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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Pumpen
von Flüssigkeiten oder
luftartigen Stoffen mit einer doppeltwirkenden, hin- und hergehenden
Bewegung, die hydraulisch erzeugt wird.
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Aus
dem Stand der Technik sind zahllose Lösungen zum Pumpen von Flüssigkeiten
oder luftartigen Stoffen bekannt. Systeme von Pumpen von Flüssigkeiten
und luftartigen Stoffen können
im Wesentlichen in zwei Klassen unterteilt werden: (a) fluiddynamische
Betätigungssysteme
wie z. B. Kreiselpumpen und dgl., basiert auf den Gesetzen der Fluiddynamik und
auf der Übertragung
zwischen dem Impuls und der mechanischen Energie, und (b) Verdrängersysteme,
basiert auf der Variation des in einem Pumpengehäuse eingeschlossenen Volumens
durch sowohl direkte als auch indirekte mechanische Einwirkung mit
Hilfe eines Arbeitsfluids.
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Die
Systeme der Gruppe (a) und der Gruppe (b) präsentieren Vorteile und Nachteile,
und die Wahl zwischen dem einen oder dem anderen System in irgendeiner
Anlage wird durch die speziellen Verwendungszwecke und die „sekundären" Bedingungen diktiert,
die der Konstrukteur einhalten muss und die durch verschiedene Faktoren
bestimmt werden.
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Pumpen
von Flüssigkeiten oder
luftartigen Stoffen des oben erwähnten
Typs, die in die Systemklasse der (b)-Gruppe fällt, welche oben angegeben
ist.
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In
dem italienischen Patent Nr. 1 262 358 in dem Namen derselben Anmelderin
mit dem Titel „Vorrichtung
zum Pumpen von Flüssigkeiten
mit einer durch einen Hydraulikkreis betätigten Membranpumpe" ist eine Vorrichtung
zum Pumpen von Flüssigkeiten,
insbesondere für
Wärmepumpen,
dargestellt und beschrieben, welche eine Membranpumpe umfasst, die
durch einen hydrauli schen geschlossenen Kreis betätigt wird,
der einen Hydrauliköltank
umfasst, eine Drehkolbenpumpe, die zwischen dem Tank und der unteren
Kammer der Membranpumpe platziert ist, und ein Drehschaltventil,
das dem Zweck dient, das Öl
mit einer Hin- und Herbewegung der Membranpumpe hin- und herzupumpen,
um eine pulsierende Saug- und Förderbewegung
in der zu pumpenden Flüssigkeit
hervorzurufen, welche auf der Prozessseite der Membranpumpe strömt.
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Die
Vorrichtung ist in der beigefügten 1 schematisch
dargestellt, und es wird ein hin- und hergehendes Vedrängerpumpsystem
indirekt durch ein Fluid (Öl)
betätigt,
das auf eine kontinuierliche Weise mit Hilfe einer Drehkolbenpumpe
unter Druck gesetzt wird, insbesondere einer Zahnradpumpe, die mittels einer
mechanischen Transmission derselben Antriebskraft, die die Pumpe
betätigt,
mit einem Drehschieber zusammenwirkt, welcher den Ölstrom zwischen
der hin- und hergehenden Pumpeinheit und einem Tank umkehrt.
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2 zeigt
das Verhalten, als eine Funktion der Zeit, des Durchsatzes eines
Pumpsystems, wie dasjenige, das in 1 gezeigt
ist, gemäß dem italienischen
Patent Nr. 1 262 358, auf das oben Bezug genommen worden ist.
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Es
ist zu erkennen, dass die Pumpwirkung von einem pulsierenden Typ
ist und dass der Durchsatz oder die Förderung einer Rechteckschwingung gleicht.
Die Pulsation ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass die Membranpumpeinheit
(1) von der einzelnwirkenden Bauart ist und der
elektrischen Analogie eines einzelnen Halbwellengleichrichters entspricht.
