-
Membrankolbenpumpe Die Erfindung betrifft eine Membrankolbenpumpe
mit einer am Umfang eingespannten Membran, auf deren einer Seite der Arbeitsraum
mit Druck- und Saugventil angeordnet ist und auf deren anderer Seite ein periodisch
durch eine Kolbenanordnung unter Druck gesetztes Strömungsmittelvolumen einwirkt,
welches mit einer Hilfspumpe ständig um einen Betrag ergänzt wird, der größer ist
als die bei höchsten Arbeitsdrücken auftretenden Leckverluste und welches bei übergroßen
Membranausstülpungen über ein membrangesteuertes Rücklaufventil abgeführt wird.
-
Die Erfindung bezweckt, die Membrankolbenpumpen der vorgenannten Art
bezüglich einer Verminderung der Lagerbelastungen und einer Vergrößerung der Förderleistung
zu verbessern.
-
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe werden an Stelle eines axial ausgerichteten
Förderkolbens eine Mehrzahl von Einzelkolben verwendet, welche gleichsinnig durch
eine gemeinsame Exzenterwelle hin- und herbewegt werden und in bezug auf die Exzenterwelle
radial ausgerichtet in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, Durch diese
Maßnahme ergibt sich eine ganz erhebliche Verminderung der Lagerbelastung je Kolben,
ohne daß durch diese Addition von vielen kleinen Kolben die Förderleistung vermindert
wird. Erprobungen haben im Gegenteil sogar erwiesen, daß sich mit den vielen kleinen
Kolben eine Förderleistung erzielen läßt, die über derjenigen mit einem senkrechten
Kolben liegt.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird aus der Mehrzahl von
Kolben mindestens einer zur Ergänzung des Strömungsmittelarbeitsvolumens als Hilfspumpe
ausgebildet und mit Saug- und Druckventil versehen.
-
Gemäß einem noch weiteren Merkmal der Erfindung kann die Lagerbohrung
der Exzenterwelle als Rücklaufkanal für das membrangesteuerte Rücklaufventil verwendet
werden, so daß das rückgeführte Strömungsmittel gleichzeitig die Exzenterwelle schmiert.
Das hierfür vorgesehene membrangesteuerte Rücklaufventil kann aus einem mit seitlichen
Ausnehmungen versehenen Kolben bestehen, welcher mit dem Mittelteil der Membran
verbunden und in einer zylindrischen Bohrung geführt ist, welche mit der Lagerbohrung
der Exzenterwelle in Verbindung steht. Vorzugsweise ist der mit seitlichen Ausnehmungen
versehene Kolben über eine Kugelgelenkverbndung mit der Membran. verbunden.
-
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können die Radialkolben
in an sich bekannter Weise in mehrere Gruppen unterteilt sein, welche paarweise
im Gegentakt arbeiten und auf eine Mehrzahl von im gleichen Pumpengehäuse angeordneten
Arbeitsmembranen mit gesonderten Saug- und Druckventilen einwirken. Entsprechend
der Anzahl von Arbeitsmembranen, welche aus Raumgründen zweckmäßig senkrecht oder
mindestens schräg angeordnet werden, werden auch mehrere Kolben als Hilfspumpen
benötigt.
-
Von der Vielzahl der Radialkolben kann gegebenenfalls auch jeweils
eine Mehrzahl in einer gemeinsamen Radialebene angeordnet sein.
-
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der
Beschreibung und der Zeichnung, in der als Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
für Ölsonden verwendbare Tauchpumpe in einem axialen Längsschnitt dargestellt ist.
-
In einem rohrförmigen Sondengehäuse 1, welches an seiner Unterseite
verschlossen ist, befindet sich ein Elektromotor 2, welcher vorzugsweise als Kurzschlußläufermotor
ausgebildet ist und über im einzelnen nicht näher dargestellte Anschlußleitungen,
die von über Tage entlang des Bohrgestänges hinuntergeführt sind, gespeist wird.
Die Welle 3 des Motors ist axial auf das rohrförmige Gehäuse 1 ausgerichtet und
in Kugellagern 4, welche von Zwischenringen 5 getragen werden, gelagert. Die Zwischenringe
5 stützen sich an einer ringförmigen Schulterfläche des Gehäuses 1 ab und werden
durch die nachfolgend noch zu beschreibenden Einbauteile der Pumpe in ihrer Lage
gesichert. Oberhalb des Zwischenringes 5 befindet sich eine Wellenkupplung 6, die
gegebenenfalls auch, wenn der Antriebsmotor mit einer sehr großen Drehzahl von beispielsweise
3000 U/min umläuft, durch ein Untersetzungsgetriebe mit koaxialem Eingang und Ausgang
ersetzt werden kann. Der weitere Raum oberhalb der Kupplung 6 ist im wesentlichen
durch den Zylinderblock 7 ausgefüllt. Der Zylinderblock 7 stützt sich über einen
Abstandsring 8 auf dem Zwischenring 5 ab.
