschnitt 14 im Saug- und Druckkörper 11 ist bündig, d.h. glatt und stufenlos. Die Wand des konischen Abschnittes 14 ist bei der gezeigten Ausführungsform wellenförmig ausgebildet. Dieser.Saug- und Druckkörper 11 lässt die Flüssigkeit im wesentlichen nur in einer Richtung durchtreten. Er stellt die Verbindung zwischen der durch die glatte zylindrische Bohrung 16 gebildeten Kammer und der hinter der stufenformigen Erweiterung 13 liegenden Kammer hers die als Druckzelle 9 wirkt.
• Der engste Querschnitt des Saug- und Druckkörpers 11 befindet sich am Durchtrittskanal 12. Die scharfkantigen Absätze am Innenumfang des Ausgangsteiles 13 des Saug- und Druckkörpers 11 verhindern weitgehend ein Zuruckfliessen der Flüssigkeit gegen die Förderrichtung. Die günstigste Form des Körpers 11 lässt sich gegebenenfalls ohne weiteres mit Hilfe von strömungstechnischen Untersuchungen festlegen und sie kann im Rahmen des Erfindungsgedankens auch etwas anders gestaltet sein als es dargestellt ist. Der Durchtrittgkanal 12 kann mittig oder aussenmittig angeordnet werden. Es können auch mehrere Kanäle verwendet werden.
• Der in Förderrichtung liegende Innenraum des Gehäuses A besteht aus der Druckzelle 9, deren an den Kolben anschliessender Abschnitt eine glatte zylindrische Bohrung aufweist, die gegen das andere Eade zu in eine besonders geformte verjunge Düse übergeht. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die siOh verjüngende Innenwand dieser Düse wellenförmig ausgeführt. Die Düse mündet in den Iblaufkanal 2.
• Wie bereits ausgeführt sind an den Zu- und Ablaufkanälen 1 und 2 die Saug- und Druckleitungen 8 und 6 angeschlossen, wobei die Art der Anbringung entsprechend den Erfordernissen ausgeführt sein kann. Um das Abfliessen der Flüssigkeit während eines längeren Stillstandes zu verhindern, kann an einer geeigneten Stelle der Saugleitung 8 eine Sperrvorrichtung angeordnet sein. In Fig. 2 ist diese bei 23 angedeutet.
• Der Kolben B wird durch eine Antriebsmaschine betätigt. Die Verbindung zwischen Kolben und Antrieb geschieht zweckmässigerweise durch eine Kurbelwelle oder Pleuelstange 19 die an einem Gelenkkreuz 18 befestigt ist, das seinerseits an einem vom Kolbenboden 15 nach aussen abstehenden Ansatz 17 angebracht ist.
• Die erfindungsgemässe Pumpe unterscheidet sich von den bekannten klappenlosen Pumpen insbesondere durch den Innenraum des Hohlkolbens B, durch den die Flüssigkeit beim Saughub hindurchfliesst. Wie oben ausgeführt ist in diesem Kolbeninneren in Förderrichtung zunächst eine entsprechend geformte allmähliche Verengung vorgesehen, während hinter dem engsten Querschnitt, also dem tirchtrittskanal 12, eine beispielsweise stufenförmige Erweiterung angebracht ist, die die Austrittsöffnung des Hohlkolbens B bildet. Die Saugleitung 8 hat durch den Mantel des Gehäuses A zum Eolbeninneren unterhalb des verengten Bereiches des Hohlkolbens B durch den seitlichen Schlitz 10 eine stetig offene Verbindung. Die der Förderrichtung der Pumpe abgekehrte Seite des Hohlkolbens B ist durch den Boden 15 vollständig verschlossen. An der Aussenseite dieses Bodens ist an dem vorstehenden Ansatz 17 ein Gelenkkreuz 18 angeordnet, aa das eine Kurbelwelle oder Pleuelstange 19 angeschlossen ist.
• Durch diese Eonstruktion ist ein grundsätzlicher Prinzipunterachied gegenüber den bekannten klappenlosen Pumpen gegeben, da die Flüssigkeit im Eolbeninueren erstens senkrecht zu der Flüssigkeit in der Saugleitung bewegt wird und zweitens gerade diese im Kolbeninneren mitgeführte Flüssigkeit eine zusätzliche Bewegung in Förderrichtung erhält.
• Ein weiteres besonderes Merkmal ist die Druckzelle a, deren als Düse ausgebildetes der Druckleitung 6 zugekehrtes Ende zur Beschleunigung der Strömung beiträgt. Bei der schnellen Abwärtsbewegung (Saughub) des Hohlkolbens B entsteht in der Druckzelle 9 ein Unterdruck. Dieser Unterdruck, der auch bei den herkömmlichen normalen Kolbenpumpen besteht, bewirkt bei der erfindungsgemässen Ausführungsform eine zusätzliche Saugfähigkeit, die den bekannten klappenlosen Pumpen nicht eigen ist. Somit ist eine grössere Saughöhe als bei den bekannten klappenlosen Pumpen gegeben und das Vorhandensein einer Druckzelle ermöglicht bei der Bewegung des Kolbens in Förderrichtung (Druckhub) eine echte Verdichtung. Diese ist bei den normalen Pumpen immer vorhanden, fehlt aber dagegen bei den bekannten klappenlosen Pumpen fast immer. Dieser Ums stand bedeutet eine weitere Druckfähigkeit der erfindungsgemässen Pumpe. Durch die Einbringung eines Ventils in die Saugleitung besteht die Möglichkeit, ein eventuelles Zurückfliessen der Flüssigkeit vollständig zu unterbinden.
