EP1046816B1 - Pumpeneinlassventil - Google Patents
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- EP1046816B1 EP1046816B1 EP00108472A EP00108472A EP1046816B1 EP 1046816 B1 EP1046816 B1 EP 1046816B1 EP 00108472 A EP00108472 A EP 00108472A EP 00108472 A EP00108472 A EP 00108472A EP 1046816 B1 EP1046816 B1 EP 1046816B1
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Definitions
- the invention relates to a pump with at least one conveyor assembly comprising a piston axially guided in a plunger, which varies with its drive remote end the volume in a pressure chamber, the suction stroke with at least one of the pressure chamber opposite side of the plunger inlet port and at Pressure stroke communicates via a pressure valve arrangement with at least one outlet opening.
- Such pumps are for example from the US 5,658,134 , of the US 5,174,735 , of the US 5,346,373 , of the US 3,920,356 , of the US 3,809,508 and the US 3,652,188 known.
- At least one passage opening into the pressure chamber during the suction stroke is formed in the plunger, said passage extending at least partially obliquely to the movement axis of the plunger.
- This passage can comprise a channel opening into the pressure chamber and an antechamber upstream of the channel upstream with an enlarged free flow cross-section relative to the channel.
- the plunger is mounted for centering in the cylinder on the piston rod at least to a small extent movable.
- the bearing of the plunger is designed such that at least a small axial mobility of the plunger is given relative to the piston rod.
- the plunger in the cylinder can optimally align itself in a manner ensuring trouble-free operation, in particular with regard to the sealing effect, whereby tolerances with regard to the guidance of the piston rod can be compensated.
- the possibility of self-adjustment of the plunger in the cylinder reduces the wear of the seals used and thus increases the life of the pump with consistently good sealing properties.
- the pressure chamber is sealed to the suction side on the one hand via the plunger.
- the plunger is preferably provided with at least one peripheral recess in which a seal is arranged, which is formed in a particularly preferred variant as existing of Teflon Gleitdichtring.
- a particular high-temperature resistant and impact-resistant plastic such as PEEK, could be used for the sliding seal.
- the Gleitdichtring can by means of an elastically deformable, arranged between the bottom of the peripheral recess and the Gleitdichtring O-ring to be biased in the direction of the cylinder inner wall. In this way, an optimal sealing effect is achieved with low frictional resistance.
- the sealing of the pressure chamber via the suction valve plate, the in the form of axial bores or obliquely to the longitudinal axis extending passages in the plunger closes existing flow connection in the pressure chamber.
- the cylinder is made of aluminum, wherein the cylinder inner wall is formed by a suitable conversion process alumina. Teflon particles can also be incorporated in the alumina.
- the cylinder in particular hardened steel, wherein preferably the cylinder inner wall is provided with an additional surface layer, in particular a CVD or PVD surface layer.
- an additional surface layer in particular a CVD or PVD surface layer.
- hardened steel of hardness 62 HRC provided with an additional CVD or PVD surface layer can be provided as the cylinder material.
- a hardness of 2400 HV can be achieved.
- the cylinder surface can be extremely finely polished. The wear on the cylinder wall and on the seals is significantly reduced by these measures.
- the pressure chamber delimiting end faces of the suction valve and the pressure valve assembly at the end of the pressure stroke so approximate approached each other that the volume of the pressure chamber is negligible compared to the maximum value at the end of the suction stroke value and preferably approximately reduced to zero.
- the minimum distance between facing end faces of the pressure valve arrangement and the Saugventilan extract is less than 1 mm and is preferably in the range of 0.1 to 0.2 mm.
- a plurality of at least substantially identical conveying arrangements are provided, wherein the pump can be used by connecting the inlet opening of at least one conveying arrangement with the outlet opening of at least two other conveying arrangements as a multi-stage compressor.
- the pump according to the invention thus comprises a plurality of principle independently operating conveyor arrangements whose plunger can be provided with a common drive.
- a pressure line which is connected to a common outlet opening of two conveying arrangements, can be connected to the inlet opening of the third conveying arrangement.
- the pump could also be operated as a three-stage or multi-stage compressor.
- the pump according to the invention is particularly suitable for use with carbon dioxide.
- Fig. 1 shows a portion of a pump according to an embodiment of the invention with three conveyor assemblies whose longitudinal axes 70 lie in one plane.
- the conveyor assemblies are of identical construction and each have a piston rod 28 which are driven via a common drive for carrying out axial reciprocating movements in a respective cylinder 10.
- a common drive unit for the conveyor arrangements is in Fig. 1 not shown.
- a suction housing 42 having a perpendicular to the longitudinal axis 70 extending inlet channel 15, the cylinder 10 and a pressure valve body 18 of a pressure valve assembly clamped by means of screw 46.
- the suction housing 42, the cylinder 10 and a plunger 12 define a delivery chamber 32 into which the inlet port 15 having an inlet opening 16 opens.
- a suction line can be connected.
- a radially projecting, circumferential collar 18a of the pressure valve body 18 is clamped between the drive-remote end face of the cylinder 10 and the pressure housing 44.
- the drive-side end face of the cylinder 10 abuts against a shoulder 45 of the suction housing 42.
- An outlet opening for the piston rod 28 from the delivery chamber 32 is bounded by a radially inwardly projecting collar 43 of the suction housing 42.
- On the drive side is located on the collar 43 of the suction housing 42, a cylindrical annular portion of the centering element 34, the piston rod 28 facing inner surface with annular recesses 36 for seals 31, 96 is provided.
- annular recesses 36 a made of Teflon Gleitdichtring 31 is arranged, which could be additionally biased for example by means of a stainless steel spring in the direction of the piston rod 28.
- a high-temperature resistant and impact-resistant plastic such as e.g. PEEK be used for the sliding seal 31.
- the centering element 34 bears against a shoulder 41 of the retaining element 40. By the centering element 34, the suction housing 42 is centered to the drive.
- the plunger 12 is held at the free end of the piston rod 28 via a screw 27 whose head is formed by a head part 26, in such a way that the plugged on the screw 27 plunger 12 is movable in a small extent in the axial direction relative to the piston rod 28.
- the plunger 12 inserted into the cylinder 10 substantially in registration can align at least to a certain extent independently of the piston rod 28 in the cylinder 10.
- the head part 26, which is screwed tightly in the axial direction with the piston rod 28, has a pin 26b and a flange portion 26a which terminates flush with the pin 26b on the side of the head part 26 facing away from the piston rod 28 and thus forms a flat end face.
- the pin 26b cooperates with an annular projection 12a of the plunger 12 to hold the plunger 12 on the piston rod 28.
- the screw 27 can be rotated by means of a corresponding tool.
- the recesses 26c are closed by means of sealing plugs, whereby the dead space is advantageously minimized.
- the plugs for the recesses 26c are made for example of a temperature-resistant plastic.
- annular suction valve plate 24 On the head part 26, an annular suction valve plate 24 is arranged, whose outer diameter is smaller than the inner diameter of the cylinder 10. The resulting intermediate space between the outer edge of the suction valve plate 24 and the cylinder inner wall is part of a pressure chamber 14 described in more detail elsewhere.
- the Saugventilplatte 24 and the head part 26 are provided with each other in the radial direction overlapping flange portions 24a, 26a, wherein the Saugventilplatte 24 is slidably mounted with a ring portion 24b on the flange portion 26a of the head portion 26.
- the plunger 12 is provided with a recess 90 in the form of a radially limited by obliquely to the longitudinal axis 70 side walls bounded annular channel.
- a recess 90 in the form of a radially limited by obliquely to the longitudinal axis 70 side walls bounded annular channel.
- the plunger 12 facing side of the suction valve plate 24 is cone-shaped so that they - according to the position according to Fig. 1 - During the pressure stroke, the recess 90 fills and sealingly abuts the oblique side walls, wherein for sealing annular sealing elements 92 are provided.
- the sum of the axial heights of the flange portions 24a, 26a of the suction valve plate 24 and the head part 26 is smaller than the axial height of the protruding from the plunger 12 part of the pin 26b.
- the suction valve plate 24 between the head part 26 and the plunger 12 is axially free to move.
- a gap or gap 50 is present.
- Fig. 1 shows the plunger 12 and the Saugventilan Aunt formed by the Saugventilplatte 24 and the head part 26 at the top dead center, ie at the end of the pressure stroke.
- the suction valve plate 24 abuts on the plunger 12 and fills the recess 90 such that the axial bores 52 in the plunger 12, which open radially outside of the tapered end of the piston rod 28 into the delivery chamber 32, through the Saugventilplatte 24 are closed. There is thus no flow connection between the axial bores 52 in the plunger 12 and the annular gap between the outer edge of the suction valve plate 24 and the cylinder inner wall during the pressure stroke.
