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Membranpumpe, insbesondere Kompressor für Kältemaschinen Die Erfindung
bezieht sich auf eine Membranpumpe für Gase oder Flüssigkeiten, die einen Arbeitsraum
besitzt, der von einer oder mehreren elastisch beweglichen Wandungen begrenzt wird
und dessen abwechselnde Vergrößerung und Verkleinerung unter Wirkung einer Steuerflüssigkeit
erfolgt, die in einen Behälter eingefüllt ist und durch eine elastisch bewegliche
Wandung dieses Behälters Druckschwankungen unterworfen wird. Wenn man derartige
Membranpumpen unter wechselnden äußeren Betriebsbedingungen betreibt, also beispielsweise
gegen schwankende Überdrücke fördern läßt, kann man, um -den schädlichen Raum der
Membranpumpe selbst in allen Betriebsfällen möglichst klein zu halten, den Druck
der Steuerflüssigkeit schon beim Einfüllen so hoch wählen, daß beim Arbeiten der
MqMbranpumpe gegen den höchsten vorausgesetzten Überdruck am Ende des Druckhubes
der schädliche .Raum möglichst klein ist. Bei einer derartigen starren Einstellung
muß man in Kauf nehmen, daß in allen denjenigen Betriebsfällen, in welchen der Überdruck,
gegen den gefördert werden muß, kleiner ist als der angenommene Höchstdruck, ein
mehr oder weniger großer Anteil der für jeden Druckhub aufgewendeten Antriebskraft
nicht mehr zur Förderung selbst ausgenutzt werden kann, sondern lediglich dazu dient,
die Steuerflüssigkeit unter höheren Druck zu setzen und dabei die. elastische Wandung
des die Steuerflüssigkeit enthaltenden Behälters nach außen hin durchzubiegen. In
diesem Betriebsfalle würde man dann mit schlechtem Wirkungsgrad arbeiten und müßte
unter Umständen auch mit starleer Geräuschbildung rechnen. Zweck der Erfindung ist
es, diese Nachteile zu vermeiden. Erfindungsgemäß
werden Mittel
verwendet, durch welche der Druck der Steuerflüssigkeit den wechselnden Betriebsbedingungen
der Membranpumpe, beispielsweise dem mit der Kühllufttemperatur wechselnden Kondensatordruck
einer Kältemaschine, angepaßt werden kann. Durch diese Anpassung an die wechselnden
äußeren Betriebsbedingungen ist es möglich, die Membranpumpe nun so zu betreiben,
daß sie bei jedem beliebigen Gegendruck mit günstigem Wirkungsgrad und geringem
Geräusch arbeitet. Gemäß der weiteren Erfindung können die Mittel zur Änderung des
Druckes der Steuerflüssigkeit so ausgebildet werden, daß der Druck von Hand beispielsweise
mittels einer Einstellschraube o. dgl. verändert wird. Vorzugsweise wird man die
Anordnung so durchbilden, daß eine selbsttätige Anpassung des Druckes der Steuerflüssigkeit
an die wechselnden äußeren Betriebsbedingungen stattfindet.
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Man kann die Erfindung insbesondere anwenden bei Membranpumpen, die
als Kompressor in Kältemaschinen dienen. Hier kann man beispielsweise den Kompressor
selbst als Doppelmembran ausführen und den Behälter für die Steuerflüssigkeit ebenfalls
als eine ähnlich aufgebaute Doppelmembran. Den Erfindungsgedanken selbst kann man
in der verschiedensten Weise praktisch ausführen. So kann man beispielsweise abhängig
vom Kondensatordruck der Kältemaschine eine Steuervorrichtung verstellen lassen,
die den Druck der Steuerflüssigkeit verändert. Man kann beispielsweise zu diesem
Zweck an den Kondensator der Kältemaschine einen beweglichen Balg anschließen, der
sich entsprechend dem Kondensatordruck mehr oder weniger ausdehnt. Von diesem Balg
wird dann beispielsweise ein zweiter mit der Steuerflüssigkeit in Verbindung stehender
Balg verstellt, der dafür sorgt, daß sich der Druck der Steuerflüssigkeit dem schwankenden
Kondensatordruck in der gewünschten Weise anpaßt.
