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Dokumentenidentifikation DE19616125C2 09.09.1999
Titel Kugelkolbenpumpe
Anmelder Hennig, Wolfgang, 14478 Potsdam, DE
Erfinder Hennig, Wolfgang, 14478 Potsdam, DE
Vertreter Kietzmann, M., Dipl.-Ing. Faching. f. Schutzrechtswesen, Pat.-Anw., 10117 Berlin
DE-Anmeldedatum 11.04.1996
DE-Aktenzeichen 19616125
Offenlegungstag 16.10.1997
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 09.09.1999
Veröffentlichungstag im Patentblatt 09.09.1999
IPC-Hauptklasse F04C 3/06

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Kugelkolbenpumpe zum Fördern unterschiedlichster Medien in einem weiten Anwendungsbereich.

Kugelkolbenpumpen arbeiten nach dem Verdrängungsprinzip ähnlich der Hubkolbenpumpen, aber mit einer verbesserten Förderkennlinie, die einer idealen Sinusform entspricht. Sie benötigen außerdem keine Ventile für eine Umkehr der Förderrichtung.

Obwohl Kugelkolbenpumpen seit langem bekannt sind, beschränkte sich ihr bisheriger Einsatz auf Sonderanwendungen. Die Ursache lag in der aufwendigen präzisen Fertigung, um die Reibungs- und Dichtungsprobleme auf ein vertretbares Maß zu reduzieren. Besondere Probleme bereitete die Herstellung der zahlreichen sphärischen Oberflächen in geringen Toleranzen.

Aufgrund der durch die Kugelbauart einleuchtenden drucktechnischen Vorteile, wurde die Kugelkolbenpumpe immer wieder Gegenstand von Erfindungen, ohne daß wesentliche Qualitätssteigerungen gegenüber anderen Pumpenarten, wie Kreisel-, Hubkolben- oder Umlaufkolbenpumpen erreicht werden konnten.

Ein großer Teil bekannter Kugelkolbenpumpen bzw. -motoren arbeitet mit einer Taumelscheibe. In einem kugelförmigen Gehäuse rotiert ein Kreuzgelenk- Drehkolben, der aus einer Kreisscheibe besteht, die zwischen zwei orthogonal zueinander ausgerichteten Halbkreisscheiben gelenkig angeordnet ist. Die Kreisscheibe und die beiden Halbkreisscheiben sind in ihrem Radius so groß ausgeführt, daß sie das kugelförmige Gehäuse voll ausfüllen und somit in vier Kammern aufteilen. Jede der beiden Halbkreisscheiben ist radial in ihrer Mitte mit einem Achsstutzen versehen, von denen der eine als Antriebsachse dient und der andere blind ausgeführt ist.

Werden die so gebildeten Drehachsen der beiden Halbkreisscheiben in einem Winkel zueinander geneigt, entsteht bei Rotation der Achsen eine taumelnde Bewegung der Kreisscheibe und die vier Kammern werden bei einer Umdrehung nacheinander vergrößert und verkleinert.

Der Nachteil dieser Kugelpumpe (bzw. Kngelmotor) besteht in der hohen Belastung und dem damit verbundenen Verschleiß in den Gelenken zwischen der Taumelscheibe und den antreibenden Halbkreisscheiben. Da die Gelenke gleichzeitig der Kraftübertragung dienen, überlagern sich Reibungskräfte und Drehmomente.

In den praktischen Anwendungen von Kugelkolbenpumpen mit Taumelscheiben bestehen die Gelenke aus Gleitflächen, wobei die Halbkreisscheiben an der Kante entlang ihrem Durchmesser zylinderförmig abgerundet sind und in entsprechende gewölbte Nuten an der Taumelscheibe eingreifen. Da diese Gelenke, insbesondere bei hohen Drehzahlen und/oder hohen Drücken, sehr großen Verschleißerscheinungen unterliegen, ist die Anwendung dieser Pumpen begrenzt.

Außerdem müssen bei den bekannten Kugelkolbenpumpen mit Taumelscheiben die zylinderförmigen Gleitflächen, wenn sie großen Drücken standhalten und eine ausreichende Dichtwirkung gewährleisten sollen, sehr breit ausgeführt werden, was den wirksamen Arbeitsraum der Pumpe verringert und ihren Wirkungsgrad verschlechtert.

