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Die
Erfindung betrifft eine Hybridpumpe zum Fördern eines flüssigen
Pumpmediums mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Unter
einer Hybridpumpe wird vorliegend eine Pumpe verstanden, die in
einer ersten Betriebsart als Verdrängermaschine und in
einer zweiten Betriebsart als Strömungsmaschine arbeitet,
um die jeweiligen Vorzüge dieser beiden Pumpenarten miteinander
kombinieren zu können.
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Eine
bekannte Hybridpumpe (
DE
101 58 146 A1 ) weist ein Gehäuse auf, das mit
einem Einlaß, einem Auslaß und einem Pumpraum
ausgestattet ist. Der Pumpraum zeigt eine im Querschnitt im wesentlichen
runde oder rundliche Lauffläche für einen um eine
Rotorachse drehbaren Rotor mit Rotorflügeln und seitlich
an beiden Seiten des Rotors jeweils eine Seitenfläche.
Der Rotor ist exzentrisch im Pumpraum angeordnet, wobei die Rotorflügel
relativ zum Rotor im übrigen jeweils bewegbar sind. Die
Rotorflügel definieren zusammen mit der Lauffläche
des Pumpraums eine Mehrzahl von Pumpkammern. In einer Ausführungsform
ist es vorgesehen, daß jedenfalls der Einlaß in
der Seitenfläche des Pumpraums angeordnet ist.
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Problematisch
ist bei der bekannten Hybridpumpe die Tatsache, daß das
Befüllen und das Entleeren der Pumpkammern im Pumpbetrieb
nicht optimal ist. Es konnte beispielsweise nachgewiesen werden,
daß das Pumpmedium in dem der Rotorachse zugewandten Teil
der Pumpkammern in nur geringem Maße ausgetauscht wird.
Dies hat sich auch durch die Anordnung des Einlasses oder des Auslasses
in der Seitenfläche des Pumpraums nicht wesentlich verbessert.
Das Volumen der Pumpkammern wird damit im Pumpbetrieb nur unzureichend genutzt.
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Ferner
ist zu berücksichtigen, daß die Anordnung des
Einlasses oder des Auslasses in der Seitenfläche des Pumpraums
grundsätzlich mit einer Umlenkung des Pumpmediums um je
nach Ausgestaltung etwa 90° verbunden ist. Dies führt
jedenfalls in dem der Rotorachse zugewandten Teil der Pumpkammern
jeweils zur Bildung eines Totraums, der bei der Befüllung
der Pumpkammern unberücksich tigt bleibt. Dies führt
zu einer unzureichenden Befüllung der Pumpkammern. Der
resultierende Wirkungsgrad dieser Pumpe ist gering.
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Die
zuvor erläuterte, bekannte Hybridpumpe ist bereits hinsichtlich
eines verbesserten Wirkungsgrades ausgestaltet und weitergebildet
worden (
DE 20
2005 007 789 U1 ), und zwar durch Nutzung eines Rotors,
der aus chemisch beständigem, im wesentlichen nicht elastischen
Kunststoff, insbesondere aus PEEK, besteht und einer Seitenfläche
des Pumpraums zugeordnet eine Grundplatte aufweist, an der feststehende
Rotorteile fest angebracht sind. Am äußeren Ende
jedes feststehenden Rotorteils ist ein gebogener Rotorflügel
schwenkbar angelenkt. Zwischen benachbarten Rotorteilen und Rotorflügeln sind
die Pumpkammern des Rotors ausgebildet, die zur oberen Seitenfläche
des Pumpraums wie bisher offen, zur unteren Seitenfläche
hin jedoch durch die Grundplatte geschlossen sind.
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Bei
dem zuvor erläuterten Stand der Technik, von dem die Erfindung
ausgeht, wird die Konstruktion des Rotors dazu genutzt, den Einlaß oder
den Auslaß derart in der oberen Seitenfläche des
Pumpraums anzuordnen, daß die geometrische Rotorachse durch
den Einlaß bzw. den Auslaß verläuft.
