DE4228498C2

DE4228498C2 - Ventillose, oszillierende Rotationskolbenpumpe

Info

Publication number: DE4228498C2
Application number: DE19924228498
Authority: DE
Inventors: Klaus Kronwald
Original assignee: KRONWALD SEPARATIONSTECHNIK GM
Current assignee: KRONWALD SEPARATIONSTECHNIK GM
Priority date: 1992-09-01
Filing date: 1992-09-01
Publication date: 1994-09-01
Anticipated expiration: 2012-09-02
Also published as: DE4228498A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine ventillose, oszillie rende Rotationskolbenpumpe.

Derartige Pumpen bestehen aus einem zylindrischen Kolben, der sich in einem Pumpraum auf- und abbewegt und dabei rotiert, wobei einer vollständigen Umdrehung eine vollständige Auf- und Abwärtsbewegung entspricht. Der Kolben weist eine nach unten offene Ausnehmung auf und saugt beim Anheben ein fließfähiges Medium aus dem Zulauf, wobei der Ablauf so lange durch den Kol ben gesperrt ist, wie der Ansaugvorgang dauert. Durch weiteres Drehen des Kolbens wird der Zulauf gesperrt und danach der Ablauf geöffnet. Der Kolben bewegt sich nunmehr abwärts und drückt das fließfähige Medium in den Ablauf.

Derartige Rotationskolbenpumpen weisen komplizierte Antriebe auf und sind auf niedere Drehzahlen beschränkt.

So sind z. B. aus der US-PS 46 78 411 und der DE-AS 20 24 582 derartige Pumpen bekannt, die zur Umwandlung einer Rotations- in die erforderliche Axialbewegung Schrägteller verwenden. Schrägteller leiten jedoch die Kraft nicht axial in den Kolben, sondern stets seitlich versetzt unter notwendiger Inkaufnahme von Biegemomenten, was unvermeidlich zu Flattererscheinungen führt. Derartige Antriebe sind proportional lediglich in Drehzahlbereichen weit unter 1000. Daher entsteht bei solchen Antrieben neben der durch das Flattern verursachten Ungenauigkeit hinsichtlich der Fördermenge auch ein übergroßer Verschleiß durch Schwingung der Kolben sowie Reibung an den Laufflächen, die in beiden Fällen lediglich Zylinderführungen sind.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine ventillose, oszillierende Rotationskolbenpumpe zu schaffen, die einen Antrieb aufweist, mit dessen Hilfe die Fördereigenschaften wesentlich verbessert werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt ausgehend von mit einer Vorrichtung mit einem in einem Kolbengehäuse angeordneten Pumpraum mit kreisrundem Querschnitt in dem der Pumpenkolben rotiert und sich gleichzeitig auf- und abbewegt sowie einem Zu- und einem Ablauf und wobei der Kolben eine bis zum Kolbenboden reichende Ausnehmung aufweist, bei welcher erfindungsgemäß der Kolben oberhalb des Pumpenraumes mit einer Führung versehen ist, wobei oberhalb der Führung ein rotier barer Exzenter gegen den Kolben anliegt. Am Kolben ist dabei eine Rückstellfeder, z. B. als Spiralfeder zwischen Führung und Pumpraum, angeordnet, die gegen die Abwärtsbewegung des Kolbens spannt, oder der Exzenter ist über eine Kulissenführung nach Art eines Schubkurbeltriebes mit dem Kolben verbunden, wobei dieser mit der Schubkurbel drehbar verbunden ist. Über ein Getriebe sind der Exzenter und der Kolben von einer gemeinsamen Antriebswelle antreibbar, wobei Kolben und Exzenter mit gleicher Umdrehungszahl rotieren.

Mit einer derartigen Rotationskolbenpumpe werden überraschende Vorteile erzielt. Es können Gase und Flüssigkeiten, insbeson dere auch hochviskose Flüssigkeiten gefördert werden. Es können bei Umdrehungszahlen von bis zu 3000/min Flüssigkeitsmengen bis zu 2 l/min gefördert werden, es entsteht eine sehr geringe Pulsation. Die Krafteinleitung auf den Kolben beim Austreiben geschieht koaxial, d. h. ohne Verkanten des Kolbens und ohne Flattern, es können wegen des problemlosen robusten Antriebes große Kolben verwendet werden, die Durchmesser von über 20 mm aufweisen.

