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Ventilanordnung für Pumpe oder Kompressor Die Erfindung bezieht sich
auf eine Ventilanordnung für eine Pumpe oder für einen Kompressor, bei der im Rotor
der Pumpe oder des Kompressors angeordnete, mit Ventilkopf und Ventilschaft versehene,
in Ventilschaftsrichtung bewegliche, durch Anpressen des Ventilkopfes an den Ventilsitz
dichtende Einlaß- und/oder Druckventile in Schließrichtung durch Fliehkraftwirkung
auf den Ventilsitz gedrückt und durch über- oder Unterdruck des Mediums geöffnet
werden.
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Es sind Pumpen bekannt, bei denen das öffnen des eigentlichen Pumpzylinders
durch Ventile oder Klappen erfolgt, die ihrerseits durch Mediumsdruck, Federn oder
Nocken geöffnet werden. Die durch federbelastete Ventile gesteuerten Pumpen können
durch Bruch der Ventilfedern ausfallen. Besonders Ölhochdruckpumpen schnell laufender
Bauart, die sehr kleine Ventile mit schwachen, schnell schließenden Federn benutzen,
haben sehr leicht Ventilfederbruch.
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Pumpen, bei denen die Ventile nur durch über-oder Unterdruck des Mediums
geschlossen werden, haben Füllungsverluste, da sie nicht sofort schließen, sondern
erst dann zum Schließen kommen, wenn die Ventile durch Strömungsreibung mitgerissen
werden. Während dieser Verzögerungszeit entweicht Öl aus der Pumpkammer zurück in
die Ansaugleitung. Pumpen dieser Bauart können oft nur mit geringer Drehzahl arbeiten,
da die Ventile bei hoher Drehzahl zu träge arbeiten.
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Es wurden auch bereits Ventile in die Rotoren von Gas- oder Luftkompressoren
eingebaut, die direkt oder indirekt z. B. mittels übertragung durch Gelenkmechanismen
unter Mitwirkung der beim Rotorun-flauf wirksamen Fliehkraft geschlossen werden.
Diese Ausführungsarten von Ventilanordnungen hatten jedoch neben ihrer Kompliziertheit
und deshalb Störanfälligkeit die Nachteile, daß die Ventilköpfe in die Arbeitszylinderräume
hineinragten, daß die Fliehkraftmechanismen in den Arbeitsräumen angeordnet waren,
daß der Zufluß des Mediums in die Arbeitsräume teilweise entgegen der Fliehkraftrichtung
erfolgte, oder daß die Ventilköpfe infolge besonderer entfernt vom Ventilschaft
angeordneter Mediumskanäle, die sie zu schließen hatten, relativ groß ausgebildet
waren. Dadurch entstanden vor allem beim Zufluß des Mediums in den betreffenden
Arbeitszylinder oder die Arbeitsräume Strömungsverluste. Zu große Ventilmassen führten
zu Schließzeitvergrößerungen. Die im Arbeitsraum angeordneten Ventile oder Fliehkraftmechanismen
erforderten zu ihrer Anordnung toten Raum, in dem Kompressionsverluste entstanden,
die den volumetrischen Wirkungsgrad erheblich beeinträchtigen. Die komplizierten
Ventilanordnungen waren teuer und im Betrieb anfällig. Die Strömungsverluste machten
oft erheblichen Vordruck in den Zuführungsleitungen erforderlich.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine aus Saug- und
Druckventil bestehende Ventilanordnung für eine Pumpe oder für einen Kompressor
zu schaffen, die für hohe Drücke geeignet ist, bei der Schließfedern wegen Bruchgefahr
vermieden sind, die eine hohe Lebensdauer haben und mit geringem schädlichem Raum,
mit geringer Trägheit und strömungsgünstig arbeiten.
