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Verdrängermaschine mit einem oszillierenden, durch einen Elektromotor
angetriebenen Verdränger Oszillierende Verdränger werden meist Uber Kurbelgetriebe
angetrieben, was die bekannten Nachteile hohen mechanischen Aufwands, periodisch
stark
veränderlicher Fördermenge und bei konstanter Antriebsdrehzahl
schwerer Regelbarkeit mit sich bringt. Die Erfindung sucht nach einem Antrieb für
Verdränger maschinen mit einem oszillierenden, durch einen Elektromotor angetriebenen
Verdränger, der diese Nachteile nicht aufweist oder wenigstens mildert.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß als Antriebsmotor ein
elektrischer Linearmotor verwendet wird. Da bei Verwendung eines solchen Motors
die Umwandlung einer Kreisbewegung in eine Linearbewegung entfällt, bewegt ein solcher
Motor den angetriebenen Verdränger während des größten Teils des Hubes mit nahezu
konstanter Geschwindigkeit. Dies gilt nicht nur für Pumpen, bei denen der Förderwiderstand
während des Hubs konstant bleibt, sondern auch bei Verdichtern, bei denen der Verdrängungswiderstand
während des Hubs zunimmt, da bei asynchronen Linearmotoren der Schub ähnlich drehender
Asynchronmotoren mit zunehmendem Schlupf stark zunimmt.
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Es liegt auf der Hand, daß der Wegfall der die Drehbewegung in eine
lineare Bewegung umwandelnden kinematischen
Glieder eine wesentliche
konstruktive Vereinfachung der Maschine und eine beachtliche Reduzierung der Zahl
der bewegten Teile mit sich-bringen kann. Dies ist zumal für solche Anwendungsfälle
bedeutsam, die eine extrem hohe Lebenserwartung und Wartungsfreiheit erfordern,
wie beispielsweise Reaktorpumpen oder Chemiepumpen. Dies gilt vor allem dann, wenn
der Verdränger unmittelbar mit dem Läufer des Linearmotors verbunden ist oder gar
beide Teile zu einem Teil vereinigt sind.
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Schließlich eröffnet die Verwendung des Linearmotors für Verdrängermaschinen
ausgezeichnete Regelmöglichkeiten. Die Geschwindigkeit kann durch Polumschaltung
in wesentlich weiteren Grenzen und feiner abgestuft geregelt werden als bei drehenden
Asynchronmotoren, da die gesamte Polzahl nicht durch die Polgruppenzahl und die
Dauer der Phasen teilbar sein muß. Lediglich die Teilung der Statorpole setzt gewisse
Grenzen.
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jedoch kann die Teilung sehr fein ausgeführt werden, so daß auch geringe
Arbeitsgeschwindigkeiten möglich werden.
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Für die Steuerung der Bewegungsumkehr des Läufers
stehen
verschiedene, teils bekannte Möglichkeiten zur Verfügung. Die einfachste besteht
in der Anordnung von Endschaltern, die steuerungsmäßig auf den Stator wirken. Auch
die elektromagnetische Xückwirkung des Läufers auf die Statorwicklungen kann zur
Feststellung der Läuferlage und damit für die Gewinnung eines Umkehrsignals für
die Statorsteuerung genutzt werden.
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Ferner kann die Umsteuerung zeitabhängig sein, indem beispielsweise
die Einschaltung des einem Bewegungstakt folgenden, umgekehrten Takts durch einen
Zeitgeber gesteuert wird, dessen Frequenz einstellbar sein kann. Ist das Zeitintervall
zwischen zwei Umschaltsignalen des Taktgebers kleiner als die Laufzeit des Läufers
zwischen seinen entgegengesetzten Endlagen, so ergibt sich eine verringerte Laufstrecke;
ist sie größer, so ergeben sich Stillstandszeiten in den Endlagen.
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Auch bei Verwendung einer lageabhängigen Steuerung kann iie Lage der
Umkehrpunkte des Läufers verstellbar gestaltet werden, indem beispielsweise axial
verstellbare Endschalter verwendet werden. Dabei ist es im Prinzip gleichgültig,
ob mechanisch oder berührungslos (beispielsweise induktiv) betätigteEndschalter
verwendet
werden. Bevorzugt werden berührungslos betätigte Endschalter, da sie eine sicherere
Funktion versprechen.
