WO2008007209A2 - Zylinder-kolbenanordnung für eine fluidpumpe oder einen fluidmotor - Google Patents

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Definitions

  • Cylinder piston assembly for a fluid pump or a fluid motor
  • the invention relates to a cylinder-piston assembly according to the preamble of claim 1.
  • Cylinder piston assemblies of this type are represented in the relevant market, especially as high-pressure water pumps.
  • An essential field of application for pumps of this type is the pressure conveying of contaminated with foreign substances, especially abrasive granules, water. Above all, high-speed machines with high working pressures in the range of a few hundred to one thousand bar are required. The energetic as well as the volumetric efficiency is therefore of great importance.
  • the object of the invention is therefore the creation of pumps or Fluid motors, which are characterized by high efficiencies of the aforementioned type as well as by a long service life.
  • the inventive solution according to this problem is determined by the features of claim 1.
  • Axial Diaphragm Diaphragm Pistons with Internal Working Space provide the foundation for a robust construction with high wear resistance even when operating with abrasive fluids.
  • relatively large dead spaces are generally to be observed here, as a result of which the volumetric efficiency is adversely affected.
  • This problem is solved with the invention, namely with the aid of Totraura displacement bodies. Overall, the invention thus allows a largely optimized design type.
  • Fig.l a partial axial section of a high-pressure pump with a designed as Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben working piston, with which a engaging in the working space and participating in the oscillatory drive motion Totraum- displacement body is coupled; 2 similar to Fig.l part-axial section, also with a designed as Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben piston and a Totraum- displacement body, which is arranged fixed to the frame and due to the oscillatory drive movement of the working piston relative to this in the inner Working space of Axialdehnungs Schlauchmembra ⁇ kolbens engages;
  • 5 is a time graph of the discharge pressure p (bar) for a working piston of a volumetric pump over the time t (msec), for a construction without dead space displacement body.
  • FIG. 6 is a diagram corresponding to Figure 5, but for a construction with dead space displacement body.
  • This latter illustration applies in principle not only to movable, with the Arheitskolben coupled dead space displacement body (see Fig.l), but also for stationary fixed resting and by movement of the working space in this engaging dead space displacement body (see Figures 2 to 4) , this comes especially when using Axiaidehungs- hose diaphragm piston into consideration,
  • a working piston provided with an axial expansion hose diaphragm (briefly referred to as ASK in the upper dead center position) is coupled at its lower end to an oscillating drive device AVO shown here only schematically by a downward arrow.
  • the upper end of the Axialdehnngs-Schlauchmembrankolbens ASK is arranged fixed to the frame and surrounds a Ei ⁇ lasskanälc EK fed, designed as a check valve inlet valve EV ,
  • the downwardly extending, hohlylindharide section Z of Axialdehnngs-Schlauchmembrankolbens is mounted axially displaceable with a lubrication, not shown here in a housing bore GB .
  • an oscillating working space AR is formed, from which a coaxial delivery channel FK leads to an exhaust valve also designed as a check valve AV and to an outlet channel AK.
  • the dead space displacement body TK1 engaging in the working space AR according to FIG. 1 effects the control of the pressure increase as well as the pressure drop illustrated in FIG. 6, in other words a substantial improvement in the volumetric efficiency.
  • a gestreiftester dead space displacement body TK2a is provided, however, due to the arrangement of the working space AR within the Axialdehnngs- Schlauchmembrankolbens ASK and thus given the given by the pump drive relative movement between Axialdehnngs-Schlauchmembrankolben and dead space displacement body TK2a turn in engages the working space AR and causes a similar improvement of the volumetric efficiency.
  • particularly advantageous here is the reduction of the moving mass as a result of the frame-fixed dead space displacement body.
  • Inlet valve EV and outlet valve AV are formed analogously to the embodiment according to FIG. 1, but the connection between the working space and the outlet valve D is given by a longer coaxial channel KOK in the dead space displacement body and in the inlet valve. The associated reduction in dead space displacement can be kept practically within reasonable limits.
  • an inner flow and an outer flow of the working fluid with a flow deflection in an opening or end region of the dead space displacement body are provided for the displacement body.
