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Dokumentenidentifikation DE102005048046A1 12.04.2007
Titel Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase
Anmelder Schuhmacher, Karl, 78664 Eschbronn, DE
Erfinder Schuhmacher, Karl, 78664 Eschbronn, DE
Vertreter Goy, W., Dipl.-Phys., Pat.-Anw., 79108 Freiburg
DE-Anmeldedatum 07.10.2005
DE-Aktenzeichen 102005048046
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F04B 9/02(2006.01)A, F, I, 20051007, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F04B 53/16(2006.01)A, L, I, 20051007, B, H, DE   
Zusammenfassung Eine Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase weist eine Welle 2 auf. Auf einer zu dieser Welle 2 parallelen Exzenterwelle 6 ist frei längsverschiebbar im Innern eines Rohres 1 ein Kolben 7 zwangsgeführt verschiebbar. Durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens 7 erfolgt eine Saug- und Druckwirkung.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase.

Pumpen für Flüssigkeiten oder Gase sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt. Der Nachteil bei diesen Pumpen ist, daß sie teilweise kompliziert im Aufbau sind und teilweise Ventile benötigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase zu schaffen, welche einfach im technischen Aufbau ist und insbesondere keine Ventile benötigt.

Die technische Lösung ist gekennzeichnet durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Dadurch ist eine Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase geschaffen, welche vom technischen Aufbau her sehr einfach ist, keine Ventile benötigt und zuverlässig arbeitet. Das Grundprinzip der erfindungsgemäßen Pumpe, welche beispielsweise auch als Dosierpumpe verwendet werden kann, besteht darin, daß der Kolben bei einer Drehbewegung der Welle eine Axialbewegung erfährt, deren Auslenkung durch die Kurvenbahn der Zwangsführungseinrichtung bestimmt wird. Bei einer 360°-Drehung der Welle (und damit des Kolbens) ergibt sich auf jeder Seite des Kolbens durch die Axialbewegung des Kolbens abwechselnd ein Saughub und ein Druckhub mit genau definiertem Weg und damit definiertem Volumen. Das zu pumpende Medium wird dabei über die radial angeordneten Öffnungen des Rohres angesaugt bzw. hinausgedrückt. Der Kolben ist dabei spielfrei in dem Rohr eingepaßt. Selbstverständlich sind der Kolben sowie das Rohr aus verschleißfesten Materialien hergestellt. Die Pumpe ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zur Drehzahl proportionale Pumpmenge. Die Pumpmenge wird dabei bestimmt durch die Drehzahl des Antriebs und durch die Höhe der Kurvenbahn des Kolbens. Der Antrieb besteht vorzugsweise aus einem Schrittmotor. Durch die Ansteuerelektronik des Schrittmotors läßt sich sehr einfach die Drehzahl des Antriebs verstellen. Die Pumpmenge ergibt sich dann proportional zur Drehzahl. Ein besonderer Vorteil besteht darin, daß die Pumpe keine Ventile benötigt. Das Öffnen und Schließen der Öffnungen erfolgt durch den umlaufenden Kolben. Bei einer Umkehrung der Dreheinrichtung wechselt die Richtung des zu pumpenden Mediums. Dies bedeutet, daß sich die Druckseite und die Saugseite umkehren. Grundsätzlich können auch zwei Medien getrennt voneinander gepumpt werden, wenn die Ansaugwege bzw. die Druckwege getrennt werden.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 2 schlägt zusätzlich zu dem hin und her bewegbaren Kolben noch einen Zylinder vor, welcher fest auf der Welle angeordnet ist. Der Zylinder ist ebenso wie der Kolben spielfrei in dem Rohr eingepaßt. Die Öffnungen im Rohr sind dabei sowohl dem Kolben als auch dem – einzigen – Zylinder zugeordnet. Das Öffnen und Schließen der Öffnungen erfolgt somit durch den umlaufenden Zylinder sowie durch den umlaufenden Kolben.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 3 schlägt schließlich vor, daß als Alternative zu der Kombination Zylinder/Kolben beidseits des Kolbens jeweils ein Zylinder angeordnet ist und somit die Kombination Zylinder/Kolben/Zylinder geschaffen ist. Die beiden Zylinder sind dabei über die Welle starr miteinander verbunden. Dies bedeutet, daß der Kolben zwischen den beiden äußeren Zylindern bei der Drehbewegung der Welle hin und her pendelt. In diesem Fall erfolgt die Steuerung der Saug- und Drucköffnungen ausschließlich durch die beiden Zylinder.