In der amerikanischen Patentschrift US 295 859 wird eine Rotationsmaschine beschrieben, bei der sich in einem kugelförmigen Arbeitsraum, angetrieben durch eine Welle, ein scheibenförmiger Kolben dreht. Der Arbeitsraum wird durch eine drehbare Scheibe, deren Ebene achsversetzt zur Ebene des Kolbens ausgerichtet ist, in zwei halbkugelförmige Kammern aufgeteilt. Die Ebene des Kolbens durchdringt verschiebbar die Ebene der Scheibe in ihren Durchmesser. Der Kolben wird durch zwei kegelförmige Körper gehalten, die fest mit der Welle verbunden sind und deren Spitzen sich im Zentrum des Arbeitsraumes treffen. Die Flächen Kegelmantels verlaufen radial in einem Winkel entsprechend der Achsversetzung der Scheibe zum Kolben. Bei einer Umdrehung gleiten die Kegelmantelflächen an der Scheibe entlang und der Kolben vergrößert und verkleinert abwechselnd die Kammern.

Der wesentliche Nachteil dieser Erfindung besteht in der starren Verbindung des Kolbens mit der Welle, wodurch die Arbeitskammern aufgrund der Oberflächenform der Kegel nicht vollständig geschlossen werden. Das Medium wird ähnlich wie bei einer Schraubenpumpe von einem Einlaßkanal zu einem Auslaßkanal gewälzt. Der Aufbau ist komplizierter als bei der Schraubenpumpe ohne daß dadurch ein Vorteil erzielt wird.

Die Rotationsmaschine nach der Patentschrift US 991 576 stellt, ohne das Grundprinzip zu verändern, eine verbesserte Weiterentwicklung der US 295 859 dar. Lediglich das Dichtungsproblem zwischen der Scheibe und dem Kolben wurde besser gelöst, was allerdings den Aufbau noch komplizierter werden läßt.

Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, eine Kugelkolbenpumpe zu schaffen, welche einfach und verschleißarm im Aufbau ist, einen hohen Wirkungsgrad besitzt und einen universalen Anwendungsbereich für unterschiedlichste Drücke und Medien zuläßt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nach dem Grundgedanken der Erfindung dreht sich in einem kugelförmigen Arbeitsraum ein flügelartiger Kolben und vollführt dabei gleichzeitig eile Hin- und Herbewegung. Die Umformung der Drehbewegung einer Antriebswelle in eine drehende und pendelnde Bewegung des Kolbens erfolgt durch sich drehende und ineinandergreifende Arbeitselemente innerhalb des kugelförmigen Arbeitsraumes.

Die Kugelkolbenpumpe ist sehr kompakt und druckfest aufgebaut. In den kugelförmigen Arbeitsraum führen nur eine Antriebswelle und die notwendigen Einlaß- und Auslaßkanäle. Die Antriebswelle ist fest mit einer relativ schmalen Antriebsscheibe verbunden, die den Kolben, im weiteren Drehkolben genannt, längs in zwei Hälften teilt und innerhalb des Drehkolbens pendelnd bewegbar ist. Der Drehkolben besitzt achsensymmetrisch zwei Flügel und ist in seiner Drehachse mit Hilfe eines abdichtenden Kolbenführungselementes in einem Führungsring drehbar gelagert. Der Führungsring ist ebenfalls drehbar in einem Durchmesser des kugelförmigen Arbeitsraumes der Kugelkolbenpumpe gelagert, jedoch mit einer ortsfesten Drehachse. Er teilt den kugelförmigen Arbeitsraum in zwei gleich große halbkugelförmige Arbeitskammern auf, so daß ein Flügel des Drehkolbens in die eine Arbeitskammer und der andere Flügel des Drehkolbens in die andere Arbeitskammer ragt.

Über die Antriebswelle und die Antriebsscheibe wird der Drehkolben zusammen mit dem Führungsring in Drehungen versetzt, wobei sich ein Flügel des Drehkolbens in der einen Arbeitskammer und der andere Flügel in der anderen Arbeitskammer dreht. Die Form der Flügel ist dabei derart gestaltet, daß sie dichtend an den halbkugelförmigen Innenräumen der Kammern entlanggleiten. Der Einsatz zusätzlicher Dichtungsmittel, z. B. Kolbenringe, ist möglich.

Eine pendelnde bzw. taumelnde Wirkung des Drehkolbens wird dann erzeugt, wenn die Antriebswelle zusammen mit der Drehachse der Antriebsscheibe gegenüber der Drehachse des Führungsringes um einen Winkel α < 90° geneigt ist. Jetzt pendelt die Antriebsscheibe, die durch die Antriebswelle zwangsgeführt ist, in dem Drehkolben und der Drehkolben pendelt mit Hilfe des Kolbenführungselementes in dem Führungsring, welcher wiederum innerhalb des kugelförmigen Arbeitsraumes zwangsgeführt ist.

