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Pumpe mit scheibenförmigem Kolben für flüssige oder gasförmige Medien
Die Erfindung betrifft eine Pumpe mit scheibenförmigom Kolben für flüssi@e oder
gasförmige Medien, die je nach der Art der zu fördernden Medien in Druck@ereichen
von größenordnungsmäßig 20 Atmosphären eingesetzt werden kann.
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Anwendungen für Pumpen der hier interessierenden Art sind vielfältiger
@atur.
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Es sei erinnert an Brennstoffförderpumpen oder Hydraulikpumpen zur
Erze@gung der Betriebsdrucke für fluidische Bausteine, weiterhin an Wasserpumpen
für Hauswasserversorgungen oder zur Druckerhöhung. Andere Beispiele sind kompressoren
für Werkstätten, beispielsweise für Tankstellen für das Aufpumpen von Reifen.
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Je nach Forderdruck und Fördermenge und nach der Viskositt des zu
fördernden Mediums kann der Durchschnittsfachmann unter vielfältigen Bauarten für
solche Pumpen wahlen. Solche bekannten Bauarten sind beispielsweise Kolbenpumpen,
Zentrifualpumpen beziehungsweise Radial- und Axialkompressoren, Membranpumpen Zahnradpumpen,
Rotationskolbenpumpen und Pumpen mit rotierender Sch#necke.
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Kolbenpumpen sind zwar zur Erreichung hoher Drucke gut geeignet,-insbesonaere
wenn man an mehrstufige Kolbenpumpen denkt. Sie haben aber den Nachteil, daß sie
zu viele Einzelteile aufweisen, insbesondere ohne Ventile nicht auskommen, und außerdem
gemessen an ihrem Fördervolumen eine zu hohe Baugröße aufweisen, da durch die hin-und-her
gehenden MAssen der Kolben die Drehzahlen beschränkt sein müssen, wenn man eine
ausreichende Lebensdauer der Kolbenpumpen erreichen will. Will man Kolbenpumpen
für kleine Fördervolumina verwenden, so wird bei der Herstellung eine hohe, kootenverursachende
Präzision notwendig sein.
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Pumpen nach Art der Radial. und Axialkpmpressoren zeichnen sich zwar
durch einen einfachen Aufbau und durch eine gute Lebensdaner auss und sie können
auc für kleine und für Große Fördermengen kostengünstig hergestellt werden. Ihr
@achteil besteht nur darin, daß die erzielbaren Drucke beziehungsweise Kompressionsverhältnisse
gering sind und üblicherweise 2 bis dre-i Atmosphären nicht übersteigen. Ein weiterer
NAchteil besteht darin, daß ein vernünftiger Wirkungsgrad nur bei sehr hohen Drehzahlen
erreicht wird, so daß insbesondere bei gasförmigen Medien umfangreiche aerodynamische
Versuche durchgeführt werden müssen, die einen hohen Kapitaleinsatz erfordern. Ein
weiterer Nachteil dieser Pumpen nach Art der Radial- oder Axialkompressoren besteht
darin, daß sie zwar als Umwälzpumpen beispielsweise in Heizungsanlagen verwendet
werden könne daß sie aber~keine selbstansaugenden Pumpen sind.
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Membranpumpen werden gerne als kleine Luftpumpten für Äquarienbelüf-tungen
oder ur ähnliche Zwecke verwendet. Bei kleinen Fördermengen sind sie daher nur für
sehr geringe Kompressionsverhältnisse geeignet. Es gibt zwar auch Membrankompressoren
mit hohen Druckgewinnen und großen Fördermengen, auch für flüssige Medien. Der Einsatz
dieser Kompressoren ist aber auf Gebiete beschränkt, wo das Fehlen von Stopfbuchsen
den Vorrang vor der Kostenfrage hat.
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Zahnradpumpen und Pumpen mit rotierenden Schnecken sind für gasförmige
Medien ungeeignet und für Medien mit niedriger Viskosität wie Wasser nur sehr bedingt
geeignet. Sie haben daher auch nur Eingang als Öl- und Fettpumpen gefunden.
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Ihr Hauptanwendungsgebiet liegt daher; auf dem Hochdrucksektor bei
geringen Fördermengen.
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Es fehlt daher eine Pumpenbauart, die sich mit nur geringen konstruktiven
Änderungen für ein breites Anwendungsgebiet eignet.