In einer ersten Alternative des Antriebs ist gemäß Anspruch 4 die Welle stirnseitig aus dem Rohr herausgeführt, so daß außerhalb des Rohres der Antrieb an der Welle angreifen kann. Wie bereits ausgeführt, kann es sich bei diesem Antrieb um einen Schrittmotor handeln.

Eine Alternative hierzu schlägt für den Antrieb gemäß Anspruch 5 vor, daß der Welle innerhalb des Rohres ein Magnetantrieb zugeordnet ist. Somit kann die Pumpe von außen durch die magnetische Kopplung mit dem innenliegenden Magneten angetrieben werden. Der Vorteil besteht darin, daß dadurch auf eine Dichtung der Welle verzichtet werden kann.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 6 schlägt eine spezielle Zwangsführung vor, indem ein im Rohr festgelegter Stift in Eingriff mit einer umfänglichen Führen des Kolbens steht. Bei dieser umfänglichen Führung kann es sich um eine im Kolben ausgebildete Umfangsnut handeln. Es ist aber auch denkbar, daß an den beiden Enden des Kolbens jeweils Führungsstifte angreifen, wobei die stirnseitigen Umfangskanten des Kolbens Führungskurven definieren.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 7 schlägt eine erste Variante vor, um das Medium im Bereich des Zylinders von der Saugseite zur Öffnungsseite hin zu fördern. Die Grundidee besteht darin, daß in der Mantelfläche des Zylinders eine zur Welle koaxiale, teilumfängliche Zylindermantelnut ausgebildet ist. Der Teilumfang beträgt dabei weniger als 180°, beispielsweise 150°. Diese Zylindermantelnut steht über eine innere Bohrung im Zylinder mit dem Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Kolben in Verbindung. Wenn sich der Kolben in Saugrichtung bewegt, ist die zugeordnete Saugöffnung mit der Zylindermantelnut in Verbindung, so daß durch die Verbindungsbohrung das Medium in den Zwischenraum zwischen dem Zylinder und dem Kolben angesaugt wird. Die Drucköffnung ist dabei geschlossen. Nachdem in einem Zwischenstadium beide Öffnungen geschlossen sind, öffnet sich die Drucköffnung, indem diese dann in den Bereich der Zylindermantelnut zu liegen kommt. Durch die dann umgekehrte Bewegung des Kolbens wird das im vorerwähnten Zwischenraum befindliche Medium durch diese Drucköffnung hinausgepreßt.

Eine Alternative hierzu schlägt Anspruch 8 vor. Das Grundprinzip hier besteht darin, daß die Stirnfläche des Zylinders im Bereich der Öffnungen abgeschrägt ist. Dies bedeutet, daß durch die Abschrägung die Saug- und Drucköffnungen alternierend geöffnet und geschlossen werden, wobei niemals die beiden Öffnungen gleichzeitig offen sind.

Die Weiterbildung gemäß Anspruch 9 geht davon aus, daß entweder nur ein Kolben (ohne Zylinder) oder ein einziger Zylinder (mit Kolben) vorgesehen sind. Das Grundprinzip besteht darin, daß in der Mantelfläche des Kolbens eine zur Welle koaxiale, teilumfängliche Kolbenmantelnut ausgebildet ist. Von dieser Kolbenmantelnut geht eine Verbindungsbohrung zum Zwischenraum aus, welcher zwischen dem Kolben und der zugewandten Stirnwand des Rohres ausgebildet ist. Sofern noch ein Zylinder vorgesehen ist, ist dies auf der anderen Seite bezüglich des Zylinders. Ist nur ein Kolben (ohne Zylinder) vorgesehen, so weist der Kolben zwei axial beabstandete sowie umfangsversetzte Kolbenmantelnuten auf. Die Bohrungen münden dann in entgegengesetzten Richtungen.

Eine Alternative hierzu schlägt Anspruch 10 vor. Hier wird das Öffnen und Schließen der Saug- und Drucköffnungen dadurch gesteuert, daß durch die Abschrägung/en des Kolbens die vorerwähnten Öffnungen alternierend geöffnet und geschlossen werden, wobei auch hier wiederum niemals die beiden Öffnungen gleichzeitig geöffnet sind. Ist nur ein Kolben (ohne Zylinder) vorgesehen, weisen beide Enden des Zylinders jeweils eine Abschrägung auf. Die beiden Abschrägungen sind dann umfangsversetzt.

