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Title:
METHOD FOR OPERATING A PISTON PUMP, AND PISTON PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/091306
Kind Code:
A1
Abstract:
During the operation of a piston pump having a cylinder (2), which encloses a cylinder volume, and having a piston (1), which is movable back and forth in the cylinder so as to generate a decompression phase and a compression phase in order to cause a flow of a fluid medium in a volume that communicates with the cylinder volume, it is provided that, from a compensation volume, during a decompression phase, a first compensation quantity of fluid medium is discharged from the volume and/or, during the compression phase, a second compensation quantity of fluid medium is supplied to the volume.

Inventors:
JANSEN, Roman (Tannenwaldstraße 28, Wassenberg, 41849, DE)
Application Number:
EP2017/078394
Publication Date:
May 24, 2018
Filing Date:
November 07, 2017
Export Citation:
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Assignee:
MHWIRTH GMBH (Kölner Straße 71-73, Erkelenz, 41812, DE)
International Classes:
F04B43/02; F02M59/02; F04B9/107; F04B11/00; F04B43/067; F04B43/073
Foreign References:
GB204695A1923-12-20
DE1031640B1958-06-04
FR1122901A1956-09-14
DE102011003396A12012-08-02
DE102007022658A12008-11-20
DE102011054073A12013-04-04
DE102013108672A12015-02-12
Attorney, Agent or Firm:
KLUIN, Jörg-Eden (Benrather Schloßallee 111, Düsseldorf, 40597, DE)
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Claims:
Patentansprüche:

Betriebsverfahren einer Kolbenpumpe (100), bei dem in einem Zylinder (2), der ein Zylindervolumen (2λ) umfasst, ein Kolben (1) unter Erzeugung einer Dekompressionsphase und einer Kompressionsphase mit einer Frequenz hin- und her bewegt wird, um ein fluides Medium in einem mit dem Zylindervolumen (2λ) kommunizierenden Volumen in eine Strömung zu versetzen,

dadurch gekennzeichnet,

dass während der Dekompressionsphase eine erste Kompressionsmenge an fluidem Medium aus dem Volumen abgeführt und/oder während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an fluidem Medium dem Volumen zugeführt wird .

Betriebsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Betriebsverfahren eine Kolben-Membranpumpe (100) betrieben wird, die ein Arbeitsvolumen (4) mit einem Arbeitsmedium (4λ) umfasst.

Betriebsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass während der Dekompressionsphase eine erste Kompensationsmenge an Arbeitsmedium (4λ) aus dem Arbeitsvolumen (4) abgeführt und/oder während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an Arbeitsmedium (4λ) dem Arbeitsvolumen (4) zugeführt wird .

Kolbenpumpe, mit einem Zylinder (2), der ein Zylindervolumen (2λ) umfasst, mit einem Kolben (1), der unter Erzeugung einer Dekompressionsphase und einer Kompressionsphase in dem Zylinder (2) mit einer Frequenz hin- und her bewegbar ist, um ein fluides Medium in einem mit dem Zylindervolumen (2λ) kommunizierenden Volumen in eine Strömung zu versetzen,

dadurch gekennzeichnet,

dass ein Kompensationsvolumen (12) vorgesehen ist, in welches eine erste Kompensationsmenge an fluidem Medium aus dem Volumen abführbar und/oder aus welchem eine zweite Kompensationsmenge an fluidem Medium dem Volumen zuführbar ist.

5. Kolbenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbenpumpe eine Kolben-Membranpumpe (100) ist, die ein Arbeitsvolumen (4), in dem sich eine Arbeitsflüssigkeit (4λ) befindet, ein Fördervolumen (7), durch die zu förderndes Medium pumpbar ist, und eine das Fördervolumen (7) von dem Arbeitsvolumen (4) trennende Membran (6) umfasst.

6. Kolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsvolumen (12) mit dem Arbeitsvolumen (4) kommuniziert und die ersten und zweiten Kompensationsmengen Arbeitsmedium (4λ) umfassen .

7. Kolbenpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsvolumen (12) mit dem Fördervolumen (7) kommuniziert und die ersten und zweiten Kompensationsmengen zu förderndes Medium umfassen.

8. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Kompensationsvolumen (12) einen Kompensationszylinder (14) mit einem Kompensationszylinder (14) mit einem Kompensationskolben (15) umfasst.

9. Kolbenpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompensationskolben (15) doppelt wirkend mit einem ersten und einem zweiten Kolbenboden (16, 17) ausgebildet ist. 10. Kolbenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass an dem ersten Kolbenboden (16) Arbeitsmedium (4λ) oder zu förderndes Medium und an dem zweiten Kolbenboden (17) ein Betätigungsmedium (18) ansteht.

11. Kolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Betä- tigungsmedium (18) von einer Druckquelle (21) bereitgestellt wird, die über ein Schaltventil mit dem Kompensationsvolumen (12) verbindbar oder trennbar ist.

12. Kolbenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (12) ein 3/2-Wegeventil (20) ist.

13. Kolbenpumpe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (12) synchronisiert zum Kolben (1) betätigbar ist. 14. Kolbenpumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckquelle (21) einen Hydrospeicher (22) umfasst.

Description:
MHWirth GmbH

Kölner Straße 71-73

41812 Erkelenz

Betriebsverfahren einer Kolbenpumpe sowie Kolbenpumpe

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren einer Kolbenpumpe, bei dem in einem Zylinder, der ein Zylindervolumen aufweist, ein Kolben unter Erzeugung einer Dekompressionsphase und einer Kompressionsphase mit einer Frequenz hin- und her bewegt wird, um ein fluides Medium in einem mit dem Zylindervolumen kommunizierenden Volumen in eine Strömung zu versetzen. Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Kolbenpumpe, mit einem Zylinder, der ein Zylindervolumen aufweist, mit einem Kolben, der unter Erzeugung einer Dekompressionsphase und einer Kompressionsphase in dem Zylinder mit einer Frequenz hin- und her bewegbar ist, um ein fluides Medium in einem mit dem Zylindervolumen kom- munizierenden Volumen in eine Strömung zu versetzen.

Kolbenpumpen dienen der Förderung von fluiden Medien. Sie umfassen regelmäßig einen Kolben, der in einem Zylinder läuft, welcher ein Zylindervolumen aufweist. Mit diesem Zylindervolumen korrespondiert ein Volumen, welches zumin- dest einen Zu- und zumindest einen Ablauf aufweist, die jeweils durch ein Ventil, welches oft als Rückschlagventil ausgebildet ist, verschließbar sind . In einem ersten Takt bewegt sich der Kolben von einem Totpunkt in eine Richtung, die zu einer Druckabsenkung in dem Volumen führt. Das dem Zulauf zugeordnete Ventil ist so ausgebildet, dass es sich nach Überwinden einer Dekompressionsphase öffnet und das zu fördernde Medium in das Volumen einströmt. Nach Beendigung des ersten Taktes bei Erreichen des anderen Totpunkts schließt das Einlassventil . Im zweiten Takt, d .h. bei der Bewegung des Kolbens nach Überwindung des Totpunkts öffnet das meist ebenfalls als Rückschlagventil ausgebildete, dem Ablauf zugeordnete Auslassventil nach Durchlaufen einer Kompressionsphase, nach welcher sich in dem Volumen der zum Öffnen des Auslassventils und zur Abgabe des zu fördernden Mediums erforderliche Druck aufgebaut hat.

Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf Kolbenpumpen, die zur Förderung von Suspensionen, auch als „Schlamm" oder„Slurry" bezeichnet, vorgesehen sind. Auch das erfindungsgemäße Betriebsverfahren bezieht sich insbesondere auf derartige Kolbenpumpen. Sie werden oft auch als„Slurry pumps" oder„Dickstoffpumpen" bezeichnet und sind dafür vorgesehen, hohe Förderleistungen von typischerweise bis zu 10.000 l/min bei mittleren Drücken von typischerweise zwischen 20 und 500 bar zu erzeugen. Solche Kolbenpumpen sind üblicherweise für den Dauereinsatz konzipiert und müssen zuverlässig über möglichst lange Zeiträume, bis hin zu Jahren, möglichst störungsfrei arbeiten, da ein Austausch einer defekten Kolbenpumpe nicht zuletzt auch wegen deren Größe regelmäßig mit einem erheblichen Arbeits- und Zeitaufwand verbunden ist.