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Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Einlaß-
und/oder Druckventilschäfte der Ventile mit zu ihren Achsen mindestens teilweise
etwa parallel gerichteten, beim Betrieb der Pumpe oder des Kompressors vom Arbeitsmedium
durchströmten Kanälen versehen und außerhalb dieser Kanäle Fliehkraftmassen vorgesehen
sind, die entweder unmittelbar oder mittels übertragungsglieder beim Rotorumlauf
die Ventile in Schließrichtung ziehen. Da diese Art Pumpen in der Regel durch mit
etwa konstanter Drehzahl laufende Elektromotoren oder Verbrennungsmotoren angetrieben
werden,
ist es leicht möglich, in den Rotoren der Pumpen in vorteilhafter Weise die Fliehkraft
zum Schließen der Ventile auszunutzen. Die Fliehkraft ist eine genau zu berechnende
Größe, die unabhängig ist von Alterungserscheinungen oder Materialqualitäten. Sie
arbeitet zuverlässig und exakt.
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Außerdem sind erfindungsgemäß die Ventilschäfte mit Mediumskanälen
versehen, durch die das Medium strömen kann. Dadurch wird eine besonders einfache,
verlustfreie und gedrängte Bauart der Ventilanordnungen erzielt, bei der auch die
Strömungsverluste gering sind. Totraum erfordernde Anordnungen im Zylinder- oder
Arbeitsraum sind vermieden, denn die Ventilführungen sowohl als auch die Fliehkraftmechanismen
der Ansaugventile befinden sich außerhalb der Arbeits- oder Zylinderräume. Auch
sind die Ventilanordnungen und die Kanäle an den Ansaugventilen so angeordnet, daß
das Medium beim Zuströmen zur Arbeitskammer nicht entgegen der Fliehkraftrichtung
fließen muß, sondern sogar teilweise in Fliehkraftrichtung fließt und dadurch der
Zuflußstrom noch unterstützt wird. Die einfache und verlustsparende Ventilanordnung
ermöglicht daher einfache und betriebssichere schnell laufende Anordnungen, die
auch für hohe Drücke geeignet sind und eine lange Lebensdauer haben.
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An Hand der Zeichnungen ist die Erfindung in beispielhafter Weise
näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel eines
fliehkraftgesteuerten Ventils, das in einem Gehäuse untergebracht ist, das zusammen
mit dem Ventil eine einbaufertige Einheit bildet; F i g. 2 zeigt einen Längsschnitt
durch eine andere beispielhafte Ausführungsart eines fliehkraftgesteuerten Ventils,
das den Einbau in der Längsrichtung des Rotors ermöglicht; F i g. 3 stellt einen
Längsschnitt durch eine weitere beispielhafte Ausführung eines fliehkraftgesteuerten
Ventils dar, das einen Einbau des Ventils in den Rotor des Aggregats in radialer
Richtung gestattet, wobei das Schließen des Ventils in entgegengesetzter Richtung
zur Fliehkraftrichtung erfolgt; F i g. 4 zeigt einen Längsschnitt durch die beispielhafte
Ausführung eines Pumpenrotors mit einem eingebauten Ansaugventil nach F i g. 3;
F i g. 5 stellt einen Längsschnitt durch eine als Beispiel ausgeführte Pumpe dar,
in die ein Druckventil nach F i g. 1 und ein Ansaugventil nach F i g. 3 eingebaut
sind.
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Die beispielhafte Ausführung des Fliehkraftventils nach F i g. 1 wird
in den Rotor so in radialer Richtung eingesetzt, daß der Pfeil F radial nach außen
zeigt. Durch Druck oder Sog öffnet das eintretende Medium das Ventil 7 in Richtung
des Pfeils E und tritt in die Druckleitung 6 a ein. Sobald die gepumpte Mediumsmenge
das Ventil ? durch dessen Kanal l
passiert hat, schließt sich das Ventil 7
wieder, indem es durch die wirksame Fliehkraft in Richtung des Pfeils F auf seinen
Ventilsitz am Gehäuse 6 gedrückt wird. Dann ist das Ventil 7 geschlossen und es
kann kein Medium mehr durch das Ventil in den Arbeitsraum zurück entweichen. An
dem Ventil 7 wird vorteilhafterweise ein Fliehkraftschließgewicht 8 befestigt, das
die wirksame Fliehkraft durch seine Masse erhöht und somit die Schließkraft des
Ventils 7 verstärkt. Die Schließwirkung des Fliehkraftschließgewichtes 8 wird um
so größer, je größer seine Masse ist und um so weiter das Schließgewicht 8 im Rotor
radial nach außen untergebracht ist.
