DE3607477A1 - Pumpe mit einstellbarer foerderleistung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit einstell­ barer Förderleistung, bei der in einem Zylinder ein Scheibenkolben hin- und herbewegbar ange­ ordnet ist, an dessen Seitenflächen eine Kol­ benstange befestigt ist, welche außenendig in einem nach außen zu sich anschließenden Hohl­ räum geführt ist und jeder Teilraum des Zylin­ ders über Kanäle mit dem Außenraum in Verbin­ dung steht.

Derartige Vorrichtungen sind im Stande der Technik bekannt und die Hin- und Herbewegung des Kolbens wird dadurch gesteuert und bestimmt, daß die Kol­ benstangen zumindest teilweise außerhalb des Zy­ lindergehäuses bewegt werden, dort mit Erreichen einer bestimmten Position entsprechende Schal­ ter betätigen und auf diesem Wege Schaltsignale auslösen. Durch die nach außen geführte Kolben­ stange und deren Bewegung ergeben sich nicht zuletzt auch durch die im Inneren eingeschlos­ sene hydraulische Flüssigkeit hohen Druckes erhebliche Dichtungsprobleme. Zusätzlich ent­ steht ein erheblicher Aufwand auch dann, wenn die Förderleistung verändert werden soll.

Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Schaffung einer Pumpe zur Aufgabe gemacht, de­ ren Förderleistung auf einfache Weise konti­ nuierlich einstellbar ist.

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß jeder Hohlraum über ein Rückschlagventil mit einem Behältnis des zu fördernden Mediums sowie einem eben­ falls ein Rückschlagventil aufweisenden Aus­ laß in Verbindung steht und beide Auslässe gemeinsam dem Ausgang der Pumpe zugeführt sind sowie einer Steuereinheit, die abwech­ selnd und mit einstellbarer Frequenz die Kanäle jedes Teilraumes des Zylinders mit einem Druck­ medium beaufschlagt. In ihrem grundsätzlichen Aufbau besteht damit die vorgeschlagene Pumpe aus einem Druckwandler und einer mit diesem zusammenarbeitenden Steuereinheit. Der Druck­ wandler besteht aus einem Gehäuse, in dem sich der den hin- und hergehenden Scheibenkolben aufnehmende Zylinder befindet sowie des wei­ teren der oder die Hohlräume, in denen die am Kolben angebrachte Kolbenstange verschiebbar ist. Schließlich befinden sich noch in die­ sem Gehäuse die zu den beiden Teilräumen des Zylinders führenden Kanäle, die Verbindung mit dem das fördernde Medium aufnehmenden Behältnis sowie die Auslässe.