Vier Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben. In diesem zeigt:

1a bis 1d eine erste Ausführungsform in verschiedenen perspektivischen Darstellungen mit einem äußeren Antrieb;

2a bis 2d die Funktionsweise der ersten Ausführungsform in verschiedenen Ablaufschritten;

3 eine zweite Ausführungsform in verschiedenen perspektivischen Darstellungen mit einem inneren Magnetantrieb;

4a bis 4d eine dritte Ausführungsform (Basisvariante) in verschiedenen perspektivischen Darstellungen;

5a und 5b eine vierte Ausführungsform in verschiedenen perspektivischen Darstellungen.

Die erste Ausführungsform der Pumpe in 1a bis 1d weist ein äußeres Rohr 1 auf, welches an den beiden Stirnseiten abgedichtet geschlossen ist.

In dem Rohr 1 ist eine Welle 2 drehbar gelagert. Das linke Ende der Welle 2 ist dabei aus dem korrespondierenden Stirnflansch des Rohres 1 herausgeführt und an einen nicht dargestellten Antrieb, insbesondere einen Schrittmotor angeschlossen.

Auf der Welle 2 ist ein Zylinder 3 fest angeordnet. Dieser Zylinder 3 weist eine zur Welle 2 koaxial umlaufende Zylindermantelnut 4 auf. Diese ist mit einem Winkel von ca. 150° teilumfänglich. Von dieser Zylindermantelnut 4 geht eine Bohrung 5 im Innern des Zylinders 3 – in der Zeichnung – nach rechts ab.

Auf einer zu der Welle 2 parallelen Exzenterwelle 6 ist ein zylinderartiger Kolben 7 frei längsverschiebbar gelagert. Auf der Außenumfangsfläche dieses Kolbens 7 ist teilumfänglich eine Kolbenmantelnut 8 ausgebildet. Von dieser geht innerhalb des Kolbens 7 – in der Zeichnung – nach rechts eine Bohrung 9 ab. Während die zuvor erwähnte Bohrung 5 im Zwischenraum zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 7 mündet, mündet die Bohrung 9 zwischen dem Kolben 7 und der rechten Wand des Rohres 1.

Im Rohr 1 sind zwei Stifte 10 fest angeordnet und ragen ins Innere des Rohres 1. Korrespondierend zu diesen beiden Stiften 10 weist der Kolben 7 an seinen beiden Endseiten jeweils Führungen 11 auf.

Schließlich weist das Rohr 1 – in der Zeichnung – unten zwei Saugöffnungen 12 und – in der Zeichnung oben – zwei Drucköffnungen 13 auf.

Die Funktionsweise ist wie folgt (2a bis 2d):

2a zeigt die Stellung 345°/Stellung 15°. Alle Saug- und Drucköffnungen 12, 13 sind verschlossen.

2b zeigt die Stellung 15°/Stellung 165°. Diese wird durch Drehen der Welle 2 erreicht. Die linke obere Drucköffnung 13 hat Durchgang zur 150°-Öffnung der Zylindermantelnut 4. Die rechte untere Saugöffnung 12 hat Durchgang zur 150°-Öffnung der Kolbenmantelnut 8. Die rechte obere Drucköffnung 13 und die linke untere Saugöffnung 12 sind verschlossen. Aufgrund der Drehbewegung der Welle 2 bewegt sich der Kolben 7 nach links. Dies bedeutet, daß durch die rechte untere Saugöffnung 12 das Medium angesaugt wird und sich durch die Bohrung 9 hindurch im Zwischenraum zwischen der rechten Seite des Kolbens 7 und der rechten Wand des Rohres 1 sammelt. Durch die Längsverschiebung des Kolbens 7 – in der Zeichnung – nach links wird im Zwischenraum zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 7 befindliches Medium durch die Bohrung 5 hindurch sowie über die Zylindermantelnut 4 hin zur Drucköffnung 13 links oben hindurchgepreßt.

Bei einer weiteren Drehbewegung der Welle 2 in 2c ist die Stellung 165°/Stellung 195° erreicht. Sämtliche Öffnungen 12, 13 sind verschlossen.