Derartige Kolbenpumpen zur Slurry-Förderung sind beispielsweise aus der DE 10 2011 054 073 AI oder der DE 10 2013 108 672 AI bekannt. Diese bekannten Pumpen sind als Kolben-Membranpumpen ausgebildet, bei welcher die Hin- und Herbewegung des Kolbens über ein Arbeitsmedium, welches sich in einem Ar- beitsvolumen befindet, auf eine Membran übertragen wird. Letztere trennt das Arbeitsvolumen stofflich von einem Fördervolumen, in welches Zu- und Abläufe über Ein- und Auslassventile münden. Gegenüber einer membranlosen Kolbenpumpe besteht ein Vorteil der Membran-Kolbenpumpe darin, dass der Kolben lediglich mit der Arbeitsflüssigkeit - oft einem Hydrauliköl - und nicht mit teils aggressiver und abrasiver „Slurry" in Kontakt kommt, wodurch Kolben- Membranpumpen regelmäßig besser zum Dauereinsatz bei einer Slurry- Förderung geeignet sind als membranlose Kolbenpumpen.

Zwar hat sich in der Vergangenheit gezeigt, dass Kolbenpumpen sich bei der Slurry-Förderung durch hohe Standzeiten auszeichnen und daher für den Dauer- einsatz Verwendung finden können. Es sind jedoch Fälle aufgetreten, bei denen die vorausberechneten, erwarteten Standzeiten durch eine höher als erwartete Materialbeanspruchung nicht erreicht wurden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Betriebsverfahren für eine Kolbenpumpe und eine zur Anwendung des Betriebsverfahrens geeignete Kolbenpumpe zur Erzielung einer längeren Standzeit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird in ihrem Verfahrensaspekt durch das in Anspruch 1 wieder- gegebene Betriebsverfahren gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren wird während der Dekompressi- onsphase eine erste Menge an Medium, auf welches der Kolben bei seiner Hin- und Herbewegung unmittelbar oder mittelbar wirkt, auch„erste Kompensations- menge" genannt, aus dem Volumen abgeführt und/oder während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an solchem fluiden Medium dem Volumen zugeführt.

Dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es während des Betriebes einer derartigen Kolbenpumpe sowohl in der Saugphase, d .h. wenn zu förderndes Medium angesaugt wird, als auch in der Förderphase, d .h. wenn zu förderndes Medium abgegeben wird, zu Pulsationen innerhalb der unmittelbar oder mittelbar mit dem Kolben in Verbindung stehenden Volumina kommen kann. Es hat sich ferner gezeigt, dass die Größe die- ser Druckschwankungen von einer Mehrzahl von Parametern abhängig ist, beispielsweise von der Geschwindigkeit, mit welcher der Kolben hin und her bewegt wird, sowie der„Gesamtkompressibilität" des fluiden Mediums, auf welches der Kolben direkt oder indirekt wirkt. Die „Gesamtkompressibilität" beeinflusst die Strecke, um die sich der Kolben ausgehend von einem Totpunkt verlagern muss, um in den Volumina die zum Öffnen des Einlassventils bzw. zum Öffnen des Auslassventils erforderliche Drücke zu erzeugen. Die Gesamtkompressibilität bestimmt daher den Verlauf der Drücke der Medien in den Volumina während der Dekompressionsphase und der Kompressionsphase. Die Gesamtkompressibilität wird beispielsweise beeinflusst durch die Kompressibilität der Medien in den Vo- lumina und der Nachgiebigkeit der Komponenten der Kolbenpumpe, auf die durch die Hin- und Herbewegung des Kolbens verursachte Druckänderungen wirken.

Des Weiteren überraschend hat sich gezeigt, dass diese Druckschwankungen in einem für die Standfestigkeit der Kolbenpumpe signifikanten Maße reduziert werden können, wenn während der Dekompressionsphase eine erste Kompensationsmenge an fluidem Medium aus einem direkt oder indirekt mit dem Kolben kommunizierenden Volumen abgeführt und/oder während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an fluidem Medium einem direkt oder indi- rekt mit dem Kolben kommunizierenden Volumen zugeführt wird .