  • a particularly intensive flushing of the working space and the valves in view of accumulation of residues and impurities, but also of kompresskms mitigating i-uftein Whyn after prolonged downtime allows.
  • a frame-fixed dead space displacement body TK2b is provided, with the corresponding dynamic advantages.
  • the fluid outlet takes place from the working space AR via transverse bores BQ immediately below the inlet valve EV and a short and therefore virtually harmless longitudinal channel LK.
  • valve body K embodied as a partial spherical shell is mounted pivotably about the ball center point relative to a correspondingly shaped valve seat.
  • a longitudinal guide means of a pivot guide SF and a centering ZG is connected to the valve body K by a tight-elastic snap-SV, so that for the pivot guide SF relatively light and vibration damping material comes into consideration.
  • the inner bore of the pivot guide is formed slightly toroidal with a suitable play sliding fit for the Zentrieglied ZG.
  • Such a construction has proven itself by high stability and wear resistance.

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Abstract

Gattungsmerkmale der Erfindung: Zylinder-Kolbenanordnung für eine insbesondere volumetrisch wirkende Fluidpumpe oder einen Fluidmotor, vorzugsweise mit wenigstens einem Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben, der mindestens einen innenliegenden, pulsierenden Arbeitsraum begrenzt. Aufgabenmekmale der Erfindung: Ein wesentliches Einsatzfeld für Pumpen bzw. Motoren dieser Art ist der Betrieb mit Fluiden, die mit Fremdstoffen, insbeson¬ dere auch abrasiven Granulaten, beladen sind. Vor allem sind dabei Schnellläufer mit hohen Arbeitsdrücken im Bereich von einigen hundert bis zu eintausend bar gefragt. Dem energe¬ tischen wie auch dem volumetrischen Wirkungsgrad kommt daher grosse Bedeutung zu. Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Pumpen bzw. Fluidmotoren, die sich durch hohe Wirkungsgrade sowie durch hohe Lebensdauer auszeichnen. Lösungsmerkmale der Erfindung: Es ist mindestens ein Totraum-Verdrängungskörper (TK1) vorgesehen, der mit dem pulsierenden Arbeitsraum (AR) in Wirkverbindung steht.

Description

Zylinder-Kolbenanordnung für eine Fluidpumpe oder einen Fluidmotor
Die Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolbenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zylinder-Kolbenanordnungen dieser Art sind auf dem einschlägigen Markt vertreten, insbesondere als Hochdruck-Wasserpumpen.
Ein wesentliches Einsatzfeld für Pumpen dieser Art ist die Druckförderung von mit Fremdstoffen, insbesondere auch abrasiven Granulaten, beladenem Wasser. Vor allem sind dabei Schnellläufer mit hohen Arbeitsdrücken im Bereich von einigen hundert bis zu eintausend bar gefragt. Dem energetischen wie auch dem volumetrischen Wirkungsgrad kommt daher grosse Bedeutung zu.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung von Pumpen Bzw. Fluidmotoren, die sich durch hohe Wirkungsgrade der vorgenannten Art sowie durch hohe Lebensdauer auszeichnen. Die erfind ungsgemässe Lösung dieser Aufgabe ist bestimmt durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Weiterbildungen und Varianten, auch solche, die nicht in jedem Fall zu realisieren sind, ergeben sich durch Merkmale und Merkmalskombinationen bzw. Kombinationen von Unteransprüchen, gegebenenfalls einschliesslich von fakultativen Merkmalen oder Merkmalskombinationen.
Axialdehmmgs-Schlauchmembrankolben mit iπnenliegendem Arbeitsraum bieten die Grundlage für eine robuste Konstruktion mit hoher Verschleissbeständigkeit, auch beim Betrieb mit abrasiven Fluiden. Allerdings sind hier aus konstruktiven Gründen im allgemeinen relativ grosse Toträume einzuhalten, wodurch der volumetrische Wirkungsgrad nachteilig beeinflusst wird.. Gerade dieses Problem wird mit der Erfindung gelöst, nämlich mit Hilfe von Totraura-Verdränguπgskörpern. Insgesamt ermöglicht die Erfindung damit einen weitgehend optimierten Konstruktionstyp.
