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Magnetpumpe Die Erfindung betrifft eine Pumpe, insbesondere eine
neuartige, magnetisch betriebene Druckmittelpumpe, die ohne Verwendung von Federn
oder dergleichen arbeitet, Es sind schon verschiedene elektromechanische Pumpen
vorgeschlagen worden, in denen magnetische Kräfte ausgenutzt werden. Beispielsweise
sind Pumpen mit magnetostriktiven Membranen oder dergleichen bekannt, die unter
der Einwirkung von Magnetfeldern ihre Abmessungen verändern.
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Diese Pumpen sind jedoch nur für begrenzte Fördermengen geeignet.
Derzeit sind elektromagnetische Pumpen gebräuchlich, in denen ein aus magnetischem
Material bestehender Kolben angeordnet ist, der von einer wahlweise erregbaren Magnetspule
in ein Magnetfeld gezogen wird. Die Bewegung des Kolbens ist darauf zurückzuführen,
dass bei einer Bewegung des Kolbens aus seiner normalen Stellung, in der er sich
außerhalb der Magnetspule befindet, in eine Rückzugsstellung innerhalb des einheitlichen
Magnetfeldes der Magnetspule der LuftspaLt und damit der magnetische Widerstand
verkleinert wird0 In derartigen Pumpen sind Druck-Schraubenfedern oder dergleichen
erforderlich, die nach
dem Ausschalten der Magnetspule den Kolben
in seine Ausgangsstellung zurückstellen. Diese Notwendigkeit der Verwendung von
Rückstellfedern ist seit Jahren ein Problem, weil die Federn im Lauf de Zeit schwächer
werden oder sich abnutzen, was schließlich zu einem Versagen der Pumpe führt. Dies
gilt besonders für Fälle, in denen korrodierend wirkende Förderflüssigkeiten mit
den Rückstellfedern in Berührung kommen.
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Versuche zur Lösung des durch die Verwendung der Federn bedingten
Problems haben nur einen geringen Erfolg gehabt. Es sind Anordnungen vorgeschlagen
worden, in denen die Schwerkraft zu Zurückstellen des Kolbens herangezogen wird.
Dadurch wird aber die Fördermenge so stark eingeschränkt, dass derartige Pumpen
nur in wenigen Fällen anwendbar sind. Es sind auch schon andere Konstruktionen vorgeschlagen
worden, die jedoch relativ kompliziert und in der Herstellung zu teuer sind.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Schaffung einer neuartigen
Magnetpumpe, die nur wenige bewegliche Teile besitzt und in der zur Rückstellung
des Kolbens keine Federn oder dergleichen erforderlich sind.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer
neuartigen Magnetpumpe, in der magnetisierbare Kolben oder andere Glieder vorgesehen
sind, die der Einwirkung von Magnetfeldern in einer solchen Weise unterworfen werden,
dass abwechselnd eine Anziehung und Abstoßung zwischen diesen Gliedern erfolgt und
dadurch eine hin- und hergehende Förderbewegung bewirkt wird.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht ferner in der Schaffung einer vielseitig
verwendbaren Magnetpumpe mit mindestens zwei magnetisierbaren Kolben, die in je
einem einheitlichen axialen Magnetfeld angeordnet sind, so dass die Kolben magnetisch
derart
polarisiert werden, dass sie einander anziehen, wenn die
MagnetSelder gleichsinnig gerichtet sind, und einander abstoßen, wenn die Magnetfelder
gegensinnig gerichtet sind.
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In den Zeichnungen zeigt: Fig. 1 schaubildlich eine erste Ausführungsfort
der erfindungsgemäßen Magnetpumpe Fig. 2 im Längsschnitt die Magnetpumpe gemäß Fig.
