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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Bereich
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe, die ein Vorsteuerventil
umfasst, das eine kontinuierliche und konsistente Pumprate für die sich
hin und her bewegende Pumpe bewirkt. Insbesondere ist die Pumpe
der vorliegenden Erfindung eine Pumpe, die ein Vorsteuenrentil umfasst,
das das Strömen
von Steuerfluid zu einem Kolben steuert, um eine sich hin und her
bewegende Vorrichtung, wie z.B. eine chemische Pumpe oder eine Glykol-Injektionspumpe
anzutreiben. Das Vorsteuenrentil der Pumpe der vorliegenden Erfindung
steuert dieses Strömen
durch einen pneumatischen Ventilmechanismus, der ein bewegliches
Ventilelement und mehrere Schieberventile umfasst, die in verschieblicher
Weise mit dem beweglichen Ventilelement in Eingriff stehen. Dadurch, dass
es wahlweise unter Druck stehendes Steuerfluid durch mehrere Steuerfluid-Leitungen
zuführt
bzw. entlüftet,
sorgt das Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung für eine erhöhte Unterdrucksetzung
und Entlüftung
des Steuerfluids, das auf dem Kolben wirkt, um die Pumpgeschwindigkeit
der sich hin und her bewegenden Vorrichtung zu erhöhen.
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2. Allgemeiner
Hintergrund
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Es
gibt verschiedene aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen,
die dazu dienen, sich hin und her bewegende Pumpen zu steuern. Viele
dem Stand der Technik entsprechende Vorrichtungen verwenden einen
mechanischen Steuermechanismus, um den Kolben der sich hin und her
bewegenden Pumpe anzutreiben, doch waren diese Mechanismen unzuverlässig entweder,
weil sie eine Vielzahl von Komponenten umfassen, die ausfall- und/oder
abnutzungsanfällig
sind, oder weil sie sich verklemmen oder in ihrer Hubfrequenz in
Reaktion auf sich ändernde
Betriebsbedingungen verändern können, wie
sie häufig
beim praktischen Einsatz angetroffen werden. Eine Vorsteuerventil-Erfindung,
die eine pneumatische Ventilsteuerung verwendet und somit eine Verbesserung
gegenüber
diesen dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen erzielt,
ist die Vorsteuerventil-Erfindung, die in dem US-Patent Nr. 6,183,217
B1 beschrieben ist, das den Titel „Pilot Control Valve for Controlling
a Reciprocating Pump" trägt und am
6. Februar 2001 erteilt wurde.
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Das
Vorsteuerventil, das in dem US-Patent Nr. 6,183,217 B1 beschrieben
ist, ändert
die Strömungsrichtung
des Steuerfluids zu einem Kolben, der mit dem Vorsteuerventil gekoppelt
ist, um eine sich hin und her bewegende Vorrichtung anzutreiben. Genauer
gesagt, umfasst das Vorsteuerventil des US-Patentes Nr. 6,183,217
B1 ein Ventilelement, das in einem Ventilkörper zwischen einer ersten
oder „Abwärtshub"-Stellung und einer
zweiten oder „Aufwärtshub"-Stellung verschiebbar
ist. Wenn es sich in seiner ersten Stellung befindet, ermöglicht das
Ventilelement eine Zufuhr von unter Druck stehendem Steuerfluid,
das dem Ventilkörper
zugeführt
wird, zur unteren Oberfläche
des Kolbens, um eine Bewegung des Kolbens aus seiner ersten oder „Abwärtshub"-Stellung zu seiner
zweiten oder „Aufwärtshub"-Stellung einzuleiten.
Das unter Druck stehende Steuerfluid wird der unteren Oberfläche des
Kolbens durch eine erste Leitung für unter Druck stehendes Fluid
zugeführt,
die sich längs
der Länge
des Ventilkörpers
außerhalb
des Ventilkörpers
erstreckt. Wenn der Kolben seine zweite Stellung erreicht, ermöglicht eine
Entlüftung
in einer am Kolben befestigten Stange, dass das Steuerfluid, das
auf das Ventilelement einwirkt und dabei das Ventilelement in seiner
ersten Stellung festhält,
seinen Druck abbaut und aus dem Ventilkörper abströmt. Das unter Druck stehende Steuerfluid
wird aus dem Ventilkörper
durch eine Fluid-Abführleitung
abgeführt,
die sich aus dem Ventilkörper
heraus erstreckt. Während
dieses Steuerfluid entspannt und entlüftet wird, wirkt unter Druck
stehendes Steuerfluid auf das Ventilelement ein, um eine Bewegung
des Ventilelementes aus seiner ersten Stellung in seine zweite Stellung
einzuleiten. Wenn sich das Ventilelement aus seiner ersten Stellung
heraus zu seiner zweiten Stellung bewegt, bewegt sich ein Schieberventilteil
des Ventilelementes mit dem Ventilelement aus einer ersten Stellung
in eine zweite Stellung. In seiner zweiten Stellung verhindert das
Ventilelement durch die Positionierung des Schieberventilteils eine
Zufuhr von Steuerfluid zur unteren Oberfläche des Kolbens und ermöglicht eine
Zufuhr von unter Druck stehendem Steuerfluid zur oberen Oberfläche des
Kolbens, was bewirkt, dass der Kolben zu seiner ersten Stellung
zurückkehrt.
Das unter Druck stehende Steuerfluid wird der oberen Oberfläche des
Kolbens über
eine zweite Leitung für
unter Druck stehendes Fluid zugeführt, die sich längs der
Länge des
Ventilkörpers
aber innerhalb des Ventilkörpers
erstreckt. Wenn der Kolben zu seiner ersten Stellung zurückkehrt,
ermöglicht
es die Entlüftung
in der Kolbenstange dem unter Druck stehende Steuerfluid, das auf
die obere Oberfläche
des Kolbens einwirkt, auf das Ventilelement einzuwirken, um das
Ventilelement zurück
in seine erste Position zu bewegen. Wenn das Ventilelement zu seiner
ersten Position zurückkehrt,
kehrt auch das Schieberventilteil des Ventilelementes in seine erste
Position zurück.
In seiner ersten Position verhindert das Ventilelement durch die
Positionierung des Schieberventilteils eine Zufuhr des Steuerfluids
zur oberen Oberfläche
des Kolbens und ermöglicht
es dem unter Druck stehenden Steuerfluid, durch eine Fluid-Abführleitung
abzuströmen.
Das Ventilelement ermöglicht
durch die Positionierung des Schieberventilteils auch, dass das
Steuerfluid durch die erste Leitung für unter Druck stehendes Fluid
der unteren Oberfläche des
Kolbens zugeführt
wird, und der Vorgang wird ständig
wiederholt. Die Dauer eines jeden Zyklus wird dadurch verändert, dass
ein Rückschlagventil eingestellt
wird, das die Rate verändert,
mit der sich während
eines jeden Zyklus das Steuerfluid, das auf den Kolben einwirkt,
entspannt und aus dem Ventilkörper
abgeführt
wird. Dieser Vorgang wird ständig wiederholt,
um eine gleichförmige
Pumprate für
die sich hin und her bewegende Vorrichtung zu erzielen, wobei nur
eine pneumatische Ventilsteuerung verwendet wird.
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Das
Vorsteuerventil des US-Patentes Nr. 6,183,217 B1 übertraf
die zum Stand der Technik gehörenden
Vorrichtungen dadurch, dass es die Zuverlässigkeit durch die Steuerung
der Zufuhr von Steuerfluid zu einem Kolben verbesserte, zu einer
sich hin und her bewe genden Vorrichtung gehörte, wobei statt eines mechanischen
Steuermechanismus eine pneumatische Ventilsteuerung verwendet wurde.
Obwohl das Vorsteuerventil, das in dem US-Patent Nr. 6,183,217 B1
beschrieben ist, signifikante Vorteile aufweist, besteht noch immer
ein Bedarf für
ein Vorsteuerventil, welches ein größeres Steuerfluidvolumen und
einen erhöhten
Druck abgibt, um eine sich hin und her bewegende Vorrichtung mit
erhöhten Hubraten
anzutreiben. Darüber
hinaus besteht ein Bedarf für
ein Vorsteuerventil, das abgestimmt werden kann, um ein Steckenbleiben
zu verhindern, wenn sich die Druckbedingungen, die Viskosität und/oder
die Kompressibilität
des Steuerfluids ändern.
Schließlich
besteht ein Bedarf, die Arbeits-Prall-Belastung des Vorsteuerventils
dadurch zu vermindern, dass das Ventilelement in sanfterer Weise
von seiner ersten Position in seine zweite Position übergeht.
Eine solche verbesserte Arbeitsweise muss erzielt werden, ohne die
Zuverlässigkeit
zu beeinträchtigen
und so, dass weiterhin die Steuerung des Kolbens vollständig auf
pneumatische Weise erzielt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
US-Patentschrift 5,468,127 beschreibt ein Vorsteuer-Relaisventil,
das eine einzige Leitung 136 für die Zufuhr von unter Druck
stehendem Steuerfluid zu der einen Oberfläche des Kolbens und eine einzige
Leitung 150 für
die Zufuhr zur anderen Oberfläche
des Kolbens aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine Pumpe, wie sie im Anspruch 1
niedergelegt ist.