-
Der Zylinderblock 7 weist eine Mittelbohrung 9 auf, in der mit Hilfe
eines Radiaxlagers 10 und eines Ver-
Schiebelagers 11 eine Exzenterwelle
12 gelagert ist. Das untere Lager 10 muß ein Radiaxlager sein, weil es das Exzenterwellengewicht
aufzufangen hat. Das obere Lager 11 ist dagegen vorzugsweise ein Verschiebelager,
um Wärmedehnungen der Exzenterwelle ausgleichen zu können. Diese Exzenterw elle
12 ist über die Kupplung 6 oder das an dieser Stelle einzubauende Untersetzungsgetriebe
mit der Motorwelle 3 gekuppelt.
-
Die von der Exzenterwelle 12 beaufschlagten Radialkolben 13, welche
im dargestellten Ausführungsbeispiel alle gleichsinnig betätigt werden, stützen
sich an ihrem Außenende über Federn 14 am Pumpengehäuse 1 ab und stehen mit ihren
Zylinderräumen mit Sammelkanälen 15 in Verbindung.
-
Die Sammelkanäle 15 sind an der Innenwandung des Pumpengehäuses 1
entlang geführt und münden über Querkanäle 16 in eine Kammer 17 unterhalb der Arbeitsmembrane
18. Die Querkanäle 16 sind in einem Zwischenstück 20 angeordnet, welches sich auf
der Oberseite des Zylinderblockes 7 abstützt und von dem in das Gehäuse 1 eingeschraubten
Pumpenkopf 21 in seiner Lage gesichert wird. Zwischen dem Zwischenstück 20 und dem
Zylinderblock 7 befindet sich eine Dichtung 36, welche es verhindert, daß das Druckmittel
aus dem Kanal 15 zur Exzenterwellenbohrung 9 abfließen kann. Zwischen dem Gehäuse
1 und dem Pumpenkopf 21 ist eine Dichtung 22 vorgesehen.
-
Die Arbeitsmembran 18 ist an ihren Rändern zwischen dem Pumpenkopf
21 und dem Zwischenstück 20 eingespannt und trägt in ihrer Mitte ein Führungsstück
23, welches über eine Kugelgelenkverbindung 24 mit einem nachfolgend noch zu besprechenden
Rücklaufventil oder Steuerkolben 25 verbunden ist.
-
Oberhalb der Membran 18 ist innerhalb des Pumpenkopfes 21 die Pumpenkammer
26 vorgesehen, in welche ein radial herausgeführtes Saugventil 27 und ein
axial herausgeführtes Druckventil 28 einmündet. Die beiden Ventile 27 und
28 sind vorzugsweise federbelastete Kugelventile, deren Ventilgehäuse in dem Pumpenkopf
21 eingeschraubt sind.
-
Der größteTeil des freien Innenraumes des Pumpengehäuses unterhalb
der Arbeitsmembran 18 ist mit einem Strömungsmittel, insbesondere einem Drucköl,
angefüllt. In dieser Ölfüllung befindet sich auch der Elektromotor 2.
-
Mit Hilfe einer Dichtung 29 sind die Arbeitskolben 13 bzw. die ihnen
zugeordneten Zylinderbohrungen des Zylinderblockes 7 von einem weiteren Radialkolben
30 getrennt, welcher in gleicher Weise aufgebaut ist und im gleichen Arbeitstakt
arbeitet wie die übrigen Arbeitskolben 13. Dieser Kolben 30 dient jedoch ausschließlich
für die Überschußförderung, während die übrigen Kolben für die Pumpwirkung vorgesehen
sind. Die Zylinderbohrung des Kolbens 30 steht mit einer Kammer 31 in Verbindung,
die über ein Druckventil 32, welches in den Zylinderblock 7 eingebaut ist, mit den
Kanälen 15 in Verbindung steht. Des weiteren steht die Kammer 31 über eine Saugleitung
33, welche den Zylinderblock 7 und auch die darunter befindlichen Bauelemente 8
und 5 in axialer Richtung durchquert, und ein Ansaugventil 34 mit dem ölgefüllten
Motorraum in Verbindung. Es ist offensichtlich, daß bei einem Umlauf des Motors
und einem Arbeiten des Kolbens 30 von der Ölfüllung des Motorraumes über die beiden
Ventile 32 und 34 und die dazwischen befindliche Leitung 33 ein Teil in die Kanäle
15 und 16 und die Kammer 17 gefördert wird. Diese zusätzlich geförderte Druckmittelmenge
ist gemäß der Anweisung des Hauptpatentes größer als die bei höchsten Arbeitsdrücken
auftretenden Leckverluste.
