DE19616125A1 - Kugelkolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kugelkolbenpumpe zum Fördern un­ terschiedlichster Medien in einem weiten Anwendungsbereich.

Kugelkolbenpumpen arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip ähn­ lich der Hubkolbenpumpen, aber mit einer verbesserten Förder­ kennlinie, die einer idealen Sinusform entspricht. Sie benö­ tigen außerdem keine Ventile für eine Umkehr der Förderrich­ tung.

Obwohl Kugelkolbenpumpen seit langem bekannt sind, be­ schränkte sich ihr bisheriger Einsatz auf Sonderanwendungen. Die Ursache lag in der aufwendigen präzisen Fertigung, um die Reibungs- und Dichtungsprobleme auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. Besondere Probleme bereitete die Herstellung der zahlreichen sphärischen Oberflächen in geringen Toleranzen.

Aufgrund der durch die Kugelbauart einleuchtenden drucktech­ nischen Vorteile, wurde die Kugelkolbenpumpe immer wieder Ge­ genstand von Erfindungen, ohne daß wesentliche Qualitätsstei­ gerungen gegenüber anderen Pumpenarten, wie Kreisel-, Hubkol­ ben- oder Umlaufkolbenpumpen erreicht werden konnten.

Die DE PS 808 915 beschreibt eine Vierkammer- Kugelkolbenpum­ pe, welche ähnlich einem Kardangelenk arbeitet. Sie besteht aus einem kugelförmigen Hohlkörper, in den eine Antriebswelle und eine, zu dieser geneigt angeordneten, Blindwelle ragt. Beide Wellen sind mit orthogonal zueinander angeordneten Schiebern versehen, die einen Kugelkolben in Drehung verset­ zen. Die Schieber gleiten dabei in Ausnehmungen des Kugelkol­ bens, so daß vier Kammern entstehen, die bei einer Umdrehung nacheinander vergrößert und verkleinert werden und so das Me­ dium von einem Einlaßkanal in einen Auslaßkanal pumpen.

Damit die Pumpe auch für große Drücke ausgelegt werden kann, müssen die Dichtungsflächen zwischen den Schiebern und den Ausnehmungen in dem Kugelkolben sehr breit ausgeführt werden, was zu einer Verkleinerung der wirksamen Kammervolumen führt.

Ein weiterer Nachteil derartiger Pumpen besteht darin, daß die Reibungsflächen zwischen den Kolbenausnehmungen und den Schiebern der Kraftübertragung dienen, wodurch die Reibung weiter erhöht wird und eine große Wärmewirkung in Kauf genom­ men werden muß.

Eine andere Bauweise der Kugelkolbenpumpe beschreibt die DE PS 10 10 834. Auf einer durchgehenden Antriebsachse ist ein Kugelkörper befestigt, in dem in Nuten, längs der Meridianen des Kugelkörpers, Kolben geführt werden, welche gelenkig an einem Führungsring angeordnet sind, dessen Achse gegenüber der Antriebsachse um einen Winkel geneigt ist. Durch eine Drehbewegung der Antriebsachse werden die Kolben in den Nuten des Kugelkörpers hin und her bewegt.

Diese Bauart vereinigt die Vorteile der Kugelkolbenpumpe mit denen einer Hubkolbenpumpe. Der Nachteil besteht darin, daß die Leistungssteigerung der Pumpe durch einen erhöhten Raum­ bedarf der gesamten Pumpenanordnung erreicht wird. Der wirk­ same Arbeitsraum der Kammern konnte nicht wesentlich vergrö­ ßert werden, und zur Führung der radial eingreifenden Kolben sind zum Ausgleich der Radialkräfte zusätzliche Gegenkräfte aufzubringen. Dadurch, daß die Kolben von außen in die Ar­ beitsräume des Kugelkörpers geführt werden, erhöhen sich die Reibungs- und Dichtungsprobleme.

In der DE OS 15 53 165 wurde die Kugelkolbenpumpe, die auch als Kugelmotor betrieben werden kann, dahingehend vereinfacht und verbessert, indem der Kugelkolben zu einer Taumelscheibe reduziert wurde. In einem kugelförmigen Gehäuse rotiert ein Kreuzgelenk-Drehkolben, der aus einer Kreisscheibe besteht, die zwischen zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Halb­ kreisscheiben gelenkig angeordnet ist. Die Kreisscheibe und die beiden Halbkreisscheiben sind in ihrem Radius so groß ausgeführt, daß sie das kugelförmige Gehäuse voll ausfüllen und somit in vier Kammern aufteilen. Jede der beiden Halb­ kreisscheiben ist radial in ihrer Mitte mit einem Achsstutzen versehen, von denen der eine als Antriebsachse dient und der andere blind ausgeführt ist.

