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Kolbenpumpe. Die Erfindung betrifft eine hauptsächlich für Vakuumkältemaschinen
bestimmte Kolbenpumpe, deren Auslaßventil die ganze Zylinderbohrung abschließt und
durch den Kolben aufgestoßen wird. Sie bezweckt, durch Beseitigung aller toten Räume
die Schaffung eines möglichst hohen Vakuums zu ermöglichen, und besteht darin, daß
zwischen Kolben und Zylinder ein mechanisch angetriebener Kolbenschieber vorgesehen
ist, der in der
nächsten Nähe des Sitzes des Auslaßventiles die
Einlaßöffnung mit seiner oberen Kante abdichtet. Die neue Pumpe kann als zweistufige
Pumpe ausgebildet werden, deren beide Zylinder in oben angegebener Weise gesteuert
werden. Hierbei läßt man die erste Stufe vorzugsweise in das luftdichte Kurbelgehäuse
fördern, aus welchem die zweite Stufe saugt.
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Damit beim Anlaufen der Pumpe zunächst nur die zweite Stufe, deren
Zylinder den kleineren Durchmesser besitzt, zur Wirkung gelangt und den Unterdruck
schafft, sieht man bei der bevorzugten Ausführungsform der zweistufigen Pumpe an
der Einlaßleitung -der ersten Pumpe einen Nebenkanal vor, der über dem Auslaßventil
mündet und durch ein vom Druck im Nebenkanal abhängiges Ventil selbsttätig geöffnet
werden kann. Dieses Ventil vermag die erste Pumpe zunächst auszuschalten, so daß
die zweite Pumpe unmittelbar aus der Einlaßleitung der ersten Pumpe saugen kann.
Nach dem Entstehen des erforderlichen Unterdruckes wird auch die erste Pumpe selbsttätig
zur «"irkung gebracht.
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In den Zeichnungen, welche ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der
Erfindung wiedergeben, bedeutet: Abb. i einen Umriß der ganzen Anlage. teils im
Schnitt, teils in Ansicht, Abb. 2 und 3 Schnitte nach der Linie a-2 der Abb. i bei
verschiedener Stellung der Teile, Abb.4 einen Schnitt nach der Linie der Abb. ;,
Abb. 5 und 6 vergrößerte Teilschnitte des oberen Teiles der Abb. 2 und 3.
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Ein flüssiges Gefriermittel, vorzugsweise Wasser, wird in eine Kammer
eingeführt, die in einem zu kühlenden Raum gelagert ist. Gemäß der Zeichnung ist
ein geschlossener Behälter i in einem Kühlraum 2 untergebracht. welcher nach Art
der gebräuchlichen Haushaltungseisschränke zur Aufnahme von Lebensmitteln u. dgl.
eingerichtet ist. Der Behälter i ist vorzugsweise in der Nähe des oberen Teiles
des Gefrierschrankinnern gelagert und sitzt auf Stützen 3, die vorzugsweise etwas
einwärts von den Außenwänden stehen. Das flüssige Gefriermittel, vorzugsweise Wasser,
wird der Kammer i durch ein Rohr 4 zugeführt. Mittel müssen vorgesehen werden, um
die Flüssigkeitszufuhr zur Kammer 1 aufrechtzuerhalten, damit für die Dämpfe, welche
während des Gefrierverfahrens abgezogen werden, Ersatz geschaffen wird. Der Flüssigkeitsspiegel
5 wird vorzugsweise durch ein Schwimmerventil 6 auf konstanter Höhe gehalten, welches
an der Wand des Behälters i drehbar gelagert ist und an einem Arm 7 einen Schwimmer
8 trägt. Das Ventil 6 schließt sich, wenn die Flüssigkeit die gewünschte Höhe erreicht,
und öffnet sich, wenn der Flüssigkeitsspiegel. sinkt.
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Eine Saugpumpe ist durch .ein Rohr 9 an das Innere des Behälters i
angeschlossen und erzeugt darin ein Vakuum, so daß das Gefriermittel verdampft und
Wärme abgibt, wobei die Größe der Wärmeabgabe praktisch der aus der Kammer i abgeführten
Dampfmenge proportional ist. Wenn Wasser als Gefriermittel verwendet wird, braucht
für seine Kondensation und Wiederverwendung keine Vorsorge getroffen zu werden.
