DE69707392T2 - Pumpe mit regelbarer Durchflussmenge - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Pumpe zum Pumpen von Fluiden und insbesondere eine Pumpe, deren Fluidförderrate gemäß dem Ablassdruck variiert werden kann.
• In einer bekannten Pumpenanordnung sind eine Anzahl von Pumpelementen, wie Rollen oder Kolben, um eine zentrale sich drehende Welle herum angeordnet und in einem Träger angebracht. Ein Nockenring um den Träger und die Pumpelemente herum hat eine innere Fläche mit einem oder mehreren symmetrischen inneren Buckeln, welche die Pumpelemente dazu bringen, dass sie sich radial bezüglich des Trägers bewegen, wenn sich der Träger dreht. Die Anordnung aus Nockenring und Träger befindet sich zwischen einem Paar von Seitenplatten. Geeignet angeordnete Einlass- und Auslassöffnungen in den Seitenplatten führen dazu, dass das Fluid in die in Umfangsrichtung angeordneten Räume zwischen den Pumpelementen und der inneren und äußeren Fläche des Nockenrings bzw. Trägers in axialer Richtung hinein- und daraus herausgezogen wird. Das Fluid wird eingezogen in Umfangsstellen des Nockenrings zwischen den Buckeln und ausgelassen in einem Winkel weiter um den Nockenring herum (in der Nähe der Gipfel der Buckel), und zwar bei hohem Druck.
• Die Schwierigkeit mit dieser Anordnung besteht darin, dass die Ablassdurchflussrate nominal so festgesetzt ist, dass sie proportional zur Drehgeschwindigkeit der Welle ist. Ein überschüssiger Fluiddurchfluss muss (über ein Ventil) zum Pumpeneinlass zurückgeführt werden, mit einem entsprechenden Verlust der volumetrischen Effizienz. Das Ventil ist eine zusätzliche Einrichtung, welche, wenn möglich, vermieden werden sollte.
• Die DE-A-21 09 112 offenbart eine Pumpe mit einer Einlassöffnung, einer Auslassöffnung sowie einem Pumpmechanismus zum Pumpen von Fluid von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung mit einer Ablassdurchflussrate, wobei der Pumpenmechanismus ein Träger mit mehreren daran ausgeformten oder darin angebrachten Pumpelementen beinhaltet sowie einen Nockenring, welcher den Träger umgibt und eine innere Nockenfläche hat, welcher die Pumpelemente folgen, wobei der Nockenring flexibel ist, so dass die Ablassdurchflussrate durch Verändern der Gestalt des Nockenrings mittels Steuermitteln mit einer oder mehreren Vorspannvorrichtungen verändert werden kann.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Steuermittel weiter eine oder mehrere Nockenöffnungen auf, welche den Fluiddruck steuern.
• In der vorliegenden Erfindung ist der Nockenring vorzugsweise ausreichend dünn, so dass er elastisch verdreht werden kann. Die Verbiegung kann verändert werden durch den Fluiddruck, welcher am besten von der Pumpe her zugeführt wird, und kann mit oder gegen die dem Nockenring inhärente Nachgiebigkeit wirken sowie eine zusätzliche Kraft von einer Vorspannvorrichtung, wie einer Feder. Die Steuerung arbeitet vorzugsweise so, dass, wenn der Auslassfluiddruck steigt, der Nockenring sich von einer anfänglichen nicht kreisförmigen Gestalt hin zu einer kreisförmigeren Gestalt, die konzentrisch mit der Welle ist, verformt, was zu einer verringerten Ablassdurchflussrate führt. So können sich der Druck und die Durchflussrate selbst anpassen, um den Anforderungen des Förderkreises zu genügen, und zwar mit einem weit geringeren Verlust der volumetrischen Effizienz.