Der Druckwandler arbeitet wie folgt: Über einen der Kanäle wird einer der durch den Kolben erzeugten Teilräume des Zylinders mit einem Druckmedium beaufschlagt, wobei gleich­ zeitig der auf der anderen Seite des Kolbens befindliche Teilraum über den zugehörigen Ka­ nal nach außen geöffnet bleibt. Durch die am Kolben angreifende Druckdifferenz verschiebt er sich unter gleichzeitiger Bewegung der dar­ an befestigten Kolbenstangen. Durch deren Führung wird der durch Zylinderwandung und Stirnfläche der Kolbenstange eingeschlossene Hohlraum in Abhängigkeit von der Bewegungs­ richtung des Kolbens vergrößert oder ver­ kleinert, so daß ein Unter- oder Überdruck entsteht. Bei einem Überdruck wird das in die­ sem Hohlraum befindliche Medium unter Öffnung des Rückschlagventiles und unter entsprechen­ dem Druck dem Ausgang der Pumpe zugeführt, während gleichzeitig der sich im gegenüber befindlichen Teilraum ausbildende Unterdruck das zu fördernde Medium aus einem entspre­ chenden Behältnis ansaugt. Sobald der Kolben die gewünschte Endlage erreicht hat, wird durch Beaufschlagung des anderen, also ge­ genüberliegenden und regelmäßig kleineren Teilraumes mit dem Druckmedium unter gleich­ zeitiger Öffnung des bislang beaufschlagten Kanales eine Umkehr der Bewegung des Kolbens erreicht, so daß nunmehr das im anderen Hohl­ raum befindliche Medium komprimiert und zum Ausgang der Pumpe befördert wird und der soeben beschriebene Vorgang wiederum, jedoch seiten­ vertauscht, abläuft. Dem Ausgang der Pumpe wird das zu fördernde und unter Druck ste­ hende Medium im Takt der Bewegung des Kolbens pulsierend zugeführt. Der Begriff "Scheiben­ kolben" ist im Rahmen der Erfindung so zu ver­ stehen, daß ein Kolben eingesetzt wird, der sowohl bei der Hin- als auch Herbewegung einen Arbeitshub ausführt, also doppeltwirkend ist. Die Druckumwandlung ergibt sich dadurch, daß die jeweilige, mit Druckmedium beaufschlagte Flä­ che des Kolbens wesentlich größer als die dem Hohlraum zugewandte Stirnfläche der Kolbenstange ist. Dadurch können die sich im Teilraum des Zy­ linders ausbildenden Drucke im Verhältnis der Flächen in einen entsprechend höheren Druck im Hohlraum und damit im geförderten Medium um­ gesetzt werden. Neben dem Flächenverhältnis von Kolben und Stirnseite der Kolbenstange hängt der durch den Druckwandler erzeugte Druck auch von dem im Teilraum herrschenden Druck, also dem des dort befindlichen Druckmediums ab. Durch eine Veränderung des Druckes des Druckmediums in den Teilräumen läßt sich der am Ausgang der Pumpe herrschende Druck entsprechend beeinflussen. Die Förderleistung als pro Zeiteinheit geförderte Menge hängt von der Frequenz des Kolbens ab, da das pro Hub bewegte Volumen für eine bestimmte Vor­ richtung im wesentlichen konstant ist. Die Einstel­ lung der Förderleistung der Pumpe läßt sich in wei­ ten Grenzen durch zeitliche Änderung des Arbeits­ taktes erreichen, in dem die Teilräume des Zylin­ ders mit Druckmedium beaufschlagt werden. Die Beeinflussung und Einstellung der Förderlei­ stung und die Zuführung des Druckmediums in die Teilräume des Zylinders erfolgt über eine Steu­ ereinheit, die in ihrem grundsätzlichen Aufbau ei­ nen Anschluß für ein Druckmedium besitzt, welches über zwei Ventile entweder dem einen oder dem anderen Teilraum des Zylinders zuführbar ist. Einsetzbar sind z.B. Magnetventile, die ihrerseits über eine Einstelleinheit geschaltet werden und deren Schaltfrequenz die im Gleichtakt erfolgende Bewegung des Kolbens und hieraus resultierend die Förderleistung der Pumpe bestimmt. Die Einstell­ einheit ist im Falle von Magnetventilen ein elek­ tronischer Baustein, der in einer zeitlich ver­ änder- und einstellbaren Abfolge Schaltimpulse ab­ gibt. Die Vorrichtung ist funktionsfähig und ent­ steht erst in ihrer Gesamtheit durch Verbinden der Steuereinheit über die beiden Ventile mit den zu den beiden Teilräumen des Zylinders führenden Kanälen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß mit geringem Aufwand und einer kleinbauenden Vor­ richtung eine in ihrer Förderleistung einstell­ bare Pumpe geschaffen wird, bei der die aus dem Stande der Technik bekannten Dichtprobleme ent­ fallen.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Druck des die beiden Teilräume des Zylinders beaufschlagenden Druckmediums durch die Steuer­ einheit beeinfluß- und veränderbar. Durch Druck­ erhöhung des Druckmediums erhält man als Folge davon auch höhere Druckverhältnisse in dem ent­ sprechenden Teilraum des Zylinders und dem zuge­ hörigen Hohlraum, in dem das zu fördernde Medium komprimiert wird. Die mit Hilfe der Steuerein­ heit vorgenommene Beeinflussung der Druckverhält­ nisse des Druckmediums lassen eine unmittelbare Beeinflussung des Druckes des am Ausgang auf­ tretenden Mediums zu.

Grundsätzlich steht es im Rahmen der Erfindung frei, ob das zu fördernde Medium und/oder das Druckmedium eine Flüssigkeit oder ein Gas ist. Im speziellen kann das zu fördernde Medium eine Flüssigkeit und das Druckmedium Druckluft sein.

In konkreter Ausgestaltung kann die Steuerein­ heit, deren Aufgabe in der abwechselnden und mit einstellbarer Frequenz erfolgenden Beaufschla­ gung der Kanäle mit dem Druckmedium liegt, auf­ gebaut sein aus zwei unmittelbar mit den Kanälen in Verbindung stehenden Magnetventilen, einem Anschluß für das Druckmedium und einer zugehö­ rigen Einstelleinheit. In Abhängigkeit vom Schaltungszustand wird das Druckmedium einem der beiden Magnetventile zugeführt, die es durch den zugehörigen Kanal in den Teilraum des Zylin­ ders weiterleiten. Das andere Ventil bleibt wäh­ rend dieses Schaltungszustandes nach außen zu ge­ öffnet, um ein Entspannen des momentan nicht mit dem Druckmedium beaufschlagten Teilraumes des Zylinders während der Bewegung des Kolbens zu erlauben. Nach einem Umschalten herrschen sei­ tenvertauscht die gleichen Verhältnisse.