Auch sind die Temperatur- und Druckregelvorrichtungen nicht erforderlich, welche
bei verschiedenen zur Zeit gebräuchlichen selbsttätigen Gefrierapparaten für deren
erfolgreichen Betrieb wesentlich sind. _ Durch die Kammer i verlaufen Rohre io.
welche in den zu kühlenden Raum münden. Die als Träger der Kammer i dienenden Teile
3 dienen vorzugsweise auch als Querwände, welche zwischen den Seiten des Kühlschrankes
verlaufen und am Boden öffnungen i i besitzen, so daß beim Gebrauch der Vorrichtung
die wärmere Luft durch den Raum zwischen den Wänden 3 und den Außenwänden nach oben
und durch die Rohre io nach unten strömt, wo ihr die Wärme entzogen wird. Die Luft
strömt dann weiter durch die Löcher in den Querbrettern f z und die öffnungen i
i und alsdann wieder durch die Außenkanäle nach oben. Der Kühlschrank kann in der
üblichen Weise mit gelochten Querbrettern 1 ? versehen sein.
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Die Vakuumpumpe sitzt innerhalb des Zylinders 13 und des Kurbelgehäuses
1.1. Sie ist besonders gut zur Erzeugung eines besonders niedrigen Vakuums in der
Kammer i geeignet, was beim Gebrauch der Anlage erforderlich oder äußerst erwünscht
ist.
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Die vorzugsweise verwendete Vakuumpumpe besitzt ein Auslaßventil mit
Nullspielraum und ein mechanisch g°triebenes Einlaßventil. Der Nullspielraum entsteht
dadurch, daß man das Auslaßventil sich über den vollen Zylinderdurchmesser erstrecken
läßt, so daß sich der Kolben bis an das äußerste Zylinderende oder sogar noch darüber
hinaus bewegen kann. ohne Schaden anzurichten. Das Einlaßventil besitzt vorzugsweise
die Gestalt einer Hülse, welche die Einlaßöffnung dadurch abschließt, daß sie sich
mit ihrem Ende nach Art eines Schnarchventiles (poppet valve ) aufsetzt und nicht
über eine öffnung gleitet, um diese völlig abzudecken oder freizugeben, wie dies
sonst bei hülsenförmigen Ventilen üblich ist. Durch die Verwendung eines mechanisch
angetriebenen Einlaßventiles und eines Auslaßven.tiles der erwähnten Art erzielt
man eine große Leistungsfähigkeit und kann man ein außerordentlich niedriges Vakuum
erzeugen.
Unter einem mechanisch angetriebenen Einlaßventil ist
ein Ventil zu verstehen, welches unabhängig von jeder Druckdifferenz auf beiden
Ventilseiten mittels mechanischer Mittel arbeitet. so daß es auch dann sicher arbeitet,
wenn ein so weit getriebenes Vakuum bestehen sollte, daß auf der einen Ventilseite
nicht genug Druck besteht, um die öffnung des Ventiles zu irgendeiner Zeit herbeizuführen.
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Bei der in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsform
besitzt die Vakuumpumpe zwei Zylinder 13 und 15, welche an einem luftdichten Kurbelgehäuse
14 befestigt sind. Der Zylinder 13 ist am oberen Ende des Kurbelgehäuses gelagert
und mündet mit seinem unteren Ende in dieses, der Zylinder 15 ist im unteren Teil
des Kurbelgehäuses gelagert. Die Kolben beider Zylinder sind zu gemeinsamer Arbeit
verbunden, der Kolben 16 des oberen Zylinders bewirkt den Abzug von Wasserdampf
oder ganz allgemein des Dampfes des flüssigen Gefriermittels aus der Kammer i des
Kühlschrankes und zur Abgabe des Kurbelgehäuseinhaltes durch einen Rohranschluß
18 in einen Behälter i9. Beide Zylinder sind vorzugsweise gleich beschaffen, mit
der Ausnahme, daß der untere Zylinder wesentlich kleiner als der obere ist.
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Die Auslaßventile 2o und 21 der Zylinder 13 und 15 besitzen vorzugsweise
beide den vollen Durchmesser ihrer Zylinder und können als bewegliche Zylinderköpfe
angesehen werden. Sie «-erden durch Federn 22 und 23 gehalten und am Ende eines
jeden Kolbenauswärtshubes durch den Druck der Auspuffgase oder Dämpfe oder, im Falle
des unteren Zylinders, der kondensierten Flüssigkeit geöffnet, während die Kammer
regulär arbeitet.
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Die beiden Einlaßventile 24 und 25 besitzen vorzugsweise Hülsenform.