Es hat sich gezeigt, dass mit diesem Betriebsverfahren eine Reihe von Effekten, die sich negativ auf die Standzeit der Pumpe auswirken können, reduzierbar sind . Beispielhaft seien Druckspitzen sowie Pulsationen in den Volumina, als auch Ka- vitation genannt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens ist die aus einem unmittelbar oder mittelbar mit dem Kolben kommunizierenden Volumen abgeführte erste Kompensationsmenge und/oder die aus einem unmittelbar oder mittelbar mit dem Kolben kommunizierenden Volumen zugeführte zweite Kompensationsmenge abhängig von der Differenz zwischen dem Druck während des Einströmens des zu fördernden Mediums und der Abgabe des zu fördernden Mediums. Vorzugsweise kann hierdurch dem Umstand Rechnung getragen werden, dass Druckschwankungen, die die Standzeit reduzieren, bei kurbelwellenbetriebenen Kolbenpumpen drehzahlabhängig auftreten. Dabei kann die Drehzahlabhängigkeit der zur Druckschwankungsreduzierung erforderlichen ersten und/oder zweiten Kompensationsmengen im Wege von Simulationsrechnungen und/oder Versuchen vorermittelt und während des Betriebs frequenzabhängig bereitgestellt werden. Aufgrund dieser Maßnahme kann nicht nur die Standzeit der Pumpe, sondern auch die Maximaldrehzahl, unter der sie betreibbar ist, erhöht werden.

Handelt es sich - wie bevorzugt - bei der Kolbenpumpe um eine Kolben- Membranpumpe, die ein Arbeitsvolumen mit einem Arbeitsmedium umfasst, kann - besonders bevorzugt - während der Dekompressionsphase eine erste Kompensationsmenge an Arbeitsmedium aus dem Arbeitsvolumen abgeführt und/oder vorzugsweise während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an Arbeitsmedium dem Arbeitsvolumen zugeführt werden. Auch ist es - alternativ oder zusätzlich - möglich, bei einer Kolben-Membranpumpe wäh- rend der Dekompressionsphase eine erste Kompensationsmenge von zu förderndem Medium aus dem über die Membran von dem Arbeitsvolumen abgetrennten Fördervolumen abzuziehen und/oder diesem Fördervolumen während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an zu förderndem Medium zuzufügen.

Hinsichtlich ihres Vorrichtungsaspekts wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Kolbenpumpe ein Kompensationsvolumen vorgesehen ist, in welches eine erste Kompensationsmenge an fluidem Medium aus einem unmittelbar oder mittelbar mit dem Kolben kommunizierenden Volu- men abführbar und/oder aus welchem eine zweite Kompensationsmenge an fluidem Medium einem unmittelbar oder mittelbar mit dem Kolben kommunizierenden Volumen zuführbar ist.

Bei der Kolbenpumpe kann es sich - besonders bevorzugt - um eine Kolben- Membranpumpe handeln, die ein Arbeitsvolumen, in dem sich ein Arbeitsmedium befindet, ein Fördervolumen, durch die zu förderndes Medium pumpbar ist und eine das Fördervolumen von dem Arbeitsvolumen trennende Membran umfasst. Das Kompensationsvolumen kann dann - besonders bevorzugt - mit dem Arbeitsvolumen kommunizieren und die ersten und zweiten Kompensationsmengen können Arbeitsmedium umfassen.

Alternativ oder zusätzlich ist eine Ausbildung möglich, bei welcher das Kompensationsvolumen mit dem Fördervolumen kommuniziert und die ersten und zweiten Kompensationsmengen zu förderndes Medium umfassen.

Bei einer bevorzugten konstruktiven Variante kann das Kompensationsvolumen einen Kompensationszylinder mit einem Kompensationskolben umfassen.

Der Kompensationskolben kann - besonders bevorzugt - doppeltwirkend mit ei- nem ersten und einem zweiten Kolbenboden ausgebildet sein. An dem ersten Kolbenboden kann dann vorzugsweise Arbeitsflüssigkeit oder zu förderndes Medium und an dem zweiten Kolbenboden vorzugsweise ein Betätigungsmedium für die Verlagerung des Kompensationskolbens anstehen.

Das Betätigungsmedium kann - besonders bevorzugt - von einer Druckquelle bereitgestellt werden, die vorzugsweise über ein Schaltventil mit dem Kompensationsvolumen verbindbar oder von dem Kompensationsvolumen trennbar ist. Das Schaltventil ist vorzugsweise als 3/2-Wegeventil ausgebildet.

Um die ersten und/oder zweiten Kompensationsmengen während der Dekom- pressionsphasen und/oder Kompressionsphasen zuführen zu können, ist die Kolbenpumpe vorzugsweise derart ausgebildet, dass das Schaltventil synchronisiert ist mit der Kolbenpumpe, genauer mit der Stellung des Kolbens im Zylinder und/oder - sofern die Hin-und Herbewegung des Kolbens durch eine Kurbelwelle hervorgerufen wird - mit der Rotation der Kurbelwelle.