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Eine andere Möglichkeit, den Erfindungsgedanken zu verwirklichen,
besteht darin, daß der Enddruck der Steuerflüssigkeit beim Druckhub dem wechselnden
Kondensatordruck durch eine Vorrichtung zur Verstellung des Hubes der vom Antriebsmotor
erzeugten hin und her gehenden Bewegung angepaßt wird. Man kann schließlich auch
den gewünschten Effekt dadurch erzielen, daß der Enddruck der Steuerflüssigkeit
beim Druckhub ohne Verwendung besonderer mechanischer Verstellvorrichtungen durch
die bloße Wahl einer geeigneten Steuerflüssigkeit angepaßt wird. Man wählt in diesem
Falle eine Steuerflüssigkeit mit solchem Wärmeausdehnungskoeffizienten, daß durch
die Ausdehnung der Steuerflüssigkeit, welche bei der luftgekühlten Kältemaschine
der Kühlluft selbst ausgesetzt ist, die gewünschten Druckänderungen in der Steuerflüssigkeit
erzielt werden.
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Um das Wesen der Erfindung noch näher zu erläutern, seien zunächst
an Hand der schematischen Fig. i bis .3 die Bewegungsvorgänge einer Mernbranpumpe
gemäß der Erfindung untersucht. In diesen Figuren sind mit 8 und 9 die beweglichen
Wandungen eines den eigentlichen Kompressor bildenden Innenbehälters bezeichnet.
ii und 12 sind zwei bewegliche Wandungen eines eine Steuerflüssigkeit enthaltenden
Außenbehälters. Mit 1q. ist ein Halter bezeichnet, an dem die Wände 9 und 12 befestigt
sind und durch den die in der schematischen Figur nicht dargestellten Saug- und
Druckleitungen eingeführt sind. An der Nabe der Wand i i greift ein Kurbeltrieb
2i an. Die beschriebenen Behälter werden zweckmäßig so ausgeführt, daß die Wandungen
11, i2 des Flüssigkeitsbehälters im entspannten Zustande eine räumliche Form haben,
derart, daß die Mitte der Wandung sich über der Ebene der Randkurve erhebt, während
die Wandungen 8 und 9 des Innenbehälters im spannungslosen Zustande eine ebene Fläche
bilden. Fig. i zeigt den Antrieb am Ende des Saughubes. Hier sind also die Wände
11, 12 gespannt, während die Wände 8, 9 entspannt sind. Würde die Ölfüllung so gewählt
sein, daß beim Arbeiten des Kompressors gegen Atmosphärendruck sich die beiden in
Fig. i und 2 skizzierten Endlagen ergeben, dann könnte man beim Arbeiten gegen einen
bestimmten Überdruck nicht erreichen, daß der Innenbehälter 8, 9 am Ende des Druckhubes
völlig geschlossen ist. Es würde vielmehr ein verhältnismäßig großer schädlicher
Raum bleiben. Um dies zu vermeiden, kann man daran denken, die Ölfüllung so zu wählen,
daß beim höchsten im Betriebe auftretenden Überdruck der Innenbehälter 8, 9 in der
der Fig. 2 entsprechenden Lage geschlossen ist. In diesem Falle muß man aber in
Kauf nehmen, daß der Innenbehälter 8, 9 bei geringeren Drücken schon vor Erreichen
der der Fig. 2 entsprechenden tiefsten Stellung der Kurbel 21 geschlossen ist. Es
ergibt sich dann also der in Fig.3 dargestellte Betriebsfall, bei dem die Kurbel
im Moment des Schließens des inneren Behälters mit der tiefsten Stellung der Kurbel
den Winkel a, bildet. Dieser Winkel ist um so größer, je kleiner der Gegendruck
ist. In allen den Fällen mit geringeren als dem eingestellten Höchstdruck wird dann
also ein vom Winkel a. abhängiger Betrag der Antriebskraft lediglich dazu verwendet,
die
Wandungen i i, z2 des Außenbehälters auszudehnen, ohne daß dabei nutzbare Arbeit
geleistet wird. Man arbeitet dann also bei kleinerem Gegendruck mit schlechtem Wirkungsgrad
und muß unter Umständen mit störenden Geräuschen rechnen, die durch das vorzeitige
Züsammendrücken des Innenbehälters 8, 9 beim Druck-Hub und durch das Zurückschnellen
des Außenbehälters 11, 12 beim Saughub auftreten. Diese Schwierigkeiten werden überwunden,
wenn man den Betrieb zwangsläufig so durchführt, daß bei wechselnden äußeren Betriebsbedingungen;
also z. B. bei schwankendem Kondensatordruck der Kältemaschine, das Schließen des
Innenbehälters 8, 9 stets gerade im Punkt t der in Fig. 4 dargestellten Kurve erfolgt.
