DE69518295T2

DE69518295T2 - Doppelmembranpumpe

Info

Publication number: DE69518295T2
Application number: DE69518295T
Authority: DE
Inventors: Robert C. Elfers; Kozumplik, Jr.
Original assignee: Ingersoll Rand Co
Current assignee: Ingersoll Rand Co
Priority date: 1994-10-17
Filing date: 1995-10-16
Publication date: 2001-03-29
Anticipated expiration: 2015-10-17
Also published as: CA2160498C; CA2160498A1; DE69518295D1; EP0708244B1; US5584666A; JPH08200211A; EP0708244A2; EP0708244A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Doppelmembran-Kolbenpumpen. Herkömmliche Membranpumpen sowie andere pneumatische Einrichtungen haben zwei Probleme: (1) Eine Vereisung, die in einer verringerten/unregelmäßigen Leistung der Pumpe resultiert, sowie (2) eine Wirkungslosigkeit, die aus einer überdimensionierten Ventilöffnung resultiert, um eine Vereisung zu überwinden, wie es in herkömmlichen Konstruktionen der Fall ist.
Die Druckluftmotor-Ventileinrichtung, die dazu verwendet wird, eine Hin- und Herbewegung in gegenwärtigen Konstruktionen zu steuern, befördert sowohl die Zufuhrluft zu dem Antriebskolben oder der Membran sowie die Abluft durch die gleiche Öffnung. Um ein schnelles Umschalten und einen hohen Durchschnittsabgabedruck zu erzielen, ist es wichtig, daß die Kolben-/Membrankammern so schnell wie möglich entlüftet werden. Damit dieses der Fall ist, wird die Öffnung durch das Ventil so groß wie möglich gemacht. Die große Öffnungsfläche gestattet es, daß die Luft schnell abgegeben wird; dadurch werden jedoch große Temperaturabfälle in dem Ventil erzeugt. Jegliches Wasser in der Luft wird ausfallen und gefrieren. Wie es der Fall bei den meisten Ventilen ist, kann die Geometrie der Strömungsbahn durch das Ventil Bereiche enthalten, in denen die Strömung gedrosselt werden kann, gefolgt von großen Expansionen und Stagnationsbereichen. Dieses sind die Bereiche, in denen sich Wasser sammelt und gefriert.
Die Ventileinrichtung selbst kann ebenfalls extrem kalt werden, da Abgabeluft kontinuierlich durch das Ventil strömt und bewirken kann, daß Wasser in der eintretenden Luft gefriert.
Der große Öffnungsbereich, der erforderlich ist, um die Abluft abzugeben, wird außerdem dazu verwendet, die Luftkammern zu speisen. Während des Füllzyklusses gestattet es die große Öffnung, daß sich die Kammer schnell füllt und ein hoher mittlerer effektiver Druck in der Kammer bei hohen Zyklusraten erreicht wird. Die bei hohen Strömungsraten entwickelten Spitzendrücke (head pressures) sind relativ gering, was einen begrenzten Kammerdruck und -Volumen erfordert, um das Fluid bei der erforderlichen Strömungsrate und dem Spitzendruck zu bewegen. Indem die Einlaßöffnung so bemessen wird, daß die Strömungsanforderungen erfüllt werden, werden das erforderliche Luftvolumen sowie die abzugebende Menge reduziert.
Die US-A-4,406,596 (äquivalent zu EP-A-0 061 706) offenbart eine Doppelmembranpumpe entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Doppelmembranpumpe vorgesehen, mit einem Luftventil für ein verringertes Vereisen, wobei ein verstellbares Ventil vorgesehen ist, das einen Steuer- oder Führungskolben zum Verstellen des Ventils hat, um komprimierte Luft abwechselnd durch erste und zweite Versorgungsöffnungen zu sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Antriebskammern zuzuführen und um eine wechselnde Entlüftung der Kammern zu bewirken; dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil mit Umgehungseinrichtungen zwischen dem Ventil und jeder der Antriebskammern versehen ist, um das Ventil zu umgehen, indem Luft aus den Antriebskammern abgegeben wird, wobei die Umgehungseinrichtungen durch Luft betätigbar sind, die den Kammern zugeführt wird.
Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese realisiert werden kann, wird jetzt beispielhaft Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen, in denen:
Fig. 1 ein Querschnitt einer Membranpumpe ist, der ein Hauptventil eines Druckluftmotors zeigt;
Fig. 2 ein Querschnitt eines Luftventils für ein verringertes Vereisen ist, der ein Steuerventil zeigt;
Fig. 3 eine Einzelheit des Steuerventils in einer äußersten linken Position im Querschnitt ist;
Fig. 4 eine Einzelheit im Querschnitt ist, die den Hauptventilschieber des Druckluftmotors in einer äußersten linken Position zeigt;
Fig. 5 eine Einzelheit im Querschnitt ist, die das Steuerventil in einer äußersten rechten Position zeigt; und
Fig. 6 eine Einzelheit im Querschnitt ist, die das Hauptventil in einer äußersten rechten Position zeigt.
Um die Luftkammern schnell zu entlüften, ohne die Öffnungsanordnung des Füllzyklusses zu vergrößern, ist eine alternative Strömungsbahn erforderlich.
Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht des Hauptventils des Druckluftmotors. Fig. 2 ist eine Ansicht des Steuer- oder Führungsventils. Beide Ventile sind in ihren Totpunktpositionen dargestellt.
