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Pumpe Die Erfindung betrifft eine Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase,
deren Kolben oder Membran durch einen wechselstromgespeisten Elektromagneten bewegt
wird, im folgenden kurz Schwingpumpe genannt. Diese Schwingpumpen sind Pumpen kleinerer
Leistung bis etwa ioo W, die infolge ihre: einfachen :\iifl>aues geeignet sind,
entsprechende rotierende Pumpen mit Antriebsmotoren zu ersetzen und dabei den Vorteil
haben, daß der Anlauf und das Stillsetzen in Verbindung mit einem Druckspeicher
selbsttätig ohne zusätzliche Schaltmittel erfolgen. Die Steuerung geschieht dabei
erfindungsgemäß dadurch, daß das Steuerschiebersystetn durch Abkoppelung an den
schwingenden Arbeitskolben mitgenommen wird, wobei durch Resonanzabstimmung erreicht
wird, daß der Steuerschieher unabhängig von seiner Dämpfung dem Arbeitskolben cgo°
phasenverspätet folgt, wodurch die im :1rl)eitsz\-licider auftretenden Druckstöße
mit bestmöglichem Wirkungsgrad gleichgerichtet werden.
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Die Zeichnung zeigt in Fig. i den prinzipiellen Aufbau einer derartig°n
selbstgesteuerten, einfach wirkenden Schwingpumpe und in Fig. z die Phasenverhältnisse
der Steuerung, in Fig. 3 die selbsttätige Hubregelung, in Fig.4 den prinzipiellen
Aufbau einer doppeltwirkenden Schwingpumpe, in Fig. 5 eine einfach wirkende Schwingpumpe
mit getrenntem Pumpen- und Steuerteil und in Fig.6 eine selbstgesteuerte Schwingpumpe
zur Preß luf terzeugung.
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In Fig. i stellt i einen normalen Wech-selstrommagneten dar, der mit
Wechselstrom von 5o Hz gespeist wird. z ist der Anker des Magneten, 3 ein Verbindungsstück,
das den Anker 2 mit den Zugfedern 6 und dem Arbeitskolben 4 verlrindet. 5 ist
das
feststehende Zylindergehäuse von Arbeitskolben 4 und Steuerschieber 7. Der Anker
2 ist ferner mit je einem Federpaar 9, io über die Schwinge i i mit dem Steuerschieber
7 elastisch verbunden. Die Federn stützen sich gegen das Verbindungsstück 3 mit
dem Bolzen 8 oben und unten ab, wobei die Federvorspannung durch die Muttern 16
geändert werden kann. Der Druckraum der Pumpe ist über die Öffnung 15 mit der Öffnung
12 des Steuerschieberteils verbunden. Das Druckmittel wird 'bei 13 angesaugt und
bei 14 zum Druckspeicher abgeführt.
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Die Wirkungsweise wird in Verbindung mit Fig. 2 erläutert. Die Zugfedern
6 seien so bemessen, daß sie den Anker bei Nulldurchgang der Magnetzugkraft mit
Sicherheit entgegen der Reibung der gleitenden Teile und des Ankergewichtes abheben.
Ihre Zugkraft ist also relativ klein gegenüber der maximalen Kraft am Arbeitskolben.
Bei einem einfachen, nicht polarisierten Wechselstrommagneten ändert sich die Zugkraft
P sinusförmig mit doppelter Netzfrequenz (s. Fig.2). Entsprechend hat der Hub x
des Arbeitskolbens 4 einen periodischen Verlauf mit doppelter Netzfrequenz. Die
Masse des Steuerschiebers 7 bildet nun zusammen mit den Koppelfedern io und 9 ein
schwingungsfähiges Gebilde, das durch entsprechende Wahl der Federkonstanten dieser
Koppelfedern oder der Steuerschiebermasse auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmt
ist. Es ist bekannt, daß ein Schwingungssystem, das sich in Resonanz mit der anstoßenden
Kraft befindet, einen Ausschlag y macht, der der erregenden Kraft, die proportional
x ist, gerade um jo° nacheilt. Die Steuerschieberamplitude y ist also gegenüber
der Arbeitskolbenamplitude gerade um 9o° phasenverspätet, was die richtige Bedingung
für die Steuerschieberbewegung ist. Bewegt sich z. B. der Arbeitskolben 4 von seinem
tiefsten Punkt nach oben in + x-Richtung, so steht der Steuerschieber ? gerade in
der Nulllage und bewegt sich nach unten, - y-Richtung. Das im Druckraum verdichtete
Druckmittel strömt also über die Öffnungen 15, 12 und 14 zum Druckspeicher, und
zwar ist die Öffnung 14 gerade so lange geöffnet, bis der Arbeitskolben in seiner
obersten Endlage angekommen ist. Dann schwingt der Steuerschieber in + y-Richtung
nach oben durch und gibt die Ansaugöffnung 13 frei, während sich der Arbeitskolben
4 in -x-Richtung von oben nach unten bewegt und das Druckmittel über die Öffnungen
15, 12, 13 ansaugt.
