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Hochdruckpumpe mit veränderbarer
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Fördermenge Die Erfindung bezieht sich auf eine Hochdruckpumpe mit
veränderbarer Fördermenge.
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In der hydrodynamischen Reinigungstechnik, beim hydraulischen Strebausbau,
beim Betrieb hydraulischer Pressen, in der Verfahrenstechnik als Prozeßpumpen, als
Homogenisatoren o.dgl. verwendet man Hochdruckpumpen, deren Druck-Mengenverhältnis
feststeht. Bei gleichbleibender Antriebsdrehzahl ist die Fördermenge gegeben. Eine
Änderung der Fördermenge ist nur durch eine Änderung der Antriebsdrehzahl möglich.
Die Anordnung eines Bypass-Ventiles ist daher die Regel. Über dieses fließt nach
Druckvernichtung die nicht benötigte Fördermenge unter Erwärmung in den Saugraum
zurück.
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Beim Zufahren von Pressen, beim Spannen von Schutzschilden gegen das
Hangende, beim Rücken des Ausbaues und der Abbaumaschinen im Bergbau sind Leerphasen
zu überbrücken,
in denen die Hubzylinder gefüllt werden müssen,
wobei zunächst nur Reibungswiderstände zu überbrücken sind. Zur Erzielung kurzer
Taktzeiten ist eine große Förderleistung für diese Phase notwendig.
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Nach einem Schnellhub erfolgt der Druckaufbau bis zum geforderten
Haltedruck, im Strebausbau, z.B. von 400 bis 500 bar, für einen längeren Zeitraum,
in dem nur geringe Fördermengen hohen Druckes verlangt werden.
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Verdrängerpumpen werden für diesen Verwendungszweck wegen ihres günstigen
Wirkungsgrades vorzugweise eingesetzt und müssen in ihrer Antriebsleistung so ausgelegt
werden, daß der Antriebsmotor die volle Fördermenge gegen den maximalen Druck zu
leisten vermag. Dies bedingt die Installation verhältnismäßig großer Antriebsleistung,
entsprechend große Zuleittungsquerschnitte und teuere Schaltelemente.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hochdruckpumpe der
eingangs genannten Art so zu gestalten, daß mit geringem konstruktiven Aufwand bei
hohem Arbeitsdruck die Fördermenge reduziert werden kann und die Pumpe mit einer
relativ kleinen Antriebsleistung auskommt.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Hochdruckpumpe gelöst,
die mit einem federbelasteten, bewegbar gelagerten, eine Federkammer gegenüber dem
mit einem Saugventil und einem Druckventil ausgerüsteten Pumpenraum abgrenzenden
Trennkörper ausgerüstet ist, der an der der Feder abgewandten Seite mit dem Druck
des Pumpenraumes beaufschlagt ist und bei der der Trennkörper entgegen der Wirkung
der Feder bei einem festgelegten Druck im Pumpenraum bewegbar ist, während die Antriebsdrehzahl
der Pumpe konstant bleibt.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe
ist die Feder als Gasfeder ausgebildet.
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Die Hochdruckpumpe fördert die volle theoretische Fördermenge so lange,
bis sich in ihrem Pumpenraum durch steigende Widerstände ein Druck aufbaut, der
den Gasdruck in der Federkammer übersteigt. Steigt der Arbeitsdruck über den Gasdruck
hinaus an, so wird das Gas in der Federkammer so lange komprimiert, bis der Systemdruck
erreicht ist. Je nach der Auslegung der Federkammer wird beim Ansprechen des Trennkörpers
der Feder kammer und seiner Bewegung entgegen dem Druck der Federkammer keine Fördermenge
oder nur eine geringe Fördermenge über das Druckventil gefördert.
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Die während dieses Prozesses im Bereich der Federkammer gespeicherte
Energie wird beim Rückhub de-s Plungers durch Entspannen des Gaspolsters an die
Kurbelwelle wieder abgegeben und entlastet die Torsionskräfte in der Kurbelwelle.
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Dadurch, daß in dem Pumpenraum über die Gasfeder bei einem Teil des
Rückhubs des Plungers ein erhöhter Druck aufrechterhalten wird, wird das Saugventil
zunächst geschlossen gehalten und erst im letzten Teil des Rückhubes des Plungers
geöffnet. Es wird somit nur eine geringe neue Fördermenge angesaugt.
