DE552836C - Elektromagnetisch betaetigte Pumpe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetisch betätigte Pumpe, insbesondere für Kältemaschinen, bei der das Förderorgan durch die Stromfrequenzen bei Wechsel- bzw. Drehstrom ohne Zwischenschaltung einer besonderen, niedrige Frequenzen erzeugenden Einrichtung bewegt wird und besteht im wesentlichen darin, daß das Förderorgan als Membran ausgebildet ist, die unmittelbar auf dem ringförmigen Pol eines Glockenmagneten aufliegt und von dem zentralen Pol angezogen wird.

Die Verwendung von Membranen in Verbindung mit elektromagnetischen Einrichtungen ist an sich bereits bekannt, doch stehen sie bei den bekannten Einrichtungen mit mehr oder weniger großen Massen in Verbindung, so daß sie für hohe Frequenzen, wie sie bei dem üblichen Wechsel- oder Drehstrom vorkommen, nicht unmittelbar verwendet werden können, sondern erst die Zwischenschaltung eines besonderen Stromunterbrechers erfordern. Es ist auch schon bereits vorgeschlagen worden, die Kolben bzw. Membranen unmittelbar dem Einfluß von durch Wechselstrom gespeisten Elektromagneten auszusetzen; bei dieser bekannten Einrichtung wirkt jedoch nur ein Pol auf das Arbeitsorgan, und es kann mithin der mechanische Nutzeffekt wegen des hierbei entstehenden großen magnetischen Widerstandes nur von untergeordneter Bedeutung sein

Diese Unvollkommenheiten werden bei dem Gegenstande der vorliegenden Erfindung dadurch behoben, daß der Elektromagnet eine glockenförmige Ausgestaltung mit einem ein wenig zurücktretenden, zentral angeordneten Gegenpol erhält, und die Membran als Arbeitsorgan auf dem kranzförmigen äußeren Glockenmantelpol zur Auflage gelangt. Bei Erregung des Elektromagneten wird nun diese Membran durch den zentral angeordneten Pol arbeitleistend angezogen und elastisch ausgebogen, wobei durch entsprechende ergänzende Maßnahmen, wie noch näher ausgeführt, eine Pumpwirkung herbeigeführt werden kann. Bei dieser erfmdungs-· gemäßen Anordnung werden also die beiden Pole des Elektromagneten von der Membran überbrückt, und es wird der magnetische Kraftlinienfluß im Eisenmaterial bis auf den geringen arbeitenden Luftspalt zwischen Membran und zentralem Magnetpol vollständig kurzgeschlossen. Die Energieumwandlungen erreichen hierbei also einen größtmöglichen Wirkungsgrad, die Kraftwirkung auf die Membran erreicht hierbei einen größtmöglichen Wert und ermöglicht es wegen der geringen Masse der Membran, eine mit dem normalen Wechsel- bzw. Drehstrom übereinstimmende Arbeitsfrequenz der Hubmembran zu erreichen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel dieser Erfindung schematisch dar-

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gestellt. Abb. ι zeigt einen Schnitt durch eine Pumpe, während Abb. 2 einen Schnitt nach A-B zur Veranschaulichung der verteilten Anordnung der Magnetlamellen am Umfang der Membran darstellt.

Es bedeutet in der Zeichnung α einen Elektromagneten, der durch die Spule b, die von Wechselstrom oder pulsierendem Gleichstrom durchflossen wird, erregt wird, c ist eine vom Elektromagneten beeinflußte Membran, die zweckmäßig gleichzeitig nach Art der Telephonmembranen als Anker ausgebildet ist. Erfindungsgemäß erhält der Elektromagnet zweckmäßig eine glockenartige Ausgestaltung derart, daß zentral ein gegen die anderen Magnetschenkel etwas zurücktretender Pol d angeordnet ist, während der andere Pol e auf den äußeren Rand der Membran glocken- bzw. ringförmig dicht aufsitzt, so als unmittelbares Widerlager für die Membran wirkend. Sämtliche durch das elektromagnetische System hierbei ausgelösten Kräfte werden also von diesen Gegenpolen unmittelbar und direkt aufgenommen, und es findet keinerlei Übertragung magnetischer Kräfte durch anderweitige Gehäuseteile statt; Glockenmagnet mit Membran stellen also ein in sich geschlossenes Schwingungssystem dar. Außerdem wird bei dieser Anordnung der Membran die elektromagnetische Kraft besonders stark, da hierbei der magnetische Kraftlinienfluß nur durch einen arbeitenden Luftspalt zwischen der Membran und dem zentralen Pol d besteht. Wegen des allseitig zentral verlaufenden Kraftlinienverlaufs in der Membran wird zudem der Membranquerschnitt für den Kraftlinienfluß denkbar günstig ausgenutzt. Da mit Rücksicht auf die hohen Wechsel- bzw. zwecks Vermeidung zu großer Wirbelstromverluste der Elektromagnet nach Transformatorenart aus einem Paket einzelner Bleche hergestellt werden muß, so werden nach Abb. 2 die einzelnen Magnetlamellen vom Kern ab so seitlich abgebogen, daß die einzelnen Lamellen des Pols e sich kranzförmig und konzentrisch um den zentralen Pol d auf den äußeren Rand der Arbeitsmembran aufsetzen. Hierdurch wird die gleiche, oben in bezug auf einen reinen Glockenmagneten erläuterte Wirkung erzielt. Die unteren Polenden e werden hierbei zwecks Erzielung eines geringeren magnetischen Übergangswiderstandes zur Membran zweckmäßig etwas umgebogen (s. Abb.2 oben), wodurch eine größere Berührungsfläche und mithin ein geringerer Übergangswiderstand erzielt wird.