Werden die so gebildeten Drehachsen der beiden Halbkreis­ scheiben in einem Winkel zueinander geneigt, entsteht bei Ro­ tation der Achsen eine taumelnde Bewegung der Kreisscheibe und die vier Kammern werden bei einer Umdrehung nacheinander vergrößert und verkleinert.

Der Nachteil dieser Kugelpumpe (bzw. Kugelmotor) besteht in der hohen Belastung und dem damit verbundenen Verschleiß in den Gelenken zwischen der Taumelscheibe und den antreibenden Halbkreisscheiben. Da die Gelenke gleichzeitig der Kraftüber­ tragung dienen, überlagern sich Reibungskräfte und Drehmo­ mente.

In den praktischen Anwendungen von Kugelkolbenpumpen mit Tau­ melscheiben bestehen die Gelenke aus Gleitflächen, wobei die Halbkreisscheiben an der Kante entlang ihrem Durchmesser zy­ linderförmig abgerundet sind und in entsprechende gewölbte Nu­ ten an der Taumelscheibe eingreifen. Da diese Gelenke, insbe­ sondere bei hohen Drehzahlen und/oder hohen Drücken, sehr großen Verschleißerscheinungen unterliegen, ist die Anwendung dieser Pumpen begrenzt.

Zur Erhöhung der Lebensdauer solcher Pumpen wird deshalb, z. B. nach der DE OS 43 40 692 vorgeschlagen, die Reibungsflä­ chen an diesen Gelenken oder alle reibenden Teile der Kugel­ kolbenpumpe mit einer verschleißfesten Keramik zu beschich­ ten. Diese Technologie ist sehr aufwendig und führt zu einem hohen Preis, welcher einer breiten Anwendung dieser Kugelkol­ benpumpen entgegen steht.

Außerdem müssen bei den bekannten Kugelkolbenpumpen mit Tau­ melscheiben die zylinderförmigen Gleitflächen, wenn sie gro­ ßen Drücken standhalten und eine ausreichende Dichtwirkung gewährleisten sollen, sehr breit ausgeführt werden, was den wirksamen Arbeitsraum der Pumpe verringert und ihren Wir­ kungsgrad verschlechtert.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Kugelkolbenpumpe zu schaffen, welche einfach und verschleißarm im Aufbau ist, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und einen universalen Anwen­ dungsbereich für unterschiedlichste Drücke und Medien zuläßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des 1. Pa­ tentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung dreht sich in einem ku­ gelförmigen Arbeitsraum ein flügelartiger Kolben und voll­ führt dabei gleichzeitig eine Hin- und Herbewegung. Die Um­ formung der Drehbewegung einer Antriebswelle in eine drehende und pendelnde Bewegung des Kolbens erfolgt durch sich drehen­ de und ineinandergreifende Arbeitselemente innerhalb des ku­ gelförmigen Arbeitsraumes.

Die Kugelkolbenpumpe ist sehr kompakt und druckfest aufge­ baut. In den kugelförmigen Arbeitsraum führen nur eine An­ triebswelle und die notwendigen Einlaß- und Auslaßkanäle.

Die Antriebswelle ist fest mit einer relativ schmalen An­ triebsscheibe verbunden, die den Kolben, im weiteren Drehkol­ ben genannt, längs in zwei Hälften teilt und innerhalb des Drehkolbens pendelnd bewegbar ist. Der Drehkolben besitzt achsensymmetrisch zwei Flügel und ist in seiner Drehachse mit Hilfe eines abdichtenden Kolbenführungselementes in einem Führungsring drehbar gelagert. Der Führungsring ist ebenfalls drehbar in einem Durchmesser des kugelförmigen Arbeitsraumes der Kugelkolbenpumpe gelagert, jedoch mit einer ortsfesten Drehachse. Er teilt den kugelförmigen Arbeitsraum in zwei gleich große halbkugelförmige Arbeitskammern auf, so daß ein Flügel des Drehkolbens in eine Arbeitskammer und der andere Flügel des Drehkolbens in die andere Arbeitskammer ragt.

Über die Antriebswelle und die Antriebsscheibe wird der Dreh­ kolben zusammen mit dem Führungsring in Drehungen versetzt, wobei sich ein Flügel des Drehkolbens in der einen Arbeits­ kammer und der andere Flügel in der anderen Arbeitskammer dreht. Die Form der Flügel ist dabei derart gestaltet, daß sie dichtend an den halbkugelförmigen Innenräumen der Kammern entlanggleiten. Der Einsatz zusätzlicher Dichtungsmittel, z. B. Kolbenringe, ist möglich.