Diese Kurve zeigt den Kurbelweg in Abhängigkeit von der Zeit.
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Bei der in den schematischen Fig. i bis 3 beschriebenen Anordnung
muß der Innenbehälter, der am Ende des Druckhubes in die ebene entspannte Form gebracht
worden ist, zum Saugen durch die Wirkung der Steuerflüssigkeit aufgezogen werden.
Da man den Innenbehälter mit Rücksicht auf die Verkleinerung des schädlichen Raumes.
gern so ausführt, daß sich die Innenseiten der beüden Bleche 8 und 9 gut aneinanderlegen,
besteht beim Saughub insofern eine Schwierigkeit, als diese Wandungen zum Kleben
neigen. Um das .starke Kleben abzuschwächen, kann es daher unter Umständen zweckmäßig
sein, die Anordnung so auszubilden, daß der Innenbehälter im entspannten Zustande
eine Lage einnimmt, die einer Saugstellung des Innenbehälters entspricht. Dann ist
nämlich der Innenbehälter am' Ende des Druckhubes der äußeren Antriebsvorrichtung
mehr oder weniger derart gespannt, daß die im Sinne der Entspannung vom Blechmantel
des Innenbehälters ausgeübte Kraft zu Beginn des Saughubes in demselben Sinne wirkt
wie die antreibende Flüssigkeit.
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Fig.5 zeigt schematisch eine Anordnung dieser Art in derjenigen -
Betriebslage, in welcher der Innenbehälter 8, 9 im entspannten Zustande ist. Man
kann diese Anordnung so durchbilden, daß der Innenbehälter gerade am Ende des Saughubes
die entspannte Lage erreicht hat. Der Außenbehälter i i,- 12, kann dabei so ausgebildet
sein, daß er am Ende des Druckhubes entspannt ist.
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In Fig.6 ist schematisch als Ausführungsbeispiel der Erfindung ein
Haushaltskühlschrank dargestellt, der mit einer Kompressionskältemaschine ausgerüstet
ist. Mit i ist der Arbeitsraum des Kompressors bezeichnet. Beim _ Druckhub wird
das angesaugte Kältemittel durch eine Leitung 2 in einen luftgekühlten Kondensator
3 gedrückt. Das Kondensat fließt in ein Sammelgefäß 4, in welches ein schwimmergesteuertes
Ventil eingebaut ist. Durch die Leitung 5 gelangt das flüssige Kältemittel in den
Verdampfer 6. Die Kältemitteldämpfe werden durch die Leitung 7 wieder zum Kompressor
angesaugt. Der Membrankompressor selbst besteht aus zwei elastisch beweglichen Wänden
8, 9, die am Rande durch ein ringsherum laufendes Randblech io fest verbunden sind.
Der Antrieb dieses Membrankompressors erfolgt indirekt mit Hilfe einer Flüssigkeit,
die in einen Behälter eingefüllt ist. Der Behälter besteht aus zwei elastisch beweglichen
Wandungen 1i, 12, zwischen denen der Kompressorbehälter 8, 9 angeordnet ist. Die
Wandungen 11, 12, sind am Rande ebenfalls durch ein Randblech 13 festgehalten und
auf `diese Weise zu einem hermetisch abgeschlossenen Behälter vereinigt. Mit'i4
ist einfeststehender Halter bezeichnet, an dem die Nabe der Bleche 9 und I2 befestigt
ist. An der oberen Nabe 15 des Bleches i i greift der Antrieb an. Dieser besteht
aus einem-Schwinghebel 16, dessen rechtes. Ende im Drehpunkt 17, dessen Mitte im
Gelenk 18 und dessen rechtes Ende im Gelenk i9 gelagert ist. Der Schwinghebel 16
wird riiit Hilfe der Pleuelstange 2 1 und der auf und ab schwingenden Antriebsstange
2o bewegt. Zum Antrieb der Anordnung dient der Elektromotor 23.