Erfindungsgemäß wird ferner zwecks Erzielung einer hohen Kraftwirkung bei hohen So Membranausschlägen an Stelle einer Membran eine größere Anzahl verhältnismäßig sehr dünner Membranen, die zu einem Paket, innerhalb dessen sie relative gegenseitige Verschiebungsfreiheiten -besitzen, vereinigt sind, verwendet. Die dünnen Membranen an sich ermöglichen hohe Hubwege der Membranen, während durch die Vereinigung einer größeren Anzahl dieser der resultierende Gesamtquerschnitt auf die Größenordnung des Querschnittes des Elektromagneten gebracht werden kann, so daß eine Drosselung der magnetischen Kraftlinien durch den geringen Einzelmembranquerschnitt bzw. eine Erhöhung des resultierenden magnetischen Widerstandes durch die Membran nicht bewirkt wird und diese so zu hohen Kraftentfaltungen befähigen. Dieses erfindungsgemäße Membranpaket ermöglicht also große Arbeitsleistungen sowohl hinsichtlich des Arbeitsvolumens als auch des Druckes.

Zwecks Erzielung eines störungsfreien, sicheren Arbeitens wird nach der Erfindung die Anordnung der Arbeits- und Druckräume so· getroffen, daß der Arbeitsraum auf der dem Kraftliniensystem abgekehrten Seite der Membran angeordnet wird, während auf der dem Magneten zugekehrten Seite das unter Druck befindliche Fördermedium wirkt. Zu diesem Zwecke ist das Magnetsystem von einer druckfesten Kapsel i umhüllt, die mit der Gegenplatte für die Membran f dicht abschließend verbunden ist. Durch diese Maßnahme wird bewirkt, daß bei elektrischer Erregung des Magneten die Membran unter Überwindung des auf ihr lastenden Druckes das zu fördernde Medium ansaugt, während in der Phase der Entmagnetisierung der auf der Magnetseite lastende hohe Druck ein sicheres Abdrücken der Membran von dem Magnetpol d gewährleistet. Die verhältnismäßig hohe Druckwirkung sichert ein schnelles Zurückschnellen der Membran in die Ruhelage und damit ein sicheres Arbeiten dieser Einrichtung auch bei hoher Frequenz, wie es z. B. bei den normalen Wechselströmen von 50 Hertz in der Regel der Fall ist.

Die Membran wird zweckmäßig unmittelbar auf eine ebene Platte f aufgebracht, auf der sie dicht abschließend ruht. Hierdurch wird also der tote Raum auf einen Wert von praktisch gleich 0 gebracht und damit ein hoher Wirkungsgrad auch speziell bei hoher Verdichtung von Gasen erzielt. Diese Gegenplatte b muß natürlich aus einem nichtmagnetischen Material bzw. Metall angefertigt werden, um im magnetischen Kraftlinien verlauf keine· Störungen eintreten zu lassen. Speziell bei der Ausbildung dieser Membranpumpe für Ammoniakkältemaschinen wird man hierfür beispielsweise zweckmäßig Aluminium wählen, weil dieses einerseits unmagnetisch und anderseits gegen chemische Angriffe von

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Ammoniak unempfindlich ist. Ein geräuschvoller Gang ist durch die dichte Anlagerung der Alembran c an die Gegenfläche / in der Ruhelage nicht zu befürchten, da die zwischen Membran und Gegenfläche befindliche Förderflüssigkeit in der letzten Phase wegen der \^Terdichtung auf den auf der anderen Membranseite wirkenden Verdichtungsdruck als Puffer wirkt und so ein Aufschlagen der

to Membran verhütet.