Eine pendelnde bzw. taumelnde Wirkung des Drehkolbens wird dann erzeugt, wenn die Antriebswelle zusammen mit der Dreh­ achse der Antriebsscheibe gegenüber der Drehachse des Füh­ rungsringes um einen Winkel α < 90° geneigt ist. Jetzt pen­ delt die Antriebsscheibe, die durch die Antriebswelle zwangs­ geführt ist, in dem Drehkolben und der Drehkolben pendelt mit Hilfe des Kolbenführungselementes in dem Führungsring, wel­ cher wiederum innerhalb des kugelförmigen Arbeitsraumes zwangsgeführt ist.

Die Bewegung des Drehkolbens ist mit der Bewegung der Taumel­ scheibe der Kugelkolbenpumpen nach dem Stand der Technik zu vergleichen. Der Unterschied besteht aber in den Mitteln, mit denen diese taumelnde Bewegung erzeugt wird. Bei der Taumel­ scheibe erfolgt die Kraftübertragung durch relativ schmale Gleitgelenkflächen, welche, will man große Drücke und Kräfte übertragen, relativ breit ausgeführt werden müssen, was auf Kosten des wirksamen Arbeitsvolumens geht.

In der erfindungsgemäßen Lösung wird in den Kolben eine schmale pendelnde Antriebsscheibe, die mit relativ breiten Kraftübertragungsflächen ausgerüstet werden kann, eingesetzt. Auf diese Art und Weise wird der Arbeitsraum optimal ausge­ nutzt und die Reibung kann an dieser Stelle durch geeignete zusätzliche Mittel, z. B. Kugeln, und/oder eine gesonderte Schmierung verringert werden.

Durch die drehende und pendelnde Bewegung des Drehkolbens wird das zu fördernde Medium von einem Einlaßkanal (Ansaugen) zu einem Auslaßkanal (Ausstoßen) bewegt. Dieser Vorgang läuft synchron in den beiden halbkugelförmigen Arbeitskammern ab, wobei jede der Arbeitskammern mit je einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal versehen ist und die Arbeitskammern durch jeweils einen Flügel des Drehkolbens in zwei Förderkammern aufgeteilt werden. Der Einlaß- und der Auslaßkanal wird der­ art in die Arbeitskammer geführt, daß bei Bewegung des Dreh­ kolbens immer nur ein Kanal pro Förderkammer freigegeben ist.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Kugelkolbenpumpe an Hand der Stellung des Drehkolbens bzw. der Winkelstellung des Führungsringes bei 0°, 90° und 180° beschrieben. Betrachtet wird jeweils nur eine der beiden analog aufgebauten halbku­ gelförmigen Arbeitskammern:
0°: Die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung ist durch den Flügel des Drehkolbens geschlossen. Die 1. Förderkam­ mer besitzt ein minimales Fördervolumen und die 2. Förderkammer ein maximales Fördervolumen.
90°: Die Einlaßöffnung ist geöffnet und das Medium strömt in die sich vergrößernde 1. Förderkammer. Die Aus­ laßöffnung ist geöffnet und das Medium strömt aus der sich verkleinernden 2. Förderkammer.
180°: Beide Öffnungen sind geschlossen. Die 1. Förderkammer besitzt ein maximales Fördervolumen und die 2. Förder­ kammer ein minimales Fördervolumen. Die Stellung des Drehkolbens ist analog wie bei 0°, nur daß beide För­ derkammern gegeneinander vertauscht sind.

Obwohl in der vorliegenden Erfindung der Aufbau und die Ar­ beitsweise einer Pumpe beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann naheliegend, die gleiche Anordnung auch als einen Motor zu verwenden.

Durch den neuartigen Aufbau der Kugelkolbenpumpe, ihrer cha­ rakteristischen sinusförmigen Kennlinie und ihren konstrukti­ onsbedingten Eigenschaften ist sie vielfältig einsetzbar. Ihr Hauptanwendungsbereich ist der der Hubkolbenpumpe gleichzu­ stellen, jedoch mit erheblich höheren Leistungswerten.

Durch die pendelnde, schraubenförmige Bewegung des Drehkolbens ist die Kugelkolbenpumpe besonders auch für die Förderung hochviskoser Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit festen Be­ standteilen geeignet.

Werden zwei Kugelkolbenpumpen nach der Erfindung parallel, aber in ihrer Förderkennlinie um 90° versetzt betrieben, er­ hält man einen kontinuierlichen Förderstrom.