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Die erfindungsgemäße Konstruktion zeichnet sich durch eine erhebliche
Energieeinsparung aus.
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Bei einem Förderstrom von 130 1/min. und einem Förderdruck von maximal
450 bar ist eine Antriebsleistung von ca. 150 PS erforderlich. Bei einem angenommenen
Gasfederdruck von 150 bar können z.B. zwei Drittel des Pumpenhubes für die Vorspannung
des Gasdruckes auf 450 bar verwandt werden, so daß
nur während eines
Drittels des Förderhubes gegen einen Druck von 450 bar gefördert wird. Die in der
Federkammer gespeicherte Energie wird im sich anschliessenden Rückhub des Plungers
an die Kurbelwelle zurückgegeben.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist es somit möglich, mit einem Energieaufwand
entsprechend einer Förderleistung von 43 1/min.
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bei einem Druck von 450 bar und einer Antriebsleistung von 50 PS auszukommen.
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Kavitationsschläge werden von dem Trennkörper federnd aufgefangen,
so daß sich eine große Unempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Hochdruckpumpe gegen
Kavitationsschläge ergibt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt
und werden im folgenden beschrieben.
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Es zeigen: Fig. 1 eine Teilansicht einer Hochdruckplungerpumpe im
Schnitt, bei der die Federkammer im Pumpenkopf angeordnet und das Saugventil einen
hülsenförmigen, auf dem Plunger schweimmend gelagerten Ventilkörper aufweist, Fig.
2 eine Abwandlung der Konstruktion nach der Fig. 1, bei der dem Plunger die Federkammer
gegenüber liegt, Fig. 3 einen Hohlplunger und den zugeordneten Kreuzkopf im Schnitt,
wobei im Innenraum des Hohlplungers die Gasfeder angeordnet ist, die mit einer Hydrauliksäule
zusammenwirkt, Fig. 4 die in der Fig. 3 aufgezeigte Konstruktion im Schnitt mit
einer abweichenden Plungerstellung.
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Die HochdruckpXumpe nach der Fig. 1 weist ein Gehause 1 auf, in dem
ein über einen nicht dargestellten Kreuzkopf und über eine Kurbelwelle angetriebener
Plunger 2 gleitbar gelagert ist. Auf dem Plunger ist schwimmend ein hülsenförmiger
Saugventilkörper 3 gelagert, dem eine Feder 4 zugeordnet ist, die sich anderendig
am Ventilgehäuse abstützt und bestrebt ist, den Saugventilkörper 3 in der in der
Fig. 1 aufgezeigten Verschlußstellung zu halten. Der Saugventilkörper 3, der vom
Saugraum 5 umschlossen wird, bildet gleichzeitig einen Teil des Pumpenraumes, dessenanderer
Teil 6 im Pumpenkopf 7 liegt.
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Der Pumpenkopf 7 und das Gehäuse 1 sind in einer Ebene 8 untereinander
verbunden.
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Der Pumpenraum 6 wird zur Förderseite hin durch ein Druckventil 9
begrenzt. In den Pumpenraum 6 mündet eine Überströmbohrung 10 ein, in die in der
in Fig. 1 aufgezeigten Betriebsstellung ein nach vorn konisch sich verjüngender
Zapfen 11 eines Kolbens 12 eingreift. Der Kolben 12 ist in dem Innenraum einer Hülse
13 gleitbar gelagert, deren unteres Ende mit einem Aussengewinde 14 versehen und
in eine entsprechende Gewindebohrung des Pumpenkopfes eingeschraubt ist. Die Stirnfläche
der Hülse 13 wird über einen Dichtungsring 14 abgedichtet. Die Hülse 13 bildet zusammen
mit dem Kolben 12 eine Gasfeder. Der Innenraum der Hülse 13 ist somit mit einem
geeigneten Gas gefüllt, z.B. mit einem Stickstoffgas, das einen Ladedruck von 120
bis 150 bar aufweisen kann. Das Gasvolumen entspricht in dem Ausführungsbeispiel
etwa dem Verdrängungsvolumen des Plungers pro Hub, während der Ladedruck ein Viertel
bis ein Drittel des maximalen Förderdruckes der Pumpe entspricht. In diesem Ausführungsbeispiel
ist der maximale Pumpendruck 450 bar.
