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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine speziell für eine wirtschaftliche Massenherstellung
konstruierte Regenerativpumpe, gelegentlich als eine torische Pumpe
bezeichnet, die aufgrund von Modifizierungen am Laufrad und/oder
Gehäuse
höhere
Drücke
und größere Strömungsmengen
bei höheren
Wirkungsgraden als andere Pumpen in vergleichbarer Ausführung und
mit vergleichbarer Betriebsgeschwindigkeit entwickeln kann.
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STAND DER
TECHNIK
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In
einem Kraftfahrzeugabgasreinigungssystem liefert eine Pumpe nach
Bedarf Luft an das Abgassystem zwischen dem Krümmer und dem Katalysator. In
herkömmlichen
Regenerativpumpen, die für
eine Verwendung in einem Kraftfahrzeugabgasreinigungssystem vorgesehen
sind, ist das Laufrad mit geraden, sich radial erstreckenden Schaufeln
an seinem äußeren Umfang
ausgestattet und wird in seiner Drehung zwischen einem Pumpengehäuse und
einer mit einer Pumpenkammer ausgebildeten Abdeckung angetrieben.
Die Pumpenkammer ist im Verhältnis
zum drehbaren Laufrad sowie zu den Oberflächen des Gehäuses und
der Abdeckung symmetrisch ausgebildet. Weitere Beschreibungen von
so ausgeführten
torischen Pumpen können
den US-Patenten 5,302,081, 5,205,707 und 5,163,810 entnommen werden.
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Die
Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind aus der
US 5,302,081 bekannt.
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In
der
DE 876 285 C wird
ein Laufrad beschrieben, bei dem es sich um eine integrale Einheit
handelt. Sie besteht aus einem Gehäuse, das eine geschlossene
ringförmige
Arbeitsfläche
mit einem kreisförmigen oder
ellipsenähnlichen
Querschnitt beinhaltet. Ein Schaufelrad dreht sich innerhalb eines
halbkreisförmigen Schaufelradkanals
der Arbeitsfläche
und transportiert Fluid in axialer Richtung. Für dieses einkanalige geschlossene
Flügelsystem
ist eine sehr ausgeprägte
konische Ausbildung erforderlich.
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In
der AU 128 026 B wird ein Gebläse
beschrieben, in dem eine Kammer mit axial konstanter Breite entlang
der radialen Richtung von einem Einlaß zu einem Auslaß hin variiert
wird.
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In
der EP-A-0 602 558 wird eine Kreiselpumpe beschrieben, in der Zentrifugalkraft
genutzt wird, um ein Fluid von einem Fluideinlaß zu einem Fluidauslaß hin umzuwälzen.
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Im
Laufe der Zeit haben sich die Bedürfnisse der Industrie aufgrund
geänderter
Emissionsvorschriften verändert.
Es ist nunmehr erwünscht,
einem Kraftfahrzeugabgasreinigungssystem mehr Luft zuzuführen, als es
bisher erforderlich war. Zur Zeit ist es erwünscht, mindestens 32 bis 34
m3/h (19 bis 20 Kubikfuß pro Minute [cfm]) vorzusehen.
Es ist auch erwünscht,
die Mindestanforderungen hinsichtlich der Fluidströmung unter
Beibehaltung der gleichen Gehäusegröße zu erfüllen. Um
diesen neuen Fluidströmungserfordernissen
zu entsprechen, ist es erforderlich, die derzeit existierenden Fluidströmungsmengen
einstufiger Regenerativpumpen zu verdoppeln und in einigen Fällen zu
vervierfachen. Bis zu diesem Zeitpunkt kann die typische Regenerativpumpe,
die in Kraftfahrzeugabgasreinigungssystemen zum Einsatz kommt, Fluidströmungsmengen
von lediglich 6,8 m3/h (4 Kubikfuß pro Minute
[cfm]) bei etwa 111.000 Pa (40 Zoll Druckhöhe [H2O])
erzielen, und es ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung
erwünscht,
eine höhere
Fluidströmungsausgangsleistung
bei gleichem oder höherem
Druck bei einer Konfiguration mit gegebener Gehäusegröße bereitzustellen.
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Die
Erfindung stellt eine Regenerativpumpe gemäß Anspruch 1 bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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In
einer Regenerativpumpe sind die Rotorflügel der am Umfang vorgesehenen
Regenerativpumpe, von der Seite aus betrachtet, bogenförmig ausgebildet,
wobei die oberen und unteren Abschnitte in der Drehrichtung nach vorne
gebogen sind. Vorzugsweise ist eine Abschrägung oder eine ähnliche
Aussparung auf der konvexen Seite des inneren Abschnitts aller Flügel ausgebildet.
Die gebogene Ausrichtung des Wurzelabschnitts des Flügels nach
vorne hin und die Hinzufügung
der Abschrägung
zielen darauf ab, Druckenergieverluste im Fluideintrittsbereich
zu reduzieren. Energieverluste im Fluideintrittsbereich stellen
bei dieser Art von Regenerativpumpe den überwiegenden Verlust dar. Prototypen
eines Laufrads sind hergestellt und getestet worden. Die Testergebnisse
haben bei der gleichen Drehgeschwindigkeit eine Druckerhöhung von
nicht weniger als 60% über
den gesamten Betriebsbereich und von nicht weniger als 100% über einen
wesentlichen Abschnitt des gesamten Betriebsbereichs ergeben. Bei
den Tests hat sich auch eine Zunahme der Strömung über den Betriebsbereich ergeben.
