EP1317626A1

EP1317626A1 - Verfahren und maschine zur förderung von medien

Info

Publication number: EP1317626A1
Application number: EP01978142A
Authority: EP
Inventors: Jan W. Beenker
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-09-14
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2003-06-11
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: CN1474912A; JP5231706B2; KR20030051652A; CA2422579C; KR100907118B1; ATE335130T1; WO2002023043A1; CA2422579A1; BR0113901B1; JP2004509270A; DE10146190A1; BR0113901A; MXPA03002184A; IL154779A0; ES2269470T3; IL154779A; HK1062841A1; DE50110636D1; EP1317626B1; AU2002210359A1

Description

Verfahren und Maschine zur Förderung von Medien

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren bzw. einer Maschine (Verdrangungskraftmaschine odgl.) zur Förderung von förderbaren Medien (gasförmig, flüssig, pastös oder rieselartig) nach der Gattung des Hauptanspruchs bzw. des Nebenanspruchs 2.

Fördereinrichtungen mit einem elastisch verformbaren Wandteil des Arbeitsraums sind meist als Membranpumpe bekannt, beispielsweise mit Pendelpleuelantrieb (De-OS 2212322 oder De-OS 19919908 und De-PS 2211096) oder mit Taumelscheibenantrieb (De-OS 4244619) odgl. auch als Schlauchpumpe, wobei jedenfalls der Antrieb der den Arbeitsraum abschnittsweise begrenzenden elastisch verformbaren Wandteile (Membran, Schlauchwand oder dgl.) durch quer zur Strömungsrichtung des zu verdrängenden Mediums auf diese Wandteile wirkende Kräfte erfolgt. Gemäß der Funktion einer Arbeitsmaschine wird diesem Antrieb Energie zugeführt und zur Förderung entsprechend auf das Medium übertragen, wobei es sich immer um eine intermittierende, also keine lineare Förderung handelt. Entsprechend der Funktion dieser bekannten

Verdrängungsarbeitsmaschinen entsteht z.B. bei einer Pendelpumpe eine stehende Welle mit festen Schnittpunkten auf der fiktiven Achse, wodurch auch ein weitgehender Schwingungsausgleich von Schwingungsbauch und Schwingungstal erzielt wird. Auch bei mit Schiebern angetriebene Membranpumpen (siehe oben US 4854836), bei denen mehrere Schieber hintereinander angeordnet eine Förderwelle beim zu fördernden Medium (dort bei Schlauchpumpe) erzeugen, handelt es sich um stehende Wellen. So wird bei Schlauchpumpen odgl. Pumpen, wie bei einer Abrollbewegung eines Reifens, der Schlauch zusammen gepresst, um sich danach zur Erzeugung der Saugbewegung radial wieder auszudehnen. Es handelt sich jeweils entweder um einen gleichmäßig hin- und hergehenden, eine stehende Welle erzeugenden Antrieb oder um eine fortgesetzt wellenartige Bewegung.

Der Nachteil dieser bekannten Antriebsmethode besteht vor allem in einer verhältnismäßig hohen Abnutzung, da die seitliche Begrenzung der Welle immer an der gleichen Stelle ist, d.h. auch immer an den gleichen Stellen eine Maximalbelastung stattfindet, abgesehen davon, dass hier jeweils Totpunkte erzeugt werden, die bei langsam laufenden Maschinen, beispielsweise für zähes zu förderndes Medium, eine analog der Antriebs requenz laufende wechselnde Beanspruchung der Antriebskräfte erfordert. Erforderlichenfalls müssen

Zusatzeinrichtungen zum Überwinden dieser Totpunkte vorgesehen werden.

Bei einem anderen bekannten Verfahren zur Förderung von insbesondere pastösen oder rieselartigen Medien wird beispielsweise über eine Schnecke das Medium in einem nach oben offenen Raum, beispielsweise einer Rille, befördert, mit dem Nachteil, dass aufgrund der Reibung zwischen Schnecke und Medium oder auch Rinne erhebliche Verluste entstehen.

Es sind auch Membranpumpen bekannt, bei denen der Atrieb über piezoelektrische Elemente erfolgt (De-OS 198934536 und De-OS 3618106) mit grundsätzlich den gleichen Nachteilen und insbesondere auch nur für kleine Fördermengen geeignet.