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Die
Pumpe kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis
16 aufweisen.
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Die
Erfindung schafft auch ein Verfahren gemäß Anspruch 17.
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Das
Verfahren kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 18 bis
23 aufweisen.
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Das
Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung stellt gegenüber dem
Vorsteuerventil der US-Patentschrift 6,183,217 B1 eine Verbesserung
dar, weil es die Hubrate der sich hin und her bewegenden Vorrichtung
erhöht,
ein Blockieren bzw. Steckenbleiben verhindert, die Toleranz der
sich hin und her bewegenden Vorrichtung gegenüber Änderungen der Eigenschaften
des Steuerfluids erhöht, die
Wahrscheinlichkeit des Einfrierens des Steuerfluids und die Prall-Belastungen
des Ventilelementes vermindert, aber dennoch sich vollständig auf
eine pneumatische Ventilsteuerung verlässt. Diese Verbesserungen werden
mit einer tatsächlichen
Erhöhung
der Zuverlässigkeit
realisiert.
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Ähnlich wie
das Vorsteuerventil der US-Patentschrift 6,183,217 B1 ist das Vorsteuerventil
der Pumpe der vorliegenden Erfindung über dem Kolben positioniert,
der zu der sich hin und her bewegenden Vorrichtung gehört, um eine
lineare Hin und her Bewegungskraft unter Verwendung von komprimierbarem
oder nicht komprimierbarem, unter Druck stehendem Steuerfluid zum
Antreiben des Kolbens zu erzeugen. Das Vorsteuerventil der vorliegenden
Erfindung steuert die Zufuhr des Steuerfluids zum Kolben unter Verwendung
einer pneumatischen Ventilsteuerung.
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Genauer
gesagt umfasst das Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung
ein Ventilelement, das in einem Ventilkörper zwischen einer ersten
oder „Abwärtshub"-Position und einer
zweiten oder „Aufwärtshub"-Position verschiebbar
ist. Wenn es sich in seiner ersten Position befindet, ermöglicht ein
Paar von Schieberventilen, die in verschieblicher Weise mit dem
Ventilelement in Eingriff stehen, die Zufuhr von Steuerfluid, das
dem Ventilkörper
zugeführt
wird, zur unteren Oberfläche
des Kolbens, um eine Bewegung des Kolbens aus seiner ersten Position
in seine zweite Position einzuleiten. Gleichzeitig ermöglichen
es die Schieberventile dem Steuerfluid, das auf die obere Oberfläche des
Kolbens einwirkt, durch Auslassdurchgänge abzuströmen, die in dem Ventilkörper angeordnet
sind. Das unter Druck stehende Steuerfluid wird der unteren Oberfläche des Kolbens über ein
erstes Paar von Leitungen für
unter Druck stehendes Fluid zugeführt, die sich längs der Länge des
Ventilkörpers
erstrecken. Das Vorsteuerventil der US-Patentschrift 6,183,217 B1
liefert unter Druck stehendes Steuerfluid an die obere Oberfläche des
Kolbens über
eine einzige Fluidleitung. Durch die Verwendung eines Paares von
Leitungen für
unter Druck stehendes Fluid werden zwei verschiedene Vorteile gewonnen.
Erstens kann zwischen den beiden Schieberventilen ein Versatz (Offset)
mit veränderbarer
Größe eingeführt werden,
wodurch es dem Vorsteuerventil ermöglicht wird, auch bei sich
verändernden
Eigenschaften des Steuerfluids ohne Steckenbleiben zu arbeiten;
auch wird hierdurch die Prall-Belastung des Ventilelementes vermindert. Zweitens
wird das Steuerfluidvolumen verdoppelt, das dem Kolben zugeführt wird,
wodurch die maximale Pumpgeschwindigkeit signifikant erhöht und ein Einfrieren
von nassem Steuerfluid (wie z.B. feuchter komprimierter Luft oder
Naturgas) verhindert wird; letzteres tritt bei der in dem US-Patent
6,183,217 B1 beschriebenen, nur eine Fluidleitung und nur einen Durchgang
aufweisenden Konstruktion sowie bei vergleichbaren Konstruktionen
häufig
auf. Zwar könnte
der zweite Vorteil auch dadurch erzielt werden, dass man die Größe der einzelnen
Fluidleitung und des Durchganges erhöht, doch würde dies die Größe des gesamten
Mechanismus erhöhen,
während
keine Vergrößerung erforderlich
ist, um ein zweites Schieberventil und eine zweite Fluidleitung hinzuzufügen.
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Wenn
der Kolben seine zweite Position erreicht, befindet sich ein Schnüffeiventil
in einer Kolbenstange, die am Kolben befestigt ist, in einer „geschlossenen" oder ersten Position,
wodurch es dem Steuerfluid, das auf das Ventilelement einwirkt und das
Ventilelement in einer ersten Stellung festhält, ermöglicht wird, seinen Druck abzubauen
und aus dem Ventilkörper
durch ein Loch abzuströmen,
das unmittelbar oberhalb des Schnüffelventils angeordnet ist. Das
unter Druck stehende Steuerfluid wird aus dem Ventilkörper durch
eine Fluid-Abführleitung
abgeführt,
die sich aus dem Ventilkörper
heraus erstreckt. Während
sich dieses Steuerfluid entspannt und abgeführt wird, wirkt unter Druck
stehendes Steuerfluid auf das Ventilelement, um eine Bewegung des
Ventilelementes aus seiner ersten in seine zweite Stellung einzuleiten.
Wenn sich das Ventilelement zu seiner zweiten Stellung bewegt, bewegt
das Ventilelement die Schieberventile aus einer ersten Position
nach oben in eine zweite Position.
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In
seiner zweiten Position verhindert das Ventilelement durch die Positionierung
der Schieberventile die Zufuhr von Steuerfluid zur unteren Oberfläche des
Kolbens und ermöglicht
eine Zufuhr von unter Druck stehendem Steuerfluid zur oberen Oberfläche des
Kolbens, wodurch der Kolben veranlasst wird, in seine erste Position
zurückzukehren.
Die Schieberventile ermöglichen
gleichzeitig die Zufuhr des Steuerfluids, das auf die untere Oberfläche des Kolbens
wirkt, zu einer Entlüftung
durch die Durchgänge,
die im Ventilkörper
angeordnet sind. Die beiden Durchgänge, die die Entlüftung des
Steuerfluids ermöglichen,
sorgen gemeinsam für
einen kleineren Druckabfall des Steuerfluids, wenn es von der unteren
Oberfläche
des Kolbens abströmt,
wodurch der Temperaturabfall und damit das Risiko eines Einfrierens
vermindert wird. Unter Druck stehendes Steuerfluid wird der oberen
Oberfläche
des Kolbens unter Verwendung eines zweiten Paars von Leitungen für unter
Druck stehendes Fluid zugeführt;
dies steht im Gegensatz zu der im US-Patent 6,183,217 B1 beschriebenen
Vorrichtung, bei der nur eine einzige Fluidleitung verwendet wird.
Die beiden Leitungen für unter
Druck stehendes Fluid erstrecken sich nach unten durch den Ventilkörper zum
Kolben, um Steuerfluid abzugeben, damit dieses auf die obere Oberfläche des
Kolbens einwirkt. Auf diese Weise wirkt ein vergrößertes Steuerfluidvolumen
auf den Kolben ein, um dessen Geschwindigkeit zu erhöhen.
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Wenn
der Kolben zu seiner ersten Position zurückkehrt, wird das untere Loch
in der Kolbenstange dem unter Druck stehenden Steuerfluid ausgesetzt,
das auf die obere Oberfläche
des Kolbens einwirkt. Das Schnüffelventil
in der Kolbenstange bewegt sich in seine „offene" oder zweite Position, während das
unter Druck stehende Steuerfluid, das auf die obere Oberfläche des
Kolbens einwirkt, auf das Ventilelement einwirkt, um das Ventilelement
zurück in
seine erste Stellung zu bewegen. Wenn das Ventilelement zu seiner
ersten Stellung zurückkehrt,
bewegt das Ventilelement die Schieberventile aus einer zweiten Position
nach unten zu einer ersten Position. In seiner ersten Position unterbricht
das Ventilelement durch die Positionierung der Schieberventile die
Zufuhr von Steuerfluid zur oberen Oberfläche des Kolbens und ermöglicht gleichzeitig
dem unter Druck stehenden Steuerfluid durch eine Fluid-Abführleitung abzuströmen. Das
Ventilelement ermöglicht
durch die Positionierung der Schieberventile auch eine Zufuhr von
Steuerfluid durch das erste Paar von Leitungen für unter Druck stehendes Fluid
zur unteren Oberfläche
des Kolbens, und der Zyklus wird wiederholt. In diesem Moment und
vor dem Beginn der Bewegung des Kolbens nach oben kann das Steuerfluid,
das das Ventilelement in seiner ersten Position hält, bei
sich änderndem
Druck, sich ändernder
Viskosität
und/oder Kompressibilität
des Steuerfluids beginnen, längs
des gleichen Pfades rückwärts zu strömen, dem
es gefolgt ist, als es das Ventilelement unter Druck gesetzt hat,
um das Ventilelement zu seiner ersten Position zu bewegen. Diese
Tendenz ist besonders stark in dem Fall, dass das Steuerfluid entweder
eine Mischung von flüssigen
und gasförmigen
Phasen ist, oder wenn der Druck des Steuerfluids besonders hoch
ist. Bei der Erfindung, wie sie in dem US-Patent Nr. 6,183,217 B1
beschrieben ist, würde
diese Strömung
die Wirkung haben, das Ventilelement zu veranlassen, sich zurück in seine
zweite Position zu bewegen, wodurch es möglicherweise zu einem Steckenbleiben
kommen könnte.
