DE3901071A1 - Kolbenpumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kolbenpumpe, deren im Förderweg der Pumpe zwischen Saug- und Druckventil angeordneter Kolbenarbeitsraum am Kolben durch eine Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung von einem niederdruckseitig der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung zwischen Kolben und Gehäuse frei bleibenden, im wesentlichen drucklosen bzw. nur geringen Druck aufweisenden Auffangraum für einen die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung durchsetzenden Leckstrom abgetrennt ist.

Pumpen der oben angegebenen Bauart sind für hohe Drücke deshalb vorteilhaft, weil die Abmessungen des Kolbenarbeits­ raumes weitestgehend den Abmessungen des Hubraumes des Kolbens innerhalb des Kolbenarbeitsraumes angepaßt werden kann, derart, daß der Kolbenarbeitsraum allenfalls geringfügig größer als der Hubraum ist. Damit kann die Hubarbeit des Kolbens trotz der bei hohen Drücken nicht mehr vernachlässig­ baren Kompressibilität des Pumpmediums in optimaler Weise zur Förderung des Mediums ausgenutzt werden, nur ein vergleichs­ weise geringer Anteil des Kolbenhubes geht für die Kompression des Pumpmediums während des Druckhubes verloren.

An der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung treten zwar unvermeidliche Leckströme auf, jedoch sind die die Dichtung bzw. Dichtungspackung durchdringenden Mengen des Pumpmediums bei entsprechend bemessenen Dichtungen bzw. Dichtungspackungen so gering, daß der Wirkungsgrad der Pumpe nur in einem äußerst geringen Maße beeinträchtigt wird.

Durch die Anordnung des Auffangraumes wird die Möglichkeit geschaffen, die Leckströme aufzufangen und kontrolliert abzuleiten. Allerdings ist es nicht in allen Fällen möglich, den Leckstrom unmittelbar der Saugseite der Pumpe zuzuführen, weil in den Auffangraum im allgemeinen auch Schmiermittel eindringen kann, welches eine Dichtung zwischen Kolben und Gehäuse an dem von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung abgewandten Ende des Auffangraumes durchdringt.

Des weiteren sind Kolbenpumpen mit hermetisch abgedichteten Arbeitsräumen bekannt. Dabei ist der im Förderweg zwischen Saug- und Druckventil liegende Arbeitsraum auf einer Seite einer elastischen Membrane angeordnet, die den Pumpenarbeits­ raum vom Kolbenarbeitsraum trennt, welcher mit einem hydrau­ lischen Medium ausgefüllt ist. Mittels des hydraulischen Mediums wird die Hubarbeit des Kolbens auf die Membran übertragen, d. h. die Hubarbeit des Kolbens wird hydraulisch in eine Verformung der Membran umgesetzt, wodurch der Pumpen­ arbeitsraum entsprechend dem Hubrhythmus des Kolbens expan­ diert (Saughub) bzw. komprimiert (Druckhub) wird. Aufgrund der hydraulischen Übertragung der Kolbenarbeit auf die Membran wird dieselbe beim Betrieb der Pumpe nur von ver­ schwindenden Druckdifferenzen beaufschlagt, wie es im Hinblick auf die elastische Nachgiebigkeit der Membran notwendig ist. Größeren Differenzdrücken würde die Membran nicht standhalten. Der prinzipielle Nachteil derartiger Membranpumpen liegt darin, daß im Falle einer Hochdruckpumpe beim Druckhub des Kolbens jeweils ein im Vergleich zum Hubraum des Kolbens großes Flüssigkeitsvolumen mit Hochdruck beaufschlagt werden muß. Neben dem Pumpmedium im Pumpenarbeitsraum muß nämlich auch das Hydraulikmedium im Kolbenarbeitsraum so weit kompri­ miert werden, daß der Druck auf der Druckseite der Pumpe erreicht bzw. um ein gewisses Maß überschritten wird; andern­ falls würde das Druckventil nicht öffnen, d. h. es könnte kein Pumpmedium gefördert werden. Wenn aber die Pumpe eine sehr große Druckdifferenz zwischen Druck- und Saugseite überwinden soll, kann die Kompressibilität des Pumpmediums im Pumpenarbeitsraum und des Hydraulikmediums im Kolben­ arbeitsraum nicht vernachlässigt werden. Aufgrund der großen Flüssigkeitsmenge wird dann ein vergleichsweise großer Anteil des Kolbenhubes allein dazu benötigt, die Medien zu komprimie­ ren, um einen der Druckseite entsprechenden Druck zu erreichen. Aufgrund der Volumenselastizität der Flüssigkeit kann dann nur noch ein Teilhub des Kolbens für die Förderung des Pumpmediums ausgenutzt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine hermetisch abgedich­ tete Kolbenpumpe zu schaffen, welche auch bei hohen Druck­ differenzen zwischen Druck- und Saugseite mit gutem Wirkungs­ grad zu arbeiten vermag.

