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Membrangeschützte Kolbenpumpe mit Leckölrückförderung Die Erfindung
betrifft eine Membranpumpe mit einem von zwei Membranen abgeschlossenen, mit gasfreier
Flüssigkeit gefüllten Übertragungsraum, bei dem die eine Membran, die im nachfolgenden
als »Arbeitsmembran« bezeichnet ist, mit einem hin und her gehenden Antrieb und
die andere Membran, die im nachfolgenden als »Fördermembran« bezeichnet ist, auf
ihrer dem Übertragungsraum abgekehrten Seite mit einem der Förderung dienenden Pumpenraum
in Verbindung steht.
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Die erfolgreiche Verwendung einer Membranpumpe scheitert in derPraxis
auf dieDauergesehen daran, daß bei Verwendung von Metallmembranen nahezu unabhängig
vom Arbeitsdruck Ermüdungserscheinungen auftreten, die, durch Veränderung im Kristallgefüge
des Nietalls bedingt, nach einigen Wochen oder Monaten zum Bruch führen müssen,
bei Verwendung von Kunststoffmembranen, wenn sie hochelastisch sind, daran, daß
durch die Walkarbeit im Innern des Materials hohe Temperaturen entstehen, die infolge
der schlechten Wärmeleitfähigkeit dieser Stoffe nicht abgeführt werden können und
die zu einer chemischen und strukturmäßigen Veränderung eines Materials bei zusätzlicher
mechanischer Beanspruchung ebenfalls zum Bruch führen. Diese Erscheinung ist ja
auch beim Autoreifenbau bekannt. Besonders schnell tritt dieser Bruch dann ein,
wenn außerdem hohe mechanische Beanspruchung, etwa durch einseitigen Zug und Druck
bedingt, auftritt. Ist jedoch dieser Druck allseitig
ausgeglichen,
so ist - trotz der thermischen Beanspruchung dieser Kunststoffmembran - die Lebensdauer
sehr hoch.
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Bei den modernen, meist hochtourigen Maschinen ist also in erster
Linie auf die Druckentlastung der Membranen zu achten. Diese Druckentlastung kann
z. B. durch einen Kolben, der die Hauptlast trägt, herbeigeführt werden. Solche
Systeme sind in der Praxis bekannt. Sie arbeiten nach dem Prinzip des hydraulischen
Kolbenmembranantriebes, wobei es auf die Rückförderung des zwischen Zylinder und
Kolben durchdringenden Öles, also auf die Leckölrückförderung, ankommt. Die Konstanthaltung
des Preßölvolumens, die fast immer erforderlich ist, geschieht meistens dadurch,
daß aus einem Ölvorrat, der irgendwo im Antriebsgehäuse vorhanden ist, der Verlust
ausgeglichen wird. Fast immer ist dieser Raum teilweise mit Gas oder Luft gefüllt.
Das Öl kann jedoch durch Bewegung in @ der Maschinerie Gase aufnehmen, die beim
Auffüllen der Verluste mit in den Preßölraum gelangen und durch adiabatische Kompressionen
und Dilatation den effektiven Förderhub verkleinern. Das kann nur dann vermieden
werden, wenn dieser Raum, in dem das LeCköl gesammelt und zurückbefördert wird,
vollkommen gasfrei ist.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Beanspruchung der
Arbeitsmembran stark herabzusetzen und sicherzustellen, daß das Lecköl des Kolbens
automatisch wieder in den Übertragungsraum zurückgeführt wird, so daß die Nachteile
der bekannten Systeme vermieden und ihre Vorteile in einer Pumpenausführung vereinigt
werden.
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Erfindungsgemäß taucht ein sich auf der Arbeitsmembran abstützender
und von ihr angetriebener Kolben, ein sogenannter Entlastungskolben, in einen mit.
dem Übertragungsraum in. Verbindung stehenden Zylinderraum. Zwischen der Einspannstelle
der Arbeitsmembran und dem Bereich, innerhalb dessen sich der Entlastungskolben
auf der Arbeitsmembran abstützt, befindet sich ein freier Raum, der mit dem Übertragungsraum
über eine Leitung mit einem sich nach seinen öffnenden Rückschlagventil in Verbindung
steht. Diese Leitung dient als Rückführleitung für an dem Kolben vorbeitretendes
Lecköl. Sie .ist parallel zur Zylinderwand angeordnet und mündet zwischen der rückwärtigen
Stirnfläche .des Entlastungskolbens und der Arbeitsmembran.