Sie umgeben die Kolben und bilden die Zylinderwände. Die obere Hülse 24 ist vorzugsweise
am oberen Ende mit einer Schrägfläche 26 versehen, welche sich auf eine entsprechend
geschaltete Fläche 27 des Ventilsitzes 28 aufzusetzen vermag, entsprechend besitzt
die untere Hülse 25 am unteren Ende eine Fläche 29, welche sich auf eine entsprechende
Sitzfläche des Ventilsitzes 3o aufsetzt. Die Hülsen werden vorzugsweise in der einen
Richtung durch eine Führung o. dgl. und in der andern Richtung durch Federwirkung
bewegt. Der Zylinder 13 ist mit einem Ventilkammergehäuse 13' und zwischen diesem
und dem Zylinder mit einem Zwischenteil 28' versehen (Abb. 4 bis 6), dessen Innenpartie
den Ventilsitz 28 bildet. Das Gehäuse ist durch Bolzen 13- am Zylinder 13 befestigt.
In ähnlicher Weise ist die Ventilkammer 15' des unteren Zylinders 15 an diesem befestigt
und dazwischen der Ventilsitzteil angeordnet. Die beiden Zylinder 13 und 15 sitzen
einarider gegenüber, und die beiden Kolben werden durch den gleichen Kurbelzapfen
angetrieben. Sie können durch eine Stange 31 verbunden sein und durch eine Verbindungsstange
32 angetrieben werden, die oben mit einem Zapfen 33 der Kolbenstange 31, unten mit
dem Zapfen 34 einer Scheibe 35 verbunden ist, welche auf der dauernd umlaufenden
Triebwelle 36 sitzt.
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Die beiden Hülsen 24 und 25 sind durch Klammern 37 und 38 und zwischen
diesen verlaufende Stangen 39 (Abb. 4) miteinander verbunden. Die Scheibe 35 ist
vorzugsweise als ein Führungsexzenter ausgebildet, gegen ihren Außenumfang legt
sich eine Rolle 40. Diese sitzt an dem nach unten ragenden Teil 44 eines bei 42
am Kurbelgehäuse drehbar gelagerten Armes 41. Die Führungsscheibe und die Rolle
4o bewirken die Bewegung der Schieberventile in der einen Richtung, die Bewegung
in der andern Richtung erfolgt durch Federn 43, welche an dem Klemmbügel
38 und dem Zylinder 15 angreifen.
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Eine Stoßstange 45 zum Antrieb der Schieberventile ist am oberen Teil
des Armes 4.1 gelagert und vorzugsweise als ein Rohr ausgebildet, das durch eine
öffnung des Teiles 37 und eine öffnung im Deckel 46 des Kurbelgehäuses hindurch
in eine Bohrung 47 des Zylinders 13 hineinragt, in welcher es geführt wird.
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Die Stange 45 wirkt auf die hülsenförmigen Ventile durch eine Feder
48 (Abb. 2 und 3 ) von solcher Steifigkeit, daß sie die Ventile entgegen dem Zug
der Feder 43 zu bewegen vermag, selbst aber durch einen geringen Überhub der Stange
45 zusammengedrückt werden kann, um eine Beschädigung der Teile zu vermeiden, falls
sich etwa die Stoßstange aus irgendwelchem Grund zu weit zu bewegen suchen sollte.
Die Feder 48 umgibt die Rohrstange 45 und sitzt zwischen Anschlägen 49 und 5o, von
denen sich letzterer gegen den Klemmbügel 37 legt. Beide Ventilhülsen werden
also durch die Führung 35 nach oben und durch die Feder 43 nach unten bewegt, sobald
letzteres während jedes Spieles der Kolben durch die Führung 35 möglich gemacht
wird.
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Die Rohrverbindung 9, welche von der Verdampfungskammer i des Kühlschrankes
ausgeht, ist durch die öffnung 5 i im oberen Kopf des Zylinders 13 mit einem Kanal
52 verbunden, welcher zum Innern des Zylinders 13 oberhalb des Kolbens 16 führt,
wenn die Hülse 24 gemäß Abb. 6 von ihrem Sitz abgehoben ist.
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Beim regulären Gebrauch der Einrichtung werden Luft und Wasserdampf
oder -andere Gase beim Kolbenniedergang in den Raum
über ' dem Kolben
16 gesaugt (Abb. 3 und 6), das Einlaßventil 7,4 ist dann offen, das Auslaßventil2o
geschlossen. Das Ventil 24 wird dann etwa im Zeitpunkt gegen seinen Sitz nach oben
bewegt, wo der Kolben 16 seine rückläufige oder Aufwärtsbewegung beginnt. Infolgedessen
wird das Auslaßventil2o entgegen dem Druck der Federn 22 von seinem Sitz bewegt
und wird der Zylinderinhalt über dem Kolben in den Kanal 4.7 gedrückt. Von ihm gelangen
die Gase in den Rohrteil 4.5, welcher in das untere Ende ragt, sie treten durch
eine Öffnung 53 des Teiles 45 aus und gelangen in das Innere des luftdichten Kurbelgehäuses.