Diese Aufgabe wird mit einer Kolbenpumpe der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, daß der Auffangraum an seinem von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Ende durch eine Rollmembran abgeschlossen ist, welche zwischen einer kolbenseitigen zylindrischen Außen­ umfangsfläche und einer davon radial beabstandeten gehäuse­ seitigen zylindrischen Innenumfangsfläche mit zwei auf diesen Umfangsflächen aufliegenden, miteinander ringförmig verbundenen Abschnitten angeordnet ist und bei Kolbenhüben wechselseitig auf den Umfangsflächen auf- und abgerollt wird.

Der Erfindung liegt also der allgemeine Gedanke zugrunde, die Membrane lediglich als Sekundärdichtung niederdruckseitig der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung anzuordnen, so daß die Membrane lediglich den geringen Drücken im Auffang­ raum ausgesetzt ist. Damit braucht keinerlei Überlastung der Membran befürchtet zu werden. Darüber hinaus ist vorteilhaft, daß die Kolbenarbeit unmittelbar auf das Pumpmedium einwirkt, weil der Kolbenarbeitsraum auch den Pumpenarbeitsraum zwischen Saug- und Druckventil bildet. Damit ist gleichzeitig gewähr­ leistet, daß das maximale Volumen des Kolbenarbeitsraumes nahezu bis auf das Volumen des Kolbenhubraumes vermindert werden kann. Dementsprechend entspricht die Masse des bei einem Druckhub geförderten Pumpmediums weitestgehend der Masse der beim Druckhub komprimierten Flüssigkeitsmenge.

Außerdem ist vorteilhaft, daß gegenüber herkömmlichen Standardpumpen ohne Membranen nur relativ geringfügige konstruktive Abänderungen notwendig sind.

Um auch bei schnell laufenden Pumpen ein einwandfreies Ab- bzw. Aufrollen der Rollmembran zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, wenn auf der konkaven Seite der die beiden Membranabschnitte miteinander verbindenden Ringzone der Rollmembran ein geringfügiger Überdruck gegenüber der anderen Seite der Membran aufrechterhalten wird.

In diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, wenn ein auf der der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung gegenüber­ liegenden Seite der Rollmembran angeordneter Ringraum auf seiner von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Seite durch eine Niederdruckdichtung abge­ schlossen ist. Diesem Ringraum kann gegebenenfalls Öl mit wechselndem Druck zugeführt werden, um die jeweils gewünschte Druckdifferenz an der Rollmembran aufrechtzuerhalten.

Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der von der Hochdruckdichtung bzw. -dich­ tungspackung und/oder der Niederdruckdichtung abgeschlossene Spalt zwischen Gehäuse und Plunger einen Durchmesser besitzt, dessen Maß S derart größer als das Maß d des Durchmessers der mit der Rollmembran zusammenwirkenden kolbenseitigen Umfangs­ fläche und derart kleiner als das Maß D des Durchmessers der mit der Rollmembran zusammenwirkenden gehäuseseitigen Umfangs­ fläche ist, daß gilt:

D ²-S ²=S ²-d ².

Bei diesen Abmessungen ist gewährleistet, daß die jeweils durch eine Rollmembran und die Hochdruckdichtung bzw. -dich­ tungspackung oder die Niederdruckdichtung abgeschlossenen Räume unabhängig vom Kolbenhub ein konstantes Volumen aufwei­ sen. Dadurch wird die Steuerung des Druckes in diesen Räumen wesentlich vereinfacht.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer besonders bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung verwiesen.

Dabei zeigt die einzige Figur einen schematisiert darge­ stellten Axialschnitt einer erfindungsgemäßen Kolbenpumpe.

