DE112004001050T5

DE112004001050T5 - Hybrid-Taumelelement-Pumpe

Info

Publication number: DE112004001050T5
Application number: DE112004001050T
Authority: DE
Inventors: William Harry Kohler Lynn; Richard C. Park Ridge Fuksa
Original assignee: Thomas Industries Inc
Current assignee: Thomas Industries Inc
Priority date: 2003-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-06-22
Also published as: JP2007524026A; GB0524876D0; HK1088939A1; CA2528518A1; CN100451333C; US7302883B2; WO2004113724A2; US20070022872A1; GB2426298A; GB2426298B; CN1806092A; WO2004113724A3

Abstract

Taumelelement-Pumpe umfassend:
– ein Pumpen-Gehäuse;
– einen Antriebs-Motor, der eine Antriebs-Welle mit einer Wellen-Achse aufweist, wobei die Antriebs-Welle durch den Antriebs-Motor um die Wellen-Achse relativ zu dem Pumpen-Gehäuse angetrieben wird;
– eine Vielzahl von Pump-Zylindern mit Achsen, die radial um die Wellen-Achse und im allgemeinen parallel zu dieser angeordnet sind, wobei die Pump-Zylinder relativ zu dem Pumpen-Gehäuse fest sind;
– eine Vielzahl von Taumel-Kolben, ein Taumel-Kolben für jeden Pump-Zylinder, wobei jeder Taumel-Kolben einen Kolben-Kopf und eine fest an dem Kolben-Kopf angebrachte Kolben-Stange aufweist, wobei jeder Kolben-Kopf in dem zugeordneten Pump-Zylinder mit einer Passung aufgenommen ist, die eine Taumel-Bewegung des Kolben-Kopfs relativ zu dem Pump-Zylinder gestattet, während der Kolben hin und her bewegt wird;
– ein Taumelelement, das mit den Kolben-Stangen in Verbindung steht; und
– ein Universalgelenk, das das Taumelelement mit dem Gehäuse verbindet.

Description

Bereich der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Pumpen und insbesondere Taumelelement-Pumpen.

Hintergrund der Erfindung

Taumelelement-Pumpen mit einem Taumelelement, das eine kreisförmige schwenk- oder taumelartige Bewegung vollführt, um Kolben hin und her zu bewegen, um zu einem Pump-Vorgang zu führen, sind bekannt. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 5,007,385 eine derartige Vorrichtung, die entweder ein Pendel-Kugellager oder alternativ ein Kreuz-Universalgelenk zwischen dem Taumelelement und dem Gehäuse einsetzt. Das Taumelelement wird exzentrisch durch eine Antriebs-Welle angetrieben und weist Arme auf, die durch Kugel-Gelenke oder andere Schwenk-Gelenke mit Kolben in Verbindung stehen, die sich linear hin und her bewegen.

Diese Vorrichtungs-Typen haben typischerweise viele Gleit-Flächen und daher viele Lager gehabt, was jeweils die gesamte Konstruktion relativ komplex, schwierig zum Zusammenbauen und kostspielig macht.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Erfindung stellt eine Taumelelement-Pumpe bereit, in welcher ein Kreuz-Universalgelenk das Taumelelement mit dem Gehäuse verbindet, Kugel-Gelenke das Taumelelement mit den Kolben-Stangen verbinden und die Kolben-Stangen an den Kolben-Köpfen befestigt sind, so dass die Kolben-Köpfe in den Pumpen-Zylindern taumeln. Dies vermeidet eine Lager-Verbindung zwischen der Kolben-Stange und dem Kolben-Kopf, während die Vorteile der Verwendung eines Universalgelenks, das Taumelelement mit dem Gehäuse zu verbinden, um Seitenkräfte von den Kolben-Köpfen zu nehmen, erreicht werden.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung sind die Kolben-Stangen relativ lang ausgebildet, um die Taumel-Bewegung der Kolben-Köpfe in den Pump-Zylindern zu minimieren. Je länger die Kolben-Stangen gebildet werden können, desto weniger werden die Kolben-Köpfe in den Pump-Zylindern taumeln. In anderen Worten ausgedrückt, bei beispielsweise einem Neigungswinkel des Universalgelenks von 12° wird sich der Kolben-Kopf bei einer ausreichend langen Kolben-Stange nur 1° neigen. Eine derartig geringe Neigung des Kolben-Kopfs aus der axialen Ausrichtung in dem Pump-Zylinder gestattet die Verwendung entweder eines Kolben-Außenrings, wie er in Taumel-Kolben üblich ist, oder einer Spaltring-Dichtung (ein Spaltring des Typs, der allgemein in Verbrennungs-Kolben-Motoren und einigen Hubkolben-Pumpen eingesetzt wird). Spaltring-Dichtungen werden im allgemeinen so angesehen, dass sie ein sehr langes Verschleiß-Leben und eine geringe Blow-by-Leckrate haben, während ein Taumel-Kolben-Außenring eine ausreichende Dichtung bei einem relativ großen Neigungswinkel des Taumel-Kolben-Kopfs liefert.

