DE3901071C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, deren im Förderweg der Pumpe zwischen Saug- und Druckventil angeordneter Kolbenarbeitsraum am Kolben durch eine Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung und von einem niederdruckseitig der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung zwischen Kolben und Gehäuse frei bleibenden Auffangraum abgetrennt ist, der einen die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung durchsetzenden Leckstrom aufnimmt und an seinem von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Ende durch eine Rollmembran abgeschlossen ist, welche zwischen einer kolbenseitigen zylindrischen Außenumfangsfläche und einer davon radial beabstandeten gehäuseseitigen zylindri­ schen Innenumfangsfläche mit zwei auf diesen Umfangsflächen aufliegenden, miteinander ringförmig verbundenen Abschnitten angeordnet ist, bei Kolbenhüben wechselseitig auf den Umfangsflächen auf- und abgerollt wird und den Auffangraum von einem weiteren Raum abtrennt.

Bei einer aus dem Aufsatz von H. Kayser "Anwendungsmöglich­ keiten nahezu reibungsfreier hermetischer Kolbendichtungen" in der Zeitschrift "Konstruktion" 1971, Heft 7, Seiten 263 bis 268, bekannten derartigen Pumpe (vgl. insbesondere das Bild 10 auf Seite 266) ist die Rollmembran als Rollschlauch­ dichtung ausgebildet, die aufgrund ihrer Schlauchform der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung mit der konvexen Seite eines ringzonenförmigen Membranbereiches zugewandt sein muß. Um unzulässige Verformungen der Rollschlauchdich­ tung zu vermeiden, muß der Auffangraum praktisch druckfrei gehalten werden.

Bei einer aus der DE-AS 23 55 191 bekannten Kolbenpumpe ist dem Kolben eine in zwei Axialabschnitte untergliederte Dichtungspackung zugeordnet. Axial zwischen diesen beiden Abschnitten ist ein Abstandsring angeordnet, durch den ein den Kolben umschließender Ringraum freigehalten wird, der über eine Leitung mit der Saugseite der Pumpe kommuniziert. Somit bildet der dem Kolbenarbeitsraum unmittelbar benach­ barte Abschnitt der Dichtungspackung eine Hochdruckdichtung, während der andere Abschnitt der Dichtungspackung eine Nieder­ druckdichtung bildet.

Zusätzlich ist der Kolben hinter dem letztgenannten Abschnitt der Dichtungspackung gegenüber dem Gehäuse noch durch eine Membrane abgedichtet. Dabei ist innerhalb eines zwischen Kolben und Gehäuse frei bleibenden Ringraumes, welcher am einen axialen Ende durch die genannte Membrane und am anderen axialen Ende durch den Niederdruckabschnitt der Dichtungs­ packung abgeschlossen ist, ein hohler elastischer Körper angeordnet. Auf diese Weise soll die Membrane vor Überlast geschützt werden, wenn sich der letztgenannte Ringraum mit Pumpmedium füllen sollte. Da dieser Ringraum bei Kolbenhüben sein Volumen erheblich ändert, während das in den Ringraum eingedrungene Pumpmedium sein Volumen kaum ändern kann, muß durch die Volumenelastizität des elastischen Körpers ein notwendiger Ausgleich hergestellt werden.

Bei der aus der DE-AS 23 55 191 bekannten Pumpe ist ein in dieser Druckschrift nicht dargestellter, hoher konstrukti­ ver Aufwand erforderlich, um aus dem von der Membrane abge­ schlossenen Ringraum das eingedrungene Pumpmedium abzuführen. Eine unmittelbare Verbindung dieses Ringraumes mit der Saug­ seite der Pumpe ist jedenfalls nicht möglich, weil durch die starken Volumenänderungen dieses Raumes beim Kolbenhub laufend Pumpmedium von der Saugseite der Pumpe angesogen bzw. zur Saugseite der Pumpe verdrängt würde. Dies würde aber die Membrane übermäßig belasten.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Kolbenpumpe der eingangs angegebenen Art so auszugestalten, daß eine Anpassung an wechselnde Einsatzbedingungen ermöglicht und hohe Druck­ differenzen zwischen Druck- und Saugseite der Pumpe bei gutem Wirkungsgrad erreichbar werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Rollmembran mit der Hochdruckdichtung bzw.- dichtungspackung zugewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen aufliegenden Membranteile angeordnet sowie dichtend an den Umfangsflächen gehaltert und der Auffangraum mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist, und daß der Auffangraum einen etwas höheren Druck als der Raum auf der anderen Seite der Rollmembran führt.

