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Fördereinrichtung für flüssige oder gasförmige Medien
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Gegenstand der Anmeldung ist eine Fördereinrichtung für flüssige oder
gasförmige Medien entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Anmeldung betrifft den Antrieb einer Verdrängerpumpe.
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Als Verdrängerpumpe werden insbesondere Kolben- und Membranpumpen
angesehen, bei denen durch pulsierende Kolbenbewegung oder Membranbewegung eine
pulsierende Veränderung des Volumens einer Pumpenkammer und damit die Pumpwirkung
erzielt wird.
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Die Erfindung wird zwar anhand einer Membranpumpe erläutert; sie bezieht
sich jedoch auch auf andere Verdrängerpumpen, insbesondere Kolbenpumpen, bei denen
ein Kolben an die Stelle der jeweils beschriebenen Membran tritt.
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Die Erfindung wird insbesondere unter Berücksichtigung des Wärmeträgerkreislaufs
einer Wärmepumpenanlage und bevorzugt einer Absorptionswärmepumpenanlage erläutert,
wo die Fördereinrichtung als Lösungspumpe verwandt wird. Eine Beschränkung des Gegenstandes
der Erfindung ist hierdurch jedoch nicht beabsichtigt und ergibt sich nur durch
die Ansprüche.
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Im Absorptionsprozeß dient die Fördereinrichtung zur Förderung der
Lösung, d.h. des mit dem Wärmeträger angereicherten Lösungsmittels (z. B. Lösung
von NH -Dampf und H 0) von dem 3 2 gekühlten Absorber in den beheizten Rektifikator.
Der Rektifikator steht unter einem höheren Druck als der Absorber.
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Um den Wärmeträgerkreislauf nach außen hermetisch abzudichten, weist
die Fördereinrichtung als Verdrängerpumpe eine Membranpumpe auf, deren Membran die
Pumpenkammer und die Antriebs-
kammer voneinander trennt. Die Hin-
und Herbewegung der Membran, d.h. die Pumpbewegung der Membran erfolgt dadurch,
daß die Antriebskammer mit dem pulsierenden Druck eines Antriebsmediums, z. B. Drucköl,
beaufschlagt wird.
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Derartige Membranpumpen sind bekannt, z. B. durch DE-AS 11 18 011,
14 53 579. Dabei wird der pulsierende Druck des Antriebsmediums durch Kolbenpumpen
erzeugt, wodurch die Membran der Kolbenbewegung synchron folgt.
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Die Fördermenge derartiger Fördereinrichtungen kann sum einen dadurch
beeinflußt werden, daß die Antriebsdrehzahl der Kolbenpumpe entsprechend gesteuert
wird. Die Drehzahl steuerung im allgemeinen verwandter Drehstrom- oder Wechselstrommotoren
ist jedoch technisch aufwendig und führt zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Die in der DE-AS 14 53 579 beschriebene Fördereinrichtung erreicht zwar die Fördermengensteuerung
der Membranpumpe dadurch, daß die bei jedem Hub geförderte Druckölmenge der dem
Antrieb dienenden Kolbenpumpe durch eine geeignete Ventilanordnung gesteuert wird.
Durch den Synchronismus zwischen dem Hub der Kolbenpumpe und der Membranpumpe ergibt
sich wie bei allen durch Kolbenpumpen angetriebenen Membranpumpen die Notwendigkeit,
Einrichtungen zum Ausgleich der unvermeidlichen Leckagen vorzusehen. Deshalb weìsW
die bekannte Fördereinrichtung zur Steuerung der Fördermenge ein sehr kompliziertes
Ventilsystem auf, das für einen Dauerbetrieb mit langer Standzeit - und daher insbesondere
für den Betrieb einer Wärmepumpe - nicht geeignet ist.
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Die Erfindung löst die Aufgabe, die zuvor geschilderten Probleme des
Leckageausgleichs und der Fördermengensteuerung bei einer Fördereinrichtung für
flüssige oder gasförmige Medien nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu vermeiden.
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Nach der Erfindung besteht die Fördereinrichtung zum einen aus einer
Verdrängerpumpe, also beispielsweise einer Kolben-oder Membranpumpe mit einer Pumpenkammer
und einer Antriebskammer. An deren Pumpenkammer-Einl-aß kann ein Druck anstehen,
der größer ist als der Tankdruck des Arbeitsmediums. Dadurch wird der Rückhub der
Membran - d.h. der Ansaughub - bewirkt.
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Der Rückhub kann jedoch auch auf andere Weise, beispielsweise durch
eine Feder, bewirkt werden.
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Ihre Antriebskammer wird durch eine Druckölpumpe (Konstantpumpe) mit
im wesentlichen konstantem Förderstrom beaufschlagt.
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Die Druckleitung zwischen dieser Konstantpumpe und der Antriebskammer
hat einen Auslaß, welcher durch ein Steuerventil pulsierend zu öffnen und zu verschließen
ist.
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Als Konstantpumpe wird in dieser Anmeldung eine Pumpe bezeichnet,
die mit konstanter Drehzahl und konstanter Fördermenge betrieben wird. Die vorgegebene
Drehzahl wird während des Betriebes nicht gesteuert oder geregelt. Es ist allerdings
bei manchen Antriebsmotoren möglich, daß sich die Drehzahl bei zunehmendem Drehmoment
geringfügig ändert (z. B.