In der Stellung in 2d ist die Stellung 195°/Stellung 345° erreicht. Die rechte obere Drucköffnung 13 hat dabei Durchgang zur 150°-Öffnung der Kolbenmantelnut 8. Die linke untere Bohrung hat Durchgang zur 150° Zylindermantelnut 4 des Zylinders 3. Die linke obere Drucköffnung 13 und die rechte untere Saugöffnung 12 sind verschlossen. Der Kolben 7 bewegt sich – in der Zeichnung – nach rechts. Dies bedeutet, daß das im Zwischenraum zwischen der rechten Seite des Kolbens 7 und der rechten Stirnwand des Rohres 1 befindliche Medium durch die Bohrung 9 und durch die Kolbenmantelnut 8 hindurch durch die rechte obere Drucköffnung 13 hindurchgepreßt wird. Durch die Bewegung des Kolbens 7 wird durch die linke untere Saugöffnung 12 Medium angesaugt und im Zwischenraum zwischen dem Zylinder 3 und dem Kolben 7 gesammelt.

Die Ausführungsform in 3 entspricht bis auf eine Ausnahme der Ausführungsform in 1a bis 1d. Der Unterschied besteht darin, daß die Welle 2 nicht aus dem Rohr 1 herausgeführt ist. Stattdessen ist im Innern ein Magnet 14 vorgesehen, so daß die Pumpe von außen durch eine magnetische Kopplung mit dem innenliegenden Magneten 14 angetrieben werden kann. Dadurch entfällt eine Abdichtung.

Die Ausführungsform in 4a bis 4d (abgespeckte Basisvariante) unterscheidet sich von den beiden ersten Ausführungsformen dadurch, daß kein auf der Welle 2 fest angeordneter Zylinder 3 vorgesehen ist, sondern daß lediglich ein auf der Exzenterwelle 6 frei längsverschiebbarer Kolben 7 vorgesehen ist. Dieser Kolben 7 weist längsversetzt sowie um 180° umfangsversetzt zwei Kolbenmantelnuten 8 auf, von denen jeweils eine Bohrung 9 – in der Zeichnung – nach links sowie nach rechts abgeht. Als Antrieb dient auch hier ein Magnet 14.

Die Funktionsweise ist wie folgt:

Durch die Drehbewegung der Welle 2 wird der Kolben 7 hin und her bewegt. Dadurch entsteht zwischen dem einen Ende des Kolbens 7 und der gegenüberliegenden Wand des Rohres 1 sowie zwischen dem anderen Ende des Kolbens 7 und der gegenüberliegenden Wand des Rohres 1 abwechselnd jeweils eine Sog- sowie Druckwirkung (und umgekehrt). Durch die Sogwirkung wird über die jeweils geöffnete Saugöffnung 12 Medium angesaugt und im danebenliegenden Zwischenraum zwischen dem Kolben 7 und der Wand des Rohres 1 gespeichert, während auf der anderen Seite das zuvor gespeicherte Medium durch die Drucköffnung 13 hinausgepreßt wird.

Die vierte Ausführungsform in 5a und 5b zeigt zwei auf der Welle 2 fest angeordnete Zylinder 3, zwischen denen auf der Exzenterwelle 6 der Kolben 7 frei hin und her bewegbar ist. Sowohl im einen Zylinder 3 als auch im anderen Zylinder 3 ist jeweils eine Zylindermantelnut 4 mit Bohrung 5 angeordnet. Die beiden Zylindermantelnuten 4 sind auch hier umfangsversetzt. Die Zwangsbewegung des Kolbens 7 bei einer Drehbewegung der Welle 2 erfolgt auch hier durch die Stifte 10 sowie die Führungen 11.

Die Funktionsweise ist wie folgt:

Durch die Drehbewegung der Welle 2 erzeugt der Kolben 7 in Wechselwirkung mit dem jeweils benachbarten Zylinder 3 entweder eine Saugwirkung oder eine Druckwirkung. Die Saugwirkung bewirkt, daß über die zugeordnete Saugöffnung 12 Medium angesaugt und über die Zylindermantelnut 4 sowie die Bohrung 5 in den Zwischenraum zwischen dem jeweiligen Zylinder 3 und dem Kolben 7 zugeführt wird. Umgekehrt wird auf der anderen Seite das Medium in dem Zwischenraum durch Druckausübung über die Drucköffnung 13 entleert.