1 mit einem Schaltschema der Steuerung Fig0 3 schematisch die von gleichsinnig erregten
Spulen erzeugten lvtagnetfelder Fig. 4 schematisch die von gegensinnig erregten
Spulen erzeugten Magnetfelder Fig. 5 schematisch die Spannungswellenformen, die
im Rahmen der Erfindung zum Erzeugen der Magnetfelder verwendet werden Fig. 6 in
einer vereinfachten Schnittdarstellung die Pumpe gemäß Fig. 1, wobei die Spulen
so gepolt sind, dass die Pumpenkolben einander anziehen Fig. 7 in einer vereinfachten
Schnittdarstellung die auch in Fig. 6 gezeigte Pumpe, deren Spulen jedoch so gepolt
sind, dass die Kolben einander abstoßen Fig. 8 im Schnitt eine zweite Ausführungsform-der
erfindungsgemäßen Pumpe Fig. 9 im Schnitt eine dritte Ausführungsform der Erfindung
und Fig. 10 im Schnitt die dritte Ausführungsform der Erfindung mit einer schmeatischen
Darstellung der an die einzelnen
Spulen angelegten Wellenformen.
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In den Figuren 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Pumpe mit 10 bezeichnet. Diese pumpe ist allgemein zylindrisch und besitzt an entgegengesetzten
Endeneine Lintrittsöffnung 12 und eine Austrittsöffnung 14 für ein Druckmittel.
Die Lintritts- und die Austrittsöffnung werden von einem langgestreckten Rohrstück
16 gebildet, das vorzugsweise aus nichtmagnetischem Uterial besteht.
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Das Rohrstück 16 ist von zwei mit ihm allgemein konzentmischen Magnetspulen
18 und 20 umgeben. Jede Spule ist vorzugsweise so gewickelt,,dass sie in ihrem Innern
ein allgemein einheitliches Lagnetfeld erzeugen kann, ie nach stehend erläutert
wird. Die Spulen sind in einem geringen Axialabstand vc-neinander angeordnet und
von einer Umhüllung 22 aus Isoliermaterial umgeben.
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In dem Rohrstück 16 sind zwei magnetisierbare Glieder 24 und 26 hin-
und herbewegbar gelagert. Jedes dieser magnetisierbaren Gldq'er besteht aus einem
magnetischen Material, das eine hohe magnetische L3eraeabilität und eine geringe
Koerzitivkraft besitzt, beispielsweise aus Mumetall. Die magnetisierbaren Glieder
stellen zwei axial angeordnete Kolben dar, zwischen denen ein Druckraum 28 vorhanden
ist. Dieser ist mit einem Eintritts- und einem Austrittskanal verbunden, die von
je einer der die Kolben 26 und 24 durchsetzenden Axialbohrungen 30 und 32 gebildet
werden. Die Kolben sind ferner mit Rückschlagventilen versehen, die schematisch
bei 34 und 36 angedeutet und in den Bohrungen 30 und 32 angeordnet sind.
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Diese Rückschlagventile können von üblicher Ärt sein und unter dem
Einfluß einer Druckmittelströmung tAutomatisch öffnen und schließen, und zwar derart,
dass das Prucknittel nur in einer einzigen Richtung strömen kann, die durch Pfeile
38 angedeutet sind.
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Wenn sich die Kolben 24 und 26 zueinander hin bewegen, wird das Volumen
des Druckraums 28 beträchtlich verkleinert. Infolgedessen wird das Druckmittel durch
das Rückschlagventil 36 gedrückt, weil das Rückschlagventil 34 geschlossen ist.
kVenn danach die Kolben auseinandergeschoben werden, nimmt das Volumen des Druckraums
28 zu, wobei das Ventil 36 geschlossen und das Ventil 34 geöffnet ist, so dass zusätzliches
Druckmittel in den Druckraum gesaugt wird. Bei einer fortgesetzten Hin- und Herbewegung
der Kolben wird daher das Druckmittel in der durch die Pfeile 38 angedeuteten Richtung
durch das Rohrstück 16 gefördert. Dabei soll die Erfindung natürlich nicht auf die
in Fig. 2 gezeigte Ausbildung der Kolben eingeschränkt sein. Gegebenenfalls können
die Kolben aus verschiedenen Materialien bestehen, wobei nur ein Teil jedes Kolbens
aus einem magnetisierbaren Material zu bestehen braucht. Auch müssen der Eintritts-
und der Austrittskanal und die Rückschlagventile nicht unbedingt in den Kolben vorgesehen
sein, sondern man kann-auWandere Ventilanordnungen verwenden, sofern nur das Volumen
des Druckraums so verändert wird, dass eine Förderwirkung erzielt wird.