Um die Kompensationsmengen drehzahlabhängig beeinflussen zu können, kann die Druckquelle derart mit einem die Drehzahl der Kurbelwelle erfassenden Drehzahlmesser verbunden sein, dass der Druck, unter den das Betätigungsmedium gestellt wird, drehzahlabhängig beeinflusst wird.

Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert werden. Es zeigen :

Fig. 1 - rein schematisch - einen ausschnittsweisen Schnitt einer zur Anwendung des erfindungsgemäßen Betriebsverfahrens geeignete, erfindungsgemäße Kolbenpumpe;

Fig. 2 - rein beispielhaft - den Druckverlauf eines Arbeitsmediums einer nach einem herkömmlichen Betriebsverfahren arbeitenden Kolbenpumpe sowie Fig. 3 den entsprechenden Druckverlauf bei einer erfindungsgemäßen, nach dem erfindungsgemäßen Betriebsverfahren arbeitenden Kolbenpumpe.

Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel einer erfindungsge- mäßen Kolbenpumpe handelt es sich um eine Kolben-Membranpumpe 100. Sie umfasst einen Kolben 1, der in einem Zylinder 2, der ein Zylindervolumen T aufweist, mit Hilfe einer Kolbenstange 3 in eine Hin- und Herbewegung versetzbar ist, wie der Pfeil PI symbolisiert. In Fig . 1 befindet sich der Kolben an seinem gemäß Zeichnung rechten Totpunkt.

An das Zylindervolumen schließt sich ein Arbeitsvolumen 4 an, welches mit einem Arbeitsmedium 4\ beispielsweise einem Hydrauliköl befüllt ist. Das Arbeitsvolumen 4 mündet in ein Membrangehäuse 5, in welchem es durch eine Membran 6 gegenüber einem von dem Membrangehäuse umfassten Fördervolumen 7 begrenzt ist. Mit dem Fördervolumen 7 verbunden ist ein Zulauf 8, der über ein in Richtung des Pfeiles P2 öffnendes Einlassventil 9 an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Zuleitung angeschlossen ist. Ferner mit dem Fördervolumen 7 verbunden ist ein Ablauf 10, der über ein in Richtung des Pfeiles P3 öffnendes Auslassventil 11 an eine in der Zeichnung nicht dargestellte Auslassleitung ange- schlössen ist.

Wie durch Betrachtung der Zeichnung sinnfällig wird, führt die Hin- und Herbewegung des Kolbens 1 unter der Voraussetzung eines geschlossenen, Arbeitsvolumens 4 zu einer Hin- und Herbewegung der Membran 6, die durch den Pfeil P4 symbolisiert ist. Bewegt sich der Kolben aus der in Fig. 1 dargestellten rechten Totpunktstellung nach links, so bewegt sich unter Konstanthaltung des Arbeitsvolumens 4 auch die Membran 6 zurück, wodurch in dem Fördervolumen 7 eine Druckabsenkung entsteht. Diese führt beim Unterschreiten eines bestimmten Druckes, der unter anderem vom jeweiligen Einlassventil 9 und dem Druck in der Zuleitung abhängt, zum Öffnen desselben und zum Ansaugen des zu fördernden Mediums - hier Slurry - in das Fördervolumen 7. Dieser Ansaugvorgang endet, wenn der Kolben 1 den in Fig. 1 nicht dargestellten, anderen Totpunkt erreicht hat. Die Membran befindet sich dann etwa in einer in Fig . 1 gestrichelt dargestellten Position. Nach Umkehr der Bewegungsrichtung des Kolbens 1 wird die Membran 6 von der gestrichelt dargestellten Position erneut in die Ausgangsposition zurückverlagert. Hierbei erhöht sich der Druck in dem Fördervolumen 7. Beim Übersteigen eines bestimmten Druckes, der unter anderem vom Auslassventil 11 und dem Druck in der Auslassleitung abhängt, öffnet letzteres und das Fördermedium wird durch den Ablauf abgegeben. Anschließend beginnen diese Vorgänge von vorn.