Der Antrieb des Kolbens besteht daher in besonders vorteil hafter Weise aus einer motorgetriebenen Antriebswelle, die senkrecht zu dem Kolben oder zu dem durch eine Kolbenstange angeordnet ist, wobei auf dem freien Wellenende ein Exzenter befestigt ist, der koaxial auf den Kolben einwirkt und diesen abwärts bewegt. Die zum Aufwärtsbewegen erforderliche Kraft wird entweder durch eine Feder erzeugt, die über eine Abstützung auf den Kolben einwirkt oder sie wird durch die am Exzenterrad befestigte Schubkurbel (ähnlich einem Dampfmaschinenantrieb) angebracht. Gleichzeitig ist auf der Antriebswelle ein Kegelrad befestigt, das ein zweites Kegelrad treibt, wobei dieses wieder über ein Stirnzahnrad den Kolben in Rotation versetzt. Dieses Stirnzahnrad gleitet in den Flanken des treibenden Stirnzahnrades oder alternativ auf dem Kolben bzw. der Kolbenstange bei entsprechender Anbringung.

Der Hub des Kolbens kann verändert werden, wozu andere Exzenter oder auch stufenlose Mechaniken verwendet werden können.

Zur Förderung aggressiver oder besonders empfindlicher Medien können die Materialien von Kolben, Kolbengehäuse und Anschlüs sen entsprechend ausgewählt werden. So besteht z. B. der Kolben für spezielle Anforderungen wie hohe Temperaturen oder Flüssig keiten wie Flußsäure aus Zirkonoxid und die Hülse aus Fluor kunststoff, Saphir oder Keramik. Gase können z. B. mit einem Kolben aus Edelstahl und einem Kolbengehäuse aus Graphit geför dert werden. Insbesondere kann die gesamte Flüssigkeitsför derung metallfrei sein, wozu der Pumpenraumboden mit einer Kunststoff-Dichtscheibe belegt wird, auf welchem dann ein entsprechender Einsatz ruht. Ebenso sind die Schraubanschlüsse mit Kunststoffscheiben abdichtbar.

Die Anbringung eines Einsatzes im Kolbengehäuse erlaubt weiter hin, dieses zu hinterspülen, um z. B. auskristallisierende Sub stanzen abzufördern oder den Einsatz zu kühlen. Insbesondere kann auf den Einsatz eine eigene Spülbuchse aufgesetzt werden, die über eigene Anschlüsse mit einer Spülflüssigkeitsförderung verbunden ist.

Als Feder für die Aufwärtsbewegung dient vorzugsweise eine Spiraldruckfeder, die auf einer im Kolbengehäuse angebrachten Zentrierbuchse ruht, den Kolben umgreift und sich gegen einen mit dem Kolben verbundenen oder an diesen angeformten Flansch abstützt. Ein höhenverstellbarer Flansch kann dazu dienen, die Federspannung an die Betriebsbedingungen anzupassen.

In einfachen Ausführungsformen gleitet die stillstehende Feder gegen den rotierenden Flansch. Für höhere Drehzahlen kann ein Drehteller zwischengelegt werden.

Die Kolbenführung geschieht einmal durch das Kolbengehäuse selbst, da dieses beliebig lang ausgelegt werden kann. Vorteilhafterweise ist jedoch das obere Ende des Kolbens bzw. die Kolbenstange oberhalb des Flansches in einer eigenen Lagerung nahe dem Angriffspunkt des Exzenters geführt, um so sicher ein unerwünschtes Kolbenkippen zu verhindern. Besonders bevorzugt dient hierzu ein Linearkugellager. Der Exzenter kann in einfacher Weise reibend auf dem Kolbengehäuse umlaufen. Die Reibung kann jedoch vorteilhaft durch eine Zwischenrolle gemindert werden, wobei letztere auf dem Kolben (der Kolbenstange) gelagert ist und sich mit dem Exzenter abwälzt.

Eine einfache Möglichkeit für eine Hubverstellung wird letztlich vorgeschlagen, die darin besteht, daß ein ellipsoides Rad mittig und achsverschieblich auf einem an der Antriebswelle befindlichen Gleitstein gelagert ist und gegen einen verstell baren Anschlag anlegbar ist, der die Aufwärtsbewegung des Kol bens auf das gewünschte Maß begrenzt.

Anhand der beiliegenden Figuren wird die vorliegende Erfindung näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Pumpe im Schnitt.

Fig. 2, 3 und 4 erläutern die Arbeitsweise.

Fig. 5 zeigt das Pumpengehäuse mit Hinterspülung.

Fig. 6, 7 zeigen eine Hubverstellung.