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Der
Strömungsweg des Pumpmediums verläuft zunächst
entlang der Rotorachse und anschließend in die jeweilige
Pumpkammer. Dadurch wird erreicht, daß eine Befüllung
der Pumpkammern zumindest zum Teil von einer Position aus erfolgt,
die der Rotorachse so nahe wie überhaupt möglich
ist. Der Rotor wird also gewissermaßen von dem Pumpmedium
durchdrungen. Die oben beschriebene Bildung eines Totraums in den
Pumpkammern läßt sich dadurch weitgehend vermeiden.
Im Ergebnis steigt die Qualität der Befüllung
der Pumpkammern im Pumpbetrieb.
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Konstruktiv
ist es bei der vorschlagsgemäßen Lösung
erforderlich, zumindest über einen Teil der Rotorachse
einen Teil des die Rotorachse umgebenden Bereichs hohl auszugestalten,
um diesen Bereich als Einlaß nutzen zu können.
Hierfür sind eine Reihe von konstruktiven Möglichkeiten
denkbar, wobei zu berücksichtigen ist, daß ein
Kurzschluß zwischen Einlaß und Auslaß zu
vermeiden ist.
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Ein
gewissermaßen von dem Pumpmedium durchdrungener Rotor der
zuvor beschriebenen Art ist bei einer Hybridpumpe nicht unter allen
Umständen einsetz bar. Der Lehre der vorliegenden Erfindung
liegt daher das Problem zugrunde, die bekannte Pumpe mit dem eine
Grundplatte aufweisenden Rotor im Wirkungsgrad zu erhöhen,
ohne einen Teil des die geometrische Rotorachse umgebenden Bereichs
hohl auszugestalten.
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Die
zuvor aufgezeigte Problemstellung ist bei der Hybridpumpe mit den
Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 durch die Merkmale des kennzeichnenden
Teils von Anspruch 1 gelöst.
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Wie
bisher ist der Rotor zweckmäßig aus chemisch beständigem,
im wesentlichen nicht elastischen Kunststoff, insbesondere aus PEEK,
ausgebildet. Der Wirkungsgrad wird bei dieser Hybridpumpe dadurch
erhöht, daß der Strömungsverlauf des
flüssigen Pumpmediums in den Pumpkammern vergleichmäßigt
wird. Das wird dadurch erreicht, daß den Böden
der Pumpkammern ein passend bogenförmiger, eine gleichmäßige
Umlenkung der Strömung bewirkender Verlauf gegeben wird.
Gleichzeitig werden die nicht genutzten Toträume in den Pumpkammern
verringert. Dort wo bisher bei eher winkelförmigem Verlauf
der Pumpkammern Reste des flüssigen Pumpmediums verblieben,
die die gleichmäßige Strömung des flüssigen
Pumpmediums behinderten, verlaufen jetzt einfach die Böden der
Pumpkammern.
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Da
der Rotor der erfindungsgemäßen Hybridpumpe bezogen
auf die betriebliche Drehrichtung asymmetrisch gestaltet ist, empfiehlt
es sich ferner, daß die Böden der Pumpräume
zur Rotorachse hin einen überlagerten spiralförmigen
Verlauf aufweisen. Sie steigen also nicht nur konkav-bogenförmig
an, sondern verlaufen auch in Umfangsrichtung wiederum bogenförmig
von einem äußeren, eher tangential verlaufenden
Abschnitt ausgehend auf die Rotorachse zu.
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Die
Grundplatte des Rotors ist entsprechend angepaßt gestaltet.
Es handelt sich regelmäßig nicht um eine glatte,
ebene Platte, sondern um eine in vielfältiger Weise konturierte,
die entsprechenden Verläufe in der Fläche und
an den Rändern bereitstellende Konstruktion.
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Nach
besonders bevorzugter Lehre ist vorgesehen, daß die feststehenden
Rotorteile in Umfangsrichtung des Rotors gebogen verlaufen und daß in
Draufsicht auf den Rotor gesehen die Böden der Pumpräume
jeweils bogenförmig dem Ver lauf des benachbarten feststehenden
Rotorteils folgend radial nach außen verlaufen. Das fährt
dann dazu, daß die Grundplatte am Außenumfang
nicht glatt kreisförmig verläuft, sondern den
einzelnen Rotorflügeln entsprechende Stufen aufweist.