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Dieses
pulsierende Verhalten kann für
zahlreiche Verwendungszwecke passen, aber in dem Fall von hohen
Durchsätzen
und Drücken
kann die Pulsation des gepumpten Fluids, sei es eine Flüssigkeit oder
eine luftartige Substanz, viele Probleme beinhalten wie periodische
Beanspruchungen in dem durch die Pumpe gespeisten System mit möglichen Nachteilen
aufgrund von Ermüdungsbeanspruchung der
Bauteile, Rauschen und Strömungsunterbrechung,
die sich für
Kühlschränke oder
Wärmepumpen,
welche mit einem Ab sorptionszyklus arbeiten, als nachteilig erweisen
können,
was dem einschlägigen
Fachmann bekannt ist.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Pumpen
von Flüssigkeiten oder
luftartigen Stoffen zu schaffen mit einer doppeltwirkenden, hin-
und hergehenden Bewegung oder Betätigung mit Membranpumpeinheiten
od. dgl. der Klasse, die in dem oben erwähnten italienischen Patent
beschrieben ist.
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Die
US 4,543,044 beschreibt
eine Doppeleinheitspumpe mit: zwei Kolbenpumpeinheiten, die dafür ausgebildet
sind, kooperativ zu arbeiten; einer Dichteinrichtung zum Unterteilen
des Gehäuses
von jedem Kolben in eine Arbeitsflüssigkeitskammer variablen Volumens
und eine komplementäre
Förderflüssigkeitskammer;
und eine Durchflusssteuereinrichtung, die in der Lage ist, den Durchfluss
der beiden Flüssigkeiten
aus dem Gehäuse
eines Kolbens zu dem anderen alternativ umzuschalten, wobei die
Einrichtung eine Pumpe konstanter Förderung für die Arbeitsflüssigkeit
umfasst, die mit den Gehäusen,
Ventilen und einem Tank verbunden ist.
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Die
EP 0 568 742 beschreibt
ein Verfahren zum Transferieren eines Produktionsfluids, das flüssige und
gasförmige
Phasen beinhaltet, aus einem Brunnen zu einem Exportpunkt, und stellt
dafür ein System
bereit, das zwei Kammern umfasst, in deren untere Teile Flüssigkeit
aus einer Hochdruckquelle durch die Wirkung einer Einzelphasenflüssigkeitspumpe
eingeleitet wird, der ein Zweistellungsschieberventil zugeordnet
ist. Letzteres verbindet abwechselnd die Kammern mit den stromaufwärtigen und stromabwärtigen Seiten
der Pumpe.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Pumpsystem geschaffen, wie es im Patentanspruch 1
beansprucht ist.
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Andere
Merkmale des Systems nach der vorliegenden Erfindung sind in den
beigefügten
abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun durch gegenwärtig bevorzugte Ausführungsformen
offenbart, die als nicht als Einschränkung zu verstehende Beispiele
gezeigt sind, auf der Basis der Figuren in den beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 schematisch
den Aufbau eines einzelnwirkenden Pumpsystems gemäß dem Stand
der Technik zeigt;
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2 schematisch
die Betriebsarten des Pumpsystems gemäß 1 zeigt,
angewendet bei dem Pumpen von Flüssigkeiten;
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3 ein
Funktionsdiagramm des doppeltwirkenden Pumpsystems nach der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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die 4 bis 8 Ausführungsvarianten des
doppeltwirkenden Pumpsystems nach der Erfindung zeigen, das in 3 veranschaulicht
ist; und
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9 ein
Beispiel einer Pumpeinheit der Freikolbenbauart zeigt, die bei der
vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
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Das
Funktionsdiagramm der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme
auf 3 beschrieben. Es wird ein Ölsteuersystem bereitgestellt, das
einen Antriebsmotor umfasst, welcher aus einem Elektromotor 10 besteht,
der eine Drehkolbenölpumpe 11 antreibt,
insbesondere eine Zahnradpumpe, um ein Antriebsfluid (Öl) zu bewegen.
Die Übertragung
der mechanischen Bewegung durch die Zahnradpumpe 11 über ein
Untersetzungsgetriebe 12 betätigt einen Drehschieber 13,
der Öl
aus einer ersten Membranpumpeinheit 14 und einer zweiten
Membranpumpeinheit 15 liefert oder saugt.
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In 3 ist
zu erkennen, dass der Kreis des Öls,
welches das Arbeitsfluid ist, und die Anordnung der Wege des Drehschiebers 13 einen
Gegentaktbetrieb der Pumpeinheiten 14 und 15 bewirken,
d. h. eine 180°-Phasenverschiebung
zwischen den Durchsatz/Druck-Pulsationen, die in dem gepumpten Fluid erzeugt
werden. Auf diese Weise werden die „Hohlräume", die in der schematischen Darstellung
der Betriebsarten des einzelnwirkenden Pumpsystems nach 2 gezeigt
sind, eliminiert.