- the suction valve assembly 24, 26 a perpendicular to the longitudinal axis 70 extending, flat end face, which is formed by the side facing away from the piston rod 28 sides of the head part 26 and the suction valve 24.
- the conveyor assembly is designed so that at top dead center, the end face of the suction valve 24, 26 so close to the suction valve assembly 24, 26 facing end of the - closer described - pressure valve assembly 18, 20 moved up, that a very small, in Fig. 1 unrecognizable axial gap between the two end faces is present, which forms part of the minimized in this state pressure chamber 14 of the conveyor assembly.
- the pressure chamber 14 is thus formed substantially by the annular space between the outer edge of the suction valve plate 24 and the cylinder inner wall.
- the pressure valve body 18 is part of a pressure valve assembly, which also comprises a pressure valve element 20 which has approximately the shape of a capped cap and by a coil spring 21 against the side facing away from the pressure chamber 14 side of the pressure valve body 18 is biased.
- the spring 21 is supported on a sleeve-shaped support member 13 which is screwed to the pressure valve body 18 and communicates via apertures in the side wall with the outlet space 23.
- a central opening 61 is formed, the boundary surface widens in a funnel shape in the direction of the outlet space 23 according to the shape of the pressure valve element 20 and thus forms a valve seat.
- the pressure valve assembly 18, 20 is dimensioned such that in the closed state according to Fig. 1 the suction valve assembly 24, 26 facing, formed jointly by the pressure valve body 18 and the pressure valve element 20 end face - in the below explained variant with bevel 94 only approximately - flat surface which is perpendicular to the longitudinal axis 70.
- the end face of the pressure valve body 18 may be bevelled, as shown in FIG Fig. 1 is indicated by dashed lines 94, wherein the illustration is exaggerated for clarity. Due to the chamfer, a wedge-shaped, slightly widening in the direction of the longitudinal axis 70 annular gap between the opposite end faces of the Saugventilan extract 24, 26 and the pressure valve assembly 18, 20 is present. In this way, it is ensured that during the pressure stroke liquid flows in the direction of the longitudinal axis 70 and through the opening 61, without congestion or blocking of the piston assembly due to the liquid present between the end faces.
- the arranged on the side facing away from the pressure chamber 14 of the pressure valve body 18 components of the pressure valve assembly are located in the pressure chamber 18 and the pressure housing 44 limited outlet space 23 to which a outlet opening 22 having radial outlet channel 25 a pressure line, not shown, is connectable.
- the area of the cylinder 10 surrounded by the pressure housing 44 is provided with a spiral groove 48, which can be supplied via an inlet 47 with a cooling fluid, which is preferably used for water.
- a cooling fluid which is preferably used for water.
- the cylinder 10 is provided on its outside with cooling fins 49.
- the seal between the suction housing 42 and centering element 34, between the suction housing 42 and cylinder 10 and between the pressure housing 44, cylinder 10 and pressure valve body 18 is effected by arranged in corresponding circumferential recesses O-rings 60th
- the cylinder 10 is made of aluminum, the cylinder inner wall being made of alumina, which is produced by a conversion process, e.g. a hard-coat conversion, is produced on the cylinder inner wall. Furthermore, embedded in the cylinder inner wall forming alumina Teflon particles.
- the cylinder may alternatively be made of hardened steel, e.g. hardness 62 HRC and provided on the inner wall with an additional CVD or PVD surface layer. To minimize wear, the cylinder surface is also extremely finely polished.
- the suction valve plate 24 and the pressure valve element 20 are made of PEEK. In principle, other, in particular high-temperature-resistant and / or impact-resistant, plastic materials can be used.
- the conveyor arrangement according to the invention is suitable for conveying fluids both in the liquid and in the gaseous state.
- the plunger 12 moves together with the Saugventilan Aunt 24, 26 in Fig. 1 to the left, so that the axially freely movable suction valve plate 24 abuts the head part 26, that is, the gap 50 is no longer present.
- the increasing pressure chamber 14 is filled with liquid or gaseous fluid during the suction stroke, which flow via a not shown, coupled to the inlet port 16 suction line, the inlet channel 15, the delivery chamber 32 and the plunger 12 and the Saugventilan Aunt 24, 26 can.
- a flow connection from the pressure chamber 14 into the outlet chamber 23 through the opening 61 of the pressure valve body 18 is closed by the pressure valve element 20, which is pressed by means of the spring 21 on the pressure valve body 18 serving as a valve seat on this side.
- the pressure valve assembly 18, 20 opens at the beginning of the pressure stroke, so that the liquid through the opening 61 of the pressure valve body 18 at the lifted off the valve seat pressure valve element 20 into the outlet space 23 and the outlet channel 25 and the outlet opening 22 can flow into the pressure line, not shown.
- the conveyor assembly is advantageously dead space optimized, since at the end of the pressure stroke, the pressure chamber 14 only of the annular space between the outer edge of the Saugventilplatte 24 and the cylinder inner wall and of the minimum gap at "A" in Fig. 1 is formed between the flat end faces of the Saugventilan extract 24, 26 and the pressure valve assembly 18, 20.
- the recesses 26 c are - as mentioned - following the assembly - in Fig. 1 not shown - Plug elements inserted so that the recesses 26 c do not contribute to the pressure chamber 14.
- the dead space optimization has a very good efficiency especially when promoting gaseous media.
- Fig. 2 illustrated embodiment of a pump according to the invention differs from that of Fig. 1 in particular by the formation of the plunger 12 and the Saugventilan Aunt formed by the Saugventilplatte 24 and a head 98. This also applies to the details described elsewhere Fig. 3 and 4 , On with the embodiment of Fig. 1 matching aspects will not be discussed further below.
- the suction valve plate 24 is surrounded by the annular head portion 98, wherein again in the radial direction overlapping flange portions 24a, 98a are provided.
- the head part 98 is screwed with a sleeve portion 98b on an axially remote from the drive end face of the plunger 12 ring portion 12b and axially displaceably mounted with a flange 98a on a ring portion 24b of the suction valve plate 24. With its flange portion 24a, the suction valve plate 24 bears against the inside of the ring portion 12b of the plunger 12.
- the axial mobility of the Saugventilplatte 24 is according to the embodiment of Fig. 1 is ensured by the gap 50, which is present during the pressure stroke between the radially overlapping flange portions 24a, 98a.
- Both end faces of the suction valve plate 24 and the plunger 12 are flat and perpendicular to the longitudinal axis 70.
- the pressure valve body 18 may be provided with a bevel 94 indicated by the dashed lines. In the position according to Fig. 2 At the end of the compression stroke, the axial bores 52 in the plunger 12 are closed by the suction valve plate 24.
- the suction valve plate 24 has a central opening 99 whose diameter is slightly larger than that of the head portion 26 of the screw 27, which is flush in this embodiment with the end face of the plunger 12. Into the opening 99 projects the - its closed position occupying - pressure valve element 20 into which is formed in this embodiment as a complete dome.
- both liquid and gaseous medium can be conveyed via the delivery chamber 32, the axial bores 52 in the plunger 12, one in the state of Fig. 2 lacking clearance zwisehen the plunger 12 and the suction valve plate 24 and the opening 99 into the pressure chamber 14 to flow.
- Fig. 2 Not shown in Fig. 2 are plug elements which are inserted after installation in the recesses 26c of the screw head portion 26 and fill the opening 99 so that during the intake stroke, although a fluid flow from the axial bores 52 through the opening 99 into the pressure chamber 14 is possible during the Druckhubs however, the pressure chamber 14 substantially by the in Fig. 2 is formed by an "A" indicated gap between the suction valve plate 24 and the pressure valve body 18. The distance between the facing end faces of these two components is at the end of the pressure stroke about 0.1 to 0.2 mm. In this way, the conveyor arrangement according to the invention of Fig. 2 advantageously space-optimized and optimally suitable for conveying gaseous media with high efficiency.
- Fig. 3 and 4 each show a training of in Fig. 2 illustrated pump. The differences are in particular in the formation of the plunger 12 and the suction valve 24 and the Head part 98 formed Saugventilan Aunt. On with the embodiment of Fig. 2 and also from Fig. 1 matching aspects will not be discussed further below.
- a plurality of circumferentially distributed passages are formed, each comprising an obliquely to the longitudinal axis or axis of movement 70 of the plunger 12 extending channel 52 and the channel 52 vorströmseifig vorgelagig pre-chamber 51.
- the free flow cross-section of the pre-chambers 51 is greater than that of the straight channels 52.
- the pre-chambers 51 each have rounded inner surfaces.
- FIG. 2 Another difference from the embodiment of Fig. 2 is that the suction valve plate 24 surrounding head portion 98 is secured by a screw 97.
- the plunger 12 is also provided with channels 52 and antechamber 51 existing passages.
