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Hochdruck-Kolbenpumpe zur Förderung verflüssigter Gase Bei der Förderung
verflüssigter Gase, beispielsweise in Luft- und Gaszerlegungsanlagen, wird ein möglichst
geringer Druckverlust in der Pumpe und eine stufenlose Regelung innerhalb weiter
Grenzen verlangt. Da das zu fördernde Flüssiggas im allgemeinen nur wenig unterkühlt
ist, würde sich bei größerem Druckverlust Dampf bilden, der die Förderleistung beeinträchtigen
würde. Die zweite Forderung nach einer stufenlosen Regelung ergibt sich aus den
stark veränderlichen Betriebsbedingungen. Bisher hat man bei Kolbenpumpen für verflüssigte
Gase einen geringen Druckverlust durch niedrige Hubzahl, also auf Kosten der Förderleistung,
zu erreichen gesucht. Zur stufenlosen Regelung wandte man Antriebsmaschinen mit
veränderlicher Drehzahl, Drehzahlwandler zwischen Motor und Pumpe oder füllungsregelnde
Einbauten innerhalb der Pumpe an. Die genannten Mittel sind aber entweder umständlich
und teuer oder aber den Anforderungen bei den tiefen Temperaturen nicht gewachsen.
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Diese Nachteile werden nach der Erfindung durch eine Hochdruck-Kolbenpumpe
überwunden, die hydraulisch angetrieben und durch besondere Regelorgane derart gesteuert
wird, daß die Druckhubdauer auf mindestens den dritten Teil der Saughubdauer verkürzt
wird.- Unter Beibehaltung der seither üblichen Saughubdauer und unter sonst gleichen
Umständen wird daher die Förderleistung durch diese Maßnahme allein um mindestens
ein Drittel erhöht. Weitere technische Vorteile ergeben sich durch die besondere
Ausbildung des hydraulischen Antriebs und der Regelorgane, die im folgenden an Hand
der Zeichnung näher beschrieben werden sollen.
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Die Fig. t zeigt einen Längsschnitt durch den hydraulischen Antrieb
und die Pumpe, der aus zwei im rechten Winkel zueinander geführten Teilschnitten
besteht,
die in der Kolbenachse zusammenstoßen. Der obere Teil der Zeichnung gibt den Schnitt
durch den hydraulischen Antrieb, der untere Teil den Schnitt durch die eigentliche
Pumpe wieder. In einem Zylinder i bewegt sich der Kolben 2 mit der Kolbenstange
3, die den Pumpenkolben 4 antreibt und durch den Schieber 5 gesteuert wird. Der
Zylinder i ist von einem Raum 6 umgeben, in den das Antriebsmittel, Wasser oder
Öl, mittels einer nicht dargestellten Zahnradpumpe durch das Rohr 7 gedrückt wird.
Die Zeichnung gibt die Stellung der Kolben und Regelorgane zu Beginn des Saughubs
wieder. Aus dem Raum 6 tritt das Antriebsmittel über ein weiter unten beschriebenes
Regelorgan durch die Öffnung 8, die Bohrung 9, den Durchlaß io und den Kanal i i
innerhalb des Kolbens 2 in den Ringraum 12 und drückt den Kolben nach oben. Gleichzeitig
wird das im Raum 13 oberhalb des Kolbens befindliche Druckmittel durch die Bohrung
14 im Kolben, den Durchlaß 15 und die Bohrung 16 in den Raum 17 entspannt, von dem
aus das Druckmittel durch die Leitung 18 zu dem vor der Zahnradpumpe liegenden,
nicht gezeichneten Sammelbehälter zurückgefördert wird. Der Pumpenkolben 4 wird
mit Hilfe des Ringes i9 mitgenommen. Ein zweiter Ring 2o der Kolbenstange nimmt
nach Zurücklegung eines Teils des Hubweges den lose auf dem Kolbendurchlaß aufsitzenden
Ring 21 mit. Dieser Ring ist mit einem Federsprungwerk verbunden, das die Aufgabe
hat, den Schieber 5 am Ende des Saughubs schnell in die für den Beginn des Druckhubs
erforderliche Stellung zu bringen. Sobald der Kolben in die Nähe seiner höchsten
Stellung gelangt ist, erreicht auch das Sprungwerk seine Kippstellung. Der Ring
21 wird durch Federkraft schlagartig gegen die Fläche 22 und der Schieber 5 in seine
untere Grenzlage gegen die Fläche 23 gedrückt. Der Durchtritt io ist dann nicht
mehr mit der Bohrung 9, sondern mit dem Kanal 24 verbunden, so daß der Zulauf von
Druckwasser zu dem Raum 12 unterbrochen ist.'Der Raum 6 ist nunmehr über die Bohrungen
25, 26 und 14 mit dem nur noch ganz kleinen Raum 13 zwischen Kolben und Zylinderdeckel
27 verbunden, und das Druckmittel kann nunmehr auf die Kolbenfläche während des
Arbeits- oder Druckhubs wirken. Das Druckmittel aus dem Raum 12 wird dabei durch
den Kanal i i, über den Durchlaß io und die Bohrung 24 in den Raum 17 entspannt
und damit zum Sammelbehälter der Zahnradpumpe zurückgeführt. Am Ende des Druckhubs
befördert das Sprungwerk bei umgekehrter Arbeitsweise wie beim Ende des Saughubs
den Schieber 5 wieder in seine erste Stellung. Die F ig. 3 zeigt den Schnitt E-E
(Fig. i) durch das Sprungwerk. Um den Kolbenteil 28 liegt der Ring 21. In zwei um
18o° versetzten Nuten des Ringes sitzt je eine Stelze 3o auf, deren anderes kugeliges
Ende in einer Kalotte des verschiebbaren Teils 31 liegt. Diese Teile tragen je eine
Traverse 32, deren Enden durch vorgespannte Zugfedern 33 miteinander verbunden sind.