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Asynchronmotoren). Das wird hier jedoch nicht berücksichtigt.
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Es sei erwähnt, daß die Leistungsaufnahme der Konstantpumpe und ihres
Antriebmotors vom Druck des Antriebmediums abhängt.
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Wenn das Steuerventil geöffnet ist, wird also fast keine Leistung
verbraucht.
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Es sei erwähnt, daß sich diese pulsierende Ventilbetätigung aus der
zuvorgenannten DE-AS 14 53 579 nicht ergibt, da das Ventil dort als eine Hülse ausgebildet
ist, welche zur axialen Ventilverstellung mit einem drehbaren Einstellknopf verbunden
ist, der auf einem Gewinde aufsitzt und daher nur langsam und von Hand, also nicht
pulsierend, verstellt werden kann.
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Die erfindungsgemäße Fördereinrichtung ist als Regel- oder Dosierpumpe
in einer Wärmepumpenanlage deswegen besonders gut
geeignet, weil
sie zum einen das höhere Druckniveau im Kreislauf des Wärmeträgers nutzen kann und
zum anderen eine im wesentlichen masselose und daher trägheitsarme Steuerung des
Steuerventils und des Förderstroms gestattet. Diese Steuerung des Steuerventils
der Fördereinrichtung kann in Abhängigkeit vom gemessenen Ist-Wert eines geeigneten
Prozeßparameters erfolgen.
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Bei der Verwendung der Fördereinrichtung im Wärmeträgerkreis lauf
einer Wärmepumpe erfolgt die Steuerung des Ventils in Abhängigkeit vom Wärmeinhalt
des wärmespendenden Mediums.
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Werden Abgase,Abluft oder Umgebungsluft als Wärmespender benutzt,
so wird deren Temperatur gemessen und die Öffnung und der Verschluß des Steuerventils
in Abhängigkeit von dieser gemessenen Temperatur des Wärmespenders gesteuert.
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Die Fördereinrichtung wird nach der Erfindung in einem Ausführungsbeispiel
so betrieben, daß die Summe von Offnungszeit und der darauffolgenden Verschlußzeit
des Steuerventils einen konstant bleibenden Arbeitstakt bilden und daß innerhalb
eines jeden Arbeitstaktes lediglich das Verhältnis von Öffnungszeit zu Verschlußzeit
in Abhängigkeit von dem Prozeßparameter bzw.
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von der Temperatur des Wärmespenders, z. B. der Umgebungsluft, gesteuert
wird.
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Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt eine relativ einfache Auslegung
der elektrischen und elektronischen Steuerung des Steuerventils. Ein anderes Ausführungsbeispiel
bietet Vorteile hinsichtlich der Verlängerung der Lebensdauer der Fördereinrichtung.
Hierbei setzt sich jeder Arbeitstakt des Steuerventils aus einer konstant bleibenden
Öffnungszeit und aus einer konstant bleibenden Verschlußzeit zusammen. Die Zahl
der Arbeitstakte pro Zeiteinheit wird jedoch in Abhängigkeit von dem Prozeßparameter
bzw. von der Temperatur des Wärmespenders gesteuert. Der Vorteil dieser Ausführung
besteht darin, daß die Membranpumpe und das Ventil nur dann betätigt und die
Konstantpumpe
nur dann druckbeaufschlagt werden, wenn und soweit dies nach dem gemessenen Ist-Wert
des Prozeßparameters bzw. nach der Temperatur des Wärmespenders bei einer Wärmepumpenanlage
geboten ist.
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Das Steuerventil wird vorzugsweise durch einen Elektromagneten betätigt.
Auch dies trägt zur Trägheitsarmut der Fördereinrichtung bei. In einem Ausführungsbeispiel
weist das Ventil der Fördereinrichtung einen in einem Zylinder durch den Magnetstößel
betätigbaren Schieber mit einer Ringnut auf. In der Offnungsstellung des Schiebers
überdeckt die Ringnut gleichzeitig die Leitung von der Konstantpumpe zum Steuerventil
sowie die Leitung von der Antriebskammer zum Steuerventil sowie den Abfluß vom Steuerventil
zum Tank. In der Schließstellung überdeckt die Ringnut die Leitung von der Konstantpumpe
zum Steuerventil sowie die Leitung von dem Steuerventil zur Pumpenkammer, während
der in einer anderen Normalebene des Zylinders liegende Abfluß zum Tank verschlossen
ist.
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Um Stoßbelastungen des Schiebers zu vermeiden, weist der Schieber
einen dem Magnetstößel im Durchmesser angepaßten Aufpralldämpfungstopf auf. Da der
Zylinder mit Hydrauliköl gefüllt ist, ist der Aufpralldämpfungstopf vor dem Aufprall
des Magnetstößels mit Öl gefüllt, das beim Aufprall des Magnetstößels dämpfend entweicht.
Ebenso ist der Schieberweg im Zylinder durch Paarungen von hydraulischen Aufpralldämpfungselementen
begrenzt. Hierzu kann z. B. an jedem Hubende des Schiebers im Zylinder ein Aufpralldämpfungstopf
und am Schieber ein entsprechender Stößel vorgesehen sein. Beim Abheben des Magnetstößels
wird der Schieber durch Federkraft in seine Ausgangsposition, d.h. in die Öffnungsstellung
des Steuerventils, in der die Konstantpumpe mit dem Tank verbunden ist, zurückgefahren.