Fig. 1 zeigt einen Antriebsmotor 1 mit einer auf Kugellagern 29 gelagerten Antriebswelle 2. Letztere treibt ein erstes Kegelrad 3 und dieses ein zweites, rechtwinklig zu dem ersten stehendes zweites Kegelrad 4. Vom zweiten Kegelrad 4 wird eine ebenfalls mit Kugellagern 29 versehene Zwischenwelle 6 ange trieben, auf der ein Stirnzahnrad 5 angeordnet ist.

Senkrecht zur Antriebswelle 2 steht eine Kolbenstange 9, die oben gegen einen auf der Antriebswelle 2 angeordneten Exzenter 15, ggf. über ein Zwischenrad (nicht dargestellt) anliegt. Auf der Kolbenstange 9 befindet sich ein mit dem Stirnzahnrad 5 kämmendes zweites Stirnzahnrad 7 und versetzt die Kolbenstange 9 in Drehung. Das Getriebe 3, 4, 5, 7 ist so ausgelegt, daß bei einer Umdrehung der Antriebswelle die Kolbenstange eine voll ständige Auf- und Abwärtsbewegung und eine Drehung um 360° aus führt. Da sich die Kolbenstange um die Auslenkung des Exzenters längs ihrer Achse bewegt, ist das erste Stirnzahnrad 5 entspre chend breiter als das zweite Stirnzahnrad 7. Äquivalent kann hierbei auch ein Zahnriementrieb eingesetzt werden. Oberhalb, oder, wie dargestellt, unterhalb des zweiten Stirnzahnrades 7 ist die Kolbenstange 9 in einem Linearkugellager 8 auslenkungs frei geführt. Die Kolbenstange reicht in ein zweiteiliges Kol bengehäuse 10 und weist einen Flansch 14 auf, gegen den von unten eine Spiralfeder 12 anliegt. Der Flansch 14 kann höhen verstellbar sein.

Im Kolbengehäuse befindet sich weiterhin eine Zentrierbuchse 16, auf der die Feder 12 aufliegt. Zwischen Flansch 14 und Feder 12 kann ein reibungsvermindernder Drehteller, im einfach sten Falle eine Lochscheibe aus z. B. Polytetrafluorethylen gelegt sein. Die Feder 12 bewirkt die Aufwärtsbewegung der Kol benstange 9.

Alternativ kann an den Exzenter ein Schubkurbelantrieb mit Kulissenführung angeschlossen sein, dessen Schubstange mit der Kolbenstange 9 drehbar, z. B. mit Hilfe einer Kugelbüchse ver bunden ist. Im unteren Teil des Kolbengehäuses 10 läuft gegen dessen Wandung und über die Dichtung 13 gegen die Zentrier buchse 16 abgedichtet der Kolben 11 mit der unteren Ausnehmung 30. Seitlich und gegenüberliegend angeordnet befinden sich die Anschlüsse für Zulauf 26 und Ablauf 27, sowie unterhalb dieser eine Platte 20.

In den Fig. 2, 3, 4 sind die Bewegungsabläufe der Pumpe fortgesetzt dargestellt. In Fig. 2 ist der Zulauf 26 zur Ausnehmung 30 offen, der Ablauf 27 hingegen gesperrt. Der Kolben 11 wird unter Drehung bis zum oberen Nullpunkt gehoben, wobei kurz vor dessen Erreichen Zu- und Ablauf durch die Wan dung des Kolbens gesperrt werden. In Fig. 3 hat sich der Kol ben 11 nach unten bewegt und dabei dessen Auslauf 27 freige geben, wobei dieser bis unmittelbar vor Erreichen des unteren Nullpunktes Flüssigkeit verdrängt um dann den Auslauf 27 zu sperren und den Zulauf 26 wieder freizugeben für den nächsten Kolbenhub.

Weiterhin sind die unterschiedlichen Stellungen des Exzenters 15 auf der Welle 2 und ebenso die unterschiedlichen Stellungen des zweiten Stirnzahnrades 7 gegenüber dem ersten Stirnzahnrad 5 angezeigt.

Fig. 5 zeigt eine Variante mit einem im Kolbengehäuse 10 untergebrachten Einsatz 17 aus für aggressive oder empfindliche Medien geeignetem Material mit einem oberen Dichtring 13 sowie die Bodenplatte 20 und die Anschlüsse 26, 27 abdeckenden Dicht scheiben 18, 19, die ebenso zusätzlich Anschlußverschraubungen 31 zugeordnet sind. Letztere ragen in eine Spülbuchse 21 und ermöglichen eine Spülung des Ringspaltes zwischen der Spül buchse 21 und dem Kolben 11.