Die Erfindung wird weiter unter Bezugnahme auf die in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert Darin zeigt:
Fig.l einen Teil-Axialschnitt einer Hochdruckpumpe mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildetem Arbeitskolben, mit dem ein in den Arbeitsraum eingreifender und an der oszillatorischen Antriebsbewegung teilnehmender Totraum- Verdrängungskörper gekuppelt ist; Fig.2 einen zu Fig.l ähnlichen Teil-Axialschnitt, ebenfalls mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildeten Arbeitskolben sowie mit einem Totraum- Verdrängungskörper, der jedoch in der Pumpe gestellfest angeordnet ist und infolge der oszillatorischen Antriebsbewegung des Arbeitskolbens relativ zu diesem in den innenliegenden Arbeitsraum des Axialdehnungs-Schlauchmembraπkolbens eingreift;
Fig.3 einen zu Fig.2 ähnlichen Teil-Axialschnitt, ebenfalls mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildeten Arbeitskolben mit innenliegendem Arbeitsraum sowie mit einem gestellfesten Totraum- Verdrängungskörper, jedoch mit andersartigem Strömungsweg des Arbeitsfluids;
Fig.4 einen zu Fig.3 ähnlichen Teil-Axialschπitt, ebenfalls mit einem als Axialdehnungs-Schlauchmembrankolben ausgebildeten Arbeitskolben mit innenliegendem Arbeitsraum sowie mit einem gestellfesten Totraum- Verdrängungskörper, jedoch mit andersartigem Ströraungsweg des Arbeitsfluids und mit ebensolcher Ventilanordnung, insgesamt resultierend in einem weiter reduzierten Totraumvolumen;
Fig.5 ein Zeitdia gra mm des Förderdruckes p (bar) für einen Arbeitskolben einer volumetrischen Pumpe über der Zeit t (msec), und zwar für eine Konstruktion ohne Totraum-Verdrängungskörper; und
Fig.6 ein Diagramm entsprechend Fig.5, jedoch für eine Konstruktion mit Totraum-Verdrängungskörper. Diese letztere Darstellung gilt grundsätzlich nicht nur für bewegliche, mit dem Arheitskolben gekuppelte Totraum-Verdrängungskörper (siehe Fig.l), sondern ebenso für gestellfest ruhende und durch Bewegung des Arbeitsraumes in diesen eingreifende Totraum- Verdrängungskörper (siehe Figuren 2 bis 4), Dies kommt insbesondere bei Einsatz von Axiaidehungs- Schlauchmembrankolben in Betracht,
In derAusführimg gemäss Fig.l ist ein mit einer Axialdehnngs- Schlauchmembran versehener Arbeitskolben (in oberer Totpunktlage dargestellt und im folgenden kurz als ASK bezeichnet) an seinem unteren Ende mit einer hier nur schematisch durch einen abwärts gerichteten Pfeil dargestellten, oszillatorisch wirkenden Antriebsvorrichtung AVO gekuppelt. Das obere Ende des Axialdehnngs-Schlauchmembrankolbens ASK ist gestellfest angeordnet und umgibt ein über Eiπlasskanälc EK gespeistes, als Rückschlagventil ausgebildetes Einlassventil EV, Der sich abwärts erstreckende, hohlylindrische Abschnitt Z des Axialdehnngs-Schlauchmembrankolbens ist mit einer hier nicht dargestellten Schmierung in einer Gehäusebohrung GB axialverschiebbar gelagert. Im Inneren des Axmldehnngs- Schlauchmembrankolbens ASK ist ein oszillierender Arbeitsraum AR gebildet, von dem ein koaxialer Förderkanal FK zu einem ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildeten Auslassventil AV und zu einem Auslasskanal AK führt.
Mit dem Axialdehnngs-Schlauchmembrankolben ASK ist auf der Seite des Arbeitsraumes AR ein im wesentlichen zylindrischer Totraum-Verdrängungskörper TKl verbunden, der hier in der Oberen Totpunktlage dargestellt ist und ersichtlich eine wesent¬ liche Verminderung des wirksamen Totraumes zur Folge hat.