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Um die dargestellte Anordnung den entsprechend der äußeren Kühllufttemperatur
wechselnden Betriebsbedingungen anzupassen, ist an den Flüssigkeitsbehälter 11,
12, i 3 _ ein ebenfalls aus elastischen beweglichen Wandungen bestehender Behälter
25 über eine Leitung 24 angeschlossen. Durch Aufundabbewegen des Behälters 25 ist
es möglich, den Druck der Steuerflüssigkeit zu verändern. Diese Druckänderungen
werden nun mit Hilfe eines Steuerbehälters 27 bewirkt, der durch eine Leitung 28
mit der Druckseite des Kompressors in Verbindung steht, und dieser Behälter stellt
sich daher entsprechend dem Kondensatordruck ein. Die Behälter 25 und 27 sind durch
ein Zwischenstück 26 fest miteinander verbunden, so daß die Bewegungen der oberen
Wand des Behälters 27 unmittelbar entsprechende Bewegungen der unteren Wand des
Behälters 25 zur Folge haben. Bei steigendem Kondensatordruck wird daher der Behälter
25 der Steuerflüssigkeit nach oben verschoben, wodurch die Flüssigkeit aus dem Behälter
25 in den Behälter i i, 12 gedrückt wird. Es ergibt sich also auf diese Weise eine
Drucksteigerung im Behälter 1i, 12. Umgekehrt wird bei sinkendem Kondensatordruck
der Steuerbehälter 27 nach unten verstellt, wodurch Flüssigkeit aus dem Behälter
i
i, 12 in den Behälter 25 gesaugt wird und damit der Druck im Behälter i i, 12 gesenkt
wird.
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Fig.7 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit der aus den Behältern 27 und
25 bestehenden Vorrichtung zur Druckänderung in der Steuerflüssigkeit. Die beiden
Steuerbehälter sind durch ein Zwischenstück 26 fest miteinander verbunden. Die Austrittsöffnung
für die Steuerflüssigkeit aus dem Behälter 25 ist als Düse 3o ausgebildet. Da man
den Kompressor sehr rasch arbeiten -läßt, kann man auf diese Weise bei geeigneter
Bemessung der Düse erzielen, daß die dauernden Druckschwankungen, die sich durch
das sehr schnell wechselnde Saugen und Drücken in der Steuerflüssigkeit ergeben,
nicht auf den Reglerbehälter 25 übertragen werden können.
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In Fig.8 ist eine andere Möglichkeit gezeichnet, den Druck der Steuerflüssigkeit
abhängig vorn Kondensatordruck zu verändern. Hier ist an die untere Wand 12 des
Steuerflüssigkeitsbehälters über eine Leitung 31 ein Zylinder 32 angeschlossen,
in dem ein Kolben 33 arbeitet. Dieser Kolben wird über eine Verstellschraube 34
von einem Hebel 35 aus bewegt, der seinerseits abhängig vom Kondensatordruck verstellt
wird.
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Man kann den Kondensatordruck zur Beeinflussung des Druckes der Steuerflüssigkeit
auch auf andere Teile des Antriebes wirken lassen. So ist es beispielsweise möglich,
den Enddruck der Steuerflüssigkeit beire Druckhub dem wechselnden Kondensatordruck
durch eine Vorrichtung zur Verstellung des Hubes der vom Antriebsmotor erzeugten
hin und her gehenden Bewegung anzupassen.
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Eine Ausführungsmöglichkeit hierfür ist in den Fig. 9 und io dargestellt.
Mit 21 ist die Antriebskurbel des Elektromotors bezeichnete welche beispielsweise
aus der in Fig. 6 ersichtlichen Weise den Stenerflüssigkeitsbehälter antreibt. Die
Kurbel ist in einem Zapfen 41 drehbar gelagert, der an einem Schieber 42 befestigt
ist. Dieser Schieber kann in einem entsprechenden Schlitz eines Halters 43 bewegt
werden. Zur Steuerung des Schiebers dient eine Welle 44, die auf der dem Schieber
zugewendeten Seite einen Exzenter 45 besitzt, der in einem Steuerschlitz 46 arbeitet.
Die Welle 44 ist eingebaut in die Hohlwelle 47. In der Welle 44 ist eine Aussparung
48 vorgesehen, in die ein an einer Schraube 5o befestigter Führungsstift 49 paßt.
