DE4410910C2 - Pulsationsarme Hubkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hubkolbenpumpe für ein Fluid mit mindestens einem Zylinderpaar, dessen Kolben von einer insbesondere motorisch antreibbaren Getriebewelle kontinuierlich antreibbar sind.

Hubkolbenpumpen haben den Nachteil, daß sie das zu pumpende Medium (Fluid) üblicherweise in einem ungleichmäßigen Mengenstrom fördern, wodurch Druckstöße auftreten, die in der Pulsation des Fluids ihre Ursache haben. Insbesondere bei solchen Hubkolbenpumpen, die über ein Kurbelgetriebe von einem Drehantrieb angetrieben werden, treten im Betrieb erhebliche Unterschiede in den Strömungsgeschwindigkeiten sowie Stöße auf, wenn der Hubkolben seine Bewegungsrichtung umkehrt. Diese Druckstöße müssen durch Kompensatoren in den Leitungen gemildert werden, oder es werden Windkessel auf der Saugseite und Druckseite eingesetzt, welche den Förderstrom vergleichmäßigen sollen. Die Pumpe hat hierdurch einen großen Raumbedarf und ist aufwendig in ihrer Bauart. Weitere bekannte Pumpen setzen Ausgleichspumpen oder Vorsteuereinrichtungen ein.

Um die Fluktuationen des geförderten Flüssigkeitsvolumens so gering wie möglich zu halten, sind einfach wirkende Dreizylinderpumpen bekannt (z. B. deutsche Patentschrift 4 30 610). Durch diese Kombination kann zwar die Pulsation verringert, aber nicht völlig ausgeschaltet werden.

Aus der DE-OS 24 46 805 ist eine Dosierpumpe bekannt, deren beide gegenläufig oszillierende Kolben jeweils mit einem von zwei gegeneinander 180° versetzten Nocken in Wirkverbindung stehen, wobei die Nockenkurve so ausgelegt ist, daß zur Erzielung eines pulsationsfreien Mengenstromes der positive Bereich jeder Nockenkurve in einen Arbeitsbereich und in einen Vorkompressionsbereich unterteilt ist. Dabei ist der Arbeitsbereich der Nockenkurve beider Nocken derart ausgestaltet, daß die Summe der Kolbengeschwindigkeiten in Verdrängerrichtung konstant ist, während der Vorkompressionsbereich derart ausgestaltet ist, daß der Kolben bei der Nockenstellung am Übergang zwischen Vorkompressionsbereich und Arbeitsbereich seine Arbeitsdruckstellung erreicht hat. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß beim Übergang der Förderung von dem einen zum anderen Pumpenkopf keinerlei Mengenstromabfall eintritt, da in diesem Augenblick der mit der Arbeit beginnende Kolben aufgrund des Vorkompressionsbereiches der Nockenkurve bereits eine Stellung erreicht hat, in der er mit dem Arbeitsdruck zu arbeiten beginnt. Eine solche Pumpe hat jedoch den Nachteil, daß sie aufgrund der durch Federn erzeugten Ansaugung nicht voll drehzahlregelungsfähig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Hubkolbenpumpe so auszubilden, daß mit vertretbarem technischen Aufwand ein konstanter Gesamtvolumenstrom des Fluids erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anschlüsse der zu den Kolben gehörigen Kolbenstangen um einen Winkel von 90° an der Getriebewelle zueinander versetzt angeordnet sind und daß die Kurvensteuerungen der beiden Kolbenstangen entlang ihrer jeweiligen Bahnkurve derart erfolgen, daß der von den Zylinderräumen des Zylinderpaares verdrängte Gesamtvolumenstrom des Fluids zeitlich konstant ist, wobei der in jedem Zylinder angeordnete doppeltwirkende Kolben diesen in eine obere und eine untere Zylinderkammer unterteilt und je eine Zuleitung und je eine Ableitung an jeder der Zylinderkammern angeschlossen ist.

Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, daß durch die 90° Versetzung der Kolbenstangen einerseits und die Kurvensteuerung der beiden Kolbenstangen mit Hinblick auf ein Erreichen eines konstanten Gesamtvolumenstromes andererseits eine pulsationsfreie Vorrichtung geschaffen wird. Hierdurch sind Kompensatoren, Vorsteuereinrichtungen oder Windkessel nicht erforderlich. Darüber hinaus ist es möglich, Fluide, deren Viskosität sich in Abhängigkeit von der Temperatur stark ändert, mit gleichbleibender Geschwindigkeit zu pumpen. Die Konstanz des Gesamtvolumenstroms des Fluids ergibt sich dadurch, daß der Kolben des einen Zylinders gerade zu dem Zeitpunkt sein maximale Geschwindigkeit hat, zu dem der andere Kolben seinen oberen oder unteren Totpunkt erreicht hat. Gleichzeitig steht der Beschleunigung des ersten Kolbens in einem Zylinder eine entsprechende große Verlangsamung des Kolbens im anderen Zylinder gegenüber, so daß bei gleichen Volumina die Summe des geförderten Mengenstromes in beiden Zylinder immer gleich bleibt. Dabei sind die nutzbaren Volumina der Zylinderkammern beider Zylinder so bemessen, daß der erste und der zweite Kolben bei jedem Hub das gleiche Volumen des zu pumpenden Mediums verdrängen.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht dabei vor, daß die Kurvensteuerung der jeweiligen Kolbenstange über eine Kurvenscheibe erfolgt, in der eine Führungsbahn für die Kolbenstange derart bemessen ist, daß Kolbenhub und Drehwinkel auf der Kurvenscheibe zueinander nach der Gleichung

in Beziehung stehen, wobei C eine Konstante ist. Durch die Erfüllung dieser arithmetischen Bedingung arbeitet die Pumpe nach einer Verdrängungsfunktion, gemäß der die Summe der Kolbenhübe so überlagert wird, daß der Gesamtvolumenstrom zeitlich konstant ist.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen sind in den nachfolgenden Unteransprüchen dargestellt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Dabei zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe im schematischen Querschnitt,

Fig. 2 einen Schnitt durch die Kurvenscheibe zur Steuerung der Kolbenstange,

Fig. 3 eine Detailzeichnung, die den Ausschnitt der Pumpe im Bereich eines Ventils 25 darstellt, und

Fig. 4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt.

Im Pumpengehäuse 11 einer Hubkolbenpumpe 10 sind eine erste Zylinderbohrung 12 und eine zweite Zylinderbohrung 13 parallel zueinander in seitlichem Abstand voneinander angeordnet. Der erste Zylinder 12 wird durch einen ersten, doppeltwirkenden Kolben 14 in eine obere Zylinderkammer 12a und in eine untere Zylinderkammer 12b unterteilt. In gleicher Weise unterteilt auch ein zweiter doppeltwirkender Kolben 15 den zweiten Zylinder 13 in eine obere Zylinderkammer 13a und in eine untere Zylinderkammer 13b. In jede Zylinderkammer 12a und 12b bzw. 13a und 13b mündet je eine Zuleitung 16, 17, 18, 19 und an jede Zylinderkammer ist eine Ableitung 20, 21, 22, 23 für das zu pumpende Medium (Fluid) angeschlossen.

In allen Zu- und Ableitungen sind selbsttätige federbeaufschlagte Ventile 24 bzw. 25 angeordnet, von denen sich die Ventile in den Zuleitungen 16-19 öffnen, wenn in den Zylinderkammern, an die die jeweiligen Zuleitungen angeschlossen sind, beim Saughub des Kolbens ein Unterdruck auftritt und von denen sich die Ventile 25 in den Ableitungen 20-23 öffnen, wenn die Kolben 14 und 15 einen Druckhub ausüben.

Alle Zuleitungen sind an eine gemeinsame Sammelzuleitung 26 angeschlossen, während alle Ableitungen der Pumpe an eine hier nicht näher dargestellte, gemeinsame Sammelableitung angeschlossen sind, die zu einem (nicht dargestellten) Verbraucher führt.