Zur Feststellung der Wirkungsweise dieser Konstruktion ist auf die bereits gegebene Darstellung in dem Figuren 5 und 6 zurückzugreifen.
Dort zeigt das Zeitdiagramm in Fig.5 einen verlangsamten Anstieg des Förderdruckes p für einen Arbeitskolben einer volumetrischen Pumpe für eine Konstruktion ohne Totraum- Verdrängungskörper, Entsprechend verlangsamt ist der Druckabfall am Ende des Fördertaktes. Beides bedeutet eine deutliche Verminderung des auf den Kolbenhub bezogenen Fördervolumens, d.h. des volumetrischen Wirkungsgrades. Der Grund dafür ist die Kompressibilität des im Totraum befindlichen Arbeitsfluids.
Demgegenüber bewirkt der gemäss Fig.l in den Arbeitsraum AR eingreifende Totraum- Verdrängungskörper TKl die in Fig.6 veranschaulichte Versteuerung des Druckanstiegs wie auch des Druckabfalls, insbesamt also eine wesentlich Verbesserung des volumetrischen Wirkungsgrades.
Bei der Ausführung gemäss Fig.2 ist ein gesteiftester Totraum- Verdrängungskörper TK2a vorgesehen, der jedoch infolge der Anordnung des Arbeitsraumes AR innerhalb des Axialdehnngs- Schlauchmembrankolbens ASK und damit wegen der durch den Pumpenantrieb gegebenen Relativbewegung zwischen Axialdehnngs-Schlauchmembrankolben und Totraum- Verdrängungskörper TK2a wiederum in den Arbeitsraum AR eingreift und eine ähnliche Verbesserung des volumetri- schen Wirkungsgrades bewirkt. Besonders vorteilhaft ist hier jedoch die Verminderung der bewegten Masse infolge des gestellfesten Totraum-Verdrängungskörpers.
Einlassventil EV und Auslassventil AV sind analog zur Ausführung nach Fig.l ausgebildet, jedoch ist die Verbindung zwischen Arbeitsraum und Auslassventil ddurch einen längeren Koaxialkanal KOK im Totraum-Verdrängungs-körper und im Einlassventil gegeben. Die damit verbundene Verminderung der Totraumverdrängung kann praktisch in vertretbaren Grenzen gehalten werden.
Besonders vorteilhaft tritt bei bei dieser Ausführung in Erscheinung, dass für den Verdrängungskörpers eine Innendurchströmung und eine Aussenumströmung des Arbeitsfluids mit einer Strömungsumlenkuήg in einem Öffnungsoder Endbereich des Totraum- Verdrängungskörpers gegeben ist. Damit wird u.a. eine besonders intensive Durchspülung des Arbeitsraumes und der Ventile im üinblick auf Ansammlung vυn Rückständen und Verunreinigungen, aber auch von kompresskms mindernden i-ufteinschlüssen nach längeren Stillstandzeiten ermöglicht. Bei der Ausführung nach Fig.3 ist wiederum ein gestellfester Totraum-Verdrängungskörper TK2b vorgesehen, mit den entsprechenden dynamischen Vorteilen. Gleichzeitig ist jedoch durch Fortfall eines vergleichsweise langen, mit dem Arbeitsraum in Verbindung stehenden Koaxialkanals eine Maximierung des Totraum-Verdrängungsvolumend erreicht. Der Fluidauslass erfolgt vom Arbeitsraum AR über Querbohrungen BQ unmittelbar unterhalb des Einlassventils EV sowie einen kurzen und daher praktisch unschädlichen Längskanal LK.
Bei der Ausführung nach Fig.4 ist ebenfalls ein gestellfester Totraum-Verdrängungskörper TK2c mit den entsprechenden dynamischen Vorteilen vorgesehen. Darüber hinaus ist jedoch kompressionsinaktive Anordnung des Auslassventils AV am arbeitsraumseitigen Ende eines Auslass-Koaxialkanals AKOK Für eine optimale Totraumverdrängung gesorgt.