-
Wenn die Pumpe in Betrieb genommen wird und mit der Motorwelle auch
die Exzenterwelle 12 umläuft, bewegen sich sämtliche Kolben 13 im gleichen Takt
und komprimieren das Strömungsmittelvolumen in den Kanälen 15, 16 und der Kammer
17. Hierdurch wird die Membran 18 nach oben in die Pumpenkammer 26 hineinbe-,vegt,
um dort über das Saugventil eingedrungene zu fördernde Strömungsmittel über das
Druckventil 28 herauszudrücken. Bewegen sich die Kolben 14 gleichzeitig in radialer
Richtung nach innen, strömt das Druckmittel aus den Kanälen 15, 16 und der Kammer
17 zurück in die einzelnen Arbeitskolbenbohrungen, so daß die Arbeitsmembran 18
wieder zurückbewegt wird und über das Saugventil 27 weiteres, beim nächsten Förderhub
weiterzubeförderndes Strömungsmittel ansaugt.
-
Bei der Hin- und Herbewegung der Arbeitsmembrane 18 wird über die
Kugelgelenkv erbindung 24 auch der Steuerkolben 25 in einer zylindrischen Bohrung
35 hin- und herbewegt. Diese Bohrung 35 steht mit der Innenbohrung 9 des Zylinderblockes
7, in welchem die Exzenterwelle 12 gelagert ist, in Verbindung. Der Steuerkolben
25 besitzt seitliche Rillen, die bei zu großen Membranausstülpungen eine Verbindung
zwischen der Kammer 17 und der Bohrung 35 und der darunter befindlichen Zylinderblockbohrung
9 freigeben. An Stelle der seitlichen Ausnehmungen oder Rillen kann in dem Steuerkolben
auch eine zentrale Mittelbohrung mit in entsprechender Höhe angeordneten Querbohrungen
vorgesehen werden. Durch diese Anordnung wird sichergestellt, daß das in Überschuß
geförderte Strömungsmittel, welches wieder zum Ölreservoir zurückgeführt werden
muß, über die Exzenterwelle zurückfließt. Hierdurch ergibt sich eine vorzügliche
Schmierung der Exzenterwelle und der einzelnen Lagerungen der Arbeitskolben.
-
An Stelle der dargestellten Ausführungsform können die Kolben auch
zu zweit oder zu viert gegenüberliegend angeordnet sein, wobei die gegenüberliegenden
Kolben entweder gleichzeitig saugen oder pumpen oder im Gegentakt arbeiten. Im letzteren
Falle ist es erforderlich, .sämtliche nicht im Gleichtakt arbeitenden Systeme gegeneinander
abzudichten und für jedes einzelne System einen zusätzlichen Kolben zur Überschußölförderung
vorzusehen. Im letztgenannten Falle muß dann im Pumpenkopf auch eine entsprechende
Anzahl von Arbeitsmembranen mit entsprechender Abflußsteuerung und gesonderten Druck-und
Saugventilen vorgesehen werden. In einem solchen Falle ist es ratsam, die Arbeitsmembranen
aus Raumgründen senkrecht oder zumindest schräg anzuordnen.
-
Die Verwendung von paarweise angeordneten Kolben, welche gleichsinnig
pumpen und saugen, hat den Vorteil, daß die Exzenterlager entlastet werden, d. h.
nur mit der Differenz zwischen Förderdruck und Zulaufdruck beansprucht werden.
-
Der für die erfindungsgemäße Pumpe verwendete Zylinderblock 7 kann
ein Gußstück sein, welches sich durch die wenig notwendigen Bohrungen und Aus-,
fräsungen sehr einfach bearbeiten läßt. Die Verwendung eines gemeinsamen Gehäuses
1 für die Unterbringung der Membrane des Zylinderblockes und des :Motors hat den
Vorteil, daß sich eine relativ einfache Abdichtung ergibt, obwohl selbstverständlich
aus bearbeitungstechnischen Gründen auch vor allem bei sehr langen Pumpen eine Trennung
zwischen Motor-und Pumpengehäuse vorgenommen werden kann.
Um den
Einbau des Pumpenaggregates, d. h. des Zylinderblockes 7, mit der Exzenterwelle
und den Radialkolben zu erleichtern, sind am Umfang des Zylinderblockes 7 vor den
einzelnen, Bohrungen der Kolben 13 und 30 schmale, in der Zeichnung nicht dargestellte
Leisten vorgesehen, an denen sich die Federn 14 abstützen können. Auf diese Weise
kann der Pumpenteil mit Rotor komplett aus dem Gehäuse 1 herausgezogen und durch
Drehung des Rotors von Hand das Spiel der Kolben überprüft werden. Die einzelnen
Kolben können entweder direkt auf der Exzenterwelle 12 laufen, wobei dann eine geeignete
Materialauswahl von Kolben und Exzenterwelle notwendig ist, oder es kann auch auf
der Exzenterwelle unter jedem Kolben ein Nadellager angeordnet werden. In diesem
Falle müssen sich dann zwischen den Lagern mit der Exzenterwelle verbundene Anlaufscheiben
befinden.
-
Das gesamte Pumpenaggregat kann, wie bei Bohrsonderpumpen üblich,
am oberen Ende mit einem Kegelgewinde zum Anschluß an ein Bohrgestänge versehen
werden.