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kommt noch folgendes hinzu: Einmal tritt bei Pumpen oder Kompressoren
hin und wieder die Aufgabe auf, die Fdrderrichtung zu ändern, und dieses ist bei
nur wenigen Bauarten für Pumpen oder Kompressoren möglich. Zum Zweiten werden Pumpen
oder Kompressoren häufig zum Antrieb von Hydraulikmotoren beziehungsweise pneumatischer
Motoren verwendet, und es erleichtert die Fertigung solcher Aggregate erheblich,
wenn ein und das selbe Aggregat sowohl als Pumpe beziehungsweise Kompressor als
auch als Motor verwendet werden konnte.
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Es stellt sich daher die Aufgabe, einen Pumpen- oder Kompressortyp
anzugeben, der sich mit nur geringen konstruktiven Änderungen für ein breites Anwendungsgebiet
eignet, dessen Förderrichtung sich durch Änderung der Antriebsrichtung ändern laßt
und der zusätzlich auch als Motor verwendet werden kann.
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Diese Aufgabe wird bei einer selbstansaugenden Pumpe mit scheibenförmigem
Kolben in einem Pumpraum und einer rotierenden Welle für flüssige und gasförmi#e
Medien dadurch gelöst, daß der Pumpraum als Hohlkugel ausgebildet ist, in die sich
gegenüberstehend Kegelstümpfe eingesetzt sind, daß die rotierende Welle zentrisch
in die @egelstümpfe eingesetzt ist und eine Kugel aufweist, die starr mit der rotierenden
Welle verbunden ist, gleitend an den Stirnflächen der Kegelstümpfe anliegt und mit
einer Nut versehen ist, die in einer Ebene angeordnet ist, die gegenüber der Welle
um einen Winkel verschieden von 900 geneigt ist, daB in dieser Nut der scheibenförmige
Kolben konzentrisch und gleitend gelagert ist, dessen Durchmesser dem Durchmesser
des Pumpraums entspricht, daß der scheibenförmige Kolben mit einer radial verlaufenden
Nut versehen ist, die die Seitenflächen einer im oberen Teil des Pumpraums starr
eingesetzten, unten kreisbogenfönnig ausgeschnittenen und bis zu Kugel -herabreichenden
Trennwand gleitend umgreift, daß der Pumpraum oben zu beiden Seiten der @rennwand
mit Offnungen zum Anschluß der 8aug ug- und der Druckleitung versehen ist und daß
die Kegelstümpfe so dimensioniert sind, daß sie far die
Stirnflächen
des scheibenförmigen Kolbens Abrollflächen bilden.
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Es ist günstig, wenn in die radial verlaufende Nut des scheibenförmigen
Kol.-bens eine zylindrische Fihrungsrolle gleitend eingesetzt ist, die zeit einer
parallelen Nut versehen ist deren Seitenwände die Trennwand gleitend umgreifer Dreht
such nun die rotierende Welle, so muß die mit einer Nut versehenen Kugel dieser
Drehbewegung folgen. Der scheibenförmige Kolben kann dieses jedoch nicht, da seine
radiale Nut beziehungsweise die zylindrische Führungsrolle an der Trennwand entlang
gleitet. Als Folge davon führt der scheibenförmige Kolben eine Taumelbewegung aus,
die bewirkt, daß der scheibenförmige Kolben das zu fördernde Medium von der Saugseite
her bis zur Druckseite vor sich her schiebt. Wenn man auf die Stirnfläche der rotierenden
Welle blickt und wenn sich dann die Welle im Uhrzeigersinn dreht, so wird das zu
färdernde Medium am linken Teil des Pumpgehäuses angesaugt und am rechten Tail des
Pumpe gehäuses ausgestoßen. Man kann da@er die Förderrichtung der Pumpe durch einfache
Umkehrung des Drehsinnes ändern.
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Ventile sind nicht erforderlich, da der Außenrand des scheibenformigen
Kolbens am hohlkugelförmigen Teil des Pumpraums entlanggleitet und die Stirnflächen
des Kolbens auf den kegelstumpfförmigen Einsätzen abrollen. Bei flüssigen Medi n
bilden sich an den Gleit- und Abrollflächen zwischen dem scheibenförmigen Kolben
und dem Pumpraum dünne Flüssigkeitsschichten aus, die einmal für eine Schmierung
und zum anderen für eine Abdichtung sorgen, so daß besondere Haß nahmen zur Abdichtung
und zur Schmierung nicht erforderlich sind. Gegebenenfalls kann man den Rand des
scheibenförmigen Kolbens mit einer Labyrinthdichtung oder mit Kolbenringen versehen.