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Insgesamt
ist die erfindungsgemäße Hybridpumpe darauf ausgerichtet,
möglichst gleichmäßige, wenig turbulente
Strömungsverhältnisse am und im Rotor zu realisieren.
Dazu empfiehlt es sich nach weiter bevorzugter Lehre der Erfindung,
daß die beweglichen Rotorflügel sich bis in die
Ebene der Grundplatte, vorzugsweise genau bis zu deren Unterseite,
erstrecken und daß der bogenförmige Verlauf der
Innenseite der Rotorflügel dem bogenförmigen Verlauf
des Außenrandes der Böden entspricht, so daß die
Rotorflügel an den Außenrändern der Böden
gut zur Anlage kommen.
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Bei
der erfindungsgemäßen Hybridpumpe mit den aus
im wesentlichen nicht elastischem Kunststoff, insbesondere aus PEEK,
bestehenden Rotorflügeln am entsprechend gestalteten Rotor
empfiehlt es sich, für die Rotorflügel am in der
Lauffläche des Pumpraums befindlichen Auslaß eine
Führung zu realisieren. Dadurch wird verhindert, daß die
Rotorflügel beim Passieren des in der Lauffläche
des Pumpraumes befindlichen Auslaß in den Auslaß hineingedrückt
und verformt werden. Dank der Materialwahl für den Rotor
sind die Rotorflügel bei der erfindungsgemäßen
Hybridpumpe so steif, daß es ausreicht, eine den Auslaß schienenartig überbrückende Führungsleiste
für die Außenränder der Rotorflügel vorzusehen.
Besonders zweckmäßig sind zwei Führungsleisten
oberhalb und unterhalb des Auslasses, die die Rotorflügel
dann beim Passieren des Auslasses beidseits abstützen.
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Insgesamt
wird man bei der zuvor erläuterten Konstruktion den Einlaß nach
wie vor in der oberen Seitenfläche des Pumpraums belassen,
kann den Auslaß aber in der Lauffläche des Pumpraums
anordnen und tangential ausrichten. Das führt zu einer weiteren
Verbesserung des Wirkungsgrades der Hybridpumpe, weil eine erneute
Umlenkung des Flüssigkeitsstroms unterbleiben kann.
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Die
erfindungsgemäße Hybridpumpe wird im Betrieb mit
Drehzahlen von mehreren tausend, vorzugsweise etwa 8.000 U/min betrieben.
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Im
folgenden wird nun die Erfindung anhand der Zeichnung unter Bezugnahme
auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher
erläutert. Im Zuge dieser Erläuterung werden weitere
Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie weitere Merkmale, Eigenschaften,
Aspekte und Vorteile der Erfindung erläutert. In der Zeichnung
zeigt
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1 in
einer Ansicht den unteren Teil des Gehäuses mit dem Pumpraum
und darin angeordnetem Rotor,
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2 im
Schnitt den unteren Teil des Gehäuses gemäß 1,
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3 in
einer Ansicht von der Seite des Pumpraums her den oberen Teil des
Gehäuses (Deckel),
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4 in
einer Stirnansicht einen Rotor einer erfindungsgemäßen
Hybridpumpe,
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5 den
Rotor aus 4 in einer perspektivischen
Ansicht, bewegliche Rotorflügel demontiert, und
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6 den
Rotor aus 4 in einer Stirnansicht von
der Rückseite aus gesehen.
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Das
dargestellte Ausführungsbeispiel zeigt eine Hybridpumpe
zum Fördern eines flüssiges Pumpmediums, also
eine Pumpe, die aufgrund der Konstruktion des Rotors sowohl als
Verdrängermaschine (Flügelzellenpumpe) als auch
als Strömungsmaschine (Kreiselpumpe) arbeiten kann.
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Die
Hybridpumpe hat ein Gehäuse 1, von dem man in 1 und 2 das
Unterteil 1a sieht während 3 das Oberteil 1b,
also praktisch den Deckel für das Unterteil 1a zeigt.
Das Gehäuse 1 weist einen Pumpraum 2 auf.
In den Pumpraum 2 mündet ein Einlaß 3,
zu erkennen in 3 im Oberteil 1b des
Gehäuses 1. Hier haben wir es also mit einem axialen
Einlaß 3 zu tun, dessen Kontur auf die Gestaltung
des weiter unten zu erläuternden Rotors abgestimmt ist.