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Der Kolben 17 des unteren Zylinders geht bei seinem Saug- oder Einlaßhub
hoch, wenn sich der obere Kolben bei seineirr Auspuffhub, aufwärts bewegt. Kondensiertes
'Wasser, Luft, Gase und überschüssiges öl, welche sich in dem Kurbelgehäuse
befinden, gelangen durch eine Öffnung 54 des unteren Pumpenzylinders 15 in einen
Ringraum 5 5 des die Hülse 25 umgebenden Zylinders 15. "Nenn dann die Hülse von
ihrem Sitz abgehoben wird (Abb. 2), werden die Stoffe in das Zylinderinnere gezogen;
und wenn dann das Ventil 25 schließt und der Kolben 17 niedergeht, öffnet sich das
Auslaßventi12i, wodurch die Stoffe über das Rohr 18 in den Behälter 19 gedrückt
werden (Abb. i).
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Die Auslaßventile 2o und 21 beider Zylinder verlaufen über den ganzen
Zylinderdurchmesser uäd bilden sogenannte Auslaßventile mit Nullspielraum, da die
Kolben bei ihren Auspuffhüben bis an das volle Zylinderende oder sogar noch darüber
hinaus wandern können. Die Ventile 20 und 21 können als bewegliche Zylinderköpfe
angesehen werden.
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Die Pumpenkolben sollen mit großer Geschwindigkeit arbeiten, und es
würde erhebliche Kraft erforderlich sein, wenn der obere Kolben bei dieser Geschwindigkeit
zu Beginn der Arbeit aus der Kammer i Luft abzuziehen hätte, wenn das ganze System
mit Luft von Atmosphärendruck gefüllt ist. Auch würde durch den großen oberen Zylinder
mehr Luft von der Verdampfungskammer i abgezogen und in das Kurbelgehäuse abgegeben
werden, als der untere Zylinder gleichfalls entfernen kann, um die Bildung eines
hohen Druckes in dem Kurbelgehäuse zu verhindern, was die erforderliche Kraft weiter
steigern würde, Demgemäß wird bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
zu Beginn der Arbeit lediglich der untere Zylinder benutzt, der dann aus dem Inneren
des Kurbelgehäuses und durch die Verbindung 47 und eine Umleitungsverbindung 56
von dem Behälter r Luft abzieht. Der Pumpenzylinder 15 besitzt wesentlich kleineren
Durchmesser als der obere Pumpenzylinder, kann also mit sehr wenig Kraft angetrieben
werden, auch wenn der ganze Apparat mit Luft gefüllt ist. Der obere Zylinder wird
dann durch automatische Mittel eingeschaltet, wenn ein genügend großes Vakuum in
dem System erzeugt n-orden ist, so daß von diesem Zeitpunkt ab der leistungsfähige
obere Zylinder wirksam wird, um das Vakuum aufrechtzuerhalten und die Wassergase
aus der Kammer i abzuziehen, und. die untere Kammer von nun an lediglich Luft oder
Gas, Öl und kondensierte Flüssigkeit aus dem Kurbelgehäuse zu entfernen hat.
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Die Nebenleitung 56 verläuft von der Einlaßöffnung 5 i (Abb. 5) über
eine Ventilöffnung 56', 57 in den Raum 58 am oberen Ende des das Auslaßventil2o
enthaltenden Zylinders. Der Raum 58 mündet in den zum Kurbelgehäuse führenden Kanal
47. Ein Ventil 59 schließt die von dem horizontalen Teil der Umleitung 56 zur Ausnehmung
57 führende Öffnung 56' ab, wenn in dem System ein genügend großes Vakuum hergestellt
ist, um die Umleitung auszuschalten.
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Das Ventil 59 ruht auf einer Säule Iuftdichter Behälter 6o, die auf
einem quer zum Raum 58 angeordneten Träger 61 ruhen. Die Behälter 6o sind dünne,
hohle Teile von pillenschachtelartiger Beschaffenheit und bestehen vorzugsweise
aus sehr dünnem Metall. Sie sind mit Luft von Atmosphärendruck gefüllt und liegen
auf dem Träger 6i flach aufeinander, wenn im Raum 58 und der Umleitung 56 Atmosphärendruck
herrscht. In diesem Falle besteht über und um die Behälter gemäß Abb. 5 eine Öffnung.