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Bei vorgegebener Hubzahl oder Hubfrequenz kann die Verstellung der
Umkehrpunkte des Linearmotors auch zur Veränderung der Fördermenge benutzt werden.
Perner kann die Fördermenge durch Prequenzveränderung oder Feldstärkenveränderung
beeinflußt werden. Die dafür zur Verfügung stehenden elektrotechnischen Mittel sind
dem Fachmann bekannt.
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Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist
der Läufer innerhalb des Maschinenzylinders oder eines damit verbundenen Zylinders
enthalten.
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Dies eröffnet die Möglichkeit stopfbuchsloser Maschinen, die sich
vorzüglich zur Förderung radioaktiver, giftiger oder besonders wertvoller Medien
eignen. Dabei kann eine weitgehende konstruktive Vereinigung des Läufers und des
Verdrängers stattfinden, wobei im Extremfall der Läufer selbst den Verdränger bildet.
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In jedem Fall ist es zweckmäßig, die Verdrängermaschine
doppelt
wirkend auszubilden, damit der Linearmotor in beiden Bewegungsrichtungen Arbeit
leistet und somit doppelt genutzt wird. Dies gilt in besonderem L'ße für diejenigen
Ausführungen, bei denen Läufer der und/Verdränger weitgehend vereir gt sind, da
der kons-truktive Aufwand für die Ummantelung des Läufers innerhalb der Antriebsmaschine
durch einen Zylinder bei einfach und doppelt wirkenden Maschinen im .æsentlichen
derselbe ist.
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Die weitgehend lineare Arbeitscharakteristik der erfindungsgemäß angetriebenen
Verdrängermaschinen ermöglicht eine weitgehend pulsationsfreie Pörderung selbst
dann, wenn nur zwei Zylinder kombiniert werden (beispielsdie weise bei doppelt wirkenden
Maschinen). Wenn auch/geringfügige Förderunterbrechung im Zeitpunkt der Umsteuerung
der Maschine vermieden werden soll, ist es möglich, je paarweise von gesonderten
Linearmotoren angetriebene Verdränger steuerungsmäßig in der Weise zu koppeln, daß
der eine Verdränger den Hub in dem Augenblick beginnt, in dem der andere seine Hubgeschwindigkeit
verzögert.Die steuerungsmäßige Abhängigkeit kann leicht dadurch verwirklicht werden,
daß der Einschaltimpuls
für jeden Motor von einem am anderen Motor
bzw. Verdränger vorgesehenen Geber gegeben wird. Dieser Geber kann leicht experimentell
so justiert werden, daß sich die nicht linearen End-und Anfangsbereiche der Förderkurven
beider Masehinen einander ausgleichend überdecken.
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Nach der Erfindung können Gruppenanordnungen mehrerer, durch Linearmotoren
angetriebener Verdrängermaschinen auch zur Erzeugung eines regelbaren Förderstroms
benutzt werden. Demgemäß können die Antriebe zweier Verdränger, deren Verdrängerräume
miteinander verbunden sind, mit einer Steuerungseinrichtung versehen sein, die ihnen
eine frequenzgleiche aber verstellbar phasenverschobene Bewegung erteilt. Arbeiten
die beiden Verdränger mit einer Phasenverschiebung von 1800, so ist ihre Verdrängungsbewegung
in jedem Augenblick entgegengesetzt, so daß ihre Förderströme sich gegenseitig zum
Gesamtstrom Null. aufheben. Weicht die Phasenverschiebung jedoch von 1800 ab, so
ergeben sich für die beiden Verdränger auch stets Phasenabschnitte gleichgerichteter
Bewegung, deren Größe von der Phasenverschiebung abhängt. Bei der Phasenverschiebung
Null wird maximale Fördermenge erreicht.
