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Elektrisch angetriebene Membranpumpe Es sind bereits Membranpumpen
mit mittels Wechselstromes durch einen Elektromagneten zu betätigender Membran bekannt,
deren aus dem Magnetanker und der mit diesem durch eine Stange verbundenen Membran
bestehendes, zwischen zwei hintereinander angeordneten, einander entgegenwirkenden
Federn aufgehängtes Schwingsystem, zwecks Ermöglichung der Wasserförderung mit diesen
zumeist nur zur Förderung bzw. Kompression von Gasen bestimmten Pumpen, durch eine
besondere Abstimmung des Magnetankers, der Membran und der Federn, unter Einbeziehung
der gesamten mitschwingenden Flüssigkeitsmasse in Resonanz mit den magnetischen
bzw. den elektrischen Schwingungen gebracht werden soll. Eine zum praktischen Betrieb
einer MembranpumpL für Flüssigkeiten unbedingt nötige, vollkommen einwandfreie.
Resonanz eines solchen Schwingungssystems mit den magnetischen bzw. elektrischen
Schwingungen auf vorgenannte Weise zu erzielen, ist aber bisher nicht gelungen,
und darum ist auch keine der bisher bekanntgewordenen elektromagnetischen Flüssigkeitsmembranpumpen
zur praktischen Verwendung gelangt. Die Ursache davon war die nicht ausreichende
Berücksichtigung des Einflusses der Größe der in die Abstimmung des Schwingsystems
miteinbezogenen Förderflüssigkeitsmasse auf den Schwingungsvorgang. Die Einbeziehung
der Förderflüssigkeit in die Abstimmung zeigt zwar, daß man sich bewußt war, daß
die Flüssigkeitsbewegung eine unbedingt zu berücksichtigende schwingende Komponente
enthält, doch hatte man nicht beachtet, daß diese zum schwingenden System hinzugehörige
Flüssigkeitsmasse stets so groß war, daß es überhaupt unmöglich war, ein solches
Resonanzschwingen erzielen zu können, das die Pumpen geeignet. machen würde, mit
nennenswerter Leistung Flüssigkeit zu fördern. Denn man benötigt ungeheuer große
Kräfte, um Massen von so großem Gewicht bei einer Wechselstromfrequenz von z. B.
50 mit einer Frequenz von zoo Schwingungen in der Sekunde schwingen zu lassen.
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Gegenstand der Erfindung ist nun eine mittels Wechselstromes im Wege
eines Elektroniagnetes
betätigte Flüssigkeitsnieinbranpumpe, welche
diese Mängel der bisherigen Fliissigkeitsmeinbranpurnpen vollkommen behebt und sich
durch ihre besondere versuchsmäßig festgestellte Leistungsfähigkeit hinsichtlich
der Wasserförderung auszeichnet. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß das
Problem der Flüssigkeitsmebranpumpe nur dann gelöst werden kann, wenn es gelingt,
die mitschwingende Flüssigkeitsmasse .auf eine kleine, unveränderliche, technisch
beherrschbare Größe zu vermindern und auch diesen Restbetrag bei der Abstimmung
zu berücksichtigen. Durch die den Gegenstand der Erfindung bildende Flüssigkeitsinembranpumpe
ist dieses Problem durch eine solche Ausbildung des Saug- und Druckrauines vollkommen
gelöst «-orden, welche der Flüssigkeit erfindungsgemäß dadurch eine gewisse Verdrängungsmöglichkeit
bietet, daß im Saugraum und/oder im Druckraum der Pumpe möglichst nahe den Ventilen
eine oder mehrere elastisch wirkende Flüssigkeitsbegrenzungsflächen vorgesehen werden,
«-elche die Förderflüssigkeit gegen einen oder mehrere nachgiebige, z. B. lufterfüllte
Räume abgrenzen, so daß das Flüssigkeitsvolumen sich im Druckraum beim Druckhub
vergrößern, im Saugraum beim Saughub verkleinern kann und sich in der Druck- wie
in der Saugleitung ein Flüssigkeitsstrom von praktisch konstanter Geschwindigkeit
ergibt, also ein die Resonanz erschwerendes 'Mitschwingen der Flüssigkeitsmassen
in diesen Leitungen unterbleibt. Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, daß
das Gewicht der schwingenden Flüssigkeitsmasse unabhängig von der Länge der Saug-
und Druckleitungen ist und auch praktisch unabhängig von Förderhöhe und Fördermenge
bleibt, vor allem aber darin, daß dieses Gesicht verhältnismäßig klein ist und daher
die Verwirklichung der Resonanzbedingung mit Hilfe verhältnismäßig kleiner magnetischer
Kräfte und Federkräfte gestattet. Die erläuterte grundsätzliche Wirkungsweise und
Bedeutung der elastisch wirkenden Flüssigkeitsbegrenzungsflächen ist von ihrer besonderen
Gestalt unabhängig, und es können daher ebene Flächen, wie z. B. in dem später beschriebenen
Ausführungsbeispiel, oder krumme Flächen, z. B. Kugelflächen, zylindrische Flächen
o. dgl. (luftgefüllte Gummibälle. geschlossene Schläuche usw.) der konstruktiven
Ausführung zugrunde gelegt werden.
