DE4327849A1 - Mehrkreis-Ringpumpe - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Mehrkreis-Ringpumpe nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Ringpumpe ist beispielsweise mit dem Gegenstand der DE-PS 8 83 564 bekannt geworden.

Dieses Prinzip ist mit einer Impeller-Pumpe vergleich­ bar. Es werden Gummi-Elemente komprimiert, wobei es zu einem hydraulischen Pumpeffekt kommt. Eine der­ artige Pumpe ist jedoch nur zur Förderung von einem Druckmedium mit relativ geringem Druck von z. B. bis maximal 2-3 bar geeignet.

Im Rahmen der Trinkwasser-Aufbereitung für Haushalte und für industrielle Zwecke, insbesondere für eine Trinkwasser-Aufbereitung mit einer Umkehr-Osmose oder Ultra-Zentrifugation bestand bisher der Nachteil, daß man einen relativ großen Wasserstrom (mehr als 50% des belasteten Wassers) ungenutzt ins Freie fließen ließ.

Es ist zwar bekannt, das aus der Aufbereitungsanlage hinausströmende noch belastete Wasser über eine Pumpe im Kreislauf wieder zurück zu führen. Die bisherigen Systeme wenden 100%ig Antriebsenergie auf, um diesen Kreislauf aufrecht zu erhalten.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sie eine Kreislaufführung von unter Druck stehendem Wasser mit wesentlich geringerer Antriebsenergie bewerk­ stelligen kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gekennzeichnet.

Wesentliches Merkmal der vorliegenden Erfindung ist, daß ein Mehrkreissystem für eine Pumpe vorgeschlagen wird, wobei der Vereinfachung halber in der späteren Beschreibung lediglich von einem Zweikreis-System aus­ gegangen wird. Hierauf soll die Erfindung jedoch nicht beschränkt werden, sondern die Erfindung sieht vor, eine Pumpe nach der später zu beschreibenden Art als Zweikreis-, Dreikreis-, Vierkreis- und so weiter -Pumpe auszubilden.

In der Ausbildung der Pumpe als Zweikreis-Pumpe besteht der Vorteil, daß der mit dem Schmutzwasser belastete Wasserstrom bereits schon unter einem relativ hohen Eingangsdruck in einen zweiten Mediumkreis eingeführt wird und dieses unter Druck stehende, in dem zweiten Mediumkreis eingeführte, Druckwasser vermindert die Antriebsleistung der Mehrkreispumpe dadurch, daß durch dieses Druckmedium die Wirkung eines Doppelkolbens unterstützt wird, der das Wasser mit relativ niedrigem Druck über einen ersten Mediumkreis ansaugt und wieder ausstößt.

Es wird also zur Verminderung der Antriebsleistung der Ringpumpe ein Zweikreis vorgeschlagen, wobei in dem ersten Kreislauf das Wasser mit 100% Volumen mit z. B. 1 Bar Druck angesaugt wird, während aus diesem ersten Kreislauf das Wasser dann mit 100% Volumen und ca. 50 Bar ausgestoßen wird.

Im zweiten Kreislauf wird das Wasser bei 66% Volumen mit einem Vordruck von ca. 50 Bar zugeführt und verläßt den zweiten Mediumkreis unter Expansion (Druckabbau) mit gleichfalls 66% Volumen, aber lediglich z. B. 1 Bar Ausstoßdruck.

Hieraus ergibt sich, daß das Wesen der Erfindung darin liegt, daß die Antriebsleistung eines Antriebsmotors wesentlich verringert werden kann, weil eben eine Motor­ leistung durch den Druckabbau im zweiten Mediumkreis auf die Pumpe erreicht wird.

Erfindungsgemäß werden zur Ausnutzung dieses Effektes mehrere Doppelkolben verwendet, die gleichmäßig am Umfang eines Rotors verteilt angeordnet sind, wobei als Mindestzahl zwei Doppelkolben vorgesehen sind, und dann als drei, vier oder mehr als vier Doppelkolben verteilt am Umfang des Rotors angeordnet werden.

Wichtig hierbei ist, daß die Kolbenfläche auf den Doppel­ kolben, auf welche der unter hohem Druck stehende zweite Mediumkreis wirkt, kleiner ist als die Kolbenringfläche des gleichen Doppelkolbens, auf welche der erste Medien­ kreis mit relativ geringem Druck wirkt.

