EP2038553B1 - Zylinder-kolbenanordnung für eine fluidpumpe oder einen fluidmotor - Google Patents

Zylinder-kolbenanordnung für eine fluidpumpe oder einen fluidmotor Download PDF

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EP2038553B1
EP2038553B1 EP07804595.2A EP07804595A EP2038553B1 EP 2038553 B1 EP2038553 B1 EP 2038553B1 EP 07804595 A EP07804595 A EP 07804595A EP 2038553 B1 EP2038553 B1 EP 2038553B1
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    • F04B53/10—Valves; Arrangement of valves
    • F04B53/1087—Valve seats

Definitions

  • the invention relates to a cylinder-piston arrangement according to the preamble of claim 1.
  • Cylinder-piston arrangements of this type are represented on the relevant market, in particular as high-pressure water pumps.
  • An essential area of application for pumps of this type is the pressure delivery of water loaded with foreign substances, in particular also abrasive granules. Above all, high-speed machines with high working pressures in the range of a few hundred to a thousand bar are required. The energetic as well as the volumetric efficiency is therefore of great importance.
  • a cylinder piston unit which comprises a pulsating working space.
  • the cylinder-piston unit comprises a sealing hose that is axially expandable and inside which the pulsating working space is located.
  • the object of the invention is therefore to create pumps or Fluid motors that are characterized by high efficiencies of the aforementioned type and by a long service life.
  • the solution to this problem according to the invention is determined by the features of claim 1.
  • Axial expansion hose diaphragm pistons with internal working space provide the basis for a robust construction with high wear resistance, even when operating with abrasive fluids.
  • relatively large dead spaces must generally be observed, which adversely affects the volumetric efficiency. It is precisely this problem that is solved with the invention, namely with the aid of dead space displacement bodies. Overall, the invention thus enables a largely optimized type of construction.
  • Fig. 1 is a working piston provided with an axial expansion hose membrane (shown in the top dead center position and hereinafter referred to briefly as ASK) at its lower end with an oscillating drive device AVO shown here only schematically by a downward-pointing arrow.
  • the upper end of the axial expansion hose membrane piston ASK is arranged fixed to the frame and surrounds an inlet valve EV, which is fed via inlet channels EK and is designed as a check valve.
  • the downwardly extending, hollow-cylindrical section Z of the axial expansion hose diaphragm piston is mounted in an axially displaceable manner in a housing bore GB with a lubrication (not shown here).
  • An oscillating working space AR is formed in the interior of the axial expansion hose membrane piston ASK, from which a coaxial delivery channel FK leads to an outlet valve AV, which is also designed as a check valve, and to an outlet channel AK.
  • a substantially cylindrical dead space displacement body TK1 is connected to the axial expansion hose diaphragm piston ASK on the side of the working space AR, which is shown here in the top dead center position and obviously has a significant reduction in the effective dead space.
  • dead space displacer TK1 engaging in the working space AR Fig. 6 illustrated steepening of the pressure rise as well as the pressure drop, overall a significant improvement in volumetric efficiency.
  • a dead space displacement body TK2a is provided which is fixed to the frame, but which in turn is due to the arrangement of the working space AR within the axial expansion hose membrane piston ASK and thus because of the relative movement between the axial expansion hose membrane piston ASK and the dead space displacement body TK2a given by the pump drive AR intervenes and brings about a similar improvement in volumetric efficiency.
  • the reduction of the moving mass due to the dead space displacement body TK2a fixed to the frame is particularly advantageous here.
  • Inlet valve EV and outlet valve AV are analogous to the version according to Fig. 1 formed, however, the connection between the working space and the outlet valve is provided by a longer coaxial channel KOK in the dead space displacement body TK2a and in the inlet valve EV.
  • the associated reduction in dead space displacement can be kept within reasonable limits.
  • This embodiment is particularly advantageous in that the displacement body TK2a has an internal flow and an outside flow around the working fluid with a flow deflection in an opening or end region of the dead space displacement body TK2a.