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Der
Pumpraum 2 weist ferner einen aus dem Pumpraum 2 herausführenden
Auslaß 4 auf, der in 2 zu erkennen
ist. Der Auslaß 4 könnte, wie im Stand
der Technik, ebenfalls axial angeordnet sein. Das dargestellte und
bevorzugte Ausführungsbeispiel zeigt jedoch den Auslaß 4 tangential
vom Pumpraum 2 abgehend. Die damit verbundenen Vorteile
werden weiter unten noch erläutert.
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In
dem Pumpraum 2 ist ein um eine Rotorachse 5 drehbarer
Rotor 6 angeordnet. Dieser besteht im dargestellten und
bevorzugten Ausführungsbeispiel aus im wesentlichen nicht
elastischem Kunststoff. Insbesondere kommt PEEK (Polyetheretherketon)
in Frage. Insbesondere sollte es sich um einen chemisch beständigen
Kunststoffhandeln, damit die anmeldungsgemäße
Hybridpumpe im Bereich chemischer Anwendungen problemlos eingesetzt werden
kann.
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Für
die beabsichtigte Funktionsweise ist es zweckmäßig,
daß der Pumpraum 2 eine im Querschnitt im wesentlichen
kreisrunde oder eine stetig verlaufende, zwar etwas von der Kreisform
abweichende, aber immer noch zu einer Rotationsbewegung des Rotors 6 passende
Lauffläche 7 aufweist. An den beiden Seiten des
Rotors 6, also nicht an dessen Umfang, hat der Pumpraum 2 jeweils
eine Seitenfläche 8; 8'.
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Um
die Funktion als Verdrängermaschine ausüben zu
können, ist der Rotor 6 bezogen auf die Lauffläche 7 exzentrisch
im Pumpraum 2 angeordnet. Dabei weist der Rotor 6 einen
der unteren Seitenfläche 8 des Pumpraums 2,
die in 1 und 2 angedeutet ist, zugeordnete
Grundplatte 9 auf. Der Rotor 6 ist in den 4 bis 6 im
einzelnen dargestellt. Die Grundplatte 9 ist insbesondere
in 5 und 6 bezeichnet.
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Der
Rotor 6 weist ferner mehrere, in Umfangsrichtung im wesentlichen
gleichmäßig beabstandet angeordnete, sich bei
eingebautem Rotor 6 zur gegenüberliegenden Seitenfläche 8' des Pumpraums 2,
angedeutet in 3, erstreckende Rotorteile 10 auf,
die mit der Grundplatte 9 fest verbunden sind. Die Einheit
aus Grundplatte 9 und Rotorteilen 10 stellt also
gewissermaßen den Grundkörper des Rotors 6 dar.
Dieser Grundkörper ist in 5 in perspektivischer
Ansicht dargestellt.
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Am äußeren
Ende jedes Rotorteils 10 ist ein vorzugsweise gebogener
Rotorflügel 11 schwenkbar angelenkt. Man sieht
die Schwenkgelenke 12 für die Rotorflügel 11 in 4,
entsprechende Teile der Schwenkgelenke 12 auch in 5.
In 1 und 6 sind diese ebenfalls zu erkennen,
aber nicht mit Bezugszeichen identifiziert.
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Man
erkennt in 1 die unterschiedliche, durch
die Rotation des Rotors 6 im Pumpraum 2 erzeugte
Lage der Rotorflügel 11, die zu der gewünschten
Pumpwirkung führt.
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Zwischen
benachbarten Rotorteilen 10 und Rotorflügeln 11 sind
die Pumpkammern 13 des Rotors 6 ausgebildet. Diese
sind zur oberen Seitenfläche 8' des Pumpraums 2 hin
offen und deren Böden 13' werden durch die Grundplatte 9 des
Rotors 6 gebildet.
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5 läßt
besonders gut erkennen, daß die Böden 13' der
Pumpkammern 13 vom äußeren Rand der Grundplatte 9 ausgehend
nach innen zur Rotorachse 5 hin konkav-bogenförmig
ansteigend verlaufen. Man erkennt dabei ferner die Besonderheit, daß die
Böden 13' der Pumpkammern 13 zur Rotorachse 5 hin
einen überlagerten spiralförmigen Verlauf aufweisen,
also in gewisser Weise im Raum zur Rotorachse 5 hin tordiert
sind.