Es ist wünschenswert ein Universalgelenk zu verwenden, um das Taumelelement mit dem Gehäuse zu verbinden, da das Universalgelenk im Stande ist, die Torsions-Belastung, der das Taumelelement ausgesetzt ist, aufzunehmen, was die auf die Kolben wirkende Seitenkräfte reduziert. Auf die Kolben wirkende Seitenkräfte führen zu einem erhöhten Verschleiß, einer kürzeren Lebensdauer und einer höheren Blow-by-Leckrate über die Pumpen-Lebensdauer.

Außerdem liefert ein langer Hub, der durch das Universalgelenk und auch durch die Verwendung der Kugel-Gelenke, um das Taumelelement mit den Kolben-Stangen zu verbinden, ermöglicht wird, einen höheren Durchfluss in einem kleinen Raum, der signifikant größer als bei anderer Arten von Taumelelement-Pumpen-Ausgestaltungen ist. Die Möglichkeit des Einsatzes von Spaltring-Dichtungen anstelle von Kolben-Außenringen hilft außerdem Reibungs-Kräfte zu reduzieren und einen besseren Wirkungsgrad zu erzielen.

Die vorstehenden und weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in der detaillierten Beschreibung offensichtlich werden, die folgt. In der Beschreibung wird Bezug auf die angehängten Zeichnungen genommen, die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung veranschaulichen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Schnitt-Ansicht entlang einer 90° Querschnitts-Linie, die eine Pumpe zeigt, die die Erfindung enthält.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine Pumpe 10 gemäß der Erfindung umfasst ein Gehäuse 12, das aus einer beliebigen Anzahl von Teilen bestehen kann, ein Paar Druck-Kolben 14, die gegenüberliegend zueinander angeordnet sind (nur einer dargestellt, der andere würde um 180° zu dem gezeigten versetzt sein, wobei 1 eine 90° Querschnitts-Ansicht ist), ein Paar Vakuum-Kolben 16 (nur einer gezeigt, der andere Vakuum-Kolben 16 ist gegenüberliegend zu dem gezeigten, um die Achse der Antriebs-Welle 18 um 180° versetzt zu diesem angeordnet). Jeder Kolben 14, 16 weist einen Kopf 14A bzw. 16A und eine Stange 14B bzw. 16B auf. Die Köpfe 14A und 16A bewegen sich mit einer leichten Taumel-Bewegung in entsprechenden Pump-Zylindern 20 und 22. Die Köpfe 14A und 16A weisen jeweils Spaltring-Dichtungen 14C, 16C auf, vorzugsweise aus einem Polytetrafluorethylen-Kompositmaterial, die eine Gleit-Dichtung mit den Wänden der Zylinder 20, 22 herstellen und vorzugsweise auf ihren Außen-Flächen mit einem Radius gekrümmt sind, der gleich dem Zylinder-Radius ist, um eine gute Dichtung zu erhalten, während der Kolben in dem Zylinder taumelt. Ein Einlass-Ventil 24 und ein Auslass-Ventil 26 zu der Pump-Kammer bzw. aus dieser sind in dem Zylinder 20 vorgesehen und ein Einlass-Ventil 28 sowie ein Auslass-Ventil 30 zu der Pump-Kammer bzw. aus dieser sind in dem Zylinder 22 vorgesehen. Die Erfindung könnte außerdem auf eine reine Druck- oder eine reine Vakuum-Pumpe angewendet werden und in diesem Falle würde es wünschenswert sein, eine ungerade Anzahl von Kolben, beispielsweise drei oder fünf, vorzusehen, um Gas-Pulsationen zu minimieren.
Ansaugluft für den Zylinder 20 gelangt in eine Einlass-Kammer 34 durch Öffnungen 36 und komprimierte Luft verlässt den Zylinder 20 über das Ventil 26 in die Auslass-Kammer 36 und die Auslass-Kammer 36 durch ein Verbindungs-Rohr 38, das wie durch die gestrichelte Linie 40 gezeigt ist, in Verbindung mit der Kammer 36 steht. Die Ansaugluft für den Vakuum-Zylinder 22 gelangt durch eine Öffnung 42 in ein Geräusch-Dämpfungs-Gehäuse 44 und durch Öffnungen 46 in das Innere des Gehäuses 12, wo sie durch den Kolben-Kopf 16A über das Ventil 28 in die Pump-Kammer des Zylinders 22 gelangen kann. Komprimierte Abluft aus dem Vakuum-Zylinder 22 strömt durch das Ventil 30 in die Auslass-Kammer 48 und aus der Auslass-Kammer 48 entweder durch Öffnungen 50 oder alternativ durch ein Verbindungs-Rohr 52, das wie durch die gestrichelte Linie 54 veranschaulicht ist, in Verbindung mit der Kammer 48 steht. Die Verbindungs-Rohre 38 und 52 laufen durch die Dämpfungs-Kammer 44, so dass all die Verbindungen für die Pumpe, umfassend den Einlass 42 zu der Vakuum-Kammer und die Auslässe aus den Druck- und Vakuum-Pumpen, alle an dem Ende der Pumpe vorgesehen sein können. Falls gewünscht könnte ein Verbindungs-Rohr, wie die Rohre 38 und 52, auch für den Einlass für den Druck-Zylinder 20 vorgesehen sein.