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Eine besonders trägheitsarme Betätigung des Steuerventils kann dadurch
geschehen, daß die Offnungs- und Schließbewegungen des Ventils durch ein hydraulisches
Vorsteuerventil bewirkt werden. Das Vorsteuerventil wird durch ein Magnetventil
gesteuert.
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Anstelle der Fremdbetätigung des Steuerventils in Abhångigkeit von
einem Prozeßparameter kann auch erfindungsgemäß vorgesehen werden, daß das Steuerventil
durch die Membran selbst betätigt wird. In dieser Form der Erfindung dient die Fördereinrichtung
zur Förderung von Gasen oder Flüssig keiten in einer einstellbaren, jedoch über
die Zeit gleichbleibenden Menge (Volumen) pro Zeiteinheit.
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In einem Ausführungsbeispiel, das sich durch einfache Bauelemente
auszeichnet, ist der Ventilkolben (Schieber) zwischen zwei Federn eingespannt. Eine
dieser Federn stützt sich unmittelbar an der Membran ab. Dadurch ändert sich mit
der Membranbewegung die Gleichgewichtsstellung des Ventilkolbens.
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Nach dem gleichen Prinzip ist es möglich, daß an der Membran eine
Pleuelstange befestigt ist, auf welcher der Ventilkolben (Schieber) gleitet. Die
Pleuelstange weist beidseits des Ventilkolbens (Schiebers) Bunde auf, an denen sich
die Federn abstützen, zwischen welchen der Ventilkolben (Schieber) beidseits eingespannt
ist.
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Bei all diesen Ausführungsformen ist bevorzugt vorgesehen, daß der
Ventilkolben (Schieber) eine-unstetige Schaltbewegung ausführt. Hierzu kann der
Ventilkolben (Schieber) gegen eine Feder abgestützt sein, die bei der Bewegung des
Ventilkolbens ihren Totpunkt überwindet. Hierfür eignen sich insbesondere Tellerfedern.
Ein ausreichender Schaltweg für den Ventilkolben (Schieber) wird dadurch erzielt,
daß die Feder mit einem ent-.
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sprechend langen Totweg versehen wird.
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Die Unstetigkeit der Schaltbewegung des Ventilkolbens (Schiebers)
kann auch dadurch bewirkt werden, daß Einrastungen in der Öffnungsstellung und in
der Schließstellung des Ventilkolbens (Schiebers) vorgesehen sind.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird vorgesehen, daß
die durch die Membranbewegung erfolgende Steuerung des Steuerventils unter Zwischenschaltung
einer hydraulischen Vorsteuerung erfolgt. Diese Vorsteuerung hat den Vorteil, daß
zur Schaltung des Steuerventils größere Schaltkräfte aufgebracht werden können.
Das Vorsteuerventil verbindet hierbei den Vorsteuerraum des Steuerventils welchselweise
mit der Pumpe oder mit dem Tank. Hierzu ist der Vorsteuerkolben über eine Pleuelstange
mechanisch mit der Membran verbunden, und zwar vorzugsweise unter Zulassung eines
Totweges. Bei Erreichen des größten Einlaßhubes bewegt die Membran den Vorsteuerkolben
in dem Sinne, daß der Vorsteuerraum des Steuerventils zum Tank hin geöffnet wird.
Bei Erreichen des maximalen Auslaßhubs der Membran wird der Vorsteuerkolben in dem
Sinne bewegt, daß der Vorsteuerraum des Steuerventils mit der Pumpe verbunden wird.
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Der Vorsteuerkolben ist durch Federn, die ggf. einstellbar sind, mit
positiver Uberdeckung des Anschlusses zum Vorsteuerraum des Steuerventils zentriert.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispie len
beschrieben.
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Hierbei zeigen: Fig. 1 die schematische Darstellung einer Fördereinrichtung
gemäß der Erfindung; Fig. 2 bis Ausführungsbeispiele von Steuerventilen; Fig. 4
Fig. 5 Arbeitsdiagramme der Steuereinrichtung bzw.
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und Fig. 6 des Steuerventils;
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel
mit hydraulischer Vorsteuerung; Fig. 8 Ausführungsbeispiele mit durch die Membran-und
Fig. 9 bewegung erfolgender mechanischer Ventilsteuerung; Fig. 10 die Anordnung
der Fördereinrichtung in einer schematisch dargestellten Absorptionswärmeo pumpenanlage.
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Die Fördereinrichtung nach Fig. 1 weist als Kernstück eine Membranpumpe
1 auf. Die Membranpumpe kann in einen Wärmeträgerkreislauf, beispielsweise als Lösungspumpe
in einer Absorptionswärmepumpenanlage eingeschaltet sein. Sie hat den Einlaß 2.1
und den Auslaß 2.2. An dem Einlaß 2.1 steht ein Druck an, der über dem Tankdruck,
also normalerweise über Atmosphärendruck, liegt.