Die Anordnung der Ventile kann an sich in üblicher Weise erfolgen, etwa indem sowohl Saug- als auch Druckventil in die feste Platte / eingebaut sind. Auch kann das Druckventil in die Membran selbst eingebaut werden, da nach dem Vorangegangenen die dem Magneten zugekehrte Membran unter der Wirkung des Druckraumes stehen soll. Eine besonders zweckmäßige Lösung besteht nach der zeichnerischen Darstellung jedoch darin, daß das Saugventil g in der Mitte so angeordnet wird, daß es in geschlossenem Zustand mit seiner Oberfläche mit der Auflagerfläche für die Membran gerade abschneidet, so daß praktisch jeder tote Raum durch das Ventil vermieden wird. Außerdem wird durch die zentrale Lage sofort beim ersten Anhub der Membran ein Öffnen des Ventils erreicht. Der Auslaß erfolgt hierbei zweckmäßig ohne besonderes Druckventil, da bei dem Verdichtungshube das verdichtete Medium, wie in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet, über den Rand der Membran in den von der Kapsel i umschlossenen Druckraum entweicht.

Um eine wirksame Austrittswirkung zu erzielen, wird die unterste auflagernde Membran größer ausgeführt und in größeren Abständen durch Befestigungsschrauben festgehalten (s. Abb. 2). Bei den Saughüben wird hierbei durch den auf dem dünnen Membranrand lastenden Überdruck ein sicherer Abschluß gegen den Druckraum erzielt, während bei der Druckperiode, nach Erreichen des äußeren Druckes, das zu fördernde Medium in Richtung der gestrichelten Pfeile in den Zwischenräumen zwischen benachbarten Befestigungsschrauben durch den Auflagerrand hindurchgepreßt wird. Um diese Ventilwirkung des Membranrandes zu erhöhen, kann an Stelle der untersten Eisenmembran auch eine nachgiebige, elastische, z. B. aus Gummi, vorgesehen werden. Durch diese Maßnahme wird auch ein geräuschloseres Aufschlagen der Membran auf die Gegenfläche in erhöhtem Maße gewährleistet.

Erreicht beim Verdichtungshub das Medium im Arbeitsraum die Dichte des auf die Oberseite der Membran wirkenden Druckes, so kann in der Folge das Herauspressen aus dem Arbeitsraum in den Druckraum nur durch die elastische Spannung der Membran erfolgen. Diese nimmt aber mit Annäherung an die Ruhelage bis auf den Wert 0 ab. Aus dem Grunde ist zwecks Erzielung einer vollen Ausnutzung des Arbeitsraumes bzw. eines restlosen Herausdrückens des Verdichtungsmediums in den Verdichtungsraum auch bei höchster Arbeitsfrequenz eine zusätzliche Druckwirkung zweckmäßig, was nach der Zeichnung durch eine auf die Membran c wirkende Druckfeder /; erfolgt.

Die vorstehend beschriebene Einrichtung ist natürlich auch für eine Reihe anderer Zwecke geeignet, z. B. als Ersatz für Ventilatoren zur Förderung größerer Luftmassen bei geringen Verdichtungsdrücken. Zur Erzielung dieses Effektes wird man mit großen Membranen (große Arbeitsräume) und relativ kleinen Magnetquerschnitten (geringer Verdichtungsdruck) zu arbeiten haben, wie überhaupt das Verhältnis der Membran zum Magnetquerschnitt im allgemeinen ein Maß für den Verdichtungsdruck abgibt. In dieser Form eignet sich diese Vorrichtung insbesondere für Staubsauger und ähnliche Geräte. Der hauptsächlichste Vorteil dieser Einrichtung gegenüber den sonst für Staubsauger üblichen Ventilatoren besteht im wesentlichen neben der mechanischen Einfachheit darin, daß hierbei die Reinigungsluft nicht dem Gesamtdruckverlust (Schleuderwirkung der Ventilatorflügel) des Staubsaugers nach, sondern dem Saugvolumen (Arbeitsvolumen der Membran) nach gefördert wird. Während also bei dem ersten Fall Luft um so weniger hindurchgesaugt wird, je dichter die Saugöffnung auf den zu reinigenden Gegenstand aufgesetzt wird und der Energieverbrauch am größten wird, wenn überhaupt keine Nutzarbeit geleistet wird, nämlich bei frei in den Raum mündender Saugmündung, wird bei der vorliegenden Einrichtung umgekehrt die Luft mit um so größerer Kraft zwischen zu reinigendem Gegenstand und Mündungsrand wegen des Arbeitens auf konstantes Arbeitsvolumen hindurchgesaugt, je kleiner dieser Saugquerschnitt wird, während anderseits bei einer Nutzleistung gleich 0 auch der Energiebedarf auf einen Mindestbedarf reduziert wird. Ein mit dieser Luftfördereinrichtung ausgestatteter Staubsauger arbeitet also* in jeder Beziehung wirkungsvoller und ökonomischer.