Ergänzend ist noch auf eine Ventilkonstruktion gemäss Fig. 7 hinzuweisen, die insbesondere für Auslassventile in Betracht kommt. Hier ist ein als Teilkugelschale ausgebildeter Ventilkörper K relativ zu einem entsprechend formangepassten Ventilsitz um den Kugelmittelpunkt schwenkbar gelagert. Gleichzeitig bedarf es jedoch auch einer Längsführung mittels einer Schwenkführung SF und eines Zentriergliedes ZG. Letzteres ist mit dem Ventilkörper K durch einen straff-elastischen Schnapp- Verschluss SV verbunden, so dass für die Schwenkführung SF relativ leichtes und schwingungsdämpfendes Material in Betracht kommt. Im Hinblick auf die erwähnte Schwenkbarkeit ist die Innenbohrung der Schwenkführung schwach toroidförmig mit einem geeigneten Spiel-Schiebesitz für das Zentrieglied ZG ausgebildet. Eine solche Konstruktion hat sich durch hohe Stand- und Verschleissbeständigkeit bewährt.

Claims

Ansprüche
1. Zylinder-Kolbenanordnung für eine insbesondere volumetrisch wirkende Fluidpumpe oder einen Fluidmotor, vorzugsweise mit wenigstens einem Axialdehnungs- Schlauchmembrankolben, der mindestens einen innenliegenden, pulsierenden Arbeitsraum begrenzt, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Totraum- Verdrängungs-körper (TK1, TK2a, TK2b. TK2c) vorgesehen ist, der mit dem pulsierenden Arbeitsraum (AR) in Wirkverbindung steht.
2. Zylinder-Kolbenanordnung, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein in den pulsierenden Arbeitsraum (AR) eingreifender Totoraum- Verdrängungskörper vorgesehen ist.
3. Zylinder-Kolbenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für den Totraum- Verdrängungskörper eine Innendurchströmung und eine Aussenumströmung durch das Arbeitsfluid mit einer Strömungsumlenkung in einem Öffnungs- oder Endbereich des Verdrängungskörpers vorgesehen ist.
4. Zylinder-Kolbenanordnung für eine Fluidpumpe oder einen Fluidmotor, mit wenigstens einem Axialdehnungs- Schlauchmembrankolben, der mindestens einen innenliegenden, pulsierenden Arbeitsraum begrenzt, insbesondere nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Fluidströmung mindestens ein als Mehrfachsitz-Hubventil ausgebildetes Einlassventil und/oder ein entsprechendes Auslassventil angeordnet ist, und dass im Bereich zwischen den Sitzen (SI5 S2) dieses Ventils mindestens ein durcch den Ventilhub zwischen Verschluss und Durchlass umsteuerbarer Fluidraum (FR) gebildet ist.
5. Zylinder-Kolbenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Teil der Sitze des Mehrfachsitz-Hubventils weigstens im wesentlichen in einer gemeinsamen Kugelfläche (KF) verlaufende Dichtlinien oder Dichtflächen aufweist.
6. Zylinder-Kolbenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch mindestens einen zwischen Verschluss und Durchlass umsteuerbaren Ventilkörper (VK), der mindestens eine wenigstens im wesentlichen oder wenigstens annähernd als Kugelfläche (KF) ausgebildete Dichtfläche aufweist und relativ zu mindestens einer Dichtlinie oder Dichtfläche beweglich gelagert ist.
7. Zylinder-Kolbenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (VK) um eine wenigstens im wesentlichen oder wenigstens annähernd durch den Mittelpunkt der Kugelfläche (KF) verlaufende Schwenkachse oder einen entsprechenden Schwenkpunkt beweglich gelagert ist.
8. Zylinder-Kolbenanordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dss die Schwenklagerung des Ventilkörpers (VK) eine mit einem konvex oder konkav gewölbten Führungsglied (FG) zusammenwirkende Halterung (HL) aufweist und dass zwischen dem Ventilkörper und der Schwenklagerung ein vorzugsweise elastisch verformbarer Schnappverschluss vorgesehen ist.
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