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Sofern in dem Pumpenraum 6 ein Arbeitsdruck aufgebaut wird, der den
Ladedruck der Gasfeder übersteigt, so wird der Kolben 12 in die Federkammer hineinbewegt
und komprimiert das Gas der Federkammer auf einen erhöhten Druck, von z.B. 450 bar.
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Hierdurch wird einerseits die Fördermenge der Hochdruckpumpe erheblich
herabgesetzt und andererseits wird die in der Federkammer gespeicherte Energie beim
Rüchub des Plungers an die Kurbelwelle abgegeben.
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Die Konstruktion nach der Fig. 2 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel
nach der Fig. 1 zunächst einmal dadurch, daß das Saugventil 16 getrennt vom Plunger
17 angeordnet ist und die Gewindehülse 13 mit dem Kolben 12 sich in der in der Fig.
2 aufgezeigten Lage an einer Scheibe 18 abstützt, die in den Pumpenkopf eingesetzt
ist und gegenüber dem Pumpenraum 6 durch eine Dichtung 19 abgedichtet ist.
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Das Druckventil 20 liegt in diesem Ausführungsbeispiel dem Saugventil
gegenüber, und zwar erstreckt sich die gemeinsame Mittenachse des Saugventils und
des Druckventils quer zur Längsachse des Plungers 17.
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In beiden Ausführungsbeispieien 1 und 2 wird die Gasfeder über eine
Bohrung 21 gefüllt, die durch eine Schraube 22 o.dgl. verschließbar ist.
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Während bei den bisher erörterten Ausführungsbeispielen die Kolben
12 und 27 der jeweiligen Gasfeder mit dem Druck des Pumpenraumes beaufschlagt wurden
und die erörterten Pumpen mit konstanter Antriebsdrehzahl und konstanten Kolbenhub
arbeiten, ist in den Fig. 3 und 4 ein Ausführungsbeispiel aufgezeigt, bei dem die
Antriebsdrehzahl zwar konstant bleibt, jedoch der Kolbenhub sich ändert.
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Die Konstruktion nach den LFig. 3 und 4 weist einen Hohlplunger 30
auf, der gleitbar auf einem am Kreuzkopf 31 befestigten Bolzen 32 gelagert ist.
Die dem Bolzen zugewandte Seite der Federkammer 33, die mit einem Gas eines bestimmten
Druckes gefüllt ist, wird durch eine kappenartige Trennwand 34 begrenzt, die die
Federkammer von einer Hydrauliksäule trennt. Das Hydrauliköl, das die Hydrauliksäule
bildet, ist in den Bohrungen 35,36 des Bolzens 32 und in dem Raum 37 angeordnet.
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Bei der Förderung der Pumpe im niedrigen Druckbereich nimmt der Plunger
30 die in der Fig. 3 aufgezeigte- Stellung ein.
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Der Bolzen 32 ist mit einem Anschlagbund 38 ausgerüstet, gegen den
sich ein Anschlagring 39 des Hohlplungers 30 legt.
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Tritt in dem Pumpenraum ein erhöhter Druck ein, so wird das Gas in
der Federkammer 33 komprimiert, wobei sich das Hydrauliköl aus dem Raum 37 in den
Raum gedrückt wird, der von der Trennwand 34 dem Hohlplunger 30 und der Stirnwand
des Bolzens 32 begrenzt wird. Die maximale Komprimierung des Gases der Gasfeder
ist in der Fig. 4 dargestellt.
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Durch die Wahl des Flächenverhältnisses zwischen der Fläche F1 und
der Fläche F2 kann die Kennlinie des Druckverlaufes, bezogen auf die Hubänderung,
bestimmt werden. In dem Ausführungsbeispiel beträgt das Verhältnis F1 zu F2 gleich
1 : 2.
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Die Gasfüllung wird in die Federkammer 33 über ein Füll-und Absperrventil
40 eingebracht, das in dem- vorderen Endstück 41 des Plungers 30 angeordnet ist.