Solche dramatischen Steigerungen des Drucks und der Strömung waren
unerwartet.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch doppelkanalige Regenerativpumpen
in einer Ausführung,
die einen zentralen Rotor mit Flügeln
aufweist, die sich allgemein radial, entweder in einer geraden radialen
Weise oder in einer gebogenen Weise, erstrecken. Bisher war es schwierig,
eine entsprechende Anpassung der Ausgangsleistung einer solchen
Regenerativpumpe oder eines Kompressors an die Erfordernisse einer
speziellen Anwendung zu erzielen. Obwohl eine gewisse Anpassung
durch kritische Wahl der Wellendrehgeschwindigkeit erreicht werden
kann, kann der Pumpenwirkungsgrad dabei beeinträchtigt werden. Typischerweise
beinhaltet eine so ausgeführte
Pumpe ein Gehäusemittel
zur Montage eines Antriebsmotors und eines der Seitenkanäle, eines
Rotors mit sich allgemein radial erstreckenden Flügeln an
seinem äußeren Bereich
auf einer oder mehreren axialen Seiten des Rotors sowie einer Abdeckung,
die in abdichtender Weise in Eingriff mit dem Gehäuse und
einem zweiten Seitenkanal steht. Die vorliegende Erfindung läßt eine
Anpassung der Leistung einer Pumpe an die Erfordernisse einer speziellen
Anwendung zu, ohne die Wellendrehgeschwindigkeit zu verändern. Bisher
wiesen die Kanäle,
das Gehäuse
und die Abdeckung den gleichen oder einen symmetrischen Querschnitt
auf und unterschieden sich lediglich an den Kanalenden mit den dort üblicherweise
vorgesehenen Transfereinlaß-
und Auslaßdurchgängen vom
Gehäusekanal
zu den Leitungen in der Abdeckung oder im Gehäuse. Im Rahmen der vorliegenden
Erfindung sind die Kanäle
des Gehäuses
und der Abdeckung in einer nicht symmetrischen Weise ausgebildet.
Die Abdeckung, die frei zugänglich
ist, kann durch alternative Abdeckungen mit Kanälen mit verschiedenen Tiefen
ersetzt werden, oder die Abdeckung kann vom Laufrad aus durch einsetzbare
Abstandselemente mit verschiedenen Tiefen axial nach außen beabstandet
sein, um die wirksame Tiefe des Kanals in der Abdeckung zu verändern. Somit
kann die spezifische Ausgangsleistung der Pumpe in Anpassung an
unterschiedliche Fluidströmungserfordernisse
dadurch variiert werden, daß der
Kanal in einer entsprechenden asymmetrischen Tiefe bereitgestellt
wird. Prototypen asymmetrischer Seitenkanäle sind gebaut und getestet
worden. Diese Tests haben gezeigt, daß eine Leistungsänderung
von mindestens 20% durch Variation der axialen Tiefe des Kanals
erreicht werden kann, ohne daß es
zu einem Verlust hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads der Regenerativpumpe
kommt. Der Prototyp gemäß der vorliegenden
Erfindung, der getestet wurde, beinhaltete eine zwischen dem Gehäuse und
der Abdeckung eingesetzte Abstandsplatte. Die Platte vergrößerte einen
der Seitenkanäle
um eine der Dicke der Platte entsprechende Tiefe. Somit kann ein
tieferer Kanal bereitgestellt werden, ohne die zur Herstellung einer
neuen Abdeckung erforderliche teure und zeitaufwendige Maßnahme durchführen zu
müssen.
Die Größenordnung
der Steigerung der Pumpenleistung war unerwartet.
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Eine
Regenerativpumpe, um einem Fluid Energie hinzuzufügen, beinhaltet
ein Laufrad mit einer Drehachse und mit einer axial beabstandeten,
sich radial erstreckenden ersten und einer zweiten Oberfläche. Ein radial
geteiltes Gehäuse
umgibt das Laufrad und weist einen Fluideinlaß und einen Fluidauslaß auf, die
durch einen Abscheider getrennt sind. Der Abscheider ist allgemein
mit einem engen Zwischenraum zu einem Umfang des Laufrads angeordnet.
Das Gehäuse
hat eine axial beabstandete, sich radial erstreckende erste und eine
zweite Seitenwand, die der ersten bzw. der zweiten Oberfläche zugewandt
sind. Ein sich axial und radial erstreckendes Schaufelmittel ist
an einem äußeren radialen
Umfang der Pumpe ausgebildet, um Fluid vom Einlaß zum Auslaß hin zu befördern, während sich
das Laufrad um die Drehachse dreht. Ein in mindestens einer der
Seitenwände
des Gehäuses
ausgebildetes Mittel lenkt Fluid zurück zum Laufrad hin.
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Das
Schaufelmittel beinhaltet vorzugsweise mehrere Flügel, die
am Umfang um den äußeren radialen Umfang
des Laufrads herum beabstandet sind. Jeder Flügel hat einen radial inneren
Basisabschnitt, der sich im Verhältnis
zur Drehung des Laufrads in einer allgemeinen Nachlaufrichtung erstreckt,
und einen radial äußeren Spitzenabschnitt,
der sich im Verhältnis
zur Drehung des Laufrads in einer allgemeinen Vorlaufrichtung erstreckt.