Nicht zuletzt sind auch Verfahren zum Antrieb von Schiffen bekannt (De-GM 7712359), bei denen das Medium, in diesem Fall Wasser, in einem in Fahrtrichtung des Schiffes sich erstreckenden Raum mit einem vorderseitigen Eingang und einem rückseitigen Ausgang befördert werden. Aufgrund der Schubwirkung des geförderten Wassern und der entsprechenden Anordnung von Eingang und Ausgang, die weitgehend unter dem Wasserspiegel liegen, wird das Schiff bewegt. Auch hier gilt, dass die Antriebsverluste des Wassers verhältnismäßig hoch sind.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Die erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs bzw. die erfindungsgemäße Fördermaschine und die kennzeichnenden Merkmale des Nebenanspruchs 2 hat demgegenüber den Vorteil, dass die bei der Förderung des Mediums aufgrund des Antriebs sich ergebenden Schnittpunkte der durch die Art des Antriebs sich ergebenden Wellen in Strömungsrichtung des Mediums wandern, d.h. nicht auf einer Stelle verharren bzw. die Schnittpunkte mit einer fiktiven Strömungsachse mit dem Medium in Strömungsrichtung mitwandern. Derartige wandernde Wellen sind in der Natur bekannt bei der Fortbewegung von Schlangen, Aalen und dgl.. Entsprechend ist die Abnutzung bei einer solchen Maschine wesentlich gleichmäßiger auf die antreibenden und getriebenen Teile verteilt und es erfolgt auch eine wesentlich gleichmäßigere Förderung des Mediums. Durch das Antriebssystem wird aufgrund einer zusätzlichen, der Grundbewegung überlagerten, anders gerichteten Bewegung ein Pulsieren erreicht, welches erfindungsgemäß so ausgebildet ist, dass es die wandernde Welle beim Medium erzeugt. Hierdurch wird eine Reibung zwischen den beweglichen Wandteilen und der starren Wand vermieden bzw. ein Abtrieb vermieden, was u.a zu einem geringeren Verschleiß bei der erfindungsgemäßen Maschine führt und auch zu einer geringeren Geräuschentwicklung sowie der Einsatzmöglichkeit biegesteifer Materialien flexible Wand. Da die Materialien insbesondere der elastisch verformbaren Wandteile weniger beansprucht werden, wie bei bekannten Maschinen, können diese Materialien sowohl anders wie auch dünner ausgebildet sein, aber es können auch neuartige Materialien zum Einsatz kommen, die den Forderungen bei den bekannten Maschinen nicht gewachsen wären. Zu solchen nunmehr einsetzbaren Materialien gehören vor allem und unter anderem faserverstärkte Kunststoffe, die durch Einlagerung von dünnen Metallschichten gasdicht gemacht werden können, so dass die erfindungsgemäße Verdrängungsarbeitsmaschine auch neuen Anwendungsbereichen zugeführt werden könnte, wie beispielsweise im Kälte- und Klimabereich. So kann erfindungsgemäß die Rückstellung der elastisch verformbaren Wandteile automatisch in Druck- und/ oder Saugrichtung erfolgen - im Unterschied zu bekannten gattungsgemäßen Verdrängungsarbeitsmaschinen .

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Fördermaschine ist mit den elastisch verformbaren Wandteilen in Zusammenwirkung mit den ihnen gegenüberliegenden, den Arbeitsraum begrenzenden Wandteilen, die meist starr sind, eine quer zur Strömungsrichtung verlaufende Abdichtung erzielbar, ähnlich einer einwandigen Schlauchpumpe, bei der die einander gegenüberliegenden Wände meist querlinienförmig zusammengepresst werden. Durch ein solches Zusammenwirken von meist elastischen und starren Wandteilen, nämlich je nach verbleibendem Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Wandteilen, kann auch die Fördermenge des Mediums gesteuert werden bis hin zur tatsächlichen auch einen höheren Druck zulassenden Abdichtung.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird durch das Zusammenwirken der elastischen verformbaren Wandteile mit der Zu- und/ oder Abströmöffnung des Arbeitsraums eine entsprechende Ventilfunktion übernommen. Sobald die elastischen Wandteile die Zuströmöffnung verschließen, kann bei entsprechendem Antrieb der Wandteile das Medium auch unter höherem Druck zur Abströmöffnung gefördert werden und es kann umgekehrt bei Verschließen der Abströmöffnung und Vergrößern des Arbeitsraums bei gleichzeitigem Öffnen der Zuströmöffnung ein Ansaugen des Mediums erfolgen.

Die diesbezügliche Ausgestaltung der Erfindung kann die quer zur Strömungsrichtung gegebene Abdichtung bzw. dieses sich Nähern zwischen elastischem Wandteil und starrem Wandteil als in Strömungsrichtung wandernd ausgebildet werden, wodurch die wandernde Welle des Mediums entsprechend beeinflussbar ist.

Nach einer grundsätzlichen Ausgestaltung der Erfindung ist das elastisch verformbare Wandteil des Arbeitsraums als Membrane ausgebildet, die entsprechend quer zur Strömungsrichtung für den erwünschten Antrieb beaufschlagbar ist. Bevorzugt weist eine solche Membran eine längliche, beispielsweise ovale Erstreckung auf, wobei an einem der Längsenden die Zuström- und am anderen die Abströmöffnung angeordnet ist. Vorteilhafter Weise kann für die Funktion der Maschine eine sehr günstige Einspannung und Abdichtung durch eine solche Membran erzielt werden, sowohl bei schnell laufenden als auch bei langsam laufenden Maschinen. Durch die Art der Einspannung kann je nach Konstruktion für bestimmte Ausführungen ein natürlicher Rückstelleffekt erzielt werden.

Nach einer speziellen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Antrieb aus einem Kurbeltrieb und einem die Hubbewegung auf die elastischen Wandteile übertragenden Pleuel, wobei zur Erzeugung der wandernden Welle der Pleuel bei seiner Pendelhubbewegung in Hubrichtung entlang einer vorbestimmten Bahn geführt wird, so daß der Pleuel außer jener durch den Kurbeltrieb bedingten Pendelbewegung eine zusätzlich quer zur Strömungsrichtung verlaufende Bewegungskraft (Kippbewegung) erfährt. Diese durch die Pendelbewegung, erzeugte und durch die Nockenbahnführung, überlagerte Kippbewegung kann eine Nockenbahnführung im Abschnitt des Pleuels zwischen Kurbeltrieb und elastischem Wandteil sein, sie kann aber auch auf der dem elastischen Wandteil abgewandten Seite des Kurbeltriebs angeordnet sein. Maßgebend ist lediglich, dass der durch den Kurbeltrieb verursachten Pendelbewegung eine quasi Störgröße überlagert wird, die aus der bei einer Pendelbewegung gegebenen stehenden Welle eine wandernde Welle macht..

