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Ventillose Pumpe
Die Erfindung betrifft Pumpen mit rasch schwingenden Kolben für die Flüssigkeitsförderung. die insbesondere elektromagnetisch angetrieben werden. Bei den meisten Pumpentypen dieser Art wird die Förderrichtung durch Ventile bestimmt, die entweder im Rohrsystem oder im schwingenden Kolben selbst angeordnet sind, wobei zumindest im letzteren Falle der Kolben einen durch ein Ventil gesteuerten Durchflusskanal aufweist. Diese Typen besitzen die allen Ventilpumpen eigenen Nachteile, nämlich die Gefahr eines Undichtwerdens der Ventilsitze, einer Verstopfung der Ventile bzw. eines Bruches von hoch beanspruchten Ventilteilen usw.
Hinzu kommt noch, dass wegen der raschen Schwingung der Ventile zufolge der Massenträgheit und der geringen Stellkräfte nur Ventile von besonders leichter Bauart verwendbar sind, denen an sich keine grossen Beanspruchungen zugemutet werden können, und dass der Wirkungsgrad rasch gesteuerter Ventile infolge der hohen Durchströmgeschwindigkeiten, die eine starke Verwirbelung und damit einen Leistungsverzehr bedingen, recht ungünstig ist.
Um diese Nachteile zu vermeiden, hat man bereits ventillose Pumpen gebaut, deren Schwingkolben ebenfalls mindestens einen parallel zur Kolbenachse verlaufenden Durchflusskanal aufweisen. Die Förderung wird bei diesen Pumpentypen in der Regel dadurch bewirkt, dass der Durchflusskanal eine düsenförmige, sich in der Strömungsrichtung verjüngende Gestalt besitzt ; die Förderwirkung solcher Pumpen ist jedoch sehr gering und nur für wenige spezielle Zwecke ausreichend. Andere Lösungen gehen dahin, dem Kolben eine ungleichförmige Bewegung, z.
B. eine rasche Vorwärts- und eine langsame Rückwärtsbewegung, aufzuzwingen, jedoch sind diese Vorschläge bisher ohne Bedeutung geblieben, insbesondere weil eine direkte mechanische Beeinflussung des Kolbens oder einer Membrane auf konstruktive Schwierigkeiten stösst und eine indirekte elektromagnetische Steuerung dieser Art kompliziert ist.
Ein Vorschlag zur Behebung der genannten Mängel von ventillosen Pumpen geht dahin, dem Durchflusskanal eine Querschnittsverengung gegenüberzustellen, die in der Zielrichtung des aus dem Durchflusskanal austretenden Flüssigkeitsstrahles liegt. Dadurch wird erreicht, dass während des Kolbenrücklaufes der aus der Spitze des Durchflusskanals austretende scharfe Strahl in die Querschnittsverengung zielt und das Zurückströmen von Flüssigkeit, die bereits durch diese Querschnittsverengung gefördert worden ist, verhindert wird. Somit kommt aber zu der an sich auch allein vorhandenen Wirkung des z. B. kegelförmigen Förderkanals die zusätzliche Sperrwirkung der Querschnittsverengung während des Kolbenrücklaufes hinzu, weshalb die Förderleistung bzw. der Wirkungsgrad derartiger ventilloser Pumpen bedeutend besser ist als bei andern ventillosen Pumpen.
Mit den zuletzt beschriebenen Pumpen, bei denen die Flüssigkeitszufuhr aus dem Raume hinter dem Kolben erfolgt, wird vor allem eine sehr befriedigende Förderhöhe von über einem Meter erzielt. Für den Fall jedoch, dass grössere Fördermengen bei sonst gleicher Dimensionierung der Pumpe selbst sowie ihres Antriebes erwünscht sind, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Flüssigkeit nicht von hinten, sondern seitlich zuzuführen, da hiebei offenbar ein ruhigerer, mit einem geringeren hydraulischen Widerstand verbundener Zufluss erzielt wird.