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Ein
Abschrägungsmittel
ist vorzugsweise am Basisabschnitt eines jeden Flügels ausgebildet,
um Fluid vom Einlaß aus
zu der zwischen zwei angrenzenden Flügeln und dem Gehäuse definierten
Tasche zu leiten. Das Abschrägungsmittel
ist vorzugsweise an einer Nachlaufkante des Basisabschnitts eines
jeden Flügels ausgebildet.
Das Abschrägungsmittel
kann in einem Winkel, der aus einem Bereich von 10° bis einschließlich 45° ausgewählt ist,
im Verhältnis
zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads ausgebildet
sein. Alternativ kann das Abschrägungsmittel
als eine gekrümmte
Oberfläche
mit einem vorbestimmten Radius ausgebildet sein, die eine sich allgemein
radial erstreckende Oberfläche
eines jeden Flügels mit
einer sich allgemein axial erstreckenden Oberfläche des jeweiligen Flügels entlang
einer Nachlauf kante verbindet.
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Das
Schaufelmittel kann mehrere Flügel
beinhalten, die am Umfang um den radialen äußeren Umfang des Laufrads herum
beabstandet sind, wobei jeder Flügel
in radialer Richtung im Verhältnis
zur Drehachse des Laufrads um eine allgemein parallel zur Drehachse
des Laufrads verlaufende Achse gebogen ist. Alternativ kann das
Schaufelmittel mindestens einen Satz Flügel beinhalten, die im Verhältnis zur
Drehachse radial gebogen sind, wobei der Satz Flügel durch mindestens zwei am
Umfang beabstandete Flügel
definiert ist, die zusammenwirken, um einen einzelnen kreisförmigen Kreisring
zu bilden.
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Der
Basisabschnitt eines jeden Flügels
bildet vorzugsweise einen aus einem Bereich von 20° bis einschließlich 30° ausgewählten Eintrittswinkel
im Verhältnis
zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads.
Der Spitzenabschnitt bildet vorzugsweise einen aus einem Bereich
von 20° bis
einschließlich
45° ausgewählten Austrittswinkel
im Verhältnis
zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads.
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Das
Laufrad hat eine allgemein radial verlaufende Ebene oder Rippe senkrecht
zur Drehachse, die mit dem Schaufelmittel verbunden ist. Die Rippe
erstreckt sich radial in das Schaufelmittel hinein bis zu einer
Position, die sich allgemein auf halbem Weg zwischen der Basis und
der Spitze eines jeden Flügels
befindet. Vorzugsweise werden die rechtwinklig ausgeführten Oberflächen, die
durch die Rippe und eine die Basis eines jeden Flügels abstützende ringförmige Nabe
des Laufrads gebildet sind, eingesetzt, um einen winkligen, abgestuften
oder vorzugsweise radial gekrümmten Übergang
zwischen dem sich axial erstreckenden Nabenabschnitt des Laufrads
und der sich radial erstreckenden Rippe zwischen jedem angrenzenden
Satz Flügel
bereitzustellen.
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Das
Fluidleitmittel beinhaltet vorzugsweise eine feststehende geformte
Oberfläche.
Das Fluidleitmittel kann mindestens eine der ersten und zweiten
Seitenwände
mit einem allgemein ringförmigen
Seitenkanalabschnitt, der im Gehäuse
um die Drehachse herum ausgebildet ist, beinhalten, um Fluid, wenn
sich das Laufrad dreht, schneckenförmig zurück in Kontakt mit dem Schaufelmittel
zu leiten. Der Seitenkanalabschnitt ist vorzugsweise allgemein senkrecht
zu und entlang einem Bogen mit konstantem Radius, auf der Drehachse
zentriert, angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Fluidleitmittel
jede der ersten und zweiten Seitenwände mit einem darin um die
Drehachse des Laufrads herum ausgebildeten allgemein ringförmigen Seitenkanalabschnitt,
um Fluid, wenn sich das Laufrad dreht, schneckenförmig zurück in Kontakt
mit dem Schaufelmittel zu leiten. Der fluidleitende Seitenkanalabschnitt
der ersten oder der zweiten Seitenwand ist vorzugsweise im Verhältnis zum
anderen fluidleitenden Seitenkanalabschnitt vergrößert. Der
vergrößerte der
Seitenkanalabschnitte ist vorzugsweise in der axialen Richtung vergrößert. Das
Fluidleitmittel ist vorzugsweise asymmetrisch in der ersten und
der zweiten Seitenwand des Gehäuses
um die Drehachse des Laufrads herum ausgebildet.
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Gemäß der Erfindung
ist ein Mittel zur Definierung eines Strömungswegs zwischen dem Fluideinlaß und dem
Fluidauslaß in
mindestens einer der ersten und zweiten Seitenwände des Gehäuses ausgebildet. Das strömungswegdefinierende
Mittel ist konisch so ausgeführt,
daß die
Querschnittsfläche
am Fluideinlaß größer als
die Querschnittsfläche
am Fluidauslaß ist.
Das strömungswegdefinierende
Mittel kann die Seitenkanalabschnitte beinhalten, wobei sich die
Seitenkanalabschnitte vorzugsweise konisch axial innenliegend mit einer
konstanten Neigung vom Fluideinlaß zum Fluidauslaß zum Laufrad
hin erstrecken.