Über die Drehzahl ist die Kugelkolbenpumpe kontinuierlich steuerbar. Eine weitere Steuermöglichkeit wäre denkbar, wenn der Winkel der Antriebsachse zur Drehachse des Kolbenfüh­ rungsringes veränderbar gestaltet wird.

Durch das konstruktionsbedingte Zweikammersystem mit getrenn­ ten Ein- und Auslaßkanälen können zwei gleiche oder auch un­ terschiedliche Medien synchron gefördert oder aber auch ge­ mischt werden.

Die erfindungsgemäße Kugelkolbenpumpe besitzt einen großen Anwendungsbereich. Sie ist einsetzbar in der Labor- und Medi­ zintechnik z. B. als Mikropumpe oder Dosierpumpe, als Förder­ pumpe für Öle und Benzin, als Wasserpumpe mit hoher Förder­ leistung, wie z. B. Lenzpumpen, Hauswasseranlagen oder Was­ serstrahlantriebe für Boote. Weitere Anwendungen sind möglich für Kompressoren und Verdichter oder als Vakuumpumpe. Auch in der Steuer- und Regeltechnik ist die Kugelkolbenpumpe als hy­ draulisches oder pneumatisches Bauelement einsetzbar.

An Hand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der er­ finderischen Lösung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine teilweise im Schnitt gezeichnete perspektivi­ sche Darstellung der Kugelkolbenpumpe.

Fig. 2 Einen Schnitt A-A durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 mit 0°-Stellung des Führungsringes für den Drehkolben.

Fig. 3a Einen Schnitt A-A durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 mit 90°-Stellung des Führungsringes für den Drehkolben.

Fig. 3b Einen Schnitt B-B durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 3a.

Fig. 4 Einen Schnitt A-A durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 mit 180°-Stellung des Führungsringes für den Drehkolben.

Fig. 5 Eine Darstellung des Führungsringes im Auf- und Seitenriß.

Fig. 5 Eine Darstellung des Drehkolbens im Auf- und Sei­ tenriß.

Fig. 7 Eine Darstellung des Drehkolbenführungselementes.

Fig. 8 Eine Darstellung der Antriebsscheibe in zwei mögli­ chen Ausführungsformen.

Die erfindungsgemäße Kugelkolbenpumpe ist in Fig. 1 perspek­ tivisch im Schnitt dargestellt. Sie besteht aus einem Gehäuse 1, das einen kugelförmigen Arbeitsraum 2 zur Aufnahme aller für den Pumpvorgang notwendigen Elemente umgibt. Zur besseren Montage besteht das kugelförmige Gehäuse 1 aus zwei Halbscha­ len 1a und 1b, die durch geeignete Mittel, z. B. eine ver­ schraubte Flanschverbindung 7, miteinander verbunden sind. In das Gehäuse 1 führen Öffnungen, von denen eine (in Fig. 1 nicht zu erkennen) zur Aufnahme einer Antriebswelle 8 dient und vier weitere, die als Einlaßkanäle 11a und 11b und als Auslaßkanäle 12a und 12b nötig sind. Die in Fig. 1 darge­ stellte Anordnung der Ein- und Auslaßkanäle 11a, 11b, 12a, 12b gilt für den Linkslauf der Antriebswelle 8. Bei Drehrich­ tungsumkehr (Rechtslauf) sind 12a und 12b die Einlaßkanäle und 11a und 11b die Auslaßkanäle. Der Auslaßkanal 12b ist in der Darstellung nach Fig. 1 verdeckt und deshalb nicht zu er­ kennen.

Der kugelförmige Arbeitsraum 2 wird durch einen drehbar ange­ ordneten Führungsring 3 in zwei halbkugelförmige Arbeitskam­ mern 2a und 2b aufgeteilt, wobei die Drehachse 9 senkrecht auf der Ebene des Führungsringes 3 steht und innerhalb des Gehäuses 1 der Kugelkolbenpumpe ortsfest angeordnet ist. Mit Hilfe einer geeigneten Lagerung 17 ist der Führungsring 3 in das kugelförmige Gehäuse 1, zweckmäßigerweise an der Stelle der Flanschverbindung 7, eingelassen.

Jede der durch die Anordnung des Führungsringes 3 gebildeten halbkugelförmigen Arbeitskammern 2a bzw. 2b besitzt jeweils einen Einlaßkanal 11a bzw. 11b und einen Auslaßkanal 12a bzw. 12b für das zu fördernde Medium.