Die Kolben-Membranpumpe arbeitet somit in zwei Takten bzw. Phasen : - In der Saugphase, in welcher das Einlassventil 9 geöffnet ist, stehen die Arbeits- und Fördervolumina 4, 7 gegenüber der Zuleitung unter einem Unterdruck, aufgrund dessen das zu fördernde Medium durch den Zulauf 8 angesaugt wird . - In der Förderphase stehen die Arbeits- und Fördervolumina 4, 7 gegenüber der Auslassleitung unter einem Überdruck, aufgrund dessen das zu fördernde Medium über den Ablauf 10 abgegeben wird. Nach Beendigung dieser Förderphase beginnt - wie bereits erwähnt - der Arbeitszyklus der Kolben- Membranpumpe 100 von vorn.

Der Druckverlauf in den Arbeits- und Fördervolumina 4, 7 während eines Arbeitszyklus ist graphisch in Fig . 2 dargestellt. Dabei zeigt die Abszisse die Kolbenstellung S, die Ordinate den Druck D. LT bezeichnet den gemäß Fig. 1 linken Totpunkt des Kolbens 1, RT dementsprechend seinen rechten Totpunkt.

Wie Fig . 2 verdeutlicht, steigt der Druck D bei einer Bewegung des Kolbens vom linken Totpunkt LT nicht sprunghaft an, sondern steigt im Wesentlichen linear während einer Bewegungsstrecke des Kolbens innerhalb einer Kompressionsphase Sl . Hiernach pulsiert der Druck D um einen mittleren Maximalwert Dmax, bis der Kolben den rechten Totpunkt RT erreicht hat. Nach Umkehr seiner Bewegungsrichtung sinkt der Druck D in einer Dekompressionsphase während der Bewegung des Kolbens um eine Strecke S2 auf einen Minimalwert, wobei der Druck D wiederum um einen mittleren Minimalwert Dmin pulsiert. Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass die auftretenden Pulsationen, die die zu erwartende maximale Betriebsdauer der Kolben-Membranpumpe verkürzen können, reduzierbar sind, indem Maßnahmen zur Verkürzung der Kompressions- und/oder Dekompressionsphase getroffen werden.

Hierzu wird erfindungsgemäß während der Dekompressionsphase eine erste Kompensationsmenge an fluidem Medium aus dem Arbeitsvolumen 4 abgeführt und/oder während der Kompressionsphase eine zweite Kompensationsmenge an fluidem Medium dem Arbeitsvolumen 4 zugeführt. Hierzu ist bei der beispielhaft erläuterten Kolben-Membranpumpe 100 ein Kompensationsvolumen 12 vorgesehen, welches über eine Leitung 13 mit dem Arbeitsvolumen 4 kommuniziert. Das Kompensationsvolumen 12 umfasst einen Kompensationszylinder 14, in dem ein doppelt wirkender Kompensationskolben 15, der einen ersten Kolbenboden 16 und einen zweiten Kolbenboden 17 aufweist, angeordnet ist. Der Kompensati- onskolben 15 ist in dem Kompensationszylinder 14 hin- und her bewegbar gelagert, wie dies durch den Pfeil P5 symbolisiert sein soll. An dem der Leitung 13 zugewandten ersten Kolbenboden steht Arbeitsmedium 4 λ unter einem Druck an, der demjenigen in dem Arbeitsvolumen 4 entspricht. An dem zweiten Kolbenboden 17 steht ein Betätigungsmedium 18 unter einem veränderbaren Druck an. Hierzu weist der Kompensationszylinder 14 auf der Seite des zweiten Kolbenbodens 17 einen Anschluss 19 auf, der über ein 3/2-Wegeventil 20 mit einer Druckquelle 21 verbindbar oder von dieser freischaltbar ist.