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In axialer Richtung werden die Fliehkraftventile nach F i g. 2 in
den Rotor eingebaut. Das Medium kommt aus der Ansaugleitung 14a und fließt
in Richtung des Pfeils H auf das Ventil 11 zu. Das im Ventilgehäuse 10 gelagerte
Ventil 11 wird durch Sog oder Druck in Richtung des Pfeils G geöffnet. Das Medium
strömt durch den Kanal 2 des Ventils 11 und betritt den Raum 9a. Bei der Rotation
wird in Richtung des Pfeils J eine Fliehkraft wirksam. Diese Fliehkraft wird hervorgerufen
durch ein Fliehkraftschließgewicht 14, das über einen im Schwenkpunkt 12 gelagerten
Haken und den Bolzen 13 das Ventil 11 in Richtung des Pfeils GG schließt. Das Medium
kann dann nicht mehr aus dem Raum 9a durch das Ventil 11 zurück in den Ansaugraum
14a entweichen. Der Dichtring 9 gestattet den leichteren und dichteren Einbau des
Ventilgehäuses 10 in den Rotor. Die radial wirkende Fliehkraft wird ausgenutzt,
um das Ventil 11 in axialer Richtung zum Rotor, also etwa senkrecht zur Fliehkraftrichtung,
zu schließen. Ventile nach F i g. 2 eignen sich deshalb auch besonders als Ansaugventile,
da der Mediums-Strom in diesen Ventilen in axialer Richtung fließen kann, ohne eine
Richtung entgegengesetzt zur Fliehkraft einschlagen zu müssen. Das Medium muß also
beim Fließen vom Saugraum 14 a in den Raum 9 a höchstens die Schließkraft des Ventils
überwinden, bleibt aber von eigenen bremsend wirkenden Fliehkräften verschont.
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Auch die Ventile nach der beispielhaften Ausführung gemäß F i g. 3
eignen sich nicht nur als Druck-, sondern auch besonders gut als Ansaugventile.
Sie werden radial in den Rotor eingebaut. In diesen Ventilen kann das Ansaugmedium
radial nach außen fließen, wobei das Ansaugmedium, unterstützt durch die eigene
wirksame Fliehkraft und Sog oder Druck, das Ventil 20 in Richtung des Pfeils M öffnet.
Sobald das Ansaugmedium das Ventil 20 durch dessen Kanal 3 passiert hat, schließt
die wirksame Fliehkraft das Ventil 20 in Richtung des Pfeils N, indem sie das Venti120
in seinen Sitz im Ventilgehäuse 15 preßt. Das geschieht dadurch, daß das Fliehkraftschließgewicht
16 infolge seiner in Richtung des Pfeils L wirkenden Fliehkraft über die Lagerbolzen
18 und 19 und den Hebel 17 das Ventil 20 in Richtung des Pfeils N zieht.
Bei der Ausführung nach F i g. 3 wird die radial nach außen wirkende Fliehkraft
ausgenutzt und so über die iJbertragungsglieder eines Hebelgestänges umgelenkt,
daß sie im Ventil 20 entgegengesetzt der eigentlichen Fliehkraftrichtung
zur Auswirkung kommt.
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Die Fliehkraft wird also auf dem Wege vom Fliehkraftschließgewicht
zum Ventil in ihrer Richtung um 180° umgelenkt. Nachdem das Medium das Ventil 20
passiert hat, ist es im Raum 20a und kann nicht mehr durch das Ventil 20 zurück
in den Raum 19a entweichen. Bei den beispielhaften Ventilanordnungen nach den F
i g. 1 bis 3 bestimmen die Lage der Fliehkraftventile und die Lage der Fliehkraftschließgewichte
sowie die Massen der Ventile und der Fliehkraftschließgewichte bei jeweils einer
bestimmten Drehzahl die Kraft, mit der die Schließkräfte am Ventil wirksam sind.