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient zur Übertragung der die wandernde Welle erzeugende Pendelkippbewegung auf das elastisch Wandteile eine seitlich nachgiebige Formschlussauflage dient. Hierdurch wird zwischen Abtriebsende des Pleuels und Angriffsstelle der elastischen Wandteile in Querrichtung ein entsprechender Freiheitsgrad erzielt.

Nach einer diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung dient als Formschlussauflage ein Gleitstein, welcher zwischen Pleuelende und elastisch verformbarem Wandteil angeordnet ist.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Formschlussauflage eine rechteckige balkenartige Ausdehnung auf, wobei die Kippbewegung der Formschlussauflage direkt auf das bewegliche Wand teil übertragen wird. Hierdurch wird diese Pendelkippbewegung unmittelbar an das zu fördernde Medium weitergegeben, was einerseits eine pulsierende Wirkung, andererseits die wandernde Welle verursacht.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Pleuel und elastischen Wandteilen eine elastisch nachgiebige biege steife Platte angeordnet, über die die beim Hub vollzogene Pendelkippbewegung großflächiger auf die elastischen Wandteile übertragen wird. Hierbei kann diese Platte schwimmend mit den elastischen Wandteilen zusammenwirken, oder aber mit diesen verbunden sein und entsprechend schwimmend zum Pleuelende hin gelagert sein. Maßgebend ist, dass diese Platte eine entsprechende Stützwirkung auf die elastischen Wandteile ausüben kann, so dass diese aus anderen praktischen Gründen aus einer weichen Membran bestehen kann.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung besteht die Platte aus federndem Material, beispielsweise aus Stahl oder härterem Kunststoff. Erfindungsgemäß können die in den Ansprüchen 9 bis 12 genannten Merkmale auch auf andere Antriebsmittel übertragen werden, jedenfalls immer dann, wenn ein Antrieb quer zur elastischen Wand bzw. Membran erfolgt und ähnliche Probleme bestehen.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die pulsierende Arbeit mittels mehreren quer zur Strömungsrichtung und nacheinander angeordneten sowie auf die elastisch verformbaren Wand teile gesteuert wirkenden Antriebselemente erzielt (siehe oben US 4854836 oder auch US 5961298).

^ Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind, wie auch bei oben beschriebenen Ausführungsbeispielen, die elastisch verformbaren Wandteile als Membran ausgebildet mit einer dem Antrieb aus mehreren Elementen entsprechenden Längsausdehnung. Diese Membran kann oval oder nahezu rechteckig ausgebildet sein, was im Wesentlichen davon abhängt, welche Zusatzfunktionen, beispielsweise Ventilfunktionen, die Membran zu übernehmen hat oder wie viel Antriebselemente nacheinander vorgesehen sind und dgl. mehr.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dient als Antrieb eine Nockenwelle mit den Nocken zugeordneten Kulissenschiebern, die mindestens mittelbar (siehe auch Anspruch 9 bis 12)an der Membran zu deren Antrieb angreifen. Hierbei kann es sich aber auch um Kurbeltrieb betätigte Pleuel handeln oder um an den elastischen Wandteilen angreifenden Querschiebern, Schwingankern odgl. So ist es auch denkbar, dass für den Antrieb eine Art Förderschnecke dient, deren Drehachse in Strömungsrichtung verläuft und deren beim Antrieb wirksame Außenflanke schraubenförmig an der Membran angreift. Entsprechend dem Radius der Förderschnecke ist dann auch die der Membran gegenüberliegende feste Begrenzungswand des Arbeitsraums zum Raum hin konkav ausgebildet, mit am Anfang und Ende dieses tunnelförmig ausgebildeten Arbeitsraums vorhandene Zuström- und Abströmöffnungen .

So ist nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Maschinengehäuse rohrförmig ausgebildet, wobei die Rohrwand als starres Wandteil dient.

Nach einer zusätzlichen im Sonderfall auch diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung sind im Maschinengehäuse zwei Membranen parallel zueinander angeordnet, wobei der Antrieb doppelt wirkend zwischen den Membranen angeordnet ist. Hierdurch kann ein Antrieb ähnlich wie bei einer Boxereinrichtung erfolgen, wobei ein besonderer Vorteil darin besteht, dass die jeweils durch einen Antrieb bewirkte Förderung versetzt zur anderen erfolgt, wodurch, abgesehen von der erhöhten Förderleistung, auch eine gleichmäßigere Förderung erzielbar ist.

Nach einer vorteilhaften generellen aber auch diesbezüglichen Ausgestaltung der Erfindung weist das rohrförmige Gehäuse einen kreisförmigen Arbeitsraumquerschnitt auf. Im Unterschied zu dem ebenfalls möglichen abgeflachten Gehäuse, bei dem die Membran immer wieder in Berührung mit der fest stehenden Wand gelangt, wodurch eine gewisse Ventilwirkung erzeugt wird, kann eine solche, ein kreisförmiges Gehäuse aufweisende Maschine, als Strömungsmaschine optimiert werden, bei der keine Berührung zwischen der Membran und der gegenüberliegenden feststehenden Wand stattfindet. Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Antrieb durch mindestens mittelbar übertragene Magnetkräfte. Besonders bei kleineren Pumpen im medizinischen oder Mikropumpenbereich kann diese Antriebsart vorteilhaft sein.