Um die Kompressionsphase zu verkürzen - mit anderen Worten : um die Strecke Sl zu verkürzen, die der Kolben 1 zurücklegen muss, um einen Anstieg des Drucks von Dmin auf Dmax zu bewirken - wird mit Hilfe des 3/2-Wegeventils 20 innerhalb der Kompressionsphase der zweite Kolbenboden 17 mit einem gegenüber dem Arbeitsmedium 4 λ unter einem Überdruck stehenden Betätigungsmedium 18 beaufschlagt. Aufgrund des Überdrucks des Betätigungsmediums 18 wird zusätzliches Arbeitsmedium 4 λ aus dem Kompensationsvolumen 12 in das Arbeitsvolumen 4 eingebracht. Wie in Fig . 3, in welcher der Druckverlauf im Arbeitsmedium 4 λ in einer Fig. 2 entsprechenden Weise dargestellt ist, erkennbar ist, verringert sich hierdurch die Strecke Sl, die der Kolben ausgehend von seinem linken Totpunkt zurücklegen muss, um einen Anstieg des Drucks des Ar- beitsmediums 4 λ vom mittleren Minimaldruck Dmin zum mittleren Maximaldruck Dmax zu bewirken. Dementsprechend kann die Dekompressionsphase, d .h ., die Strecke S2, die der Kolben vom rechten Totpunkt aus zurücklegen muss, um eine Reduzierung des Drucks von Dmax auf Dmin zu bewirken, verkürzt werden, indem während der Dekompressionsphase der Druck des an dem zweiten Kol- benboden 17 anstehenden Betätigungsmediums 18 durch Umschalten des 3/2- Wegeventils 20 reduziert wird . Aufgrund dieser Maßnahme wird sich der Kompensationskolben 15 gemäß Fig. 1 nach unten verlagern und Arbeitsmedium 4 λ in das Kompensationsvolumen 12 einfließen können. Es versteht sich, dass die Betätigung des 3/2-Wegeventils 20 mit der Kolbenstellung synchronisierend erfolgen muss. Hierzu kann das 3/2-Wegeventil 20 über Positionssensoren für den Kolben 1 angesteuert werden. Wird der Kolben 1 - wie in den meisten Fällen - mit Hilfe einer Kurbelwelle in seine Hin- und Herbewegung versetzt, so können auch Winkelsensoren an der Kurbelwelle vorgesehen sein, mit deren Hilfe das 3/2-Wegeventil 20 angesteuert wird .

Wie durch Vergleich der Fig . 3 mit der Fig . 2 deutlich erkennbar ist, führt eine Abfuhr an Arbeitsmedium aus dem Arbeitsvolumen während der Dekompressionsphase und eine Zufuhr von Arbeitsmedium in das Arbeitsvolumen während der Kompressionsphase nicht nur zu einer Verkürzung dieser beiden Phasen, sondern überraschenderweise auch zu einer deutlichen Reduzierung der Pulsation während der Förder- und Saugphase.

Um die Kompensationsmengen, die während einer Dekompressionsphase aufge- nommen und/oder während einer Kompressionsphase abgegeben werden, beeinflussen zu können, umfasst die Druckquelle 21 einen Hydrospeicher 22, mittels welcher der Druck, unter dem das Betätigungsmedium dem 3/2-Wegeventil bereitgestellt wird, veränderbar ist. Wie oben bereits beschrieben, ist die Kompensationsmenge bei der Dekompressionsphase und auch bei der Kompressionsphase abhängig von den Nachgiebigkeiten im Pumpensystem und von der vorherrschenden Druckdifferenz zwischen Einlass und Auslass. Da der maximal erzeugbare Differenzdruck bauartbedingt begrenzt ist, sind auch die Kompensationsmengen nach oben hin begrenzt. So- lange das Kompensationsvolumen 12 größer ist, als das bei maximaler Druckdifferenz benötigte Kompressionsvolumen für die Kompressions- und Dekompressionsphase, kann die Kompressions- bzw. Dekompressionsverkürzung optimal funktionieren. Sollte z. B. bei geringeren Differenzdrücken eine geringere Kompressionsmenge benötigt werden, so kann trotzdem das maximale Kompressionsvolumen 12 zu- bzw. abgeführt werden, ohne dass die Pumpe hierdurch negativ beeinflusst wird, da das Schaltverhalten des Ein- bzw. Auslassventils die maximalen und minimalen Druckwerte begrenzt.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil des Kompensationszylinders 14 mit dem Kompensationskolben 15 besteht darin, dass eine Fehlfunktion des 3/2-Wegeventils 20 oder ein Ausfall der Druckquelle 21 keinen Ausfall der generellen Pumpenfunktion bedeutet, da der Kompensationskolben hierbei in der unteren oder oberen Totposition verharrt und ein unkontrolliertes Zu- oder Abfließen von Betätigungsmedium 18 in das Arbeitsvolumen 4 bzw. Fördervolumen 7 verhindert wird . Dadurch kann die Pumpe unter Inkaufnahme verlängerter Kompressions- bzw. Dekompressionsphasen weiterhin betrieben werden.