In Fig. 1 besteht das Hauptventil aus einem Schieber 1, einem Ventilblock 2, einer Ventilplatte 3, einem Leistungskolben 4, Schnellabgabe-Rückschlagventilen 5a und 5b sowie einem Gehäuse 6. Fig. 2 zeigt das Steuerventil, das aus einem Steuer- oder Führungskolben 7, einer Schubstange 8 sowie Antriebsstiften 9a und 9b besteht. Beide Ventile sind in dem gleichen Hohlraum 12 angeordnet, der mit Zuluft unter Druck gesetzt ist. Der Leistungskolben 4 und der Steuerkolben 7 sind Stufenkolben. Ein Luftdruck, der auf die kleinen Durchmesser der Kolben wirkt, drückt die Kolben nach links, wenn ein Steuersignal in den Kammern 10 und 11 nicht vorhanden ist. Das Flächenverhältnis des großen Durchmessers zu dem kleinen Durchmesser ist ungefähr 2 : 1. Wenn das Steuersignal in den Kammern 10 und 11 vorhanden ist, werden die Kolben nach rechts gedrückt, wie es in den Fig. 5 und 6 gezeigt ist.
In Fig. 4 ist der Schieber 1 in seiner äußersten linken Position dargestellt, wie es der Steuerkolben 7 in Fig. 3 ist. Luft in dem Hohlraum 12 strömt durch eine Öffnung 13, die zwischen dem Schieber 1 und dem Ventilblock 2 gebildet ist, durch eine Öffnung 14 in der Ventilplatte 3. Die Luft, die auf die obere Oberfläche des Rückschlagventils 5a auftrifft, zwingt dieses, auf der Abgabeöffnung 15 aufzusitzen und diese abzudichten. Die Luftströmung verformt die Lippen des elastomeren Rückschlagventils, wie es in Fig. 4 dargestellt ist. Luft strömt um das Ventil herum in eine Öffnung 17 und in eine Membrankam mer 18. Luftdruck, der auf die Membran 19 einwirkt, drückt diese nach rechts, wodurch Fluid aus einer Fluidkammer 20 durch ein Auslaß-Rückschlagventil ausgestoßen wird.
Ein Betrieb der Fluidrückschlagventile steuert die Bewegung des Fluids in die Fluidkammern hinein und aus diesen hinaus, wodurch bewirkt wird, daß diese als einzeln wirkende Pumpen fungieren. Durch eine Verbindung der zwei Kammern über externe Leitungen wird die Ausgangsströmung aus der Pumpe relativ konstant.
Zu der gleichen Zeit, zu der die Kammer 18 gefüllt wird, ist die Luft oberhalb des Rückschlagventils 5b durch eine Öffnung 21, eine Öffnung 22 und in einen Entlüftungshohlraum 23 hinein abgegeben worden. Dieser Vorgang bewirkt, daß ein Druckunterschied zwischen den Kammern 24 und 25 auftritt. Die Lippen des Rückschlagventils 5b entspannen sich gegen die Wand der Kammer 25. Wenn Luft beginnt, von einer Luftkammer 26 durch eine Öffnung 27 zu strömen, zwingt sie das Rückschlagventil 5b dazu, sich aufwärts zu bewegen und an der Ventilplatte 3 aufzusitzen und eine Öffnung 28 abzudichten und die Öffnung 16 zu öffnen. Die Abluft wird in den Hohlraum 23 abgegeben.
Die Membran 19 ist mit der Membran 29 über eine Welle 30 verbunden, die bewirkt, daß sie sich miteinander hin- und herbewegen. Während sich die Membran 19 nach rechts verlagert, erzeugt die Membran 29 eine Saugwirkung auf eine Fluidkammer 31, was bewirkt, daß Fluid durch ein Einlaßhindernis in die Fluidkammer 31 strömt. Wenn sich die Membranänordnung dem Ende des Hubes annähert, schiebt eine Membranscheibe 33 den Antriebsstift 9a (Fig. 5) nach rechts. Der Stift wiederum schiebt den Steuerkolben 7 nach rechts in die in Fig. 5 dargestellte Position. Ein O-Ring 35 greift in eine Bohrung einer Hülse 34 ein, und ein O- Ring 36 tritt aus der Bohrung aus, um es zu gestatten, daß Luft von dem Lufthohlraum 12 durch die Öffnung 37 in dem Steuerkolben 7 und in den Hohlraum 10 hinein strömt. Ein Luftdruck, der auf den großen Durchmesser des Steuerkolbens 7 einwirkt, bewirkt, daß sich der Kolben nach rechts verschiebt.
Die Luft, die in die Kammer 10 hinein strömt, strömt durch einen Durchgang 38, der die beiden Bohrungen verbindet, auch in die Kammer 11. Wenn der Druck ungefähr 50% des Versorgungsdrucks erreicht, schiebt der Leistungskolben 4 den Schieber 1 in die in Fig. 6 gezeigte Position. Die Luft, die der Kammer 18 zugeführt wird, wird abgeschlossen, und die Kammer 38 wird über eine Öffnung 41 entlüftet. Dieses bewirkt, daß sich das Rückschlagventil 5a verschiebt, wodurch die Luftkammer 18 mit der Entlüftungsöffnung 15 verbunden wird. Zu der gleichen Zeit wird die Luftkammer 26 über die Öffnung 40 und die Öffnungen 28 und 27 mit Versorgungsluft verbunden. Der Luftdruck, der auf die Membran 29 einwirkt, bewirkt, daß die Membranen die Richtung umkehren, wodurch Fluid aus der Fluidkammer 31 über ein Auslaßhindernis ausgestoßen wird, während die Membran 19 die Fluidkammer 20 evakuiert, um Fluid in die Fluidkammer 20 zu ziehen.
Während sich die Membran 19 dem Ende ihres Hubes annähert, schiebt die Membranscheibe 39 den Antriebsstift 9b. Die Bewegung wird über die Schubstange 8 an den Steuerkolben 7 übertragen, wodurch er zu dem in Fig. 2 gezeigten Auslösepunkt bewegt wird. Der O-Ring 36 tritt wieder in die Bohrung in der Hülse 34 ein und dichtet die Luftzufuhr zu den Kammern 10 und 11 ab. Der O-Ring 35 tritt aus der Bohrung aus, um die Kammern 10 und 11 mit der Öffnung 37 in dem Steuerkolben 7 zu verbinden. Die Luft aus den zwei Kammern strömt durch die Öffnung 42 in den Entlüftungshohlraum 23. Die Luft in dem Lufthohlraum 12, die auf die kleinen Durchmesser der Kolben 4 und 7 einwirkt, zwingt beide nach links, wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. Der Leistungskolben 4 zieht den Schieber 1 nach links, um einen neuen Zyklus zu beginnen.
Verschiedene Anordnungen können verwendet werden, um die Schnellabgabeventile zu betätigen, die Tellerventile, "D"-Ventile und andere mechanische oder pneumatisch betätigte Ventile umfassen.