Bei der beispielhaften Ausführung nach F i g. 3 muß die Wirkung des Fliehkraftschließgewichtes
durch entsprechend große Masse oder durch geeignete Lage größer sein als die
Fliehkraftwirkung
des eigentlichen Ventils 20. Bei den beispielhaften Ventilanordnungen können die
Schließkräfte so gering gehalten werden, daß der beim Ansaugen entstehende Unterdruck
genügt, um die Ventile zu öffnen und das Medium eintreten zu lassen. Bei Bedarf
werden die Fliehkraftschließkräfte jedoch so reichlich bemessen, daß erst ein Überdruck
in der Ansaugleitung die Ventile öffnet und erst beim Vorhandensein dieses Überdruckes
Medium durch die Kanäle 2, 3 der Ansaugventile in den Arbeitsraum eintritt. Druckventile,
die zwischen Arbeitsraum und Druckleitung eingebaut werden, erhalten praktischerweise
eine höhere Schließkraft als die Ansaugventile, damit sie erst dann öffnen, wenn
Druck erzeugt ist.
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Die exakte Wirkungsweise der Fliehkraft gestattet eine präzise Beherrschung
der Ventilschließkräfte mit nur wenigen Gramm Toleranz, was Verluste spart und einen
hohen Füllungsgrad und volumetrischen Wirkungsgrad gewährleistet.
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Die Strömungskanäle 1, 2, 3 sind so an den oder durch die Ventilschäfte
angeordnet, daß Strömungsverluste des durchströmenden Mediums durch Wirbelbildung,
Strömungsrichtungsänderungen oder Richtungen entgegengesetzt der Fliehkraft vermieden
oder zu einem Minimum reduziert sind. Durch die Unterbringung der Kanäle 1, 2, 3
in oder an den Schäften der Ventile 7, 11, 20 werden Ventilköpfe mit Ventilsitzen
relativ kleiner Durchmesser erzielt und dadurch schnellschlußfähige Ventile geringer
Masse realisiert, die gleichzeitig hochdruckfähige Ventilköpfe und Ventilsitze haben.
Wenn der Rotor nach der beispielhaften Ausführung in F i g. 4 rotiert, ist die Fliehkraft
in Richtung des Pfeils R wirksam. In den Rotor 24 sind ein Ansaugventil nach F i
g. 3 und ein Druckventil 27 eingebaut. Das Ansaugmedium befindet sich zunächst im
Kanal 34, dem Ansaugkanal. Sobald der Kolben 23 sich in Sogrichtung, in diesem Ausführungsbeispiel
axial, bewegt, öffnet sich das Ventil 28 durch Unterdruck im Raum 25 oder durch
Überdruck im Ansaugraum 34, und das Medium fließt aus dem Ansaugkanal 34 durch das
Ventil 28 in den Raum 25 und verweilt dort, sobald der Kolben 23 seine äußere Soglage
erreicht hat. Sobald der Kolben 23 seinen Soghub beendet hat, hört der Unterdruck
im Raum 25 auf, und die wirksame Fliehkraft des Fliehkraftschließgewichtes 30 schließt
das Ventil 28, indem sie es auf seinen Sitz im Ventilgehäuse 32 drückt, dadurch,
daß es die wirksame Fliehkraft über den Hebel 29 und die Lagerbolzen 33 in Richtung
des Pfeils S auf das Ventil 28 überträgt. Nachdem das Ventil 28 geschlossen ist,
kann das Medium aus dem Raum 25 nicht mehr durch das Ventil 28 entweichen. Wenn
der Kolben 23 in Preßrichtung bewegt wird, entsteht im Arbeitsraum ein Druck, der
das Druckventil 27 öffnet. Das Druckmedium passiert das Ventil 27 und tritt
in den eigentlichen Druckkanal 26 ein. Wenn der Kolben 23 in seiner Preßendlage
den Pumphub beendet, läßt der Pumpdruck nach, und das Druckventil 27 schließt
sich infolge seiner eigenen Fliehkraftwirkung in Richtung des Pfeils P. Das Sammelrohr
22 leitet das Druckmedium weiter. Das Ventilgehäuse 32 ist durch einen Deckel 31
im Rotor gehalten.