In einer besonders vorteilhaften Weitergestal­ tung werden mehrere Zylinder bzw. Druckwandler durch ein und dieselbe Steuereinheit gleich­ zeitig beaufschlagt. Auf diesem Weg läßt sich die Förderleistung der Pumpe entsprechend der Anzahl der Zylinder ohne weiteres vervielfa­ chen.

Aufgrund der Hubbewegungen des Kolbens ent­ stehen am Ausgang der Pumpe im Arbeitstakt des Kolbens periodische Druckverhältnisse, wo­ bei im Umkehrpunkt des Kolbens der Druck je­ weils minimal wird. Da häufig am Ausgang der Pumpe im wesentlichen konstante Druckverhält­ nisse erwünscht sind, ist eine Glättung erfor­ derlich. Eine besonders einfache Realisierung dieses Zieles ist dann möglich, wenn mehrere Zylinder zyklisch, d. h. zeitverschoben angesteu­ ert werden, da dem Druckabfall eines Zylinders dann der Druckaufbau eines oder mehrerer der an­ deren Zylinder entgegenwirkt und auch weitgehend kompensiert. Die einzelnen Zylinder bzw. Druck­ wandler werden zyklisch, d.h. zeitverschoben mit den gleichen Steuersignalen versorgt und sämt­ liche Ausgänge der einzelnen Zylinder bzw. Druck­ wandler zusammengeführt, so daß sich in Addition der einzelnen Drucke eine in etwa konstante Sum­ me und damit eine Glättung am Ausgang der Pum­ pe ergeben. Insbesondere bei niederen Arbeitsfre­ quenzen würden sich andernfalls Druckschwankungen am Ausgang der Pumpe störend bemerkbar machen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Er­ findung lassen sich dem nachfolgenden Beschreibungs­ teil entnehmen, in dem an Hand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert wird. Sie zeigt in prinzipienhafter und schemati­ scher Darstellung eine erfindungsgemäße Pumpe be­ stehend aus einem Druckwandler und einer Steuerein­ heit.

Die in der Zeichnung dargestellte Pumpe besteht aus einem als Druckwandler wirkenden Zylinder 1 und einer diesen schaltenden Steuereinheit 2. Im Inneren des Zylinders 1 befindet sich ein Scheiben­ kolben 3, an dessen beiden Stirnflächen jeweils eine Kolbenstange 4 befestigt ist, die in einem entsprechenden Hohlraum 5 geführt ist und diesen stirnseitig verschließt, dessen Innenvolumen ent­ sprechend der Bewegung des Scheibenkolbens 3 mehr oder weniger verkleinert oder vergrößert und hier­ durch eine Kompression oder Dilatation des dort befindlichen Mediums vornimmt. Der Scheibenkol­ ben 3 unterteilt den Zylinder in zwei Teilräume 6 unterschiedlicher Größe, deren Abmessungen sich durch die Bewegung des Scheibenkolbens 3 stän­ dig verändert und die über jeweils mindestens einen Kanal 7 mit dem Außenraum des Zylinders 1 in Verbindung stehen.

Die beiden Hohlräume 5 weisen eine mit einem Rückschlagventil 8 ausgestattete Verbindung 9 zu dem mit dem zu fördernden Medium gefüllten Behältnis 10 auf, so daß bei entsprechendem Un­ terdruck in den Hohlräumen 5 unter Betätigung der Rückschlagventile 8 das entsprechende Medium in die Hohlräume 5 gesaugt wird. Gleichzeitig ste­ hen sie mit einem, ebenfalls mit einem Rückschlag­ ventil 8 ausgestatteten Auslaß 11 in Verbindung, durch den bei Überdruck das Medium die Hohlräume 5 verlassen und über den Auslaß 11 dem Ausgang 12 der Pumpe zugeführt werden kann, wobei auf Grund des symmetrischen Aufbaues des Zylinders 1 zwei Auslässe 11 vorhanden sind, die ein und demselben Ausgang 12 zugeleitet werden. Bei einem Über­ druck des in den Hohlräumen 5 sich befindenden Mediums bleibt das in der Verbindung 9 ange­ ordnete Rückschlagventil 8 geschlossen und das im Auslaß 11 jedoch geöffnet, so daß ein Strö­ men zum Ausgang 12 hin möglich wird. Umgekehrt wird bei einem Unterdruck im Hohlraum 5 das im Auslaß 11 angeordnete Rückschlagventil 8 ge­ schlossen und über die Verbindung 9 unter Öffnen des dortigen Ventiles das zu fördernde Medium angesaugt.