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Zwischen dem Entlastungskolben und der Arbeitsmembran ist bei einer
besonderen Ausführungsform der Erfindung ein weiterer Kolben, ein sogenannter Hilfskolben
vorgesehen, die zusammen einen Stufenkolben darstellen. Der Entlastungskolben weist
einen größeren Querschnitt auf als der Hilfskolben.
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Die Betätigung der gegebenenfalls mit einem Hilfskolben verbundenen
Entlastungskolben erfolgt unterZwischenschaltung derArbeitsmembran durch einen von
einem Exzenter angetriebenen Stempel. In einer anderen Ausführungsform wird der
Entlastungskolben,gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Hilfskolbens und
der Arbeitsmembran, mit einem von einem Pleuel angetriebenen Kreuzkopf betätigt.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung ist die Arbeitsmembran an ihren
inneren Rändern an einem den Kolben unmittelbar betätigenden Kreuzkopf eingespannt.
Die nach außen gerichtete Fläche der ringförmigen Membran betätigt zusammen mit
den Wandungen des Kreuzkopfes und des Pumpengehäuses eine Schmieröl-Membranpumpe
für die gleitenden Teile des Kreuzkopfes.
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Unterhalb der Fördermembran ist ein Sieb mit elastischer Polsterung
angeordnet, auf das sich die Fördermembran beim Rückhub des Entlastungskolbens oder
bei Stillstand der Pumpe abstützen kann.
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Eine weitere Form sieht eine gegenüber der Horizontalen geneigte Anordnung
der Fördermembran vor. Hierbei liegt der Ansaugstutzen der Pumpenkammer .im wesentlichen
an der höchsten Stelle der Membran und der Abflußstutzen im wesentlichen an der
tiefsten Stelle der Membran, so daß von der Förderflüssigkeit mitgeführte Fremdkörper
mit Gefälle zum Auslaßstutzen des Pumpenraumes gefördert werden. Die Abflußleitung
der Pumpenkammer ist hydrodynamisch so ausgebildet, daß sich dort eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit
ergibt, die gegebenenfalls abgelagerte Fremdkörper mitreißen kann. ` Weitere Merkmale
und Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung von in den Zeichnungen dargestellten-Ausführungsbeispielen.
Es zeigt Abb. i einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgeführte Pumpe,
wobei nur die für die Erfindung wesentlichen Teile dargestellt sind, Abb. -2 einen
Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform mit einem Stufenkolben und einem
die Arbeitsmembran einspannenden Kreuzkopf, Abb.3 einen Längsschnitt durch eine
weitere Ausführungsform, bei welcher der Antrieb über einen Exzenter arbeitet, Abb.
4 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform bei Anwendung eines Stufenkolbens
unter Verwendung eines Antriebes gemäß der Ausführungsform nach Abb. i, Abb.5 einen
Längsschnitt durch eine weiter Ausführungsform der Erfindung mit gegenüber der Waagerechten
geneigt angeordneter Fördermembran.
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Abb. i zeigt das Schema der einfachsten Anordnung, bei der die vom
Motor direkt oder indirekt angetriebene Exzenterwelle i einen Stempel :2 bewegt,
der auf die Arbeitsmembran 3 drückt, wobei dieser Stempel und der in diesem Ausführungsbeispiel
als einfacher Kolben ausgeführte Entlastungskolben 4 mechanisch nicht mit. dieser
verbunden sind. Die Kraftübertragung auf den Arbeitskolben 4 geschieht durch Flächenpressung
der Arbeitsmembran 3. Der Raum zwischen der Fördermembran 5 und der Arbeitsmembran
3 ist-vollständig mit entgastem Öl gefüllt. Der Entlastungskolben 4 überträgt die
Bewegung auf die über ihm befindliche Flüssigkeit und bewegt über diese die Fördermembran
5, die den eigentlichen Pumpenraum 6 verändert. Beim Kompressionshub oder Förderhub,
also bei der Bewegung des Entlastungskolbens 4 nach oben, tritt ein kleiner Teil
des Öles zwischen Zylinderwandung und Entlastungskolben 4 nach unten
durch
und gelangt auf die Arbeitsmembran. Dabei ist konstruktiv zu sagen, daß der Durchmesser
des Arbeitskolbens größer sein muß als der des Stempels. Bei Rückgang des Arbeitskolbens
in dieser Anordnung, durch die Hilfsfeder 7 bewirkt, verkleinert sich der Ringraum,
der durch das Durchmesserverhältnis von Entlastungskolben und Stempel bedingt ist,
und das Lecköl wird durch die Ventilleitung 8 über das Rückschlagventil 9 in den
Preßraum zurückbefördert. Dadurch ist die Arbeitsmembran zum größten- Teil entlastet.
Der Entlastungskolben 4 fängt beim Kompressionshub den Hauptdruck auf und stellt
für diese Membran einen Schutz gegen. zu hohe Drücke dar. Sie selbst muß nur den
Druck überwinden, der durch den Zulaufdruck der Förderflüssigkeit gegeben ist.
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Beim Stillstand der Pumpe wird die Fördermembran durch ein Sieb lo
mit elastischer Polsterung arretiert, um ein Beschädigen und unnötiges Belasten
der Arbeitsmembran zu vermeiden. Ein Ring 11 aus ebenfalls elastischem Material
sorgt weiterhin für die schonende Behandlung der Arbeitsmembrän. Dieses abgeschlossene
System wird unter Vakuum über die Füllöffnung 12 aufgefüllt.
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Eine vollständige Entlastung der Arbeitsmembran wird mit der Konstruktion
erreicht, die Abb. 2 zeigt. Das Pleuel 13 der Antriebswelle 1 bewegt über den Kreuzkopf
14 den Stufenkolben, der aus dem Entlastungskolben 15 und dem Hilfskolben 16 besteht.
Der Kreuzkopf 14 ist geteilt und spannt die Arbeitsmembran 17 ein, die in dieser
Konstruktion im Zentrum durchbohrt ist. Der Entlastungskolben 15 des Stufenkolbens
mit seinem gegenüber dem Hilfskolben 16 größeren Durchmesser verdrängt beim Förderhub
einen Teil des Öles im Preßraum 18 und hebt dadurch die obere Fördermembran 19,
wodurch im eigentlichen Förderraum 6 der Pumpe das Fördergut durch das nicht gezeichnete
Druckventil in die Steigeleitung gedrückt wird. Das zwischen dem Entlastungskolben
15 und Zylinderwandung durchtretende Öl sammelt sich zum größten Teil im Ringraum
2o und wird beim Rückgang des Stufenkolbens 15, 16 infolge Verkleinerung dieses
Raumes über ein Rückschlagventil 9 in den Preßraum zurückgedrückt. Ein kleiner Teil
des Lecköles gelangt, besonders beim Stillstand der Pumpe, am Hilfskolben 16 des
Stufenkolbens vorbei in die Räume 21 und 22. Wählt man nun das Verhältnis der Durchmesser
vom Entlastungskolben 15 zum Hilfskolben 16 entsprechend, so tritt durch die Vergrößerung
des Ringraumes 2o ein Unterdruck auf, der aus den Räumen 21 und 22 das Lecköl über
ein zweites Rückschlagventil 37 in diesen Ringraum 2o befördert. Es entsteht bei
geeignetem Größenverhältnis sogar ein kleiner Unterdruck im Raum 22, der die Arbeitsmembran
17 zum Anliegen an die Unterlage bringen kann. Durch den zwischen die beiden Membranen
17, 19 geschalteten Stufenkolben 15, 16 wird also eine vollständige Entlastung der
Arbeitsmembran erzielt.
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Zur besseren Abdichtung des Stufenkolbens ist dieser mit einer Anzahl
von Kolbenringen ausgerüstet. Beim Stillstand der Pumpe wird, wenn ein gewisser
Zulaufdruck der zu fördernden Flüssigkeit vorhanden ist, das Öl vom Preßraum 18
in die unteren Ringräume 2o, 2a an dem Kolben 15, 16 vorbei abwandern, wobei diese
sich mit Öl füllen. Bei sehr hohem Zulaufdruck zur Pumpe, die durch eine hohe Flüssigkeitssäule,
welche über der Tauchpumpe steht, gegeben sein kann, ist in der Konstruktion eine
Sicherheitsplatte in Form eines Siebes 23 zwischengeschaltet, die - nachdem ein
Teil des Öles nach unten abgewandert ist - die Fördermembran 19 zum -Aufliegen bringt.
Es wird damit verhindert, daß sämtliches Öl nach unten gedrückt wird, wodurch die
Arbeitsmembran überdehnt werden könnte.
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Das gesamte System wird durch die Füllschrauben 24 und 25 im Vakuum
aufgefüllt. Die Schmierung des zwischen den beiden Membranen 17, 19 bewegten Stufenkolbens
15, 16 ist durch die Ölfüllung gesichert. Der Kreuzkopf 14 kann entweder durch Fettvorräte
in angebrachten Schmiernuten geschmiert werden, oder, wenn Antriebsmotoren und Getriebe
unter Öl laufen, dadurch, daß die Arbeitsmembran 17 bei ihrer Bewegung im Raum eine
Pumpwirkung auf der Unterseite herbeiführt und durch ein Ventil 26 Öl ansaugt, welches
um den Kreuzkopf 14 herumläuft und durch eine auf der entgegengesetzten Seite befindliche
Bohrung 27 wieder abfließt. Auch das Ende dieser Bohrungen, das der Unterseite der
Arbeitsmembran 17 zugekehrt ist, ist mit. Ringscheiben 28, 29 aus elastischem Kunststoff
versehen.
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Abb. 3 zeigt eine Variante der vorhergehenden Ausführung. Hier ist
der Stufenkolben 15, 16 nicht über ein Pleuel mit der Antriebswelle 1 verbunden.
Es ist hier ein Exzenterantrieb vorgesehen. Die Rückbewegung des Stufenkalbens 15,
16 geschieht mit Hilfe einer Feder 30 und zusätzlich durch den Zulaufdruck,
der über die Fördermembran im Pumpenraum wirkt und die Rückbewegung des Kolbens
unterstützt.
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Bei dieser Anordnung ist die Förderleistung der Pumpe abhängig vom
hydrostatischen Druck der über der Pumpe stehenden Flüssigkeitssäule.
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Abb. 4 zeigt die Möglichkeit der Anwendung eines Stufenkolbens 15,
16, der mit der Arbeitsmembran 3, ähnliche wie bei der Konstruktion in Abb. 1 gezeigt,
nicht mechanisch verbunden ist und wobei über die Flächenpressung der Membranteller
31, 32 die Kraftübertragung von der Exzenterwelle auf den Kolben geschieht.
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In der Abb. 5 ist eine Schrägstellung der Fördermembran 33 gewählt,
um beim Pumpen von verunreinigten Flüssigkeiten, z. B. Erdöl, die festen Verunreinigungen
in der Flüssigkeit durch den Pumpenraum einer Sedimentationsgefahr durchleiten zu
können. Diese Stellung der Fördermembran 33 in Verbindung mit der gezeichneten Ventilan-.
ordnung stellt gewissermaßen eine Schüttelzinne dar. Das Anlaßventil, als Klappenventil34
ausgebildet, läßt die Verunreinigungen an der höchsten Stelle der Membran durchtreten.
Diese rutschen von der schräg gestellten Membran zum gegenüberliegenden
tiefer
angeordneten Druckventil 35, dessen Zuleitungskanäle 36 im Pumpenraum hydraulich
so ausgebildet sind, daß eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit an diesen Stellen
auftritt und die festen Bestandteile mitgerissen werden und durch das Druckventil
35 in die Förderleitung 36 gelangen. Dabei kann man der Fördermembran 33 auch andere
an die jeweiligen Förderverhältnisse und Förderflüssigkeiten angepaßte Formen geben.
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Allen diesen Konstruktionen ist ein Merkmal gemeinsam: Die Membranpumpe
allein stellt ein unsicheres Bauelement der Pumpe dar. Sie hat nur den Vorteil,
daß sie praktisch unempfindlich gegen Verunreinigungen der Förderflüssigkeit ist,
während die Kolbenpumpe nur dann einwandfrei arbeitet, wenn die Förderflüssigkeit
diese nicht angreifen kann. Verwendet man die Vorteile beider Systeme dadurch, daß
man eine Kombination von Membran-und Kolbenpumpe schafft, so ist die Garantieeines
sicheren Arbeitens gegeben, vorausgesetzt, daß diese beiden Konstruktionselemente
zu einer hermetisch abgeschlossenen Einheit verbunden sind.