Bei der vorliegenden Erfindung veranlasst dieser rückwärts gerichtete
Strom das Schnüffelventil,
sich in seine „geschlossene" oder erste Position
zu bewegen, wodurch jede rückwärts gerichtete
Strömung
blockiert und eine Bewegung des Ventilelementes aus der ersten Position
solange verhindert wird, bis der Kolben anfängt, sich zurück zu seiner
zweiten Posi tion zu bewegen, und das untere Loch in der Kolbenstange wieder
von dem auf dem Kolben einwirkenden Steuerfluid isoliert wird. Die
zeitliche Dauer eines jeden Zyklus kann dadurch variiert werden,
dass ein Rückschlagventil
eingestellt wird, das die Rate verändert, mit der das Steuerfluid,
das auf den Kolben einwirkt, während
eines jeden Zyklus entspannt und aus dem Ventilkörper abgeführt wird. Dieser Vorgang wird
immer wieder wiederholt, um eine kontinuierliche Pumprate für die sich
hin und her bewegende Vorrichtung zu erzielen, wobei nur eine pneumatische Ventilsteuerung
eingesetzt wird.
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Wie
erwähnt,
erhöht
das Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung die Hubrate
der sich hin und her bewegenden Einrichtung dadurch, dass das Steuerfluidvolumen
vergrößert wird,
das während
jeder Hubbewegung an die Kolbenoberflächen geliefert wird. Diese
Vergrößerung des
Volumens wird dadurch erreicht, dass das doppelte Paar von Leitungen
für unter
Druck stehendes Fluid verwendet wird, um Fluid vom Ventilkörper den
Kolbenkammern zuzuführen.
Das erste Paar von Leitungen für
unter Druck stehendes Fluid führt
Steuerfluid vom Ventilkörper
der unteren Oberfläche
des Kolbens zu, um den Kolben in seine zweite Position zu drücken. Das
zweite Paar von Leitungen für
unter Druck stehendes Fluid führt
Steuerfluid vom Ventilkörper
der oberen Oberfläche
des Kolbens zu, um den Kolben aus seiner zweiten Position zurück zu seiner
ersten Position zu drücken.
Das Vorsteuerventil der vorliegenden Erfindung liefert dieses unter
Druck stehende Steuerfluid und erzielt so die vergrößerte Hubrate
mit verbesserter Zuverlässigkeit.
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Das
Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung beseitigt auch
das Risiko des Steckenbleibens des Ventilelementes während eines
jeden Hubzyklus, weil das Paar von Schieberventilen zueinander versetzt
werden kann. Die Größe des Versatzes
hängt von
den Eigenschaften des Steuerfluids ab. Dieser Versatz ermöglicht eine
Bewegung des einen Schieberventils an einer anderen Position des
Ventilelementes einzuleiten, als die Bewegung des zweiten Schieberventils.
Wenn sich das Ventilelement nach oben bewegt, steht die untere Kante
des ersten Ventilschiebers in Eingriff mit dem Ventilelement unmittelbar
bevor die untere Kante des zweiten Schieberventils mit dem Ventilelement
in Eingriff kommt. Die Erfindung, wie sie im US-Patent Nr. 6,183,217
B1 beschrieben ist, konnte zu einem Steckenbleiben führen, wenn
das einzige Schieberventil gleichzeitig sowohl den oberen als auch
den unteren Durchgang blockieren konnte, vodurch eine Bewegung des
Kolbens sowohl zu seiner ersten als auch zu seiner zweiten Position
hin verhindert wurde. Die vorliegende Erfindung beseitigt diese
Möglichkeit
dadurch, dass garantiert wird, dass zumindest ein Durchgang zu jeder
Zeit teilweise offen bleibt, wodurch eine Bewegung des Kolbens entweder
zur ersten oder zur zweiten Position hin garantiert wird. Der Versatz
der vorliegenden Erfindung hat weiterhin die Wirkung, die Reaktion
des Ventilelementes an den Punkten abzurunden, an denen das Ventilelement seine
Bewegungsrichtung ändert,
so dass keine abrupten Änderungen
in der Bewegung auftreten, wodurch die Prall-Belastung des Ventilelementes
vermindert und somit seine Lebensdauer erheblich verlängert wird.
Die Erfindung, wie sie in dem US-Patent Nr: 6,183,217 B1 beschrieben
ist, erzeugte den Bedarf, das Ventilelement aus einem gegen Prall-Belastungen
im hohen Maße
widerstandsfähigen
Material herzustellen, wodurch die Kosten erhöht wurden, während die
vorliegende Erfindung diese Kosten beseitigt. Die Größe des Versatzes
kann in Abhängigkeit
von speziellen Eigenschaften des Steuerfluids gleich Null sein (kein
Versatz).
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung, der beigefügten Zeichnung
und den anhängenden
Patentansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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Für ein besseres
Verständnis
der Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung wird auf die folgende
detaillierte Beschreibung Bezug genommen, die die beigefügte Zeichnung
erläutert,
wobei in den verschiedenen Figuren gleiche Teile gleiche Bezugszeichen
tragen; in der Zeichnung zeigen:
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1 eine
vertikale Schnittsansicht der vorliegenden Erfindung, wobei sich
das Ventilelement der vorliegenden Erfindung in seiner ersten Position, der
Kolben in seiner zweiten Position und das Schnüffelventil in seiner ersten
Position befindet,
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1A ist
eine vergrößerte vertikale
Schnittansicht eines Teils der vorliegenden Erfindung wie in 1 dargestellt,
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2 eine
vertikale Schnittansicht der vorliegenden Erfindung, wobei sich
das Ventilelement der vorliegenden Erfindung in seiner zweiten Position,
der Kolben in der zweiten Position und das Schnüffelventil in seiner ersten
Position befindet,
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3 eine
vertikale Schnittansicht der vorliegenden Erfindung, wobei sich
das Ventilelement der vorliegenden Erfindung in seiner zweiten Position,
der Kolben in der ersten Position und das Schnüffelventil in seiner zweiten
Position befindet,
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4 eine
vertikale Schnittansicht der vorliegenden Erfindung, wobei sich
das Ventilelement der vorliegenden Erfindung in seiner ersten Position, der
Kolben in seiner ersten Position und das Schnüffelventil in seiner ersten
Position befindet,
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5 eine
gedrehte vertikale Schnittansicht einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, welche die beiden Sätze von Leitungen für unter
Druck stehendes Fluid zeigt, die innerhalb des Ventilkörpers angeordnet
sind, und
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6 eine
Querschnittsansicht von oben einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung, welche die Ausrichtung der Steuerdurchgänge wiedergibt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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In
der Zeichnung zeigen die 1 bis 4 eine bevorzugte
Ausführungsform
der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung und geben ein zusammengebautes
Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung wieder. 1A ist
eine Vergrößerung eines
Teils des Vorsteuerventils der Pumpe der vorliegenden Erfindung
und ist in 1 der Deutlichkeit halber mit
eingeschlossen. Das Bezugszeichen 5 wird verwendet, um
allgemein das Vor steuerventil der Pumpe der vorliegenden Erfindung
zu bezeichnen. Wie man den 1 bis 4 entnimmt,
ist das Vorsteuerventil 5 an eine Kolbenbaueinheit 9 gekoppelt.