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Die Pumpwirkung der Membranpumpe 1 beruht auf der Hin- und Herbewegung
der Membran, welche die Pumpenkammer 3.2 und die Antriebskammer 3.1 voneinander
trennt. Die Antriebskammer 3.1 wird über die Leitungen 8.1 und 8.2 mit dem Förderstrom
einer Konstantpumpe 4 beaufschlagt. Es kann sich hierbei z. B. um eine Zahnradpumpe
oder um eine mehrzylindrige Kolbenpumpe handeln. Wesentlich ist, daß die Pumpe is
mit konstanter Drehzahl betrieben wird und auch eine im wesentlichen konstante Fördermenge
ausbringt. Die Konstantpumpe wird durch den Elektromotor 5 mit konstanter Drehzahl
angetrieben. Der Leitungsstrang 8.1, 8.2 weist einen Bypass 7 auf, welcher durch
das Steuerventil 6 geöffnet oder verschlossen werden kann. Das Steuerventil 6 wird
durch einen Elektromagneten 9 betätigt.
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Der Elektromagnet 9 wird gesteuert durch eine Steuereinrichtung 10.1
und eine Meßeinrichtung 10.2 für einen Prozeßparameter, beispielsweise einen Temperaturfühler
10.2 für die
Außentemperatur der Luft. Durch Öffnen und Schließen
des Ventils 6 wird der Leitungsstrang 8.1, 8.2 und die Antriebskammer 3.1 pulsierend
auf Druck und drucklos geschaltet.
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Der Förderdruck der Konstantpumpe 4 bei geschlossenem Ventil 6 überwindet
den Druck in der Auslaßleitung 2.2 der Pumpenkammer 3.2. Wird der Leitungsstrang
8.1, 8.2 durch Öffnen des Ventils 6 drucklos geschaltet, so wird die Membran durch
den Einlaßdruck in Leitung 2.1 zurückgedrückt, was einem Ansaughub entspricht.
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Die gesamte Fördereinrichtung ist in dem Tank 11 untergebracht, welcher
lediglich eine Dichtung 13 für die Welle 12 sowie Austritte für die Steuerleitung
zu Magnet 9 und die Druckleitung 8.2 aufweist.
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Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel eines Steuerventils stellt
eine magnetbetätigte Schieberbauart dar. Im Ventilgehäuse 20 mit Zylinder 19 ist
der Schieber 17 axial verschieblich. Der Schieber wird - in der Darstellung - nach
links durch die Feder 21 und nach rechts durch den Stößel 16 des Magneten 15 bewegt.
Der Schieber 17 weist eine Ringnut 18 auf. In der dargestellten, durch Feder 21
eingestellten Position überdeckt die Ringnut 18 den Ansclilußkanal 22, der von der
Pumpe kommt, den Anschlußkanal 23, der in den Tank führt sowie den Anschlußkanal
24, der das Steuerventil mit der Antriebskammer der Membranpumpe 1 in Fig. 1 verbindet.
Das bedeutet, daß in dieser Stellung des Schiebers 17 der von der Konstantpumpe
4 geförderte blstrom und auch der von der Membran infolge des auf ihr lastenden
Drucks in der Einlaßleitung 2.1 zurückgeförderte Ölstrom in den Tank 11 entweicht.
Wird der Magnet 15 erregt, so drückt der Stößel 16 den Schieber t7 nach rechts,
bis Ringnut 18 lediglich noch Anschluß 22 von der Pumpe und Anschluß 24 zur Antriebskammer
3.1 überdeckt. In dieser Stellung erfolgt der Förderhub der Membran.
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Um stoßartige Belastungen des Schiebers 17 zu vermeiden, sind an beiden
Enden des Schieberweges die ringförmigen Dämpfungsbehäl-
ter 25
angeordnet, in die der Schieber 17 mit den Dämpfungsvorsprüngen 26 einfährt. Da
der Zylinder 19 an den beiden Stirnflächen des Schiebers 17 über die zentrale Bohrung
28 zur Druckentlastung des Schiebers 17 mit Öl gefüllt ist, preßt der Ansatz 26
das in den Aufpralldämpfungsgefäßen 25 befindliche Öl langsam heraus. Um den Aufprall
des Stößels 16 auf die Stirnfläche des Schiebers 17 zu mildern, ist diese Stirnfläche
mit einer AufpralldämpfungspSanne 27 versehen, die im Durchmesser dem Stößeldurchmesser
im wesentlichen angepaßt ist. Auch hier erfolgt ein hydraulischer Dämpfungseffekt.
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Fig. 3 zeigt als Steuerventil ein Membranventil mit einer Membran
29, welche durch Stößel 30 und Magnet 31 hin- und herbewegt wird und dabei mit ihrer
Schließlippe 32 das Abflußrohr 33, welches die Ventilkammer 34 mit dem nicht dargestellten
Tank 11 verbindet, verschließt oder öffnet. Mit 22 ist wiederum der Anschluß bezeichnet,
der von der Konstantpumpe 4 zum Steuerventil führt. Mit 24 ist der Anschluß bezeichnet,
der die Antriebskammer der Membranpumpe 1 mit dem Steuerventil verbindet.
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Die Druckausgleichskammer 35 des Steuerventils ist mit der Ventilkammer
34 durch einen Uberströmkanal 36 verbunden.
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Das Steuerventil nach Fig. 4 ist ein Membranventil, das hinsichtlich
seiner Ventilkammer 34 genauso aufgebaut ist wie das Ausführungsbeispiel nach Fig.