Innerhalb des Führungsringes 3 ist ein Drehkolben 4, beste­ hend aus zwei Flügeln 4a und 4b und einem Kolbenführungsele­ ment 13, derart drehbar um eine Achse 14 angeordnet, daß die Ebene des Drehkolbens 4 die Ebene des Führungsringes 3 in ih­ rer Mitte derart durchschneidet, daß der eine Flügel 4a des Drehkolbens 4 in die erste halbkugelförmige Arbeitskammer 2a und der andere Flügel 4b des Drehkolbens 4 in die zweite halbkugelförmige Arbeitskammer 2b ragt. Der Winkel zwischen der Ebene des Führungsringes 3 und der Ebene des Drehkolbens 4 ist über die Achse 14 veränderbar.

Der Drehkolben 4 besitzt in einer Ebene längs durch seine Flügel 4a, 4b eine Ausfräsung oder einen Schlitz 5, in den eine Antriebsscheibe 6 eingesetzt ist, welche sowohl inner­ halb des Schlitzes 5 um eine Achse 15 senkrecht zur Ebene des Drehkolbens 4 bzw. der Antriebsscheibe 6 als auch um eine ortsfeste Achse 10 durch die Ebene der Antriebsscheibe 6 um die Antriebswelle 8 drehbar angeordnet ist. Zur Erreichung einer pendelnden Wirkung des Drehkolbens 4 ist die ortsfeste Achse 10 der Antriebsscheibe 6 zur Drehachse 9 des Führungs­ ringes 3 um einen festen Winkel α < 90°, vorzugsweise 45°, geneigt.

Alle Achsen 9, 10, 14, 15 treffen sich im Mittelpunkt M des kugelförmigen Arbeitsraumes 2 der Kugelkolbenpumpe, wobei die Achsen 9 und 10 Rotationsachsen und die Achsen 14 und 15 Pen­ delachsen sind.

Die Wirkungsweise der Kugelkolbenpumpe wird an Hand der Zeichnungen Fig. 2 bis Fig. 4 erläutert.

In Fig. 2 ist die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 in einem Schnitt A-A, der in der Ebene der Rotationsachse 9 des Füh­ rungsringes 3 liegt, dargestellt.

In dem Gehäuse 1 ist der Drehkolben 4 mit seinen beiden Flü­ geln 4a und 4b zu erkennen, der über das Kolbenführungsele­ ment 13 in dem Führungsring 3 gelagert ist. Innerhalb des Drehkolbens 4 ist die Antriebsscheibe 6 eingesetzt, die mit der Antriebswelle 8 verbunden ist. Die Antriebswelle 8 ist durch eine Bohrung 16 in dem Gehäuse 1 der Kugelkolbenpumpe festgelegt. Die Drehachse 10 der Antriebswelle 8, die auch durch die Ebene der Antriebsscheibe 6 führt, ist gegenüber der Drehachse 9 des Führungsringes 3 um einen Winkel α = 45° geneigt. Der Führungsring 3 teilt den kugelförmigen Arbeits­ raum 2 in zwei identische halbkugelförmige Arbeitskammern 2a und 2b, in denen sich die beiden Flügel 4a und 4b des Drehkolbens 4 bewegen.

Dreht sich die Antriebswelle 8 um die Achse 10, werden der Drehkolben 4 mit dem Führungsring 3 um die Achse 9 gedreht. Da der Drehkolben 4 der Antriebsachse 10 nicht ausweichen kann, bewegt sich die Antriebsscheibe 6 in dem Drehkolben 4 hin und her und vollführt neben einer um die Achsen 9 und 10 drehenden gleichzeitig eine um die Achse 14 pendelnde Bewe­ gung.

Der Führungsring 3 ist durch geeignete Mittel 17, zum Bei­ spiel Kugel- oder Wälzlager, in dem Gehäuse 1 gelagert. Das kugelförmige Gehäuse 1 besteht zur Erleichterung der Montage der Kugelkolbenpumpe aus zwei Halbschalen 1a und 1b, die mit­ tels Flanschen 18 und einer Schraubverbindung 19 zusammenge­ fügt sind.

In der Darstellung nach Fig. 2 befinden sich der Drehkolben 4 und der Führungsring 3 in einer Stellung, die als Ausgangs­ stellung bzw. 0°-Stellung bezeichnet sein soll. Der Drehkol­ ben 4 teilt die beiden Arbeitskammern 2a und 2b in jeweils zwei Förderkammern 20a und 21a sowie 20b und 21b. In der 0°- Stellung besitzen die Kammern 20a und 20b ein maximales Volu­ men und die Kammern 21a und 21b ein minimales Volumen. Die Einlaßkanäle 11a und 11b sind durch die Flügel 4a und 4b des Drehkolbens 4 geschlossen. Ebenfalls auch die Auslaßkanäle 12a und 12b, die senkrecht zur Zeichnungsebene gegenüber den Einlaßkanälen 11a und 11b angeordnet, aber in der Darstellung nach Fig. 2 nicht zu erkennen sind.