Die Pumpe 10 wird von einem regelbaren Elektromotor 27 über ein Kurbelgetriebe 28 angetrieben, an dessen dreifach gelagerter Getriebewelle 29 die Schubstangen 30 für den ersten Kolben 14 und 31 für den zweiten Kolben 15 angeschlossen sind. Die Schubstangen 30 und 31 sind über Gleitbahnen 32 und 33 mit den Kolbenstangen 34 und 35 des ersten Kolbens 14 und des zweiten Kolbens 15 verbunden, die in Gleitführungen 36 geführt und gegenüber dem Pumpengehäuse 11 mit Stopfbuchsen 37 abgedichtet sind.

Der Anschluß 38 des Kurvenzapfens 39 der Schubstange 35 für den zweiten Kolben 15 ist an der Getriebewelle 29 gegenüber dem Anschluß 40 des Kurvenzapfens 41 der Schubstange 30 für den ersten Kolben 14 um einen Winkel von 90° versetzt, so daß sich der zweite Kolben 15 genau in der Mitte des Zylinder 13 befindet, wenn der erste Kolben 14 seinen unteren oder oberen Totpunkt erreicht. In der Zeichnung ist diejenige Stellung dargestellt, in der sich der erste Kolben 14 in seinem unteren Totpunkt befindet und den Druckhub in der unteren Kammer und den Saughub in der oberen Kammer beendet hat, während der zweite Kolben 15 mit seiner maximalen Kolbengeschwindigkeit den Druckhub für die untere Zylinderkammer 13b und den Saughub für die obere Zylinderkammer 13a ausführt.

Wenn sich die Getriebewelle 29 im Sinne des Pfeiles 42 in die dargestellte Y-Richtung weiterdreht, setzt der zweite Kolben 15 seinen Hub in gleicher Richtung (dargestellte X-Richtung) zunächst weiter fort, wobei die Kolbengeschwindigkeit zum unteren Totpunkt hin immer langsamer wird, während der erste Kolben seine Bewegungsrichtung umkehrt und das zu fördernde Fluid durch die Zuleitung 16 in die untere Zylinderkammer 12b einsaugt und das in der oberen Zylinderkammer 12a befindliche Fluid zusammenpreßt und durch die Ableitung 21 ausstößt, wobei das Ventil 25 in der Ableitung 21 geöffnet und das Ventil 24 in der Zuleitung 17 geschlossen wird.

Im gleichen Maße, in dem die Geschwindigkeit des zweiten Kolbens 15 abnimmt, nimmt die Geschwindigkeit des ersten Kolbens 14 zu, so daß die Summe der Volumenstrome V1 und V2 des von beiden Kolben 14 und 15 geförderten Mediums konstant ist.

Um dies zu erreichen, müssen die Volumina der Zylinderkammern 12a, 12b, 13a, 13b beider Zylinder 12 und 13 so bemessen und aufeinander abgestimmt sein, daß beide Kolben 14 und 15 bei jedem Hub gleiche Volumina des zu pumpenden Mediums verdrängen, was in einfacher Weise dadurch erreicht werden kann, daß Form und Abmessungen beider Zylinder und Kolben in den einzelnen Zylinderräumen gleich sind bzw. durch einen vorgebbaren Faktor in der Kurvenbahn ausgeglichen sind.

Fig. 2 zeigt ein Detail, aus dem die Steuerung der Schubstangen 30 bzw. 31 mittels einer Kurvenscheibe 43 erkennbar wird. Die Kurvenscheibe 43 weist einen kreisrunden Umfang auf, ist jedoch exzentrisch an der Getriebewelle 29 befestigt. Die Befestigung erfolgt mittels einer Paßfeder. Die Kurvenscheibe 43 weist eine Führungsbahn 44 für die Schubstange 30 bzw. 31 auf, die als Vertiefung eingearbeitet ist.

Der Verlauf der Führungsbahn ergibt sich gemäß einer Berechnung derart, daß Kolbenhub X und Drehwinkel Y (gemessen in rad) der Getriebewelle 29 folgende Gleichung erfüllen:

wobei die Konstante P nach vorgegebenen Dimensionierungsgrößen festgelegt ist.

Die Führungsbahn kann nach ihrer aus der Formel abgeleiteten Berechnung in die Kurvenscheibe 43 eingefräst werden.

Fig. 3 zeigt eine Einzelheit der erfindungsgemäßen Hubkolbenpumpe im Bereich der Ventile 24 bzw. 25.