Die Antriebsleistung des Antriebsmotors muß dann lediglich die Differenz zwischen den beiden Kolbenflächen überwinden (Kolbenringfläche-Kolbenfläche).

Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Pumpe kann wie folgt wiedergegeben werden:
Auf einer Antriebswelle ist ein Rotor aufgesteckt, der über einen Keil drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist. Die Antriebswelle dreht sich zentrisch zusammen mit dem aufgekeilten Rotor. Der Rotor trägt an seinem Außenumfang gleichmäßig verteilt zwei oder mehrere Doppelkolben, welche sich an ihrem Außenumfang an einem Druckring abstützen. Der Druckring dreht sich zentrisch um eine exzentrisch verschiebbare Achse in Bezug zum Rotor. Der Außenumfang des Druckringes 3 stützt sich an Kugellagern ab, welche in einem Verstell­ ring gelagert sind, welcher Verstellring sich verstell­ bar über dem Innenumfang des Gehäuses abstützt.

Der Verstellring liegt zentrisch zum Druckring.

Durch radiale Verstellung des Verstellringes wird der Druckring ebenfalls radial verstellt, weil die beiden Ringe konzentrisch zueinander sind.

Durch die Verschiebung der Drehachse des Druckringes kommt es somit zu einer Exzentrizität zwischen dem Außenumfang des Rotors und dem Innenumfang des Druck­ ringes.

An der Innenseite des Druckringes liegen die Doppel­ kolben radial verschiebbar in ihren Zylinderräumen an.

Zur Förderleistung der Pumpe kommt es erst dann, wenn der Druckring mit der Position und der über die Lager fest verbundene Verstellring exzentrisch zum Rotor verlagert werden. Dann kommt es erst zu einer Förderlei­ stung.

Solange Druckring und Verstellring konzentrisch zum Rotor laufen, ist die Förderleistung 0 und nur wenn Druckring und Verstellring exzentrisch zum Rotor verstellt werden, kommt es zu einer Förderleistung.

Der Erfindungsgegenstand der vorliegenden Erfindung ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentan­ sprüche, sondern auch aus der Kombination der einzelnen Patentansprüche untereinander. Alle in den Unterlagen, einschließlich der Zusammenfassung, offenbarten Angaben und Merkmale, insbesondere die in den Zeichnungen darge­ stellte räumliche Ausbildung werden als erfindungswesent­ lich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegen über dem Stand der Technik neu sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei gehen aus den Zeichnungen und ihrer Beschreibung weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Erfindung hervor. Es zeigt

Fig. 1 schematisiert einen Längsschnitt durch eine Zweikreis-Ringpumpe nach der Erfindung mit schematisierter Darstellung einer Wasseraufberei­ tung (Ultrafiltrationsanlage),

Fig. 2 Schnitt gemäß der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 Schnitt gemäß der Linie III-III in Fig. 1,

Fig. 4 Schnitt gemäß der Linie IV-VI in Fig. 1.

Die Zweikreis-Ringpumpe besteht im wesentlichen aus einem geteilten Gehäuse 6, 7.

An der linken Seite des Gehäuses 6 wird der Motorflansch 11 angeflanscht, der mit seiner Antriebswelle 10 mit einem Rotor 1 der Pumpe drehfest gekoppelt ist.

Der Rotor 1 stützt sich hierbei mit Kugel lagern an den Innenseiten des Gehäuses 6, 7 ab.

Der Rotor dreht hierbei zentrisch um die Drehachse 18 der Antriebswelle 10.

Gemäß Fig. 2 sind am Umfang des Rotors 1 mehrere Doppelkolben 2 radial verschiebbar angeordnet, wobei im Ausführungsbeispiel insgesamt vier Doppelkolben 2 vorhanden sind.

Jeder Doppelkolben 2 weist eine äußere Kolben-Ringfläche 15 auf, die eine größere Fläche aufweist als vergleichs­ weise eine innere Kolbenfläche 14.

Die äußere Kolben-Ringfläche definiert somit zwei Zylinderräume 21 mit größerem Volumen als vergleichs­ weise der in der Mitte angeordnete Zylinderraum 20, welcher der Kolbenfläche 14 zugeordnet ist.

Die Doppelkolben 2 sind jeweils als Topf- oder Hutkolben ausgebildet und sind in entsprechenden O-Ringen abgedichtet im Rotor 1 geführt.