Ein Kreuz-Universalgelenk 56 hat zwei seiner gegenüberliegenden Arme an einem Anschlussstück 58 und die anderen zwei seiner gegenüberliegenden Arme (welche sich 90° versetzt zu den ersten beiden gegenüberliegenden erwähnten Armen befinden) an dem Taumelelement 60 angelenkt. „Gegenüberliegend" wie hierin verwendet, bedeutet, dass die zwei Arme um 180° versetzt sind. Das Taumelelement 60 legt den Außenring eines Lagers 62 an seinem Ende fest, das gegenüberliegend zu dem Universalgelenk 56 ist, und der Innenring des Lagers ist auf einen exzentrischen Wellenstumpf 64 gepresst, der außermittig und mit einem Winkel an der Antriebs-Welle 18 angebracht ist. Die Antriebs-Welle 18 wird durch einen Motor 68 angetrieben, dessen Stator an dem Gehäuse 12 fixiert ist, und ist durch Lager 70 an dem Gehäuse 12 gelagert. Das Zentrum des Universalgelenks 56 befindet sich auf der Achse der Welle 18. Wenn die Welle 18 in Drehung versetzt ist, gestattet das Universalgelenk 56 dem Exzenter 64 eine Taumel-Bewegung derart auf das Taumelelement 60 zu übertragen, dass die zwei Druck-Kolben 14 (die um 180° relativ zueinander versetzt um die Achse der Welle 18 sind) sich um 180° außer Phase zueinander befinden, und die zwei Vakuum-Kolben 16, die um 90° versetzt zu den Druck-Kolben 14 um die Achse der Welle 18 sind (und die um 180° relativ zueinander versetzt um die Achse der Welle 18 sind) sich um 180° außer Phase zueinander befinden.
Das Taumelelement 60 weist Arme 74 auf, die von diesem zu den vier Kolben-Stangen 14B und 16B laufen. Die Arme 74 erstrecken sich in die entsprechenden Kolben-Stangen und weisen an ihren Enden Kugel-Köpfe 76 auf. Die Kolben-Stangen 14B und 16B sind hohl und weisen jeweils in sich eine fixierte Pfannen-Hälfte 78 und eine vorgespannte Pfannen-Hälfte 80 auf. Jede fixierte Pfannen-Hälfte 78 der Druck-Kolben-Stangen 14B ist mit einem konstanten Abstand zu dem Kolben-Kopf 14A durch ein Distanz-Rohr 82 gehalten, das in der Stange 14B enthalten ist, und die fixierte Pfannen-Hälfte 78 der Vakuum-Kolben-Stange 16B ist mit einem festen Abstand zu dem Vakuum-Kolben-Kopf 16A durch die Stange 16B gehalten, die an ihrem Ende 84 gefalzt ist. Die vorgespannte Pfannen-Hälfte 80 von jeder Druck-Kolben-Stange 14B ist in Richtung auf den Kugel-Kopf 76 und in Richtung auf den Kolben-Kopf 14A durch eine Feder 86 vorgespannt, die in der Stange 14B durch den Falz an dem Ende 84 gehalten ist. Die Pfannen-Hälfte 80 des Vakuum-Kolbens 16 ist gegen den Kugel-Kopf 76 und weg von dem Kolben-Kopf 16A durch eine Feder 86 gedrückt, deren anderes Ende gegen ein Distanz-Rohr 88 in jeder Kolben-Stange 16B wirkt. Die Federn 86 liefern eine Vorspannkraft auf die Kugel-Köpfe 76 und werden keinen Kräften (außer diejenigen, die sie ausüben) bei den Arbeits-Hüben der entsprechenden Kolben ausgesetzt. Dies liegt darin, da eine starre Verbindung zwischen dem Kugel-Kopf 76 und dem Druck-Kolben-Kopf 14A durch das Distanz-Rohr 82 und die Pfannen-Hälfte 78 bei dem Arbeits-Hub des Druck-Kolbens (d.h. in Richtung auf den oberen Totpunkt gehend) vorgesehen ist und eine starre Verbindung zwischen dem Kugel-Kopf 76 und dem Vakuum-Kolben-Kopf 16A auf seinem Arbeits- Hub (d.h. in Richtung auf den unteren Totpunkt gehend) durch die Pfannen-Hälfte 78 und die Kolben-Stange 16B vorgesehen ist, die umgefalzt ist. Alternativ könnte das Kugel-Gelenk mit den Kugeln auf den Kolben-Stangen 14B, 16B und den Pfannen auf dem Taumelelement 60 umgekehrt werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist mit beträchtlichen Details beschrieben worden. Viele Modifizierungen und Änderungen in der bevorzugten beschriebenen Ausführungsform werden für eine Person mit normalen Fachkönnen in der Technik offensichtlich sein. Beispielsweise könnten möglicherweise eher Spaltring-Dichtungen als Außenring-Dichtungen eingesetzt werden, falls die Kolben-Stangen lang genug ausgebildet sind oder das Taumeln des Kolbens auf andere Weise reduziert wird, um Spaltring-Dichtungen geeignet zu machen. Daher sollte die Erfindung nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt sein.
Zusammenfassung
Eine Taumelelement-Pumpe weist ein Kreuz-Universalgelenk auf, das ein Taumelelement mit einem Pumpen-Gehäuse verbindet, wobei Kugel-Gelenke das Taumelelement mit Kolben-Stangen verbinden und die Kolben-Stangen an Kolben-Köpfen festgelegt sind, so dass die Kolben-Köpfe in den Pumpen-Zylindern taumeln.