Bei der Erfindung kann die zur Stabilisierung der Membran erwünschte Druckdifferenz zwischen dem Druck im Auffang­ raum und dem Druck auf der davon abgewandten Seite der Rollmembran in einfacher Weise dadurch erzeugt werden, daß der die Hochdruckdichtung durchsetzende Leckstrom und/oder der an der Saugseite der Pumpe oftmals anstehende sogenannte Saugdruck ausgenutzt werden. Damit ist eine Verbindung des Auffangraumes mit der Saugseite der Pumpe ohne weiteres möglich.

Weiterhin ist vorteilhaft, daß gegenüber herkömmlichen Standardpumpen ohne Membranen nur relativ geringfügige konstruktive Abänderungen notwendig sind, d. h. grundsätzlich entspricht die Konstruktion der erfindungsgemäßen Pumpe einer üblichen Kolbenpumpe.

Um die gewünschte Druckdifferenz zwischen den von der Rollmembran voneinander abgetrennten Räumen aufrechtzuerhal­ ten, ist es zweckmäßig, wenn ein auf der der Hochdruckdich­ tung bzw. -dichtungspackung gegenüber­ liegenden Seite der Rollmembran angeordneter Ringraum auf seiner von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Seite durch eine Niederdruckdichtung abge­ schlossen ist. Diesem Ringraum kann gegebenenfalls Öl mit wechselndem Druck zugeführt werden, um die jeweils gewünschte Druckdifferenz an der Rollmembran aufrechtzuerhalten.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der von der Hochdruckdichtung bzw. -dich­ tungspackung und/oder der Niederdruckdichtung abgeschlossene Spalt zwischen Gehäuse und Plunger einen Durchmesser besitzt, dessen Maß S derart größer als das Maß d des Durchmessers der mit der Rollmembran zusammenwirkenden kolbenseitigen Umfangs­ fläche und derart kleiner als das Maß D des Durchmessers der mit der Rollmembran zusammenwirkenden gehäuseseitigen Umfangs­ fläche ist, daß gilt:

D²-S²=S²-d².

Bei diesen Abmessungen ist gewährleistet, daß die jeweils durch eine Rollmembran und die Hochdruckdichtung bzw. -dich­ tungspackung oder die Niederdruckdichtung abgeschlossenen Räume unabhängig vom Kolbenhub ein konstantes Volumen aufwei­ sen. Dadurch wird die Steuerung des Druckes in diesen Räumen wesentlich vereinfacht.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer besonders bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung verwiesen.

Dabei zeigt die einzige Figur einen schematisiert darge­ stellten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe.

Die erfindungsgemäße Pumpe besitzt in grundsätzlich herkömm­ licher Weise einen plungerförmigen Kolben 1, welcher mittels eines nicht dargestellten Kurbeltriebwerkes angetrieben wird und dementsprechend aufeinanderfolgende Kolbenhübe nach rechts und links entsprechend dem Doppelpfeil P ausführt. Der Kolben 1 ist in einem Gehäuse 2 verschiebbar geführt, welches eine den Kolbenarbeitsraum 3 bildende, dem Querschnitt des Kolbens 1 angepaßte zylindrische Bohrung aufweist. Der Kolbenarbeits­ raum 3 ist mit der Saugseite der Pumpe über ein Saugventil 4 und mit der Druckseite der Pumpe über ein Druckventil 5 ver­ bunden. Beide Ventile 4 und 5 sind als Kugelventile darge­ stellt. Jedoch sind grundsätzlich auch andere Konstruktionen denkbar, beispielsweise Ventile mit federbelasteten Ventil­ körpern. Alle diese Ventile arbeiten nach Art von Rückschlag­ ventilen, d. h. sie vermögen nur bei hinreichender Druckdiffe­ renz in einer Richtung (Förderrichtung der Pumpe) zu öffnen.