Durch diese Führung wird eine von außen aufgezwungene Axia.lverschiebung der Welle
44 in eine Drehbewegung dieser Welle umgesetzt, die zur Folge hat, daß der Exzenter
45 den Schieber 42 und damit den Zapfen 41 verstellt. Diese Zapfenverstellung hat
eine Änderung des Hubes deP Antriebsvorrichtung zur Folge. Die Axialverschi:ebung
der Welle 4..4 relativ zurr Welle 47 wird beim Ausführungsbeispiel eingeleitet durch
eine vom Kondensatordruck abhängige Vorrichtung. Zu diesem Zweck ist ein beweglicher
Balg 51 über die Leitung 52 mit dem Kondensator der Kältemaschine verbunden. Mit
dem Balg arbeitet ein Verstellhebel 53 zusammen, der um einen Zapfen 54 drehbar
gelagert ist. Der Verstellhebel 53 besitzt Zähne 55, die in entsprechende Rillen
56 der Welle 44 passen. Durch diese Vorrichtung wird bei steigendem Kondensatordruck
eine Drehbewegung des Verstellhebels 53 in der Pfeilrichtung durchgeführt, was eine
Verschiebung der Welle 44 nach rechts zur Folge hat. Dementsprechend wird der Hub
der Antriebsvorrichtung verändert.
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Eine andere Ausführungsmöglichkeit der Erfindung ist in Fig. i i schematisch
dargestellt. Soweit die Einzelteile dieser Figur mit denen in Fig.6 übereinstimmen,
sind dieselben Bezugszeichen verwendet. In diesem Falle ist zur Veränderung des
Druckes der Steuerflüssigkeit eine Heizwicklung 61 in den Steuerflüssigkeitsbehälter
11, 12, 13 eingebaut. Diese Heizwicklung kann durch einen außerhalb des Behälters
befindlicher. Regler 62 beeinflußt werden, so daß auch auf diese Weise eine Änderung
des Druckes der Steuerflüssigkeit möglich ist.
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Man kann die Einrichtung zur Änderung des Druckes der Steuerflüssigkeit
auch so ausbilden, daß die Vorspannung einer zum Antrieb gehörigen Feder geändert
wird. Das Ziel der Erfindung, eine selbsttätige Anpassung des Druckes der Steuerflüssigkeit
an die äußeren Betriebsbedingungen, beispielsweise also an die Kühllufttemperatur
der Kompressionskältemaschine, durchzuführen, kann man ferner in sehr einfacher
Weise. ohne daß besondere zusätzliche mechanische oder sonstige Steuereinrichtungen
erforderlich sind, unter Umständen auch dadurch schon erreichen, daß man eine dem
jeweiligen Verwendungszweck angepaßte -Steuerflüssigkeit verwendet, die einen derartigen
Ausdehnungskoeffizienten besitzt, daß durch die entsprechend den äußeren Temperaturänderungen
eintretenden Volumenänderungen der Steuerflüssigkeit die erforderliche Drucksteigerung
in den mit elastischen Wandungen versehenen Behälter der Steuerflüssigkeit eintreten.
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Die in den Fig. i bis 5 dargestellten Anordnungen sind so gewählt,
daß der Innenbehälter entspannt ist, wenn gleichzeitig der Außenbehälter gespannt
ist, und umgekehrt. Ein solcher Antrieb stellt sich im-Stillstand in eine Ruhelage
ein, in welcher beide Behälter gespannt sind. Da man beim Kompressor
von
Kältemaschinen beispielsweise mit längeren Stillstandszeiten sogar bei laufendem
Betrieb rechnen muß, bedeutet diese dauernde Spannung der Bleche eine Belastung
des Materials und insbesondere der Randverbindungen. Diese Belastung kann man dadurch
vermeiden, daß die beiden mit elastischen Wandungen ausgeführten Behälter so ausgeführt
werden und der Antrieb so durchgebildet wird, daß die Behälter beim Stillsetzen
selbsttätig in eine entspannte Lage gehen. Will man aus =besonderen Gründen im Betriebe
die beiden Behälter doch so arbeiten lassen, daß die entspannten Lagen zeitlich
nicht zusammenfallen, dann kann man die Entspannung beim Stillsetzen durch eine
zusätzliche Vorrichtung bewirken, die beispielsweise darin bestehen kann, daß beim
Stillsetzen das ölvolumen so weit verändert wird, bis beide Behälter entspannt sind.
Die hierfür erforderlichen Vorrichtungen lassen sich leicht unter Benutzung der
oben geschilderten Einrichtungen ausführen. Die Mittel zur Veränderung des Druckes
der Steuerflüssigkeit können auch vom Regler der Kältemaschine derart abhängig gemacht
werden, daß z. B. zwangsläufig bei Einstellung auf kleinere Kälteleistung. (in der
kalten Jahreszeit) ein kleinerer Flüssigkeitsdruck reingestellt wird als bei Einstellung
des Reglers auf größere Kälteleistung (warme Jahreszeit).