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werner kann bei Anordnung einer Mehrzahl von frequeiizgleich angetriebenen
Verdrängern die Fördermenge dadurch geregelt werden, daß einer dieser Verdränger
mit einem verstellbaren Hub versehen ist. Arbeiten die Verdränger mit 1800 Phasenverschiebung,
so heben sich ihre Verdrängungsvolumina bei gleichem Hub auf.
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Wird der Hub des einen Verdrängers verringert, so läßt sich die Fördermenge
bis auf den dem Hubvolumen des unverändert arbeitenden Verdrängers steigern. Arbeiten
die Verdränger phasengleich, so läßt sich eine Regelung zwischen dem dem Hubvolumen
eines Verdrängers und dem dem Hubvolumen beider Verdränger entsprechenden Förderstrom
erhalten.
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Schließlich können zur Veränderung der Fördermenge bekannte kinematische
Vorrichtungen Verwendung finden..
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Wegen der leichten und genauen Veränderbarkeit der Fördermenge läßt
sich die erfindungsgemäße Verdrängermaschine mit Vorteil als Dosierpumpe verwenden.
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Die Erfindung wird im folgenden näher unter Bezugnahme auf die Zeichnung
erläutert, die vorteilhafte Ausführungsbeaipiele
schematisch dargestellt.
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Es zeigen: 'ig. 1 eine einzylindrige, doppelt wirkende Maschine mit
mechanischer Hubverstellung, b'ig. 2 die zugehörige Fördercharakteristik, Fig. 3
eine zweizylindrige Maschine mit zwischen den Zylindern angeordnetem Motor, Fig.
4 eine Maschine mit vereinigtem Läufer und Verdränger, Fig. 5 eine Kombination zweier
Maschinen mit verbundenen Verdrängerräumen und Fig. 6 unterschiedliche Fördercharakteristiken
bis '- 9 einer Maschinenanordnu-ng gemäß Fig. 5.
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Der Kolben-Zylinder-Teil 1 der in Fig. 1 dargestellten Maschine mag
konventioneller Natur sein. Die Kolbenstange 2 ist über einen zweiarmigen Hebel
3 mit dem Ende des Läufers 4 des Linearmotors 5 verbunden, der gemäß Pfeil 6 hin-
und hergehend gesteuert ist. Der Gelenkpunkt 7 des Doppelhebels 3 ist in einem Kulissenstein
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in einer Kulisse 9 gelagert. Verstellung des Steins 8 in Richtung des Pfeils 10
verändert das Hebelverhältnis am Doppelhebel 3 und damit den Hub der Kolbenstange
2 bei gegebenem Hub des Läufers 4 des Linearmotors 5.
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Fig. 2 zeigt die Fördercharakteristik der Maschine gemäß Fig. 1 bei
zwei unterschiedlichen Hubeinstellungels. Man erkennt den im wesentlichen linearen
Verlauf del Fördermenge V1 bzw. V2 über die Zeit t bei inkompressiblem Fördermedium,
wobei durchgezogene Linie die Charakteristik der einen und gestrichelte Linie die
der anderen Zylinderseite zeigt.
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Fig. 3 stellt eine Maschine mit zwei Zylindern 11, 12 dar, zwischen
denen der Linearmotor 13 angeordnet ist, dessen Läufer mit den Kolbenstangen 14,
15 unmittelbar verbunden ist und in einem Rohr 16 enthalten ist, das mit den Zylindern
11, 12 dicht verbunden ist und die Kolbenstangen 14 sowie den Läufer des Motors
13 von der Umgebung trennt. Stopfbuchaen sind nicht erforderlich, wenngleich Dichtungsorgane
zur Trennung der von dem Rohr 16 verbundenen Kolbenräume im Falle erheblichen Spiels
zwischen diesem Rohr und den Kolbenstangen
beziehungsweise dem
Läufer in manchen Fällen zweckmäßig sein mag. Selbstverständlich kann die Anordnung
gemäß Fig. 3 aber auch ohne geschlossene Verbindung zwischen Zylindern und Motor
ausgeführt werden, wenn die Zylinder mit Stopfbuchsen versehen sind.