• In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist eine Pumpe Pumpelemente auf, welche versiegelt sind und zusammen mit einer Welle gedreht werden können, wobei ein Nockenring um die Pumpelemente herum angebracht ist. Der Nockenring hat eine reduzierte Dicke, so dass er um die zur Zuführung der erforderlichen maximalen Dutchflussrate erforderliche Menge elastisch verbogen werden kann. Der Nockenring kann von Seitenplatten durch einen radial außerhalb von ihm angeordneten Abstandshalterring abgehalten werden, so dass er sich frei radial bewegen kann. Anfänglich kann der Nockenring in eine Gestalt geformt oder deformiert sein, die der erforderlichen Anfangsgestalt angenähert ist, und zwar innerhalb der elastischen Beanspruchungsgrenzen des Nockenmaterials, und er kann in die Pumpe eingepresst sein, um eine symmetrische bucklige Gestalt zu bilden, begrenzt durch den äußeren Abstandshalterring auf äußere Grenzen bei Buckelmulden und durch Schwenkblöcke, Vorsprünge, Anschläge und Reiterwalzen oder andere Lagermittel an Knotenpunkten, wo keine Verbiegung erforderlich ist. Nahe den Scheitelpunkten der Buckel (Punkten mit minimalem Radius) können Vorspanneinrichtungen angebracht sein.
• Der Hohlraum zwischen dem Nockenring und dem äußeren Ring oder Abstandshalterring ist vorzugsweise in Umfangsrichtung eingeteilt in mehrere unterschiedliche Bereiche, die zumindest teilweise voneinander abgedichtet sind, wobei zumindest ein Bereich ein Bereich mit hohem Druck ist und zumindest ein Bereich ein Bereich mit niedrigem Druck ist.
• Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nun nur beispielhaft mit Bezug auf die begleitende Zeichnung, Fig. 1, beschrieben, welche eine Querschnittsansicht durch eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wobei die linke Seite der Figur einen Zustand bei niedrigem Durchfluss und die rechte Seite einen Zustand mit hohem Durchfluss zeigt.
• Die in Fig. 1 gezeigte Pumpe hat zehn Rollen 1 in einem Träger 2, welcher zur Drehung angetrieben wird mittels einer Welle 3 mit einer Keilnut und einem Keil 4. Die Rollen können sich frei radial bewegen im äußeren Abschnitt eines eng angepassten Schlitzes 5. Sie sind nach außen hin beschränkt durch einen flexiblen Nockenring 6. Die hier dargestellte besondere Ausgestaltung ist mit einem Nockenring mit zwei Buckeln und konstanter Dicke versehen.
• In dieser besonderen Ausführungsform ist ein äußerer Abstandshalterring 7 mit zwei Paaren von nach außen schwenkbaren Rollen und Puffern 9a, 9b versehen, welche den Nockenring 6 an Knotenpunkten unterstützen, wo die radiale Position des Nockenrings 6 im Wesentlichen konstant ist. Die beiden Federn 10 sind so ausgewählt, dass sie die natürliche elliptische Gestalt des Nockenrings beibehalten, wie dargestellt.
• Wenn die Pumpe angelassen wird, wird ein Druck innerhalb des Nockenrings 6 in Bereichen mit sich verringerndem Radius erzeugt. Dieser Druck wird abgelassen durch kleine Begrenzungen 15a in dem Nockenring 6 nahe den Knoten zu dem Hohlraum zwischen dem Nockenring 6 und dem umgebenden Ring 7 in besonderen Bereichen 14 mit hohem Druck. Die Entfernung in Umfangsrichtung, über die dieser Druck wirken kann, ist begrenzt mit zwei Dichtungseinrichtungen 9a, 8a, 8b für jeden Buckel, und der Druck, der erreicht werden kann, wird gesteuert mit einer zweiten Ablassvorrichtung 15b zu dem Pumpenkörperhohlraum und zurück zur Einlassöffnung 12. Übrige Bereiche in Umfangsrichtung der Nocke verbleiben bei einer hohen Druckdifferenz. Wenn der Ablassdruck steigt, baut sich ein steigendes Kraftdifferential über den Nockenring auf, bis es die Steuerkraft überschreitet und eine Verbiegung in Richtung der kreisförmigen Gestalt beginnt. Einem weiteren Druckanstieg wird zusätzlich entgegengewirkt mit einer Nockenkraft aufgrund innerer Spannungen in dem Nockenring 6, bis die Gestalt sich einer kreisförmigen Gestalt annähert und ein sehr geringer Durchfluss bei höheren Drücken zugeführt wird. Die genaue Kennlinie kann mit den Anforderungen des Zuführkreises variieren, aber das Konzept ist geeignet für die meisten Anwendungen.
• Eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn von der dargestellten Ansicht der Welle 3 bringt die Rollen 1 dazu, sich radial einwärts in dem Bereich der schwenkenden Rollen 9a zu bewegen. Die sich verringerte Lücke zwischen dem Nockenring 6 und dem Träger 2 führt dazu, dass Fluid seitwärts ausgestoßen wird. Es wird gesammelt in den beiden Auslassöffnungen 11 und gefördert (bei einem geeignet hohen Druck für die erforderte Last). Während dessen bewegen sich andere Rollen 1 radial auswärts (im Bereich der schwenkenden Rollen 9b) und ziehen Fluid ein von den Einlassöffnungen 12. Der Abstandshalterring 7 hält geringe Lücken zwischen dem Nockenring 6 und den Seitenplatten und zwischen dem Träger 2 (und den Rollen 1) und den Seitenplatten aufrecht, da er axial geringfügig länger ist als der Nockenring 6 und der Träger 2. Die Details der Beschränkungen des äußeren Abstandshalterrings 7 in dem Gehäuse 13 sind nicht signifikant; es wird jedoch deutlich, dass in der beschriebenen Ausführungsform vier Ansätze 16 vorgesehen sind, durch welche Bolzen eingepasst werden können, um die Seitenplatten und so die Öffnungen 11, 12 nahe dem Träger 2 und dem Nockenring 6 zu halten. Die Steuerung des Drucks in den Regionen 14 kann über kleine Beschränkungen 15a, 15b oder geeignete alternative Durchfluss- Steuereinrichtungen erfolgen. Wenn der Druck in den Bereichen innerhalb des Nockenrings 6 in Verbindung mit den Auslassöffnungen 11 steigt, erlauben die Beschränkungen 15a, 15b, dass sich ein reduzierter Druck in den Bereichen 14 mit hohem Druck aufbaut, zwischen den schwenkenden Rollen 9a und den Anschlägen 8a und Reiterwalzen 8b. Der Druck in den Bereichen 14 mit hohem Druck wirkt gegen die Federn 10 (der Druck in dem Nockenring wird im Wesentlichen ausbalanciert über die schwenkenden Rollen 9a), und gegen die Steifigkeit des Nockenrings, um den Nockenring kreisförmiger zu machen (die Reiterwalzen 8b bewegen die Anschläge 8a nach oben, um die Dichtung aufrechtzuerhalten) und um so die Auslassdurchflussrate zu reduzieren, um dem höheren Druck zu genügen. Das Ergebnis ist, dass die Pumpe als Gesamtheit hydraulisch selbst kompensierend ist.
• Selbstverständlich sind alternative Ausgestaltungen der Teile der Pumpe möglich, ohne dass der Bereich der vorliegenden Erfindung verlassen wird. Beispielsweise können alternative Dichtungseinrichtungen für die Rollen und Puffer angewandt werden. Die Vorspanneinrichtung könnte eine Schraubenfeder sein, aber ebenso gut eine andere Einrichtung. Die Anzahl der Pumpelemente braucht nicht zehn zu sein, und ebenso kann die Anzahl der Einlass- und Auslassöffnungen sich verändern. Rollen und Schlitze könnten ebenso gut ein anderer Pumpmechanismus sein, sowie Kolben (in Bohrungen im Träger), die an der Innenseite des Nockenrings gleiten. Die axiale Klemmvorrichtung (nicht dargestellt) ist nicht signifikant. Materialien sind nicht beschrieben, aber normalerweise wird Stahl in Betracht gezogen. Der Keil zwischen Welle und Träger kann auch eine andere Einrichtung, wie beispielsweise ein Stift, sein. Der umgebende Ring könnte Teil des Körpers sein, wobei die Beschränkungen der Dichtungseinrichtung eingebaut wären. Eine Drucksteuerung hinter der Nocke könnte mit jeder geeigneten Vorrichtung ausgeführt werden, kleine Begrenzungen sind nur ein Beispiel.