3. Die Membran 29 wird auf der anderen Seite in der Vorsteuerkammer 37 durch Uberströmkanal
36 mit dem Druck in der Ventilkammer 34 beaufschlagt Jedoch kann die Vorsteuerkammer
37 über Anschluß 38, Vorsteuerventil 39, Stößel 40 und Elektromagnet 41 mit dem
Tank 11 verbunden werden, so daß der Druck in der Vorsteuerkammer 37 abfällt. Es
sei bemerkt, daß die Auslaßquerschnitte im Auslaß 38 größer sind als der Querschnitt
des Uberströmkanals 36. Bei
nachlassendem Druck in der Vorsteuerkammer
37 hebt die Membran von dem Verschlußquerschnitt des Abflußrohres 33 ab. Beim Verschließen
des Magnetventils 39 steigt der Druck wieder an und die Ventilkammer 34 wird zum
Ab flußrohr 33 hin verschlossen.
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Fig. 5 zeigt ein Arbeitsdiagramm des Steuerventils 6.
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Dargestellt ist der Fall, dsß das Fördervolumen - abhängig von einem
geeigneten Prozeßparameter, z. B. von der Temperatur der Umgebungsluft-von Hub zu
Hub vermindert wird.
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Das Steuerventil 6 wird in einem zeitlich konstanten Arbeitszyklus
A betätigt. Jeder Arbeitszyklus A besteht aus einer Öffnungszeit 0 und einer Verschlußzeit
V und ggf. einer Ruhezeit RZ. Da die Hubgeschwindigkeit der Membranpumpe 1 vor allem
druckabhängig vorgegeben ist, erfolgen auch Förderhub und Rückhub der Membranpumpe
1 mit konstanter Geschwindigkeit.
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Die Größe eines jeden Förderhubs H wird jedoch durch Steuerung von
Öffnungs- und Verschlußzeit des Steuerventils 6 beeinflußt.
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Füllt die Verschlußzeit V des Steuerventils 6 die gesamte, für einen
Förderhub H erforderliche Zeit aus, so bewegt sich die Membran der Membranpumpe
1 mit maximalem Hub H . Bei max kleinerer Verschlußzeit V besteht ein Arbeitstakt
der Membranpumpe 1 aus dem Förderhub H, dessen Dauer FH der Verschlußzeit V entspricht
sowie aus dem Rückhub mit der Dauer RH und der Ruhezeit RZ, deren Summe der Öffnungszeit
0 des Ventils 6 entspricht.
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Wie aus Fig. 5 zu ersehen ist, bleibt die Summe von Öffnungszeit O
und Verschlußzeit V des Steuerventils 6 einerseits und das Verhältnis von Rückhubzeit
RH zu Förderhubzeit FH andererseits konstant. Die Dauer der Verschlußzeit V und
damit die Größe des Förderhubs H wird jedoch innerhalb jedes Arbeitszyklus A verändert
und damit auch die Fördermenge.
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Bei dem Steuerdiagramm nach Fig. 6 wird die Membranpumpe 1 mit nur
zwei Betriebszuständen betrieben. In dem einen Betriebszustand wird sie mit maximalem
Hub H betrieben. In max dem anderen Betriebszustand ist sie in Ruhe.
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Dabei sind die Ruhezeiten RZ vorzugsweise ein ganzzahliges Vielfaches
der Arbeitszeiten A, bestehend aus Rückhub und Förderhub. Die Dauer der Ruhezeiten
RZ wird in Abhängigkeit von dem Prozeßparameter, beispielsweise von der Temperatur
der Umgebungsluft als Wärmespender, gesteuert. Zur Durchführung des Förderhubes
H wird das Steuerventil 6 geschlossen (Verschlußzeit V). Während des Rückhubes und
der Buhezeit RZ ist das Steuerventil 6 geöffnet CÖffnungszeit 0).
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In den Diagrammen nach Fig. 5 und Fig. 6 sind die Verschlußzeit des
Steuerventils 6 mit V, die Öffnungazeit des St euerventils 6 mit 0, der Arbeitstakt
des Steuerventils 6 mit A, die Förderhubzeit der Membranpumpe 1 mit FH, die Rückhubzeit
der Membranpumpe 1 mit RH und die Ruhezeit der Membranpumpe 1 mit RZ bezeichnet.
Hmax ist der maximale Hub H der Membran der Membranpumpe 1.
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In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 wird das Steuerventil 6 durch
die Bewegung der Membran in der Membranpumpe 1 gesteuert, und zwar unter Zwischenschaltung
einer hydraulischen Vorsteuerung. Der Schieber 17 des Steuerventils 6 wird an seinem
Bund 50 in der Vorsteuerkammer 52 mit dem Vorsteuerdruck gegen die Kraft der Feder
53 beaufschlagt. Die Bewegung des Steuerschiebers 17 ist durch die Hülse 54 begrenzt.
Die Feder 53 wirkt in dem Sinne auf den Steuerschieber 17, daß die Bypass-Leitung
7 und der Pumpeneinlaß 57 zum Ventil geöffnet und der Tankauslaß 58 des Ventils
6 verschlossen wird (gestrichelt eingezeichnete Stellung des Steuerschiebers 17).
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Der Vorsteuerdruck in der Vorsteuerkammer 52 bewirkt dagegen eine
Verbindung zwischen Bypass 7 und Pumpöleinlaß 67 und Tankauslaß 58, so daß der Druck
in dem Leitungssystem 8.1, 8.2 zur Membranpumpe 1 und im Pumpeneinlaß 57 zum Steuerventil
6 auf den Tankdruck abfällt.