Bei sämtlichen Ausführungsbeispielen wird übereinstimmend die Bewegung des Kolbens 7 auf der Exzenterwelle 6 durch die Zwangsführungseinrichtung mit den Stiften 10 und den Führungen 11 erreicht. Übereinstimmend ist weiterhin, daß die Zylindermantelnuten 4 sowie Kolbenmantelnuten 8 die zugeordneten Saugöffnungen 12 sowie Drucköffnungen 13 öffnen sowie schließen.

1
Rohr
2
Welle
3
Zylinder
4
Zylindermantelnut
5
Bohrung
6
Exzenterwelle
7
Kolben
8
Kolbenmantelnut
9
Bohrung
10
Stift
11
Führung
12
Saugöffnung
13
Drucköffnung
14
Magnet


Anspruch[de]
Pumpe für Flüssigkeiten oder Gase

mit einer, in einem endseitig geschlossenen Rohr (1) drehbar gelagerten Welle (2), die mittels eines Antriebs in eine Drehbewegung versetzbar ist,

mit einem auf einer zur Welle (2) parallelen Exzenterwelle (6) angeordneten, auf dieser Exzenterwelle (6) frei längsverschiebbaren sowie an der Innenwand des Rohres (1) dicht anliegenden, zylinderförmigen Kolben (7),

mit einer zwischen dem Rohr (1) und dem Kolben (7) ausgebildeten Zwangsführungseinrichtung für eine Hin- und Herbewegung des Kolbens (7) auf der Exzenterwelle (6) bei einer Drehbewegung der Welle (2) für eine Saug- und Druckwirkung durch den Kolben (7) sowie

mit im Rohr (1) im Bereich des Kolbens (7) ausgebildeten Saugöffnungen (12) sowie Drucköffnungen (13), welche bei der Drehbewegung der Welle (2) durch den Kolben (7) alternierend geöffnet und geschlossen werden.
Pumpe nach dem vorhergehenden Anspruch,

dadurch gekennzeichnet,

daß auf der Welle (2) wenigstens ein fest angeordneter sowie an der Innenwand des Rohres (1) dicht anliegender Zylinder (3) vorgesehen ist und

daß die Saugöffnungen (12) sowie Drucköffnungen (13) im Rohr (1) im Bereich des/der Zylinder/s (3) und/oder im Bereich des Kolbens (7) ausgebildeten sind,

welche bei der Drehbewegung der Welle (2) durch den/die Zylinder (3) und/oder durch den Kolben (7) alternierend geöffnet und geschlossen werden.
Pumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß beidseits des Kolbens (7) auf der Welle (2) jeweils ein Zylinder (3) angeordnet ist. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Welle (2) stirnseitig aus dem Rohr (1) herausgeführt ist und dort der Antrieb an der Welle (2) angreift. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Welle (2) innerhalb des Rohres (1) ein Magnetantrieb zugeordnet ist. Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwangsführungseinrichtung durch wenigstens einen im Rohr (1) festgelegten Stift (10) gebildet ist, welcher in Wechselwirkung mit einer umfänglichen Führung (11) des Kolbens (7) steht. Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

daß in der Mantelfläche des Zylinders (3) im Bereich der Öffnungen (12, 13) eine teilumfängliche Zylindermantelnut (4) ausgebildet ist und

daß diese Zylindermantelnut (4) über eine im Zylinder (3) ausgebildete Bohrung (5) mit dem Zwischenraum zwischen dem Zylinder (3) und dem Kolben (7) in Verbindung steht.
Pumpe nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche des Zylinders (3), welche zum Zwischenraum zwischen dem Zylinder (3) und dem Kolben (7) hin gerichtet ist, im Bereich der Öffnungen (12, 13) abgeschrägt ist. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

daß in der Mantelfläche des Kolbens (7) im Bereich der Öffnungen (12, 13) wenigstens eine teilumfängliche Kolbenmantelnut (8) ausgebildet ist und

daß diese Kolbenmantelnut (8) über eine im Kolben (7) ausgebildete Bohrung (9) mit dem Endraum zwischen dem Kolben (7) und der Stirnwand des Rohres (1) in Verbindung steht.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche/n des Kolbens (7), welche zum Zwischenraum zwischen dem Kolben (7) und der Stirnwand des Rohres (1) hin gerichtet ist/sind, im Bereich der Öffnungen (12, 13) abgeschrägt ist/sind.






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