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Regenerativpumpen
mit zwei Kanälen
werden traditionell mit Seitenkanälen gebaut, die den gleichen Querschnitt
aufweisen. Die vorliegende Erfindung belegt, daß ungleiche Kanäle keinen
bedeutsamen Wirkungsgradverlust oder andere nachteilige Auswirkungen
zur Folge haben. Die Option, ungleiche Kanäle zu verwenden, erleichtert
die praktische Realisierung von Leistungsmodifizierungen, so daß mit einer
einzelnen Pumpenausführung
die Leistungsdaten der Pumpe modifiziert werden können, um
die Erfordernisse von mehr als einer spezifischen Anwendung in zufriedenstellender
Weise zu erfüllen.
Die asymmetrischen Kanäle
gemäß der vorliegenden
Erfindung können
mit einem Laufrad in Standardkonfiguration für eine Regenerativpumpe oder
in Kombination mit der bogenförmigen
Flügellaufradkonfiguration
gemäß der vorliegenden
Erfindung zur weiteren Leistungssteigerung verwendet werden. Der
nachlaufende untere oder Eintritts- oder Basisabschnitt des Flügels mit
der etwa auf halbem Weg nach oben von der Wurzel des Flügels aus
befindlichen Vorlaufspitze, wie bereits im Rahmen der vorliegenden
Erfindung beschrieben, kann vorteilhaft in Kombination mit den asymmetrischen
Kanälen
verwendet werden. Die bogenförmige
Flügelkonfiguration,
wie vorstehend beschrieben, kann auch die Modifizierung eines Abschrägungsmittels
zum leichteren Fluideintritt beinhalten, insbesondere wenn der Eintrittswinkel
im Verhältnis
zur Laufradachse groß ist.
Bei reduzierter Strömungsmenge und
ansteigendem Druck ist der leichte Fluideintritt in das Laufrad
ein Merkmal, das mit Ergebnissen in Zusammenhang steht, die einen
verbesserten Maximaldruck für
eine gegebene Wellengeschwindigkeit und einen höheren Wirkungsgrad offenbaren.
Wie vorstehend beschrieben, kann das Abschrägungsmittel auch ein alternatives
krummliniges Profil aufweisen.
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Andere
Aufgaben, Vorteile und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben
sich für
den Fachmann auf diesem Gebiet aus der nachstehenden Beschreibung der
besten Realisierungsform der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden
Zeichnungen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
hierin vorgenommene Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden
Zeichnungen, in denen durchgängig
in allen Darstellungen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen;
dabei sind:
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1 eine Vorderansicht, mit
gewissen weggebrochen dargestellten Teilen, einer herkömmlichen
torischen Pumpe;
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2 eine detaillierte Querschnittsansicht
der Pumpe der 1 entlang
der Linie 2-2 der 1;
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3 eine Vorderansicht des
Laufradgehäuses
der Pumpe der 1;
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4 eine detaillierte Querschnittsansicht
des Laufradgehäuses
entlang der Linie 4-4 der 3;
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5 eine detaillierte Querschnittsansicht
des Laufradgehäuses
entlang der Linie 5-5 der 3;
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6 eine Vorderansicht der
Laufradabdeckung der Pumpe der 1;
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7 eine Rückansicht der Laufradabdeckung;
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8 eine detaillierte Querschnittsansicht
entlang der Linie 8-8 der 6;
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9 eine detaillierte Querschnittsansicht
der Laufradabdeckung entlang der Linie 9-9 der 6;
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10 eine detaillierte Querschnittsansicht
der Laufradabdeckung entlang der Linie 10-10 der 6;
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11 eine perspektivische
Ansicht eines Laufrads gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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12 eine detaillierte Ansicht
eines Abschnitts eines Laufrads gemäß der vorliegenden Erfindung;
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13 eine detaillierte Querschnittsansicht
des Laufrads entlang der Linie 13-13 der 12;
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14 eine detaillierte Querschnittsansicht
des Laufrads entlang der Linie 14-14 der 13;
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15 eine detaillierte Querschnittsansicht
einer mit einem Abstandselement ausgebildeten asymmetrischen Pumpenkammer
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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16 eine detaillierte Querschnittsansicht
einer integral in der Laufradabdeckung ausgebildeten asymmetrischen
Pumpenkammer gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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17 eine grafische Darstellung
des Gesamtwirkungsgrads im Verhältnis
zur Strömungsmenge
in Kubikfuß pro
Minute bei 40 Zoll Wassergegendruck, in der verschiedene Kurven
für Abstandselemente
unterschiedlicher Größe dargestellt
sind;
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18 eine grafische Darstellung
der Strömungsmenge
in Kubikfuß pro
Minute im Verhältnis
zum Gegendruck in Zoll Wasser, mit Strömungslinien zum Vergleich von
Pumpenkammern mit und ohne Abstandselemente sowie mit entsprechenden
elektrischen Stromlinien der Pumpe mit und ohne ein Abstandselement;
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19 eine grafische Darstellung des Gesamtwirkungsgrads
im Verhältnis
zur Strömung
in Standardkubikfuß pro
Minute, mit Kurven zum Vergleich von Pumpenkammern mit und ohne
ein Abstandselement;
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20 eine Rückansicht
der Laufradabdeckung mit den konisch ausgeführten Seitenwandkanälen;
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21 eine detaillierte Querschnittsansicht
der Laufradabdeckung entlang der Linie 21-21 der 20, die die konisch ausgeführten Seitenwandkanäle der Laufradabdeckung
zeigt;
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22 eine grafische Darstellung
der Luftströmung
in Kilogramm pro Stunde im Verhältnis
zum Austragsdruck in Millibar, mit Kurven zum Vergleich der konischen
Ausführung
der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses mit der nicht konischen
Ausführung
der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses; und
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23 eine grafische Darstellung
des Pumpengesamtwirkungsgrads im Verhältnis zum Austragsdruck in
Millibar, mit Kurven zum Vergleich der konischen Ausführung der
Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses mit der nicht konischen
Ausführung
der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die
Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Teilen einer herkömmlichen
torischen Pumpe oder Regenerativpumpe ist am besten aus den Zusammenbauansichten
der 1 und 2 ersichtlich, während Details
der einzelnen Teile in den 3–10 dargestellt sind.