Die Kolbenbaueinheit 9 ist an einer sich hin und her bewegenden
Vorrichtung 250 wie z.B. einer einfach oder doppelt wirkenden
Flüssigkeitspumpe
befestigt, die einen sich hin und her bewegenden Tauchkolben, ein
Diaphragma oder Blasebälge
verwenden kann. Das Vorsteuenrentil 5 treibt einen Kolben 18 unter
Verwendung eines komprimierbaren, oder eines nicht komprimierbaren
oder eines zweiphasigen unter Druck stehenden Steuerfluids. Das Steuerfluid
ist typischerweise eine Flüssigkeit
oder Gas oder eine Kombination aus beiden und hängt von der Art der Pumpanwendung
ab. Das Steuerfluid wird im Allgemeinen auf einem Druck gehalten,
der irgendwo zwischen ungefähr
1,4 bar bis 103 bar liegt, doch liegen auch höhere oder niedrigere Drücke im Rahmen
der Erfindung. Wie weiter unten beschrieben wird, erzielt das Vorsteuerventil 5 eine
kontinuierliche und konsistente Pumprate für die sich hin und her bewegende
Vorrichtung 250, wobei nur eine pneumatische Ventilsteuerung
Verwendung findet.
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Das
Vorsteuerventil 5 umfasst einen Ventilkörper 8, der eine zentrale
Bohrung 45 aufweist, die sich in Längsrichtung durch den Ventilkörper 8 erstreckt.
Der Ventilkörper 8 hat
einen oberen zylindrischen Teil, der einen etwas größeren Durchmesser aufweist,
als ein unterer zylindrischer Teil. Ein Durchgang 20, der
zwischen den Enden des Ventilkörpers 8 liegt
und in der Wand des oberen zylindrischen Teils angeordnet ist, liefert
unter Druck stehendes Steuerfluid an den Ventilkörper 8. Auch sind
zwischen den Enden des Ventilkörpers 8 Durchgänge 22, 24 und 26 längs einer
Wand des oberen zylindrischen Teils vorgesehen und Durchgänge 23, 25 und 27 längs einer gegenüberliegenden
Wand des oberen zylindrischen Teils. An der gegenüberliegenden
Wand des oberen zylindrischen Teils ist der Durchgang 22 gegenüber dem
Durchgang 23 mit diesem ausgerichtet, der Durchgang 24 ist
gegenüberliegend
mit dem Durchgang 25 ausgerichtet und der Durchgang 26 ist
gegenüberliegend
mit dem Durchgang 27 ausgerichtet. Wie weiter unten noch
beschrieben wird, stellen die Durchgänge 20, 22, 23, 24, 25, 26 und 27 Verbindungen
zwischen der zentralen Bohrung 45, und unter ausgewählten Arbeitsbedingungen,
entweder mit einer Versorgungsquelle für das Steuerfluid, einer oberen
Kolbenkammer 144 der Kolbenbaueinheit 9, einer
unteren Kolbenkammer 146 der Kolbenbaueinheit 9 oder
der Atmosphäre
her, um in diese das Steuerfluid abzugeben.
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Im
unteren zylindrischen Teil des Ventilkörpers 8 ist ein Durchgang 32 vorgesehen,
der in dem unteren Endteil des Ventilkörpers 8 angeordnet
ist, und ein sich in Längsrichtung
erstreckender Durchgangskanal 34, der sich parallel zur
zentralen Bohrung 45 vom Durchgang 32 zum Durchgang 26 erstreckt.
In ähnlicher
Weise ist im unteren Endteil des Ventilkörpers 8 gegenüber dem
Durchgang 32 ein Durchgang 33 vorgesehen. Der
Durchgang 33 ist mit dem Durchgang 27 über einen
Durchgangskanal 35 verbunden, der sich parallel zur zentralen
Bohrung 45 erstreckt. Die beiden sich in Längsrichtung
erstreckenden Durchgangswege 34 und 35 sind integral
in den Wänden
des Ventilkörpers 8 ausgebildet.
Der sich in Längsrichtung
erstreckende Durchgangskanal 34 stellt über die Durchgänge 26 und 32 eine
Verbindung zwischen der zentralen Bohrung 45 und der oberen
Kolbenkammer 144 der Kolbenbaueinheit 9 her, und
der sich in Längsrichtung
erstreckende Durchgangskanal 35 stellt über die Durchgänge 27 und 33 eine
Verbindung zwi schen der zentralen Bohrung 45 und der oberen
Kolbenkammer 144 der Kolbenbaueinheit 9 her.
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Wie
in den 1 bis 4 dargestellt, nimmt der Ventilkörper 8,
der die zentrale Bohrung 45 besitzt, in verschieblicher
Weise ein Ventilelement 10 auf. Das Ventilelement 10 umfasst
einen zylindrischen Teil, der mit der inneren Oberfläche des
unteren zylindrischen Teils des Ventilkörpers 8 in gleitendem
Eingriff steht. Das Ventilelement 10 umfasst weiterhin
einen oberen, sich konisch erweiternden Teil 49 auf, um
in gleitendem Eingriff mit der inneren Oberfläche des oberen zylindrischen
Teils des Ventilkörpers 8 zu
stehen. Der sich konisch erweiternde Teil 49 des Ventilelementes 10 bildet
eine erste Druckaufnahmeoberfläche 141 und
eine ringförmige Kammer 142 zwischen
der inneren Oberfläche
des Ventilkörpers 8 und
der äußeren Oberfläche des
Ventilelementes 10. Das Ventilelement 10 umfasst
weiterhin einen unteren, sich konisch erweiternden Teil 50.
Der untere, sich konisch erweiternde Teil 50 hat einen
kleineren Durchmesser als der obere sich konisch erweiternde Teil 49 und
steht mit der inneren Oberfläche
des oberen zylindrischen Teils des Ventilkörpers 8 nicht in Eingriff,
wie dies bei dem oberen, sich konisch erweiternden Teil 49 der
Fall ist. Der untere sich konisch erweiternde Teil 50 hat
jedoch einen Durchmesser, der größer ist
als der des unteren zylindrischen Teils des Ventilkörpers 8,
und bei einer nach unten gerichteten Bewegung des Ventilelementes 10 tritt
er mit dem unteren zylindrischen Teil an der Oberfläche 109 in
Eingriff.
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In
einem Teil der äußeren Oberfläche des Ventilelementes 10 ist
zwischen dem oberen, sich konisch erweiternden Teil 49 und
dem unteren, sich konisch erweiternden Teil 50 ein erster
Schlitz 112 vorgesehen, der so ausgebildet ist, dass er
ein erstes Schieberventil 14 aufnimmt und mit dem Ventilelement 10 in
Gleiteingriff bringt. Wie dargestellt, hat das erste Schieberventil 14 die
Form eines „d-Schieber"-Ventils, das einen
inneren Schlitz 64 aufweist. Bei einer Ausführungsform
hat das Schieberventil 14 eine Länge, die geringfügig kleiner
ist als die Länge des
ersten Schlitzes 112. Dies ermöglicht es dem ersten Schieberventil 14,
in dem ersten Schlitz 112 relativ zum Ventilelement 10 unter
bestimmten Bedingungen zu gleiten, wie unten noch genauer erläutert wird.
Alternativ kann aufgrund von Anforderungen bestimmter Anwendungsfälle, wie
unten erläutert wird,
das erste Schieberventil 14 so dimensioniert sein, dass
es genau die gleiche Länge
wie der erste Schlitz 112 besitzt. Unter diesen Bedingungen
gleitet das erste Schieberventil 14 integral mit dem Ventilelement 10 und
nicht relativ zum Ventilelement 10. Darüber hinaus ist dann, wenn das
erste Schieberventil 14 in dem ersten Schlitz 112 gleitet,
der innere Schlitz 64 wahlweise so positioniert, dass er
die Durchgänge 22, 24 und 26 überspannt
und entweder „verdeckt" oder „freigibt".
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In
einem Teil der äußeren Oberfläche des Ventilelementes 10 ist
gegenüber
dem ersten Schlitz 112 ein zweiter Schlitz 113 vorgesehen.
Der zweite Schlitz 113 ist so geformt, dass er ein zweites
Schieberventil 15 aufnimmt und mit dem Ventilelement 10 in
gleitender Weise in Eingriff bringt. In ähnlicher Weise wie beim ersten
Schieberventil 14 hat das zweite Schieberventil 15 die
Form eines „d-Schieber"-Ventils und umfasst
einen inneren Schlitz 65. Bei einer Ausführungsform
hat das zweite Schieberventil 15 eine Länge, die geringfügig kleiner
ist als die Länge des
zweiten Schlitzes 113 und dies ermöglicht es, dem zweiten Schieberventil 15,
in dem zweiten Schlitz 112 relativ zum Ventilelement 10 zu
gleiten. Alternativ kann ähnlich
wie das erste Schieberventil 14 auch das zweite Schieberventil 15 so
dimensioniert sein, dass es genau die gleiche Länge besitzt wie der zweite
Schlitz 113. Unter diesen Bedingungen gleitet das zweite
Schieberventil 15 integral mit dem Ventilelement 10 und
nicht relativ zum Ventilelement 10. Schließlich ist
dann, wenn das zweite Schieberventil 15 in dem zweiten
Schlitz 113 gleitet, der innere Schlitz 65 wahlweise
so positioniert, dass er die Durchgänge 23, 25 und 27 überspannt
und „verdeckt" oder "freigibt".