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Um die Arbeit der Schwingpumpe von den Spannungsschwankungen möglichst
unabhängig zu machen, empfiehlt es sich, die Spule des Antriebsmagneten so auszulegen,
daß bei Nennspannung bereits Sättigung im Kern des Magneten eingetreten ist, so
daß der Magnetisierungsstrom sich zwar entsprechend der Spannungsschwankung ändern
kann, der von ihm ergeugte Fluß im Luftspalt sich aber im Bereich der größtmöglichen
Spannungsschwankungen von ± ioo/o praktisch nicht ändert.
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Die Resonanzfeinabstimmung erfolgt zweckmäßig durch Ändern der Steuerschiebermasse,
indem kleine Zusatzgewichte an- oder abgeschraubt werden, oder der Steuerschieber
erhält eine einstellbare Zusatzfeder, die sich gegen das Steuerschiebergehäuse abstützt
und als Parallelfeder zum Koppelfedersystem 9, io wirkt. Die Nulljustierung des
Steuerschiebers erfolgt durch Ändern der Vor-Spannung der Koppelfedern 9, io mittels
der Muttern 16. Die Resonanzabstimmung wird dadurch nicht geändert, da die Größe
der Vorspannung der Koppelfedern 9, io keinen Einfluß auf die Federkonstante hat.
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Durch die Resonanzabstimmung tritt ferner eine wirkungsvolle Vergrößerung
der Steuerschieberamplitude y gegenüber der anregenden Amplitude
x
ein. Der relativ ;kleine Hub des Wechselstrommagneten würde zur Ausführung
von Steuerbewegungen kaum ausreichen, die Steuerschlitze müßten außerordentlich
klein werden, was für das Druckmittel einen großen Strömungswiderstand darstellt.
Durch die Resonanzabstimmung kann der Steuer-Schieber nun wesentlich größere Hübe
als der Arbeitskolben ausführen, so daß genügend große Steuerschlitze vorgesehen
werden können und der Steuerschieber verhältnismäßig leicht herzustellen ist. Die
Einstellung des maximalen Steuerschieberausschlages erfolgt durch Einstellen einer
auf den Steuerschieber wirkenden Dämpfung mittels eines zusätzlichen Dämpfungskolbens
oder nach Fig.4 mittels des Lecköles.
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Das Arbeitskolbensystem wird zweckmäßig auf die Frequenz des erregenden
Systems abgestimmt, um ein Höchstmaß an Energie übertragen zu können.
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Aus Fig. 3 ist die Wirkungsweise der selbsttätigen Hubregelung einer
derartigen Schwingpumpe in Verbindung mit einem Druckspeicher ersichtlich. Die Gegenkraft
PG am Arbeitskolben, herrührend vom Druck des Druckspeichers, der an die Öffnung
14 des Steuerschiebers angeschlossen ist, ist unabhängig vom Kolbenhub x (gestrichelte
Kurven in Fig. 3). Die tatsächlichen Gegenkraftkurven PG = f (x) sind dagegen
unter dem Einfluß der Lüftungsfedern 6 schwach ansteigend. Die Zugkraft P des Wechselstrommagneten
ändert sich sinusförmig mit der Zeit. Aus den beiden Diagrammen PG = f (x)
und P = f (t) ergibt sich, da in jedem Zeitaugenblick PG = P ist, unter Vernachlässigung
der Massenkraft ein Diagramm x = f
(t), das den Hubverlauf des Arbeitskolbens
3 in Abhängigkeit von der Zeit bei verschiedenen Drücken im Druckspeicher zeigt.
Man erkennt, daß bei dem gewählten Beispiel bei p = So atü im Druckspeicher die
Schwingpumpe gerade noch den vollen Hub x = H ausführen kann, während bei
p = 55 atü die Schwingpumpe bei x = C stehenbleibt und damit selbsttätig
eine obere Druckgrenze einhält. Sobald der Druck im Druckspeicher absinkt, springt
die Pumpe selbsttätig an und fördert so lange, bis der maximale Druck von 55 atü
wieder erreicht ist.
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Bei Verwendung eines polarisierten Wechselstrommagneten kann die Schwingpumpe
nach der schematischen Darstellung von Fig.4 auch
doppeltwirkend
ausgebildet werden. Die Positionen 2. ,4, 5, 7, q sind mit denen von Fig. i identisch.