Nach einer diesbezüglichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Magnetkräfte oder Piezokräfte elektrisch erzeugt und auch gesteuert. Auf diese Weise können über Magnetspulen in einfacher Art beispielsweise wandernde elektromagnetische Felder wie in einem linearen Synchronmotor erzeugt und bewegt und dadurch eine Membran angetrieben werden. Besonders bei Mikropumpen mit geringem Druck oder bei Kleinkompressoren bis ca. fünf bar kann dies auch durch linear oder in Kurven wandernde elektromagnetische Felder erfolgen So können sich ebenso durch eigene Federkraft wellenförmig wandernd wieder schließen. Das Gesamtsystem las st auch analog von Chips durch einzelne Schichten konzipieren bis nahe an hygroskopischen Grenzwerten. Der Antrieb kann über Magnetspulen im Einsatz ähnlich wie bei Lautsprechern erfolgen oder aber auch durch Schwinganker mit entsprechender Umsetzung der Bewegung.

Eine Fördermaschine der erfindungsgemäßen Art, nämlich bei der der Antrieb pulsierend auf das Medium wirkt, so dass im Medium eine wandernde Welle erzeugt wird, kann nicht nur in vielfältiger Weise maschinell umgesetzt werden, sondern auch der Anwendungsbereich dieser Erfindung ist entsprechend vielseitig. So kann bei Pumpen im großen und mittleren Leistungsbereich die Erfindung eingesetzt werden als auch im Mikrobereich, bei welchem wellenförmig pumpende Folien als elastische Wand teile Verwendung finden können. Besonders auch im medizinischen Mikrotechnikbereich ist die Erfindung einsetzbar, nämlich dort, wo ein Achsantrieb nicht mehr unterbringbar wäre. Ein anderer Anwendungsbereich ist bei Verdichtern ebenfalls von großen Maschinen bis zur Mikroausführung.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften, die Anwendung der Erfindung betreffenden Ausgestaltung, dient sie zum Antrieb von Schiffen odgl.. Durch die erfindungsgemäße "wandernde Welle" erfolgt eine schlingelnde Fortbewegungsart wie von Fischen und Schlangen oder der pumpenden Fortbewegung von Quallen, wobei der grundsätzliche Antrieb ähnlich wie bei einer Schiffsschraube durch Ansaugen einerseits und Ausstoßen andererseits bewirkt wird. Hierbei wird die Erfindung als Strömungsmaschine eingesetzt. So wie ein Vortrieb von Seeelefanten auf morastisch oder schlammigem Boden denkbar ist, so ist auch ein Einsatz als quasi Amphibienfahrzeug in Sumpfgebieten, aber möglicherweise auch auf Sand, denkbar. Die umgekehrte Anwendung der Erfindung wäre der Boden einer Rinne, in der durch den wandernden wellenförmigen Antrieb des Bodens das Schüttgut transportierbar wäre - ähnlich Rütteltransport auf Laufbändern. Nach einem den Schiffsantrieb betreffenden vorteilhaften Einsatz der Erfindung ist in einem Schiffsrumpf unterhalb des Wasserspiegels eine Zuströmöffnung im Bug und entsprechende Abtriebsöffnung im Heck und ein dazwischen gelegener Abtriebsraum vorgesehen, wobei der Antrieb der dem Deck zugewandten Membran in unterschiedlichster Weise erfolgen kann. So können auch zwei derartige Antriebssysteme nebeneinander angeordnet sein, um damit je nach unterschiedlicher Förderleistung auch das Schiff zu manövrieren oder es kann sich um eine Rohrpumpe handeln mit Boxenordnung als ausliegendem Bootsantrieb..

Nach einer grundsätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das elastisch verfahrbare Wandteil als Membran ausgebildet und im Randbereich eingespannt, wobei im Querschnitt der Membran gesehen stets eine gewellte Kontur verbleibt, ähnlich wie bei der Membran von Lautsprechern. Hierdurch wird vermeiden, dass beim Durchfahren der Membran der Einspannebene ein Stau entsteht, da natürlich der Querschnitt im Einspannbereich kleiner ist als im ausgefahrenen Bereich der Membran, dieser Einspannbereich von der gleichen Membran erfasst werden muss wie auch der ausgefahrene Bereich der Membran, bei der sie beispielsweise an der festen Wand anliegt. Die gewellte Kontur ermöglicht, ähnlich wie beim Lautsprecher, hohe Frequenzen ohne Walknachteil.

Nach einer zusätzlichen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Profile in die Membranflächen eingearbeitet, wodurch die Membran selbst in der Lage ist, sich fortgesetzt wellenförmig zu bewegen. Nach einer zusätzlichen, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind länglich-flache und/ oder faserförmige Piezo- Elemente als flexible Profile in die Membran eingearbeitet, um diese zu verformen, beispielsweise für einen erfinderischen Antrieb derselben. Das Verformen von Flächenteilen durch Piezoelemente ist bei Flugzeugflügeln und Hubschreiberrotoren bekannt.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung und den Ansprüchen entnehmbar. Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Pumpe gemäß der Linie I-I in

Figur 2;

Fig. 2 einen Querschnitt gemäß der Linie II-II in Figur 1;;

Fig. 3 einen Teillängsschnitt gemäß der Linie III-III in Figur 2;

Fig . 4 sechs verschiedene Arbeitsstellungen in verkleinertem

Maßstab; Fig. 5 stark vereinfacht ein zweites Ausführungsbeispiel im Quer- und Längsschnitt und in verschiedenen Arbeitsstellungen Fig. 6 eine Variante des zweiten Ausführungsbeispiels; Fig. 7 eine optimierte Membrankontur und Fig. 8 eine Anwendung als Schiffsantrieb.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Bei dem in den Figuren 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel wird anhand einer Pumpe die Erfindung erläutert. In einem Pumpengehäuse 1 ist ein Kurbeltrieb 2 angeordnet mit einem auf einer Antriebswelle 3 angeordneten Exzenter 4 und einem von diesem betätigten Pleuel 5. Der Pleuel weist in seinem oberen Bereich einen Nocken 6 auf, der in einer Bahn 7 des Pumpengehäuses 1 geführt ist, so dass der Pleuel 5 bei seiner über den Kurbeltrieb bewirkten Hub- und Pendelbewirkung ein durch die Bahn 7 und den Nocken 6 bewirkte Kippbewegung ausführt.

