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Flüssigkeitskelbenpumpe Die bisher bekannten, zur Förderung von Flüssigkeiten
dienenden Kolbenpumpen arbeiten meist so, daß die ztl fördernde Flüssigkeit durch
eine Saugleitung in den Zylinder "e_ saugt und von diesem durch den Druckhub in
eine an den Zylinder angeschlossene Druckleitung gepreßt wird. In der Sau- und Druckleitung
werden - dabei Klappen oder Ventile angeordnet, die dafür sorgen, daß die
in den Zylinder gesaugte Flüssigkeit nicht in die Druckleitung zurücktreten kann
und daß die in die Druckleitung geförderte Flüssigkeit beim Saughub nicht mehr in
den Zylinder zurückfließen kann. Es sind auch schon Pumpen bekannt, welche ohne
Ventile oder Abschlußklappen in der Saug' und Druckleitung arbeiten. Bei einer bekannten
Einrichtung dieser Art wird die Flüssigkeit durch den zwischen dem Förderkanal und
dem Kolben befindlichen Raum gefördert. Um ein Zurückfließen der Flüssigkeit gegen
die Förderrichtung zu verhüten, sind besondere hakenfürmige Ringe am Außenumfang
des Förderkolbens und am Innenumfang des Förderkanals angeordnet. Eine andere ohne
Abschlußventil arbeitende Pumpe besitzt einen mit einer glatten zylindrischen Bohrung
versehenen Kolben, durch den die Flüssigkeit beim Saughub hindurchfließt. Beim nachfolgenden
Druckhub wird hier der weitaus größte Teil der Flüssigkeit wieder in der entgegengesetzten
Richtung zurückströmen, weil besondere Vorrichtungen, die ein Zurückfließen verhindern
könnten, nicht vorhanden sind. Es sind schließlich auch schon mit durchbohrtem Kolben
arbeitende Pumpen bekannt, bei denen der Schwirigkolben beim Druckhub mit einer
sehr großen Fläche auf die im Arbeitsraum der Pumpe eingeschlossene Flüssigkeit
drückt. Hierbei lassen sich erhebliche Wirbelbildungen nicht vermeiden.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine vorzugsweise elektrornagnetisch,
z. B. mit Hilfe einer Membran betriebene Flüssigkeitskolbenpumpe, deren Arbeitsraum
in ständig offener Verbindung einerseits mit dem Saugraum
und andererseits
übL#r den init einem kvgeli-en Durchtrittskanal versehenen Hohlkolben init dein
Druckrauni stellt.
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Erfindungsgemäß ist der größte Durchinesser des kegeligen Durchtrittskanals
auf der der angesaugten Flüssigkeit zugekehrten Stirnseite des Kolbens gleich dein
Kolbendurchmesser der Pumpe, und die engste Stelle des kegeligen Durchtrittskanals
fällt in die gegenüberliegende Begrenzungsebene des Kolbens. Durch diese Bauart
er-eben sich beim Kolben auf beiden -";eiteii scharfe Kanten, durch die erreicht
wird, daß der ])in und her ,geliende Kolben ohne Verwendung voll -Ventilen in der
Saug- und Druckleitung den Z, k# ,größten Teil der angesatigten Flüssigkeits-3
t' menge in die Druckleitung fördert und dal.') ein Zurückfließen von geförderter
Flüssig1.#eit aus der Druckleitung in den Flüssigkeitsbehälter weitgehend vermieden
-wird.
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'Zach einer weiteren Ausführun-sfortil der Erfindung wird der Putilpenkolben
beweglich in einem Zylinder angeordnet, all dessen unterein Ende Zulaufkanäle für
die zu iiirdernde Flüssigkeit vorgesehen sind. Diese Kanäle stehen mit einem an
den Zylinder angrenzenden, die zu fördernde Flüssigkeit enthaltenden Rauin in offener
Verbindung. Diese Zulaufkanäle sind derart kegelig ausgebildet, daß der größte Durchtrittsquerschnitt
dem Aufnallineraum für die Flüss4-1 keit und der kleinste Durcliflußquerscliiiitt
dem Innenraum des Arbeitszylinders zugewendet ist.