- the facing sides of the plunger 12 and the Saugventilplatte 24 complementary to each other are curved such that they each have an approximately spherical shape.
- the suction valve plate 24 is concave and the plunger 12 is convexly curved, so that the plunger 12 is located with its central portion closer to the pressure valve element 20 than in the embodiment of Fig. 3 , Accordingly, the axial extent of the screw head portion 26 with respect to the embodiment of Fig. 3 increased.
- Fig. 5a schematically shows how a pump according to the invention, the three juxtaposed, a common drive unit 80 having delivery arrangements is operated in a liquid delivery mode.
- the two in Fig. 5a lower conveyor arrangements have only either an inlet opening 16 or an outlet opening 22 and are in the housing interior by in Fig. 5a only indicated channels 11 on the input side and output connected to each other.
- the third, upper conveyor assembly has both its own inlet opening 16 and its own outlet opening 22.
- the three conveying arrangements are connected to a common suction line 72 and the liquid conveyed via the suction line 72 is transported away via a common pressure line 74.
- a common suction line 72 In the liquid conveying mode, the three conveying arrangements are connected to a common suction line 72 and the liquid conveyed via the suction line 72 is transported away via a common pressure line 74.
- two non-interconnected suction lines 72 and pressure lines 74 may be provided.
- the quantities of gas delivered by the two conveying arrangements of the first stage are thus jointly compressed in the second stage and removed via the pressure line 74 of the second stage forming conveyor arrangement.
- each cylinder 10 serves to dissipate the heat generated during the compression of the gas.
- a coolant pumped through the spiral groove 48 via the inlet 47 and one at the other end of the spiral groove 48th arranged, not shown outlet a coolant pumped through the spiral groove 48.
- Fig. 5c shows in a common representation both the liquid delivery mode and the gas delivery mode and the arrangement of valves M1, M2, M3 and M4 in the respective lines. While in the liquid conveying mode the valves M1, M2 are closed and the valves M3, M4 are open, the gas delivery mode is characterized in that the valves M1, M2 are opened and the valves M3, M4 are closed.
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Description
- Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit wenigstens einer Förderanordnung, die einen in einem Zylinder axial geführten Plungerkolben umfaßt, der mit seinem antriebsfernen Ende das Volumen in einer Druckkammer variiert, die beim Saughub mit wenigstens einer auf der der Druckkammer gegenüberliegenden Seite des Plungerkolbens gelegenen Einlaßöffnung und beim Druckhub über eine Druckventilanordnung mit zumindest einer Auslaßöffnung kommuniziert.
- Derartige Pumpen sind beispielsweise aus der
US 5,658,134 , derUS 5,174,735 , derUS 5,346,373 , derUS 3,920,356 , derUS 3,809,508 und derUS 3,652,188 bekannt. - Es ist das der Erfindung zugrundeliegende Problem (Aufgabe), eine Pumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei hoher Pumpleistung und beim Betrieb mit hohen Drehzahlen insbesondere hinsichtlich der Abdichtung des Plungerkolbens im Zylinder störungsfrei arbeitet, vielseitig einsetzbar ist und insbesondere auch zur Förderung von im gasförmigen Zustand vorliegenden Medien eingesetzt werden kann.
- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, daß der Plungerkolben an seinem antriebsfernen Ende eine Saugventilanordnung trägt, die ein axial fest mit einer Kolbenstange verbundenes Kopfteil und eine zwischen dem Plungerkolben und dem Kopfteil axial frei bewegliche Saugventilplatte umfaßt, die beim Saughub am Kopfteil anliegend eine beim Druckhub verschlossene Strömungsverbindung von der Einlaßöffnung über den Plungerkolben in die Druckkammer freigibt.
- Es ist festgestellt worden, daß mit der erfindungsgemäßen Saugventilanordnung eine optimale Abdichtung zwischen der Zylinderinnenwand und dem freien Ende des an der Kolbenstange angebrachten Plungerkolbens erzielt werden kann, die einen störungsfreien und verschleißarmen Betrieb der Pumpe über lange Zeiträume gestattet und es insbesondere ermöglicht, beim Druckhub die Druckkammer gegenüber der Einlaßöffnung bzw. einem Förderraum, in den die Einlaßöffnung mündet, auch beim Fördern von gasförmigen Medien sicher abzudichten. Das erfindungsgemäße Vorsehen der axial frei beweglichen Saugventilplatte zwischen dem Plungerkolben und dem Kopfteil sorgt beim Beginn des Saughubs für eine Freigabe der Strömungsverbindung von der Einlaßöffnung in die Druckkammer allein aufgrund der Trägheit der Saugventilplatte, was insbesondere bei der Förderung gasförmiger Medien von Vorteil ist.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist im Plungerkolben wenigstens ein beim Saughub in die Druckkammer mündender Durchgang ausgebildet, der zumindest bereichsweise schräg zur Bewegungsachse des Plungerkolbens verläuft. Dieser Durchgang kann einen in die Druckkammer mündenden Kanal und eine dem Kanal einströmseitig vorgelagerte Vorkammer mit gegenüber dem Kanal vergrößertem freien Strömungsquerschnitt umfassen.
- Durch eine derartige strömungsgünstige Ausgestaltung der Rückseite bzw. Einströmseite des Plungerkolbens können Strömungsverluste minimiert werden. Durch die schräge Anordnung der Durchgänge bzw. Kanäle im Plungerkolben strömt das Medium beim Saughub nach dem Öffnen der Saugventilplatte ohne größere Richtungsänderungen in den Druckraum. Druckverluste des Mediums beim Durchströmen des Plungerkolbens werden hierdurch in einem erheblichen Maße reduziert.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Plungerkolben zur Zentrierung im Zylinder an der Kolbenstange zumindest in einem geringen Maße beweglich gelagert. Vorzugsweise ist die Lagerung des Plungerkolbens derart ausgeführt, daß zumindest eine geringe axiale Beweglichkeit des Plungerkolbens relativ zur Kolbenstange gegeben ist.
- Hierdurch kann sich der Plungerkolben im Zylinder in einer insbesondere hinsichtlich der Abdichtungswirkung einen störungsfreien Betrieb gewährleistenden Weise optimal ausrichten, wodurch Toleranzen bezüglich der Führung der Kolbenstange ausgeglichen werden können. Die Möglichkeit der Selbsteinstellung des Plungerkolbens im Zylinder verringert den Verschleiß der verwendeten Dichtungen und erhöht somit bei gleichbleibend guten Abdichtungseigenschaften die Lebensdauer der Pumpe.
- Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Druckkammer zur Saugseite zum einen über den Plungerkolben abgedichtet. Dabei ist der Plungerkolben bevorzugt mit wenigstens einer Umfangsausnehmung versehen, in der eine Dichtung angeordnet ist, die in einer besonders bevorzugten Variante als aus Teflon bestehender Gleitdichtring ausgebildet ist. Alternativ könnte für den Gleitdichtring auch ein insbesondere hochtemperaturbeständiger und schlagzäher Kunststoff, beispielsweise PEEK, verwendet werden. Der Gleitdichtring kann mittels eines elastisch verformbaren, zwischen dem Boden der Umfangsausnehmung und dem Gleitdichtring angeordneten O-Rings in Richtung der Zylinderinnenwand vorgespannt sein. Auf diese Weise wird eine optimale Abdichtwirkung bei gleichzeitig niedrigem Reibungswiderstand erzielt.
- Zum anderen erfolgt die Abdichtung der Druckkammer über die Saugventilplatte, die beim Druckhub die z.B. in Form von Axialbohrungen oder von schräg zur Längsachse verlaufenden Durchgängen im Plungerkolben vorhandene Strömungsverbindung in die Druckkammer verschließt.
- In einer besonders bevorzugten Variante ist der Zylinder aus Aluminium hergestellt, wobei die Zylinderinnenwand aus durch einen geeigneten Umwandlungsprozeß entstandenem Aluminiumoxid besteht. In das Aluminiumoxid können außerdem Teflonpartikel eingelagert sein.
- Alternativ ist es auch möglich, den Zylinder aus insbesondere gehärtetem Stahl herzustellen, wobei bevorzugt die Zylinderinnenwand mit einer zusätzlichen Oberflächenschicht, insbesondere einer CVD- oder PVD-Oberflächenschicht, versehen ist. Beispielsweise kann als Zylindermaterial gehärteter Stahl der Härte 62 HRC vorgesehen sein, der mit einer zusätzlichen CVD- bzw. PVD-Oberflächenschicht versehen ist. Hierdurch kann eine Härte von 2400 HV erzielt werden. Zusätzlich kann die Zylinderoberfläche äußerst fein poliert sein. Der Verschleiß an der Zylinderwand und an den Dichtungen wird durch diese Maßnahmen wesentlich herabgesetzt.