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Die Charakteristik einer erfindungsgemäßen Pumpe, also der Zusamnenhang
zwischen der Fördermenge und dem Förderdruck bei vorgegebener Antriebsleistung und
vorgegebenem Durchmesser des scheibenförmigen Kolbens laßt sich auf eine einfache
Art andern. Man braucht nur die Neigung der Nut in dar Kugel su andern, in der der
scheibenförmige Kolben gleitet. Der Hersteller braucht daher nur Kugeln mit Nuten
unterschiedlicher Neigung und die zugehörigen Kegelstümpfe auf Lager zu halten.
Alle anderen Bestandteile der Pumpe brauchen nicht geändert zu werden. Die Anpassung
an verschiedene Viskositäten ist auf die gleiche Weise möglich.
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Ein weiterer Vorteil einer erfindungsgemäßen Pumpe besteht darin,
daß die Antriebsdrehzahl unkritisch ist. Man kann sie b.ispielsweise mit einer Drehzahl
von 3000 Umdrehungen pro Minute betreiben, was bei Kolbenpumpen nicht mög lich ist.
Man kann daher zum Antrieb einfache und preiswerte ELektroxotere verwenden und Untersetzungsgetriebe
einsparen. Trotzdem ist der Wirkungsgrad einer erfindungsgemäßen Pumpe auch bei
niedrigen Drehzahlen ausreichend gut.
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In der nachfolgenden näheren Erläuterung der Erfindung, insbesondere
in den Figuren, ist hauptsächlich auf die Geometrie und auf die Bewegungsabläufe
abgestellt worden, da der Durchschnittsfachmann mehrere Möglichkeiten finden kann,
diese Geometrie und diese bewegungsabläufe konstruktiv zu verwirklichen.
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Es stellen dar: Figur 1 und 2 die Geometrie des Pumpraumes Figur 3
die Antriebswelle mit Kugel und scheibenförmigem Kolben Figur 4 den scheibenförmigen
Kolben mit zylindrischer Führungsrolle Figur 5 eine perspektivische Ansicht einer
erfindungsgemäßen Pumpe Figur 6 vier verschiedene Kolbenstellungen.
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In den Figuren i und 2 stellt die Kreislinie 1 die Innenwand des hohlkugelforniigen
Pumpraumes dar. Die Sektoren 2 und 3 aus Figur 1 sind kegelstumpf~ förmige Einsätze.
Die Umrisse der oberen und unteren Stirnflächen dieser Einsätze sind in Figur 2
als Eestrichelte Kreislinien 4 und 5 dargestellt.
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Die Bezugsziffer 6 bözeichne t eine Trenm-and, die starr in das Pumpengehäuse
-eingesetzt ist. 7 und 8 stellen Bohrtingen dar, in die eine Welle eingesetzt werden
kann.
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Wie das Pumpgehäuse im einzelnen aufgebaut ist, ist nichtdargesteflt
worden, da es konstruktiv viele Möglichenkeiten gibt, ein Pumpengehäuse aufzubauen,
dessen Pumpraum der Geometrie nach den Figuren 1 und 2 entspricht.
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Die Figur 3 zeigt einen weiteren wesentlichen Bestandteil einer erfindungsgemaßen
Pumpe. Auf einer Welle 10 ist eine Kugel 11 starr befestigt. Die Kugel 1 kann beispielsweise
auf die Welle aufgekeilt sein. Die Kugel 11 ist an ihrem Umfang mit einer Nut 12
versehen, die gegenüber der Achse der Welle 10 um einen Winkel verschieden von 90°
geneigt ist. Es ist günstig, diesen Neigungswinkel nicht kleiner als 600 zu wählen.
In der Nut 12 ist ein scheibenförmiger Kolben 13 gleitend angeordnet, an dessen
Rand Rillen 14 vorgesehen sind, die eine Labyrinthdichtung bilden.