Dreht sich die Antriebswelle 8 um die Achse 10 in Uhrzeiger­ richtung (Rechtslauf), bewegt sich auch der Führungsring 3 um die Achse 9 in die gleiche Richtung. Die Kammern 21a und 21b beginnen sich zu öffnen und saugen Medium durch die sich öff­ nenden Einlaßkanäle 11a und 11b an. Gleichzeitig verkleinern sich die Kammern 20a und 20b und das sich in diesen Kammern befindliche Medium wird aus den sich öffnenden Auslaßkanälen 12a und 12b durch den sich um die Achsen 9 und 10 drehenden und um die Achse 14 pendelnden Drehkolben 4 herausgedrückt.

In der Darstellung nach Fig. 3a und Fig. 3b hat sich der Füh­ rungsring 3 um seine Drehachse 9 um 90° gedreht. Fig. 3a zeigt den gleichen Schnitt wie in Fig. 2 und Fig. 3b einen Schnitt B-B in einer senkrechten Ebene dazu.

Der Drehkolben 4 mit seinen beiden Flügeln 4a und 4b teilt die Arbeitskammern 2a und 2b in jeweils zwei gleich große Kammer- bzw. Fördervolumen 20a und 21a sowie 20b und 21b. Die Einlaßkanäle 11a und 11b sind mit den Kammern 21a und 21b und die Auslaßkanäle 12a und 12b mit den Kammern 20a und 20b ver­ bunden.

In Fig. 4 hat sich der Führungsring 3 um seine Drehachse 9 um 180° gedreht. Der Drehkolben 4 hat die gleiche Stellung wie in Fig. 2, nur um ebenfalls 180° um die Achse 9 gedreht. Die Kammern 21a und 21b haben ihr maximales Volumen erreicht und die Kammern 20a und 20b sind geschlossen (minimales Kammervo­ lumen).

Dreht sich nun die Antriebswelle 8 um die Achse 10 in Uhrzei­ gerrichtung weiter, wiederholt sich der Vorgang nach Fig. 2, jedoch mit vertauschten Förderkammern 20a, 20b, 21a, 21b. Bei einer Umdrehung des Führungsringes 3 um 360° wird also zwei­ mal Medium angesaugt und ausgestoßen.

Fig. 5 zeigt die Abbildung des Führungsringes 3 für den Dreh­ kolben 4 im Auf- und Seitenriß. Er besteht im wesentlichen aus einer runden Scheibe 22 mit einem Durchbruch 23 zur Auf­ nahme des Kolbenführungselementes 13. Der Führungsring 3 ist von einem Lagerring 24 umfaßt, mit dem er in einer Nut inner­ halb des kugelförmigen Arbeitsraumes 2 der Kugelkolbenpumpe drehbar gelagert ist. Der Lagerring 24 kann ein Kugel- oder Gleitlager sein.

Ferner ist in dem Führungsring 3 ein Einsatz 25 zur abdich­ tenden Lagerung des Drehkolbens 4 (Fig. 6) mit dem Kolbenfüh­ rungselement 13 (Fig. 7) vorgesehen.

Eine zweckmäßige Form des Drehkolbens 4 ist in Fig. 6 darge­ stellt. Er besteht aus einem flachen Steg 26 und den beiden Flügeln 4a und 4b. Der flache Steg 26 dient zur Aufnahme des Kolbenführungselementes 13 (dargestellt in Fig. 7), mit dem der Drehkolben 4 im Führungsring 3 (Fig. 5) gelagert ist.

In der Ausführung nach Fig. 6 ist der Drehkolben 4 mit einem durchgehenden Schlitz 5 zur Aufnahme der Antriebsscheibe 6 (dargestellt in Fig. 8) versehen, der den Drehkolben 4 in zwei Hälften teilt. In einer anderen Ausführung muß dieser Schlitz 5 nicht unbedingt durchgehend sein. Es kann z. B. in der Mitte des Drehkolbens 4 eine kreisringförmige Verbindung 27 als feste Verbindung zwischen den beiden Drehkolbenhälften erhalten bleiben, zur Aufnahme einer sich um diese Verbindung 27 drehenden gabelförmigen Antriebsscheibe 6 (ebenfalls in Fig. 8 dargestellt).