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Die
Festlegung, ob das erste Schieberventil 14 und das zweite
Schieberventil 15 integral am Ventilelement 10 befestigt
oder bezüglich
des Ventilelementes 10 verschieblich sein sollen, hängt vom
Anwendungsfall ab. Bei Anwendungsfällen, die beispielsweise eine
Kombination aus Flüssigkeit
und Gas als Steuerfluid verwenden und mit hohem Druck arbeiten,
sollten sich für
ein optimales Arbeiten das erste Schieberventil und das zweite Schieberventil 15 relativ
zum Ventilelement 10 bewegen. Somit sollte der erste Schlitz 112 geringfügig länger sein
als das erste Schieberventil 14 und der zweite Schlitz 113 sollte
geringfügig
länger
sein als das zweite Schieberventil 15. Alternativ sollten
bei Anwendungsfällen,
bei denen nur Gas als Steuerfluid verwendet wird, und die mit hohem
Druck arbeiten, das erste Schieberventil 14 und das zweite
Schieberventil 15 relativ zum Ventilelement 10 fest
angeordnet sein, indem sie so dimensioniert sind, dass sie genau
in den ersten Schlitz 112 bzw. dem zweiten Schlitz 113 passen.
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Wie
man den 1 bis 4 entnehmen kann,
ist der erste Schlitz 112 mit einem leichten Versatz gegenüber dem
zweiten Schlitz 113 im Ventilelement 10 angeordnet.
Dieser Versatz liegt typischerweise im Bereich von Null (kein Versatz)
bis 3,2 mm und bei einer Ausführungsform
beträgt
er ungefähr 1,6
mm. Man sieht jedoch, dass auch ein größerer Versatz verwendet werden
könnte
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Wie weiter unten erläutert wird,
sorgt das Vorhandensein des Versatzes dafür, dass die Bewegung des ersten
Schieberventils 14 vor der Bewegung des zweiten Schieberventils 15 eingeleitet
wird und dies hilft dazu, ein Steckenbleiben des Ventilelementes 10 zu
verhindern. Wenn sich das Ventilelement 10 nach oben bewegt,
tritt die untere Kante des ersten Schieberventils 14 mit
dem Ventilelement 10 in Eingriff unmittelbar bevor die
untere Kante des zweiten Schieberventils 15 mit dem Ventilelement 10 in
Eingriff tritt.
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Zwar
wurde beschrieben, dass das Vorsteuerventil der Pumpe der vorliegenden
Erfindung zwei Schieberventile und zwei Schlitze zur Aufnahme von solchen
Schieberventilen besitzt, doch sei darauf hingewiesen, dass zusätzliche
Schieberventile und Schlitze zum Ventilelement hinzugefügt werden
können,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Zusätzliche Schieberventile und
Schlitze könnten aufgrund
der zylindrischen Beschaffenheit des Ventilelementes hinzugefügt und an
einander gegenüberliegenden
Punkten in der Oberfläche
des Ventilelementes positioniert werden.
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Am
oberen Ende der äußeren Oberfläche des
Ventilelementes 10 ist eine Dichtung 72 vorgesehen
und am unteren Ende der äußeren Oberfläche des
Ventilelementes 10 ist eine Dichtung 74 vorgesehen.
Jede der Dichtungen 72 und 74 umfasst jeweils eine
ringförmige
Becherdichtung in einer Rille, die in der äußeren Oberfläche des
Ventilelementes 10 ausgebildet ist, um mit der inneren
Oberfläche
des Ventilkörpers 8 in
Eingriff zu ste hen und das Austreten von Steuerfluid aus einer ringförmigen Kammer 142 zu
verhindern, wie unten beschrieben wird.
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Das
Ventilelement 10 weist weiterhin eine zentrale Längsbohrung 42 auf,
die sich durch das gesamte Ventilelement 10 hindurch erstreckt.
Die zentrale Längsbohrung 42 ist
so bemessen, dass sie eine Kolbenstange 12 aufnimmt, die
sich von der Kolbenbaueinheit 9 ausgehend erstreckt. Das
Ventilelement 10 ist weiterhin mit einer Dichtung 78 versehen, die
in der inneren Oberfläche
des Ventilelementes 10 an dessen unterem Ende ausgebildet
ist, um mit der äußeren Oberfläche der
Kolbenstange 12 in Eingriff zu treten und das Austreten
von Steuerfluid aus der zentralen Längsbohrung 42 in die
untere Kammer 148 hinein zu verhindern, wie unten noch
beschrieben wird.
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Der
Ventilköper 8 ist
mit einer oberen Kappe 6 versehen, die in dichtender Weise
mit dem oberen Ende des Ventilkörpers 8 verbunden
ist. Der Ventilkörper 8 besitzt
weiterhin an seinem unteren Ende ein Hülsenelement 13, das
eine obere Hülsenoberfläche 115 besitzt.
Das Hülsenelement 13 steht
in dichter Weise mit der inneren Oberfläche des unteren Teils des Ventilkörpers 8 in
Eingriff und begrenzt eine untere Kammer 148 zwischen der
oberen Hülsenoberfläche 115 und
einer unteren Endoberfläche 116 des
Ventilelementes 10. Das Hülsenelement 13 umfasst
weiterhin ein inneres Hülsen-Kopplungselement 19,
um in den oberen Flansch 16 der Kolbenbaueinheit 9 zu
passen und mit der Kolbenstange 12 einen Gleiteingriff
z bilden. Das innere Hülsen-Kopplungselement 19 stabilisiert
die Verbindung zwischen dem Ventilkörper 8 und der Kolbenbaueinheit 9.
Auch umfasst das Hülsenelement 13 eine
Dichtung 76, die in die innere Oberfläche des inneren Hülsenkopplungselementes 19 an
seinem oberen Ende eingesetzt ist, um das Austreten von Steuerfluid
aus der unteren Kamme 148 zu verhindern.
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Ein
Kolben 18, der eine obere Oberfläche 110 und eine untere
Oberfläche 108 besitzt,
ist in einem Kolbengehäuse 11 der
Kolbenbaueinheit 9 positioniert, um die obere Kolbenkammer 144 und
die untere Kolbenkammer 146 zu begrenzen. Der Kolben 18 ist
an seinem Rand mit einer Kronendichtung 84 versehen, um
ein Übertreten
von Steuerfluid zwischen der oberen Kolbenkammer 144 und
der unteren Kolbenkammer 146 zu verhindern. Der Kolben 18 besitzt
eine Kolbenstange 12, die an ihm starr befestigt und mit
der zentralen Längsbohrung 42 des
Ventilelementes 10 ausgerichtet ist. Die Kolbenstange 12 erstreckt
sich in die zentrale Längsbohrung 42 hinein durch
einen Durchgang 62 im oberen Flansch 16. Die Kolbenstange 12 umfasst
weiterhin eine zentrale Stangenbohrung 44, die an ihrem
unteren Ende ein Schnüffelventil 28 aufweist,
das eine Verbindung zwischen der zentralen Stangenbohrung 44 und,
unter ausgewählten
Arbeitsbedingungen, die im Folgenden erläutert werden, entweder mit
einer unteren Kammer 148 oder der oberen Kolbenkammer 144 herstellt.
Die Arbeitsfunktionen und der Aufbau eines „Schnüffelventils" sind dem Durchschnittsfachmann allgemein
bekannt. Auch könnten
in Abhängigkeit vom
Druck des Steuerfluids und anderen Arbeitsbedingungen ein „Stangenball"-Ventil, eine Belüftungsöffnung oder
eine andere ähnliche
Ventileinrichtung ein akzeptabler Ersatz für das Schnüffelventil sein, wie dies dem
Fachmann bekannt ist.
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Unmittelbar
oberhalb des Schnüffelventils 28 ist
ein in die Kolbenstangenwand gebohrtes oberes Schnüffelventil-Entlüftungsloch 91 und
unmittelbar unterhalb des Ventilkegels 28 ist ebenfalls
ein durch die Kolbenstangenwand gebohrtes unteres Schnüffelventil-Entlüftungsloch 92 positioniert.
Unter ausgewählten
Arbeitsbedingungen, die weiter unten noch beschrieben werden, wirken
die obere Schnüffelventil-Entlüftungsbohrung 91 und
die untere Schnüffelventil-Entlüftungsbohrung 92 in
der Weise, dass sie das Ventil 28 „öffnen" und „verschließen", um das Schnüffelventil 28 zu veranlassen,
durch eine abgewinkelte Schnüffelventil-Bohrung 90 ein
Strömen
von Steuerfluid zwischen dem oberen und dem unteren Teil der zentralen
Stangenbohrung 44 entweder zu ermöglichen oder zu blockieren.
Die 1 und 2 zeigen das Schnüffelventil 28 in
der „geschlossenen" oder ersten Stellung.
In der geschlossenen Stellung verhindert das Schnüffelventil 28 eine
Zufuhr von Steuerfluid vom oberen Teil der zentralen Stangenbohrung 44 zum
unteren Teil der zentralen Stangenbohrung 44, weil die
Dichtung 93 gegen die innere Oberfläche der Kolbenstange 12 gedrückt wird.