Die Bewegung des Drehkolbens ist mit der Bewegung der Taumelscheibe der Kugelkolbenpumpen nach dem Stand der Technik zu vergleichen. Der Unterschied besteht aber in den Mitteln, mit denen diese taumelnde Bewegung erzeugt wird. Bei der Taumelscheibe erfolgt die Kraftübertragung durch relativ schmale Gleitgelenkflächen, welche, will man große Drücke und Kräfte übertragen, relativ breit ausgeführt werden müssen, was auf Kosten des wirksamen Arbeitsvolumens geht.

In der erfindungsgemäßen Lösung wird in den Kolben eine schmale pendelnde Antriebsscheibe, die mit relativ breiten Kraftübertragungsflächen ausgerüstet werden kann, eingesetzt. Auf diese Art und Weise wird der Arbeitsraum optimal ausgenutzt und die Reibung kann an dieser Stelle durch geeignete zusätzliche Mittel, z. B. Kugeln, und/oder eine gesonderte Schmierung verringert werden.

Durch die drehende und pendelnde Bewegung des Drehkolbens wird das zu fördernde Medium von einem Einlaßkanal (Ansaugen) zu einem Auslaßkanal (Ausstoßen) bewegt. Dieser Vorgang läuft synchron in den beiden halbkugelförmigen Arbeitskammern ab, wobei jede der Arbeitskammern mit je einem Einlaßkanal und einem Auslaßkanal versehen ist und die Arbeitskammern durch jeweils einen Flügel des Drehkolbens in zwei Förderkammern aufgeteilt werden. Der Einlaß- und der Auslaßkanal wird derart in die Arbeitskammer geführt, daß bei Bewegung des Drehkolbens immer nur ein Kanal pro Förderkammer freigegeben ist.

Im folgenden wird die Funktionsweise der Kugelkolbenpumpe an Hand der Stellung des Drehkolbens bzw. der Winkelstellung des Führungsringes bei 0°, 90° und 180° beschrieben. Betrachtet wird jeweils nur eine der beiden analog aufgebauten halbkugelförmigen Arbeitskammern:

0°: Die Einlaßöffnung und die Auslaßöffnung ist durch den Flügel des Drehkolbens geschlossen. Die 1. Förderkammer besitzt ein minimales Fördervolumen und die 2. Förderkammer ein maximales Fördervolumen.

90°: Die Einlaßöffnung ist geöffnet und das Medium strömt in die sich vergrößernde 1. Förderkammer. Die Auslaßöffnung ist geöffnet und das Medium strömt aus der sich verkleinernden 2. Förderkammer.

180°: Heide Öffnungen sind geschlossen. Die 1. Förderkammer besitzt ein maximales Fördervolumen und die 2. Förderkammer ein minimales Fördervolumen. Die Stellung des Drehkolbens ist analog wie bei 0°, nur daß beide Förderkammern gegeneinander vertauscht sind.

Obwohl in der vorliegenden Erfindung der Aufbau und die Arbeitsweise einer Pumpe beschrieben wurde, ist es für einen Fachmann naheliegend, die gleiche Anordnung auch als einen Motor zu verwenden.

Durch den neuartigen Aufbau der Kugelkolbenpumpe, ihrer charakteristischen sinusförmigen Kennlinie und ihren konstruktionsbedingten Eigenschaften ist sie vielfältig einsetzbar. Ihr Hauptanwendungsbereich ist der der Hubkolbenpumpe gleichzustellen, jedoch mit erheblich höheren Leistungswerten.

Durch die pendelnde, schraubenförmige Bewegung des Drehkolbens ist die Kugelkolbenpumpe besonders auch für die Förderung hochviskoser Flüssigkeiten oder Flüssigkeiten mit festen Bestandteilen geeignet.

Werden zwei Kugelkolbenpumpen nach der Erfindung parallel, aber in ihrer Förderkennlinie um 90° versetzt betrieben, erhält man einen kontinuierlichen Förderstrom.

Über die Drehzahl ist die Kugelkolbenpumpe kontinuierlich steuerbar. Eine weitere Steuermöglichkeit wäre denkbar, wenn der Winkel der Antriebsachse zur Drehachse des Kolbenführungsringes veränderbar gestaltet wird.

Durch das konstruktionsbedingte Zweikammersystem mit getrennten Ein- und Auslaßkanälen können zwei gleiche oder auch unterschiedliche Medien synchron gefördert oder aber auch gemischt werden.