Am Außenumfang der Doppelkolben 2 ist ein Druckring 3 aufgeschoben, der wiederum über zwei Kugellager in einem Verstellring 4 gelagert ist. Der Verstellring 4 ist über zwei Führungsteile 5 radial verstellbar im Gehäuse 6, 7 ausgebildet, durch den zusammen mit dem Druckring 3 zum Rotor 1 radial verstellbar aus­ gebildet.

Die radiale Verstellung erfolgt hierbei über ein Ver­ stellteil 22, welches im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 durch eine Druckschraube ausgebildet ist, welche Druckschraube sich mit ihrem bolzenseitigen Ende am Außenumfang des Verstellringes 4 abstützt. Gleichzeitig ist der Verstellring 4 hierbei in radialer Richtung im Bereich von Führungsteilen 5 verschiebbar gelagert.

Es wird noch darauf hingewiesen, daß die Doppelkolben 2 durch Federn 3 radial auswärts gespannt werden, so daß sie immer kraftschlüssig am Innenumfang des Druckringes 3 anliegen. Dies soll verhindern, daß bei drucklosen Zylinderräumen 20, 21 der Kolben im Ruhezustand der Pumpe nach unten sinkt und bei Wiederanlauf der Pumpe durch Zentrifugalkraft nach außen geschleudert wird. Damit wäre eine Beschädigungsgefahr verbunden.

Der Verstelleinrichtung ist im übrigen eine Feder 24 zugeordnet, welcher dem Verstellteil 22 gegenüberliegt. Dadurch soll eine Rückstellung des Verstellringes 4 gewährleistet sein.

Im Bereich eines Ein-Auslaßgehäuses 9 ist ein erster Mediumkreis 12 angeordnet, der über einen Einlaß 25 Wasser mit 100% Volumen und einem Druck von beispiels­ weise 1 Bar ansaugt.

Gemäß den Fig. 3 und 4 ist ein Mehrkreis-Steuerteil 8 vorhanden. Über die Einlaßniere 26 des Mehrkreis- Steuerteils 8 gemäß Fig. 4 strömt das Medium des Mediumkreislaufs 1 über die Bohrung 27 in den Zylinder­ raum 21.

Es wird hierbei vorausgesetzt, daß die Drehachse 18 des Rotors einen Abstand zur Drehachse 19 des Druck­ ringes einnimmt. Nur dadurch kann es zu einer Pump­ wirkung kommen, und der um 180° gedrehte Doppelkolben nimmt dann seine in Fig. 1 unten gezeichnete Lage ein. Hierbei ist der Zylinderraum 21 mit maximalem Füllvolumen gefüllt. Dabei befindet sich die Bohrung 27 im Bereich auf dem Steg 28 des Mehrkreis-Steuerteils 8, so daß die Bohrung damit abgeschlossen ist. Bei Weiterdrehung des Rotors 1 dreht sich die Bohrung 27 in Pfeilrichtung 30 über dem Steg 28 hinweg und kommt in den Bereich der Auslaßniere 29.

Der Ausstoßvorgang läuft wieder über einen Drehwinkel von 180°, bis der Steg 31 erreicht wird. Damit ist der Ausstoßvorgang beendet.

Das Wasser verläßt dann den Auslaß 33 mit einem Druck von z. B. 50 Bar und 100% Volumen.

Mit der vorstehenden Beschreibung wurde der Mediumkreis 12 beschrieben, der auch als Mediumkreis 1 beschrieben wird.

Am Auslaß 32 wäre z. B. über eine Leitung 34 eine Ultrafiltrationsanlage 33 mit einzelnen Filtrations­ modulen eingeschlossen, wobei das belastete Wasser nun über einen Einlaß in die Ultrafiltrationsanlage 33 eingespeist wird. Das gereinigte Wasser (Permeat) verläßt über den Auslaß 35 die Ultrafiltrations­ anlage 33 und wird über eine Leitung 36 zur weiteren Verwendung abgeleitet. Das Wasser kann z. B. eine Hochdruck-Reinigungsanlage oder dergleichen ein­ gespeist werden.

Das nun höher belastete Schmutzwasser verläßt über den Auslaß 37 die Ultrafiltrationsanlage 33 und wird über die Leitung 38 dem Einlaß 40 des zweiten Medium­ kreises 13 der Mehrkreispumpe zugeführt.