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An den Zylindern 11 und 12 sind Geber 17, 18 zur Feststellung der
Endlage der Kolben vorgesehen, die an eine geeignete elektronische Steuerungseinrichtung
Umsteuerungsimpulse für den Linearmotor 13 erteilen.
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Es kann vorgesehen sein, daß diese Geber in Längsrichtung der Maschine
zur Verstellung des Hubs verschiebbar sind.
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Fig. 4 veranschaulicht eine Maschine, bei der Verdränger und Läufer
zu einer Stange 19 vereinigt sind, die in einem Zylinderrohr 20 verschiebbar ist.
Das Zylinderrohr 20 bildet jenseits der Enden der Stange 19 Zylinderräume 21, 22,
die in üblicher Weise mit Zu-und Ableitungen für das zu fördernde Medium versehen
sind. Es sind durch Pfeile 23 und 24 angedeutete Geber zur Bestimmung der Endlage
der Stange 19 vorgesehen, die über eine elektronische Steuerungseinrichtung
die
Umsteuerung des Linearmotors 25 bewirken.
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Wie im Falle der Fig. 3 umschließt das Zylinderrohr 20 den Läufer
19 auch im Bereich des Motors 25, so daß dieser stopfbuchÇos völlig eingeschlossen
ist.
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Fig. 5 zeigt eine Doppelanordnung, bestehend aus zwei Linearmotoren
30 mit je zwei Verdrängern 31 bzw.
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32, die in Verdrängerräumen 33 bzw. 34 arbeiten. Je ein Verdrängerraum
33 ist mit einem Verdrängerraum 34 frei verbunden. Die Saug- und Druckleitungen
münden an diesen Verdrängerräumen über die üblichen Ventile.
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Für die Linearmotoren 30 ist eine nicht dargestellte elektrische Steuerungseinrichtung
vorgesehen, die für beide Motoren gleiche Arbeitsfrequenz gewährleistet.
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In einer ersten Ausführungsform ist die Steuerungseinrichtung ferner
so ausgebildet, daß die Phasenlage der Arbeitsbewegungen der beiden Maschinen gegeneinander
veränderbar ist. Dadurch die die gesamte Fördermenge zwischen Null (1800 Phasenverschiebung)
und einem durch die Hubvolumina der beiden Maschinen gegebenen maximalen Förderstrom
(00 Phasenverschiebung) veränderbar.
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ig. t, zeigt ein Beispiel eines Arbeitsdiagramms, in welchem die Verdrängergeschwindigkeit
über der neit aufgetragen ist. Die gestrichelte Linie 35 gibt die Bewegung des Verdrängers
31, die Kurve 36 die Bewegung des Verdrängers 32 wieder. Die Phasenverschiebung
liegt in der Größenordnung von 60°.
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Es ergibt sich als Addition der beiden Kurven die fördermenge 37.
Nur im Bereich 38 heben sich die Förderbewegungen der beiden Verdränger nicht auf,
so daß sich als Fördervolumen die schraffiert dargestellte Fläche ergibt.
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Fig. 7 veranschaulicht den Fall der Fördermenge Null, trend zwar sowohl
für jede erläuterte Anordnung als auch für ein solches Ausführungsbeispiel, bei
dem die elektrische Steuereinrichtung so ausgestaltet ist, daß die Maschinenbewegungen
stets entweder phasengleich oder phasenentgegengesetzt verlaufen, wobei die Hublänge
der einen Maschine zwischen Null und dem Maximum veränderbar ist. Wird bei gegenphasiger
Bewegung der beiden Maschinen die Hublänge der dem Diagramm einen Maschine verringert,
wie dies in/der Fig. 8 dargestellt ist, so hebt sich die Verdrängerbewegungen
der
beiden Maschinen nur teilweise gegenseitig auf.
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Es ergibt sich das schraffiert angedeutete Fördervolumen. Schaltet
man die beiden Maschinen auf phasengleiche Bewegung um, so ergibt sich die in Fig.
9 dalgestellte Charakteristik, bei der die durchgezogen gezeichnete Linie die gesamte
Fördermenge anzeigt, die sich als Summierung der Verdrängergeschwindigkeiten der
beiden Maschinen ergibt.