Sobald der Bund 20 (Fig. i) den Ring 21 mitnimmt, drücken die Stelzeit
30 die Teile 31 und damit die Traversen 32 nach außen und spannen
die Federn 33, bis die Kippstellung der Stelzen erreicht ist. Nach Überschreiten
der Kippstellung schnellen die sich wieder entspannenden Federn 33 den Ring 21 vom
Bund2o bis ,gegen die Anschlagfläche 22 und den Schieber 5 aus seiner oberen in
seine untere Arbeitsstellung für den Druckhub. Während des Druckhubs wird der Ring
21 zunächst durch die Fläche 34 mitgenommen (Fig. i) bis zum Erreichen der Kippstellung
des Federsprungwerkes. In diesem Zeitpunkt schnellt das Sprungwerk den Ring wieder
gegen die Fläche 23 und den Schieber 5 unmittelbar vor Begihn des neuen Saughubs
in seine obere Arbeitsstellung. Der Be- und Entlüftung und der Beseitigung des Lecköls
in Raum 29 dienen Längsnuten 76 (Fig. 2) im Schieber 5, die bis in den Raum 77 (Fig.
i) durchgeführt sind.
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Die verschiedenen, konzentrisch angeordneten Bauteile wie Kolbenteil
2, Schieber 5 und Ring 21 sind in bekannter Weise gegen Verdrehung gesichert.
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Durch geeignete Bemessung der Strömungsquerschnitte ist es ohne weiteres
möglich, die erfindungsgemäße Bedingung zu erfüllen, daß die Dauer des Druckhubs
weniger als ein Drittel der Saughubdauer beträgt.
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In der Sauerstoffpumpe spielen sich während des Saug- und Druckhubs
folgende Vorgänge ab: Bei Beginn des Saughubs wird der Kolbenraum 35 durch das Federventil
36 geschlossen und die Öffnung 37 des Kolbens durch die Kolbenstange 3 freigegeben.
Mit dem Bund i9 stößt die Kolbenstange unmittelbar darauf auf den Ring 38 und nimmt
den Kolben in die obere Totpun'ktlage mit. Durch den entstehenden Sog tritt Flüssiggas
durch den Zulauf 39 sowohl durch den Schlitz 4o in den zwischen Kolbeninnenwand
und Kolbenstange vorhandenen Raum 41 und von hier durch die Öffnung 37 in den Zylinderraum
3; als auch über den Ringraum 42 teils durch die Öffnung 43 ebenfalls in den Raum
44 teils durch die Öffnung 44 in den Ringraum 45. Die Füllung dieses Ringraumes
mit Flüssiggas hat den Zweck, die durch die Wärmeisolierung 46 der Pumpe noch hindurchtretende
Wärme von der Pumpe fernzuhalten. Dabei verdampft ständig ein Teil der Füllung.
Der Dampf tritt durch den Auslaß 47 aus. Die in den Pumpenzylinder eintretende Flüssigkeit
ist so geführt, daß sie zuerst den Kolben 4 und danach die Zylinderbüchse 75 abkühlt,
so daß ein Festschrumpfen des Kolbens vermieden wird.
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Zu Beginn des Druckhubs schließt die Kolbenstange zunächst die Kolbenöffnung
37. Der niedergehende Kolben drückt dann das Flüssiggas aus dem Zylinderraum 35
durch das sich öffnende Ventil 36 in den Raum 48 und in die Druckleitung 49.
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Weitere bauliche Einzelheiten dienen dem Ausgleich des Druckes des
seitlich einströmenden Druckmittels auf den Kolben. Zu diesem Zweck besitzt der
Kolben eine in bezug auf die Kolbenachse symmetrisch zur Bohrung i i liegende blinde
Bohrung 5o (Fig. 2), die mit der Bohrung i i über
den Raum 12 in
Verbindung steht. Desgleichen besitzt der Schieber 5 zu den Durchlässen io, 26 und
15 symmetrisch angeordnete Durchlässe 51, 52 und i5° (Fig. 2).
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Der große Unterschied in der Größe der Kolbendruckflächen in Raum
12 und 13 stellt eine Art Bruchsicherung der Pumpe für den Fall dar, daß Verunreinigungen
des Druckmittels in die Pumpe gelangen. Die durch solche Verunreinigungen bewirkte
erhöhte Reibung läßt den Kolben und den Schieber zu Beginn des Saughubs zum Stillstand
kommen, ehe ein größerer Schaden an der Pumpe entstehen kann.