Die erfindungsgemäße Pumpe besitzt in grundsätzlich herkömm­ licher Weise einen plungerförmigen Kolben 1, welcher mittels eines nicht dargestellten Kurbeltriebwerkes angetrieben wird und dementsprechend aufeinanderfolgende Kolbenhübe nach rechts und links entsprechend dem Doppelpfeil P ausführt. Der Kolben 1 ist in einem Gehäuse 2 verschiebbar geführt, welches eine den Kolbenarbeitsraum 3 bildende, dem Querschnitt des Kolbens 1 angepaßte zylindrische Bohrung aufweist. Der Kolbenarbeits­ raum 3 ist mit der Saugseite der Pumpe über ein Saugventil 4 und mit der Druckseite der Pumpe über ein Druckventil 5 ver­ bunden. Beide Ventile 4 und 5 sind als Kugelventile darge­ stellt. Jedoch sind grundsätzlich auch andere Konstruktionen denkbar, beispielsweise Ventile mit federbelasteten Ventil­ körpern. Alle diese Ventile arbeiten nach Art von Rückschlag­ ventilen, d. h. sie vermögen nur bei hinreichender Druckdiffe­ renz in einer Richtung (Förderrichtung der Pumpe) zu öffnen.

Der Kolbenarbeitsraum 3 wird am Kolben 1 durch eine Hochdruck- Dichtungspackung 6 abgeschlossen, welche in grundsätzlich bekannter Weise ausgebildet und in einer Erweiterung der den Kolbenarbeitsraum 3 bildenden Gehäusebohrung untergebracht ist.

Auf der vom Kolbenarbeitsraum 3 abgewandten Seite der Hochdruck-Dichtungspackung 6 besitzt der Kolben 1 einen Abschnitt 1′ mit geringerem Durchmesser, welcher innerhalb einer Gehäusebohrung 7 mit gegenüber dem Kolbenarbeitsraum 3 vergrößertem Durchmesser aufgenommen ist. Der zwischen dem Abschnitt 1′ des Kolbens 1 und der Gehäusebohrung 7 verblei­ bende Ringraum wird an seinem von der Hochdruck-Dichtungs­ packung 6 abgewandten Ende durch eine Niederdruckdichtung 8 abgeschlossen, welche mit einem Kolbenteil zusammenwirkt, welches gleichen Durchmesser wie das mit der Hochdruck- Dichtungspackung 6 zusammenwirkenden Kolbenteil hat.

Der Durchmesser D der Gehäusebohrung 7 sowie der Durchmesser d des Abschnittes 1′ des Kolbens 1 und der Durchmesser S der mit den Dichtungen bzw. Dichtungspackungen 6 und 8 zusammen­ wirkenden Kolbenteile bzw. der Dichtungsspalte zwischen diesen Kolbenteilen und den genannten Dichtungen bzw. Dich­ tungspackungen 6 und 8 sind bevorzugt so bemessen, daß gilt:

D ²-S ²=S ²-d ².

Dadurch ist gewährleistet, daß das Volumen des zwischen dem Abschnitt 1′ des Kolbens 1 und der Gehäusebohrung 7 gebilde­ ten Ringraumes unabhängig vom Kolbenhub konstant bleibt.

Der zwischen dem Abschnitt 1′ des Kolbens 1 und der Gehäuse­ bohrung 7 frei bleibende und an seinen Stirnenden durch die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung 6 sowie die Nieder­ druckdichtung 8 abgeschlossene Ringraum wird durch zwei Rollmembranen 9 und 10 in einen Auffangraum 11 sowie zwei weitere Räume 12 und 13 unterteilt. Die Rollmembranen 9 und 10, welche aus einem hochelastischen Kunststoffmaterial bestehen, besitzen jeweils zwei zylindrische Abschnitte, die flächig auf der Innenumfangsfläche der Bohrung 7 bzw. der Außenumfangsfläche des Abschnittes 1′ des Kolbens 1 aufliegen und miteinander durch einen ringförmigen Bereich verbunden sind. Die der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung 6 zugewandten Ränder der zylindrischen Abschnitte der Rollmembranen 9 und 10 sind jeweils in nutförmigen Aussparungen od. dgl. am Abschnitt 1′ des Kolbens 1 bzw. an der Innenumfangswand der Bohrung 7 dichtend gehaltert. Bei Kolbenhüben wird jeweils ein Teil der Rollmembranen 9 und 10 von einer der Umfangsflächen des Abschnittes 1′ des Kolbens 1 bzw. der Gehäusebohrung 7 abgerollt und auf die jeweils andere Oberfläche aufgerollt.