Das in Fig. 7 gezeigte Kolbenführungselement 13 dient neben seiner Funktion als Drehlager für den Drehkolben 4 gleichzei­ tig als Abdichtungselement zwischen den beiden halbkugelför­ migen Arbeitskammern 2a und 2b der Kugelkolbenpumpe. Es be­ sitzt an seinen Enden Lagerzapfen 28 zur Lagerung in dem Füh­ rungsring 3 nach Fig. 5 und einen durchgehenden Schlitz 29 zur Aufnahme des Drehkolbens 4. Um die Montage des Kolbenfüh­ rungselementes 13 zu erleichtern, wird dieser zweckmäßiger­ weise ebenfalls in zwei Hälften zerlegt, die über den Lager­ einsatz 25 im Führungsring 3 durch die beiden Gehäusehalb­ schalen 1a und 1b des kugelförmigen Arbeitsraumes 2 zusammen­ gehalten werden.

In Fig. 8 sind zwei mögliche Varianten der Antriebsscheibe 6 beschrieben. Sie kann eine im wesentlichen runde oder elliptische Scheibenform 30 (durchgezogene Linie) oder eine Gabelform 31 (gestrichelte Linie) aufweisen. Bei der Gabelform 31 greift die U-förmige Rundung 32 um die kreisringförmige Verbindung 27 in dem Schlitz 5 des Drehkolbens 4 (dargestellt in Fig. 6). Mit der Antriebsscheibe 6 ist die Antriebswelle 8 fest verbunden.

Darüber hinaus sind weitere Formen der Antriebsscheibe 6 im Zusammenhang mit einer entsprechenden Gestaltung der Aus­ fräsung oder des Schlitzes 5 in dem Drehkolben 4 denkbar.

Zur leichteren Drehung der Antriebsscheibe 6 in dem Drehkol­ ben 4, kann diese entweder aus einem selbstschmierenden Mate­ rial gefertigt sein, eine separate Schmierung erhalten und/oder zur Verringerung der Reibung eingelassene Kugeln be­ sitzen.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse der Kugelkolbenpumpe
1a und 1b Gehäusehalbschalen
2 Arbeitsraum der Kugelkolbenpumpe
2a und 2b halbkugelförmige Arbeitskammern
3 Führungsring
4 Drehkolben
4a und 4b Flügel des Drehkolbens
5 Schlitz im Drehkolben
6 Antriebsscheibe
7 Flanschverbindung
8 Antriebswelle der Kugelkolbenpumpe
9 Drehachse des Führungsringes
10 Drehachse der Antriebswelle
11a und 11b Einlaßkanäle
12a und 12b Auslaßkanäle
13 Kolbenführungselement
14 Drehachse des Kolbenführungselementes
15 Drehachse der Antriebsscheibe
16 Bohrung für die Antriebswelle
17 Lagerung für den Führungsring
18 Flansche zur Verbindung der Gehäusehalb­ schalen
19 Schraubverbindung Gehäuse
20a und 21a Förderkammer 1 (2a)
20b und 21b Förderkammer 2 (2b)
22 Scheibe des Führungsringes
23 Durchbruch im Führungsring
24 Lagerung des Führungsringes
25 Lagereinsatz Führungsring
26 Steg am Drehkolben
27 kreisringförmige Verbindung im Drehkolben
28 Lagerzapfen am Kolbenführungselement
29 Schlitz im Kolbenführungselement
30 runde Scheibenform der Antriebsscheibe
31 Gabelform der Antriebsscheibe
32 U-förmige Rundung in der Antriebsscheibe

Claims (17)

1. Kugelkolbenpumpe mit einem durch ein Gehäuse gebildeten kugelförmigen Arbeitsraum, mindestens einem getrennten Zu- und Ablauf für das zu fördernde Medium und einem von außen antreibbaren Drehkolben, der den Arbeitsraum ab­ wechselnd vergrößert (Ansaugphase) und verkleinert (Ausstoßphase), dadurch gekennzeichnet, daß