Fig. 6 und 7 zeigen eine Möglichkeit zur Hubverstellung des Kolbens 11 (der Kolbenstange 9). Dabei ist auf einem mit der Antriebswelle 2 verbundenen (exzentrischen) Gleitstein 28 ein Ellipsoidrad 22 gleitend gelagert, das sich gegen ein verstellbares Stützrad 23 als Widerlager in der in Fig. 6 gezeigten Längslage (unterer Nullpunkt) abstützt. Über den im Ellipsoidrad 22 befindlichen Schlitz 32 kann dieses mit Hilfe eines Verstellmechanismus 24 in Achsrichtung des Kolbens 11 verschoben werden. Bei Drehung der Welle 2 um 90° liegt die Kolbenstange 9 in der in Fig. 7 gezeigten Stellung, d. h. diese befindet sich hier in der Stellung des oberen Nullpunktes.

Bezugszeichenliste

1 Antriebsmotor
2 Antriebswelle
3 Kegelrad
4 Kegelrad
5 Stirnzahnrad
6 Zwischenwelle
7 Stirnzahnrad
8 Linearkugellager
9 Kolbenstange
10 Kolbengehäuse
11 Kolben
12 Feder
13 Dichtring
14 Flansch
15 Exzenter
16 Zentrierbuchse
17 Einsatz
18, 19 Dichtscheiben
20 Bodenplatte
21 Spülbuchse
22 Ellipsoidrad
23 Stützrad
24 Stellschraube
25 Pumpraum
26 Zulauf
27 Ablauf
28 Gleitstein
29 Kugellager
30 Ausnehmung
31 Anschlußverschraubung
32 Schlitz

Claims

1. Rotationskolbenpumpe mit einem Rotations-Zahnradtrieb und einem Exzenterantrieb des Kolbens sowie einer die Kolbenrückstellung bewirkenden Feder und einer an den Pumpraum anschließenden zylindrischen Kolbenführung, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) der Exzentertrieb besteht aus einem auf den Kolben (11) direkt axial einwirkenden, auf dem freien Kolbenende abrollenden Exzenter (15);
b) der Kolben (11) ist oberhalb des an den Pumpraum anschließenden Zylinderlagers in einem Linearlager (8) gelagert;
c) der Zahnradtrieb (7, 5) ist zwischen dem Linearlager (8) und dem Exzenter (15) angeordnet und
d) die Rückstellfeder (12) zwischen dem Zylinderlager des Kolbens (11) und dem Linearlager (8).

2. Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß mit Antriebswelle (2) und Kolben (11) ein Motor verbunden ist, Antriebswelle (2) und Kolben (11) senkrecht zueinander stehen und das Getriebe (2, 4) ein Kegelradgetriebe ist, wobei das zweite Kegelrad auf einer Zwischenwelle (6) angeordnet ist, auf welcher ein Stirnrad (5) befestigt ist, das ein auf dem Kolben (11) bzw. auf eine mit diesem verbundenen Kolbenstange (9) befestigtes zweites Stirnzahnrad (7) treibt, wobei die Stirnzahnräder (4, 7) gegeneinander verschieblich sind, oder wobei das zweite Stirnzahnrad (7) ortsfest ist und auf dem Kolben (11) bzw. der Kolbenstange (9) gleitet.

3. Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekenn zeichnet, daß der Exzenter (15) zur Veränderung des Hubes des Kolbens (11) verstellbar ist.

4. Rotationskolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-3, da durch gekennzeichnet, daß im Kolbengehäuse (10) ein Einsatz (17) angeordnet ist, in dem der Kolben (11) läuft.

5. Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) im Einsatz (17) oberhalb des Pumpraumes (25) hinterspült ist.

6. Rotationskolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des Einsatzes (17) eine Spülbuchse angeordnet ist.

7. Rotationskolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß im Kolbengehäuse (10) eine Zentrierbuchse (16) angeordnet ist, gegen die die Feder (12) anliegt.

8. Rotationskolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) bzw. die Kolbenstange (9) oberhalb des Kolbengehäuses (10) in einem Linearkugellager (8) geführt ist.

9. Rotationskolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem oberen Ende des Kolbens (11) bzw. der Kolbenstange (9) eine Zwischenrolle angeordnet ist.

10. Rotationskolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter ein Ellipsoidrad (22) ist, das über einen Gleitstein (28) beweglich mit der Antriebswelle (2) verbunden ist, und daß diesem ein verstellbarer Anschlag (23, 24) zugeordnet ist.