Die Erfindung erstreckt sich daher auf eine ventillose Pumpe, welche durch die Kombination von folgenden, an sich bekannten Merkmalen gekennzeichnet ist : a) Ein insbesondere elektromagnetisch angetriebener, rasch schwingender Kolben, b) ein einen feststehenden Pumpenzylinder bildendes Rohr. in welchem der Kolben schwingt, c) mindestens ein, den Kolben axial durchsetzender, vorzugsweise sich in der Strömungsrichtung stetig verjüngender Förderkanal,
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d) mindestens eine in der vorderen Totpunktlage des Kolbens nahe der Austrittsöffnung des Förderkanals in der Zielrichtung eines Flüssigkeitsstrahles-welcher insbesondere während des Riicklaufes des Kolbens aus der Austrittsöffnung austritt - angeordnete feststehende Querschnittsverengung des Zylinders oder des an diesen dicht anschliessenden Abflusskanals,
deren Querschnitt in der Grössenordnung des Querschnittes der Austrittsöffnung des Förderkanals liegt und sich vorzugsweise itfder Strömungsrichtung stetig erweiter, e) mindestens eine als Zuflussöffnung vorgesehene, in der Wand des Zylinders oder des Abflusskanals angeordnete Bohrung od. dgl. bzw. mindestens ein Schlitz zur seitlichen Zuführung der Flüssigkeit in den Raum vor der Austrittsöffnung oder/und in den Raum zwischen der Austrittsöffnung und der Querschnittsverengung.
Es sind prinzipiell folgende Ausbildungsformen der erfindungsgemässen Pumpen möglich. Der Zyliii- der, in welchem der mit der Austrittsöffnung versehene Kolben schwingt, kann an dem der Strömungsrichtung entgegengesetzten Ende z. B. durch eine Bodenplatte abgeschlossen sein. er kann jedoch auch mit einer zusätzlichen Zuflussöffnung, z. B. einer Bohrung in der Bodenplatte, versehen sein. In diesen Fäl- len kann der seitliche Zufluss durch einen allenfalls mit einem Rohransatz versehenen ringförmigen Kanal erfolgen, der die seitlichen Zuflussöffnungen einschliesst und den Zylinder dicht umschliesst oder vom Zylinder und den beiden die Austrittsöffnung bzw. die Querschnittsverengung aufweisenden Formstücken gebildet ist.
Für bestimmte Verwendungszwecke der erfindungsgemässen Pumpe, z. B. für den Einbau in das Bekken von Zimmerfontänen, ist es besonders vorteilhaft, dass der die seitlichen Zuflussöffnungen aufweisende Teil des Zylinders in den mit der zu fördernden Flüssigkeit angefüllten Raum ragt und der die Bodenplatte aufweisende Endteil des Zylinders sowie in an sich bekannter Weise das Antriebssystem ausserhalb dieses Raumes angeordnet sind. Insbesondere bei dieser Ausführungsart kann auch der Kolben seitliche Zuflussöffnungen aufweisen, die mit den Zuflussöffnungen im Zylinder korrespondieren, wobei vorzugsweise der Innendurchmesser des Zylinders im Bereich der Zuflussöffnungen grösser ist als der Durchmesser des Kolbenmantels.
Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Querschnittsverengung durch das Ende eines in einem Formstück ausgebildeten Kanals gebildet ist, welches Formstück im Zylinder stopfenartig angeordnet ist. Gemäss einer andern Ausführungsform besitzt das dem Kolben zugekehrte Ende des die Querschnittsverengung und den Kanal aufweisenden Formstückes einen rohrförmigen Ansatz, der in der vorderen Totpunktlage des Kolbens in die Austrittsöffnung des Förderkanals des Kolbens hineinragt oder umgekehrt. Das die Querschnittsverengung und den Kanal aufweisende Formstück kann auch gegenüber der Austrittsöffnung des Förderkanals zwecks Justierung im Zylinder verschiebbar sein, wird jedoch im Betrieb z. B. durch Klemmung festgehalten.
In der Zeichnung sind einige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung in durch Mittelachsen der Zylinder bzw. Rohre der Pumpen geführten Schnitten gezeigt, u. zw. betreffen die Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen von zwei verschiedenen Kombinationen der einzelnen erfindungsgemässen Elemente, wobei aus Fig. 1 eine Pumpe mit einem hinten durch eine Bodenplatte vollständig abgeschlossenen Zylinder und einem mit der Austrittsöffnung versehenen Kolben und aus Fig. 2 eine Pumpe mit einem Zylinder, dessen Bodenplatte mit einer Eintrittsöffnung versehen ist, und einer im Kolben angeordneten Austrittsöffnung ersichtlich ist. Bei den in den Fig. 1 und 2 dargestellten Pumpen erfolgt die Flüssigkeitszufuhr von der Seite über ringförmige Kanäle, bei der Pumpe gemäss Fig. 2 ist überdies eine Flüssigkeitszufuhr auch von hinten vorgesehen.
Schliesslich zeigt Fig. 3 eine besonders einfache Bauart einer Pumpe, welche teils in das mit der zu fördernden Flüssigkeit gefüllte Gefäss ragt und direkt seitlich mit Flüssigkeit angespeist wird und deren anderer, das nicht dargestellte Antriebssystem tragender Zylinderteil aus dem Gefäss herausragt. Die Pfeile in den Figuren der Zeichnungen deuten jeweils die Strömungsrichtung der Flüssigkeit an.