• - der kugelförmige Arbeitsraum (2) durch einen drehbar angeordneten Führungsring (3) in zwei halbkugelförmige Arbeitskammern (2a, 2b) geteilt ist, wobei die Dreh­ achse (9) senkrecht auf der Ebene des Führungsringes (3) steht und innerhalb des Gehäuses (1) der Kugelkol­ benpumpe ortsfest angeordnet ist,
• - jede halbkugelförmige Arbeitskammer (2a und 2b) je ei­ nen getrennten Einlaßkanal (11a bzw. 11b) und je einen getrennten Auslaßkanal (12a bzw. 12b) für das zu för­ dernde Medium besitzt,
• - innerhalb des Führungsringes (3) der Drehkolben (4), bestehend aus zwei Flügeln (4a, 4b), drehbar um eine Achse (14) angeordnet ist, indem die Ebene des Drehkol­ bens (4) die Ebene des Führungsringes (3) in ihrer Mitte derart durchschneidet, daß der eine Flügel (4a) des Drehkolbens (4) in die erste halbkugelförmige Ar­ beitskammer (2a) und der andere Flügel (4b) des Dreh­ kolbens (4) in die zweite halbkugelförmige Arbeitskam­ mer (2b) ragt, und der Winkel zwischen der Ebene des Führungsringes (3) und der Ebene des Drehkolbens (4) veränderbar ist,
• - der Drehkolben (4) längs der Ebene durch seine Flügel (4a, 4b) eine Ausfräsung oder einen Schlitz (5) besitzt und diesen symmetrisch, teilweise oder auch vollständig durchteilt,
• - in den Schlitz (5) des Drehkolbens (4) eine Antriebs­ scheibe (6) eingesetzt ist, welche sowohl innerhalb des Schlitzes (5) um eine Achse (15) senkrecht zur Ebene des Drehkolbens (4) bzw. der Antriebsscheibe (6) als auch um eine ortsfeste Achse (10) durch die Ebene der Antriebsscheibe (6) drehbar angeordnet ist, wobei die ortsfeste Achse (10) der Antriebsscheibe (6) zu der Drehachse (9) des Führungsringes (3) um einen festen Winkel α < 90° geneigt ist,
• - die Antriebsscheibe (6) eine Antriebswelle (8) besitzt, welche durch eine Bohrung (16) durch das Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe geführt ist.

2. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4a, 4b) des Drehkolbens (4) die Form von Halbkreisscheiben besitzen und so groß sind, daß sie dicht an der Innenwand des kugelförmigen Gehäuses (1) vorbeistreifen.

3. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4a, 4b) des Drehkolbens (4) eine ausrei­ chende Dicke zur Aufnahme der Antriebsscheibe (6) und zum sicheren Verschließen der Einlaß- und Auslaßkanäle (11a, 11b, 12a, 12b) besitzen und mit einer Geometrie versehen sind, die ein optimales Öffnen und Verschließen der Ar­ beitskammern (2a, 2b) bzw. der Förderkammern (20a, 20b, 21a, 21b) bewirken.

4. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4a, 4b) des Drehkolbens (4) schaufelartig ausgeformt sind.

5. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Drehkolbens (4) zum Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe und des Kolbenführungselementes (13) zum Führungsring (3) eine paßgenaue Gleitdichtung ist.

6. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Drehkolbens (4) zum Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe und des Kolbenführungselementes (13) zum Führungsring (3) durch zusätzliche Dichtlippen oder - leisten erfolgt.

7. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (17, 24) des Führungsringes (3) in dem Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe ein Gleit- oder Wälzla­ ger ist.

8. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (25, 28) des Kolbenführungselementes (13) in dem Führungsring (3) ein Gleit- oder Wälzlager ist.

9. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) innerhalb des Drehkolbens (4) reibungsarm gelagert ist.

10. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) mit einem selbstschmierenden Material beschichtet ist.

11. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß für die Lagerung der Antriebsscheibe (6) ein zusätz­ liches Schmiermittel in den Schlitz (5) zwischen der An­ triebsscheibe (6) und dem Drehkolben (4) eingebracht ist.

12. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) innerhalb des Drehkolbens (4) durch Rollelemente ähnlich einem Kugellager gelagert ist und die Rollelemente in die Antriebsscheibe (6) eingelas­ sen sind.

13. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) eine im wesentlichen runde oder elliptische Form (30) besitzt.

14. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) eine Gabelform (31) besitzt.

15. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (5) und die Antriebsscheibe (6) derart gestaltet sind, daß der Schlitz (5) bei jeder Stellung des Drehkolbens (4) außerhalb der Öffnungen für die Ein­ laß- und Auslaßkanäle (11a, 11b, 12a, 12b) angeordnet ist.

16. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe aus zwei Halb­ schalen (1a, 1b) besteht, die mittels einer Flanschver­ bindung (7) verbunden sind.

17. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle der Bohrung (16) für die Antriebswelle (8) ein kreis- oder ringförmiges Steuerorgan in das Ge­ häuse (1) druckdicht und drehbar eingelassen ist, mit dem der Winkel α zwischen der ortsfeste Achse (10) der An­ triebsscheibe (6) und der Drehachse (9) des Führungsrin­ ges (3) zur Steuerung der Förderleistung veränderbar ist.