  • a dead space displacement body TK2b which is fixed to the frame is again provided, with the corresponding dynamic advantages.
  • the dead space displacement volume is maximized.
  • the fluid outlet takes place from the work area AR via cross bores BQ immediately below the inlet valve EV and a short and therefore practically harmless longitudinal channel LK.
  • a dead space displacement body TK2c with fixed frame is also provided with the corresponding dynamic advantages.
  • a compression-inactive arrangement of the outlet valve AV is provided at the end of an outlet coaxial channel AKOK on the working space side, which ensures optimum dead space displacement.
  • valve body VK designed as a partial spherical shell is pivotably mounted about the center of the ball relative to a correspondingly shaped valve seat.
  • a longitudinal guide by means of a swivel guide SF and a centering member ZG is also required.
  • the latter is connected to the valve body VK by a tight-elastic snap lock SV, so that relatively light and vibration-damping material can be considered for the swivel guide SF.
  • the inner bore of the swivel guide is weak Toroidal with a suitable sliding seat for the centering member ZG. Such a construction has proven itself due to its high stability and wear resistance.

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Description

    TECHNISCHES GEBIET
  • Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zylinder-Kolbenanordnungen dieser Art sind auf dem einschlägigen Markt vertreten, insbesondere als Hochdruck-Wasserpumpen.
  • Ein wesentliches Einsatzfeld für Pumpen dieser Art ist die Druckförderung von mit Fremdstoffen, insbesondere auch abrasiven Granulaten, beladenem Wasser. Vor allem sind dabei Schnellläufer mit hohen Arbeitsdrücken im Bereich von einigen hundert bis zu eintausend bar gefragt. Dem energetischen wie auch dem volumetrischen Wirkungsgrad kommt daher grosse Bedeutung zu.
    • STAND DER TECHNIK
  • Aus dem Dokument DE2914694 ist ein Zylinderkolben-Aggregat bekannt, das einen pulsierenden Arbeitsraum umfasst. Das Zylinderkolben-Aggregat umfasst einen Dichtungsschlauch, der axial dehnbar ist und in dessen Inneren sich der pulsierende Arbeitsraum befindet.
    • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Pumpen Bzw. Fluidmotoren, die sich durch hohe Wirkungsgrade der vorgenannten Art sowie durch hohe Lebensdauer auszeichnen. Die erfindungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Weiterbildungen und Varianten, auch solche, die nicht in jedem Fall zu realisieren sind, ergeben sich durch Merkmale und Merkmalskombinationen bzw. Kombinationen von Unteransprüchen, gegebenenfalls einschliesslich von fakultativen Merkmalen oder Merkmalskombinationen.
  • Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben mit innenliegendem Arbeitsraum bieten die Grundlage für eine robuste Konstruktion mit hoher Verschleissbeständigkeit, auch beim Betrieb mit abrasiven Fluiden. Allerdings sind hier aus konstruktiven Gründen im allgemeinen relativ grosse Toträume einzuhalten, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst wird. Gerade dieses Problem wird mit der Erfindung gelöst, nämlich mit Hilfe von Totraum-Verdrängungskörpern. Insgesamt ermöglicht die Erfindung damit einen weitgehend optimierten Konstruktionstyp.
    • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert. Darin zeigt:
    • Fig.1
    einen Teil-Axialschnitt einer Hochdruckpumpe mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildetem Arbeitskolben, mit dem ein in den Arbeitsraum eingreifender und an der oszillatorischen Antriebsbewegung teilnehmender Totraum-Verdrängungskörper gekuppelt ist;
    Fig.2
    einen zu Fig.1 ähnlichen Teil-Axialschnitt, ebenfalls mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildeten Arbeitskolben sowie mit einem Totraum-Verdrängungskörper, der jedoch in der Pumpe gestellfest angeordnet ist und infolge der oszillatorischen Antriebsbewegung des Arbeitskolbens relativ zu diesem in den innenliegenden Arbeitsraum des Axialdehnungs-Schlauchmembrankolbens eingreift;
    Fig.3
    einen zu Fig.2 ähnlichen Teil-Axialschnitt, ebenfalls mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildeten Arbeitskolben mit innenliegendem Arbeitsraum sowie mit einem gestellfesten Totraum-Verdrängungskörper, jedoch mit andersartigem Strömungsweg des Arbeitsfluids;
    Fig.4
    einen zu Fig.3 ähnlichen Teil-Axialschnitt, ebenfalls mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildeten Arbeitskolben mit innenliegendem Arbeitsraum sowie mit einem gestellfesten Totraum-Verdrängungskörper, jedoch mit andersartigem Strömungsweg des Arbeitsfluids und mit ebensolcher Ventilanordnung, insgesamt resultierend in einem weiter reduzierten Totraumvolumen;
    Fig.5
    ein Zeitdiagramm des Förderdruckes p (bar) für einen Arbeitskolben einer volumetrischen Pumpe über der Zeit t (msec), und zwar für eine Konstruktion ohne Totraum-Verdrängungskörper; und
    Fig.6
    ein Diagramm entsprechend Fig.5, jedoch für eine Konstruktion mit Totraum-Verdrängungskörper. Diese letztere Darstellung gilt grundsätzlich nicht nur für bewegliche, mit dem Arbeitskolben gekuppelte Totraum-Verdrängungskörper (siehe Fig.1), sondern ebenso für gestellfest ruhende und durch Bewegung des Arbeitsraumes in diesen eingreifende Totraum-Verdrängungskörper (siehe Figuren 2 bis 4). Dies kommt insbesondere bei Einsatz von Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben in Betracht.
    Fig.7
    eine Ventilkonstruktion, insbesondere für Auslassventile
    DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • In der Ausführung gemäss Fig.1 ist ein mit einer Axialdehnungs-Schlauchmembran versehener Arbeitskolben (in oberer Totpunktlage dargestellt und im Folgenden kurz als ASK bezeichnet) an seinem unteren Ende mit einer hier nur schematisch durch einen abwärts gerichteten Pfeil dargestellten, oszillatorisch wirkenden Antriebsvorrichtung AVO gekuppelt. Das obere Ende des Axialdehnungs-Schlauchmembrankolbens ASK ist gestellfest angeordnet und umgibt ein über Einlasskanäle EK gespeistes, als Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil EV. Der sich abwärts erstreckende, hohlzylindrische Abschnitt Z des Axialdehnungs-Schlauchmembrankolbens ist mit einer hier nicht dargestellten Schmierung in einer Gehäusebohrung GB axialverschiebbar gelagert. Im Inneren des Axialdehnungs-Schlauchmembrankolbens ASK ist ein oszillierender Arbeitsraum AR gebildet, von dem ein koaxialer Förderkanal FK zu einem ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildeten Auslassventil AV und zu einem Auslasskanal AK führt.
  • Mit dem Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ASK ist auf der Seite des Arbeitsraumes AR ein im wesentlichen zylindrischer Totraum-Verdrängungskörper TK1 verbunden, der hier in der Oberen Totpunktlage dargestellt ist und ersichtlich eine wesentliche Verminderung des wirksamen Totraumes zur Folge hat.
  • Zur Feststellung der Wirkungsweise dieser Konstruktion ist auf die bereits gegebene Darstellung in dem Figuren 5 und 6 zurückzugreifen.
  • Dort zeigt das Zeitdiagramm in Fig.5 einen verlangsamten Anstieg des Förderdruckes p für einen Arbeitskolben einer volumetrischen Pumpe für eine Konstruktion ohne Totraum-Verdrängungskörper. Entsprechend verlangsamt ist der Druckabfall am Ende des Fördertaktes. Beides bedeutet eine deutliche Verminderung des auf den Kolbenhub bezogenen Fördervolumens, d.h. des volumetrischen Wirkungsgrades. Der Grund dafür ist die Kompressibilität des im Totraum befindlichen Arbeitsfluids.