Der Arbeitskolben .4 und der Steuerschieber 7 sind doppeltwirkend, 17 ist die Ansaugleitung
für das Druckmittel, 18 ist die Druckleitung und i9 die I.eckölleitung mit einem
einstellbaren Drosselventil. Durch die Resothanzabstimmung des SteuerschiebersYstems
7, y auf die Schwingung des Arbeitskolbens, die heim polarisierten Magneten mit
Netzfrequenz erfolgt, ist der Steuerschieber wieder 9o° gegenüber dem Arbeitskolben
phasenverspätet. Bei einer Aufwärtsbewegung des Arbeitskolbens aus der untersten
Endlage bewegt sich also der Steuerschieber aus der Mittellage nach unten, das Druckmittel
wird im Raum oberhalb des Arbeitskolbens verdichtet und gelangt in die Druckleitung
18, während gleichzeitig über die Leitung 17 aus dem Behälter 20 Druckmittel in
den Raum unterhalb des Arbeitskolbens nachgesaugt wird usw. Das Lecköl Hießt über
(las Drosselventil i9 zum Ölbehälter 20 zurück. \lit Hilfe dieses Drosselventils
kann die Dämpfung des Steuerschiebers 7 eingestellt werden, so (laß der maximale
Hub innerhalb der gewünschtenGrenzen bleibt. Statt dessen können auch die Leckölbohrungen
derart angeordnet sein, daß beim Erreichen eines bestimmten Hubes des Steuerschiebers
der Schieber die Leckölbohrungen überdeckt. Dadurch wird beim Überschreiten dieses
Hubes eine starke Dämpfung des Steuerschiebers und damit eine Hubbegrenzung erreicht.
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Nach Fig. 5 kann die Erregung des Steuerschiebersystems auch mit Hilfe
des Druckmittels erfolgen, so daß z. 13. eine räumliche Trennung von Pumpen- und
Steuerschieberteil möglich ist bzw. die elastische Kopplung zwischen Arbeitskolben
und Steuerschieber wegfallen kann. Der Pumpenteil entspricht der Anordnung nach
Fig. i, die Fe-(lern 6° und 6b sind jedoch als Druckfedern ausgebildet und sollen
so bemessen sein, daß sie bei angezogenem Anker eine Druckkraft entwickeln, die
gerade gleich der Magnetkraft ist. Die Verdichtung des Druckmittels erfolgt dann
durch diese Federkraft, während die Magnetkraft zum Spannen der Federn dient. Dadurch
wird der Aufbau des Pumpenteils einfacher, wobei die Anordnungen sowohl nach Fig.
i als nach Fig. 5 besondere Dichtungen auf der Druckseite des Arbeitskolbens vermeiden.
Die Charakteristik der Druckfedern bestimmt dann die Charakteristik der Pumpe. Bei
kleinem Gegendruck ist die Fördermenge groß, mit Zunahme des Gegendruckes wird sie
kleiner. Diese Art des Pumpenaufbaues kann mit gleichem Vorteil auch bei Pumpen
mit Federkopplung gemäß Fig. i vorgesehen werden.
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Beim Steuerschieberteil bedeutet 15 die Zuleitung der 1'unipe, i;4
die Druckleitung, 13 die Ansaugleitung und 21 die Leckölleitung mit der Einstelldrossel
i9. lm Gehäuse 22 mit der durchbohrten Trennwand 23 bewegt sich der Steuerschieberko11>en
7, der mit dem Federsystem io gekoppelt ist und auf die doppelte Netzfrequenz abgestimmt
wird, wemi der Wechselstrommagnet nicht polarisiert ist. Der Anstoß des Steuerschieberschwingungssystems
und die Aufrechterhaltung der Steuerschieberschwingungen erfolgen durch die periodischen
Druckschwankungen in der Leitung 15. Die Trennwand 23 ist durchbohrt. Dadurch wird
erreicht, daß der mittlere statische Druck in der Leitung 15 kein Reaktionsmoment
auf den Steuerschieber 17 im Sinne einer Nullpunktverschiebung nach oben hervorrufen
kann, dagegen können die dem mittleren Druck überlagerten Druckwellen mit doppelter
Netzfrequenz sich nicht sofort in den Räumen 24 und 25 ausgleichen und bewirken
so erfindungsgemäß die Anfachung und Aufrechterhaltung der Steuerschieberschwingung.
Die Abstimmung des Steuerschiebersystems und seine Nulljustierung können jetzt in
einfacher Weise mit dem Federsystem To erfolgen. Die Amplitudeneinstelhing des Steuerschiebers
erfolgt wieder durch die Drossel i9.
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Das gleiche Prinzip läßt sich auch vorteilhaft für pneumatische Schwingpumpen
kleinerer Leistungen verwenden. Dabei werden an Stelle der schwingenden Kolben zweckmäßig
Membrane zur. Umgehung der Dichtungsschwierigkeiten genommen.
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An Stelle der Schwingpumpe mit Längsschwingungen lassen sich auch
Schwingpumpen mit Drehschwingungen ausführen, wenn an Stelle der Kolben- oder Membranpumpe
eine oszillierende Drehflügelpumpe genommen wird, die von einem Drehschwingmagneten
bewegt wird. Als Steuerorgan dient ein elastisch mittels Federn angekoppelter Drehschieber,
der zu den Bewegungen der oszillierenden Pumpe auf Resonanz abgestimmt wird, oder
es erfolgt nach Fig. 5 eine Ankopplung des mittels Federn schwingungsfähig gemachten
Drehschiebersystems an die Schwingpumpe über das Druckmittel.
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Als Antriebsmagnet kann mit Vorteil ein Magnetsystem mit frei schwingendem
Anker verwendet werden.