Die erfindungsgemäße Kugelkolbenpumpe besitzt einen großen Anwendungsbereich. Sie ist einsetzbar in der Labor- und Medizintechnik z. B. als Mikropumpe oder Dosierpumpe, als Förderpumpe für Öle und Benzin, als Wasserpumpe mit hoher Förderleistung, wie z. B. Lenzpumpen, Hauswasseranlagen oder Wasserstrahlantriebe für Boote. Weitere Anwendungen sind möglich für Kompressoren und Verdichter oder als Vakuumpumpe. Auch in der Steuer- und Regeltechnik ist die Kugelkolbenpumpe als hydraulisches oder pneumatisches Bauelement einsetzbar.

An Hand von Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der erfinderischen Lösung näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine teilweise im Schnitt gezeichnete perspektivische Darstellung der Kugelkolbenpumpe.

Fig. 2 Einen Schnitt A-A durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 mit 0°-Stellung des Führungsringes für den Drehkolben.

1 Fig. 3a Einen Schnitt A-A durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 mit 90°-Stellung des Führungsringes für den Drehkolben.

Fig. 3b Einen Schnitt B-B durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 3a.

Fig. 4 Einen Schnitt A-A durch die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 mit 180°-Stellung des Führungsringes für den Drehkolben.

Fig. 5 Eine Darstellung des Führungsringes im Auf- und Seitenriß.

Fig. 6 Eine Darstellung des Drehkolbens im Auf- und Seitenriß.

Fig. 7 Eine Darstellung des Drehkolbenführungselementes.

Fig. 8 Eine Darstellung der Antriebsscheibe in zwei möglichen Ausführungsformen.

Die erfindungsgemäße Kugelkolbenpumpe ist in Fig. 1 perspektivisch im Schnitt dargestellt. Sie besteht aus einem Gehäuse 1, das einen kugelförmigen Arbeitsraum 2 zur Aufnahme aller für den Pumpvorgang notwendigen Elemente umgibt. Zur besseren Montage besteht das kugelförmige Gehäuse 1 aus zwei Halbschalen 1a und 1b, die durch geeignete Mittel, z. B. eine verschraubte Flanschverbindung 7, miteinander verbunden sind. In das Gehäuse 1 führen Öffnungen, von denen eine (in Fig. 1 nicht zu erkennen) zur Aufnahme einer Antriebswelle 8 dient und vier weitere, die als Einlaßkanäle 11a und 11b und als Auslaßkanäle 12a und 12b nötig sind. Die in Fig. 1 dargestellte Anordnung der Ein- und Auslaßkanäle 11a, 11b, 12a, 12b gilt für den Linkslauf der Antriebswelle 8. Bei Drehrichtungsumkehr (Rechtslauf) sind 12a und 12b die Einlaßkanäle und 11a und 11b die Auslaßkanäle. Der Auslaßkanal 12b ist in der Darstellung nach Fig. 1 verdeckt und deshalb nicht zu erkennen.

Der kugelförmige Arbeitsraum 2 wird durch einen drehbar angeordneten Führungsring 3 in zwei halbkugelförmige Arbeitskammern 2a und 2b aufgeteilt, wobei die Drehachse 9 senkrecht auf der Ebene des Führungsringes 3 steht und innerhalb des Gehäuses 1 der Kugelkolbenpumpe ortsfest angeordnet ist. Mit Hilfe einer geeigneten Lagerung 17 ist der Führungsring 3 in das kugelförmige Gehäuse 1, zweckmäßigerweise an der Stelle der Flanschverbindung 7, eingelassen.

Jede der durch die Anordnung des Führungsringes 3 gebildeten halbkugelförmigen Arbeitskammern 2a bzw. 2b besitzt jeweils einen Einlaßkanal 11a bzw. 11b und einen Auslaßkanal 12a bzw. 12b für das zu fördernde Medium.

Innerhalb des Führungsringes 3 ist ein Drehkolben 4, bestehend aus zwei Flügeln 4a und 4b und einem Kolbenführungselement 13, derart drehbar um eine Achse 14 angeordnet, daß die Ebene des Drehkolbens 4 die Ebene des Führungsringes 3 in ihrer Mitte derart durchschneidet, daß der eine Flügel 4a des Drehkolbens 4 in die erste halbkugelförmige Arbeitskammer 2a und der andere Flügel 4b des Drehkolbens 4 in die zweite halbkugelförmige Arbeitskammer 2b ragt. Der Winkel zwischen der Ebene des Führungsringes 3 und der Ebene des Drehkolbens 4 ist über die Achse 14 veränderbar.