Ein Ventil 25 besteht aus einem Ventilkörper 25a, welcher mittels einer Druckfeder 25b gegen den Ventilsitz 25c beaufschlagt wird. Die Öffnungslänge des Ventils 25 wird durch den Anschlag 25d begrenzt.

Der Ventilkörper 25a besteht aus Teflon, welches ein geringes spezifisches Gewicht besitzt, dessen Wert in etwa demjenigen des zu pumpenden Fluids entspricht sowie mit dem Fluid verträglich ist.

Diese Gestaltung führt dazu, daß jedes Ventil praktisch trägheitsfrei dem zu verdrängenden Fluid nachfolgt, ohne daß es zu überlagerten Pulsationen kommt.

Das in Fig. 4 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheidet sich von demjenigen, welches in Fig. 1 dargestellt oder zuvor erläutert wurde wesentlich nur dadurch, daß das Kurvengetriebe 28 aus einer Scheibe gebildet ist, deren eine Stirnseite eine erste Führungsbahn 44 für die eine Schubstange 30 und deren andere Stirnseite eine Führungsbahn 44 für die andere Schubstange 31 aufweist. Die Ausbildung der Führungsbahnen ist dabei so dimensioniert, wie zuvor beschrieben wurde. Die Scheibe ist im Pumpengehäuse gelagert (strichlinierte Linie) und wird von einem Getriebe 45 angetrieben, welches vom Elektromotor 27 in Drehung versetzt wird. Durch die entsprechende Dimensionierung der Getriebezahnräder des Getriebes 45 können die Drehzahlverhältnisse entsprechend angepaßt werden.

Diese Pumpe zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß hierdurch eine extrem schlanke Bauart realisiert werden kann und die Scheibe selber als Getriebe genutzt werden kann.

Claims (7)

1. Hubkolbenpumpe (10) für ein Fluid mit mindestens einem Zylinderpaar (12, 13);

• - mit einem in jedem Zylinder (12, 13) angeordneten doppeltwirkenden Kolben (14, 15), der diesen in eine obere Zylinderkammer (12a, 13a) und in eine untere Zylinderkammer (12b, 13b) unterteilt, wobei je eine Zuleitung (16, 17, 18, 19) und je eine Ableitung (20, 21, 22, 23) mit zugehörigen Ventilen (24, 25) an jeder der Zylinderkammern (12a, 12b, 13a, 13b) angeschlossen ist;
• - mit einer insbesondere motorisch antreibbaren Getriebewelle (29), durch die jeder Kolben (14, 15) über eine an der Getriebewelle (29) angeordneten Kurvenscheibe (43) und über eine Kolbenstange (30, 31) kontinuierlich antreibbar ist, wobei die Anschlüsse der zu den Kolben (14, 15) gehörigen Kolbenstangen (30, 31) um einen Winkel von 90° an der Getriebewelle (29) zueinander versetzt angeordnet sind;
• - und mit einer in der Kurvenscheibe (43) ausgebildeten Führungsbahn (44) zur Kurvensteuerung der jeweiligen Kolbenstange (30, 31) wobei die Führungsbahn (44) für die Kolbenstangen (30, 31) derart bemessen ist, daß Kolbenhub (X) und der Drehwinkel (Y) auf der Kurvenscheibe (43) zueinander nach der Gleichung in Beziehung stehen, wobei C eine Konstante ist.

2. Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Führungsbahn exzentrisch auf der Kurvenscheibe (43) angeordnet ist.

3. Hubkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialdichte des Ventilkörpers der Ventile (24, 25) näherungsweise der Dichte des Fluids entspricht.

4. Hubkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilkörpermaterial ein Kunststoff, insbesondere Teflon ist.

5. Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Zuleitungen (16-19) zu den Zylinderkammern (12a, 12b, 13a, 13b) eine gemeinsame Sammelzuleitung (26) und alle Ableitungen (20-23) von den Zylinderkammern (12a, 12b, 13a, 13b) an eine gemeinsame Sammelableitung angeschlossen sind.

6. Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Antrieb ein regelbarer Motor (27) ist.

7. Hubkolbenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Zylinderpaare, deren Kolben alle an eine gemeinsame Getriebewelle angeschlossen sind, vorgesehen sind.