In den 3 und 4 befindet sich das Schnüffelventil 28 in
der „offenen" oder zweiten Position.
In der offenen Position ermöglicht
das Schnüffelventil 28 eine Zufuhr
von Steuerfluid von dem oberen Teil der zentralen Stangenbohrung 44 zum
unteren Teil der zentralen Stangenbohrung 44, da die Dichtung 93 von der
inneren Oberfläche
der Kolbenstange 12 abgehoben ist.
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Die 5 und 6 zeigen
eine andere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, bei der beide Paare von Durchgängen für unter
Druck stehendes Fluid integral in den Wänden des Ventilkörpers 8 ausgebildet
sind. Diese Ausführungsform
ist besonders nützlich
für Anwendungsfälle, bei
denen Einschränkungen
hinsichtlich des zur Verfügung
stehenden Raums gegeben sind, so dass eine Verwendung von Leitungen 150 und 151 außerhalb
des Ventilkörpers 8 undurchführbar ist.
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Wie
man den 5 und 6 genauer
entnimmt, ist der Ventilkörper 8 in 5 um
90° gegenüber der
in den 1 bis 4 gezeigten Ansicht gedreht.
Es ist gezeigt, dass sich der sich in Längsrichtung erstreckende Durchgangskanal 34 in
dem Ventilkörper 8 parallel
zur zentralen Bohrung 45 vom Durchgang 26 zum
Durchgang 32 erstreckt und dass der Durchgang 24 oberhalb
des Durchganges 26 angeordnet ist. Das erste Schieberventil 14 ist
in einer mittleren Stellung dargestellt, wobei der innere Schlitz 64 mit
dem Durchgang 24 in Verbindung steht und die Durchgänge 22 und 26 abgedeckt
sind. Auch ist der Durchgang 20 für unter Druck stehendes Steuerfluid,
der Auslassdurchgang 30 und ein Ausrichtungsschrauben-Durchgang 7 für die Positionierung einer
Ausrichtungsschraube dargestellt, um die Ausrichtung des Ventilkörpers 8 während des
Betriebes aufrecht zu erhalten.
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Anders
als in den 1 bis 4 ist der Durchgang 22 mit
einem kleinen Versatz in Ausrichtung von den Durchgängen 24 und 26 angeordnet, doch
ist der Durchgang 22 immer noch relativ zum ersten Schieberventil 14 angeordnet,
um wahlweise „verdeckt" und „freigegeben" zu sein, wenn das
erste Schieberventil 14 im ersten Schlitz 112 gleitet.
Ein sich in Längsrichtung
erstreckender Durchgangskanal 41 erstreckt sich unterhalb
des Durchganges 22 in den Ventilkörper 8 parallel zur
zentralen Bohrung 45 und dem sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgangskanal 34.
Weil der Durchgang 22 gegen den Durchgang 26 versetzt
ist und wegen der zylindrischen Beschaffenheit des Ventilkörpers 8 kreuzt sich
der sich in Längsrichtung
erstreckende Durchgangskanal 41 nicht mit dem sich in Längsrichtung erstreckenden
Durchgangskanal 34 und diese beiden Durch gangswege stören sich
gegenseitig nicht. Der sich in Längsrichtung
erstreckende Durchgangskanal 41 sorgt für eine Fluidverbindung vom
Durchgang 22 zu einem Durchgang 43, der im unteren Endteil
des Ventilkörpers 8 angeordnet
ist. 6 zeigt, dass die Durchgänge 24 und 26 bezüglich der Durchgänge 25 und 27 auf
der gegenüberliegenden Seite
des Ventilkörpers 8 angeordnet
sind, und dass der Durchgang 22 gegenüber dem Durchgang 23 positioniert
ist.
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Im
Betrieb funktioniert der sich in Längsrichtung erstreckende Durchgangskanal 41 in
der Weise, dass er Steuerfluid zur unteren Kolbenkammer 146 ähnlich zur
Leitung 150 in den 1 bis 4 weiterleitet,
wie unten beschrieben. Ein Durchschnittsfachmann sieht, dass das
Kolbengehäuse 11 mit
einem Durchgangskanal oder einer Leitung ausgebildet werden könnte, um
das durch den Durchgang 43 zugeführte Steuerfluid zur unteren
Kolbenkammer 146 zu leiten: Der Fachmann sieht weiterhin,
dass die 5 eine Seite des Ventilkörpers 8 zeigt
und dass ein sich in Längsrichtung
erstreckender Durchgangskanal reziprok zum sich in Längsrichtung
erstreckenden Durchgangskanal 41 auf der gegenüberliegenden
Seite des Ventilkörpers 8 umfasst
sein könnte, um
eine Zufuhr von Steuerfluid vom Durchgang 23 und ähnlich zur
Leitung 151 zu ermöglichen,
um Steuerfluid der unteren Kolbenkammer 146 zuzuführen.
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Die
Arbeitsweise der vorliegenden Erfindung wird nun wieder unter Bezugnahme
auf die 1 bis 4 erläutert. Wie
unten weiter beschrieben ist, gleitet das Ventilelement 10 in
verschieblicher Weise in der zentralen Bohrung 45 zwischen
einer ersten Position und einer zweiten Position, wobei die Verschiebung
mit Hilfe von Druck erfolgt, der durch das dem Ventilkörper 8 durch
den Durchgang 20 zugeführte
Steuerfluid ausgeübt
wird. Die Bewegung des Ventilelementes 10 zwischen einer
ersten Position und einer zweiten Position steuert weiterhin die
Zufuhr von Steuerfluid entweder zur oberen Oberfläche 110 oder
zur unteren Oberfläche 108 des
Kolbens 18, um den Kolben 18 zwischen einer ersten
Position und einer zweiten Position zu bewegen. Auf diese Weise
erzielt die sich hin und her bewegende Vorrichtung 250 eine
konsistente Pumprate.
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Obwohl
die 1 bis 4 das Vorsteuerventil 5 und
die Kolbenbaueinheit 9 in einer Konfiguration zeigen, um
eine einzelne sich hin und her bewegende Vorrichtung 250 anzutreiben,
erkennt der Durchschnittsfachmann ohne weiteres, dass mehrere sich
hin und her bewegende Vorrichtungen 250 durch die vorliegende
Erfindung in zusätzlichen
Ausführungsformen
angetrieben werden könnten.
Beispielsweise könnten
weitere sich hin und her bewegende Vorrichtungen 250 kaskadenartig
unterhalb der Kolbenbaueinheit 9 angeordnet sein, von denen jede
ihre Pumpbewegung von der Bewegung des Kolbens 18 und der
Kolbenstange 12 ableitet. Jede sich hin und her bewegende
Vorrichtung 250 wäre dann
in der gleichen Weise mechanisch an die Kolbenstange 12 gekoppelt.
Darüber
hinaus könnte
eine sich hin und her bewegende Vorrichtung 250 oberhalb
des Vorsteuerventils 5 angeordnet und entsprechend der
vorliegenden Erfindung dadurch angetrieben werden, dass sich die
Kolbenstange 12 nach oben durch ein Loch in der oberen
Kappe 6 erstreckt. Die Pumpbewegung für eine solche sich hin und
her bewegende Vorrichtung 250 würde durch eine mechanische
Kopplung mit der Kolbenstange 12 erreicht, und eine solche
Bewegung wäre
mit der Bewegung der sich hin und her bewegenden Vorrichtung 250 synchronisiert,
die unterhalb des Vorsteuerventils 5 angeordnet ist. Der Deutlichkeit
halber wird die vorliegende Erfindung in folgenden unter Bezugnahme
auf eine einzige sich hin und her bewegende Vorrichtung 250 erläutert.
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1 zeigt
das Ventilelement 10 in seiner ersten oder „Abwärtshub"-Position, den Kolben 18 in seiner
zweiten oder „Aufwärtshub"-Position und das Schnüffel-Ventil 28 in
seiner ersten oder „geschlossenen" Position. 2 zeigt
das Ventilelement 10 in seiner zweiten oder „Aufwärtshub"-Position, den Kolben 18 weiterhin
in seiner zweiten oder „Aufwärtshub"-Position und das
Schnüffel-Ventil 28 in
seiner ersten oder „geschlossenen" Position. 3 zeigt das
Ventilelement 10 weiterhin in seiner zweiten oder „Aufwärtshub"-Position, den Kolben 18 in
seiner ersten oder „Abwärtshub"-Position und das
Schnüffel-Ventil 28 in
seiner zweiten oder „offenen" Position. Schließlich zeigt 4 das
Ventilelement 10 in seiner ersten oder „Abwärtshub"-Position, den Kolben 18 in seiner
ersten oder „Abwärtshub"-Position und das Schnüffelventil 28 in
seiner ersten oder „geschlossenen" Position.