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Der Vorsteuerdruck in der Vorsteuerkammer 52 wird gesteuert durch
den Vorsteuerbund 63 des Vorsteuerventils 61. Dieser Buiid 63 überdeckt den Vorsteuerölauslaß
66 positiv und wird durch die Federn 64 und 65 mittels Einstellschraube 70 in der
eingezeichneten Position zentriert. Der Vorsteuerbund 63 steht mit der Membran durch
eine Kolbenstange 69 in Verbindung. Hierzu weist die Membran eine Lochscheibe 71
auf sowie einen Hut 72, in welchen die Kolbenstange 69 ragt. Am Kopf der Kolbenstange
69 ist ein Ring 74 befestigt, welcher von der Lochscheibe 71 mitgenommen wird, weil
er einen größeren Durchmesser als das Loch hat. Die Fördereinrichtung hat folgende
Wirkungsweise: In der eingezeichneten Stellung des Steuerventils 6 (Schieber 17
mit den Steuerbunden 50 und 51) fördert die Konstantpumpe 4 über die Leitung 8.1,
Bypass 7 und Tankauslaß 58 in den Tank. Pumpöleinlaß 67 steht ebenfalls mit Tankauslaß
58 in Verbindung.
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Da das Fördermedium über Einlaß 2.1 und Einlaßventil in die Pumpenkammer
3.2 der Membranpumpe gefördert wird, bewegt sich die Membran von der eingezeichneten
Stellung nach rechts. Das Vorsteuerventil 61 mit dem Steuerbund 62 befindet sich
in der eingezeichneten Stellung, in der der Vorsteuerölauslaß 66 verschlossen ist.
Das Öl in der Vorsteuerkammer 52 kann also nicht entweichen. Die Feder 53 kann den
Schieber 17 nicht nach links drücken. Wenn die Membran nun den Bereich des maximalen
Einlaßhubes erreicht hat, stößt der Hut 72 gegen den Kopf 75 der Kolbenstange 69
und bewegt den Steuerbund 63 nach rechts.
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Hierdurch wird der Vorsteuerölauslaß 66 mit dem Tankanschluß 68 verbunden.
Der Vorsteuerdruck in der Vorsteuerkammer 52 bricht
also zusammen.
Nunmehr schiebt die Feder 53 den Steuerschieber 17 des Steuerventils 6 nach links1
bis der Tankauslaß 58 verschlossen wird (gestrichelte Stellung des Steuerschiebers
17). Nunmehr baut sich in dem Leitungssystem 8.1, 8.2 sowie dem Bypass 7 und ebenso
am Pumpöleinlaß 67 des Vorsteuerventils 61 der Druck der Konstantpumpe 4 auf. Durch
die Drossel 87 wird der Druckaufbau in der Antriebskammer 3.1 verzögert.
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Durch den Druck der Konstantpumpe 4 wird nunmehr die Membran nach
links verschoben und das Fördermedium durch Auslaß 2.2 ausgefördert. Im Bereich
des maximalen Ausschubhubes der Membran hintergreift die Lochscheibe 71 den Ring
74 an der Kolbenstange 69 und bewegt damit den Steuerbund 63 nach links, bis der
Vorsteuerölauslaß 66 mit dem Pumpöleinlaß 67 verbunden wird.
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Dadurch baut sich der Vorsteuerdruck in der Vorsteuerkammer 52 des
Steuerventils 6 wieder auf, und der Steuerschieber 17 wird in die eingezeichnete
Stellung, d.h. nach rechts verschoben.
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Dadurch bricht der Druck im Leitungssystem 8.1, 8.2 und im Bypass
7 sowie der Antriebskammer 3.1 wieder zusammen, und der Bewegungszyklus der Membranpumpe
1 beginnt von neuem. Dabei überdeckt nach einer sehr kurzen Bewegung der Membran
der Steuerbund 63 wiederum den Vorsteuerölauslaß 66, so daß eine Rückbewegung des
Steuerschiebers 17 nach links infolge der in der Vorsteuerkammer 52 eingeschlossenen
Ölmenge nicht möglich ist. Durch Drossel 89 kann der Druckabfall in der Abflußleitung
zum Tank 11 beeinflußt werden.
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Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 ist der Steuerschieber 17
des Steuerventils 6 durch Bohrung 80 beidseits druckentlastet. Der Steuerschieber
17 ist in dem Ventilgehäuse beweglich angeordnet und wird an seinen beiden Stirnflächen
durch die Federn 76 und 77 in einer Nullstellung gehalten, in welcher die Bypass-Leitung
7 über den Einlaß 57 mit dem Tankauslaß 58
verbunden ist. Die Feder
76 stützt sich über den Stützteller 81 an der Membran der Membranpumpe 1 ab. Die
Bewegung des Steuerschiebers 17 ist durch Anschlag 55 begrenzt. Der Schieberbewegung
entgegen wirkt die Tellerfeder 78, die im Ventilgehäuse mit einem Totweg 79 abgestützt
ist. In der eingezeichneten Position des Steuerschiebers 17 wirkt in der Antriebskammer
3.1 kein Druck. Folglich erfolgt Einlaß des Fördermediums über Einlaß 2.1. Die Membran
bewegt sich - in Fig. 8 -nach links. Dadurch verstärkt sich die Federkraft der Feder
76, bis sie in der Lage ist, die Summe von Federkraft 77 und Federkraft 78 zu überwinden.