Der Kolbenarbeitsraum 3 wird am Kolben 1 durch eine Hochdruck- Dichtungspackung 6 abgeschlossen, welche in grundsätzlich bekannter Weise ausgebildet und in einer Erweiterung der den Kolbenarbeitsraum 3 bildenden Gehäusebohrung untergebracht ist.

Auf der vom Kolbenarbeitsraum 3 abgewandten Seite der Hochdruck-Dichtungspackung 6 besitzt der Kolben 1 einen Abschnitt 1′ mit geringerem Durchmesser, welcher innerhalb einer Gehäusebohrung 7 mit gegenüber dem Kolbenarbeitsraum 3 vergrößertem Durchmesser aufgenommen ist. Der zwischen dem Abschnitt 1′ des Kolbens 1 und der Gehäusebohrung 7 verblei­ bende Ringraum wird an seinem von der Hochdruck-Dichtungs­ packung 6 abgewandten Ende durch eine Niederdruckdichtung 8 abgeschlossen, welche mit einem Kolbenteil zusammenwirkt, welches gleichen Durchmesser wie das mit der Hochdruck- Dichtungspackung 6 zusammenwirkenden Kolbenteil hat.

Der Durchmesser D der Gehäusebohrung 7 sowie der Durchmesser d des Abschnittes 1′ des Kolbens 1 und der Durchmesser S der mit den Dichtungen bzw. Dichtungspackungen 6 und 8 zusammen­ wirkenden Kolbenteile bzw. der Dichtungsspalte zwischen diesen Kolbenteilen und den genannten Dichtungen bzw. Dich­ tungspackungen 6 und 8 sind bevorzugt so bemessen, daß gilt:

D²-S²=S²-d².

Dadurch ist gewährleistet, daß das Volumen des zwischen dem Abschnitt 1′ des Kolbens 1 und der Gehäusebohrung 7 gebilde­ ten Ringraumes unabhängig vom Kolbenhub konstant bleibt.

Der zwischen dem Abschnitt 1′ des Kolbens 1 und der Gehäuse­ bohrung 7 frei bleibende und an seinen Stirnenden durch die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung 6 sowie die Nieder­ druckdichtung 8 abgeschlossene Ringraum wird durch zwei Rollmembranen 9 und 10 in einen Auffangraum 11 sowie zwei weitere Räume 12 und 13 unterteilt. Die Rollmembranen 9 und 10, welche aus einem hochelastischen Kunststoffmaterial bestehen, besitzen jeweils zwei zylindrische Abschnitte, die flächig auf der Innenumfangsfläche der Bohrung 7 bzw. der Außenumfangsfläche des Abschnittes 1′ des Kolbens 1 aufliegen und miteinander durch einen ringförmigen Bereich verbunden sind. Die der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung 6 zugewandten Ränder der zylindrischen Abschnitte der Rollmembranen 9 und 10 sind jeweils in nutförmigen Aussparungen od. dgl. am Abschnitt 1′ des Kolbens 1 bzw. an der Innenumfangswand der Bohrung 7 dichtend gehaltert. Bei Kolbenhüben wird jeweils ein Teil der Rollmembranen 9 und 10 von einer der Umfangsflächen des Abschnittes 1′ des Kolbens 1 bzw. der Gehäusebohrung 7 abgerollt und auf die jeweils andere Oberfläche aufgerollt.

Der Auffangraum 11, welcher einen die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung 6 durchdringenden Leckstrom des im Kolben­ arbeitsraum 3 befindlichen Pumpmediums aufnimmt, ist ständig über eine Leitung 15 mit der Saugseite der Pumpe verbunden, d.h. der Leckstrom wird ständig dem zu verpumpenden Pumpmedium zugeführt. Die weiteren Räume 12 und 13 sind über gesonderte Leitungen 16 und 17 an eine Ölversorgung od. dgl. angeschlossen.