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Wie
aus den 1 und 2, auf die zunächst Bezug
genommen wird, ersichtlich, beinhaltet eine Pumpe ein allgemein
mit 20 bezeichnetes Laufradgehäuse, eine allgemein mit 22 bezeichnete
Laufradabdeckung, die an der Vorderseite des Gehäuses 20 montiert ist,
sowie eine allgemein mit 24 bezeichnete Filterabdeckung, die
an der Vorderseite der Laufradabdeckung 22 montiert ist.
Ein Pumpenlaufrad 26 ist in einem betriebswirksamen Verhältnis zu
einer allgemein mit 28 bezeichneten Pumpenkammer montiert,
die in zusammenwirkender Weise durch das Laufradgehäuse 20 und
die Laufradabdeckung 22 in zusammengebautem Zustand definiert
ist, wobei das Laufrad 26 feststehend auf der Antriebswelle 30 (2) eines Elektromotors 32 befestigt ist,
der auf der Rückseite
des Laufradgehäuses
montiert oder integral damit ausgeführt ist. Eine Einlaßöffnung oder
ein Fitting 34 verläuft
durch die Filterabdeckung 24 in eine Filterkammer 36 hinein,
die durch die Laufradabdeckung und die Filterabdeckung in zusammengebautem
Zustand definiert ist. Ein Durchgang oder eine Öffnung in der Laufradabdeckung 22 verbindet
die Filterkammer 36 mit der Pumpenkammer 20, wobei
sich ein schwammähnlicher
Block aus Filtermedium 40 in der Filterkammer 36 zwischen
der Einlaßöffnung 34 und
dem Durchgang 38 befindet, um Luft, die durch die Einlaßöffnung 34 in
die Pumpe gelangt, zu filtern, bevor die Luft durch den Durchgang 38 in
die Pumpenkammer 28 eintritt.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann davon ausgegangen werden,
daß das
herkömmliche Pumpenlaufrad 26 und
die Konfiguration der Pumpenkammer 28 mit dem Laufrad und
der Pumpenkammer, wie sie in den US-Patenten 5,302,081, 5,205,707 und/oder
5,163,810 beschrieben werden, identisch sind, und diesen Patenten,
deren Beschreibung hierin zu Bezugszwecken aufgenommen wird, können weitere
Details des Laufrads und des Pumpenbetriebs einer herkömmlichen
Pumpe entnommen werden. Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung
betrifft speziell Modifizierungen der Konfiguration und die Wechselbeziehung
zwischen dem Laufrad und dem Seitenkanal im Gehäuse, wobei Details dazu nachstehend
unter Bezugnahme auf die 11–19 ausführlich
beschrieben werden.
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Die
Konstruktion des Laufradgehäuses 20 ist
am besten aus den 3, 4 und 5 ersichtlich. Das Gehäuse 20 wird
zunächst
als ein Metallgußteil
mit einem Abschnitt der Pumpenkammer 28 und einem im Gußteil ausgebildeten
Rücksprung
für die
Aufnahme des Laufrads gebildet. Wenn das Laufradgehäuse 20 aus
einem geeigneten Material, beispielsweise Aluminium nach SAE 413,
druckgegossen wird, müssen
lediglich zwei Oberflächen
maschinell endbearbeitet und die Bohr- und Gewindeschneidarbeiten
für vier
Löcher
zur Aufnahme der Montageschrauben durchgeführt werden.
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Wie
aus 4 ersichtlich, handelt
es sich bei zwei Oberflächen,
die eine maschinelle Feinbearbeitung erfordern, um die Vorderfläche 50 des
Gehäuses 20 und
eine parallele Fläche 52,
die den Boden eines laufradaufnehmenden Rücksprungs im Laufradgehäuse 20 definiert.
Die Oberflächen 50 und 52 sind
exakt flach und parallel zueinander endbearbeitet und um eine Distanz,
die nur geringfügig
größer als
die axiale Dicke des verwendeten Laufrads 26 ist, axial
voneinander beabstandet. Das Maß,
um die der Abstand zwischen den Oberflächen 50 und 52 die
Laufraddicke überschreitet,
bestimmt den Zwischenraum zwischen der Oberfläche 52 und einer Seite 26A (2) des Laufrads und zwischen
der gegenüberliegenden
Seite 26B des Laufrads und einer gegenüberliegenden Oberfläche 56 der
Laufradabdeckung, wenn das Laufrad, das Laufradgehäuse und
die Laufradabdeckung zusammengebaut sind, wie in 2 dargestellt. Diese Zwischenräume müssen ausreichend
groß sein,
um ein Aneinanderreiben der Laufradseiten und der Gehäuseelemente
während
der Drehung des Laufrads zu verhindern, müssen gleichzeitig aber klein
genug sein, um eine Luftströmung
zwischen den letztgenannten gegenüberliegenden Oberflächen zu
minimieren.
