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Vorrichtung zur Erzeugung eines gleichförmigen Förderstromes
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines gleichförmigen
Förderstromes mittels mindestens zweier Pumpen mit hin- und hergehendem Verdränger,
beispielsweise Kolben oder Membran, insbesondere zum Zumessen von Flüssigkeiten
zu einem Flüssigkeitsstrom.
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Zum Zumessen von Flüssigkeiten zu einem Flüssigkeitsstrom sind Kolbenmeßpumpen
bekannt, bei denen die hin- und hergehende Bewegung des Kolbens durch die Drehbewegung
einer Kurbel oder einer Exzenterscheibe erzielt wird. Im letzteren Fall wird der
Kolben mittels Federkraft zur Anlage an der Exzenterscheibe gebracht, so daß sich
ein formschlüssiger Antrieb des Kolbens durch die Exzenterscheibe beim Förderhub
und ein kraftbetätigter Antrieb des Kolbens beim Saughub mittels der Feder ergibt.
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Die Fördermenge einer derartigen Kolbenmeßpumpe kann außer durch Verändern
der Antriebsdrehzahl zwischen Null und dem Maximum verandert werden, indem der Kolbenhub
geändert wird. Für den Fall, daß an die Genauigkeit der Kolbenmeßpumpe hohe Anforderungen
gestellt werden, wird die Veränderung der Fördermenge auf einen Bereich zwischen
zehn und hundert Prozent beschränkt, da im Bereich unterhalb von zehn Prozent der
maximalen Fördermenge Ungenauigkeiten unvermeidbar sind.
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Bei Verwendung eines Kurbelantriebes wird der Hub des Kolbens durch
Verstellen des Hebelarmes verändert,wobei ein sinusförmiger Verlauf der Förderung
während einer Umdrehung der Kurbel aufrechterhalten wird. Bei der Verwendung einer
Exzenterscheibe erfolgt die Hubbegrenzung durch verstellbare Anschläge. In diesem
Fall erhält die Kolbenmeßpumpe eine unterbrochene sinusförmige Fördercharakteristik.
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Obwohl derartige Kolbenmeßpumpen neben der Erzeugung eines hohen Förderdruckes
und der Erzielung eines guten Wirkungsgrades den Vorteil besitzen, daß ihre Förderung
im wesentlichen unbeeinflußt von Gegendrücken und vom Fließverhalten des Fördergutes
ist und in der voranstehend beschriebenen Weise durch Andern des Kolbenhubes oder
der Drehzahl bezüglich der Fördermenge verändert werden kann, entstehen bei ihrem
Einsatz in der Praxis häufig dadurch Schwierigkeiten, daß die pulsierende Förderung
einen unerwünschten Druckanstieg in den Förderleitungen zur Folge hat. Insbesondere
bei einer Verwendung der Kolbenmeßpumpen bei der Verarbeitung von Kunststoffen,Sprengstoffen
und in der Chromatographie ist ein Pulsieren des Förderstromes unerwünscht, weil
geringe Fördermengen mit hoher Genauigkeit abgemessen werden müssen.
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Es sind zwei Verfahren bekannt, um derartige Strömungs- und Druckveränderungen
zu unterdrücken, nämlich Pul sations -Dämpfer und Mehrzylinderpumpen. Obwohl Pulsations-Dämpfer
bei gleichbleibenden Bedingungen sehr wirksam sind, eignen sie sich im allgemeinen
nicht zur Erzeugung einer gleichförmigen Fördermenge bei schnell wechselnden Gegendrü¢ken,
zumal sie die Steifheit des gesamten Systems verringern. Die Mehrzylinderpumpen
reduzieren zwar die Amplituden der pulsierenden Förderung, insbesondere wenn drei
oder mehr Zylinder verwendet werden,erfordern Jedoch einen hohen technischen und
finanzien Aufwand.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Erzeugung
eines gleichförmigen Förderstromes mittels mindestens zweier Pumpen mit hin- und
hergehendem Verdränger zu schaffen, die
mit einfachen technischen
Mitteln das Entstehen von Druckstößen ausschließt und eine von Pulsierungen freie
Fördermenge ergibt.
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Die Lösung dieser Aufgabenstellung durch die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß die Verdränger mindestens zweier im Gegentakt arbeitender Pumpen
jeweils durch eine Steuerkurve derart angetrieben sind, daß sich die entgegengesetzten
Bewegungen der Verdränger in einem Anfangsbereich des Förderhubes der einen Pumpe
und in einem Endbereich des Förderhubes der Jeweils anderen Pumpe überschneiden
und daß die hieraus resultierende gleichbleibende Fördermenge beider Pumpen pro
Drehwinkel der Steuerkurven derjenigen Fördermenge entspricht, die pro Drehwinkel
der Steuerkurven von jeder einzelnen Pumpe in einem zwischen den Anfangs- bzw.