Am oberen Ende wirkt der Pleuel 5 auf einen Gleitstein 8, der die Hubpendelkippbewegung über eine Formschlussauflage 9 auf eine federnde Platte 10 überträgt. Die Federplatte 10 folgt im Bereich der Formschlussauflage somit nicht nur der Hubbewegung des Pleuels, sondern auch dessen Kipppendelbewegung. Diese Bewegung wird von der Federplatte 10 auf eine Membran 11 übertragen, welche in ihrem Randbereich durch Wülste 12 zwischen dem Gehäuse 1 und einem Gehäusedeckel 13 eingespannt ist. Zwischen der Membran 11 und dem Gehäusedeckel 13 ist der Pumpenarbeitsraum 14 eingeschlossen, welcher über eine Zuströmöffnung 15 mit einem zu fördernden Medium versorgt wird, welches über eine Abströmöffnung 16 dann aus dem Pumpenarbeitsraum 14 verdrängt wird. Abschnitte 17 und 18 der Membran 11, die den Mündungen der Zuströmöffnung 15 und der Abströmöffnung 16 gegenüberliegen, wirken mit diesen Mündungen als Ventil. Sobald die Membran 11 mit diesen Abschnitten 17 oder 18 nach unten bewegt wird, öffnet sich dieses Ventil und sobald sie die in Figur 1 dargestellte Stellung einnehmen, schließen diese Abschnitte 17, 18 die Öffnungen 15 oder 16.

In Figur 4 ist die Pumpwirkung anhand von sechs Arbeitsstellungen gezeigt:

In Arbeitsstellung 4.6 hat der Kurbeltrieb 2 die Membran 11 vollständig an den Gehäusedeckel 13 gedrückt, wodurch sowohl

Zuströmöffnung 15 als Abströmöffnung 16 verschlossen sind. Bei 4.1 ist zu erkennen, dass trotz einer Rechtsdrehung gemäß Pfeil IV der Antriebswelle 3 die Formschlussplatte 9 nach links gekippt wird, wodurch von der Federplatte 10 übertragen die Membran 11 die Zuströmöffnung 15 zum Pumpenarbeitsraum 14, hin öffnet, so dass jenes zu fördernde Medium einströmen kann.

Bei 4.2 erfolgt eine weitere Verdrehung der Antriebswelle 3 mit der Folge einer Vergrößerung des Pumpenarbeitsraums 14.

Bei 4.3 hat der Pleuel 5 seinen Tiefstpunkt erreicht, wobei die Zuströmöffnung 15 des Pumpenarbeitsraumes 14 durch die Membran 14 wieder geschlossen ist, jedoch die Abströmöffnung 16 noch nicht geöffnet hat.

Dies findet dann bei 4.4 statt, bei dem die Formschlussauflage 9 nach rechts gekippt ist, wodurch die Zuströmöffnung 15 gesperrt bleibt, aber die Abströmöffnung 16 geöffnet wird, so dass bei dem nunmehr verkleinerten Arbeitsraum 14 das Medium durch die Membran 11 verdrängt abströmen kann.

Bei 4.5 ist gezeigt, dass sich bei Fortsetzung der Verdrehung der Pumpenarbeitsraum 14 weiter verkleinert, um dann endgültig die bei 4.6 gezeigte Stellung einzunehmen.

Dieser in Figur 4 gezeigte Zyklus wiederholt sich bei jeder Umdrehung der Antriebswelle 3, wobei aufgrund der Nockenführung 6,7 des Pleuels 5 dieser außer seiner Hubbewegung eine Pendelkippbewegung mit seiner oberen Stirnseite ausführt, die einerseits eine pulsierende Wirkung auf das zu fördernde Medium ausübt und andererseits eine wandernde Welle im geförderten Medium bewirkt.

Bei dem in Figur 5 stark vereinfacht dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel sind zwei einander gegenüberliegende Fördermembranen 19 in einem nahezu rohförmig sich erstreckenden Pumpengehäuse 20 angeordnet und werden durch eine zwischen den Fördermembranen 19 angeordnete Nockenwelle 21 zu Erzeugung einer wandernden Welle angetrieben. Die Förderung des Mediums, die durch Pfeile IV angedeutet ist, erfolgt hier in Längsrichtung der Nockenwelle 21. Die Exzenter 22 der Nockenwelle 21 greifen hierbei jeweils über eine Kulisse 23, in deren zentraler Öffnung 24 der Exzenter 22 läuft, sowie über je eine Federplatte 25 an den Fördermembranen 19 an. Die Kulisse 23 wird hierbei auf Bahnen 26 des Gehäuses 20 geführt. Die wandernde welle wird hier nicht durch diese Kulissenführung erzielt, sondern vielmehr um die Zuordnung der vier Nocken in ihrer nacheinander erfolgenden Auswirkung auf die Membran. Die Funktion ist entsprechend nicht linear. In jeden Fall wird aber durch die Verwendung von zwei Membranen eine quasi doppelt wirkende Förderung erzielt, wobei die beiden Pumpräume aufgrund der Abwicklung der Nocken zeitlich gesehen leicht versetzt zueinander fördern.