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Wenn
sich das Ventilelement 10 in seiner ersten Position befindet,
wie sie in 1 dargestellt ist, lässt Steuerfluid,
das dem Ventilkörper 8 durch den
Durchgang 20 zugeführt
wird, unter Druck stehendes Steuerfluid zu der ringförmigen Kammer 142 strömen. In
der ringförmigen
Kammer 142 ist das Steuerfluid am oberen Ende des Ventilelementes 10 durch
die Dichtung 72 und am unteren Ende des Ventilelementes 10 durch
die Dichtung 74 isoliert. Der untere, sich konisch erweiternde
Teil 50 des Ventilelementes 10 steht mit einer
Oberfläche 109 in
Eingriff, die durch den Unterschied im Durchmesser zwischen dem
oberen zylindrischen Teil und dem unteren zylindrischen Teil des
Ventilkörpers 8 gebildet
wird, und verhindert eine weitere Bewegung des Ventilelementes 10 nach
unten in Richtung des Pfeils B.
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Wenn
sich das Ventilelement 10 in seiner ersten Position befindet,
deckt das erste Schieberventil 14 die Durchgänge 24 und 26 ab
und ermöglicht
es dem Durchgang 22 mit der ringförmigen Kammer 142 in
Verbindung zu stehen. In ähnlicher
Weise deckt das zweite Schieberventil 15 die Durchgänge 25 und 27 ab
und ermöglicht
es dem Durchgang 23 mit der ringförmigen Kammer 142 in
Verbindung zu stehen. Somit wird Steuerfluid durch den Durchgang 22 gedrückt und
durch die Leitung 150 zu einem Durchgang 38 in
einem unteren Flansch 17 der Kolbenbaueinheit 9 geleitet,
wodurch Steuerfluid der unteren Kolbenkammer 146 zugeführt wird,
um eine nach oben gerichtete Kraft auf die untere Oberfläche 108 des
Kolbens 18 auszuüben.
In ähnlicher
Weise wird Steuerfluid durch den Durchgang 23 gedrückt und
durch die Leitung 151 einem Durchgang 39 in dem
unteren Flansch 17 zugeführt, wodurch Steuerfluid in
die untere Kammer 146 geleitet wird, um eine nach oben
gerichtete Kraft auf die untere Oberfläche 108 des Kolbens 18 auszuüben. Wenn
sich das erste Schieberventil 14 in seiner ersten Position
befindet, stehen die Durchgänge 24 und 26 über den
inneren Schlitz 64 miteinander in Verbindung. Wenn sich
das zweite Schieberventil 15 in dieser Position befindet, stehen
die Durchgänge 25 und 27 über den
inneren Schlitz 65 miteinander in Verbindung. Die obere
Kolbenkammer 144 wird über
den Durchgang 36, den Durchgang 32, den sich in
Längsrichtung
erstreckenden Durchgangskanal 34, den Durchgang 26,
den inneren Schlitz 64, den Durchgang 24, die
Leitung 152, ein einstellbares Rückschlagventil 201 und
die Leitung 154 auf einen niedrigen Druck entlüftet. Eine doppelte
Druck-Freigabe wird erreicht, da die obere Kolbenkammer 144 sich
ebenfalls über
den Durchgang 37, den Durchgang 33, den sich in
Längsrichtung
erstreckenden Durchgangskanal 35, den Durchgang 27,
den inneren Schlitz 65, den Durchgang 25, die
Leitung 153, das einstellbare Rückschlagventil 201 und
die Leitung 154 entlüftet,
um den Druck abzusenken. Durch die doppelte Wirkung des unter Druck
stehenden Steuerfluids, das in die untere Kolbenkammer 146 durch
die Durchgänge 38 und 39 eintritt,
wird der Kolben 18 in Richtung des Pfeils A zu seiner zweiten
Position hin angetrieben, wie in 1 gezeigt.
Da Steuerfluid durch mehrere Durchgangskanäle der unteren Kolbenkammer 146 zugeführt wird,
wird ein größeres Volumen
von Steuerfluid an den Kolben 18 angelegt, als dies der
Fall wäre,
wenn nur ein einziger Durchgangskanal verwendet würde, um
solches Steuerfluid zuzuführen.
Da das Steuerfluid die untere Kolbenkammer 146 schneller
füllen kann,
wird der Kolben 18 nach oben mit einer erhöhten Geschwindigkeit
beschleunigt.
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Wenn
der Kolben 18 und damit die Kolbenstange 12 die
zweite Position erreichen, kreuzt das obere Schnüffel-Ventil 91 durch
die Dichtung 76. Zu diesem Zeitpunkt steht die obere Schnüffel-Ventil-Entlüftung 91 mit
dem unter Druck stehenden Steuerfluid in der Kammer 140,
der zentralen Längsbohrung 42 und
der zentralen Stangenbohrung 44 in Verbindung, wodurch
das Schnüffel-Ventil 28 nach oben
in seine erste Position bewegt wird. Wenn sich das Schnüffelventil 28 in
seiner ersten Position befindet, kann sich die Aufnahmekammer 140 durch
die zentrale Längsbohrung 42,
die zentrale Stangenbohrung 44, die obere Schnüffel-Ventil-Entlüftung 91,
die untere Kammer 148, den Durchgang 30 und die
Leitung 156, die über
die Leitung 154 auf niedrigen Druck entlüftet wird,
auf niederen Druck entlüften.
Ein repräsentativer
niedriger Druck ist der Atmosphärendruck
oder irgendein anderer Druck, der genügend niedrig ist, so dass der
Differentialdruck zwischen dem Zufuhrdruck und dem Abführdruck
ausreichend groß ist,
um die Reibungskräfte
der Dichtungen und die Trägheit
des Pumpmechanismus zu überwinden.
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Das
Entlüften
der Aufnahmekammer 140 erzeugt eine Druckdifferenz zwischen
der Aufnahmekammer 140 und der ringförmigen Kammer 142 über die
Dichtung 72. Dies führt
zu einer Kraft, die gegen die erste Druckaufnahme-Oberfläche 141 des
Ventilelementes 10 ausgeübt wird, um das Ventilelement 10 nach
oben in Richtung des Pfeils A zu ihrer zweiten Position hin zu bewegen,
wie in 2 gezeigt. Das Ventilelement 10 fährt fort,
sich in Richtung in Pfeils A zu bewegen, bis eine obere Endoberfläche 106 des
Ventilelementes 10 mit einer unteren Kappenoberfläche 105 der
oberen Kappe 6 in Eingriff tritt. Eine zweite Druckaufnahme-Oberfläche 107 des Ventilelementes 10 begrenzt
die Aufnahmekammer 140 zwischen dem Ventilelement 10 und
der unteren Kappenoberfläche 105 der
oberen Kappe 6.
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Wenn
das Ventilelement 10 sich zu seiner zweiten Position bewegt,
wie in 2 gezeigt, bewegt sich das erste Schieberventil 14 nach
oben, um die Durchgänge 22 und 24 zu
verdecken und den Durchgang 26 freizugeben. In ähnlicher
Weise bewegt sich das zweite Schieberventil 15 nach oben; um
die Durchgänge 23 und 25 zu
verdecken und den Durchgang 27 freizugeben. Wenn sich das
erste Schieberventil 14 in dieser Position befindet, stehen die
Durchgänge 22 und 24 über den
inneren Schlitz 64 miteinander in Verbindung. Wenn sich
das zweite Schieberventil 15 in dieser Position befindet,
stehen die Durchgänge 23 und 25 über den
inneren Schlitz 65 miteinander in Verbindung. Die untere
Kolbenkammer 146, die unter Druck gesetzt wurde, als sich das
Ventilelement 10 in seiner ersten Position befand, entlüftet sich
auf einen niedrigen Druck über den
Durchgang 38, die Leitung 150, den Durchgang 22,
den inneren Schlitz 64, den Durchgang 24, die Leitung 152,
ein einstellbares Rückschlagventil 201 und
die Leitung 154. Eine zweifache Druckabsenkung wird erreicht,
da sich die untere Kolbenkammer 146 auch auf einen niedrigeren
Druck über
den Durchgang 39, die Leitung 151, den Durchgang 23, den
inneren Schlitz 65, den Durchgang 25, die Leitung 153,
das einstellbare Rückschlagventil 201 und die
Leitung 154 entlüftet.
Da jetzt die Durchgänge 26 und 27 nicht
verdeckt sind, steht unter Druck stehendes Steuerfluid in der ringförmigen Kammer 142 mit der
oberen Kolbenkammer 144 des Kolbens 18 durch den
Durchgang 26, den sich in Längsrichtung erstreckenden Durchgangskanal 34,
den Durchgang 32 und den Durchgang 36 im oberen
Flansch 16 und durch den Durchgang 27, den sich
in Längsrichtung erstreckenden
Durchgangskanal 35, den Durchgang 33 und den Durchgang 37 im
oberen Flansch 16 in Verbindung.