Bei der ventillosen Pumpe gemäss Fig. 1 trägt der rasch schwingende Kolben 11 an seiner Stirnseite die Austrittsöffnung 15, der die Querschnittsverengung 16 gegenübersteht. An den Zylinder 13, der hinten durch die Bodenplatte 26 dicht abgeschlossen ist, schliesst ein ringförmiger Zulaufkanal 22 an, der die Flüssigkeitszufuhr durch den korrespondierende Löcher oder Schlitze 24 aufweisenden oder überhaupt an dieser Stelle unterbrochenen Zylinder 13 in den Raum zwischen der Austrittsöffnung 15 und der Querschnittsverengung 16 ermöglicht. An den Zulaufkanal 22 ist ein rohrförmiges Ansatzstück 33 angeschlossen, ebenso an den Zylinder 13 das Ansatzstück 43 als Abflussweg.
Fig. 2 stellt eine hinsichtlich der Ausbildung des ringförmigen ZubringerkanÅals 22 der Pumpe gemäss Fig. 1 geänderte Ausführungsform einer erfindungsgemässen Pumpe dar. Es handelt sich hiebei um
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eine Pumpe, deren Kolben 11 die Austrittsöffnung 15 an seiner konisch geformten Stirnseite trägt, so dass der ringförmige Kanal 22 durch die Stirnseite des Kolbens 11, den Zylinder 13 und den die Querschnittsverengung 16 aufweisenden Formteil gebildet ist. Hiebei erfolgt der seitliche Zufluss über ein Rohr 33 und über Löcher oder Schlitze 24 in der Zylinderwand, und der Abflussweg wird durch den Stutzen 43 gebildet ; jedoch kann eine Flüssigkeitszufuhr mittels eines abgezweigten Rohres oder Schlauches 33', das in einer Öffnung der Bodenplatte 26 mündet, auch von hinten erfolgen.
Diese Massnahme bietet den Vorteil, dass die Fördercharakteristik der Pumpe durch die Verstellung der in den beiden Zuführungs-
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grosse Flüssigkeitsmenge gefördert, wogegen bei der umgekehrten Ventilstellung eine grosse Förderhöhe mit der gleichen Pumpe erzielbar ist. Selbstverständlich sind auch Ventilstellungen möglich bzw. fallweise zweckmässig, bei denen beide Zuflusswege mehr oder weniger geöffnet sind. Insbesondere ist es zweckmässig, die beiden Ventile auf Verdrehung zu kuppeln oder Doppelventile vorzusehen, damit beide Ventile mit einem einzigen Handgriff im gegensätzlichen Sinne verstellbar sind.
Es ist ferner selbstverständlich, dass bei den Ausführungsbeispielen gemäss den Fig. 1 und 2 sowohl die die Austrittsöffnung 15 sowie die Querschnittsverengung 16 aufweisenden Formteile als auch alle andern im Flüssigkeitsweg angeordneten Einzelteile nach strömungstechnischen Gesichtspunkten ausgebildet sind und dass insbesondere die beiden Formstücke zur Justierung verstellbar sind. Schliesslich können auch die Zu- und Abflusswege 33 bzw. 43 in einer andern als in der dargestellten Form, z. B. als über den Zylinder 13 bzw. das Rohr 23 geschobene Mäntel, ausgebildet sein.
In Fig. 3 ist eine ventillose Pumpe mit direkter seitlicher Zuführung der zu fördernden Flüssigkeit dargestellt. Die Anordnung eines ringförmigen Zubringerkanals erübrigt sich hiebei, weil der die Zufluss- öffnungen 24 tragende Teil des Zylinders 13 in den mit Flüssigkeit gefüllten Raum 28 ragt. Dieser ist durch eine Wand 29 vom übrigen Teil des Pumpenzylinders 13, der den Kolben sowie die nicht dargestellte Antriebsvorrichtung trägt, dicht abgeschlossen. Der dichte Abschluss wird z. B. durch die Schraubenmutter 30 und den Dichtungsring 31 bewirkt, der gegen den Bund 32 des Zylinders 13 gepresst ist. Der Pumpenzylinder ist hinten durch die Bodenplatte 26 abgeschlossen.
Der länglich ausgebildete Kolben 11 trägt den Eisenmantel 14 für den Antrieb und weist in seinem vorderen Teil nahe der Austrittsöffnung 15 Schlitze 27 auf, die mit den Löchern 24 in der Wand des Zylinders 13 korrespondieren und den Zutritt der Flüssigkeit aus dem Raum 28 durch die Löcher 24 in den Förderkanal 12 ermöglichen. Um eine Führung des Kolbens 11 zwecks Sicherung gegen dessen axiale Verdrehung zu erübrigen, ist der äussere Durchmesser des Kolbens 11 im Bereiche der Öffnungen 27 bzw. 24 geringer gehalten als der innere Durchmesser des Zylinders 13, so dass auch im Falle einer relativen Verdrehung der Öffnungen 24 und 27 zueinander der Weg für die Flüssigkeit offen steht.