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Bei der in F i g. 5 dargestellten, konstant fördernden oder regelbaren
Hochdruckpumpe beispielhafter Ausführung tritt das Medium in Richtung der Pfeile
T und V in den Ansaugraum 51 ein, der von dem Pumpengehäuse 37 umgeben ist. Bei
der Rotation des Pumpenrotors 44 wird der Pumpkolben 45 radial nach außen bewegt
und im Pumpraum 36 ein Unterdruck erzeugt. Dieser Unterdruck öffnet in Verbindung
mit dem atmosphärischen Druck oder in Verbindung mit einem Unterdruck in der Ansaugleitung
51 das gemäß F i g. 2 ausgeführte Ansaugventil 48. Das Ansaugmedium fließt durch
das Ventil 48 in Richtung des Pfeils W und tritt in den Pumpraum 36 ein. Sobald
der Pumpkolben 45 seine äußere Totpunktlage erreicht hat, ist der Unterdruck im
Pumpraum 36 beendet, und das Fliehkraftschließgewicht 49 schließt infolge der wirksamen
Fliehkraft (über die in F i g. 2 gezeigten Lager 12 und 13 und den Haken des Fliehkraftgewichtes
14) das Ventil 48, indem es dieses Ventil in Richtung des Pfeils Y in seinen
Sitz im Ventilgehäuse 50 zieht. Das Pumpmedium kann danach nicht mehr durch
das Ansaugventil 48 aus dem Pumpraum 36 entweichen. Bei dem weiteren Umlaufen des
Pumpenrotors wird der Pumpenkolben 45 nach innen bewegt und dadurch ein Druck im
Pumpraum 36 erzeugt. Dieser Druck öffnet das nach F i g. 1 ausgebildete Druckventil
47, das Druckmedium passiert das Druckventil 47 und tritt in den Druckraum 53
und 55 ein, wo es in Richtung des Pfeils U weiterströmt.
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Sobald der Pumpkolben 45 seine untere Totpunktlage erreicht hat, und
damit der Überdruck im Pumpraum 36 beendet ist, wird das Druckventil 47 infolge
seiner eigenen wirksamen Fliehkraft geschlossen. Bei diesem Schließen wird das Druckventil
unterstützt durch die wirksame Fliehkraft des Fliehkraftschließgewichtes 46, die
mithilft; das Ventil 47 in Richtung des Pfeils Z zu schließen. Das Druckrohr 54
leitet das Druckmedium weiter. Der Pumpenrotor 44 wird durch die Antriebswelle 35
angetrieben. Der Bolzen 43 bewirkt zusammen mit den Rahmen 42, den Bolzen 41, den
Ringen 39, dem Lagerträger 38 und den Lagern 40 das Bewegen des Pumpkolbens
oder der Pumpkolben 45 in radialer Richtung. Die Pumpe der beispielhaften Ausführung
kann für konstante Fördermenge gebaut werden und für variable Fördervolumen durch
Verstellen des Lagerringes 38 und damit Verändern des Pumpkolbenhubes. Die Pumpen
werden mit einer beliebigen Anzahl Pumpkolben und der entsprechenden Anzahl von
Ventilen ausgerüstet. In den Ausführungsbeispielen sind die Ventile in besonderen
Ventilgehäusen (6, 10, 15, 50, 52) angeordnet. Das ermöglicht die Herstellung
der Ventilgehäuse mit zylindrischem Außendurchmesser und deren Montage in einfache
entsprechende, zylindrische Bohrungen oder Sitze im Pumpenrotor. Es ermöglicht außerdem
das leichte Einschleifen der Ventilsitze, wenn die Ventilgehäuse noch nicht in den
Rotor eingesetzt sind. Doch ist es auch möglich, die Ventilführungen und die Ventilsitze
direkt im Rotor anzuordnen, so daß der Rotor gleichzeitig als Ventilgehäuse dient
und die Ventile (7, 11, 20 oder 48) direkt im Rotor gelagert sind.
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Die erfindungsgemäßen Ventilanordnungen sind besonders für Flüssigkeitsdruckpumpen
oder schnell laufende Hochdruckflüssigkeitsdruckpumpen geeignet. Doch können insbesondere
die Ansaugventilanordnungen nach den F i g. 2 und 3 auch in Rotationskompressoren
für Gasverdichtung, Luftverdichtung oder Brennstoff-Luftgemisch-Verdichtung verwendet
werden.