Eine andere zweckmäßige Nutzanwendung dieser Erfindungsidee besteht auch in der Herstellung wirkungsvoller Lautsprecher, da in diesem Fall im Rhythmus der wiederzugebenden Laute ein von der Membran gesteuerter Luftstrom erzeugt wird; bekanntlich sind aber einem Luftstrom aufgedrückte iao Tonschwingungen wesentlich wirkungsvoller als stehende Tonwellen (vgl. Brustton eines

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mit einem ausgeatmeten Luftstrom gesprochenen Wortes einerseits und ein mit verhaltenem Atem gesprochenes Wort).

Auch kann diese hier behandelte Einrichtung ohne gleichzeitige Mediumförderung für verschiedene andere Zwecke nutzbar verwendet werden, beispielsweise als Vibrationsapparat für medizinische Zwecke. Ein weit ausgedehntes Anwendungsgebiet besteht insbesondere zur Schaffung eines nach Art der Preßwerkzeuge arbeitenden Werkzeuges. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß in dem von der Kapsel i umschlossenen Druckraum ein so hoher Druck erzeugt wird, daß dieser sowohl der magnetischen Kraftwirkung als auch dem zusätzlichen Arbeitsdruck auf das Werkzeug das Gleichgewicht hält. Das eigentliche Werkzeug wird hierbei an die Membran in der Mitte befestigt. Mit Rücksieht auf die Massenträgheit des Werkzeuges muß zum Ausgleich ein entsprechend großer Luftdruck gewählt werden, der so bemessen sein muß, daß möglichst die Eigenschwingungszahl dieses Membranwerkzeugsystems (Schwingungselemente: Masse des Werkzeuges + Membran, elastische Kraftwirkung = Luftdruck) der Frequenz des Arbeitsstromes angepaßt wird. Aus diesem Grunde muß der Druck zweckmäßig während der Arbeit einstellbar sein, z. B. in Abhängigkeit vom Anpressungsdruck. Zu beachten ist hierbei, daß der Arbeitsstoß von der Luft erfolgt.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   i. Elektromagnetisch betätigte Pumpe, insbesondere für Kältemaschinen, bei der das Förderorgan durch die Stromfrequenzen bei Wechsel- bzw. Drehstrom ohne Zwischenschaltung einer besonderen, niedrige Frequenzen erzeugenden Einrichtung bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Förderorgan als Membran ausgebildet ist, die unmittelbar auf dem ringförmigen Pol eines Glockenmagneten aufliegt und von dem zentralen Pol angezogen wird.
2. 2. Elektromagnetische Pumpe nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erreichung ausreichender Querschnitte für den magnetischen Kraftlinienfluß bei gleichzeitiger Verwendung dünner nachgiebiger Ankermembranen mehrere solcher zu einem Paket vereinigt werden.
3. 3. Elektromagnetische Pumpe nach Anspruch ι und 2, bei der die Arbeitsmembran gleichzeitig als Trennungswand zwisehen dem Saug- und Druckraum dient, dadurch gekennzeichnet, daß die unterste, den Polen abgewandte Membran, größer als die übrigen gewählt und mit einer beschränkten Anzahl Schrauben auf die Gegenplatte befestigt wird, so daß beim Saughub der Rand durch den vom Magnetraum hier wirkenden Überdruck dicht abschließend auf die Gegenplatte aufgedrückt wird, während bei dem Verdichtungshub bei Erreichen des äußeren Überdruckes das verdichtete Medium durch die Lücken zwischen benachbarten Schrauben heraustreten kann.
4. 4. Elektromagnetische Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenpol des Glockenmagneten in Form gleichmäßig an der Peripherie der Membran verteilter lamellenartiger Teilpole aufgelöst wird.
5. 5. Elektromagnetische Membranpumpe nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Erzielung eines Überdruckes auf die Membran beim Verdichtungshub noch eine besondere, an sich bekannte Überdruckfeder auf die Membran wirkt.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen