EP0139709B1

EP0139709B1 - Doppelwirkende hin-und hergehende kolbenpumpe

Info

Publication number: EP0139709B1
Application number: EP84901584A
Authority: EP
Inventors: Ernst Korthaus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-04-06
Filing date: 1984-04-03
Publication date: 1987-09-02
Also published as: IT8420405A0; DE3465762D1; US4818192A; DE3410911A1; EP0139709A1; WO1984003914A1; IT1175828B

Description

Die Erfindung betrifft eine doppeltwirkende hin- und hergehende Kolbenpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten mit zeitweisem Leerlauf ohne Flüssigkeit, wobei die Kolbenpumpe einen mit einer Kolbendichtung versehenen Kolben aufweist, welcher im Pumpenzylinder hin- und hergeht und welcher verbunden ist mit einer Kolbenstange, die eine Zylinderkopfwand des Pumpengehäuses durchdringt, abgedichtet wird mittels einer Dichtung und wobei die Kolbenstange hydraulisch angetrieben wird.
Pumpen des Oberbegriffs wurden zum Prioritätsdatum in der Praxis verwendet, wie z. B. GEHO Hydraulik-Schlammpumpen.
Ein problem bei derartigen Kolbenpumpen besteht darin, sie trockenlaufsicher zu machen. Beim Trockenlauf der Pumpe besteht nämlich die Gefahr, daß die Packungen im Bereich des Pumpkolbens und der Stopfbuchse überhitzt werden und verbrennen, insbesondere, wenn verhältnismäßig große Abdichtdrücke erforderlich sind.
Aus der US-PS 27 51 144 ist ein Apparat für die Kompression von Gasen bekannt, der als Kolbenkompressor mit Kolbenringen hydraulisch angetrieben wird. Bei solch einem Gaskompressor tritt das Problem eines zeitweisen Trockanlaufs nicht auf.
Nach der BE-PS 423 910 ist ein mechanisch angetriebener Kolben-Gaskompressor mit Kolbenringen bekannt. Auch hier tritt das Problem eines zeitweisen Trockenlaufs nicht auf.
Aus der bekanntgewordenen DE-AS 23 34 245 ist ein Preßwassererzeuger mit handelsüblichen Dichtungen für den hydraulischen Antrieb zu entnehmen. Es sind weder Stopfbuchspackungen bei dem bekannten Preßwassererzeuger vorgesehen, noch lassen sich mit diesem Flüssigkeiten, die Feststoffe enthalten, fördern.
Nachdem Flüssigkeitspumpen allgemein keiner Kühlung bedürfen, ist dem vorstehend erläuterten Stand der Technik keine übertragbare Lehre auf das der Erfindung zugrunde liegende Problem zu entnehmen.
Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, die Kolbenpumpe der eingangs genannten Art mit Dichtungen dahingehend weiterzubilden, daß sie im Bereich der Dichtungen über lange Zeiträume beim Fördern von mit Feststoffen beladenen Flüssigkeiten trocken laufsicher ist, ohne daß Hydraulikflüssigkeit in den Pumpzylinder gelangt.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einer Kolbenpumpe der eingangs genannten Art vor, daß die Kolbendichtung und die Pumpengehäusedichtung Stopfbuchspackungen sind, die zylindrischen Wandungen des Pumpenzylinders mit Hohlräumen versehen sind, die Kolbenstange mindestens einen Hohlraum aufweist und die Hohlräume an mindestens einen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen sind.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Ausbildung der Kolbenstange und der zylindrischen Wandungen des Pumpzylinders und die Ausbildung der Dichtungen haben zur Folge, daß die mit der Kolbenstange bezw. den zylindrischen Wandungen das Pumpzylinders in Berührung stehenden Dichtflächen der Stopfbuchspackungen ständig unmittelbar gekühlt werden, so daß das Packungsmaterial auch bei Trockenlauf der Pumpe nicht verbrennen kann. Da die Kühlflüssigkeit in den Hohlräumen gegenüber dem Innenraum des Pumpzylinders abgekapselt ist, kann keine Kühlflüssigkeit in den Innenraum des Pumpzylinders gelangen. Die gut wärmeleitfähigen metallischen Wandungen zwischen den Reibungsflächen und der Kühlflüssigkeit können die beim Trockenlauf der Kolbenpumpe entstehende Wärme wesentlich schneller abführen als das schlecht wärmeleitfähige Packungsmaterial.
Besondere Vorteile ergeben sich darüber hinaus dadurch, daß ein gesonderter Kühlmittelkreislauf nicht mehr erforderlich ist. Zur Kühlung wird vorzugsweise der in diesem Fall ohnehin vorhandene Hydraulikkreislauf verwendet.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der Kolbenpumpe gemäß der Erfindung sieht vor, daß die Kolbenstange des Pumpkolbens hohl ausgebildet ist und zugleich als Zylinderteil des hydraulischen Antriebszylinders dient, der verschiebbar auf dem feststehenden Antriebskolben und der mit diesem verbundenen Antriebskolbenstange gelagert ist. Neben einer ständigen Kühlung der Kolbenstange des Pumpzylinders ergibt sich hierdurch der Vorteil einer besonders kurzen Baulänge, so daß das gesamte Pumpaggregat mit Antrieb besonders kurzbauend ausgeführt werden kann. Ein weiterer besonderer Vorteil liegt darin, daß bei dieser Ausführungsform die Außenseite der Kolbenstange des Pumpkolbens nicht mit dem hydraulischen Antriebsmedium in Berührung kommt, so daß keinerlei Gefahr besteht, daß hydraulisches Antriebsmedium in den Pumpzylinder eingeschleppt wird. Insbesondere diese Ausführungsform ist deshalb für die Förderung von Lebensmitteln geeignet.
Um bei der zuletzt genannten Ausführungsform bewegliche Druckmittelanschlüsse zu vermeiden, ist weiterhin vorgesehen, daß das hydraulische Antriebsmedium dem hydraulischen Antriebszylinder über die feststehende Antriebskolbenstange und den feststehenden Antriebskolben zugeführt wird, die mit entsprechenden Zuführungsbohrungen versehen sind.
Weil bei der zuletzt genannten Ausführungsform verhältnismäßig große Massen hin- und herbewegt werden müssen, ist zweckmäßig der feststehende Kolben an beiden Stirnflächen mit Stoßdämpfern für eine Endlagendämpfung versehen. Hierdurch werden ruckartige Schläge bei Erreichen der Endlagen vermieden.
Die Stoßdämpfer bestehen zweckmäßig aus Gummiringen, die innen an der Antriebskolbenstange bzw. an einer dieser entsprechenden zylindrischen Verlängerung an der Vollfläche des Antriebskolbens anliegen und zur Innenwand des Zylinderteiles des Antriebszylinders einen Ringraum mit definiertem Volumen belassen, der sich beim Verformen der Gummiringe beim Anschlag an den Enden des Zylinderteiles mit Gummimasse füllt, die nach vollständiger Füllung des Ringspaltes praktisch unelastisch wird. Derartige Stoßdämpfer sind einfach im Aufbau und unterliegen praktisch keinem Verschleiß. In kinematischer Umkehr können die Gummiringe selbstverständlich auch an den Enden des Zylinderteiles vorgesehen sein und einen entsprechenden Ringspalt mit definiertem Volumen zur Antriebskolbenstange hin freilassen.
Eine andere Ausführungsform der Kolbenpumpe gemäß der Erfindung sieht vor, daß die Kolbenstange des Pumpzylinders zugleich die Antriebskolbenstange des Antriebszylinders ist, dessen Zylinderteil feststehend angeordnet ist und den mit der Antriebskolbenstange verbundenen Antriebskolben längsverschiebbar aufnimmt, wobei die Kolbenstange aus einem Außenrohr und einem darin konzentrisch mit radialem Abstand angeordneten Innenrohr besteht und der Ringraum zwischen dem Außenrohr und dem Innenrohr sowie der Innenraum des Innenrohres zumindest während eines Teiles des Hubes vom hydraulischen Antriebsmedium durchströmt werden.
Diese Ausführungsform der Kolbenpumpe gemäß der Erfindung hat gegenüber der ersten Ausführungsform der Kolbenpumpe gemäß der Erfindung den Vorteil, daß der Antriebskolben einen beliebig großen Durchmesser erhalten kann, so daß größere Antriebskräfte aufgebracht werden können.
Um zu erreichen, daß das hydraulische Antriebsmedium des hydraulischen Antriebszylinders die gemeinsame Kolbenstange zumindest während eines Teiles des Antriebshubes durchströmt, ist vorgesehen, daß die Antriebskolbenstange mit axialem Abstand zum Antriebskolben einen zweiten Antriebskolben aufweist, daß der Innenraum des Innenrohres mit dem Ringraum zwischen den beiden Antriebskolben verbunden ist, daß der Ringraum zwischen Innenrohr und Außenrohr der Antriebskolbenstange unmittelbar neben dem zweiten Antriebskolben mit dem Ringraum zwischen der Antriebskolbenstange und dem Zylinderteil des Antriebszylinders verbunden ist und daß in der Wandung des Zylinderteiles des Antriebszylinders zwei an eine gemeinsame Druckmittelleitung angeschlossene Druckmittelanschlüsse vorgesehen sind, deren Abstand in axialer Richtung der axialen Länge des zweiten Antriebskolbens entspricht, wobei der Abstand zwischen dem Zylinderdeckel des Antriebszylinders und dem ersten Druckmittelanschluß kleiner oder gleich dem axialen Abstand zwischen den beiden Antriebskolben ist. Der besondere Vorteil dieser Maßnahmen liegt darin, daß der gemeinsamen Kolbenstange von Antriebszylinder und Pumpzylinder eine zur Kühlung ausreichende Menge des hydraulischen Arbeitsmediums zugeführt werden kann, ohne daß ein mit der Kolbenstange beweglicher Druckmittelanschluß vorgesehen werden muß.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:

Fig. einen horizontalen Schnitt durch eine Kolbenpumpe gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform;
Fig. einen horizontalen Schnitt durch eine Kolbenpumpe gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
Fig. einen horizontalen Schnitt durch eine Kolbenpumpe gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform.

In Figur 1 ist das Gehäuse der Kolbenpumpe mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Das Pumpengehäuse 1 weist zwei Ansaugkammern 2 und 3 sowie eine Druckkammer 4 auf, die über Rückschlagventile 5 und 6 bzw. 7 und 8 mit dem einen bzw. dem anderen Ende eines Pumpzylinders 9 verbunden sind.
In dem Pumpzylinder 9 ist ein doppeltwirkender Pumpkolben 10 hin- und herverschiebbar. Der Pumpkolben 10 ist durch ringförmige Packungen 11 gegen die Innenwand des Pumpzylinders 9 abgedichtet. Die Packungen 11 bestehen vorzugsweise aus einem selbstschmierenden trockenlauffähigen Material. Die zylindrischen Wandungen des Pumpzylinders 9 sind mit sich über die gesamte axiale Länge erstreckenden Durchtrittsöffnungen 9a für eine sie durchströmende Kühlflüssigkeit versehen.
An dem Pumpkolben 10 ist eine Kolbenstange 12 befestigt, die durch eine Stopfbüchse 13 hindurchgeführt ist. Die Kolbenstange 12 des Pumpkolbens 10 ist hohl ausgebildet und nimmt einen feststehenden Antriebskolben 14 in sich auf, der mit einer ebenfalls feststehenden Antriebskolbenstange 15 verbunden ist. Die hohle Kolbenstange 12 ist auf dem feststehenden Antriebskolben 14 und dessen ebenfalls feststehender Antriebskolbenstange 15 geführt und bildet mit dieser zusammen den doppeltwirkenden Antriebszylinder 12,14,15, dessen Zylinderteil (Kolbenstange 12) axial verschiebbar ist. Zur abwechselnden Beaufschlagung der Druckräume des Antriebszylinders 12, 14, 15 mit dem hydraulischen Antriebsmedium dienen Bohrungen 16 und 17 in der feststehenden Antriebskolbenstange 15 und dem feststehenden Antriebskolben 14.
Das hydraulische Antriebsmedium wird von einem Hydraulikkreislauf 18 geliefert, der eine Pumpe 18a, ein Umschaltventil 18b und einen Vorratsbehälter 18c aufweist. In diesen Hydraulikkreislauf 18 sind die Durchtrittsöffnungen 9a in den zylindrischen Wandungen des Pumpzylinders 9, die Bohrungen 16 und 17 und die Druckräume des Antriebszyinders 12, 14, 15 einbezogen. Auf diese Weise kühlt das hydraulische Antriebsmedium sowohl die zylindrischen Wandungen des Pumpzylinders 9 als auch die Kolbenstange 12 jeweils über deren gesamte Länge, so daß die an den Reibflächen der Packungen 11 bzw. 13a entstehende Wärme ständig und intensiv abgeführt wird. Durch diese ständige Kühlung wird verhindert, daß die Packungen auch bei lang andauerndem Trockenlauf verbrennen. Die Pumpe gemäß der Erfindung ist also absolut trockenlaufsicher.
Für die Endlagendämpfung der verhältnismäßig schweren hin- und hergehenden Kolbenstange 12 sind an beiden Stirnflächen des feststehenden Antriebskolbens 14 Gummiringe 19 und 20 vorgesehen, die am Außenumfang der Antriebskolbenstange 15 bzw. einer dieser entsprechenden zylindrischen Verlängerung 14 a des Kolbens 14 anliegen und zur Innenwand der Kolbenstange 12 (Zylinderteil des Antriebszylinders 12, 14, 15) einen Ringspalt mit genau definierten Volumen belassen. Beim Anstoß des feststehenden Kolbens 14 an den inneren Enden des Hohlraumes der axial bewegten Kolbenstange 12 verformen sich diese Gummiringe so lange elastisch, bis sie den Ringspalt vollständig ausfüllen und ein praktisch unelastisches Kissen bilden. Auf diese Weise ergibt sich mit verhältnismäßig geringem Aufwand eine hochwirksame und praktisch verschleißfrei arbeitende Endlagendämpfung.
Das Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 2 entspricht, was die zum Pumpengehäuse und Pumpkolben 10 gehörenden Teile angeht, voll und ganz dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1, so daß für die einander entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.
Hier dient jedoch die Kolbenstange 12 des Pumpkolbens 10 zugleich als Antriebskolbenstange des Antriebszylinders und ist deshalb mit einem doppeltwirkenden Antriebskolben 21 verbunden, der längsverschiebbar in einem feststehenden Zylinderteil 22 gelagert ist. Um zu erreichen, daß auch hier die Kolbenstange 12 über ihre gesamte Länge von dem hydraulischen Antriebsmedium des Antriebszylinders 22, 21, 12 gekühlt wird, besteht die Kolbenstange 12 aus einem Außenrohr 12 a und einem Innenrohr 12 b, die konzentrisch mit radialem Abstand ineinander angeordnet sind. Dabei bilden der Innenraum 12c des Innenrohres 12 b und der Ringraum 12d zwischen dem Außenrohr 12a und dem Innenrohr 12b eine vom Antriebsmedium aufeinanderfolgend durchströmte Durchtrittsöffnung,, so daß die Kolbenstange 12 im erforderlichen Maß gekühlt werden kann.
Zur Zuführung von Antriebsmedium in die Kolbenstange 12 unter Vermeidung von bewegten Druckmittelanschlüssen weist die Kolbenstange 12 in axialem Abstand zum Antriebskolben 21 einen zweiten Antriebskolben 23 auf. Weiterhin ist der Innenraum des Innenrohres 12 b mit dem Ringraum zwischen den beiden Antriebskolben 21 und 23 druckmittelleitend verbunden. Ebenso ist der Ringraum zwischen dem Außenrohr 12 a und dem Innenrohr 12b unmittelbar neben dem zweiten Antriebskolben 23 mit dem Ringraum zwischen der Kolbenstange 12 und dem Zylinderteil 21 des Antriebszylinders 22, 21, 12 verbunden. Schließlich sind in der Wandung des Zylinderteiles 22 des Antriebszylinders 22, 21, 12 zwei parallele, an den Druckmittelkreislauf 18 angeschlossene Druckmittelanschlüsse 24 und 25 vorgesehen, deren Abstand in axialer Richtung der axialen Länge des zweiten Antriebskolbens 23 entspricht. Dabei ist der Abstand b zwischen dem Zylinderdeckel des Antriebszylinders 22, 21, 12 und dem ersten Druckmittelanschluß 24 kleiner oder höchstens ebenso groß, wie der axiale Abstand a zwischen den beiden Antriebskolben 21 und 23.
Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird bei einer Verschiebung der Kolbenstange 12 nach rechts das vor dem zweiten Antriebskolben 23 befindliche Antriebsmedium in den Ringraum zwischen dem Außenrohr 12 a und dem Innenrohr 12 b gedrückt und gelangt anschließend durch das Innenrohr 12 b in den Ringraum zwischen beiden Antriebskolben 21 und 23 und von dort durch den Druckmittelanschluß 25 in den Druckmittelkreislauf 18. Ebenso durchströmt bei umgekehrter Beaufschlagung das Antriebsmedium zunächst die Kolbenstange 12 und kühlt diese.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 entspricht im Hinblick auf die Ausbildung des Pumpzylinders 9, des Pumpkolbens 10 und der Kolbenstange 12 dem Ausführungsbeispiel der Figur 2, so daß für die einander entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet worden sind.
Die Kolbenstange 12 besteht auch hier aus einem Außenrohr 12a und einem Innenrohr 12b, die konzentrisch mit radialem Abstand ineinander angeordnet sind. Der Innenraum 12c des Innenrohres 12 und der Ringraum 12d zwischen dem Außenrohr 12a und dem Innenrohr 12b bilden Durchtrittsöffnungen für ein Kühlmedium, welches von einem gesonderten Kühlmittelkreislauf 26 her in die Kolbenstange 12 eingespeist wird. In diesem gesonderten Kühlmittelkreislauf 26 sind außerdem die Durchtrittsöffnungen 9a in den zylindrischen Wandungen des Pumpzylinders 9 einbezogen. Ferner enthält der gesonderte Kühlmittelkreislauf 26 eine Kühlmittelpumpe 26a und einen Vorratsbehälter 26b.
Der Antrieb des Pumpkolbens 10 erfolgt beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 3 durch einen gesonderten hydraulischen Antriebszylinder 27, dessen Kolbenstange 28 am äußersten Ende der Kolbenstange 12 befestigt ist. Der gesonderte hydraulische Arbeitszylinder 27 wird von einem gesonderten Hydraulikkreislauf 29 mit Druckmittel versorgt, der eine Hydraulikpumpe 29a, einen Vorratsbehälter 29b und ein Umschaltventil 29c aufweist. An die Stelle des Antriebszylinders 27 kann gegebenenfalls auch ein anderes Antriebsaggregat treten, welches die Kolbenstange 12 der Kolbenpumpe hin- und hergehend antreibt.