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Die Zeichnung zeigt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Flüssigkeitsinembranpumpe in vertikalem Längsschnitt.
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Der die Flüssigkeitspumpe antreibende l#'-lelctromagnet i ist ein
Wechselstromelektrornagnet, dessen Wicklung .2 von Netzwechselstrom <ltirchflossen
wird und dadurch auf den i Anker 3 eine ihrer Intensität nach periodisch sich ändernde
Anziehungskraft ausübt. Er besitzt einen möglichst geschlossenen Eisen-' kreis,
uni bei geringstem Gewicht und Raum-' bedarf eine möglichst große elektromagnetische
Leistung zur Verfügung zu stellen. Aus diesem Grunde ist auch die Zahl und Größe
der den Eisenkreis unterbrechenden Luftspalte auf ein Mindestmaß beschränkt, wobei
zwei dieser Luftspalten eine zur Schwingungsrichtung des Ankers schräge Lage einnehmen.
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Der Anker 3 ist durch eine gerade Kolbenstange .I mit dem Mittelteil
der Kolbenmembran 5 starr verbunden. Der Rand dieser Membran ist- im Pumpengehäuse
6, das von Säulen ; getragen wird, eingespannt.
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Die Federung des schwingenden Systems besteht aus den Schraubenfedern
8 und 9, die sich einerseits gegen eine auf den Säulen verstellbar angeordnete Tragplatte
io, andererseits gegen einen Bund i i bzw. 12 der Kolbenstange q. stützen. Die Anordnung
der Federn ist so getroffen, daß sie dein Ausschwingen des Ankers, ob dasselbe nun
nach oben oder nach unten erfolgt, entgegenwirken und daher stets bestrebt sind,
das bewegliche System in seine Mittellage zurückzuführen. hie Federung wird genau
oder angenähert auf die Frequenz der magnetischen Anziehungskraft des Elektromagneten
i bzw. auf die Frequenz des speisenden Wechselstromes oder auf eine Oberwelle desselben
abgestimmt. Die blasse der Federn soll, wie jene des gesamten Schwingungssystems,
möglichst klein sein. Durch Heben oder Senken der Platte io kann die Vorspannung
der Federn ein-oder nachgestellt werden. Statt einer Schrau- i benfeder kann mit
Vorteil auch eine Feder mit nichtlinearer Kraft-Weg-Charakteristik, z. B. eine entsprechend
gebaute Kegelfeder, verwendet werden.
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Die- Kolbenmembran 5 bildet die untere, der Pumpendeckel 14 die obere
Begrenzung des Arbeitsraumes 13 der Pumpe. Im Deckel 1s sind als leicht bewegliche
Klappen, welche ring- oder schlitzförmige Öffnungen abdecken, das Saugventil 15
und das Druckventil 16 der i Pumpe angeordnet. Das Saugventil, und das gleiche gilt
vorn Druckventil, soll möglichst leicht beweglich und vorzugsweise derart ausgebildet
sein, claß seine natürliche Arbeitsfrequenz gleich. oder höher als die Schwingungsfrequenz
der Kolbenmembran 5 ist. Oberhalb der Ventile sind im Pumpengehäuse der Saugraum
17 und der Druckraum i8 der Pumpenflüssigkeit angeordnet, an welche Räume das Saugrohr
i9 und das Druckrohr 2o angeschlossen sind. Die Ventile sollen vorzugsweise so angeordnet
werden, daß der
Weg von den Saug- zu den Druckventilen möglichst
kurz ist. Ferner empfiehlt es sich, die Ventilkörper als von einem Spanndraht festgehaltene
Gummiringe auszubilden, die schlitzförmige Öffnungen bedecken.
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Der Saugraum i7 wird oben durch eine Wand 2i aus elastischem Material,
die z. B. eine Gummimembran sein kann, oder durch eine federbelastete Membranwand
begrenzt, und dies hat den Zweck, Druckstöße auszugleichen und einen möglichst konstanten
Flüssigkeitswiderstand während des Pumpens aufrechtzuerhalten. Aus dem gleichen
Grund besitzt auch der Druckraum 1ß eine membranartige Decke 22, die sich bei sehr
starkem Anwachsen des Druckes im Raum 18 an die mit Öffnungen 23 versehene, gewölbte
Gehäusedecke 24. anlegt. Die Membranen 21 und 22 ersetzen die sonst bei Kolbenpumpen
üblichen Saug- und Druckwindkessel und bieten diesen gegenüber den Vorteil, daß
sie bei geringem Raumbedarf der hohen Periodizität des Arbeitsvorganges der erfindungsgemäßen
Pumpe gut folgen können. Sie sollen vorzugsweise genau oder annähernd in Resonanz
mit der Frequenz des Schwingsystems stehen, was durch geeignete Bemessung der aus
elastischem Material bestehenden Membranen oder durch die Anordnung von regulierbaren
Federn zur Abstützung der aus elastischem oder unelastischem Material bestehenden
Membranen erreicht werden kann.