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Die
dargestellte Form der Böden 13' der Pumpkammern 13 führt
dazu, daß die Pumpkammern 13 vollständig
gefüllt werden und das Pumpmedium auch in den der Rotorachse 5 zugewandten
Teilen der Pumpkammern 13 vollständig ausgetauscht wird.
Toträume entfallen. Die Strömung des Pumpmediums
in den Pumpkammern 13 ist so gleichmäßig
wie möglich.
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Bereits
zuvor ist darauf hingewiesen worden, daß die Rotorflügel 11 vorzugsweise
gebogen ausgeführt sind. Eine bogenförmige Ausführung
der Rotorflügel 11 entspricht der drehrichtungsbezogenen Ausgestaltung
des Rotors 6 insgesamt. Man erkennt die Vorteile gebogener
Rotorflügel 11 in 1 ganz besonders
deutlich. Insbesondere ist dabei vorgesehen, daß auch bereits
die feststehenden Rotorteile 10 in Umfangsrichtung des
Rotors 6 gebogen verlaufen. Dadurch ergibt sich der insgesamt
bogenförmige Verlauf der Pumpkammern 13. In Draufsicht
auf den Rotor 6 gesehen verlaufen die Böden 13' der
Pumpkammern 13 je weils bogenförmig dem Verlauf
des benachbarten feststehenden Rotorteils 10 folgend.
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Durch
die drehrichtungsbezogene Asymmetrie des Rotors 6 ergibt
sich, daß im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel
die Grundplatte 9 am Außenumfang nicht etwa kreisringförmig
verläuft, sondern einen stufenförmigen Verlauf
aufweist. Man erkennt dies besonders gut in 6, die die
Rückseite der Grundplatte 9 zeigt.
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Aus 5 und 6 im
Zusammenhang läßt sich entnehmen, daß im
dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel die beweglichen
Rotorflügel 11 sich bis in die Ebene der Grundplatte 9 erstrecken,
und zwar vorzugsweise genau bis zu deren Unterseite. Der bogenförmige
Verlauf der Innenseite der Rotorflügel 11 ist
an den bogenförmigen Verlauf des Außenrandes der
Böden 13' angepaßt, so daß die
Rotorflügel 11 an den Außenrändern 14 der
Böden 13' gut zur Anlage kommen. Das sieht man
besonders gut in 4 und 6. Diese
Konstruktion schafft bei anliegenden Rotorflügeln 11 praktisch nach
unten geschlossene Pumpkammern 13.
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1 und 2 lassen
im Zusammenhang erkennen, daß im dargestellten und bevorzugten Ausführungsbeispiel,
wie bereits einleitend erwähnt, der Auslaß 4 aus
dem Pumpraum 2 in der Lauffläche 7 des
Pumpraums 2 angeordnet ist. Die Rotorflügel 11 überstreichen
also beim Rotieren des Rotors 6 mit hoher Drehzahl, beispielsweise
8000 U/min, dauernd den Auslaß 4. Auch wenn das
Material des Rotors 6 und seiner Rotorflügel 11 aus
Kunststoff weitgehend unelastisch und verwindungssteif ist, so ergibt
sich doch ein beachtlicher Verschleiß der radial außen
liegenden Enden der Rotorflügel 11 beim beständigen Aufschlagen
auf die Ränder des Auslasses 4.
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Erfindungsgemäß ist
hier nun vorgesehen, daß mindestens eine den Auslaß 4 schienenartig überbrückende
Führungsleiste 15 für mindestens einen
Außenrand der Rotorflügel 11 vorgesehen
ist. In 2 ist das die Führungsleiste 15 unten
zur unteren Seitenfläche 8 hin. Vorzugsweise positioniert
man je eine Führungsleiste oberhalb und unterhalb des Auslasses,
so daß die äußeren Enden der Rotorflügel 11 ganz
gleichmäßig schienenartig über den Auslaß 4 hinweggeführt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10158146
A1 [0003]
- - DE 202005007789 U1 [0006]