Der Drehkolben 4 besitzt in einer Ebene längs durch seine Flügel 4a, 4b eine Ausfräsung oder einen Schlitz 5, in den eine Antriebsscheibe 6 eingesetzt ist, welche sowohl innerhalb des Schlitzes 5 um eine Achse 15 senkrecht zur Ebene des Drehkolbens 4 bzw. der Antriebsscheibe 6 als auch um eine ortsfeste Achse 10 durch die Ebene der Antriebsscheibe 6 um die Antriebswelle 8 drehbar angeordnet ist. Zur Erreichung einer pendelnden Wirkung des Drehkolbens 4 ist die ortsfeste Achse 10 der Antriebsscheibe 6 zur Drehachse 9 des Führungsringes 3 um einen festen Winkel α < 90°, vorzugsweise 45°, geneigt.

Alle Achsen 9, 10, 14, 15 treffen sich im Mittelpunkt M des kugelförmigen Arbeitsraumes 2 der Kugelkolbenpumpe, wobei die Achsen 9 und 10 Rotationsachsen und die Achsen 14 und 15 Pendelachsen sind.

Die Wirkungsweise der Kugelkolbenpumpe wird an Hand der Zeichnungen Fig. 2 bis Fig. 4 erläutert.

In Fig. 2 ist die Kugelkolbenpumpe nach Fig. 1 in einem Schnitt A-A, der in der Ebene der Rotationsachse 9 des Führungsringes 3 liegt, dargestellt.

In dem Gehäuse 1 ist der Drehkolben 4 mit seinen beiden Flügeln 4a und 4b zu erkennen, der über das Kolbenführungselement 13 in dem Führungsring 3 gelagert ist. Innerhalb des Drehkolbens 4 ist die Antriebsscheibe 6 eingesetzt, die mit der Antriebswelle 8 verbunden ist. Die Antriebswelle 8 ist durch eine Bohrung 16 in dem Gehäuse 1 der Kugelkolbenpumpe festgelegt. Die Drehachse 10 der Antriebswelle 8, die auch durch die Ebene der Antriebsscheibe 6 führt, ist gegenüber der Drehachse 9 des Führungsringes 3 um einen Winkel α = 45° geneigt. Der Führungsring 3 teilt den kugelförmigen Arbeitsraum 2 in zwei identische halbkugelförmige Arbeitskammern 2a und 2b, in denen sich die beiden Flügel 4a und 4b des Drehkolbens 4 bewegen.

Dreht sich die Antriebswelle 8 um die Achse 10, werden der Drehkolben 4 mit dem Führungsring 3 um die Achse 9 gedreht. Da der Drehkolben 4 der Antriebsachse 10 nicht ausweichen kann, bewegt sich die Antriebsscheibe 6 in dem Drehkolben 4 hin und her und vollführt neben einer um die Achsen 9 und 10 drehenden gleichzeitig eine um die Achse 14 pendelnde Bewegung.

Der Führungsring 3 ist durch geeignete Mittel 17, zum Beispiel Kugel- oder Wälzlager, in dem Gehäuse 1 gelagert. Das kugelförmige Gehäuse 1 besteht zur Erleichterung der Montage der Kugelkolbenpumpe aus zwei Halbschalen 1a und 1b, die mittels Flanschen 18 und einer Schraubverbindung 19 zusammengefügt sind.

In der Darstellung nach Fig. 2 befinden sich der Drehkolben 4 und der Führungsring 3 in einer Stellung, die als Ausgangsstellung bzw. 0°-Stellung bezeichnet sein soll. Der Drehkolben 4 teilt die beiden Arbeitskammern 2a und 2b in jeweils zwei Förderkammern 20a und 21a sowie 20b und 21b. In der 0°-Stellung besitzen die Kammern 20a und 20b ein maximales Volumen und die Kammern 21a und 21b ein minimales Volumen. Die Einlaßkanäle 11a und 11b sind durch die Flügel 4a und 4b des Drehkolbens 4 geschlossen. Ebenfalls auch die Auslaßkanäle 12a und 12b, die senkrecht zur Zeichnungsebene gegenüber den Einlaßkanälen 11a und 11b angeordnet, aber in der Darstellung nach Fig. 2 nicht zu erkennen sind.