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Eine
zentrale Bohrung 58 durch das Laufradgehäuse dient
dazu, den Frontmotoransatz 32a des Motors 32 zu
führen,
der ein (nicht dargestelltes) Wellenlager trägt, um die Achse der Motorwelle
im Verhältnis zum
Laufradgehäuse
auszurichten. Der Ort und der Durchmesser der Bohrung 58 und
der Radius der Abscheideroberfläche 74a sind
(neben den Oberflächen 50 und 52)
die anderen Abmessungen des Gehäuses 20,
die mit engen Toleranzen maschinell bearbeitet werden müssen. Die
radiale äußere Oberfläche 28a des
Pumpenkammerabschnitts des Rücksprungs
kann im Rahmen des Druckgußverfahrens
mit ausreichender Präzision gefertigt
werden. Anstelle einer Nabe am Motorgehäuse, in dem das Wellenlager
angeordnet ist, kann die Bohrung 58 alternativ ein Wellenlager
auch direkt aufnehmen. Die Bohrung 58 legt den Ort der
Motorwellenachse im Verhältnis
zum Gehäuse
fest, und die Abscheideroberfläche 74a ist
maschinell so bearbeitet, daß sie
in einem präzisen
Abstand von und konzentrisch mit dieser Achse angeordnet ist, um
einen radialen Zwischenraum zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse am Abscheider
festzulegen. Der Durchmesser der Bohrung 58 ist so ausgeführt, daß die Motornabe
(oder das Wellenlager) mit einer Übergangspassung oder einer örtlichen
Preßsitzpassung
aufgenommen werden kann. Das Motorgehäuse ist feststehend an der
Rückseite
des Laufradgehäuses
befestigt, beispielsweise durch Schrauben 60 (2), die durch Bohrungen 62 am
Boden eines zentralen Rücksprungs 64 verlaufen.
Montageösen 66 können integral
am Gehäuse 20 ausgebildet
sein, um eine Montage der Pumpe an einer geeigneten Montagekonsole
zu ermöglichen.
Gewindebohrungen 68 (3 und 5) sind im Gehäuse 20 zur
Aufnahme von Montageschrauben ausgebildet, die verwendet werden, um
die Laufradabdeckung 22 am Laufradgehäuse 20 zu montieren.
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Die
Pumpenkammer 28 erstreckt sich, wie bei torischen Pumpen üblich, am
Umfang um die Achse des Laufrads herum von einem Einlaßende 70 (3) zu einem Auslaßende 72.
Die mit Rücksprung
versehenen Einlaß-
und Auslaßenden 70, 72 sind
voneinander durch einen Abscheiderabschnitt 74 der Oberfläche 52 getrennt,
der, wenn das Laufrad eingebaut ist, mit der angrenzenden Seitenfläche des
Laufrads zusammenwirkt, um eine Strömungseinschränkung zwischen
den beiden Oberflächen
zu bilden, die in ihrer Funktion einer Dichtung zwischen dem Einlaß und dem
Auslaß entspricht.
Dadurch wird verhindert, daß Hochdruckluft
am Auslaß 72 über den
Abscheiderabschnitt 74 zum Niederdruckbereich am Einlaßende 70 hin
strömt.
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Der
Aufbau der Laufradabdeckung 22 ist am besten aus 6 ersichtlich. Die Laufradabdeckung 22 ist
ein einteiliges Formteil aus einem geeigneten thermoplastischen
Material. Die vorstehend erwähnte
flache Oberfläche 56 ist
auf der Rückseite
der Laufradabdeckung 22 so ausgebildet, daß sie mit
der maschinell bearbeiteten Oberfläche 50 des Laufradgehäuses 20 in
einander zugewandtem Eingriff steht. Ein ringförmiger Rücksprung 28c in der
flachen Rückseitenfläche 56 bildet
einen Pumpenkammerabschnitt in der Rückseitenfläche des Laufradgehäuses 20,
das eine Verlängerung
der Pumpenkammer 28 des Gehäuses 20 bildet und passend
dazu ausgeführt
ist. Wie am besten aus den 9 und 10 ersichtlich, ist die flache
Rückseitenfläche 56 der
Laufradabdeckung mit einem geringfügigen Rücksprung ausgeführt, um
einen axial vorspringenden Umfangsflansch 76 zu bilden,
der sich über
die Vorderseite des Laufradgehäuses 20 erstreckt, um
das Gehäuse
und die Abdeckung bei der Montage im Verhältnis zueinander auszurichten.