Claims (11)

1. Pumpe mit einer Einlassöffnung (12), einer Auslassöffnung (11) sowie einem Pumpmechanismus zum Pumpen von Fluid von der Einlassöffnung zu der Auslassöffnung bei einer Ablassflussrate, wobei der Pumpmechanismus einen Träger (2) mit mehreren Pumpelementen (1) beinhaltet, die daran ausgeformt oder darin angebracht sind, sowie einen Nockenring (6), welcher den Träger (2) umgibt und eine innere Nockenfläche hat, welcher die Pumpelemente (1) folgen, wobei der Nockenring (6) flexibel ist, so dass die Ablassdurchflussrate durch Verändern der Gestalt des Nockenrings (6) mittels Steuermitteln verändert werden kann, welche zumindest eine Vorspanneinrichtung (10) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuermittel weiter zumindest eine Nockenöffnung (15a) aufweist, welche den Fluiddruck steuert.

2. Pumpe nach Anspruch 1, wobei die Pumpe weiter einen äußeren Ring (7) aufweist, welche den Nockenring (6) über zumindest ein Lagermittel (9a, 9b) umgibt und hält.

3. Pumpe nach Anspruch 2, wobei mehrere Lagermittel (9a, 9b) an Knotenpunkten des Nockenrings (6) während des Betriebs vorgesehen sind.

4. Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Steuermittel die Gestalt des Nockenrings (6) zwischen einer bestimmten ersten und zweiten Gestalt verändert, die Positionen der Pumpe der maximalen bzw. minimalen Ablassdurchflussrate während des Gebrauchs entsprechen.

5. Pumpe nach Anspruch 2, 3 oder 4, wenn abhängig von Anspruch 2 oder 3, wobei der Raum zwischen dem Nockenring und dem äußeren Ring in Umfangsrichtung eingeteilt ist in verschiedene Bereiche, die zumindest teilweise voneinander abgedichtet sind, wobei zumindest ein Bereich (14) ein Bereich mit hohem Druck und zumindest ein Bereich ein Bereich mit niedrigem Druck ist.

6. Pumpe nach Anspruch 5, wobei die Knotenpunkte (9a, 9b) im Wesentlichen an denselben Stellen wie die Dichtungspunkte zwischen dem Nockenring und dem äußeren Ring vorgesehen sind.

7. Pumpe nach Anspruch 5 oder 6, wobei die zumindest eine Vorspannrichtung in dem zumindest einen Bereich mit niedrigem Druck vorgesehen ist, und wobei die zumindest eine Nockenöffnung (15a) Druck von Bereichen mit niedrigem Druck innerhalb des Nockenrings (6) zu zumindest einem Bereich (14) mit höherem Druck zwischen dem Nockenring und dem äußeren Ring kommunizieren, und wobei ein zweites Durchfluss-Steuermittel Druck von dem zumindest einen Bereich (14) mit hohem Druck zu dem zumindest einen Bereich mit niedrigem Druck und so zur Einlassöffnung (12) der Pumpe kommunizieren.

8. Pumpe nach Anspruch 7, wobei das zweite Durchfluss- Steuermittel zumindest eine Öffnung (15b) in dem äußeren Ring (7) aufweist.

9. Pumpe nach Anspruch 2 oder einem der Ansprüche 3 bis 8, wenn abhängig von Anspruch 2, wobei der äußere Ring (7) axial länger ist als der Nockenring (6).

10. Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Nockenring (6), wenn er sich in einer Gestalt entsprechend einer maximalen Ablassdurchflussrate der Pumpe befindet, mehrere Buckel aufweist, welche symmetrisch über den Nockenring (6) verteilt sind.

11. Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Pumpeneinlassöffnungen (12) und mehrere Pumpenauslassöffnungen (11) vorgesehen sind.