Claims

1. Doppeltwirkende hin- und hergehende Kolbenpumpe zum Fördern von Flüssigkeiten mit zeitweisem Leerlauf ohne Flüssigkeit, wobei die Kolbenpumpe einen mit einer Kolbendichtung (11) versehenen Kolben (10) aufweist, welcher im Pumpenzylinder (9) hin- und hergeht und welcher verbunden ist mit einer Kolbenstange (12), die eine Zylinderkopfwand (1) des Pumpengehäuses durchdringt, abgedichtet wird mittels einer Dichtung (13) und wobei die Kolbenstange (12) hydraulisch angetrieben wird,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) die Kolbendichtung (11) und die Pumpengehäusedichtung Stopfbuchspackungen sind,

b) die zylindrischen Wandungen des Pumpenzylinders (9) mit Hohlräumen (9a) versehen sind,

c) die Kolbenstange (12) mindestens einen Hohlraum (12d) aufweist,

d) die Hohlräume (9a, 12d) an mindestens einen Flüssigkeitskreislauf angeschlossen sind.

2. Doppeltwirkende, hin- und hergehende Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Kolbenstange (12) zugleich als Zylinderteil eines hydraulischen Antriebs dient, wobei das Zylinderteil verschiebbar auf dem feststehenden Antriebskolben (14) und der mit diesem verbundenen Antriebskolbenstange (15) gelagert ist.

3. Doppeltwirkende, hin- und hergehende Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die hohle Kolbenstange (12) zugleich die Antriebskolbenstange des Antriebszylinders ist, dessen Zylinderteil (21) feststehend angeordnet ist und den mit der Antriebskolbenstange verbundenen Antriebskolben (20) längsverschiebbar aufnimmt, wobei die Kolbenstange (12) aus einem Außenrohr (12a) und einem darin konzentrisch mit radialem Abstand angeordneten Innenrohr (12b) besteht und der Ringraum (12d) zwischen Außenrohr (12a) und Innenrohr (12b) sowie der Innenraum (12c) des Innenrohres (12b) zumindestens während eines Teil des Hubes vom hydraulischen Antriebsmedium durchströmt werden.