• Im Betrieb erfolgt der Saugvorgang der Flüssigkeit bei einer Abwärtsbewegung des Hohlkolbens B, wobei gleichzeitig die in der durch die Bohrung 16 gebildeten Kammer befindliche Flüssigkeit durch den engen Durchtrittskanal 12 über die Erweiterung 13 in die Druckzelle 9 gedrängt wird. Dieser Arbeitsgang verläuft wie folgt: Da sich der Kolben erfindungsgemäss sehr schnell bewegt, kann die im Eolbeninneren befindliche Flüssigkeit bei diesem Saughub wegen eigener Trägheit nicht durch die offenen Zulaufkanäle zurückfliessen. Aus diesem Grunde und wegen des durch den geringen Widerstand auftretenden Druckabfalls im verjüngten Abschnitt 14 des Druck- und Saugkörpers 11 wird die Flüssigkeit zwangsläufig in die Druckzelle 9 gefördert. Die nun in dieser Druck zelle 9 befindliche Flüssigkeit wird bei der darauffolgenden Aufwärtsbewegung des Kolbens (Druckhub) in die ventillose Druckleitung 6 geleitet, wobei gleichzeitig die Flüssigkeit in der Bohrung 16 an kinetischer Energie gewinnt. Durch die besondere Gestaltung der Wand im erweiterten Abschnitt 13 des Saug- und Druckkörpers 11 wird die Flüssigkeit beim Druckhub entgegen der Förderrichtung einem grösseren Widerstand ausgesetzt, so dass sie nicht durch die enge Durchtrittsstelle 12 zurückfliessen kann. Dieser geschilderte Vorgang gilt auch für die Flüssigkeit in der Druckleitung 6, da unterhalb der Ablaufleitung eine Querschnitterweiterung erfolgt. Ausserdem kommt hinzu, dass die Flüssigkeit in der Druckleitung 6 nach dem Druckhub an kinetischer Energie gewonnen hat und beim Saughub wegen ihrer Trägheit nicht mehr zurückfliessen kann. Durch diese physikalischen Vorgänge und dank der klappenlosen Bauart der Pumpe ist ein zusammenhängender Flüssigkeitsstrom weitgehend vorhanden.
• Die kinetische Energie dieses kontinuierlichen Flüssigkeitsstromes spielt bei der Ergibigkeit und Leistungsfähigkeit der Pumpe eine grosse Rolle. Es wurde gefunden, dass sich beispielsweise bei einer Verlängerung der Saug- und Druckleitungen 8 und 6 der Wirkungsgrad der Pumpe bis zu einer gewissen Grenze fast proportional mit der Verlängerung erhöht.
• Einen weiteren wesentlichen Vorteil bietet die erfindungsgemässe Pumpe dadurch, dass zwei oder mehrere der Pumpen hintereinander geschaltet werden können, wodurch ein ausserortentlich leistungsfähiges Pumpensystem geschaffen werden kann./im Falle der Anordnung eines Ventils an Punkt 23 in der Saugleitung 8 herrschende statische Druck wirkt auf beide Böden 15 der einzelnen Kolben B gleichermassen.
• In Fig. 2 der Zeichnungen ist ein Pumpensystem durch Hintereinanderschalten zweier erfindungsgemässer Pumpen gezeigt.
• Die Pumpen Al und A2 werden über eine Kurbelwelle 24 so hintereinandergeschaltet, dass eine Zeitverschiebung zwischen den Saug- und Druckvorgängen der einzelnen Pumpen zustande kommt. Da aufgrund der klappenlosen Bauart im ganzen System gleiche Druckverhältnisse herrschen, stehen die auf die Kurbelwelle wirkenden Kräfte jederzeit im Gleichgewicht.
• Falls nun aus dieser Gleichgewichtslage das Antriebsaggregat 25 in Gang gesetzt wird, hat es nur die Reibungskräfte zu überwinden, und die Kolben B und B1 können daher mühelos bewegt werden. Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, entsteht bei der schnellen Abwärtsbewegung des Kolbens 2 in der Druckzelle 9a ein Unterdruck. Die in der durch die Bohrung 16a gebildeten Kammer befindliche Flüssigkeit wird dabei in die Druckzelle 9a verdrängt. Dieser Vorgang hat zur Folge, dass der Druck in der Saugleitung 8a und in der anderen Pumpe absinkt. Da der Kolben B1 der Pumpe A1 gerade Druckhubausführt, wird die Flüssigkeit in der Druckzelle 9 mühelos in Förderrichtung bewegt und anschliessend in die Kammer 16a der Pumpe A2 geleitet. In dieser kurzen Zeitspanne kommt wieder ein Druckausgleich zustande und in der.
• nächsten Hälfte der Periode stehen die Kräfte wieder im Gleichgewicht. Somit wird am Ende der Periode der Kolben B2 der zweiten Pumpe A2 die Gesamtflüssigkeitssäule ohne grossen Kraftaufwand vorwärtsschieben. Da sich zur gleichen Zeit der Kolben B1 der ersten Pumpe Al nach unten bewegt (Saughub), entsteht nacheinander in der Druckzelle 9, in der Kammer 16 und in der Saugleitung 8 ein Unterdruck, so dass das Ventil bei Punkt 23 geöffnet wird und die Flüssigkeit in die Kammer 16 gelangt. Diese Vorgänge würden sich innerhalb von 1/60 Sek. abspielen, wenn beispielsweise eine Frequenz von 1800/Min. für das System gewahlt wird. Daher wird eine fast vollständige Synchronisation erreicht.