Der Auffangraum 11, welcher einen die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung 6 durchdringenden Leckstrom des im Kolben­ arbeitsraum 3 befindlichen Pumpmediums aufnimmt, ist ständig über eine Leitung 15 mit der Saugseite der Pumpe verbunden, d.h. der Leckstrom wird ständig dem zu verpumpenden Pumpmedium zugeführt. Die weiteren Räume 12 und 13 sind über gesonderte Leitungen 16 und 17 an eine Ölversorgung od. dgl. angeschlossen.

Um auch bei schnell aufeinanderfolgenden Kolbenhüben ein einwandfreies Auf- und Abrollen der Rollmembranen 9 und 10 gewährleisten zu können, soll auf der Konvexseite der die zylindrischen Abschnitte der Rollmembranen 9 und 10 verbin­ denden Ringzonen jeweils ein um ca. 1 bar geringerer Druck als auf der jeweils anderen Seite der Membranen vorliegen, d.h. der Druck im Auffangraum 11 soll höher als der Druck im Raum 12 sein,und der Druck im Raum 13 soll geringer als der Druck im Raum 12 bleiben.

Ein entsprechendes Druckgefälle kann in mehrfacher Weise aufrechterhalten werden.

Bei sehr vielen Anwendungen von Pumpen liegt auf der Saug­ seite ständig ein Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck vor. Dieser sogenannte Saugdruck herrscht aufgrund der Ver­ bindung des Auffangraumes 11 mit der Saugseite der Pumpe auch im Auffangraum 11. Wenn nunmehr den Räumen 12 und 13 das jeweilige Öl mit entsprechend verminderten Drücken zugeführt wird, läßt sich das gewünschte Druckgefälle herstellen.

Gegebenenfalls ist es auch möglich, in der Verbindungs­ leitung 15 zwischen Auffangraum 11 und Saugseite der Pumpe ein Überdruckventil anzuordnen, welches erst bei einem vor­ gegebenen Grenzdruck öffnet und eine Strömung vom Auffang­ raum 11 zur Saugseite der Pumpe ermöglicht. Dieser Grenzdruck wird aufgrund der die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung 6 durchsetzenden Leckströmung ständig aufrechterhal­ ten. Auch in diesem Falle kann durch Steuerung des Öldruckes in den Räumen 12 und 13 das gewünschte Druckgefälle aufrecht­ erhalten werden.

Die zuletzt beschriebene Ausführungsform kann auch insoweit abgeändert werden, als anstelle des Druckbegrenzungsventiles in der Leitung 15 eine Drossel vorgesehen werden kann.

Da bei den Pumpenhüben im Auffangraum 11 unter Umständen größere Druckschwankungen auftreten können, kann es zweck­ mäßig sein, den Öldruck in den Räumen 12 und 13 in entspre­ chender Weise gesteuert zu ändern, um an jeder der Rollmembra­ nen 9 und 10 eine nahezu konstante Druckdifferenz aufrecht­ zuerhalten.

Sollte eine der Rollmembranen 9 oder 10 brechen, so läßt sich dies ohne weiteres dadurch feststellen, daß ständig die Drücke in den Räumen 11 bis 13 bzw. die Druckdifferenzen zwischen den Räumen 11 und 12 bzw. 12 und 13 gemessen werden. Sollte die Druckdifferenz zwischen je zwei benachbarten Räumen 11 und 12 bzw. 12 und 13 stark absinken bzw. verschwin­ den, so ist dies gleichbedeutend damit, daß die jeweils dazwischenliegende Rollmembran 9 oder 10 gebrochen ist.

Abweichend von der beschriebenen bzw. dargestellten Ausfüh­ rungsform kann durch den Raum 12 gegebenenfalls auch Pumpme­ dium geleitet werden.

Darüber hinaus ist es auch möglich, nur eine einzige Roll­ membran 9 anzuordnen, so daß der Raum 12 völlig wegfällt.

Gegebenenfalls kann auch darauf verzichtet werden, am Kolben 1 den im Durchmesser verjüngten Abschnitt 1′ anzuordnen. In diesem Falle läßt sich jedoch nicht vermeiden, daß die Räume 11 und 13 bei Kolbenhüben eine größere Volumensänderung erleiden. Dadurch wird zwar die Steuerung der die Rollmembra­ nen 9 oder 10 beaufschlagenden Druckdifferenz erschwert. Jedoch läßt sich die genannte Volumensänderung zum Verpumpen der Flüssigkeiten ausnutzen, die den jeweiligen Räumen 11 bis 13 zugeführt werden.