Um auch bei schnell aufeinanderfolgenden Kolbenhüben ein einwandfreies Auf- und Abrollen der Rollmembranen 9 und 10 gewährleisten zu können, soll auf der Konvexseite der die zylindrischen Abschnitte der Rollmembranen 9 und 10 verbin­ denden Ringzonen jeweils ein um ca. 1 bar geringerer Druck als auf der jeweils anderen Seite der Membranen vorliegen, d.h. der Druck im Auffangraum 11 soll höher als der Druck im Raum 12 sein, und der Druck im Raum 13 soll geringer als der Druck im Raum 12 bleiben.

Ein entsprechendes Druckgefälle kann in mehrfacher Weise aufrechterhalten werden.

Bei sehr vielen Anwendungen von Pumpen liegt auf der Saug­ seite ständig ein Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck vor. Dieser sogenannte Saugdruck herrscht aufgrund der Ver­ bindung des Auffangraumes 11 mit der Saugseite der Pumpe auch im Auffangraum 11. Wenn nunmehr den Räumen 12 und 13 das jeweilige Öl mit entsprechend verminderten Drücken zugeführt wird, läßt sich das gewünschte Druckgefälle herstellen.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, in der Verbindungs­ leitung 15 zwischen Auffangraum 11 und Saugseite der Pumpe ein Überdruckventil anzuordnen, welches erst bei einem vor­ gegebenen Grenzdruck öffnet und eine Strömung vom Auffang­ raum 11 zur Saugseite der Pumpe ermöglicht. Dieser Grenzdruck wird aufgrund der die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung 6 durchsetzenden Leckströmung ständig aufrechterhal­ ten. Auch in diesem Falle kann durch Steuerung des Öldruckes in den Räumen 12 und 13 das gewünschte Druckgefälle aufrecht­ erhalten werden.

Die zuletzt beschriebene Ausführungsform kann auch insoweit abgeändert werden, als anstelle des Druckbegrenzungsventiles in der Leitung 15 eine Drossel vorgesehen werden kann.

Da bei den Pumpenhüben im Auffangraum 11 unter Umständen größere Druckschwankungen auftreten können, kann es zweck­ mäßig sein, den Öldruck in den Räumen 12 und 13 in entspre­ chender Weise gesteuert zu ändern, um an jeder der Rollmembra­ nen 9 und 10 eine nahezu konstante Druckdifferenz aufrecht­ zuerhalten.

Sollte eine der Rollmembranen 9 oder 10 brechen, so läßt sich dies ohne weiteres dadurch feststellen, daß ständig die Drücke in den Räumen 11 bis 13 bzw. die Druckdifferenzen zwischen den Räumen 11 und 12 bzw. 12 und 13 gemessen werden. Sollte die Druckdifferenz zwischen je zwei benachbarten Räumen 11 und 12 bzw. 12 und 13 stark absinken bzw. verschwin­ den, so ist dies gleichbedeutend damit, daß die jeweils dazwischenliegende Rollmembran 9 oder 10 gebrochen ist.

Abweichend von der beschriebenen bzw. dargestellten Ausfüh­ rungsform kann durch den Raum 12 gegebenenfalls auch Pumpme­ dium geleitet werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, nur eine einzige Roll­ membran 9 anzuordnen, so daß der Raum 12 völlig wegfällt.

Gegebenenfalls kann auch darauf verzichtet werden, am Kolben 1 den im Durchmesser verjüngten Abschnitt 1′ anzuordnen. In diesem Falle läßt sich jedoch nicht vermeiden, daß die Räume 11 und 13 bei Kolbenhüben eine größere Volumenänderung erleiden. Dadurch wird zwar die Steuerung der die Rollmembra­ nen 9 oder 10 beaufschlagenden Druckdifferenz erschwert. Jedoch läßt sich die genannte Volumenänderung zum Verpumpen der Flüssigkeiten ausnutzen, die den jeweiligen Räumen 11 bis 13 zugeführt werden.