  • Demgegenüber bewirkt der gemäss Fig.1 in den Arbeitsraum AR eingreifende Totraum-Verdrängungskörper TK1 die in Fig.6 veranschaulichte Versteilerung des Druckanstiegs wie auch des Druckabfalls, insgesamt also eine wesentliche Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades.
  • Bei der Ausführung gemäss Fig.2 ist ein gestellfester Totraum-Verdrängungskörper TK2a vorgesehen, der jedoch infolge der Anordnung des Arbeitsraumes AR innerhalb des Axialdehnungs-Schlauchmembrankolbens ASK und damit wegen der durch den Pumpenantrieb gegebenen Relativbewegung zwischen Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ASK und Totraum-Verdrängungskörper TK2a wiederum in den Arbeitsraum AR eingreift und eine ähnliche Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades bewirkt. Besonders vorteilhaft ist hier jedoch die Verminderung der bewegten Masse infolge des gestellfesten Totraum-Verdrängungskörpers TK2a.
  • Einlassventil EV und Auslassventil AV sind analog zur Ausführung nach Fig.1 ausgebildet, jedoch ist die Verbindung zwischen Arbeitsraum und Auslassventil durch einen längeren Koaxialkanal KOK im Totraum-Verdrängungskörper TK2a und im Einlassventil EV gegeben. Die damit verbundene Verminderung der Totraumverdrängung kann praktisch in vertretbaren Grenzen gehalten werden.
  • Besonders vorteilhaft tritt bei dieser Ausführung in Erscheinung, dass für den Verdrängungskörpers TK2a eine Innendurchströmung und eine Aussenumströmung des Arbeitsfluids mit einer Strömungsumlenkung in einem Öffnungs- oder Endbereich des Totraum-Verdrängungskörpers TK2a gegeben ist. Damit wird u.a. eine besonders intensive Durchspülung des Arbeitsraumes AR und der Ventile im Hinblick auf Ansammlung von Rückständen und Verunreinigungen, aber auch von kompressionsmindernden Lufteinschlüssen nach längeren Stillstandzeiten ermöglicht.
  • Bei der Ausführung nach Fig.3 ist wiederum ein gestellfester Totraum-Verdrängungskörper TK2b vorgesehen, mit den entsprechenden dynamischen Vorteilen. Gleichzeitig ist jedoch durch Fortfall eines vergleichsweise langen, mit dem Arbeitsraum AR in Verbindung stehenden Koaxialkanals eine Maximierung des Totraum-Verdrängungsvolumens erreicht. Der Fluidauslass erfolgt vom Arbeitsraum AR über Querbohrungen BQ unmittelbar unterhalb des Einlassventils EV sowie einen kurzen und daher praktisch unschädlichen Längskanal LK.
  • Bei der Ausführung nach Fig.4 ist ebenfalls ein gestellfester Totraum-Verdrängungskörper TK2c mit den entsprechenden dynamischen Vorteilen vorgesehen. Darüber hinaus ist jedoch eine kompressionsinaktive Anordnung des Auslassventils AV am arbeitsraumseitigen Ende eines Auslass-Koaxialkanals AKOK vorgesehen, die für eine optimale Totraumverdrängung sorgt.
  • Ergänzend ist noch auf eine Ventilkonstruktion gemäss Fig. 7 hinzuweisen, die insbesondere für Auslassventile AV in Betracht kommt. Hier ist ein als Teilkugelschale ausgebildeter Ventilkörper VK relativ zu einem entsprechend formangepassten Ventilsitz um den Kugelmittelpunkt schwenkbar gelagert. Gleichzeitig bedarf es jedoch auch einer Längsführung mittels einer Schwenkführung SF und eines Zentriergliedes ZG. Letzteres ist mit dem Ventilkörper VK durch einen straff-elastischen SchnappVerschluss SV verbunden, so dass für die Schwenkführung SF relativ leichtes und schwingungsdämpfendes Material in Betracht kommt. Im Hinblick auf die erwähnte Schwenkbarkeit ist die Innenbohrung der Schwenkführung schwach toroidförmig mit einem geeigneten Spiel-Schiebesitz für das Zentrierglied ZG ausgebildet. Eine solche Konstruktion hat sich durch hohe Stand- und Verschleissbeständigkeit bewährt.