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Die Kolbenbewegung muß bei einer ohne Ventile oder Klappen ausgeführten
Pumpe ,gemäß der Erfindung so schnell erfolgen, daß der .I weitaus größte Teil der
vom Kolben i allgesaugten Flüssigkeit beim Druckhub infolge der Trägheit der Flüssigkeit
nicht durch die offenen Zulaufkanäle in den Flüssigkeitsbehälter zurückfließen kann,
sondern durch das Kolbeninnere in die ventillose Druckleitung gefördert wird tind
daß diese aus dein Kolben in die Druckleitung geförderte Flüssigkeit beim Satighub
nicht durch den kegeligen Durchtrittskanal des Kolbens in den Zyliiider zurücktreten
kann. Trägt man für die gemäß der Erfindung ausgeführte Pumpe die Fördernienge in
Abhängigkeit von der Schwingungszahl auf, so ergibt sich für die jeweils betrachtete
Pumpe eine Kurve, die im Bereiche einer bestimmten Schwingungszahl ein .L%Iaximum
hat. Die La-e dieses günstig z' t' gen Arbeitsbereiches der Pumpe hängt ab von der
Bauforni und den Abmessungen der Pumpe und von der zu fördernden Flüssigkeit.
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Zum Antrieb des Kolbens können irgendwelche all sich bekannte. eine
hin und her Uhende Bewegung ausführende Vorrichtun "Uli \V#F%\'Vlldct werden.
Besonders geeignet ist ein Antrieb mit Hilfe eines Elektromagneten init zeitlich
veränderlichem Feld, also beispielsweise ein durch Wechselstrom oder durch pulsierenden
Gleichstrom erregter E-lektrolliagliet. Eine solche Einrichtung kann nian beispielsweise
derart ausbilden, daß das Wechselfeld z. B. auf eine Membran (,federndes Band, gespannter
Stahldraht oder ähnliche federnde Körper) einwirkt, mit der der Punipenkolben mittels
einer Stange starr verbunden ist. In diesem Falle erfüllt die .\Ieinbran die Aufgabe
eine"; Schwungrades bzw. eines Kurbeltriebes und dient zur Begrenzung der Kolbenbewegung.
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Die Figuren ;,eigen als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Kolbenpurnpe
mit elektromagnetischem Antrieb. Mit i ist der in einem Zylinder2 beweglich angeordnete
Punipenkolben bezeichnet-, mit dem oberen Teil des Kolbens ist eine Kolbenstange
3 fest verbunden, die all der Mitte z. B. einer Meinban 4 befestigt ist.
Die Membran ist in einem Halter5 eingespatint, der gleichzeitig als Träger eines
Eisenkeriies 6 eines Antriebsniagneten dient. -Mit 7 ist die Magnetspule
bezeichnet. Der Zvlinder 2 ist in der aus der Zeichnung ersichtlichen Weise beispielsweise
in einem Behälter 8 eingebaut, welcher von der zu fördernden Flüssigkeit
bis zu dem eingezeichneten Spiegel mit Flüssigkeit gefÜllt ist. 9 ist eine
Zulaufleitung für die zu fördernde Flüssigkeit. Der Kolben i besitzt einen kegeligen
Durchtrittskanal io für die zu fördernde Flüssigkeit. Der größte Durchinesser des
Kegels befindet sich auf der unteren Seite des Kolbens und ist gleich dem Kolbendurchniesser,
so daß der Kolben an der Unterseite eine scharfe Kante i i besitzt. Die engste Stelle
12 des Durchtrittskanals io fällt in die obere Begrenzungsebene des Kolbens. Über
dieser Stelle ist eine ventillose Druckleitung 13 angeordnet. Die Druckleitung
kann beispielsweise als biegsame Rohrleitung ausgebildet sein.
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Im unteren Teil des ZvlinderS 2 sind ventillose Zulaufkanäle 14 vorgesehen,
die derart kegelig ausgebildet sind, daß ihr größter Durchtrittsquerschnitt dein
Flüssigkeitsbehälter 8 und der kleinste Durchtrittsquerschnitt dem Innenrauni
des ZvinderS 2 zugewendet ist.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch den Kolben und die zugehörigen
Druck- und Geschwindigkeitskurven für einen Verdichtungslitil). Fig. 3 zeigt
die Druckkurve für den Druck- und Saughub der Pumpe.