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Um den Druck der Antriebsflüssigkeit jeweils zum Pumpendruck selbsttätig
ins richtige Verhältnis zu setzen, ist zum Arbeitskreis des Druckmittels ein Nebenschlußkreis
angeordnet, der durch das Ventil 53 in Abhängigkeit vom Pumpendruck gesteuert wird.
Die Fig. 4 zeigt ihn in seinen Einzelheiten. Die Ventilspindel 54 bildet mit ihrem
stärkeren Ende 55 den Kegel des Ventils und mit ihrem schwächeren Ende 56 einen
vom Verdichtungsdruck des Flüssiggases belasteten Kolben. Dieser Druck wird durch
die Steuerleitung 57 vom Raum 48 an das Ventil herangeführt und wirkt in entgegengesetzter
Richtung auf die Spindel wie der Druck der Antriebsflüssigkeit. Die Spindeldurchmesser
55 und 56 sind so gewählt, daß dem größten hlüssiggasdruck der erforderliche höchste
Druck der Antriebsflüssigkeit entspricht, also etwa im Verhältnis der Durchmesser
der Kolben 2 und 4. Der Federungskörper 58 dient als reibungsfreie Ventildichtung.
Seine schwache Federkraft kann vernachlässigt werden.
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Das Ventil arbeitet in der Weise, daß es dem Arbeitskreis des Druckmittels
zwischen Raum 6 und 17, die mit der Druckmittelpumpe verbunden sind, um so mehr
Druckflüssigkeit entzieht, je geringer der Druck im Raum 48 ist. Um diese Funktion
zu ermöglichen, ist der Ventilkegel 55 höhl ausgebildet und besitzt Durchlaßöffnungen,
die das Druckmittel unmittelbar nach dem Raum 17 durchlassen. Um aber im Raum 6
einen für den Antrieb des Kolbens erforderlichen Mindestdruck zu erreichen, ist
der Ventilkegel 55 mit der Druckfeder 59 belastet. Aus dem Raum 6o kann etwa eingedrungenes
Leckgas nach außen entweichen, während der Raum 61 aus dem Ventilraum ausgetretenes
Lecköl abführt.
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Die durch die Tätigkeit des Ventils 53 hervorgerufenen Druckschwankungen
der Antriebsflüssigkeit im Raum 6 erfordern noch ein selbsttätiges Regelorgan für
die Zuflußmengen der Antriebsflüssigkeit in diePumpe inAbhängigkeit von diesen Druckschwankungen,
da sonst die Zahl und Geschwindigkeit der Pumpenhübe nicht konstant blieben. Außerdem
ist eine Einstellung der Pumpenfrequenz von Hand notwendig. Beide Funktionen werden
durch ein Regelorgan ermöglicht, das die Fig. 2 im Schnitt zeigt.
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Das Regelorgan besitzt eine Spindel 62 mit einem rohrförmigen Fortsatz
63. Die Spindel ist mittels Gewinde 64 in einem Gehäusestutzen 65 an einem Handrad
66 von außen verstellbar und durch eine Stopfbüchse 67 abgedichtet. In dem rohrförmigen
Fortsatz 63 ist ein Bolzen 68 verschiebbar, der auf einem Teil seiner Länge eine
Bohrung 69 und außerdem zwei um 18o° versetzte, keilförmige Längsschlitze 7o besitzt.
Über diesen beiden Schlitzen liegt ein verstellbarer ringförmiger Schlitz 71, der
von der einen Wand des Ringkanals 72 und der ringförmigen Endfläche des Rohrfortsatzes
63 gebildet wird. Die sich überdeckenden Flächen der keilförmigen Schlitze und des
Ringschlitzes kann man genügend genau als wirksamen Drosselquerschnitt ansehen.
Auf den Bolzen 68 wirkt einerseits der Druck der aus dem Raum 6 durch die Bohrungen
73 in die Längsbohrung 69 einströmenden Druckflüssigkeit, anderseits der als konstant
angenommene Druck im Raume 17 und die Kraft der Feder 74. Je höher der Druck im
Raume 6 wird, um so mehr verschiebt sich der Bolzen 68 in den Raum 17 und läßt einen
immer kleineren Teil der keilförmigen Schlitze 70 als Strömungsquerschnitt
wirksam werden und umgekehrt. Es ergibt sich somit eine den Druckänderungen im Raume
6 entgegengesetzt verlaufende Änderung des Drosselquerschnitts, die selbsttätig
erfolgt. Außerdem kann der Drosselquerschnitt durch Änderung der Breite des Ringschlitzes
71 am Handrad 66 verändert werden. Es gelingt mit dieser Regeleinrichtung, die von
Hand eingestellte, geförderte Druckmittelmenge und damit die Hubzahl und die Hubgeschwindigkeiten
trotz der Druekschwarikungen im Raum 6 genügend konstant zu halten.