In Figur 5 sind in den Einzeldarstellungen 5. Ibis 5.6 verschiedene Förderphasen gezeigt, die im Folgenden näher beschrieben werden. In jedem Fall ist bei 27 und 28 je eine Zuströmöffnung und bei 29 bzw. 30 je eine Abströmöffnung. Die Pumpenarbeitsräume sind mit 31 und 32 bezeichnet.

In Phase 5.1 bzw. 5.2 ist die Zuströmöffnung 27des Pumpenarbeitsraums 31 geschlossen, während die

Zuströmöffnung 28 des Pumpenarbeitsraums 32 aufgrund der Relage der Nockenwelle 21 weitgehend geöffnet ist. Die Abströmöffnung 29 und die Abströmöffnung 30 sind hingegen geöffnet, so dass das zu fördernde Medium austreten kann. Bei Phase 5.3 ist die Nockenwelle um 90° weitergedreht, wodurch die Membran 19 das zu fördernde Medium aus dem Pumpenarbeitsraum 31 durch die Abströmöffnung 29 herausdrängt und andererseits über die Zuströmöffnung 27 ansaugt. Im Pumpenarbeitsraum 32 hingegen wird im mittleren Bereich durch Vergrößern des Raumes noch über die Zuströmöffnung 28 angesaugt, während der Fördervorgang in der Abströmöffnung 30 beendet ist, da die Membran 19 in diesem Bereich am Pumpengehäuse 20 anliegt.

In Phase 5.4, 5.5, bei der 4.4 einem Schnitt entsprechend der Linie VII-7 entspricht, liegt an dieser Schnittstelle die untere Fördermembran 19 am Pumpengehäuse 20 an, so dass die Zuströmöffnung 20 quasi geschlossen ist. In dieser Phase ist die Nockenwelle 21 wiederum um 90° weitergedreht. Der obere Pumpenarbeitsraum 31 hat sich auf der linken Seite entsprechend vergrößert, während er auf der rechten Seite über die Abströmöffnung 29 gefördert hat.

In Phase 5.6, in der die Nockenwelle 21 wiederum um 90° weitergedreht hatte, ist die Abströmöffnung 29 geschlossen und die Zuströmöffnung 27 noch geöffnet, so dass das Medium entsprechend dem Pfeil V in den Pumpenarbeitsraum 31 nachströmen kann. Der Pumpenarbeitsraum 32 hingegen fördert das Medium zur Abströmöffnung 30, während über die Zuströmöffnung 28 Medium in diesen Raum nachströmt.

Natürlich kann eine solche Fördervorrichtung auch mit nur einer Membran arbeiten bei entsprechend eingeschränkter Förderkapazität. So ist es auch erfindungsgemäß möglich, eine kaskadenartige Förderung zu erzielen, bei der statt einer Nockenwelle elektromechanische Antriebssysteme verwendet werden. So kann eine Kaskade von mehreren elektromechanischen Wandlern durch einen Frequenzgenerator angeregt sein, wobei der Generator so viele Ausgänge hat, wie Wandler in der Kaskade zu schalten sind. Die Ausgänge des Frequenzgenerators sind bei einer Kaskade von 4 dann um jeweils 90° gegeneinander phasenversetzt. Dabei wird die Kaskade in aufsteigender Reihenfolge mit ebenfalls aufsteigender Phase betrieben. Erfindungsgemäß wird mit einer derartigen Anordnung und der damit versorgten Kaskade von Hubsystemen mittels einer damit verbundenen länglichen Membran eine sich fortpflanzende Welle erzeugt. Fortpflanzungsgeschwindigkeit, Hubhöhe und Anstiegszeit werden über die Frequenz des Generators geregelt. In Figur 6 ist eine Variante dieses zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt, bei der lediglich das Pumpengehäuse 33 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, obwohl der Antrieb mit Nockenwelle 21 sowie die Membranen 19 wie bei dem in Figur 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet sind. Hierdurch gelangt beim Verdrehen der Nockenwelle die Membran 19 nicht mehr an die Wand des Pumpengehäuses 33, so dass statt einer Umförderung mit entsprechenden Förderunterbrechungen eine kontinuierliche Förderung stattfindet, wie sie bei Strömungsmaschinen typisch ist.

In Figur 7 ist anhand von Funktionslinien erläutert, bei welcher Gestaltung von Membranen bzw. mit der Membran zusammenwirkenden starren Wandteil ein Minimum an Walkverlusten entsteht. Hierdurch ist es möglich, die Randbereiche der Membran un verschiebbar fest einzuspannen.

Bei 7.1 ist in Figur 7 das klassische Beispiel eines Arbeitsraums gezeigt mit einer leicht nach oben gewellten Innenwand 34 und einer entsprechend nach außen gewölbten Membran 35, die gemeinsam den Arbeitsraum 36 begrenzen und an ihren Randbereichen 37, an denen die Membran eingespannt ist, sich asymptotisch nähern. Bei dem durch den Pfeil VIII vorgesehenen Arbeitsweg der Membran hin zur festen Wand 34 erfolgt eine Art Stauchung der Membran in ihrer Ebene, die ihren Höhepunkt etwa auf der Linie XII erreicht. Die Stauchung hängt damit zusammen, dass das Gehäuse mit der festen Wand 34 und die Einspannstellen 37 starr sind, während die Membran 35 in ihrer ausgefahrenen Lage eine wesentliche größere Spannfläche bedarf als in der Lage gemäß Linie IX.