Claims (10)

A n s p r ü c h e

1. Klappenlose Druck- und Saugkolbenpumpe, bei der in einem Gehäuse ein Hohlkolben vorgesehen ist, dessen Innenraum ständig mit dem Saugraum in Verbindung steht und der miteinem kegeligen Durchtrittskanal zum Druckraum versehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t> dass seitlich am Gehäuse CA) mindestens ein Zulaufkanal (1) mit geschlossener Saugleitung (8) und an einer Stirnseite des Gehäuses (A) mindestens ein Ablaufkanal (2) mit angeschlossener Druckleitung (6) vorgesehen ist, die Saugleitung (8) über den Zulaufkanal (L) und einen Schlitz (10) im Mantel des Hohlkolbens (B) in ständig offener Verbindung mit dem Eolbeninnenraum steht, der im Bereich dieses Schlitzes (10) eine glatte zylindrische Bohrung (16) aufweist, die an einer Seite durch einen Kolbenboden (15) verschlossen ist, die zylindrische Bohrung gegenüber dem Boden gegen den Kolbens ausgang zu konisch verjüngt ist, wobei an die engste Durchtrittsstelle (12) ein sich nach aussen erweiternder Abschnitt (13) mit scharfkantigen Absätzen anschliesst, der in eine Druckzelle 69) mündet, die ihrerseits über einen als konische Düse ausgebildeten Abschnitt mit dem Ablaufkanal (2) in Verbindung steht.

2. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des Schlitzes (10) im Mantel des Hohlkolbens (B) dem Kolbenweg und seine Breite dem Innendurchmesser des Zulaufkanals (1) entspricht.

3. Pumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekeenseichnet, dass der Hohlkolben (B) eine durchgehende zylindrische Bohrung aufweist, und in den Endabschaitt dieser Bohrung (16) gegenüber dem Boden (15) ein durchbohrte Sang- und Druck körper (11) eingesetzt ist9 der mit der konischen erjüngung (14) und dem sich hieran anschliessenden scharfkantig abgesetzten erweiterten Abschnitt (13) versehen ist0

4. Pumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Uebergang zwischen der zylindrischen Bohrung (16) zur konischen Verjüngung (14) im Saug- und Druckkörper (11) im wesentlichen glatt und stufenlos ist.

5. Pumpe nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der konischen Verjüngung (14) im Eohlkolben (B) wellenförmig ausgebildet ist.

6. Pumpe nach den Ansprüchen 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die scharfkantigen Absätze in der Erweiterung (13) hinter der engsten Durchtrittsstelle (12) der Kolbenbohrung stufenförmig ausgebildet sind.

7. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckzelle (9) an dem an den Kolben (B) anschliessenden Endabschnitt eine glatte zylindrische Bohrung aufweist, die in die eine Düse bildende konische Verjüngung übergeht.

8. Pumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wand der konischen Verjüngung der Druckzelle (9) wellenförmig ausgebildet ist.

9. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Saugleitung (8) eine Sperrvorrichtung (23) angeordnet ist.

10. Pumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben (B) mit einer Antriebsvorrichtung über eine Kurbelwelle oder Pleuelstange (19) und ein an einem vom Boden (15) des Kolbens nach aussen abstehenden Ansatz (17) angeordnetes Gelenkkreuz (18) verbunden ist.