Claims (13)

1. Kolbenpumpe, deren im Förderweg der Pumpe zwischen Saug- und Druckventil angeordneter Kolbenarbeitsraum am Kolben durch eine Hochdruckdichtung bzw. -dichtungs­ packung von einem niederdruckseitig der Hochdruckdich­ tung bzw. -dichtungspackung zwischen Kolben und Gehäuse frei bleibenden, im wesentlichen drucklosen bzw. nur geringen Druck aufweisenden Auffangraum für einen die Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung durchsetzenden Leckstrom abgetrennt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffangraum (11) an seinem von der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung (6) abgewandten Ende durch eine Rollmembran (9) abgeschlossen ist, welche zwischen einer kolbenseitigen zylindrischen Außenum­ fangsfläche (7) und einer davon radial beabstandeten gehäuseseitigen zylindrischen Innenumfangsfläche mit zwei auf diesen Umfangsflächen aufliegenden, miteinander ringförmig verbundenen Abschnitten ange­ ordnet ist und bei Kolbenhüben wechselseitig auf den Umfangsflächen auf- und abgerollt wird.

2. Kolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Auffangraum (11) abschließende Rollmembran (9) mit der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung (6) zugewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Membranteile angeordnet und dichtend an den Umfangsflächen (1′, 7) gehaltert ist.

3. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der vom Auffangraum (11) abgewandten Seite der Rollmembran (9) ein Ringraum (12) angeordnet ist, dessen von der Rollmembran (9) abge­ wandtes Ende durch eine weitere Rollmembran (10) abgeschlossen ist.

4. Kolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Rollmembran (10) mit der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung (6) zugewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Membran­ teile angeordnet und dichtend an den Umfangsflächen (1′, 7) gehaltert ist.

5. Kolbenpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Rollmembran (10) mit von der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung abgewandten Rändern ihrer auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Membran­ teile angeordnet und dichtend an den Umfangsflächen (1′, 7) gehaltert ist.

6. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf der der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung (6) gegenüberliegenden Seite der Rollmembran bzw. -membranen (9, 10) angeordneter Ringraum (13) auf seiner von der Hochdruckdichtung bzw. -dichtungspackung (6) abgewandten Seite durch eine Niederdruckdichtung (8) abgeschlossen ist.

7. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Hochdruck­ dichtung bzw. -dichtungspackung (6) und/oder der Niederdruckdichtung (8) abgeschlossene Spalt einen Durchmesser besitzt, dessen Maß (S) derart größer als das Maß (d) des Durchmessers der mit der Rollmembran bzw. den Rollmembranen (9, 10) zusammenwirkenden kolben­ seitigen Umfangsfläche (1′) und derart kleiner als das Maß (D) des Durchmessers der mit der Rollmembran bzw. den Rollmembranen (9, 10) zusammenwirkenden gehäuseseitigen Umfangsfläche (7) ist, daß gilt: D ²-S ²=S ²-d ².

8. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffangraum (11) bzw. die Räume (11, 12) auf den konkaven Seiten der Ringzonen, welche die auf den Umfangsflächen (1′, 7) aufliegenden Bereiche der Rollmembran bzw. Rollmembranen (9, 10) verbinden, einen etwas höheren Druck führen als der Raum bzw. die Räume auf der konvexen Seite der Ringzone bzw. der Ringzonen.

9. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Auffangraum (11) mit der Saugseite der Pumpe verbunden ist.

10. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelvorrichtung angeordnet ist, welche zur Aufrechterhaltung eines gewünschten Druckgefälles zwischen den von jeweils einer Rollmembran (9, 10) getrennten Räumen (11 und 12; 12 und 13) in mindestens einem dieser Räume den Druck zu erhöhen und/oder abzusenken gestattet.

11. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch eine der Rollmembranen (9, 10) abgeschlossenen Räume (11, 12, 13) zur Abführung von Reibungswärme ständig von Flüssigkeit durchströmt werden.

12. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein durch Rollmembran (9, 10) abgeschlossener Raum (11, 12, 13) sein Volumen in Abhängigkeit vom Kolbenhub ändert und als Arbeitsraum einer Verdrängerpumpe zur Förderung von Kühlmedium ausgebildet ist.

13. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzeige für die Druckdifferenz zwischen den von jeweils einer Rollmembran (9, 10) getrennten Räumen (11 und 12; 12 und 13) angeordnet ist.