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Die beschriebene Pumpe arbeitet folgendermaßen: Wird -die Spule 2
des Elektroinagneten i mit Netzwechselstrom gespeist, so schwingen der Anker 3 und
die mit ihm verbundenen Teile, also insbesondere die Kolbenmembran 5, im Takte der
Wechselstromfrequenz und die Amplitude dieser Schwingungen wird dann besonders groß
sein, wenn das schwingende System oder zumindest die Federn 8 und g auf die Frequenz
der wechselnden Anziehungskraft des magnetischen Feldes abgestimmt sind. Durch die
schwingende Kolbenmembran 5 wird das Volumen des Arbeitsraumes 13 abwechselnd
vergrößert und verkleinert, so daß bei entsprechender Mitwirkung des Saugventils
15 und Druckventils 16 Flüssigkeit aus dein Saugrohr i9 in das Druckrohr 2o gefördert
wird. Die während jeder Periode außerhalb des Arbeitsraumes in der Flüssigkeit auftretenden
Druck- bzw. Voluinsschwankungen werden durch die Membranen2i und 22 ausgeglichen.
Beim Saughub wird nämlich die Membran 21 unter Zugwirkung, beim Druckhub die Membran
z2 unter Druckwirkung gesetzt, wobei sie aber abwechselnd, sozusagen mit einer zeitlichen
Phasenverschiebung von 9o° arbeiteq. Mit anderen Worten: Während des Saughubes drückt
die Membran 22 die Flüssigkeit ab, und während des Druckhubes saugt die Membran
21 neue Flüssigkeit an. Die beiden Membranen sorgen also für die Erhaltung der kinetischen
Energie.
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Wird der Pumpe unter sonst gleichen Verhältnissen eine geringere Flüssigkeitsmenge
entnommen, so wächst der Druck im Raum 1ä, wodurch die Schwingungen der Membran
5 bzw. des Ankers 3 derart beeinflußt werden, daß der Elektromagnet eine entsprechend
geringere Leistung aufnimmt. Die Arbeitsweise der Pumpe paßt sich also selbsttätig
den wechselnden Betriebsbedingungen an. Tritt aber der Grenzfall ein, daß dein Druckrohr
überhaupt keine geförderte Flüssigkeitsmenge mehr entnommen wird, so arbeitet die
Pumpe nur mehr so lange weiter, bis die Membran 22 ihre größte Ausdehnung erreicht
hat, also am Gehäuse 2.1 anliegt. Ist dies geschehen, bleibt als nachgiebige Begrenzung
der Flüssigkeit nur mehr die Kolbenmembran 5 übrig, welche durch den im Arbeitsraum
sich einstellenden hohen Flüssigkeitsdruck in ihre tiefste Stellung bewegt wird,
in welcher der Anker sich auf die entsprechenden Flächen des Elektromagnetkernes
aufsetzt. Da man, wie das Ausführungsbeispiel der "Zeichnung zeigt, den Anker und
den Elektromagnet so ausbilden kann, daß bei vollständig'angezogenem Anker praktisch
kein nennenswerter Luftspalt mehr vorhanden ist, so wird bei einer Sperrung oder
starken Drosselung der Flüssigkeitsentnahme der Kern des Elektromagneten derart
geschlossen, daß letzterer in bezug auf den speisenden Wechselstrom wie eine Drosselspule
von hohem induktivem Widerstand wirkt und daher praktisch fast keinen Strom aufnimmt.
Es ist daher bei einem solchen Aggregat nicht notwendig, während kürzerer Betriebspausen
den Wechselstrom abzuschalten. Wird nach einer solchen Pause Druckflüssigkeit wieder
entnommen, sinkt also der Druck im Raume 18, setzt sich der Anker und die Kolbenmembran
der Pumpe wieder selbsttätig in Bewegung, so daß die Anordnung irgendeines besonderen
Flüssigkeitsbehälters zum Ingangsetzen der Pumpe überflüssig ist.
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Es empfiehlt sich, besondere Verbindungen, z. B. enggewickelte Spiralfedern,
zwischen dem feststehenden Gehäuse und dem schwingenden System vorzusehen, welche
das Ab-«-eichen des letzteren von seiner vorgeschriebenen Bahn, insbesondere ein
seitliches Abweichen, verhindern oder erschweren.