DE4138174C2 - Kolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe zur Förderung eines Fluids mit einem in einem Pumpengehäuse angeordneten Zylinder, in dem ein Kolben in Längsrichtung verschiebbar ist, wobei ein Ende des Zylinders einer Druckseite und das andere Ende des Zylinders einer Saugseite der Kolbenpumpe zugeordnet ist, der Zylinder in Längsrichtung gegen das Pumpengehäuse abgestützt ist und mit einer vorgespannten Feder in Richtung zur Abstützung belastet ist, und die Druckseite gegen die Saugseite abgedichtet ist.

Bisher wird bei Kolbenpumpen der Zylinder üblicherweise mit einem Flansch am Pumpengehäuse zur Aufnahme der beim Betrieb der Kolbenpumpe auftretenden Reaktionskräfte festgeschraubt. Die Flanschung bewirkt einen großen Gehäusedurchmesser, was hohe Material- und Lohnkosten zur Folge hat. Beim Einsatz im Tieftemperaturbereich kommt noch hinzu, daß das Abkühlen der großen Massen erhebliche Zeit in Anspruch nimmt und durch Verdampfen von Förderflüssigkeit erhebliche Kosten für den Betreiber entstehen.

Aus der US 4 775 303 ist eine Kolbenpumpe bekannt, die aus einem Metallzylinder besteht, der aus einem oberen und einem unteren Teil zusammengesetzt ist. Die beiden Zylinderteile sind mittels einer Befestigung mit dem Pumpengehäuse verschraubt. In den Metallzylinder ist eine zylinderische Hülse hineingesteckt, die mittels eine Feder auf am gegenüberliegenden Ende der Hülse angeordnete Packungen gedrückt wird. Die Vorspannung der Feder kann mittels eines Schraubkopfes verändert werden. Bei dieser Kolbenpumpe erfolgt eine dynamische Abdichtung zwischen Saug- und Druckseite, wobei eine Relativbewegung zwischen den Dichtungselementen und dem Kolben gegeben ist.

Die DE 90 06 558 U1 betrifft eine Kolbenpumpe, bei der der Zylinder in Längsrichtung gegen das Pumpengehäuse abgestützt ist und mit einer vorgespannten Feder in Richtung zur Abstützung belastet ist. Dabei ist eine oszillierende Abdichtung zwischen Saugseite und Druckseite der Kolbenpumpe mit ständigem Wechsel zwischen Saug- und Druckseite vorgesehen, an der eine hydraulisch wirksame Fläche, eine Gleitbuchse, ein Einsatzkörper und eine Dichtungshülse beteiligt sind. Beim Förderhub des Kolbens lastet der Arbeitsdruck des Fördermediums auf der hydraulisch wirksamen Fläche, so daß die Gleitbuchse mit einer hierdurch erzeugten Kraft auf die Stoßfläche des Einsatzkörpers gepreßt wird.

Diese oszillierenden oder dynamischen Methoden der Abdichtung sind nicht nur technisch aufwendig, sondern auch mit einem hohen Verschleiß der Dichtungselemente verbunden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kolbenpumpe der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß sie auch bei hoher thermischer und mechanischer Beanspruchung verschleißfest ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen Zylindermantel und Pumpengehäuse mindestens ein Distanzelement zum Zentrieren des Zylinders und eine Lippendichtung zum Abdichten der Druckseite gegen die Saugseite ausgeordnet sind.

Bei herkömmlichen Kolbenpumpen sorgt die Flanschung des Zylinders am Pumpengehäuse für eine Trennung von Druck- und Saugseite der Kolbenpumpe. Da bei der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe keine Flanschung vorgesehen ist, müssen Druck- und Saugseite auf andere Weise voneinander getrennt werden. Dies wird durch eine Abdichtung erreicht, die zwischen dem Zylindermantel und dem Pumpengehäuse vorgesehen ist. Vorteilhafterweise ist zu diesem Zweck eine Lippendichtung aus PTFE zwischen dem Zylindermantel und dem Pumpengehäuse, bevorzugt im Bereich des Distanzelementes, angeordnet.

Zweckmäßigerweise ist der Zylinder einfach mit einem Ende in das Pumpengehäuse gesteckt, so daß dieses Ende am Pumpengehäuse aufliegt. Am anderen Ende ist vorzugsweise eine Tellerfeder angeordnet, die den Zylinder in Längsrichtung belastet, so daß der Zylinder mit dem gegenüberliegenden Ende gegen das Pumpengehäuse gedrückt wird.