Wichtig ist, daß dieses angereicherte Schmutzwasser unter einem Druck von z. B. 50 Bar steht und ein Volumen von 66% im Vergleich zu dem der Ultrafiltrationsanlage 33 zugeführten Wasser hat.

Das belastete Wasser wird wiederum über das Mehrkreis­ steuerteil 8 in der vorher beschriebenen Weise über den Einlaßkanal dem Zylinderraum 20 zugeführt.

Hierbei gelangt jeweils eine Bohrung 43 im Sinne der vorstehenden Beschreibung zunächst in den Bereich der Einlaßniere 41, sodann in den Stegbereich des Steges 28, um dann in dem Bereich der Auslaßniere 42 den Ausstoßhub durchzuführen.

Wichtig ist nun, daß dieses unter relativ hohem Druck stehende Medium in dem Zylinderraum 20 auf die Kolben­ fläche 14 wirkt und die Kolbenfläche 14 hierbei kleiner ist als die Kolbenringfläche 15 des Mediumkreislaufs 12.

In dem Moment, wo der Ausstoßvorgang für den ersten Mediumkreislauf 12 gemäß Fig. 1 (untere Darstellung) beginnt, vergrößert sich an dem oberen Doppelkolben 2 der Zylinderraum 20, der dem Mediumkreislauf 13 zuge­ ordnet ist. Dadurch kommt es zu einer unterstützenden Wirkung auf den Doppelkolben aufgrund des expandierenden Mediums im Zylinderraum 20.

Die Kraft auf den Doppelkolben wird über den Druckring 3 übertragen und wirkt somit auch auf den unteren Doppel­ kolben 2 in Fig. 1. Durch die Expansion (radiale Ver­ schiebung des oberen Doppelkolbens in Fig. 1 und die Übertragung dieser Kraft über den Druckring 3 auf den unteren Doppelkolben) wird dieser untere Doppelkolben somit radial einwärts gedrückt und die Pumpwirkung (Ausstoßwirkung) des unteren Doppelkolbens 2 wird damit im wesentlichen Maße unterstützt.

Damit wird das Druckmedium des Mediumkreislaufs 13 über das Mehrkreissteuerteil 8 aus dem Auslaß 44 ausgestoßen, wobei es aufgrund der vorherigen Expansion ein Volumen von 66% bei lediglich noch einem Druck von 1 Bar aufweist.

Dieses Schmutzwasser kann dann nach der vorher beschrie­ benen Arbeitsleistung in der Pumpe über eine Leitung 45 einem zentralen Auffangbecken 39 zugeführt werden.

Wichtig hierbei ist, daß also der Druckring 3 die mechanische Verbindung zwischen dem Doppelkolben 2 herstellt, die radial verschiebbar jeweils am Umfang des Rotors 1 verteilt angeordnet sind.

Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die Doppelkolben über mechanische Kopplungsglieder zu verbinden, weil diese durch den außenliegenden Druckring 3 miteinander gekoppelt sind.

Das Mehrkreissteuerteil 8 wird im übrigen durch eine Feder 46 an der Stirnfläche des Rotors 2 dichtend ange­ legt, um die in Fig. 3 und 4 beschriebenen Ventilüber­ gänge zu schaffen.

Wenn man nun das Volumen der Ansaugkanäle, welche in die Zylinderräume 20, 21 münden, größer macht als das Volumen der Zylinderräume 20, 21 selbst, dann erreicht man, daß das belastete Wasser nicht bis in die Zylinder­ räume 20, 21 gelangt, sondern daß eine schwingende Medium­ säule in den Ein- und Auslaßkanälen vorhanden ist, die eingezogen und ausgeschoben wird, ohne daß das Wasser in den Zylinderräumen 20, 21 ausgetauscht wird. In diesen Zylinderräumen kann daher Reinwasser vorrätig sein, was die verwendeten Dichtungen außerordentlich schont.

Im übrigen ergibt sich ein Ringspalt zwischen dem Außen­ umfang des Rotors 1 und dem Innenumfang des Druckringes 3, welcher Ringspalt mit 17 bezeichnet ist, welcher mindestens so groß sein muß, wie die maximale Exzentrizi­ tät zwischen der Drehachse 18 und 19.