- Durch diese Ausgestaltungen des Zylinders werden noch bessere Gleiteigenschaften zwischen der Zylinderinnenwand und den jeweils verwendeten Dichtungen des Plungerkolbens bzw. der Saugventilanordnung erzielt.
- Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel sind die Druckkammer begrenzende Stirnseiten der Saugventilanordnung und der Druckventilanordnung am Ende des Druckhubs derart berührungslos einander angenähert, daß das Volumen der Druckkammer auf einen gegenüber dem Maximalwert am Ende des Saughubs vernachlässigbar kleinen Wert und bevorzugt näherungsweise auf Null reduziert ist. In einer bevorzugten Variante beträgt der minimale Abstand zwischen einander zugewandten Stirnseiten der Druckventilanordnung und der Saugventilanordnung weniger als 1 mm und liegt vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm.
- Hierdurch können bei der Förderung gasförmiger Medien in der Druckkammer hohe Drücke erzielt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine besonders sicher schließende Druckventilanordnung eingesetzt werden kann, da die in der Druckkammer erzielbaren Drücke zum Öffnen derartiger Druckventilanordnungen ausreichen.
- Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind mehrere zumindest im wesentlichen baugleiche Förderanordnungen vorgesehen, wobei die Pumpe durch Verbinden der Einlaßöffnung wenigstens einer Förderanordnung mit der Auslaßöffnung zumindest zweier anderer Förderanordnungen als mehrstufiger Kompressor verwendbar ist.
- Bei der Förderung von flüssigen Medien umfaßt die erfindungsgemäße Pumpe somit mehrere prinzipiell unabhängig voneinander arbeitende Förderanordnungen, deren Plungerkolben mit einem gemeinsamen Antrieb versehen sein können. Zum Umschalten in einen Gasfördermodus können in einer Variante mit drei Förderanordnungen eine Druckleitung, die an eine gemeinsame Auslaßöffnung zweier Förderanordnungen angeschlossen ist, an die Einlaßöffnung der dritten Förderanordnung angeschlossen werden. Auf diese Weise werden in einer ersten Stufe von den beiden ersten Förderanordnungen geförderte Gasmengen mittels der dritten Förderanordnung in einer zweiten Stufe komprimiert, bevor das Gas über die Auslaßöffnung der dritten Förderanordnung die Pumpe verläßt. Im Gasfördermodus arbeitet in dieser Variante die erfindungsgemäße Pumpe somit als ein zweistufiger Kompressor.
- Grundsätzlich könnte erfindungsgemäß durch Vorsehen einer größeren Anzahl von Förderanordnungen die Pumpe auch als drei- oder mehrstufiger Kompressor betrieben werden.
- Wegen der Möglichkeit zur Förderung von Fluiden sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Zustand eignet sich die erfindungsgemäße Pumpe insbesondere für den Einsatz mit Kohlendioxid.
- Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie der Zeichnung angegeben.
- Die Erfindung wird im folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- teilweise eine Pumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in einer teilgeschnittenen Seitenansicht,
- Fig. 2
- eine Ansicht entsprechend
Fig. 1 einer Pumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, - Fig. 3
- eine Weiterbildung der Pumpe von
Fig. 2 , - Fig. 4
- eine andere Weiterbildung der Pumpe von
Fig. 3 , - Fig. 5a und 5b
- jeweils eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe zur Erläuterung eines Flüssigkeitsförder- bzw. Gasfördermodus, und
- Fig. 5c
- schematisch eine Möglichkeit zur Anordnung von Umschalltventilen an der Pumpe gemäß den
Fig. 5a und 5b . -
Fig. 1 zeigt einen Teil einer Pumpe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit drei Förderanordnungen, deren Längsachsen 70 in einer Ebene liegen. Die Förderanordnungen sind baugleich ausgeführt und weisen jeweils eine Kolbenstange 28 auf, die über einen gemeinsamen Antrieb zur Ausführung axialer Hin- und Herbewegungen in einem jeweiligen Zylinder 10 angetrieben werden. Eine gemeinsame Antriebseinheit für die Förderanordnungen ist inFig. 1 nicht dargestellt. - Zwischen einem gemeinsamen Halteelement 40 und einem gemeinsamen Druckgehäuse 44 sind - in
Fig. 1 von links nach rechts - ein Zentrierelement 34, ein einen senkrecht zur Längsachse 70 verlaufenden Einlaßkanal 15 aufweisendes Sauggehäuse 42, der Zylinder 10 und ein Druckventilkörper 18 einer Druckventilanordnung mittels Schraubverbindungen 46 eingespannt. Das Sauggehäuse 42, der Zylinder 10 und ein Plungerkolben 12 begrenzen einen Förderraum 32, in den der eine Einlaßöffnung 16 aufweisende Einlaßkanal 15 mündet. An die Einlaßöffnung 16 ist eine nicht dargestellte Saugleitung anschließbar. - Ein radial vorstehender, umlaufender Kragen 18a des Druckventilkörpers 18 ist zwischen der antriebsfernen Stirnseite des Zylinders 10 und dem Druckgehäuse 44 eingespannt. Die antriebsseitige Stirnseite des Zylinders 10 liegt an einer Schulter 45 des Sauggehäuses 42 an. Eine Austrittsöffnung für die Kolbenstange 28 aus dem Förderraum 32 ist durch einen radial nach innen vorstehenden Kragen 43 des Sauggehäuses 42 begrenzt. Antriebsseitig liegt an dem Kragen 43 des Sauggehäuses 42 ein zylindrischer Ringabschnitt des Zentrierelementes 34 an, dessen der Kolbenstange 28 zugewandte Innenfläche mit Ringausnehmungen 36 für Dichtungen 31, 96 versehen ist. In einer der Ringausnehmungen 36 ist ein aus Teflon hergestellter Gleitdichtring 31 angeordnet, der zusätzlich beispielsweise mittels einer Edelstahlfeder in Richtung der Kolbenstange 28 vorgespannt sein könnte. Anstelle von Teflon könnte auch ein hochtemperaturbeständiger und schlagzäher Kunststoff wie z.B. PEEK für den Gleitdichtring 31 verwendet werden. Antriebsseitig liegt das Zentrierelement 34 an einer Schulter 41 des Halteelementes 40 an. Durch das Zentrierelement 34 wird das Sauggehäuse 42 zum Antrieb zentriert.
- Der Plungerkolben 12 ist über eine Schraube 27, deren Kopf von einem Kopfteil 26 gebildet wird, am freien Ende der Kolbenstange 28 gehalten, und zwar derart, daß der auf die Schraube 27 gesteckte Plungerkolben 12 in einem geringen Maße in axialer Richtung relativ zur Kolbenstange 28 beweglich ist. Auf diese Weise kann sich der im wesentlichen paßgenau in den Zylinder 10 eingeführte Plungerkolben 12 zumindest bis zu einem gewissen Grad unabhängig von der Kolbenstange 28 im Zylinder 10 ausrichten.
- Das mit der Kolbenstange 28 in axialer Richtung fest verschraubte Kopfteil 26 weist einen Zapfen 26b und einen Flanschabschnitt 26a auf, der auf der von der Kolbenstange 28 abgewandten Seite des Kopfteils 26 bündig mit dem Zapfen 26b abschließt und somit eine ebene Stirnseite bildet. Der Zapfen 26b wirkt mit einem Ringvorsprung 12a des Plungerkolbens 12 zusammen, um den Plungerkolben 12 auf der Kolbenstange 28 zu halten. Über Ausnehmungen 26c im Kopfteil 26 kann die Schraube 27 mittels eines entsprechenden Werkzeugs gedreht werden.
- Bevorzugt ist es, wenn nach Montage des Kopfteils 26 die Ausnehmungen 26c mittels Verschlußstopfen verschlossen werden, wodurch in vorteilhafter Weise der Totraum minimiert wird. Die Verschlußstopfen für die Ausnehmungen 26c sind beispielsweise aus einem temperaturbeständigen Kunststoff hergestellt.
- Auf dem Kopfteil 26 ist eine ringförmige Saugventilplatte 24 angeordnet, deren Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders 10 ist. Der dadurch vorhandene Zwischenraum zwischen dem Außenrand der Saugventilplatte 24 und der Zylinderinnenwand ist Teil einer an anderer Stelle näher beschriebenen Druckkammer 14.
- Die Saugventilplatte 24 und das Kopfteil 26 sind mit einander in radialer Richtung überlappenden Flanschabschnitten 24a, 26a versehen, wobei die Saugventilplatte 24 mit einem Ringabschnitt 24b auf dem Flanschabschnitt 26a des Kopfteils 26 verschiebbar gelagert ist.