Dabei ist die Federkraft so dimensioniert, daß beim Betrieb der Kolbenpumpe auf den Zylinder wirkende Reaktionskräfte mit Sicherheit aufgegangen werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Zylinderinnenraum durch den Kolben in eine Hochdruck- und eine Niederdruckkammer unterteilt ist. Der Kolbenkopf weist ein federbelastetes Saugventil auf, über das in der Niederdruckkammer vorkomprimiertes Fluid in die Hochdruckkammer gelangen kann. In der Hochdruckkammer ist ein federbelastetes Druckventil angeordnet, über das das auf Betriebsdruck gebrachte Fluid an etwaige Verbraucher abgegeben werden kann. Die Federkraft der den Zylinder in Längsrichtung haltenden Feder ist nun so dimensioniert, daß die Kolbenreibung und der Öffnungswiderstand des Druckventils aufgefangen werden.

Darüber hinaus weist der vom Saugventil aus gesehen hinter dem Druckventil angeordnete Teil der Hochdruckkammer bevorzugt einen gleich großen oder einen größeren Durchmesser auf als der Kolben. Dies bewirkt, daß der Zylinder mit einer größeren Kraft in Längsrichtung gegen das Pumpengehäuse gedrückt wird, als er durch den Druckhub des Kolbens entlastet wird. Dadurch wird erreicht, daß der Zylinder unabhängig vom Förderdruck stets in seiner vorgegebenen Position verbleibt.

Da mit der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe auf eine Flanschung verzichtet werden kann, können insbesondere bei größeren Pumpen erhebliche Lohn- und Materialkosten gespart werden. Montage und Demontage der Pumpe werden vereinfacht, da durch Einsetzen bzw. Entfernen der Feder der Zylinder leicht ein- bzw. ausgebaut werden kann. Aufgrund der geringen erforderlichen Massen für die Fixierung des Zylinders und der kleinen Kontaktflächen zwischen Zylinder und Pumpengehäuse nimmt das Abkühlen der Pumpe beim Einsatz im Tieftemperaturbereich sehr viel weniger Zeit in Anspruch als bei herkömmlichen Pumpen. Auch verdampft aufgrund des niedrigeren Wärmeeinfalls weniger Förderflüssigkeit, so daß die Kosten für den Betreiber deutlich gesenkt werden können.

Mit der Erfindung ist es gelungen, eine äußerst kompakte Kolbenpumpe bereitzustellen, die auch bei großen Kolbendurchmessern mit einem geringen Gehäusedurchmesser auskommt. Durch Integration des Druckventils im Hochdruckbereich des Zylinders wird die kompakte Bauweise der Kolbenpumpe noch unterstützt. Außerdem kann noch ein Filter platzsparend zwischen Pumpengehäuse und Zylinderwand zur Vorreinigung des zu fördernden Fluids installiert werden.

Die erfindungsgemäße Kolbenpumpe eignet sich zum Fördern von Fluiden aller Art wie z. B. Öl, Treibstoff, Heißgas, Kaltgas oder Flüssiggas. Ganz besonders kann die Kolbenpumpe ihre Vorzüge beim Fördern von tiefkalt verflüssigten Gasen wie Helium, Stickstoff, Sauerstoff oder Wasserstoff ausspielen. Hier machen sich die geringen Kälteverluste und die kompakte Bauweise der erfindungsgemäßen Kolbenpumpe besonders positiv bemerkbar.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden:

Die Figur zeigt eine zweistufige Tieftemperaturpumpe im Längsschnitt.

Der Zylinder 2 ist in das Pumpengehäuse 1 so hineingesteckt, daß eines seiner Enden mittels Auflageflächen 3 am Pumpengehäuse 1 anliegt. Am anderen Ende des Zylinders 2 ist eine vorgespannte Tellerfeder 4 angeordnet. Sie stützt sich über Kappenhalterungen 6 an einer auf das Pumpengehäuse 1 aufgesetzten Gehäusekappe 5 ab und belastet den Zylinder 2 in Längsrichtung. Dadurch wird der Zylinder mit den Auflageflächen 3 an das Pumpengehäuse 1 gedrückt und in Längsrichtung gehalten. Über einen zwischen Zylinder 2 und Pumpengehäuse 1 angeordneten Distanzring 7 wird der Zylinder im Bereich der Gehäusekappe 5 zentriert.

Im Zylinder 2 ist ein Kolben 8 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Am Kolben 8 ist eine Kolbenstange 9 zum Antrieb des Kolbens 8 angebracht. Der Kolben 8 unterteilt den Zylinderinnenraum in eine Niederdruckkammer 10 und eine Hochdruckkammer 11.

Die Hochdruckkammer 11, die der Druckseite 11 der Kolbenpumpe zugeordnet ist, wird durch eine zwischen dem Zylindermantel 2 und dem Pumpengehäuse 1 angeordnete Lippendichtung 26 aus PTFE gegen die Saugseite 1, d. h. gegen das beispielsweise von einem Vorratsbehälter über Zuleitung 17 kommende, zu pumpende Fluid, abgedichtet. Am Kolbenkopf ist ein federbelastetes Saugventil 12 angebracht, über das in einem Laderaum 19 vorkomprimiertes Fluid in die Hochdruckkammer 11 gelangt. In der Hochdruckkammer 11 ist ein federbelastetes Druckventil 13 angeordnet, über das das auf Betriebsdruck gebrachte Fluid an eine Ableitung 14 abgegeben wird.