Claims (9)

  1. Zylinder-Kolbenanordnung (10) für eine volumetrisch wirkende Fluidpumpe oder einen Fluidmotor, mit wenigstens einem Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben (ASK), der mindestens einen innenliegenden, pulsierenden Arbeitsraum (AR) begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Totraum-Verdrängungskörper (TK1, TK2a, TK2b, TK2c, VK) vorgesehen ist, der mit dem pulsierenden Arbeitsraum (AR) in Wirkverbindung steht und wobei der Totraum-Verdrängungskörper (TK1, TK2a, TK2b, TK2c, VK) derart ausgebildet ist, dass der wirksame Totraum im Arbeitsraum (AR) vermindert wird und eine Versteilerung des zeitlichen Verlaufs des Druckanstiegs wie auch des Druckabfalls im Vergleich zu einer Zylinder-Kolbenanordnung ohne Totraum-Verdrängungskörper bewirkt wird.
  2. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Totraum-Verdrängungskörper (TK1, TK2a, TK2b, TK2c) als ein in den pulsierenden Arbeitsraum (AR) der Zylinder-Kolbenanordnung (10) eingreifender Totraum-Verdrängungskörper (TK1, TK2a, TK2b, TK2c) ausgebildet ist.
  3. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Totraum-Verdrängungskörper (TK2a, TK2c) eine Innendurchströmung und eine Aussenumströmung (KOK, LK, AKOK) durch ein Arbeitsfluid mit einer Strömungsumlenkung in einem Öffnungs- oder Endbereich des Totraum-Verdrängungskörpers (TK2a, TK2c) vorgesehen ist.
  4. Zylinder-Kolbenanordnung (10) für eine Fluidpumpe oder einen Fluidmotor, mit wenigstens einem Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben (ASK), der mindestens einen innenliegenden, pulsierenden Arbeitsraum (AR) begrenzt, nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Fluidströmung mindestens ein als Mehrfachsitz-Hubventil ausgebildetes Einlassventil (EV) und/oder ein entsprechendes Auslassventil (AV) angeordnet ist, und dass im Bereich zwischen Sitzen (S1, S2) dieses Ventils mindestens ein durch den Ventilhub zwischen Verschluss und Durchlass umsteuerbarer Fluidraum (FR) gebildet ist.
  5. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Sitze (S1, S2) des Mehrfachsitz-Hubventils wenigstens im Wesentlichen in einer gemeinsamen Kugelfläche (KF) verlaufende Dichtlinien oder Dichtflächen aufweist.
  6. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch mindestens einen zwischen Verschluss und Durchlass umsteuerbaren Ventilkörper (VK), der mindestens eine wenigstens im Wesentlichen oder wenigstens annähernd als Kugelfläche (KF) ausgebildete Dichtfläche aufweist und relativ zu mindestens einer Dichtlinie oder Dichtfläche beweglich gelagert ist.
  7. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (VK) um eine wenigstens im Wesentlichen oder wenigstens annähernd durch den Mittelpunkt der Kugelfläche (KF) verlaufende Schwenkachse oder einen entsprechenden Schwenkpunkt beweglich gelagert ist.
  8. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schwenklagerung des Ventilkörpers (VK) eine mit einem konvex oder konkav gewölbten Führungsglied zusammenwirkende Halterung aufweist und dass zwischen dem Ventilkörper (VK) und der Schwenklagerung ein vorzugsweise elastisch verformbarer Schnappverschluss (SV) vorgesehen ist.
  9. Zylinder-Kolbenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Totraum-Verdrängungskörper (TK2a, TK2b, TK2c) den Ventilkörper (VK) umfasst oder dass ein weiterer Totraum-Verdrängungskörper vorgesehen ist, der mit dem pulsierenden Arbeitsraum (AR) in Wirkverbindung steht und der den Ventilkörper (VK) umfasst.
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CH11192006 2006-07-11
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EP (1) EP2038553B1 (de)
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