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Die
Druckdifferenz zwischen dem Steuerfluid in der oberen Kolbenkammer 144 und
der unteren Kolbenkammer 146 übt eine nach unten gerichtete Kraft
auf die obere Oberfläche 110 des
Kolbens 18 aus, wodurch der Kolben 18 nach unten
in Richtung des Pfeils B zu seiner ersten Position hin gedrückt wird,
wie in 3 gezeigt. Der Kolben 18 setzt seine nach
unten gerichtete Bewegung fort, bis die untere Oberfläche 108 des
Kolbens 18 mit einer oberen Oberfläche 114 des unteren
Flansches 17 in Eingriff tritt. Die Geschwindigkeit der
nach unten gerichteten Bewegung des Kolbens 18 wird durch
die Einstellung des Rückschlagventils 201 gesteuert,
die dazu dient, die Rate zu verändern,
mit der das Steuerfluid, das auf die untere Oberfläche 108 des
Kolbens 18 einwirkt, entspannt und entlüftet wird. Da Steuerfluid der oberen
Oberfläche 110 des
Kolbens 18 durch mehrere Durchgangswege zugeführt wird,
wird ein größeres Volumen
von Steuerfluid an dem Kolben 18 angelegt, als dies der
Fall wäre,
wenn nur ein einziger Durchgangskanal verwendet würde, um
dieses Steuerfluid zuzuführen.
Dies führt
zu einer größeren Beschleunigungsrate
des Kolbens 18.
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Wenn
sich der Kolben 18 nach unten in Richtung des Pfeils B
bewegt, tritt die untere Schnüffelventil-Entlüftung 92 durch
die Dichtung 82 hindurch, die in der inneren Oberfläche der
Bohrung 62 positioniert ist. Die Dichtung 82 unterbricht
die Verbindung zwischen der oberen Kolbenkammer 144 und
der zentralen Bohrung 45. Die untere Kammer 148 wird kontinuierlich
auf einen niedrigen Druck über
den Durchgang 30, die Leitung 156 und die Leitung 154 entlüftet. Die
Dichtung 74 hindert unter Druck stehendes Steuerfluid in
der ringförmigen
Kammer 152 daran, mit der unteren Kammer 148 in
Verbindung zu treten.
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Wenn
die untere Schnüffelventil-Entlüftung 92 durch
die Dichtung 82 hindurch tritt, steht sie in Verbindung
mit der oberen Kolbenkammer 144. Die obere Kolbenkammer 144 enthält unter
Druck stehendes Steuerfluid über
die Durchgänge 26 und 27, die
sich in Längsrichtung
erstreckenden Durchgangswege 34 und 35, die Durchgänge 32 und 33 und
die Durchgänge 36 und 37 im
oberen Flansch 16. Unter Druck stehendes Steuerfluid von
der oberen Kolbenkammer 144 drückt das Schnüffelventil 28 in
seine zweite Position und das Steuerfluid tritt in die zentrale
Längsbohrung 42 über die
untere Schnüffelventil-Entlüftung 92,
die abgewinkelte Schnüffelventil-Entlüftung 90 und
die zentrale Stangen bohrung 44, um auf die zweite Druckaufnahme-Oberfläche 107 des
Ventilelementes 10 einzuwirken. Auf diese Weise erreicht
das Steuerfluid in der Aufnahmekammer 140 einen Druck der
gleich dem des Steuerfluids in der ringförmigen Kammer 142 ist.
Da die zweite Druckaufnahme-Oberfläche 107 des Ventilelementes 10 eine
größere Oberfläche besitzt
als die erste Druckaufnahme-Oberfläche 141, wird eine
nach unten gerichtete Kraft erzeugt, die das Ventilelement 10 zwingt,
sich aus seiner zweiten Position nach unten zu seiner ersten Position
in Richtung des Pfeils B zu bewegen, wie in 4 gezeigt.
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Die
Bewegung des Ventilelementes 10 aus seiner zweiten Position
zu seiner ersten Position veranlasst das Schieberventil 14 sich
so zu bewegen, dass es die Durchgänge 24 und 26 verdeckt
und es dem Durchgang 22 ermöglicht, mit der ringförmigen Kammer 142 in
Verbindung zu stehen. In ähnlicher Weise
veranlasst die Bewegung des Ventilelementes 10 zu seiner
ersten Position das Schieberventil 15, sich so zu bewegen,
dass es die Durchgänge 25 und 27 ab
verdeckt deckt und es dem Durchgang 23 ermöglicht,
mit der ringförmigen
Kammer 142 in Verbindung zu stehen. Das Ventilelement 10 wird
nach unten gedrückt,
bis der untere, sich konisch erweiternde Teil 50 des Ventilelementes 10 mit
der Oberfläche 109 des
Ventilkörpers 8 in
Eingriff tritt.
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Wenn
sich das Ventilelement 10 in seiner ersten Position befindet,
entlüftet
sich die obere Kolbenkammer 144 auf einen niedrigen Druck
durch den Durchgang 36, den Durchgang 32, den
sich in Längsrichtung
erstreckenden Durchgangskanal 34, den Durchgang 26,
den inneren Schlitz 64, den Durchgang 24, die
Leitung 152, das Rückschlagventil 201 und
die Leitung 154. In ähnlicher
Weise entlüftet
sich die obere Kolbenkammer 144 auf einen niedrigeren Druck
durch den Durchgang 37, den Durchgang 33, den
sich in Längsrichtung
erstreckenden Durchgangskanal 35, den Durchgang 27,
den inneren Schlitz 65, den Durchgang 25, die
Leitung 153, das Rückschlagventil 201 und
die Leitung 154. Wenn der Druck in der oberen Kolbenkammer 144 abfällt, doch vor
dem Beginn der Bewegung des Kolbens 18 in Richtung des
Pfeils A steht die untere Schnüffel-Ventil-Entlüftung 92,
die sich noch immer unterhalb der Dichtung 82 befindet,
kurz mit niedrigem Druck in Verbindung. Die obere Schnüffel-Ventil-Entlüftung 91,
die sich oberhalb der Dichtung 82 befindet, steht weiterhin
mit dem unter Druck stehenden Steuerfluid in der Aufnahmekammer 140,
der sich in Längsrichtung
erstreckenden Zentralbohrung 42 und der zentralen Stangenbohrung 44 in
Verbindung. Dieser Druckunterschied veranlasst das Schnüffel-Ventil 28 sich
in seine erste Position zu bewegen. In der ersten und „geschlossenen" Position verhindert
die Dichtung 93 ein Strömen
von Steuerfluid durch die abgewinkelte Schnüffel-Ventil-Entlüftung 90 und
verhindert somit eine vorzeitige Bewegung des Ventilelementes 10 in
Richtung des Pfeils A bevor sich der Kolben 18 nach oben
bewegen und die untere Schnüffelventil-Entlüftung 92 nicht
länger
in Verbindung mit der oberen Kolbenkammer 144 stehen kann.
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Unter
Druck stehendes Steuerfluid in der ringförmigen Kammer 142 wird
der unteren Kolbenkammer 146 durch den Durchgang 22,
die Leitung 150 und dem Durchgang 38 im unteren
Flansch 17 und durch den Durchgang 23, die Leitung 151 und den
Durchgang 39 im unteren Flansch 17 zugeführt, um
den Kolben 18 in seine zweite Position zu drücken, wie
in 1 gezeigt. Dieser Zyklus wird dann immer wieder
wiederholt. Die Geschwindigkeit der nach oben gerichteten Bewegung
des Kolbens 18 wird durch die Einstellung des Rückschlagventils 201 gesteuert,
um die Rate zu verändern,
mit der das Steuerfluid, das auf die obere Oberfläche 110 des Kolbens 18 einwirkt,
in seinen Druck abgesenkt und entlüftet wird. Wie oben erläutert, wird ähnlich zur
Unterdrucksetzung der unteren Kolbenkammer 146 ein größeres Volumen
und ein größerer Druck
des Steuerfluids an den Kolben 18 durch die mehreren Durchgangswege
angelegt, als dies der Fall wäre,
wenn nur ein einziger Durchgangskanal verwendet würde; um
dem Kolben 18 Steuerfluid zuzuführen. Da an dem Kolben 18 ein
größerer Druck
angelegt wird, beschleunigt der Kolben 18 nach unten mit
einer erhöhten
Rate.
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Auf
diese Weise steuert das Vorsteuerventil 5 der vorliegenden
Erfindung die Zufuhr von Steuerfluid zum Kolben 18 unter
Verwendung einer pneumatischen Ventilsteuerung, und die sich hin
und her bewegende Vorrichtung 250, die mit der Kolbenbaueinheit 9 verbunden
ist, erreicht eine kontinuierliche und konsistente Pumprate.
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Zwar
wurde unter Bezugnahme auf die vorausgehende detaillierte Beschreibung
und die beigefügte
Zeichnung eine bevorzugte Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung beschrieben; doch sei darauf hingewiesen,
dass die vorliegende Erfindung nicht auf die bevorzugte Ausführungsform
eingeschränkt
ist, wie sie offenbart wurde, sondern Modifikationen mit umfasst,
ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert
ist.