Wie am besten aus 2 ersichtlich,
werden Schrauben 78, die durch Bohrungen 80 in
der Laufradabdeckung 22 verlaufen, von der Gewindebohrung 68 im
Laufradgehäuse 20 aufgenommen,
um das Gehäuse 20 und
die Abdeckung 22 im Verhältnis zueinander fest und sicher
zu montieren. Wie am besten aus den 7 und 9 ersichtlich, steht das
Auslaßende 72a des
Pumpenkammerabschnitts 28C mit einem Durchgang 82 in
Verbindung, der sich durch einen Nippel 84 an der Laufradabdeckung 22 erstreckt,
um eine Auslaßöffnung für die Pumpenkammer 28, 28A, 28C der
Pumpe zu definieren.
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An
der Vorderseite der Laufradabdeckung 22 ist ein tellerförmiger Rücksprung 86,
wie am besten aus den 9 und 10 ersichtlich, ausgebildet.
Ein Strömungsdurchgang 88 führt vom
Boden des Rücksprungs 86 aus
nach hinten, um sich durch die flache Rückseitenfläche 56 der Laufradabdeckung
zu öffnen.
Der Durchgang 88 öffnet
sich in das Einlaßende 70a des
Pumpenkammerabschnitts 28C in der Laufradabdeckung 22 und
bildet den Einlaß zur
kombinierten Pumpenkammer 28, 28A, 28C der
Pumpe, die durch das Gehäuse 20 und
die Abdeckung 22 in zusammengebautem Zustand definiert
ist. Ein zentraler Ständer 90 ist
an der Abdeckung 22 innerhalb des Rücksprungs 86 integral
ausgebildet und ragt nach vorne zu einem flachen vorderen Ende 92,
das sich koplanar zur Vorderkante 94 der Abdeckung 22 erstreckt.
Eine Bohrung 96 zur Aufnahme einer selbstschneidenden Montageschraube
erstreckt sich nach hinten in den Ständer 90 hinein, wobei
ein quadratischer Rücksprung 98 am
vorderen Ende der Bohrung 96 ausgebildet ist. Eine sich
radial erstreckende Rippe 100 (6 und 8)
ragt vom zentralen Ständer 100 aus
radial über
den gesamten Rücksprung 86 hinaus, um
sich integral mit der Seitenwand 102 des Rücksprungs
zu verbinden. Die Vorderkante 104 (8) der Rippe 100 verläuft koplanar
mit der Vorderkante 94 der Laufradabdeckung. Andere Versteifungsrippen,
wie beispielsweise 106, können an entsprechenden Stellen
im Rücksprung 86 ausgebildet
sein, diese anderen Rippen 106 haben aber, wie am besten
aus 8 ersichtlich, Kanten,
die von der Vorderkante 94 aus nach hinten ausreichend
beabstandet sind. Der Rücksprung 86 bildet
einen Abschnitt einer Filterkammer, die so ausgeführt ist,
daß sie
den Filter 40 (siehe 2)
aufnehmen kann. Die Abdeckung 24 ist von allgemein tellerförmiger Konfiguration,
wobei sich der Rücksprung 110 des
Tellers nach hinten öffnet.
Der Rücksprung 110 in
der Filterabdeckung 24 ist so ausgebildet, daß er eine
Verlängerung
des filteraufnehmenden Rücksprungs 86 der Laufradabdeckung 22 bildet
und passend dazu ausgeführt
ist, wie aus 2 ersichtlich.
Ein zentraler Ständer 112 ist,
wie die Laufradabdeckung 22, im filteraufnehmenden Rücksprung 110 ausgebildet.
Eine Bohrung durch den Ständer 112 nimmt
eine in die Bohrung 96 in der Laufradabdeckung eingeschraubte
Montageschraube 118 auf, um die an der Laufradabdeckung 22 sitzende
Filterabdeckung zu halten. Das allgemein mit 40 bezeichnete
Filterelement ist aus einem Block eines schwammähnlichen Materials, beispielsweise
aus einem retikulierten Polyesterschaum, gebildet. Die axiale Dicke
des Filterelements 40 ist so gewählt, daß sie geringfügig größer als
die axiale Abmessung der Filterkammer ist, die durch die passend
ausgeführten
filteraufnehmenden Rücksprünge 86, 110 der
Laufradabdeckung 22 und der Filterabdeckung 24 definiert
ist, wenn die beiden Abdeckungen zusammengebaut sind. Das Filterelement 40 ist
mit einer zentralen Bohrung 130 ausgebildet, die so ausgeführt ist,
daß sie
die zentralen Ständer 90 und 112 aufnehmen
kann, wie aus 2 ersichtlich.
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Das
Pumpenlaufrad 26 kann gegenüber der herkömmlichen
Ausführung
mit geraden, sich radial erstreckenden Flügeln so modifiziert werden,
daß eine
gebogene Flügelausführung, wie
in 11 dargestellt, oder
eine krummlinige Form, wie in den 12–14 dargestellt, bereitgestellt
wird. In jedem Fall beinhaltet das Pumpenlaufrad 26 ein
sich axial und radial erstreckendes Schaufelmittel 140,
das an einem äußeren radialen Umfang 142 des
Laufrads 26 ausgebildet ist, um Fluid vom Einlaßende 70 zum
Auslaßende 72 hin
zu befördern,
wenn sich das Laufrad 26 um die Drehachse dreht. Das Schaufelmittel 140 beinhaltet
mehrere Flügel 144,
die am Umfang um den äußeren radialen
Umfang 142 des Laufrads 26 herum beabstandet sind.