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Endbereichen liegenden Förderbereich abgegeben wird.
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Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Steuerkurve ist es möglich,
bereits bei Verwendung zweier Pumpen einen gleichförmigen Förderstrom zu erreichen,
der außerdem-frei von jeglichen Druokstößen ist, so daß mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit einfachem baulichen Aufwand eine hohe Präzision bei der Zumessung
von Flüssigkeiten zu einem Flüssigkeitsstrom erreicht wird, und zwar unabhängig
vom Gegendruck.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Pumpen durch
eine gemeinsame Steuerkurve angetrieben sein. Hierdurch entfällt nicht nur der Aufwand
für die Herstellung derartiger Steuerkurven, sondern auch eine Ausrichtung der Steuerkurven
zueinander.
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Um ein einwandfreies 9hlleßen der Ventile der Pumpen zu ermöglichen,ist
vor und nach dem Saugbereich Jedes Verdrängers ein Ubergangsbereich mit Stillstand
der Verdrängerbewegung eingeschaltet.
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Innerhalb dieser Übergangsbereiche werden die Ventilbewegungen ausgeführt,so
daß insbesondere Drosselvorgänge innerhalb der strömenden Flüssigkeit ausgeschaltet
werden.
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Mit der Erfindung wird schließlich eine Steuerkurve vorgeschlagen,
die einen Anfangsbereich mit progressiv zunehmender Steigung,an- anschließend
einen
Förderbereich mit konstanter Steigung, danach einen Endbereich mit degressiver Steigung
und schließlich einen durch Steigungsfreie Übergangsbereiche eingeschlossenen Saugbereich
mit S-förmig verlaufender negativer Steigung aufweist.
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Auf der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen
Vorrichtung dargestellt, und zwar zeigen: Fig. 1 eine schematische Seitenansicht
zweier durch eine gemeinsame Steuerkurve angetriebener Pumpen, Fig. 2 eine Abwicklung
der Steuerkurve und Fig. 3 ein Förderdiagramm der beiden Pumpen gemäß Fig.l.
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Die schematische Darstellung gemäß Fig.l zeigt zwei Kolbenpumpen 1
und 2, die jeweils aus einem Zylindergehäuse la bzw. 2a, einem Kolben lb bzw. 2b
und einer Kolbenstange 10 bzw. 2c bestehen,welche mittels einer Steuerrolle 1d bzw.
2d auf einer Kurvenscheibe 3 abrollt .Um eine ständige Anlage dieser Steuerrollen
1d und 2d an der Steuerkurve der Kurvenscheibe 3 sicherzustellen, sind die Kolbenstangen
lc bzw. 2c durch auf der Zeichnung nicht dargestellte Federn belastet.
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Anstelle der Kolbenpumpen 1 und 2 könnten ebenso gut Membranpumpen
verwendet werden. In beiden Fällen werden die als Kolben bzw. als Membran ausgebildeten
Verdränger bei ihrem Förderhub formschlüssig, d.h. zwangsläufig von der Kurvenscheibe
3 angetrieben,wogegen der Saughub kraftschlüssig durch die auf der Zeichnung nicht
dargestellten Federn erfolgt. Selbstverständlich ist es außerdem möglich, anstelle
der gezeichneten Kurvenscheibe 3,welche beide Pumpen 1 und 2 antreibt, jede Pumpe
durch eine eigene Steuerkurve anzutreiben. Diese Steuerkurven müssen nicht zwangsläufig
Kurvenscheiben sein,sondern können in anderer Weise ausgebildet werden, beispielsweise
als Kurventrommel. Hierbei ist es möglich, die Steuerrollen ld und 2d formschlüssig
mit der Steuerkurve zu verbinden, so daß auf die Einschaltung von Federn für den
Saughub verzichtet werden kann.
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Die als Kurvenscheibe 3 ausgebildete Steuerkurve umfaßt einen Anfangsbereich
4 mit progressiv zunehmender Steigung,anschliessend einen Förderbereich 5 mit konstanter
Steigung, danach einen Endbereich 6 mit degressiver Steigung und schließlich einen
Saugbereich 8 mit S-fUrmig verlaufender negativer Steigung. Vor und nach diesem
Saugbereich 8 ist jeweils ein steigungsfreier Ubergangsbereich 7 bzw. 9 angeordnet,der
einen Stillstand der Bewegung der Kolben 1b bzw. 2b bewirkt.