Der rasch schwingende, elektromagnetisch angetriebene Kolben 11 mit dem zentrischen, in der Richtung seiner Achse verlaufenden und sich in der Strömungsrichtung verengenden Förderkanal 12 bewegt sich im Zylinder 13 hin und her, der eine geringe Wandstärke aufweist und aus nicht magnetisierbarem, vorzugsweise isolierendem Material besteht. Die von einem den Zylinder umfassenden, jedoch nicht dargestellten schwingungserzeugendenAntriebssystem ausgehenden magnetischen Kraftlinien durchdringen den Zylinder 13 und wirken auf den längsgeschlitzten Eisenblechmantel 14 des Kolbens 11 ein.
Gegenüber der Austrittsöffnung 15 des Förderkanals 12 ist in der Zielrichtung des durch die Öffnung 15 austretenden Flüssigkeitsstrahles nahe der vorderen Totpunktlage des Kolbens 11 eine feststehende Querschnittsverengung besonders des Abflussweges angeordnet, deren Querschnitt etwa in der Grössenordnung des Querschnittes der Austrittsöffnung 15 liegt, Die Querschnittsverengung 16 wird durch ein z. B. durch Klemmung festgehaltenes Formstück aus Gummi, Kunststoff od. dgl. gebildet, das einen zentrischen, an die Querschnittsverengung 16 anschliessenden, sich in der Strömungsrichtung erweiternden Kanal 18 enthält.
Das Formstück 17 kann zur Begrenzung der Schwingung des Kolbens 11 nach der einen Seite dienen, während auf der andern Seite des Kolbens vor der Bodenplatte 26 ein nicht gezeichneter Anschlag, der z. B. aus einem Gummiring besteht, angeordnet sein kann. Sowohl das Formstück 17 als auch der Anschlag sind zwecks Justierung der Pumpe im Zylinder 13 gegenüber dem nicht gezeichneten magnetischen Antriebssystem längsverschiebbar. Es genügt aber, nur den Anschlag verschiebbar zu gestalten, wenn das magnetische Antriebssystem selbst gegenüber dem allenfalls fest im Zylinder 13 angeordneten Formstück 17 zwecks Justierung verschiebbar, jedoch für den Betrieb fixierbar ausgebildet ist.
Naturgemäss können gegenüber den gezeigten Ausführungsbeispielen von Pumpen, die wegen ihres ventillosen Aufbaues besonders einfach, wenig störanfällig und billig, sowie zum Gebrauche in Spring-
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brunnen, zur Förderung von Kühlmitteln, Säuren, ferner in Getränkeautomaten sowie für Reklamezwecke, Aquarien usw. geeignet sind, auch andere Konstruktionsvarianten benützt werden, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ventillose Pumpe, gekennzeichnet durch die Kombination von folgenden, an sich bekannten Merkmalen : a) ein insbesondere elektromagnetisch angetriebener, rasch schwingender Kolben (11), b) ein einen feststehenden Pumpenzylinder (13) bildendes Rohr, in welchem der Kolben (11) schwingt, c) mindestens ein den Kolben (11) axial durchsetzender, vorzugsweise sich in der Strömungsrichtung stetig verjüngender Förderkanal (12), d) mindestens eine in der vorderen Totpunktlage des Kolbens (11) nahe der Austrittsöffnung (15) des Förderkanals (12) in der Zielrichtung eines Flüssigkeitsstrahles welcher insbesondere während des Rücklaufes des Kolbens (11) aus der Austrittsöffnung (15) austritt-angeordnete feststehende Querschnittsverengung (16) des Zylinders (13) oder des an diesen dicht anschliessenden Abflusskanals,
deren Querschnitt in der Grössenordnung des Querschnittes der Austrittsöffnung (15) des Förderkanals (12) liegt und sich vorzugsweise in der Strömungsrichtung stetig erweitert, e) mindestens eine als Zuflussöffnung vorgesehene, in der Wand des Zylinders (13) oder des Abflusskanals angeordnete Bohrung od. dgl. bzw. mindestens ein Schlitz (24) zur seitlichen Zuführung der Flüssigkeit in den Raum vor der Austrittsöffnung (15) oder/und in den Raum zwischen der Austrittsöffnung (15) und der Querschnittsverengung (16).