Da das Zuführen der Kompensationsmenge bei der Kompressionsphase in das Arbeitsvolumen 4 bzw. in das Fördervolumen 7 ebenso wie das Abführen der Kompressionsmengen aus diesen Volumina bei der Dekompressionsphase mit der Hubbewegung des Kolbens 1 synchronisiert werden muss, ist bei dem in Fig . 1 dargestellten Ausführungsbeispiel das 3/2-Wegeventil mit einer Steuereinheit 23 und mit einer Einheit 24 zur Erfassung der Hubposition des Kolbens 1 verbunden. Umfasst die Kolbenpumpe eine Kurbelwelle zum Antrieb des Kolbens 1, so kann es sich bei dieser Einrichtung um einen Winkelmesser zur Erfassung des Kurbelwinkels handeln.

Beispielhaft seien zu dem dargestellten Ausführungsbeispiel noch die folgenden, möglichen Druckwerte angegeben :

- auf das Arbeitsmedium während der Saugphase wirkender Druck: ca. 5 bar.

- während der Förderphase auf das Arbeitsmedium wirkender Druck: ca. 100 bar.

- Druck, der auf das Betätigungsmedium während der Kompressionsphase wirkt: ca. 105 bar.

- Druck, der auf das Betätigungsmedium während der Dekompressionsphase wirkt: ca. 3 bis 4 bar. Es versteht sich, dass die vorbeschriebenen Effekte und Vorteile auch unter anderen Druckverhältnissen erzielbar sind. Beispielsweise kann das Arbeitsmedium während der Förderphase unter einem Druck von etwa 500 bar stehen. Wesent- lieh ist lediglich, dass der Druck, unter dem das Betätigungsmedium 18 an dem zweiten Kolbenboden 17 des Kompensationskolbens 15 während der Kompressionsphase ansteht, größer ist als der Druck, unter dem das Arbeitsmedium 4 λ während der Förderphase ist, und/oder dass der Druck, unter dem das Betätigungsmedium 18 an dem zweiten Kolbenboden 17 des Kompensationskolbens 15 während der Dekompressionsphase ansteht, kleiner ist als der Druck, unter dem das Arbeitsmedium während der Saugphase steht.

Da die Kompensationsmenge während der Kompressionsphase nur in einem sehr kurzen Zeitraum während der Hubbewegung des Kolbens eingebracht wird, bie- tet es sich an, neben der Druckquelle 21 einen Hydrospeicher 22 zu nutzen, der in kurzer Zeit einen hohen Volumenstrom zur Verfügung stellen kann, um somit die benötigte Volumenstromkapazität der Druckquelle 21 zu reduzieren.

Um die Menge des benötigten Betätigungsmediums 18 zu reduzieren, kann der Kompensationskolben 15 auch als Differenzkolben ausgeführt sein, bei dem der zweite Kolbenboden 17 eine kleinere Kolbenfläche als der erste Kolbenboden 16 aufweist. Damit die Kräfte zur Bewegung des Kolbens in seine obere Totposition jedoch ausreichend sind, muss der zur Verfügung stehende Druck der Druckquelle 21 um das gleiche Verhältnis erhöht werden, wie der Quotient aus der Kolben- fläche 16 zu Kolbenfläche 17.

Bezuqszeichenliste:

100 Kolben-Membranpumpe

1 Kolben

2 Zylinder

X Zylindervolumen

3 Kolbenstange

4 Arbeitsvolumen

4 λ Arbeitsmedium

5 Membrangehäuse

6 Membran

7 Fördervolumen

T Fördermedium

8 Zulauf

9 Einlassventil

10 Ablauf

11 Auslassventil

12 Kompensationsvolumen

13 Leitung

14 Kompensationszylinder

15 Kompensationskolben

16 erster Kolbenboden

17 zweiter Kolbenboden

18 Betätigungsmedium

19 Anschluss

20 Drei/Zwei-Wegeventil

21 Druckquelle

22 Hydrospeicher

23 Steuereinheit

24 Einrichtung

D Druck

Dmax mittlerer maximaler Druck Dmin mittlerer minimaler Druck LT Linker Totpunkt

RT Rechter Totpunkt

PI Pfeil

P2 Pfeil

P3 Pfeil

P4 Pfeil

P5 Pfeil

S Kolbenstellung

Sl Strecke

S2 Strecke