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Auch hier ist es für die Erfindung unerheblich, wie Welle, Kugel und
scheibenförmiger Kolben im einzelnen zusammengesetzt sind. Man kann beispielsweise
den scheibenförmigen Kolben 13 aus einem Stück herstellen. Dann wird man die Kugel
11 zweiteilig ausführen, so daß eine Montage möglich wird. Man kann aber auch die
Kugel einteilig ausführen. Dann wird der scheibenförmige Kolben aus zwei Hälften
zusammengesetzt.
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Aus welchen Materialien die Kugel 11 und der scheibenförmige Kolben
13 herde.
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stellt werden können, um bei ausreichender Verschleiß@estigkeit auch
die erforderlichen Gleiteigenschaften aufzuweisen, ist dem Durchschnittsfachmann
bekannt. Man kann beispielsweise die Kugel 11 aus Stahl herstellen und ihre Oberfläche
nitrieren und den scheibenförmigen Kolben 13 aus Buntmetall her..
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stellen. Auch die Auswahl verschiedener Stahlqualitäten für die Kugel
11 und den Kolben 13 bereitet keine Schwierigkeiten. Ebenso sind zahlreiche Kunst
stoffe geeignet, beispielsweise Teflon, bestimmte Polyolefine, Teflon oder Nylon
6 oder 12.
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Figur 4 zeigt den scheibenförmigen Kolben 13 mit einer zylindrischen
F0hrungsrolle 14, die gleitend in eine Nut 15 mit hohlzylindrisch ausgebildaten
an.-den eingesetzt ist. Diese zylindrische Führungsrolle 14 weist ihrerseits in
Nut 1# mit parallel verlaufenden Seitenwanden auf, in die im zusammengesetzten Zustand
der Pumpe die Trennwand 6 eingreift.
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Der Außenrand 16 des scheibenförmigen Kolbens 13 kann mit Nuten versehen
sein, die eine Iabyrinthdichtung bilden. Er kann aber auch mit Kolbenringen versehen
sein, die nicht dargestellt sind.
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sIn der Figur 5 ist nun schematisch eine perspektivische Ansicht
der orfindungsgemäßen Pumpe von oben mit abgenommenem Saug-- und Druckstutzen dargestellt.
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Die verwendeten Bezugszeichen entsprechen den Bezugszeichen, die
in den Figuren i bis 4 verwendet wurden, so daß es einer näheren Erläuterung nicht
bedarf.
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Insbesondere sind dio folgenden Einzelteile der erfindungsgemäßen
Pumpe dargestellt: Der kugelförmige Pumpraum 1, die kegelstumpfförmigen Einsätze
2 und 3, dio Welle 10. die Kugel 11, der scheibenförmige Kolben 13, die Führungsrolle
14
und die Trennwand 6.
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Der kegelstumpfförmige Einsatz 3 ist mit einer Aussparung 20 versehen
worden, die beim Abrollen des scheibenförmigen Kolbens 13 die Führungsrolle 14 aufnimmt
Im kegelstumpfförmigen Einsatz 2 befindet sich ebenfalls eine solche Aussparung
In der Figur 6 sind die Stellungen des scheibenförmigen Kolbens 13 innerhalb des
Pumpraumes bei Drehwinkeln der Antriebswelle 10 um 0°, 90°, 180° und 270° dargestellt
worden. Nimmt man an, daß in der 0°-Stellung der Kolben 13 eine Lage einnimmt, in
der sich die Führungsrolle 14 in der Aussparung 20 im kegelstumpfförmigen Einsatz
2 befindet, so sicht man, daß in den 90°- und 270°-Stellungen die Führungsrolle
genau in der Mitte der Trennwand 6 angeordnet ist und nur der Rand des scheibenförmigen
Kolbens 13 sichtbar ist. In der 0°- und in der 180°-Stellung blickt man dagegen
schräg auf die jeweiligen Stirnflächen des scheibenförmigen Kolbens 13. -In der
Figur 6 wurde die Hlickrichtung wie in der Figur 5 gawihlt und die jeweiligen Bezug@zeichen
wurden beibehalten.
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Es sei noch einmal betont: Als wesneltich werden Geometrie und Kinematik
der Bewegungsabläufe angesehen, und daher wurde auf die Schilderung konstruktiver
Einzelheiten weitestgehend verzichtet. Der Durchschnittsfachmann ist nämlich in
der Lage, konstruktive Lösungen zu finden, wie die Bewegungsabläufe bei der erfindungsgemäßen
Pumpe realisiert werden können.