Dreht sich die Antriebswelle 8 um die Achse 10 in Uhrzeigerrichtung (Rechtslauf), bewegt sich auch der Führungsring 3 um die Achse 9 in die gleiche Richtung. Die Kammern 21a und 21b beginnen sich zu öffnen und saugen Medium durch die sich öffnenden Einlaßkanäle 11a und 11b an. Gleichzeitig verkleinern sich die Kammern 20a und 20b und das sich in diesen Kammern befindliche Medium wird aus den sich öffnenden Auslaßkanälen 12a und 12b durch den sich um die Achsen 9 und 10 drehenden und um die Achse 14 pendelnden Drehkolben 4 herausgedrückt.

In der Darstellung nach Fig. 3a und Fig. 3b hat sich der Führungsring 3 um seine Drehachse 9 um 90° gedreht. Fig. 3a zeigt den gleichen Schnitt wie in Fig. 2 und Fig. 3b einen Schnitt B-B in einer senkrechten Ebene dazu.

Der Drehkolben 4 mit seinen beiden Flügeln 4a und 4b teilt die Arbeitskammern 2a und 2b in jeweils zwei gleich große Kammer- bzw. Fördervolumen 20a und 21a sowie 20b und 21b. Die Einlaßkanäle 11a und 11b sind mit den Kammern 21a und 21b und die Auslaßkanäle 12a und 12b mit den Kammern 20a und 20b verbunden.

In Fig. 4 hat sich der Führungsring 3 um seine Drehachse 9 um 180° gedreht. Der Drehkolben 4 hat die gleiche Stellung wie in Fig. 2, nur um ebenfalls 180° um die Achse 9 gedreht. Die Kammern 21a und 21b haben ihr maximales Volumen erreicht und die Kammern 20a und 20b sind geschlossen (minimales Kammervolumen).

Dreht sich nun die Antriebswelle 8 um die Achse 10 in Uhrzeigerrichtung weiter, wiederholt sich der Vorgang nach Fig. 2, jedoch mit vertauschten Förderkammern 20a, 20b, 21a, 21b. Bei einer Umdrehung des Führungsringes 3 um 360° wird also zweimal Medium angesaugt und ausgestoßen.

Fig. 5 zeigt die Abbildung des Führungsringes 3 für den Drehkolben 4 im Auf- und Seitenriß. Er besteht im wesentlichen aus einer runden Scheibe 22 mit einem Durchbruch 23 zur Aufnahme des Kolbenführungselementes 13. Der Führungsring 3 ist von einem Lagerring 24 umfaßt, mit dem er in einer Nut innerhalb des kugelförmigen Arbeitsraumes 2 der Kugelkolbenpumpe drehbar gelagert ist. Der Lagerring 24 kann ein Kugel- oder Gleitlager sein.

Ferner ist in dem Führungsring 3 ein Einsatz 25 zur abdichtenden Lagerung des Drehkolbens 4 (Fig. 6) mit dem Kolbenführungselement 13 (Fig. 7) vorgesehen.

Eine zweckmäßige Form des Drehkolbens 4 ist in Fig. 6 dargestellt. Er besteht aus einem flachen Steg 26 und den beiden Flügeln 4a und 4b. Der flache Steg 26 dient zur Aufnahme des Kolbenführungselementes 13 (dargestellt in Fig. 7), mit dem der Drehkolben 4 im Führungsring 3 (Fig. 5) gelagert ist.

In der Ausführung nach Fig. 6 ist der Drehkolben 4 mit einem durchgehenden Schlitz 5 zur Aufnahme der Antriebsscheibe 6 (dargestellt in Fig. 8) versehen, der den Drehkolben 4 in zwei Hälften teilt. In einer anderen Ausführung muß dieser Schlitz 5 nicht unbedingt durchgehend sein. Es kann z. B. in der Mitte des Drehkolbens 4 eine kreisringförmige Verbindung 27 als feste Verbindung zwischen den beiden Drehkolbenhälften erhalten bleiben, zur Aufnahme einer sich um diese Verbindung 27 drehenden gabelförmigen Antriebsscheibe 6 (ebenfalls in Fig. 8 dargestellt).

Das in Fig. 7 gezeigte Kolbenführungselement 13 dient neben seiner Funktion als Drehlager für den Drehkolben 4 gleichzeitig als Abdichtungselement zwischen den beiden halbkugelförmigen Arbeitskammern 2a und 2b der Kugelkolbenpumpe. Es besitzt an seinen Enden Lagerzapfen 28 zur Lagerung in dem Führungsring 3 nach Fig. 5 und einen durchgehenden Schlitz 29 zur Aufnahme des Drehkolbens 4. Um die Montage des Kolbenführungselementes 13 zu erleichtern, wird dieser zweckmäßigerweise ebenfalls in zwei Hälften zerlegt, die über den Lagereinsatz 25 im Führungsring 3 durch die beiden Gehäusehalbschalen 1a und 1b des kugelförmigen Arbeitsraumes 2 zusammengehalten werden.