- Der Plungerkolben 12 ist mit einer Ausnehmung 90 in Form eines radial durch schräg zur Längsachse 70 verlaufende Seitenwände begrenzten Ringkanals versehen. In die Ausnehmung 90 münden Axialbohrungen 52 des Plungerkolbens 12. Die dem Plungerkolben 12 zugewandte Seite der Saugventilplatte 24 ist konusartig derart ausgebildet, daß sie - entsprechend der Stellung gemäß
Fig. 1 - beim Druckhub die Ausnehmung 90 ausfüllt und abdichtend an deren schrägen Seitenwänden anliegt, wobei zur Abdichtung ringförmige Dichtelemente 92 vorgesehen sind. - Die Summe der axialen Höhen der Flanschabschnitte 24a, 26a der Saugventilplatte 24 bzw. des Kopfteils 26 ist kleiner als die axiale Höhe des aus dem Plungerkolben 12 herausragenden Teils des Zapfens 26b. Hierdurch ist die Saugventilplatte 24 zwischen dem Kopfteil 26 und dem Plungerkolben 12 axial frei beweglich. Zwischen den in radialer Richtung überlappenden Flanschabschnitten 24a, 26a ist in dem Zustand gemäß
Fig. 1 ein Spalt oder Zwischenraum 50 vorhanden. -
Fig. 1 zeigt den Plungerkolben 12 und die von der Saugventilplatte 24 und dem Kopfteil 26 gebildete Saugventilanordnung am oberen Totpunkt, d.h. am Ende des Druckhubs. Die Saugventilplatte 24 liegt am Plungerkolben 12 an und füllt die Ausnehmung 90 derart aus, daß die Axialbohrungen 52 im Plungerkolben 12, die radial außerhalb des sich verjüngenden Endes der Kolbenstange 28 in den Förderraum 32 münden, durch die Saugventilplatte 24 verschlossen sind. Es besteht während des Druckhubs somit keine Strömungsverbindung zwischen den Axialbohrungen 52 im Plungerkolben 12 und dem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Außenrand der Saugventilplatte 24 und der Zylinderinnenwand. - Am in
Fig. 1 dargestellten oberen Totpunkt weist die Saugventilanordnung 24, 26 eine senkrecht zur Längsachse 70 verlaufende, ebene Stirnseite auf, die von den von der Kolbenstange 28 abgewandten Seiten des Kopfteils 26 und der Saugventilplatte 24 gebildet wird. Die Förderanordnung ist so ausgelegt, daß am oberen Totpunkt die Stirnseite der Saugventilanordnung 24, 26 derart nahe an die der Saugventilanordnung 24, 26 zugewandte Stirnseite der - im folgenden näher beschriebenen - Druckventilanordnung 18, 20 herangefahren ist, daß ein sehr kleiner, inFig. 1 nicht erkennbarer axialer Zwischenraum zwischen den beiden Stirnseiten vorhanden ist, der einen Teil der in diesem Zustand minimierten Druckkammer 14 der Förderanordnung bildet. Am oberen Totpunkt wird die Druckkammer 14 somit im wesentlichen durch den ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Außenrand der Saugventilplatte 24 und der Zylinderinnenwand gebildet. - Der in
Fig. 1 durch ein "A" angedeutete Abstand zwischen den einander zugewandten Stirnseiten der Saugventilanordnung 24, 26 und der Druckventilanordnung 18, 20 am oberen Totpunkt beträgt etwa 0,1 bis 0,2 mm, so daß sich die Stirnseiten nicht berühren. - Der Druckventilkörper 18 ist Teil einer Druckventilanordnung, die außerdem ein Druckventilelement 20 umfaßt, das etwa die Form einer Kalotte mit abgeschnittener Kappe aufweist und von einer Schraubenfeder 21 gegen die von der Druckkammer 14 wegweisende Seite des Druckventilkörpers 18 vorgespannt ist. Die Feder 21 stützt sich an einem hülsenförmigen Stützelement 13 ab, das mit dem Druckventilkörper 18 verschraubt ist und über Durchbrüche in der Seitenwand mit dem Auslaßraum 23 kommuniziert.
- Im Druckventilkörper 18 ist eine zentrale Öffnung 61 ausgebildet, deren Begrenzungsfläche sich in Richtung des Auslaßraumes 23 entsprechend der Form des Druckventilelementes 20 trichterförmig erweitert und auf diese Weise einen Ventilsitz bildet.
- Die Druckventilanordnung 18, 20 ist derart bemessen, daß im geschlossenen Zustand gemäß
Fig. 1 die der Saugventilanordnung 24, 26 zugewandte, vom Druckventilkörper 18 und vom Druckventilelement 20 gemeinsam gebildete Stirnseite eine - in der nachstehend erläuterten Variante mit Abschrägung 94 lediglich näherungsweise - ebene Fläche ist, die senkrecht zur Längsachse 70 verläuft. - In einer Abwandlung kann die Stirnseite des Druckventilkörpers 18 abgeschrägt sein, wie es in
Fig. 1 durch gestrichelte Linien 94 angedeutet ist, wobei die Darstellung zur Verdeutlichung übertrieben ist. Durch die Abschrägung ist ein keilförmiger, sich in Richtung der Längsachse 70 geringfügig verbreiternder Ringspalt zwischen den gegenüberliegenden Stirnseiten der Saugventilanordnung 24, 26 und der Druckventilanordnung 18, 20 vorhanden. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß beim Druckhub Flüssigkeit in Richtung der Längsachse 70 und durch die Öffnung 61 strömt, ohne Stauungen oder ein Blockieren der Kolbenanordnung aufgrund der zwischen den Stirnseiten vorhandenen Flüssigkeit zu verursachen. - Die auf der von der Druckkammer 14 abgewandten Seite des Druckventilkörpers 18 angeordneten Bestandteile der Druckventilanordnung befinden sich in dem vom Druckventilkörper 18 und dem Druckgehäuse 44 begrenzten Auslaßraum 23, an den über einen eine Auslaßöffnung 22 aufweisenden radialen Auslaßkanal 25 eine nicht dargestellte Druckleitung anschließbar ist.
- Der vom Druckgehäuse 44 umgebene Bereich des Zylinders 10 ist mit einer Spiralnut 48 versehen, die über einen Einlaß 47 mit einem Kühlfluid, für das vorzugsweise Wasser verwendet wird, versorgt werden kann. Außerhalb des Druckgehäuses 44 ist der Zylinder 10 auf seiner Außenseite mit Kühlrippen 49 versehen.
- Die Abdichtung zwischen Sauggehäuse 42 und Zentrierelement 34, zwischen Sauggehäuse 42 und Zylinder 10 sowie zwischen Druckgehäuse 44, Zylinder 10 und Druckventilkörper 18 erfolgt durch in entsprechenden Umfangsausnehmungen angeordnete O-Ringe 60.
- Zur Abdichtung der Druckkammer 14 gegenüber dem Förderraum 32 ist der Plungerkolben 12 mit nutförmigen Umfangsausnehmungen 30 versehen, in denen aus Teflon hergestellte Gleitdichtringe 31 angeordnet sind, wobei anstelle von Teflon auch ein insbesondere hochtemperaturbeständiger und schlagzäher Kunststoff, beispielsweise PEEK, verwendet werden könnte. Zur Vorspannung des näher an der Saugventilplatte 24 gelegenen Gleitdichtringes 31 in Richtung der Zylinderinnenwand ist in die eine entsprechend größere Tiefe aufweisende Nut 30 ein elastisch verformbarer O-Ring eingelegt.
- Zur Erzeugung optimaler Reibungsbedingungen zwischen den Gleitdichtringen 31 und der Zylinderinnenwand ist der Zylinder 10 aus Aluminium hergestellt, wobei die Zylinderinnenwand aus Aluminiumoxid besteht, das durch einen Umwandlungsprozeß, z.B. eine Hart-Coat-Umwandlung, an der Zylinderinnenwand erzeugt wird. Des weiteren sind in das die Zylinderinnenwand bildende Aluminiumoxid Teflonpartikel eingelagert.
- Der Zylinder kann alternativ auch aus gehärtetem Stahl z.B. der Härte 62 HRC hergestellt und an der Innenwand mit einer zusätzlichen CVD- oder PVD-Oberflächenschicht versehen sein. Zur Minimierung des Verschleißes ist die Zylinderoberfläche außerdem äußerst fein poliert.
- Die Saugventilplatte 24 und das Druckventilelement 20 sind aus PEEK hergestellt. Grundsätzlich können auch andere, insbesondere hochtemperaturbeständige und/oder schlagzähe, Kunststoff-Materialien verwendet werden.