Es bildet sich ferner ein konzentrischer Ringspalt 16 im Bereich zwischen dem Außenumfang des Druckringes 3 und dem Innenumfang des Verstellringes 4.

Ein dritter Ringspalt 47 ergibt sich zwischen dem Außen­ umfang des Verstellringes 4 und dem Innenumfang des Gehäuses 7.

Dieser Ringspalt 47 muß in seiner größten Ausdehnung ebenfalls größer als der Mittenversatz zwischen den Drehachsen 18 und 19 sein.

Die Doppelkolben 2 bestehen aus handelsüblichem Material, wie z. B. Keramikkolben, Metallkolben, Kunststoff und dergleichen mehr.

Vorteil der vorgestellten Ringpumpe ist die wesentliche Einsparung von Antriebsleistung, weil bei den beschrie­ benen Volumen- und Druckverhältnissen lediglich nur noch eine Antriebsleistung von 33% aufgewendet werden muß im Vergleich zu einer herkömmlichen Pumpe.

Bezugszeichenliste

1 Rotor
2 Doppelkolben
3 Druckring
4 Verstellring
5 Führungsteil
6 Gehäuse
7 Gehäuse
8 Mehrkreissteuerteil
9 Ein-Auslaßgehäuse
10 Antriebswelle
11 Motorflansch
12 Mediumkreis 1
13 Mediumkreis 2
14 Kolbenfläche (Mediumkr. 2)
15 Kolbenringfläche (Mediumkr. 1)
16 Ringspalt (Verstellring-Druckring)
17 Ringspalt (Rotor-Druckring)
18 Drehachse (Rotor)
19 Drehachse (Druck­ ring)
20 Zylinderraum (Mediumkr. 2)
21 Zylinderraum (Mediumkr. 1)
22 Verstellteil
23 Feder
24 Feder
25 Einlaß
26 Einlaufniere
27 Bohrung
28 Steg
29 Auslaßniere
30 Pfeilrichtung
31 Steg
32 Auslaß
33 Ultrafiltrationsanlagen
34 Leitung
35 Auslaß
36 Leitung
37 Auslaß
38 Leitung
39 Auffangbecken
40 Einlaß
41 Einlaßniere
42 Auslaßniere
43 Bohrung
44 Auslaß
45 Leitung
46 Feder
47 Ringspalt

Claims (5)

1. Mehrkreis-Ringpumpe, bei der ein Rotor (1) über eine Antriebswelle (10) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere, mindestens zwei, radial verschiebbare Doppel­ kolben (2) gleichmäßig am Umfang des Rotors (1) verteilt angeordnet sind, welche sich an ihrem Außenumfang an der Innenseite eines Druckringes (3) abstützen, daß die Doppelkolben (2) jeweils eine äußere Kolben-Ring­ fläche (15) und eine innere Kolben-Ringfläche (14) besitzen, wobei die äußeren Kolben-Ringflächen (15) der Doppelkolben (2) jeweils eine größere Fläche als die dazugehörigen inneren Kolben-Ringflächen (14) auf­ weisen, und jeweils einen äußeren Zylinderraum (21) für einen ersten Mediumkreis (12) mit einem größeren Volumen und einen inneren Zylinderraum (20) für einen zweiten Mediumkreis (13) mit einem kleineren Volumen definieren, und daß sich der Druckring (3) zentrisch um eine exzentrisch zum Rotor (1) verschiebbare Achse dreht.

2. Mehrkreis-Ringpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Außenumfang des Druckringes (3) an Kugellagern abstützt, welche in einem Verstellring (4) gelagert sind, und daß der Verstellring (4) über dem Innenumfang des Pumpengehäuses (6, 7) verstellbar abgestützt ist.

3. Mehrkreis-Ringpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellring (4) über ein Verstellteil (22) radial verstellbar ist.

4. Mehrkreis-Ringpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstellteil (22) eine Druckschraube darstellt, welche mit ihrem bolzenseitigen Ende am Außenumfang des Verstellringes (4) abgestützt ist, und daß der Verstellring (4) in radialer Richtung im Bereich von Führungsteilen (5) verschiebbar gelagert ist.

5. Mehrkreis-Ringpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelkolben (2) durch Federn (3) radial auswärts gespannt sind, als Kopf- oder Hutkolben ausgebildet sind und in entsprechenden O-Ringen abgedichtet im Rotor (1) geführt sind.