Dabei überschreitet die Tellerfeder 78 ihren Totpunkt, so daß die Tellerfeder 78
nunmehr die Bewegung nach links unterstützt und der Feder 77 entgegenwirkt. Dadurch
bewegt sich der Ventilschieber 17 unstetig nach links und verschließt den Einlaß
57 gegenüber dem Auslaß 58. Nunmehr baut sich ein Druck in der Antriebskammer 3.1
auf. Die Membran wird nach rechts verschoben, wodurch die Federkraft 76 vermindert
wird. Dies geschieht so lange, bis die Federkraft 77 die Summe aus Federkraft 76
und Federkraft 78 überwiegt. Nunmehr überwindet die Tellerfeder 78 wieder ihren
Totpunkt und bewegt den Schieber 17 unstetig nach rechts, wodurch Einlaß 57 mit
Auslaß 58 des Steuerventils verbunden wird. Der Druck in der Antriebskammer 3.1
bricht zusammen und das Fördermedium strömt über Einlaß 2.1 wieder in die Pumpenkammer
3.2.
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Anhand der Federdiagramme nach Fig. 8a sind die Federkräfte F 76,
F 77, F 78 dargestellt. Diese Federkräfte werden von den Federn 76, 77 und 78 bei
der Membranbewegung auf den Steuerschieber 17 ausgeübt.
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Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 9 unterscheidet sich von demjenigen
nach Fig 8 zum einen dadurch, daß der Steuerschieber 17 des Ventils 6 auf einer
mit der Membran fest
verbundenen Pleuelstange 82 gleitend geführt
ist und daß die Federn 76 und 77, zwischen denen der Steuerschieber 17 sitzt, sich
an der Pleuelstange 82 abstützen. Der andere Unterschied besteht darin, daß die
Schaltstellungen des Steuerschiebers 17 durch Einrastungen vorgegeben sind, die
aus Feder 83 und Sugel 84 einerseits sowie umlaufenden Kerben 85 und 86 gebildet
werden. In der eingezeichneten Stellung des Steuerschiebers 17, bei der die Kugel
84 in der Kerbe 85 einrastet, wird der Förderstrom der Konstantpumpe 4 durch Bypass
7 zum Tank 11 hin abgeleitet. Folglich bewegt sich das unter höherem Druck stehende
Fördermedium über Einlaß 2.1 in die Pumpenkammer 3.2 und bewegt die Membran und
die Pleuelstange 82 nach links. Dadurch vergrößert sich die Federkraft 76, bis die
Einrastkraft, die durch die Feder 83 sowie die Schrägung der Einrastnut 85 vorgegeben
ist, überwunden wird. Dadurch bewegt sich der Steuerschieber 17 - im Verhältnis
zur Membran - unstetig nach links bis die Kugel 84 an seiner Rastkerbe 86 einrastet.
In dieser Position ist der Pumpeneinlaß 57 des Ventils 6 vom Auslaß 58 getrennt.
Dadurch baut sich ein Druck in der Antriebskammer 3.1 auf, so daß sich die Membran
wieder nach rechts bewegt und das Fördermedium aus Auslaß 2.2 ausfördert. Dadurch
vergrößert sich die Federkraft 77 bis die Einrastkraft wiederum überwunden wird
und der Steuerschieber 17 wieder in die durch die Rastkerbe 85 vorgegebene Position
gelangt.
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In allen Ausführungsbeispielen kann die in den Fig. 7 und 8 eingezeichnete
Feder 73 vorgesehen sein. Sie kann entweder dazu dienen, die übrigen Kräfte, welche
auf die Membran einwirken, zu kompensieren. Die Feder 73 kann jedoch auch so stark
sein, daß sie als Rückhubfeder wirkt. Die Rückhubfeder ist dazu bestimmt, die Membran
so zu verschieben, daß das Fördermedium durch Einlaß 2.1 angesaugt wird. Wenn eine
derartige Rückhub feder vorgesehen ist, kann die Fördereinrichtung nach dieser
Erfindung
und nach den Ausführungsbeispielen auch zum Fördern von Fördermedien eingesetzt
werden, deren Druck im Einlaß 2.1 nicht oder nur unwesentlich höher als der Tankdruck
ist.
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Fig. 10 stellt die Fördereinrichtung der vorliegenden Erfindung dar,
wenn sie als Umwälzpumpe für eine Lösung aus Ammoniak und Wasser in einer Absorptionswärmepumpenanlage
benutzt wird. In dem schematischen, stark vereinfachten Beispiel umfaßt das Wärmepumpensystem
90 einen Auskocher oder Rektifikator 91, der von einem nicht dargestellten Öl- oder
Gasbrenner bzw. durch eine elektrische Wiederstandsheizung oder dgl. beheizt wird
und der durch die Membranpumpe 1 mit einer Lösung beschickt wird, die eine hohe
Konzentration von im Wasser gelösten Ammoniak enthält. Wenn diese Lösung in dem
Rektifikator 91 erhitzt wird, wird Ammoniak dampfförmig ausgetrieben und das verarmte
Lösungsmittel bleibt im Sumpf zurück bzw. wird in den Wärmeübertrager 92 abgelassen.