- Die erfindungsgemäße Förderanordnung ist zur Förderung von Fluiden sowohl im flüssigen als auch im gasförmigen Zustand geeignet. Beim Saughub bewegt sich der Plungerkolben 12 zusammen mit der Saugventilanordnung 24, 26 in
Fig. 1 nach links, so daß die axial frei bewegliche Saugventilplatte 24 am Kopfteil 26 anliegt, d.h. der Spalt 50 nicht mehr vorhanden ist. Es besteht somit während des Saughubs eine Strömungsverbindung vom Förderraum 32 in die Druckkammer 14 über die Axialbohrungen 52 im Plungerkolben 12 und über einen im Zustand vonFig. 1 nicht vorhandenen Ringspalt radial außerhalb des konusförmigen Abschnitts der Saugventilplatte 24. - Auf diese Weise wird während des Saughubs die sich vergrößernde Druckkammer 14 mit flüssigem oder gasförmigem Fluid gefüllt, das über eine nicht dargestellte, an die Einlaßöffnung 16 gekoppelte Saugleitung, den Einlaßkanal 15, den Förderraum 32 sowie den Plungerkolben 12 und die Saugventilanordnung 24, 26 nachströmen kann. Eine Strömungsverbindung von der Druckkammer 14 in den Auslaßraum 23 durch die Öffnung 61 des Druckventilkörpers 18 ist durch das Druckventilelement 20 verschlossen, das mittels der Feder 21 an den auf dieser Seite als Ventilsitz dienenden Druckventilkörper 18 gedrückt wird.
- Während des sich anschließenden Druckhubs wird die Saugventilanordnung 24, 26 automatisch aufgrund der freien axialen Beweglichkeit der Saugventilplatte 24 in einen Druckmodus umgeschaltet, in welchem die die Ausnehmung 90 ausfüllende Saugventilplatte 24 am Plungerkolben 12 anliegt und - wie in
Fig. 1 gezeigt - die Axialbohrungen 52 im Plungerkolben 12 verschließt. - Wenn zuvor Flüssigkeit in die Druckkammer 14 gesaugt wurde, dann öffnet sich die Druckventilanordnung 18, 20 zu Beginn des Druckhubs, so daß die Flüssigkeit durch die Öffnung 61 des Druckventilkörpers 18 an dem vom Ventilsitz abgehobenen Druckventilelement 20 vorbei in den Auslaßraum 23 und über den Auslaßkanal 25 sowie die Auslaßöffnung 22 in die nicht dargestellte Druckleitung strömen kann.
- Wenn zuvor ein gasförmiges Medium in die Druckkammer 14 gesaugt wurde, dann wird das Gas in der Druckkammer 14 während des Druckhubs komprimiert, bis in der Druckkammer 14 ein zum Überwinden der von der Feder 21 auf das Druckventilelement 20 aufgebrachten Kraft ausreichender Druck herrscht, woraufhin das Gas in die an die Auslaßöffnung 22 angeschlossene Druckleitung strömen kann.
- Die Förderanordnung ist in vorteilhafter Weise totraumoptimiert, da am Ende des Druckhubs die Druckkammer 14 lediglich von dem ringförmigen Zwischenraum zwischen dem Außenrand der Saugventilplatte 24 und der Zylinderinnenwand sowie von dem minimalen Spalt bei "A" in
Fig. 1 zwischen den ebenen Stirnseiten der Saugventilanordnung 24, 26 und der Druckventilanordnung 18, 20 gebildet wird. In die Ausnehmungen 26c werden - wie erwähnt - im Anschluß an die Montage - inFig. 1 nicht dargestellte - Stopfenelemente gesteckt, so daß die Ausnehmungen 26c nicht zur Druckkammer 14 beitragen. - Die Totraumoptimierung hat insbesondere auch bei Förderung gasförmiger Medien einen sehr guten Wirkungsgrad zur Folge.
- Die in
Fig. 2 dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Pumpe unterscheidet sich von derjenigen derFig. 1 insbesondere durch die Ausbildung des Plungerkolbens 12 und der von der Saugventilplatte 24 und einem Kopfteil 98 gebildeten Saugventilanordnung. Dies gilt auch für die an anderer Stelle näher beschriebenenFig. 3 und4 . Auf die mit dem Ausführungsbeispiel vonFig. 1 übereinstimmenden Aspekte wird im folgenden nicht näher eingegangen. - In dieser Ausführungsform ist die Saugventilplatte 24 von dem ringförmigen Kopfteil 98 umgeben, wobei wiederum einander in radialer Richtung überlappende Flanschabschnitte 24a, 98a vorgesehen sind. Das Kopfteil 98 ist mit einem Hülsenabschnitt 98b auf einen von der antriebsfernen Stirnseite des Plungerkolbens 12 axial abstehenden Ringabschnitt 12b geschraubt und mit einem Flanschabschnitt 98a auf einem Ringabschnitt 24b der Saugventilplatte 24 axial verschiebbar gelagert. Mit seinem Flanschabschnitt 24a liegt die Saugventilplatte 24 an der Innenseite des Ringabschnitt 12b des Plungerkolbens 12 an.
- Die axiale Bewegbarkeit der Saugventilplatte 24 ist entsprechend der Ausführungsform von
Fig. 1 durch den Spalt 50 gewährleistet, der während des Druckhubs zwischen den in radialer Richtung überlappenden Flanschabschnitten 24a, 98a vorhanden ist. - Beide Stirnseiten der Saugventilplatte 24 sowie des Plungerkolbens 12 sind eben und verlaufen senkrecht zur Längsachse 70. Auch in dieser Ausführungsform kann der Druckventilkörper 18 mit einer - durch die gestrichelten Linien angedeuteten - Abschrägung 94 versehen sein. In der Stellung gemäß
Fig. 2 am Ende des Druckhubs sind die Axialbohrungen 52 im Plungerkolben 12 durch die Saugventilplatte 24 verschlossen. - Die Saugventilplatte 24 weist eine zentrale Öffnung 99 auf, deren Durchmesser etwas größer als derjenige des Kopfteils 26 der Schraube 27 ist, das in dieser Ausführungsform bündig mit der Stirnseite des Plungerkolbens 12 abschließt. In die Öffnung 99 ragt das - seine geschlossene Stellung einnehmende - Druckventilelement 20 hinein, das in dieser Ausführungsform als vollständige Kalotte ausgebildet ist.
- Während des Saughubs kann sowohl flüssiges als auch gasförmiges Medium über den Förderraum 32, die Axialbohrungen 52 im Plungerkolben 12, einen im Zustand von
Fig. 2 nicht vorhandenen Zwischenraum zwisehen dem Plungerkolben 12 und der Saugventilplatte 24 und die Öffnung 99 in die Druckkammer 14 strömen. - Nicht dargestellt in
Fig. 2 sind Stopfenelemente, die nach erfolgter Montage in die Ausnehmungen 26c des Schrauben-Kopfteils 26 gesteckt werden und die Öffnung 99 derart ausfüllen, daß während des Saughubs zwar eine Fluidströmung von den Axialbohrungen 52 durch die Öffnung 99 in die Druckkammer 14 möglich ist, während des Druckhubs jedoch die Druckkammer 14 im wesentlichen durch den inFig. 2 durch ein "A" angedeuteten Spalt zwischen der Saugventilplatte 24 und dem Druckventilkörper 18 gebildet wird. Der Abstand zwischen den einander zugewandten Stirnseiten dieser beiden Bauteile beträgt am Ende des Druckhubs etwa 0,1 bis 0,2 mm. Auf diese Weise ist auch die erfindungsgemäße Förderanordnung vonFig. 2 in vorteilhafter Weise totraumoptimiert und zur Förderung gasförmiger Medien mit hohem Wirkungsgrad optimal geeignet. - Es ist auch möglich, das Druckventilelement 20 bzw. dessen durch die Öffnung 99 hineinragenden Abschnitt derart auszubilden, daß ein möglichst großer Teil des aufgrund der Öffnung 99 vorhandenen Raumes ausgefüllt ist.
- Die
Fig. 3 und4 zeigen jeweils eine Weiterbildung der inFig. 2 dargestellten Pumpe. Die Unterschiede bestehen insbesondere in der Ausbildung des Plungerkolbens 12 und der von der Saugventilplatte 24 und dem Kopfteil 98 gebildeten Saugventilanordnung. Auf die mit dem Ausführungsbeispiel vonFig. 2 und auch vonFig. 1 übereinstimmenden Aspekte wird im folgenden nicht näher eingegangen. - In dem Ausführungsbeispiel gemäß
Fig. 3 sind im Plungerkolben 12 mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Durchgänge ausgebildet, die jeweils einen schräg zur Längsachse bzw. Bewegungsachse 70 des Plungerkolbens 12 verlaufenden Kanal 52 und eine dem Kanal 52 einströmseifig vorgelagerte Vorkammer 51 umfassen. Der freie Strömungsquerschnitt der Vorkammern 51 ist größer als derjenige der geraden Kanäle 52. Im Bereich des Übergangs in die Kanäle 52 weisen die Vorkammern 51 jeweils abgerundete Innenflächen auf. - Durch diese aus geraden Strömungskanälen 52 und vorgelagerten Vorkammern 51 bestehenden Durchgänge wird eine Strömungsoptimierung des Plungerkolbens 12 auf der Einströmseite erreicht. Wenn beim Saughub des Plungerkolbens 12 die Saugventilplatte 24 abgehoben ist und die Durchgänge 51, 52 geöffnet sind, kann das Medium ohne wesentliche Umlenkungen bzw. Richtungsänderungen durch den Plungerkolben 12 hindurch schräg auf die Bewegungsachse 70 zu in die Druckkammer 14 einströmen.