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In 4 ist
eine erste praktische Ausführungsform
des Pumpsystems gemäß dem Funktionsdiagramm
nach 3 gezeigt.
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Die
Komponenten, die denjenigen in dem Diagramm nach 3 entsprechen,
sind in 4 mit denselben Bezugszahlen
bezeichnet.
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In
dem Aufbau nach 4 ist ein Tank 16, der
nicht unter Druck gesetzt wird, vorgesehen, der, um die Expansion
des Arbeitsfluids (Öls)
zu kompensieren, wie ein Expansionstank arbeitet, wobei der überschüssige Druck
aus der Pumpe 11 mittels eines geeichten Überdruck-
oder Sicherheitsventils 17 abgegeben wird. Frischöl kann aus
dem Tank oder Expansionstank mittels eines Ventils 18 gesaugt
werden, das geeicht sein kann, um Kurzschlüsse auf der Ölseite während des
Ansaugens bei niedrigen Drücken
zu verhindern. Dieses Ventil 18 ist auf einen geeignet
niedrigen Druck geeicht, um das Saugen von Fluids bei Drücken zu
erlauben, die gleich dem oder höher
als der Eichdruck sind. Das Rohr, das von dem Ventil 18 kommt,
führt zusammen
mit der Ölansaugleitung
auf der Seite der Membraneinheiten 14, 15 zu dem
Tank 19, in welchem möglicherweise
ein Filter F angeordnet ist und welcher einen Auslass 20 hat,
der mit der Einlassseite der Zahnradpumpe 11 verbunden
ist.
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Ein
System von unidirektionalen Ventilen 21, 22, 23, 24 in
einer Konfiguration, die in der Elektronik als „Graetz-Brücke" bekannt ist, ist auf der Prozessseite
der Membranpumpeinheiten 14, 15 angeordnet. Die
Ventile 21, 22, 23, 24 sind
mit einer Saugleitung 25 bzw. einer Förderleitung 26 verbunden.
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Auf
diese Weise wird eine „Doppel-Halbwellen-Gleichrichtigung" in der pulsierenden
Strömung der
einzelnen Pumpeinheiten 14 und 15 erzielt, die im
Gegentaktbetrieb arbeiten, d. h. mit 180° Phasenverschiebung.
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Da
die Förderung
der einzelnen Pumpeinheiten 14, 15 eine rechteckige
Form hat, wenn Flüssigkeiten
beteiligt sind (2), weist die Ausgangs strömung in
der Förderleitung 26 im
Wesentlichen keine Diskontinuität
auf, was mit den oben dargelegten Vorteilen verbunden ist.
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In 5 ist
eine zweite Variante der praktischen Ausführungsform nach 4 gezeigt.
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In 5 bezeichnen
gleiche Bezugszahlen wie in 4 entsprechende
Komponenten.
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In
der Variante nach 5 ist der Expansionstank 16 eliminiert,
und das Sicherheitsventil 17 lässt auf der Saugseite der Zahnradpumpe 11 durch, während die
thermischen Expansionen des Öls durch
die Membraneinheiten 14, 15 gewährleistet werden.
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Ein
weiteres Sicherheitsventil 27, das auf einen niedrigeren
Druck als das Sicherheitsventil 17 geeicht ist, kann auf
der Förderseite
der Pumpe 11 vorgesehen sein. Das Ventil 27 ist
während
des normalen Betriebes des Systems geschlossen, wohingegen es während der
ersten Minuten des Systemhochlaufs nur benutzt wird, um die Abgabe
des möglichen überschüssigen Öls in die
Charge zu erlauben, zusammen mit demjenigen, das aus der thermischen Expansion
bei der normalen Betriebstemperatur resultiert.
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Die
Variante nach 6 entspricht der nach 5.
In dem Aufbau nach 6 ist der Tank teilweise voll,
und der freie Raum 28 über
der Ölmasse dient
als ein Expansionsraum zum Kompensieren der thermischen Expansionen
des Öls.
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In
dem Aufbau nach 6 muss, um den Betrieb zu garantieren,
der existierende Druck in dem Tank auf einem niedrigeren Wert gehalten
werden als der Druck des Arbeitsfluids auf der Einlassseite, was durch
die Pumpeinheiten 14, 15 gesteuert wird. Andernfalls
wären die
Membranen der Einheiten 14, 15 nicht in der Lage,
die Ansaugphase auszuführen.