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Die Pumpe arbeitet folgendermaßen: Ini Ruhezustand der Pumpe wird
die Flüssigkeit im Zylinder 2 genau so hoch stehen wie im Behälter 8. Wird
der Kolben
nun unter dem Einfluß des magnetischen Feldes plötzlich
nach unten bewegt und nimmt man an, daß die unterhalb des Kolbens befindliche Flüssigkeit
vorwiegend nur --durch den Durchtrittskanal io des Kolb(§iis entweichen kann, so
erfolgt eine Verdichtung auf einen Druck Pd. Diese Drucksteigerung bewirkt, daff
die Flüssigkeit durch die enge Düsenmündung c entweicht. Da nach dem Kontinuitätsgesetz
das Gewicht der durchströmenden Flüssigkeit an jeder Stelle des. Düsenquerschnittes
dasselbe ist, ergibt sich bei in Richtung der Flüssigkeitsströmung immer kleiner
werdendera Düsenquerschnitt, daß die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit
in Richtung der engen Düsenmündung c immer größer wird, wie dies im Diagramm gemäß
Fig.:2 dargestellt ist. Entsprechend der Zunahme der Geschwindigkeit nim t der Druck
ab, um an der Düsenmündung einen kleinsten Wert zu erreichen. Die Flüssigkeit verläßt
also den Kolben mit einer # o
.r ßen Geschwindigkeit.
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Beim Rückwärtsgang des Kolbens gibt dieser den beim Hingang eingenommenen
Raum wieder frei, der dann von dem aus dem Behälter 8 durch Zulaufkanäle
zufließenden Wasser wieder aufgefüllt wird. Der Rückwärtsgang des Kolbens erfolgt
ebenso -wie die Abwärtsbewegung sehr schnell, was zur Folge hat, daß die aus dem
Kolben mit großer Geschwindigkeit ausgetriebene Flüssigkeit in dieser Zeit infolge
ihrer Trägheit nicht durch die Öffnung 12 zurückfließen kann. Es kommt hinzu, daß
der Strömungswiderstand in der umgekehrten Richtung infolge der plötzlichen Querschnittsverengung
viel größer ist als gei der allmählichen Verengung, so daß schon aus diesem Grunde
in der gleichen Zeit nicht die gleiche Flüssigkeitsmenge zurückströmen kann. In
Wirklichkeit wird ein Rückfluß in dieser Richtung praktisch überhaupt nicht erfolgen,
und es kommt eine Flüssigkeitsströmung nur in Richtung auf die Druckseite 13 zustande,
obwohl der Pumpenkolblen i an beiden Enden offen ist. Der Druck, gegen den die Pumpe
fördern kann, entspricht etwa dem mittleren Druck im Kolben beim Verdichtungshub.
Voraussetzung für das richtige Arbeiten der Pumpe ist, daß die im Kolben befindliche
Flüssigkeit beim Verdichtungshub überwiegend nur in Richtung auf die Druckleitung
strömt und nicht nach rückwärts durch die Zulaufkanäle 14, in denen ja ebenfalls
keine Klappen oder Veiitile'vorgesehen sind. Diese Voraussetzung ist, wie praktische
Versuche gezeigt haben, schon bei Zulaufkanälen erfüllt, die ohne Rücksichtnahme
auf irgendwelche strömungstechnische Vorteile ausgebildet sind. Durch die in der
Figur dargestellte bauliche Ausbildung der Zulaufkanäle ergeben sich noch günstigere
Verhältnisse, da hierbei der Strömungswiderstand für die Stromrichtung zum Kolben
i hin kleiner ist als in umgekehrter Richtung, so daß auch hier ein resultierender
Flüssigkeitsstrom in das Innere des Pumpenzylinders 2 übrigbleibt. Man kann die
Pumpe gemäß der Erfindung anwenden als Öl- und Brennstoffpumpe für Brennkraftmaschinen,
als Kühlwasserpumpe für Brennkraftmaschinen, als Flüssigkeitspumpe in
Ab-
sorptionsmaschinen mit flüssigem Kälte- und Lösungsmittel, als Pumpe für
Grundwassersenkungen bei Grundarbeiten, als Hauswasserpumpe mit Überlaufbehälter,
als Schöpfpumpe bei Überflutungen und überhaupt in allen Anlagen, wo eine Förderung
von Flüssigkeiten erforderlich ist.