In Fig. 8 sind zwei mögliche Varianten der Antriebsscheibe 6 beschrieben. Sie kann eine im wesentlichen runde oder elliptische Scheibenform 30 (durchgezogene Linie) oder eine Gabelform 31 (gestrichelte Linie) aufweisen. Bei der Gabelform 31 greift die U-förmige Rundung 32 um die kreisringförmige Verbindung 27 in dem Schlitz 5 des Drehkolbens 4 (dargestellt in Fig. 6). Mit der Antriebsscheibe 6 ist die Antriebswelle 8 fest verbunden.

Darüber hinaus sind weitere Formen der Antriebsscheibe 6 im Zusammenhang mit einer entsprechenden Gestaltung der Ausfräsung oder des Schlitzes 5 in dem Drehkolben 4 denkbar.

Zur leichteren Drehung der Antriebsscheibe 6 in dem Drehkolben 4, kann diese entweder aus einem selbstschmierenden Material gefertigt sein, eine separate Schmierung erhalten und/oder zur Verringerung der Reibung eingelassene Kugeln besitzen.

Bezugszeichenliste

1Gehäuse der Kugelkolbenpumpe

1a und 1bGehäusehalbschalen

2Arbeitsraum der Kugelkolbenpumpe

2a und 2bhalbkugelförmige Arbeitskammern

3Führungsring

4Drehkolben

4a und 4bFlügel des Drehkolbens

5Schlitz im Drehkolben

6Antriebsscheibe

7Flanschverbindung

8Antriebswelle der Kugelkolbenpumpe

9Drehachse des Führungsringes

10Drehachse der Antriebswelle

11a und 11bEinlaßkanäle

12a und 12bAuslaßkanäle

13Kolbenführungselement

14Drehachse des Kolbenführungselementes

15Drehachse der Antriebsscheibe

16Bohrung für die Antriebswelle

17Lagerung für den Führungsring

18Flansche zur Verbindung der Gehäusehalbschalen

19Schraubverbindung Gehäuse

20a und 21aFörderkammer 1 (2a)

20b und 21Förderkammer 2 (2b)