Die Abdichtung des Kolbens 8 im Zylinder 2 bewirken gut dicht schließende Kolbenringe 15 aus einer verschleißfesten PTFE-Mischung. Aus dem gleichen Material sind Führungsringe 25, welche den Kolben zentrieren. Der Zylinder 2 ist aus rostbeständigem Stahl, die Lauffläche ist hart und feinstbearbeitet.

Die Druckhalteventile 13 und 12 sind federbelastet, Kolben 8 und Kolbenstange 9 sind verschraubt. Die Abdichtung dieser Kolbenstange 9, deren Oberfläche hart und feinstbearbeitet ist, wird von mehreren besonders geformten Hutmanschetten 16 aus einer PTFE-Mischung übernommen. Zur Verbesserung der Dichtwirkung wird über den konischen Teil der Hutmanschetten 16 ein geschlitzter Spannring aus dem gleichen Material mit einer Wurmfeder gelegt.

Die Funktionsweise der Kolbenpumpe ist folgende:
Das Fördermedium fließt durch einen unteren horizontalen Rohranschluß 17 über das Filter 18 in einen Saugraum 27 sowie einen Laderaum 19 und kühlt die Pumpe ab. Das dabei anfallende Gas entweicht durch einen senkrechten Rohrstutzen 20. Nach ausreichender Vorkühlung der Pumpe, was bei der geringen Masse in kurzer Zeit der Fall ist, kann sie in Betrieb genommen werden.

Aufgrund der Kolbenbewegung strömt das Fluid durch einen mit einer Feder 21 belasteten Ventilplatte 22 versehenen Ladekörper 23 in den Laderaum 19. Bei Hubumkehr wird das Fluid durch Kolbenbohrungen 24 über das federbelastete Saugventil 12 in die Hochdruckkammer 11 gefördert.

Die Durchmesser von Ladekörper 23 und Laderaum 19 sind so bemessen, daß sich bei diesem Vorgang ein der Hubzahl entsprechender Ladedruck einstellt, d. h. bei niedriger Hubzahl ist der Druckabfall im Spalt zwischen Laderaum 19 und Ladekörper 23 kleiner als bei hoher Hubzahl.

Das in der Hochdruckkammer 11 auf Betriebsdruck komprimierte Fluid öffnet das Druckventil 13 und gelangt über die Ableitung 14 zu einem etwaigen Verbraucher.

Claims (6)

1. Kolbenpumpe zur Förderung eines Fluids mit einem in einem Pumpengehäuse (1) angeordneten Zylinder (2), in dem ein Kolben (8) in Längsrichtung verschiebbar ist, wobei ein Ende des Zylinders (2) einer Druckseite (11) und das andere Ende des Zylinders (2) einer Saugseite (1) der Kolbenpumpe zugeordnet ist, der Zylinder (2) in Längsrichtung gegen das Pumpengehäuse (1) abgestützt ist und mit einer vorgespannten Feder (4) in Richtung zur Abstützung (3) belastet ist, und die Druckseite (11) gegen die Saugseite (1) abgedichtet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Zylindermantel (2) und Pumpengehäuse (1) mindestens ein Distanzelement (7) zum Zentrieren des Zylinders (2) und eine Lippendichtung (26) zum Abdichten der Druckseite (11) gegen die Saugseite (1) angeordnet sind.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lippendichtung (26) aus PTFE gefertigt ist.

3. Kolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (2) mit einem Ende in das Pumpengehäuse (1) gesteckt ist und am anderen Ende eine vorgespannte Tellerfeder (4) angeordnet ist, die den Zylinder (2) in Längsrichtung belastet.

4. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Federkraft der Feder (4) so dimensioniert ist, daß beim Betrieb der Kolbenpumpe auf den Zylinder (2) wirkende Reaktionskräfte aufgefangen werden.

5. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderinnenraum durch den Kolben (8) in eine Hochdruckkammer (11) und eine Niederdruckkammer (10) unterteilt ist, wobei der Kolbenkopf ein federbelastetes Saugventil (12) aufweist und in der Hochdruckkammer (11) ein federbelastetes Druckventil (13) angeordnet ist, und daß die Federkraft der Feder (4) so dimensioniert ist, daß die Kolbenreibung und der Öffnungswiderstand des Druckventils (13) aufgefangen werden.

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Saugventil (12) aus gesehen hinter dem Druckventil (13) angeordnete Teil der Hochdruckkammer (11) einen gleich großen oder einen größeren Durchmesser aufweist als der Kolben (8).