Wenn dieser Zustand besteht, saugt der untere Pumpenzylinder direkt über den Kanal
47 und die Umleitung 56 aus der Kammer i ab, der obere Pumpenzylinder ist unwirksam.
Nachdem die untere Pumpe den Druck im Kurbelgehäuse verringert hat, expandieren
die Behälter 6o infolge des unausgeglichenen Druckes der in ihnen enthaltenen Luft,
und das Ventil 59 wird gemäß Abb. 6 gegen seinen Sitz gelegt, so daß die
Umleitung 56 geschlossen und der obere Pumpenzylinder zur ZVirkung gebracht wird.
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Der Kurbelzapfen 33 (Abb. 2 und 3) ist vorzugsweise auf Kugeln 6z
gelagert. Die Kurbelwelle 36 besitzt vorzugsweise ein abgesetztes Lager 63, welches
den von dem Vakuum in dem Kurbelgehäuse verursachten Druck aufnimmt und eine Abdichtung
bildet, welche an dieser- Stelle das Einsickern von Luft in das Kurbelgehäuse verhindert.
Öl wird dieser Fläche des Lagers durch ein Rohr 64 zugeführt und über die Fläche
der Kurbelwelle 36 langsam unter Schmierung der Welle in das Kurbelgehäuse gesaugt.
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Die übrigen Teile der Pumpe werden durch ein einziges ölzuführungsrohr
65 geschmiert
(Abb. i und q.), welches Öl einer ringförmigen Ausnehmung
66 zwischen der Hülse 2.1 und dem Gehäuse i ; zuführt. Das Öl wird in den die Hülse
24. umgebenden oberen Raum 58' gesaugt und strömt von da über die obere Kante der
Hülse 24. in den Zylinder über dem Kolben, wenn die Hülse 24. offen ist. Öl wird
auch von der Ausnehmung 66 in das Kurbelgehäuse nach unten gesaugt und daselbst
durch die Kurbelscheibe 35 herumgespritzt, so daß es an jeden beweglichen Teil in
dem Kurbelgehäuse gelangt.
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Der Behälter i9, in welchen der untere Zylinder 15 mündet, dient als
Ölbehälter und als Abscheider für die Wiedergewinnung des Öles von der Pumpenförderung.
Das kondensierte Wasser aus dem Kurbelgehäuse setzt sich bei Verwendung von Nasser
als Kühlflüssigkeit bei 66' auf dem Boden des Gefäßes 19 ab. das
ö167 steht darüber. Das Öl wird aus diesem Raum durch das Rohr 65 nach oben
gesaugt und wieder verwandt. Das Wasser wird durch das Gewicht des in dem Gefäß
i 9 darüber befindlichen Öles in einen Auffangbehälter 67 gedrückt und fließt durch
ein Rohr 69 ab.
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Der vorstehend beschriebene Gefrierapparat besitzt eine natürliche
Selbstregulierung, weil beim Sinken der WasserkammertemperatuT der durch das Rohr
9 aus der Kammer abgezogene Dampf weniger dicht wird, und da die Höhe der in der
Kammer i bei einer gegebenen Pumpgeschwindigkeit erzeugten Kühlung der Menge des
entfernten Dampfes direkt proportional ist, ist sie der Dampfdichte direkt proportional.
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Wenn eine größere Kühlwirkung in der Kühleinrichtung erforderlich
ist, beispielsweise wenn Nährstoffe in den Kühlschrank gebracht werden, die eine
Kühlung erfordern, so steigt die Temperatur der Kammer i, und der abgeführte Dampf
besitzt eine größere Dichte. Die Saugpumpe läuft mit konstanter Geschwindigkeit
und führt bei der Abführung des Dampfes größerer Dichte mehr Wärme ab, was der gewünschte
Zustand ist. Auf ähnliche Weise wird bei einem Sinken der Temperatur der Kammer
i weniger Wärme aus ihr abgeführt, weil der abgeführte Dampf geringere Dichte besitzt.
Die Temperatur des Kühlschrankes oder Kühlraumes wird demzufolge innerhalb eines
engen Bereiches aufrechterhalten, welcher nicht so groß ist, daß er die befriedigende
Arbeit der Einrichtung stören kann. Da die Pumpe stetig läuft, sind keine selbsttätigen
Vorrichtungen zum Anlassen und Abstellen des Antriebsmotors erforderlich.