Da das Austreiben des Ammoniaks während der Wärmezufuhr am Rektifikator 91 anhält,
steigt der Druck im System so lange an, bis der Ammoniakdampf bei dem vom Heizungskreislauf
(Vorlauftemperatur) bestimmte Dampfdruck und der zugehörigen Temperatur im Kondensator
93 verflüssigt wird, wo ihm die Verdampfungswärme entzagen wird. Der verflüssigte
Ammoniak wird nun durch das Drossel-oder Regelventil 94 in den Verdampfer 95 entspannt
und dort wieder verdampft,indem einem Wärmespender, beispielsweise Umgebungsluft,
die erforderliche Wärmemenge entzogen wird. Die Umgebungsluft deren Temperatur tu
durch den Temperaturfühler 10.2 erfaßt wird, bewegt man dabei für einen besseren
Wärmeübergang zweckmäßigerweise mit einem motorgetriebenen Lüfter 96 im Kreuzstrom
durch den Verdampfer 95. Das durch Auskochen an Ammoniak verarmte Lösungsmittel
wird aus dem Wärmeüberträger 92 infolge des vorliegenden Druckgradienten zwischen
Hoch- und Niederdruckteil der Anlage in den Absorber 97 gedrückt. Dort
reichert
es sich nach vorheriger Wärmeabgabe an den Heizungskreislauf (Vorwärmung) wieder
mit dem im Verdampfer 95 gebildeten Ammoniakdampf an. Die gesättigte Lösung wird
mit der erfindungsgemäßen Membranpumpe 1, die nach dem Diagramm in Fig. 5 oder Fig.
6 gesteuert werden kann, auf das höhere Druckniveau des Rektifikators 91 gefördert,
wo der Ammoniak dampf wieder ausgetrieben wird und der Arbeitszyklus erneut beginnt.
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Da auch der Absorberdruck immer noch wesentlich über dem Druck des
Arbeitsmediums im Tank 11 (Fig. 1) liegt, kann der Druckgradient zwischen dem Lösungskreislauf
(Fig. 10) und dem Tank 11 bei drucklos geschaltetem Steuerventil 6 für die Membranpumpe
1 in vorteilhafter Weise für die Ausführung des Saughubes der Membranpumpe 1 und
zum Auffüllen der Pumpenkammer 3.2 nach erfolgtem Arbeitshub genutzt werden.
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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Membranpumpe; hermetisch dichte oder gekapselte
Kolbenpumpe; Verdrängerpumpe 2.1 Einlaß, Einlaßventil 2.2 Auslaß, Auslaßventil 3.1
Antriebskammer 3.2 Pumpenkammer 4 Konstantpumpe 5 Antriebsmotor 6 Ventil, Steuerventil
7 Bypass-Leitung, Auslaß 8.1 Leitung Konstantpumpe - Ventil 8.2 Leitung Ventil -
Antriebskammer 9 Magnet, Elektromagnet 10.1 Steuereinrichtung 10.2 Meßeinrichtung,
Temperaturfühler 11 Tank 12 Welle 13 Dichtung 14 Uberdruckventil 15 Magnet, Elektromagnet
16 Stößel 17 Schieber, Steuerschieber 18 Ringnut 19 Zylinder 20 Ventilgehäuse 21
Feder 22 Einlaß Konstantpumpe zum Steuerventil 6 23 Auslaß Steuerventil zum Tank
11 24 Einlaß/Auslaß Steuerventil 6 zur Antriebskammer 3.1 25 Dämp fungskragen, Aufpralldämp
fungsgefäß Dämpfungsbehälter
26 Dämpfungsansatz, Dämp fungsstößel
27 Dämpfungspfanne, Au fpralldämpfungsp fanne 28 Druckentlastungsbohrung 29 Membran
(in Fig. 3 und 4) 30 Stößel 31 Magnet, Elektromagnet 32 Schließlippe 33 Abflußrohr
34 Ventilkammer 35 Druckausgleichskammer 36 ttberströmkanal 37 Vorsteuerkammer 38
Anschluß zum Tank 39 Vorsteuerventil, Vorsteuermagnetventil 40 Stößel 41 Elektromagnet
50 Bund 51 Bund des Steuerschiebers 17 52 Vorst euerkammer 53 Feder 54 Hülse 55
Anschlag 57 Pumpeneinlaß, Einlaß 58 Auslaß zum Tank 11 59 Federraum 60 Auslaß des
Federraums 59 zum Tank 11 61 Vorsteuerventil 62 Bund 63 Steuerbund 64 Feder 65 Feder
66
Vorsteuerölauslaß 67 Pumpöleinlaß 68 Ölauslaß, Tankanschluß 69 Kolbenstange 70 Einstellschraube
71 Lochscheibe 72 Hut 73 Feder1 Rückhubfeder 74 Ring, Sprengring 75 Kopf der Kolbenstange
69 76 Feder 77 Feder 78 Tellerfeder 79 Totweg 80 Bohrung im Steuerschieber 17 (Fig.
8) 81 Stützteller 82 Membranstange, Pleuelstange 83 Feder 84 Kugel 85 Ringnut 86
Ringnut 87 Drossel 88 Federkammer 89 Drossel 90 Wärmepumpensystem 91 Rektifikator,
Auskocher mit Heizung 92 Wärmeübertrager 93 Kondensator 94 Drossel, Regelventil
95 Verdampfer 96 Lüfter, Ventilator 97 Absorber
F 76 Kennlinie
der Feder 76 F 77 Kennlinie der Feder 77 F 78 Kennlinie der Feder 78 ST Totweg der
Tellerfeder 78 tU Temperatur des Wärmespenders (Umgebungsluft)
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