Claims

Taumelelement-Pumpe umfassend: – ein Pumpen-Gehäuse; – einen Antriebs-Motor, der eine Antriebs-Welle mit einer Wellen-Achse aufweist, wobei die Antriebs-Welle durch den Antriebs-Motor um die Wellen-Achse relativ zu dem Pumpen-Gehäuse angetrieben wird; – eine Vielzahl von Pump-Zylindern mit Achsen, die radial um die Wellen-Achse und im allgemeinen parallel zu dieser angeordnet sind, wobei die Pump-Zylinder relativ zu dem Pumpen-Gehäuse fest sind; – eine Vielzahl von Taumel-Kolben, ein Taumel-Kolben für jeden Pump-Zylinder, wobei jeder Taumel-Kolben einen Kolben-Kopf und eine fest an dem Kolben-Kopf angebrachte Kolben-Stange aufweist, wobei jeder Kolben-Kopf in dem zugeordneten Pump-Zylinder mit einer Passung aufgenommen ist, die eine Taumel-Bewegung des Kolben-Kopfs relativ zu dem Pump-Zylinder gestattet, während der Kolben hin und her bewegt wird; – ein Taumelelement, das mit den Kolben-Stangen in Verbindung steht; und – ein Universalgelenk, das das Taumelelement mit dem Gehäuse verbindet.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 1, wobei das Taumelelement mit den Kolben-Stangen über ein Kugel-Gelenk verbunden ist.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 2, wobei jedes Kugel-Gelenk ein fixiertes Element und ein vorgespanntes Element umfasst.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 3, wobei die fixierten Elemente eine Pump-Kraft zwischen dem Taumelelement und den Taumel-Kolben während eines Arbeits-Hubs des Taumel-Kolbens übertragen.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 3, wobei das Taumelelement axial zwischen dem fixierten Element und dem Kopf des Taumel-Kolbens für Vakuum-Kolben der Pumpe angeordnet ist.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 1, wobei Kolben-Stangen der Taumel-Kolben hohl sind.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 6, wobei die Kolben-Stangen das Kugel-Gelenk aufweisen.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 7, wobei die Kolben-Stangen Federn enthalten, die Teile des Kugel-Gelenks zusammendrücken.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 1, wobei jede Kolben-Stange länger als der Abstand von der Achse der Antriebs-Welle zu einer Achse eines Zylinders ist, der der Kolben-Stange zugeordnet ist.
Taumelelement-Pumpe nach Anspruch 1, wobei jeder Kolben-Kopf eine Außenring-Dichtung aufweist, die eine Gleit-Dichtung mit dem zugeordneten Pumpen-Zylinder bildet.