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Die Magnetspulen 18 und 20 sind mit einer allgemein mit 40 bezeichneten
SteuerschAtung verbunden. In der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung
besitzt diese Schaltung einen üblichen Vollweggleichrichter 42, welcher der Spule
20 parallelgeschaltet über ein einstellbares Potentiometer 46 in Reihe an eine echselstromquelle
44 angeschlossen ist. Die Magnetspule 18 ist über das Potentiometer 46 an die Stromquelle
44 angeschlossen, so dass die normale sinusförmige Spannung an die Spule 18 angelegt
wird. In dieser Schaltung wird die Polarisationsbeziehung der Spulen 18 und 20 periodisch
umgesteuert, so dass die magnetisierbaren Glieder periodisch abgestoßen werden.
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Vorzugsweise sind die Magnetspulen länger als die ihnen zudas
'Magnetfeld
120 mal pro Sekunde umgesteuert.
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Aus der Fig. 4 geht hervor, dass das Magnetfeld eine stark abgeänderte
Form hat, wenn die beiden Spulen einander gegensinnig gepolt sind. Dabei ist das
Magnetfeld im Innern jeder Spule über deren Länge im wesentlichen einheitlich. Die
Magnetfelder B 18 und B 20 haben annähernd dieselbe Feldstärke wie die gemäß Fig.
3 bei gleichsinnig gepolten Spulen (Fig0 3) im Innern der Spulen vorhandenen, resultierenden
Felder.
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Dies ist darauf zurückzuführen, dass das von der Spule 18 erzeugte
Feld auf das resultierende Feld im Innern der Spule 20 nur einen geringen Einfluß
hat und umgekehrt.
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Die Polarisationsbeziehung zwischen den beiden Spulen kann auf verschiedene
Weise umgesteuert werden. Beispielsweise kann man einer der Spulen einen Vollweg-Gleichrichter
derart parallelschalten, dass deren Polarisationsrichtung nach jeder Halbperiode
umgesteuert wird. In Fig. 5 sind die an die beiden Magnetspulen angelegten Spannungswellenformen
gezeigt, wobei an die Spule 20 eine sinusförmige Spannung 52 angelegt wird. Durch
die Vollweg-Gleichrichtung der sinusförmigen Wellenform erhält man eine Wellenform
54, die an die Spule 18 angelegt wird. Während der negativen Halbwelle der Sinuswelle
52 ist die Welle 54 positiv, so dass die Spulen 18 und 20 einander gegensinnig gepolt
sind und Magnetfelder in der in Fig. 4 gezeigten Form erzeugt werden.
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Anhand der Figuren 6 und 7 sei das vorerwähnte Zusammenwirken zwischen
den magnetisierbaren Kolben ausführlicher erläutert.
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Wichtig ist es, dass sich die Kolben oder wenigstens deren magnetisierbare
Teile ständig in allgemein einheitlichen Magnetteldern befinden, so dass die Bewegung
jedes der beiden Kolben nicht wie bei den üblichen elektromagnetischen Pumpen auf
die Veränderung des magnetischen Widerstandes zurückzuführen ist.
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geordneten, magnetisierbaren Glieder, so dass sich diese während ihrer
hin- und hergehenden Bewegung ständig in im wesentlichen einheitlichen Magnetfeldern
befinden. Die'Magnetfelder können natürlich verschiedene Formen haben, und jedes
von ihnen kann eine sich längs der Bewegungsbahn des zugeordneten Kolbens etwas
verändernde Feldstärke haben, sofern die Polarisation jedes Kolbens so stark ist,
dass dadurch die hin- und hergehende Bewegung des anderen Kolbens gesteuert wird,
wie dies vorstehend erläutert wurde.
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Ferner ist das Potentiometer im Rahmen der Erfindung nicht unbedingt
erforderlich, sondern es kann weggelassen oder durch andere Stromregler ersetzt
werden, die zur Rückkopplungseinstellung oder dergleichen bekannt sind.