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Zur Verdeutlichung der voranstehend beschriebenen Ausbildung der Steuerkurve
zwecks Erzielung der Kolbenbewegungen ist in Fig.2 ein Diagramm gezeichnet,welches
eine Abwicklung der Steuerkurve nach Fig.1 ist und gleichzeitig die Kolbenbewegung
jeder einzelnen Kolbenpumpe 1 bzw. 2 in Abhängigkeit vom Drehwinkel darstellt. Wie
Fig.l erkennen läßt, liegen sich die Kolbenpumpen 1 und 2 gegenüber,so daß sie im
Gegentakt-arbeiten. Der Förderhub jeder Kolbenpumpe 1 bzw. 2 erstreckt sich über
den Anfangsbereich 4, den Förderbereich 5 und den Endbereich 6,die die insgesamt
über einen Umdrehungswinkel von mehr als 1800 verlaufen, so daß sich der Anfangsbereich
4 der einen Kolbenpumpe 1 bzw. 2 mit dem Endbereich 6 der anderen Kolbenpumpe 2
bzw. 1 überschneidet.
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Das Förderdiagramm nach Fig.3 zeigt in diesem Zusammenhang, daß die
schraffierte Fördermenge beider Kolbenpumpen 1 und 2 über den gesamten Drehwinkel
von 3600 konstant bleibt. Dies wird dadurch erreicht, daß die Addition der Fördermengen
der Kolbenpumpe 1 im Anfangsbereich 4 und der Kolbenpumpe 2 im Endbereich 6 derjenigen
Fördermenge entspricht, die jede einzelne Kolbenpwnpe 1 bzw. 2 im Förderbereich
5 liefert. Während die eine Kolbenpumpe 1 bzw. 2 diesen Förderbereich 5 durchläuft,
saugt die jeweils andere Kolbenpumpe 2 bzw. 1 an,wobei dieser Saugbereich 8 durch
Jeweils einen Übergangsbereich 7 bzw. 9 eingeschlossen wird, in welchem sich keine
Bewegung der Kolben 1b bzw. 2b einstellt. Dieser Stillstand dient dazu, die Ventile
der Pumpen zu steuern und hierbei Drosselvorgänge zu vermeiden, die sich durch eine
Ventilbewegung während
des Förder- bzw. Saughubes ergeben würden.
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In Fig.3 sind die Bereiche 4 bis 9 für jede Kolbenpumpe 1 bzw. 2 eingezeichnet
und zu diesem Zweck mit einem entsprechenden Index versehen,der auf die jeweilige
Kolbenpumpe 1 bzw. 2 hinweist. Das Diagramm in Fig.3 läßt erkennen, daß durch die
Verwendung der in Fig.1 dargestellten Kurvenscheibe 3 mittels der beiden Kolbenpumpen
1 und 2 eine über den vollen Drehwinkel konstante Förderung erreicht wird, die nicht
nur Schwankungen der Fördermenge Uber eine volle Umdrehung vermeidet,sondern das
Entstehen Jeglicher Druckstöße ausschließt.
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Obwohl normalerweise zwei Pumpen ausreichen, um einen gleichmässigen
Förderstrom zu erMzeugen,kann es vorteilhaft sein,drei oder mehr Pumpen zu verwenden.
Beim Einsatz von zwei Pumpen umfa*¢ der Saughub einen unterhalb 1800 liegenden Teilbereich
des Kurbelwinkels.
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Das reicht zwar für die Förderung normaler Flüssigkeiten aus,kann
jedoch bei hochviskosen Flüssigkeiten zu Schwierigkeiten fUhren.Diese Schwierigkeiten
beim Ansaugen von Flüssigkeiten mit schlechten Fließeigenschaften werden auf einfache
Weise durch die Verwendung von drei oder mehr Pumpen ausgeschaltet,da sich in diesem
Fall der Förderbereich jeder einzelnen Pumpe,die zusammen einen gleichförmigen Förderstrom
erzeugen, entsprechend deren kleinerem Anteil an der Gesamtförderung pro Kurbelumdrehung
nur über einen geringeren Winkelbereich erstreckt,so daß für den Saughub jeder einzelnen
Pumpe ein erheblich größerer Drehwinkelbereich zur Verfügung steht.
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Hierdurch ist es möglich, aueh schwierig anzusaugende hochviskose
Flüssigkeiten sicher und gleichförmig in jede einzelne Pumpe einzusaugen und auf
diese Weise die gleichförmige Förderung sicherzustellen.