- Ein weiterer Unterschied zu der Ausführungsform von
Fig. 2 besteht darin, daß das die Saugventilplatte 24 umgebende Kopfteil 98 mittels einer Schraube 97 gesichert ist. - In der Ausführungsform von
Fig. 4 ist der Plungerkolben 12 ebenfalls mit aus Kanälen 52 und Vorkammern 51 bestehenden Durchgängen versehen. - Zusätzlich sind bei diesem Ausführungsbeispiel die einander zugewandten Seiten des Plungerkolbens 12 und der Saugventilplatte 24 komplementär zueinander derart gekrümmt, daß sie jeweils einen näherungsweise sphärischen Verlauf aufweisen. Dabei ist die Saugventilplatte 24 konkav und der Plungerkolben 12 konvex gekrümmt, so daß der Plungerkolben 12 mit seinem zentralen Bereich näher an dem Druckventilelement 20 liegt als in der Ausführungsform von
Fig. 3 . Entsprechend ist die axiale Ausdehnung des Schrauben-Kopfteils 26 gegenüber der Ausführungsform vonFig. 3 vergrößert. - Durch diese Ausgestaltung des Plungerkolbens 12 wird dessen Durchströmung weiter verbessert, während gleichzeitig eine weitere Verkleinerung der Druckkammer 14 uns somit eine verbesserte Totraumoptimierung erzielt wird.
-
Fig. 5a zeigt schematisch, wie eine erfindungsgemäße Pumpe, die drei nebeneinander angeordnete, eine gemeinsame Antriebseinheit 80 aufweisende Förderanordnungen umfaßt, in einem Flüssigkeitsfördermodus betrieben wird. Die beiden inFig. 5a unteren Förderanordnungen weisen lediglich entweder eine Einlaßöffnung 16 oder eine Auslaßöffnung 22 auf und sind im Gehäuseinneren durch inFig. 5a lediglich angedeutete Kanäle 11 eingangsseitig und ausgangsseitig miteinander verbunden. Die dritte, obere Förderanordnung weist sowohl eine eigene Einlaßöffnung 16 als auch eine eigene Auslaßöffnung 22 auf. - Im Flüssigkeitsfördermodus sind die drei Förderanordnungen an eine gemeinsame Saugleitung 72 angeschlossen und wird die über die Saugleitung 72 geförderte Flüssigkeit über eine gemeinsame Druckleitung 74 abtransportiert. Alternativ können auch jeweils zwei nicht miteinander verbundene Saugleitungen 72 bzw. Druckleitungen 74 vorgesehen sein.
- Um die erfindungsgemäße Pumpe in einem Gasfördermodus zu betreiben, in welchem die Pumpe als zweistufiger Kompressor arbeitet, wird gemäß
Fig. 5b die gemeinsame Druckleitung 74 der beiden inFig. 5b unteren Förderanordnungen an die Einlaßöffnung 16 der inFig. 5b oberen Förderanordnung angeschlossen. Das gasförmige Medium, beispielsweise Kohlendioxid, welches über die an die Einlaßöffnung 16 der unteren Förderanordnung angeschlossene gemeinsame Saugleitung 72 gefördert wird, wird nach dem Austritt aus der von den beiden unteren Förderanordnungen gebildeten ersten Stufe der Pumpe der dritten, oberen Förderanordnung zugeführt. Die dritte Förderanordnung bildet die zweite Stufe der in diesem Gasfördermodus als Kompressor arbeitenden Pumpe. - Die von den beiden Förderanordnungen der ersten Stufe geförderten Gasmengen werden somit in der zweiten Stufe gemeinsam komprimiert und über die Druckleitung 74 der die zweite Stufe bildenden Förderanordnung abtransportiert.
- Der mit einer als Kühlraum dienenden Spiralnut 48 versehene, in Strömungsrichtung vordere Bereich jedes Zylinders 10 (vgl.
Fig. 1-4 ) dient zur Ableitung der bei der Kompression des Gases entstehenden Wärme. Hierzu wird über den Einlaß 47 und einen am anderen Ende der Spiralnut 48 angeordneten, nicht dargestellten Auslaß ein Kühlmittel durch die Spiralnut 48 gepumpt. - Des weiteren ist vorzugsweise vorgesehen, die Verbindungsleitungen zwischen den die zweite Stufe bildenden Förderanordnungen und der die zweite Stufe bildenden Förderanordnung mit einem Kühlmantel zu versehen.
-
Fig. 5c zeigt in einer gemeinsamen Darstellung sowohl den Flüssigkeitsfördermodus als auch den Gasfördermodus sowie die Anordnung von Ventilen M1, M2, M3 und M4 in den jeweiligen Leitungen. Während im Flüssigkeitsfördermodus die Ventile M1, M2 geschlossen und die Ventile M3, M4 geöffnet sind, zeichnet sich der Gasfördermodus dadurch aus, daß die Ventile M1, M2 geöffnet und die Ventile M3, M4 geschlossen sind. - Durch das Vorsehen der internen Kanäle 11 wird die zum Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi erforderliche Anzahl von Ventilen minimiert.
-
- 10
- Zylinder
- 11
- Kanal
- 12
- Plungerkolben
- 12a
- Ringvorsprung
- 12b
- Ringabschnitt
- 13
- Stützelement
- 14
- Druckkammer
- 15
- Einlaßkanal
- 16
- Einlaßöffnung
- 18
- Druckventilkörper
- 18a
- Kragen
- 20
- Druckventilelement
- 21
- Feder
- 22
- Auslaßöffnung
- 23
- Auslaßraum
- 24
- Saugventilplatte
- 24a
- Flanschabschnitt
- 24b
- Ringabschnitt
- 25
- Auslaßkanal
- 26
- Kopfteil
- 26a
- Flanschabschnitt
- 26b
- Zapfen
- 26c
- Ausnehmung
- 27
- Schraube
- 28
- Kolbenstange
- 30
- Umfangsausnehmung
- 31
- Gleitdichtring
- 32
- Förderraum
- 33
- O-Ring
- 34
- Zentrierelement
- 36
- Ringausnehmung
- 40
- Halteelement
- 41
- Schulter
- 42
- Sauggehäuse
- 43
- Kragen
- 44
- Druckgehäuse
- 45
- Schulter
- 46
- Schraubverbindung
- 47
- Einlaß
- 48
- Kühlraum, Spiralnut
- 49
- Kühlrippen
- 50
- Spalt
- 51
- Vorkammer
- 52
- Axialbohrung, Kanal
- 60
- O-Ring
- 61
- Öffnung
- 70
- Längsachse, Bewegungsachse
- 72
- Saugleitung
- 74
- Druckleitung
- 80
- Antriebseinheit
- 90
- Ausnehmung
- 92
- Dichtelement
- 94
- Abschrägung
- 96
- Dichtung
- 97
- Schraube
- 98
- Kopfteil
- 98a
- Flanschabschnitt
- 98b
- Hülsenabschnitt
- 99
- Öffnung
- A
- Abstand
- M1
- Ventil
- M2
- Ventil
- M3
- Ventil
- M4
- Ventil
Claims (13)
- Pumpe mit wenigstens einer Förderanordnung, die einen in einem Zylinder (10) axial geführten Plungerkolben (12) umfaßt, der mit seinem antriebsfernen Ende das Volumen in einer Druckkammer (14) variiert, die beim Saughub mit wenigstens einer auf der der Druckkammer (14) gegenüberliegenden Seite des Plungerkolbens (12) gelegenen Einlaßöffnung (16) und beim Druckhub über eine Druckventilanordnung (18, 20) mit zumindest einer Auslaßöffnung (22) kommuniziert,
wobei der Plungerkolben (12) an seinem antriebsfernen Ende eine Saugventilanordnung (24, 98) trägt, die ein axial fest mit einer Kolbenstange (28) verbundenes Kopfteil (98) und eine zwischen dem Plungerkolben (12) und dem Kopfteil (98) axial frei bewegliche Saugventilplatte (24) umfaßt, die beim Saughub am Kopfteil (98) anliegend eine beim Druckhub verschlossene Strömungsverbindung von der Einlaßöffnung (16) über den Plungerkolben (12) in die Druckkammer (14) freigibt,
daß die Druckventilanordnung (18, 20) einen zumindest bereichsweise die Druckkammer (14) begrenzenden Druckventilkörper (18) und ein Druckventilelement (20) umfaßt, das während des Saughubs gegen die der Druckkammer (14) gegenüberliegende Seite des Druckventilkörpers (18) vorgespannt ist und ab einem während des Druckhubs erzeugten Druck in der Druckkammer (14) wenigstens eine Fluidverbindung von der Druckkammer (14) zur Auslaßöffnung (22) freigibt,
dadurch gekennzeichnet,
daß das, bevorzugt kalottenförmige, Druckventilelement (20) beim Druckhub über die der Saugventilanordnung (24, 98) zugewandte Seite des Druckventilkörpers (18) hinaus vorsteht und in die Druckkammer (14) hineinragt, und