22Scheibe des Führungsringes

23Durchbruch im Führungsring

24Lagerung des Führungsringes

25Lagereinsatz Führungsring

26Steg am Drehkolben

27kreisringförmige Verbindung im Drehkolben

28Lagerzapfen am Kolbenführungselement

29Schlitz im Kolbenführungselement

30runde Scheibenform der Antriebsscheibe

31Gabelform der Antriebsscheibe

32U-förmige Rundung in der Antriebsscheibe


Anspruch[de]
  1. 1. Kugelkolbenpumpe mit einem durch ein Gehäuse gebildeten kugelförmigen Arbeitsraum, der in zwei halbkugelförmige Arbeitskammern geteilt ist, mindestens einem getrennten Zu- und Ablauf für das zu fördernde Medium und einem von außen antreibbaren Drehkolben, der den Arbeitsraum abwechselnd vergrößert (Ansaugphase) und verkleinert (Ausstoßphase), dadurch gekennzeichnet, daß
    1. 1. der kugelförmige Arbeitsraum (2) durch einen drehbar angeordneten Führungsring (3) und ein unabhängig von diesem drehbares, zylinderförmiges Kolbenführungselement (13) in zwei halbkugelförmige Arbeitskammern (2a, 2b) geteilt ist, wobei die Drehachse (9) des Führungsringes (3) innerhalb seiner Ebene verläuft, senkrecht auf der Drehachse (14) des zylinderförmigen Kolbenführungselementes (13) steht und beide Achsen (9, 14) sich im Mittelpunkt des kugelförmigen Gehäuses (1) schneiden, wobei die Drehachse (9) des Führungsringes (3) ortsfest im Gehäuse (1) und die Drehachse (14) des Kolbenführungselementes (13) ortsfest innerhalb des Führungsringes (3) gelagert ist,
    2. 2. durch das Kolbenführungselement (13) der Drehkolben (4), bestehend aus zwei Flügeln (4a, 4b), diametrisch und drehbar um die Achse (14) angeordnet ist und die Ebene des Drehkolbens (4) die Ebene des Führungsringes (3) in ihrer Mitte derart durchschneidet, daß der eine Flügel (4a) des Drehkolbens (4) in die erste halbkugelförmige Arbeitskammer (2a) und der andere Flügel (4b) des Drehkolbens (4) in die zweite halbkugelförmige Arbeitskammer (2b) ragt, und der Winkel zwischen der Ebene des Führungsringes (3) und der Ebene des Drehkolbens (4) veränderbar ist,
    3. 3. der Drehkolben (4) längs der Ebene durch seine Flügel (4a, 4b) eine Ausfräsung oder einen Schlitz (5) besitzt und diesen symmetrisch, teilweise oder auch vollständig durchteilt,
    4. 4. in den Schlitz (5) des Drehkolbens (4) eine Antriebsscheibe (6) eingesetzt ist, welche sowohl innerhalb des Schlitzes (5) um eine Achse (15) senkrecht zur Ebene des Drehkolbens (4) bzw. der Antriebsscheibe (6) als auch um eine ortsfeste Achse (10) durch die Ebene der Antriebsscheibe (6) drehbar angeordnet ist, wobei die ortsfeste Achse (10) der Antriebsscheibe (6) zu der Drehachse (9) des Führungsringes (3) um einen testen Winkel α < 90° geneigt ist,
    5. 5. die Antriebsscheibe (6) eine Antriebswelle (8) besitzt, welche durch eine Bohrung (16) durch das Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe geführt ist.
  2. 2. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4a, 4b) des Drehkolbens (4) die Form von Halbkreisscheiben besitzen und so groß sind, daß sie dicht an der Innenwand des kugelförmigen Gehäuses (1) vorbeistreifen.
  3. 3. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4a, 4b) des Drehkolbens (4) eine ausreichende Dicke zur Aufnahme der Antriebsscheibe (6) und zum sicheren Verschließen der Einlaß- und Auslaßkanäle (11a, 11b, 12a, 12b) besitzen und mit einer Geometrie versehen sind, die ein optimales Öffnen und Verschließen der Arbeitskammern (2a, 2b) bzw. der Förderkammern (20a, 20b, 21a, 21b) bewirken.
  4. 4. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flügel (4a, 4b) des Drehkolbens (4) schaufelartig ausgeformt sind.
  5. 5. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkolben (4) zum Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe und das Kolbenführungselement (13) zum Führungsring (3) abgedichtet ist.
  6. 6. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdichtung des Drehkolbens (4) zum Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe und des Kolbenführungselementes (13) zum Führungsring (3) eine paßgenaue Gleitdichtung ist.
  7. 7. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehkolben (4) zum Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe und das Kolbenführungselement (13) zum Führungsring (3) durch Dichtlippen oder -leisten abgedichtet ist.
  8. 8. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (17, 24) des Führungsringes (3) in dem Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe ein Gleit- oder Wälzlager ist.
  9. 9. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (25, 28) des Kolbenführungselementes (13) in dem Führungsring (3) ein Gleit- oder Wälzlager ist.
  10. 10. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) innerhalb des Drehkolbens (4) reibungsarm gelagert ist.
  11. 11. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) mit einem selbstschmierenden Material beschichtet ist.
  12. 12. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß für die Lagerung der Antriebsscheibe (6) ein zusätzliches Schmiermittel in den Schlitz (5) zwischen der Antriebsscheibe (6) und dem Drehkolben (4) eingebracht ist.
  13. 13. Kugelkolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) innerhalb des Drehkolbens (4) durch Rollelemente ähnlich einem Kugellager gelagert ist und die Rollelemente in die Antriebsscheibe (6) eingelassen sind.
  14. 14. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) eine im wesentlichen runde oder elliptische Form (30) besitzt.
  15. 15. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsscheibe (6) eine Gabelform (31) besitzt.
  16. 16. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz (5) und die Antriebsscheibe (6) derart gestaltet sind, daß der Schlitz (5) bei jeder Stellung des Drehkolbens (4) außerhalb der Öffnungen für die Einlaß- und Auslaßkanäle (11a, 11b, 12a, 12b) angeordnet ist.
  17. 17. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) der Kugelkolbenpumpe aus zwei Halbschalen (1a, 1b) besteht, die mittels einer Flanschverbindung (7) verbunden sind.
  18. 18. Kugelkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß an der Stelle der Bohrung (16) für die Antriebswelle (8) ein kreis- oder ringförmiges Steuerorgan in das Gehäuse (1) druckdicht und drehbar eingelassen ist, mit dem der Winkel α zwischen der ortsfeste Achse (10) der Antriebsscheibe (6) und der Drehachse (9) des Führungsringes (3) zur Steuerung der Förderleistung veränderbar ist.






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