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In den Figuren 3 und 4 ist die Form der von den Magnetspulen erzeugten
Magnetfelder dargestellt. Die Form der von üblichen Magnetspulen erzeugten Magnetfelder
ist bekannt. Im allgemeinen hat das Magnetfeld im Innern der Magnetspule die höchste
Feldstärke und erstreckt sich axial durch die Magnetspule hindurch, wobei es um
die Enden der SpUe herum auswärts gekrümmt ist, so dass das Feld eine annähernd
ovale Form besitzt. Die auch als Polarisationsrichtung bezeichnete Richtung des
magnetischen Kraftfluses ist von der Richtung abhängig, in welcher der elektrische
Strom durch die Spulen fließt. Bei einer Umsteuerung der Richtung des Stromflusses
in der Spule wird auch die Richtung des erzeugten Magnetfeldes umgesteuert. Wenn
der Strom an der in Figo 3 bei 48 durch das Symbol "x" angedeuteten Stelle in die
Zeichnebene fließt und an der bei 50 durch das Symbol "." angedeuteten Stelle aus
der Zeichenebene heraustritt, ist das im Innern jeder Spule vorhandene Magnetfeld
B in Fig. 3 nach links gerichtet. enn die beiden Spulen 18 und 20 nahe beeinander
angeordnet und gleichsinnig stromdurchflossen und daher auch gleichsinnig gepolt
sind, addieren sich die von den Spulen erzeugten Magnetfelder vektoriell, so dass
das Gesamtfeld etwa die in Fig. 3 gezeigte Form hat. Beim Anlegen eines Stroms von
60 Hz an die gleichsinnig gepolten Spulen wird
Wenn nun die Kolben
gemäß Fig. 6 im Abstand voneinander angeordnet sind, bewirkt ein Stromfluß durch
die Spulen 18 und 20 bei gleichsinniger Polung derselben eine derartige Magnetisierung
der beiden Kolben, dass ungleichnamige Pole einander zugekehrt sind, so dass die
Kolben einander mit einer Kraft anziehen, die eine Funktion der Feldstärke ist.
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Infolge bewegen sich die Kolben zueinander hin und öffnet das Rückschlagventil
36, so dass Druckmittel aus dem Raum 38 austritt. Dagegen bleibt das Ventil 34 geschlossen.
Die Kolben bewegen sich zueinander hin, bis sie einander berühren oder fast berühren,
wie dies in Fig. 6 gestrichelt dargestellt ist. Diese Anziehungskraft zwischen den
Kolben tritt während der ersten Halbwelle der in Fig. 5 gezeigten Wellenformen 52
und 54 auf. Danach wird die Polarisationsbeziehung zwischen den Magnetspulen umgesteuert,
so dass an den einander benachbarten Enden der Kolben gleichnamige Pole vorhanden
sind, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist. Infolgedessen stoßen die Kolben einander
ab, so dass sie sich in einander entgegengesetzten Richtungen in die in Fig. 7 gestrichelt
dargestellten Stellungen bewegen. Während dieser Bewegung ist das Ventil 34 offen
und das Ventil 36 geschlossen. Bei Verwendung eines Vollweg-Gleichrichters zur Umpolung
findet diese Bewegung während der zweiten Halbwelle der in Fig. 5 gezeigten Wellenformen
statt. Wenn die vorstehend beschriebenen Wellenformen an die Spulen angelegt werden,
bewegen sich die Kolben andauernd in der vorstehend beschriebenen Weise hin und
her, so dass das Druckmittel gefördert wird.
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Da die Rückstellbewegungen der Kolben durch die Umpolung bewirkt werden,
sind zum Unterschied von den üblichen elektromagnetischen Pumpen keine Federn oder
dergleichen erforderlich.
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In Fig0 8 ist eine Pumpe nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung
allgemein mit 56 bezeichnet. Die Pumpe ist ebenso wie in der ersten Ausführungsform
mit zwei Feldwicklungen und einer Steuerschaltung versehen. Die zweite Ausführungsform
besitzt
jedoch nur einen einzigen magnetisierbaren Eolben 58, der in der vorstehend beschriebenen
zeine relativ zu einem ortsfesten magnetisierbaren Glied U nin- und herbewegt wird.
Die Wirkungsweise ist im wesentlichen dieselbe. Durch die Umpolung wird bewirkt,
dass die magnetisierbaren Glieder einander periodisch anziehen und'abstoßen, Die
zweite Ausführungsform kann in Fällen verwendet werden, in denen nur kleinere Fördermengen
erforderlich sind oder wenn es beispielsweise aus Gründen der sJ;irtschaftlichkeit
zweckmäßiger erscheint, nur ein einziges bewegliches Glied vorzusehen.
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In Fig0 9 ist eine Pumpe gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung
mit 62 bezeichnet. Diese besitzt wie die erste usführungsform zwei Kolben 64 und
66, die In wesentlichen einheitlichen Magnetfeldern relativ zueinander hin- und
herbewegbar sind. In der dritten Ausführungsform ist jedoch nur eine einzige Spule
68 vorgesehen, die mit einer Wechsel- oder GleichspannunvsqueNle 70 verbunden ist.
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Zwischen den Kolben ist eine Druck-Schraubenfeder 72 angeordnet, welche
die Kolben auseinanderdrückt, wenn das Magnetfeld weggenoiien oder im Sinne einer
Herabsetzungskraft der zwischen den Kolben wirksamen Anziehungskraft verändert worden
ist. Der Stromfluß durch die Spule 68 kann mit Hilfe eines mechanischen Schalters
oder einer anderen Steuereinrichtung gesteuert werden, die mit 74 bezeichnet und
mit der Spannungsquelle 70 verbunden ist. In der Ausführungsform gemäß Fig. 9 wird
zwar eine Druck-Schraubenfeder verwendet, doch ist die Arbeitsweise vom magnetischen
Standpunkt dieselbe wie bei der ersten und zweiten Ausführungsform, weil die Bewegung
der Kolben dadurch bewirkt wird, dass sie durch ein einheitliches Magnetfeld veranlaßt
werden, einander anzuziehen, und nicht wie bei den üblichen elektromagnetischen
Pumpen durch eine Herabsetzung des magnetischen \vriderstandes.
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In Fig. 10 ist eine Pumpe gemäß einer vierten Ausführungsform der
Erfindung mit 76 bezeichnet. Diese Pumpe besitzt drei voneinander getrennte Magnetspulen
und drei Kolben 78, 80 und 82 aus magnetisierbarem Material. Diese Ausführungsform
hat im wesentlichen dieselbe Wirkungsweise wie die erste Ausführungsform. Bei Verwendung
von drei Kolben ist der mittlere Kolben 80 jedoch gleichzeitig einer Anziehungs-
und einer Abstoßungskraft ausgesetzt, so dass die auf ihn wirkende Kraft ständig
annähernd konstant ist. Diese iJirkungsweise wird dadurch erzielt, dass an die Spulen
84, 86 und 88 die dargestellten Wellenformen angelegt werden. Wem der Kolben 78
den Kolben 80 anzieht, wird dieser gleichzeitig von dem Kolben 82 abgestoßen. In
einer derartigen Anordnung sind zwei Druckräume 90 und 92 vorhanden, die das Druckmittel
während seiner Förderung durchströmt.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, dass in der erfindungsgemäßen
Magnetpumpe die Kolben auf neuartige gleise in einem Magnetfeld bewegt werden. Die
erfindungsgemäßen Pumpen erfordern nur eine minimale Anzahl von sich bewegenden
eilen und zum Unterschied von den üblichen Magnetpumpen keine Druck-Schraubenfedern
oder dergleichen. Die Erfindung ist nicht auf die in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsformen eingeschränkt, sondern die vorstehend beschriebenen magnetischen
Vorgänge können prinzipiell auch mit anders ausgebildeten Spulen und/oder Kolben
herbeigeführt werden. Die Erfindung kann auch auf Verdichter zum Fördern von Dämpfen
oder dergleichen angewendet werden.