In 7.2 von Figur 7 ist die erfindungsgemäße Gestaltung gezeigt, bei der die feste Wand 38 eine lippenförmige Gestaltung aufweist, wo hingegen die Membran 39 in ihrer ausgefahrenen, also der unteren Stellung eine leicht geschwungene Form einnimmt. Beim nach oben Schieben durchläuft sie die Mittellinie X, wobei, wie deutlich erkennbar ist, augrund der wellenförmigen Gestaltung kein Waldproblemmehr darstellt. Bei 7.3 von Figur 7 ist ein konstruktives Beispiel gezeigt mit einem Pumpengehäuse 40 und der Membran 39, welche den Pumpenarbeitsraum 36 einschließen.

Bei 7.4 ist dem gegenüber lediglich gezeigt, dass die Membran 41 über Wülste 2 fest einspannbar ist, ohne dass deshalb eine höhere Walkarbeit zu erwarten ist oder eine gesonderte Belastung an den Einspannstellen der Membran 41 entsteht.

In der Figur 8 ist eine zusätzliche Anwendungsmöglichkeit der Erfindung gezeigt, nämlich als Antriebsmittel für ein Schiff. Auch hier ist die Darstellung stark vereinfacht. Mit 43 ist der Kielboden eines Schiffes angedeutet, oberhalb dem ein durch eine Membran 44 begrenzter Antriebsraum 45 angeordnet ist. Dieser Antriebsraum weist eine Zuströmöffnung 46 und eine Abtriebsöffnung 47 auf. Durch das Betätigen der Membran in oben beschriebener Art wird über die Zuströmöffhung Umgebungswasser des Schiffes angesaugt und über die Abtriebsöffnung nach Durchströmen des Antriebsraums abgestoßen. Schiffsantriebe aufgrund des Verdrängerprinzips sind natürlich bekannt. Vorteilhaft ist hier der Robbeneffekt, so dass ein Vortrieb auch denkbar wäre bei Morast oder Schlamm, möglicherweise auch auf nicht klebenden rieselnden Sandarten. Ein solches Schiff hätte durchaus unter gewissen Voraussetzungen Amphibiencharakter, was bei sumpfigen Gebieten vorteilhaft wäre. Der Antrieb der Membran 44 kann natürlich weder in unterschiedlichster Art erfolgen bis hin zu Windrädern oberhalb des Schiffes, die über eine entsprechende Transmission die Membran antreiben könnten.

So wie die Membran zum Antrieb eines Schiffes dienen kann, kann erfindungsgemäß in Umkehrung der Funktion die Membran zum Fördern von Flüssigkeiten, aber auch Schlamm, Schuttgut wie beispielsweise Sand odgl., erfolgen, wobei die Membran den Boden einer offenen Rinne bilden kann und entsprechend angetrieben ist. Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Verfahren und Maschine zur Förderung von Medien

Bezugszahlenliste

1 Pumpengehäuse

2 Kurbeltrieb

3 Antriebswelle

4 Exzenter

5 Pleuel

6 Nocken

7 Bahn

8 Gleitstein

9 Formschlussauflage

10 Federplatte

11 biegesteife Membran

12 Wulst

13 Gehäusedeckel 14 Pumpenarbeitsraum

15. Zuströmöffnung

16. Ab strömöffnung

17. Abschnitt von 11

18. Abschnitt von 11

19. Fördermembran

20. Pumpengehäuse

21 / Nockenwelle

22. Exzenter

23. Kulisse

24. Zentrale Öffnung

25. Federplatte

26. Bahn

27. Zuströmöffnung

28. Zuströmöffnung

29. Abströmöffnung

30. Abströmöffnung

31. Pumpenarbeitsraum

32. Pumpenarbeitsraum

33. Pumpengehäuse

34 Feste Wand

35. Membran

36. Arbeitsraum

37. Randbereich

38. Feste Wand

39. biegesteife Membran

40. Pumpengehäuse

41. biegesteife Membran

42. Scharnierwulst

43. Kielboden

44. Membran 45. Antriebsraum

46. Zuströmöffnung

47. Abtriebsöffnung

I Schnitt

II Schnitt

III Schnitt

IV Drehrichtung

V Strömungsrichtung

VI Schnitt

VII Schnitt

VIII Weg

IX Linie

X Zwischenstufen

Claims

Verfahren und Maschine zur Förderung von Medien

Ansprüche

Verfahren zur Förderung von förderbaren (gasförmigen, flüssigen, pastösen oder rieselartigen) Medien innerhalb eines, mindestens einen Eingang und einen Ausgang aufweisenden Förderraumes und mittels mindestens einem quer oder längs zur Förderrichtung des Mediums angetriebenen, elastisch nachgiebigen Wandteil des Förderraumes, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb als pulsierende Wellenbewegung ausgeübt wird und dass dadurch im Medium zu dessen Förderung im Medium eine definiert gerichtete wandernde Welle erzeugt wird.

Maschine insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

- mit einem in Strömungsrichtung des zu fördernden Mediums von einer Zuström- zu einer Abströmöffnung (15, 16, 25, 27 bis 30, 46, 47) durchströmbaren Arbeitsraum (14, 31, 32, 36, 45), welcher mindestens ein elastisch verformbaren Wandteil (11, 19, 39, 41,44) ausweist und

- mit mindestens einem auf den elastisch verformbaren Wandteil (11, 19, 39, 41, 44) zu dessen Förderbetätigung wirkenden Antrieb (2 bis 10, 21 bis 26)

- dadurch gekennzeichnet,

- dass der Antrieb (2 bis 10, 21 bis 26) eine pulsierende Arbeit auf das verformbare Wandteil (11, 19, 39, 41, 44) und damit auf das Medium ausübt, so

- dass im Medium von Zuström- zu Abströmöffnung (15, 16, 25, 27 bis 30, 46, 47) eine „wandernde Welle" erzeugt wird.

3. Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit den elastisch verformbaren Wand teilen (10, 11, 19) in Zusammenwirkung mit den diesen gegenüberliegenden, den Arbeitsraum (14, 26, 31, 32) begrenzenden, meist starren Wandteilen (13, 24) eine quer zur Strömungsrichtung (V) wandernde Abdichtung (bei sich nähern der Wandteile) erzielbar ist (Figur 1 bis 5).

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte (17, 18) der elastisch verformbaren Wandteile (11, 19) mit der Zuström- und/oder Abströmöffnung (15, 16, 25) ventilartig zusammenwirken (Figur 1 bis 4).

5. Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwischen den elastisch verformbaren Wandteilen (11, 19) und den starren Wandteilen (13, 20) durch deren Antrieb (2 bis 10, 21 bis 26) gegebene Abdichtung (Förderwulst) in Strömungsrichtung (V) des Mediums weiterwandert.

6. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der elastisch verformbaren Wandteile (11, 19) als Membrane ausgebildet ist, welche über den Antrieb (2 bis 10, 21 bis 26) pulsierend eine wandernde Welle im Medium erzeugend, angetrieben wird.

7. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet,

Hubbewegung auf die elastisch verformbaren Wandteile (10, 11, 19) übertragenden Pleuel (5) besteht,

- dass zur Erzeugung der wandernden Welle der Pleuel (5) bei seiner Pendelhubbewegung in Hubrichtung entlang einer vorbestimmten Bahn (7) geführt wird, so

- dass der Pleuel (5), bzw. dessen auf die elastisch verformbaren Wandteile (10, 11, 19) wirkende Endseite, außer jener durch den Kurbeltrieb (2) bedingten Pendelbewegung eine zusätzliche quer zur Strömungsrichtung verlaufende Bewegungskraft (Kippbewegung) erfährt (Figur 1 bis 4).

8. Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der die wandernde Welle erzeugenden Pendelkippbewegung auf die elastisch verformbaren Wandteile (11) eine quer zur Hubrichtung nachgebende Formschlussauflage (8) vorhanden ist.

. Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Formschlussauflage ein Gleitstein dient, zwischen Pleuelende und elastisch verformbarem Wandteil (10, 11).

10. Maschine nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlussauflage (8, 9) eine rechteckige balkenartige Ausdehnung aufweist, die quer zur Strömungsrichtung verläuft.

11. Maschine nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Formschlussauflage (9) und elastisch verformbaren Wandteilen (11) eine elastisch nachgiebige, die Bewegung der elastisch verformbaren Wandteile (11) bestimmenden Platte (10) angeordnet ist.

12. Maschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Platte (10) aus federndem Material (Metall, armiertem Kunststoff odgl.) besteht.

13. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die pulsierende Arbeit (Antrieb) mittels mehrerer, quer zur Strömungsrichtung (V) und nacheinander angeordneten, sowie auf die elastisch verformbaren Wandteile (19) gesteuert wirkenden Antriebselemente ( 1 bis 26) erzielbar ist.

14. Maschine nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbaren Wandteile als Membran (19) ausgebildet sind mit einer dem Antrieb aus mehreren Elementen (21, 22) entsprechenden Längsausdehnung.

15. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass als Antrieb eine Nockenwelle (21) mit den Nocken (22) zugeordneten Kulissenschiebern (23 bis 26) dient, die mindestens mittelbar an der Membran (19) zu deren Antrieb angreifen.

16. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Maschinengehäuse (20) rohrförmig ausgebildet ist und dass die Rohrwand (20, 33) als starres Wandteil dient.

17. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Maschinengehäuse (20) zwei Membranen (19) parallel zueinander angeordnet sind und der Antrieb (21 bis 26) doppelt wirkend zwischen den Membranen (19) angeordnet ist (Figur 5 und 6).

18. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das rohrförmige Gehäuse (33) einen kreisförmigen Arbeitsraum-Querschnitt aufweist (Figur 6).

19. Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Antrieb mindestens mittelbar übertragene Magnetkräfte oder Piezokräfte dienen.

20. Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetkräfte oder Piezokräfte elektrisch erzeugt und/ oder gesteuert werden.

21. Maschine nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die elastisch verformbarem Wandteile magnetisierbares Material aufweisen.

22. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, das sie zum Antrieb von Schiffen odgl. dient.

23. Maschine nach Anspruch 22, gekennzeichnet durch den Einsatz in oder unter einem Schiffsrumpf mit einer unter dem Wasserspiegel gelegenen Zuströmöffnung (46) und einer entsprechenden Abtriebsöffnung (47) im Heckbereich des Schiffes und einem dazwischen gelegenen Abtriebsraum (45). (Figur 8)

24. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elastisch verformbare Wandteil (39, 41) als Membran ausgebildet im Randbereich (42) eingespannt ist und im Schnitt unabhängig von der Verstelllage stets eine gewellte Kontur aufweist, die ein fast neutrales Stauch-/Dehnungsverhalten aufweist (Figur 7).

25. Maschine nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass in die Membranflächen (nach den Konturen 7.1 bis

7.4) hydraulisch oder pneumatisch betätigbare Profile eingearbeitet sind, wodurch die Membrane selbst in der Lage ist, sich fortgesetzt wellenförmig zu bewegen.

26. Maschine nach einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass als flexible Profile in die Membran eingearbeitete länglich-flache und/ oder faserförmige Piezo- Elemente sind.