Claims

1. Doppelmembran-Kolbenpumpe mit einem Luftventil für ein verringertes Vereisen, wobei ein verstellbares Ventil vorgesehen ist, das einen Führungskolben zum Verstellen des Ventils hat, um komprimierte Luft abwechselnd durch erste und zweite Versorgungsöffnungen (17, 27) zu sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Antriebskammern (18, 26) zuzuführen und um eine wechselnde Entlüftung der Kammern zu bewirken; dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil mit Umgehungseinrichtungen (15, 16) zwischen dem Ventil und jeder der Antriebskammern (18, 26) versehen ist, um das Ventil zu umgehen, indem Luft aus den Antriebskammern abgegeben wird, Wobei die Umgehungseinrichtungen durch Luft betätigbar sind, die den Kammern zugeführt wird.

2. Pumpe nach Anspruch 1, wobei sie mechanisch miteinander verbundene Membranen (19, 29) aufweist, wobei ein unter Druck setzen einer der sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Antriebskammern (18, 26) ein Entlüften der anderen der sich gegenüberliegenden ersten und zweiten Betätigungskammern bewirkt.

3. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, wobei das verstellbare Ventil ein pneumatisch betriebenes Steuerventil (1, 2) ist.

4. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das verstellbare Ventil einen Führungskolben (7) aufweist.

5. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Umgehungseinrichtungen ein druckbetriebenes Rückschlagventil (5a, 5b) aufweisen, das geschlossen ist, um durch die Zuführung komprimierter Luft zu seiner zugeordneten Antriebskammer zu entlüften, und das offen ist, um durch die Rückströmung der abgegebenen Luft zu entlüften, wenn die Zuführung komprimierter Luft aufhört.

6. Pumpe nach Anspruch 5, wobei das druckbetriebene Rückschlagventil weiterhin ein verformbares elastomeres Hindernis aufweist, das mit einer Entlüftungsöffnung (15) zusammenwirkt, um diese bei einer Zuführung komprimierter Luft abzusperren, und das mit der Versorgungsöffnung zusammenwirkt, um die Versorgungsöffnung zu dem Ventil bei einer Entlüftung der Antriebskammer abzusperren.

7. Pumpe nach Anspruch 6, wobei die Entlüftungsöffnung zur Atmosphäre hin öffnet.

8. Pumpe nach Anspruch 5, 6 oder 7, wobei das druckbetriebene Rückschlagventil (5a, 5b) weiterhin mit der entsprechenden Versorgungsöffnung zusammenwirkt, um eine Rückströmung der abgegebenen Luft zu dem verstellbaren Ventil zu verhindern.

9. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sie einen Leistungskolben (4) aufweist, der ein Stufenkolben ist.