Der Zylinder 1 wird über eine Steuereinheit 2 be­ tätigt, die im wesentlichen besteht aus zwei Mag­ netventilen 13, einer zugehörigen Einstelleinheit 14 sowie einen Anschluß 15 für das Druckmedium. Die Einstelleinheit 14 gibt Steuerimpulse an die Mag­ netventile 13 ab und öffnet jeweils einen der bei­ den, um so das über den Anschluß 15 zugeleitete Druckmedium nach außen hin weiterzugeben und gleichzeitig das andere Magnetventil 13 druckfrei bleiben kann. Ferner erlaubt die Einstelleinheit 14 eine Bestimmung der Schaltfrequenzen, mit denen zwischen den Magnetventilen 13 umgeschal­ tet wird.

Die funktionsfähige Pumpe gemäß der Erfindung er­ hält man dadurch, daß die beiden Magnetventile 13 jeweils mit einem Kanal 7 der Teilräume 6 verbun­ den werden, so daß das über den Anschluß 15 der Steuereinheit zugeführte Druckmedium abwechselnd in einen der beiden Teilräume gegeben wird, wo­ durch der andere Teilraum über den entsprechenden Kanal 7 unter Öffnung des zugehörigen Magnet­ ventiles entlüftet wird. Dadurch bewegt sich der Scheibenkolben 3 innerhalb des Zylinders 1 und führt gleichzeitig die Kolbenstange 4 mit sich, so daß sich einer der Hohlräume 5 verkleinert und der gegenüberliegende vergrößert. Das im erste­ ren befindliche, zu fördernde Medium erfährt hier­ durch eine Kompression und wird über den Auslaß 11 dem Ausgang 12 zugeführt, wo hingegen gleichzeitig der gegenüberliegende Hohlraum durch dessen Ver­ größerung einen Unterdruck ausbildet und über die Verbindung 9 zu förderndes Medium ansaugt. Durch die Steuereinheit 2 wird nach einer gewissen, einstellbaren Zeit der Bewegungsvorgang umgekehrt, so daß dem Ausgang 12 durch den anderen Auslaß 11 ebenfalls zu förderndes Medium bestimmten Druckes zugeführt wird. Als Resultat erhält man am Ausgang das geförderte Medium, dessen Druck im Takte des Scheibenkolbens 3 pulsiert. Falls erforderlich und gewünscht können entsprechende Maßnahmen zur Glättung der ausgangsseitigen Druckverhältnisse vorgenommen werden.

Durch entsprechendes Betätigen der Einstellein­ heit 14 läßt sich die Frequenz des Scheibenkol­ bens 3 in gewünschter Weise beeinflussen und hier­ durch die pro Zeiteinheit durch die Pumpe geför­ derte Menge, also die Förderleistung, einstellen und regulieren. Daneben kann der am Ausgang herr­ schende Druck des zu fördernden Mediums dadurch verändert werden, daß das am Anschluß 15 ein­ strömende Druckmedium seinerseits in seinem Druck verändert wird.

Claims (6)

1. Pumpe mit einstellbarer Förderleistung, bei der in einem Zylinder ein Scheibenkolben hin- und herbewegbar angeordnet ist, an dessen Seitenflä­ chen eine Kolbenstange befestigt ist, welche au­ ßenendig in einem nach außen zu sich anschlie­ ßenden Hohlraum geführt ist und jeder Teilraum des Zylinders über Kanäle mit dem Außenraum in Verbindung steht, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Hohlraum 5 über ein Rückschlagventil 8 mit einem Behältnis 10 des zu fördernden Mediums sowie einem ebenfalls ein Rück­ schlagventil aufweisenden Auslaß 11 in Verbindung steht und beide Auslässe gemeinsam dem Ausgang 12 der Pumpe zugeführt sind, sowie einer Steuerein­ heit 2, die abwechselnd und mit einstellbarer Frequenz die Kanäle 7 jedes Teilraumes 6 des Zylinders 1 mit einem Druckmedium beaufschlagt.

2. Pumpe nach Anspruch 1, gekennzeich­ net durch einen einstellbaren Druck des Druckmediums.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zu för­ dernde Medium eine Flüssigkeit und/oder das Druckmedium Druckluft ist.

4. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit 2 aus zwei, mit den Kanälen 7 jedes Teilraumes 6 verknüpften Magnetventilen 13, einem Anschluß 15 für das Druckmedium und zugehö­ riger Einstelleinheit 14 besteht.

5. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Pumpe mehrere, durch dieselbe Steuereinheit 2 beaufschlagte Zylinder 1 aufweist.

6. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Zylinder 1 zyklisch angesteuert wer­ den.