Claims (11)

1. Kolbenpumpe, deren im Förderweg der Pumpe zwischen Saug- und Druckventil angeordneter Kolbenarbeitsraum am Kolben durch eine Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung von einem niederdruckseitig der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung zwischen Kolben und Gehäuse frei bleibenden Auffangraum abgetrennt ist, der einen die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung durchsetzenden Leckstrom aufnimmt und an seinem von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Ende durch eine Rollmembran abgeschlossen ist, welche zwischen einer kolbenseitigen zylindrischen Außenumfangs­ fläche und einer davon radial beabstandeten gehäuseseiti­ gen zylindrischen Innenumfangsfläche mit zwei auf diesen Umfangsflächen aufliegenden, miteinander ringförmig verbundenen Abschnitten angeordnet ist, bei Kolbenhüben wechselseitig auf den Umfangsflächen auf- und abgerollt wird und den Auffangraum von einem weiteren Raum abtrennt, dadurch gekennzeichnet,
daß die Rollmembran (9) mit der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung (6) zugewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Membranteile angeord­ net sowie dichtend an den Umfangsflächen (1′, 7) gehaltert und der Auffangraum (11) mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist, und
daß der Auffangraum (11) einen etwas höheren Druck führt als der weitere Raum (12) auf der anderen Seite der Rollmembran (9).

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Raum (12) an dem von der bereits genannten Rollmembran (9) abgewandten Ende durch eine weitere Rollmembran (10) abgeschlossen ist.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Rollmembran (10) mit der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung (6) zugewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Membranteile angeordnet und dichtend an den Umfangs­ flächen gehaltert ist.

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Rollmembran (10) mit von der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Membranteile angeordnet und dichtend an den Umfangs­ flächen (1′, 7) gehaltert ist.

5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf der der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung (6) gegenüberliegenden Seite der Rollmembran bzw. -membranen (9, 10) angeordneter Ringraum (13) auf seiner von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung (6) abgewandten Seite durch eine Niederdruckdichtung (8) abgeschlossen ist.

6. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung (6) und/oder der Niederdruck­ dichtung (8) abgeschlossene Spalt einen Durchmesser besitzt, dessen Maß (S) derart größer als das Maß (d) des Durchmessers der mit der Rollmembran bzw. den Rollmembranen (9, 10) zusammenwirkenden kolbenseitigen Außenumfangsfläche (1′) und derart kleiner als das Maß (D) des Durchmessers der mit der Rollmembran bzw. den Rollmembranen (9, 10) zusammenwirkenden gehäuse­ seitigen Innenumfangsfläche (7) ist, daß gilt: D²-S²=S²-d².

7. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch zwischen den von der weiteren Rollmembran (10) voneinander abgetrennten Räumen (12, 13) ein Druckgefälle vorhanden ist, derart, daß der höhere Druck auf der konkaven Seite der weiteren Rollmembran (10) vorliegt.

8. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung angeordnet ist, welche zur Aufrechterhaltung des Druckgefälles zwischen den jeweils von einer Rollmembran (9, 10) gegeneinander abgeteilten Räumen (11, 12; 12, 13) in mindestens einem dieser Räume den Druck zu erhöhen und/oder abzusenken gestattet.

9. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die durch zumindest eine Rollmembran (9, 10) abgeschlossenen Räume (11, 12, 13) zur Abführung von Reibungswärme ständig von Flüssigkeit durchströmt werden.

10. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der durch zumindest eine Rollmembran (9, 10) abgeschlossenen Räume (11, 12, 13) sein Volumen in Abhängigkeit vom Kolbenhub ändert und als Arbeitsraum einer Verdränger­ pumpe zur Förderung von Kühlmedium ausgebildet ist.

11. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige für die Druckdifferenz zwischen den Räumen (11, 12; 12, 13) beidseits einer Rollmembran (9, 10) angeordnet ist.