dass die Saugventilplatte (24) eine zentrale Öffnung (99) aufweist, die einen Bestandteil der in die Druckkammer (14) führenden Strömungsverbindung bildet und in die am Ende des Druckhubs das Druckventilelement (20) hineinragt. - Pumpe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Plungerkolben (12) zur Zentrierung im Zylinder (10) an der Kolbenstange (28) zumindest in einem geringen Maße beweglich gelagert ist. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (14) begrenzende Stirnseiten der Saugventilanordnung (24, 26; 24, 98) und der Druckventilanordnung (18, 20) am Ende des Druckhubs derart berührungslos einander angenähert sind, daß das Volumen der Druckkammer (14) auf einen gegenüber dem Maximalwert am Ende des Saughubs vernachlässigbar kleinen Wert und bevorzugt näherungsweise auf Null reduziert ist,
und/oder daß der minimale Abstand zwischen einander zugewandten Stirnseiten der Druckventilanordnung (18, 20) und der Saugventilanordnung (24, 26; 24, 98) kleiner als 1 mm ist und vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm liegt. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kopfteil (98) als die Saugventilplatte (24) umgebendes und mit der antriebsfernen Stirnseite des Plungerkolbens (12) axial fest verbundenes, insbesondere aufschraubbares, Ringelement ausgebildet ist. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Plungerkolben (12) wenigstens ein beim Saughub in die Druckkammer (14) mündender Durchgang (51, 52) ausgebildet ist, der zumindest bereichsweise schräg zur Bewegungsachse (70) des Plungerkolbens (12) verläuft, und/oder daß wenigstens ein im Plungerkolben (12) ausgebildeter Durchgang (51, 52) einen in die Druckkammer (14) mündenden Kanal (52) und eine dem Kanal (52) einströmseitig vorgelagerte Vorkammer (51) mit gegenüber dem Kanal (52) vergrößertem freien Strömungsquerschnitt umfaßt. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die einander zugewandten Seiten des Plungerkolbens (12) und der Saugventilplatte (24) komplementär zueinander gekrümmt sind und insbesondere einen zumindest näherungsweise sphärischen Verlauf aufweisen, wobei bevorzugt der Plungerkolben (12) konvex und die Saugventilplatte (24) konkav gekrümmt ist. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Saugventilplatte (24) ringförmig ausgebildet und bevorzugt in radialer Richtung paßgenau auf dem Kopfteil (26) angeordnet ist,
wobei insbesondere der Außendurchmesser der Saugventilplatte (24) kleiner als der Innendurchmesser des Zylinders (10) ist,
und/oder daß die dem Plungerkolben (12) zugewandte Seite der Saugventilplatte (24) konusartig ausgebildet ist und beim Druckhub abdichtend an schräg zur Längsachse (70) des Zylinders (10) verlaufenden Seitenwänden einer Ausnehmung (90) des Plungerkolbens (12) anliegt, in die wenigstens eine Axialbohrung (52) des Plungerkolbens (12) mündet,
und/oder daß der Druckventilanordnung (18, 20) zugewandte Seiten der Saugventilplatte (24) und des Kopfteils (26) beim Druckhub zusammen eine zumindest im wesentlichen ebene Stirnseite der Saugventilanordnung (24, 26) bilden. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Saugventilplatte (24) und das Kopfteil (26; 98) mit einander in radialer Richtung überlappenden Flanschabschnitten (24a, 26a; 24a, 98a) versehen sind. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkammer (14) zur Saugseite über den Plungerkolben (12) abgedichtet ist,
wobei insbesondere der Plungerkolben (12) wenigstens eine vorzugsweise nutförmige Umfangsausnehmung (30) umfaßt, in der eine bevorzugt zumindest teilweise aus Teflon oder PEEK bestehende Dichtung (31, 33) angeordnet ist,
wobei insbesondere wenigstens eine Dichtung einen Gleitdichtring (31) umfaßt,
und/oder daß wenigstens eine Dichtung bevorzugt mittels eines in der Umfangsausnehmung (30) angeordneten, elastisch verformbaren O-Rings (33) in Richtung der Zylinderinnenwand vorgespannt ist. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (10) aus Aluminium hergestellt ist, wobei bevorzugt die Zylinderinnenwand aus insbesondere durch eine Hart-Coat-Umwandlung entstandenem Aluminiumoxid besteht, oder daß der Zylinder (10) aus insbesondere gehärtetem Stahl hergestellt ist, wobei bevorzugt die Zylinderinnenwand mit einer zusätzlichen Oberflächenschicht, insbesondere einer CVD- oder PVD-Oberflächenschicht, versehen ist,
und/oder daß in die Zylinderinnenwand, insbesondere in die Zylinderinnenwand bildendes Aluminiumoxid, Teflonpartikel eingelagert sind,
und/oder daß zumindest die Saugventilplatte (24) der Saugventilanordnung aus einem insbesondere hochtemperaturbeständigen und/oder schlagzähen Kunststoff, bevorzugt aus PEEK, hergestellt ist,
und/oder daß zumindest ein Druckventilelement (20) der Druckventilanordnung (18, 20) aus einem insbesondere hochtemperaturbeständigen und schlagzähen Kunststoff, bevorzugt aus PEEK, hergestellt ist. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kolbenstange (28) durch einen mit der Einlaßöffnung (16) kommunizierenden Förderraum (32) erstreckt und außerhalb des Förderraumes (32) von einem ringförmigen Zentrierelement (34) umgeben ist, dessen der Kolbenstange (28) zugewandte Innenfläche mit wenigstens einer in einer Ringausnehmung (36) angeordneten, bevorzugt zumindest teilweise aus Teflon oder PEEK bestehenden Dichtung (38) versehen ist,
wobei insbesondere wenigstens eine Dichtung (38) einen Gleitdichtring umfaßt,
und/oder daß wenigstens eine Dichtung (38) bevorzugt mittels einer Stahlfeder in Richtung der Kolbenstange (28) vorgespannt ist, und/oder daß das Zentrierelement (34) zwischen einem Halteelement (40) und dem Zylinder (10), bevorzugt einem sich antriebsseitig an den Zylinder (10) anschließenden und vorzugsweise mittels des Zentrierelementes (34) zentrierten Sauggehäuses (42) angeordnet ist,
und/oder daß das Zentrierelement (34), der Zylinder (10) und die Druckventilanordnung (18, 20) zwischen dem Halteelement (40) und einem Druckgehäuse (44) mittels wenigstens einer Schraubverbindung (46) in axialer Richtung eingespannt sind. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zwischen einem Druckgehäuse (44) und einem vom Druckgehäuse (44) umgebenen Bereich des Zylinders (10) wenigstens ein einen Teil eines bevorzugt mit Wasser betreibbaren Kühlkreislaufes bildender Kühlraum (48) vorhanden ist,
wobei insbesondere der Kühlraum in Form zumindest einer auf der Außenfläche des Zylinders (10) ausgebildeten Spiralnut (48) vorgesehen ist. - Pumpe nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere bevorzugt zumindest im wesentlichen baugleiche Förderanordungen umfaßt und durch Verbinden der Einlaßöffnung (16) wenigstens einer Förderanordung mit der Auslaßöffnung (22) zumindest einer anderen Förderanordung als mehrstufiger Kompressor insbesondere zur Förderung gasförmiger Fluide verwendbar ist,
wobei insbesondere drei Förderanordnungen mit vorzugsweise etwa in einer Ebene liegenden Längsachsen (70) vorgesehen sind, wobei in einem Flüssigkeitsfördermodus jede Einlaßöffnung (16) mit einer Saugleitung (72) und jede Auslaßöffnung (22) mit einer Druckleitung (74) und in einem Gasfördermodus eine Einlaßöffnung (16) mit zwei Auslaßöffnungen (22) verbunden ist,
und/oder daß zumindest zwei Förderanordnungen eine einzige gemeinsame Einlaßöffnung (16) und/oder eine einzige gemeinsame Auslaßöffnung (22) aufweisen.
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