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Es
sei angemerkt, dass in den Ausführungsformen,
die in den 3 bis 5 gezeigt
sind, der Einlassdruck des Öls
automatisch mit dem Ansaugdruck an den Membranpumpeinheiten zusammenfällt, abgesehen
von den Druckverlusten, wohingegen er in dem Fall von 6 auf
den niedrigeren Wert eingestellt wird, der durch die Betriebsbedingungen
erlaubt wird.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 7 gezeigt, die zum Teil der nach 6 entspricht.
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In
der Variante nach 7 ist ein Tank 29, der
einfach zur Atmosphäre
hin offen ist, für
das Öl vorgesehen.
In diesem Fall wird der Druck auf der Einlassseite der Membranpumpeinheiten
höher sein müssen als
der Atmosphärendruck
um wenigstens den Wert, der erforderlich ist, um die Elastizität der Membran
zu überwinden,
addiert zu den Druckverlusten auf der Ölseite. Es ist klar, dass ansonsten kein
Pumpvorgang stattfinden würde.
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In 8 ist
eine weitere Variante gezeigt, die in vieler Hinsicht der in 4 gezeigten
Ausführungsform
gleicht.
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In
der Ausführungsform
nach 8 ist in dem Kreis des Arbeitsöls ein Membranexpansionstank 30 vorgesehen,
der nur teilweise mit Öl
gefüllt ist.
Der Membranexpansionstank 30 erlaubt die thermische Expansion
des Öls
mit Hilfe des Förderventils,
während
das geeichte Ergänzungsventil
das normale Pumpen mit Ansaugen von Öl aus den Membraneinheiten
und, nur für
die Ergänzung,
auch aus dem Expansionstank erlaubt. Der Expansionstank 30 ist
auf der Seite, die zu der Ölseite
entgegengesetzt ist, mit der Einlassleitung auf der Prozessseite
verbunden, was bewirkt, dass der Ergänzungsdruck des Ergänzungsventils
veranlasst wird, sich automatisch auf den Einlassdruck auf der Prozessseite
einzustellen, womit das Auftreten von Kurzschlüssen auf der Ölseite eliminiert
wird.
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Unterschiedlich
gegenüber
dem Diagramm nach 4 bleibt der Ölkreis auf
der Umgebungsseite verschlossen, um Lecks von schädlichen
Stoffen im Falle eines Bruches der Membranen der Pumpeinheiten zu
verhindern.
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Vorstehend
sind Ausführungsformen
dargestellt worden, bei denen Membranpumpeinheiten benutzt werden.
Sie könnten
durch Pumpeinheiten der Freikolbenbauart ersetzt werden, unter der
Bedingung, dass eine Trennung zwischen dem Arbeitsöl und dem
gepumpten Fluid aufrechterhalten wird.
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Diese
Trennung zwischen dem Öl
und dem Prozessfluid kann erzielt werden, wie es dem einschlägigen Fachmann
bekannt ist, mit Hilfe von elastischen Dichtungen zwischen dem Zylinder
und dem Kolben mit der oder ohne die Hilfe von einer so genannten „Laterne", die den Zylinder
auf der Prozessseite von dem Zylinder auf der Ölseite trennt.
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Gemäß der Darstellung
in 9 umfasst die Freikolbenpumpeinheit einen Zylinder 40,
in welchem sich ein Kolben 41, der durch Dichtungen 42 abgedichtet
gehalten wird, verschieben kann. Der Kolben 41 begrenzt
eine erste Steuerkammer 43, wobei ein Arbeitsfluid (Öl) mit Hilfe
einer Leitung 44 geliefert und abgesaugt werden kann, und
eine zweite Arbeits- oder Verdrängungspumpenkammer 45,
die mit einem Förderventil 46 und
einem Saugventil 47 zusammenwirkt. Die Ventile 46, 47 sind
zwar als unidirektionale Ventile der Kugelbauart mit einem konischen
Sitz gezeigt, es ist jedoch klar, dass sie von anderer Form sein
können.
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Offenbar
kann die oben erwähnte
Anordnung mit „Laterne" vorgesehen werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist zwar unter Bezugnahme auf die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
beschrieben worden, es ist jedoch beabsichtigt, dass Varianten und
Modifikationen in der Praxis vorgesehen wer den können, ohne den Schutzbereich
des vorliegenden gewerblichen Patents zu verlassen.