Jeder Flügel 144 besitzt
einen radial inneren Basisabschnitt 146, der mit einer
sich axial erstreckenden zylindrischen Seitenwand oder Nabe 148 des
Laufrads 26 verbunden ist. Der Basisabschnitt 146 erstreckt
sich im Verhältnis zur
Drehung des Laufrads 26 in einer allgemeinen Nachlaufrichtung.
Wie in 11 dargestellt,
dreht sich das Laufrad in einer dem Uhrzeigersinn entgegengesetzten
Richtung. Ein radial äußerer Spitzenabschnitt 150 eines
jeden Flügels 144 erstreckt
sich im Verhältnis
zur Drehung des Laufrads 26 in einer allgemeinen Vorlaufrichtung.
Der Basisabschnitt 146 bildet einen Eintrittswinkel ɸ1 im Verhältnis
zu einer radial verlaufenden Ebene, wobei die Drehachse des Laufrads 26 in
einem aus 20° bis
einschließlich
30° ausgewählten Bereich
und in einem bevorzugten Bereich zwischen 26° bis einschließlich 30° liegt und
ein besonders bevorzugter Winkel 26° beträgt. Der Spitzenabschnitt 150 bildet
einen Austrittswinkel ɸ2 im Verhältnis zu
einer radial verlaufenden Ebene, wobei die Drehachse des Laufrads 26 in
einem aus 20° bis
einschließlich
45° ausgewählten Bereich und
in einem bevorzugten Bereich zwischen 20° bis einschließlich 30° liegt und
ein besonders bevorzugter Winkel 20° beträgt. Das Schaufelmittel 140 beinhaltet
vorzugsweise mehrere Flügel,
die am Umfang um den äußeren radialen
Umfang 142 des Laufrads 26 herum beabstandet sind,
wobei jeder Flügel 144 in
einer radialen Richtung im Verhältnis
zur Drehachse des Laufrads 26 um eine allgemein parallel
zur Drehachse verlaufende Achse gebogen oder gekrümmt ausgeführt ist.
Das Schaufelmittel 140 kann mindestens einen Satz Flügel 144 beinhalten,
die im Verhältnis
zur Drehachse radial gebogen ausgeführt sind, wobei der Satz Flügel 144 durch
mindestens zwei am Umfang beabstandete Flügel 144 definiert
ist, die zusammenwirken, um einen einzelnen kreisförmigen Kreisring
zu bilden. Wie am besten aus den 11–14 ersichtlich, beinhaltet
das Laufrad 26 vorzugsweise eine sich allgemein radial
erstreckende planare Rippe 152, die senkrecht zur Drehachse
angeordnet und mit dem Schaufelmittel 140 verbunden ist.
Die Rippe 152 erstreckt sich von der sich axial erstreckenden
zylindrischen Seitenwand oder Nabe 148 des Laufrads 26 aus
mindestens radial nach außen.
Vorzugsweise wird die zwischen der Rippe 152 und der ringförmigen Nabe 148 des
Laufrads 26 ausgebildete Übergangsfläche 154 eingefügt, um eine
winklige, abgestufte oder, besonders bevorzugt, eine radial gekrümmte Übergangsfläche 154 zwischen
der sich axial erstreckenden Nabe 148 des Laufrads 26 und
der sich radial erstreckenden Rippe 152 zwischen jedem
angrenzenden Satz Flügel 144 bereitzustellen.
Die Rippe 152 erstreckt sich vorzugsweise radial in das
Schaufelmittel 140 hinein bis zu einer Position, die allgemein
auf halbem Weg zwischen dem Basisabschnitt 146 und dem
Spitzenabschnitt 150 eines jeden Flügels 144 liegt. Wenn
sich die Rippe 152 radial nach außen zum äußeren radialen Umfang 142 des
Laufrads 26 (nicht dargestellt) hin erstreckt, können die
Flügel 144,
falls dies für
eine besondere Anwendung erwünscht
ist, jeweils voneinander getrennt oder isoliert ausgeführt werden.
Es wurde festgestellt, daß optimale
Leistungsmerkmale erzielt werden, wenn die Rippe 152 an
einer Position, die sich zwischen dem Basisabschnitt 146 und
einem Spitzenabschnitt 150 eines jeden Flügels befindet,
und vorzugsweise an einer Position verbleibt, die sich allgemein auf
halbem Weg zwischen dem Basisabschnitt 146 und dem Spitzenabschnitt 150 befindet.
Es sei darauf hingewiesen, daß der
Basisabschnitt 146 im Verhältnis zum Spitzenabschnitt 150 eines
jeden Flügels 144 die
gleiche oder eine unterschiedliche Länge aufweisen kann. Der Basisabschnitt 146 bildet
vorzugsweise einen Prozentsatz der radialen Gesamtlänge eines
jeden Flügels 144 in
einem zwischen 30% bis einschließlich 70% ausgewählten Bereich,
wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 40% bis einschließlich 60%
liegt und ein besonders bevorzugter Wert etwa 50% beträgt. Jeder
Flügel 144 ist
vorzugsweise mit den anderen entsprechenden Flügeln 144 identisch,
die am äußeren radialen
Umfang 142 des Laufrads 26 ausgebildet sind.
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Ein
Abschrägungsmittel 158 ist
vorzugsweise am Basisabschnitt 146 eines jeden Flügels 144 ausgebildet,
um Fluid vom Einlaß zu
einer Tasche 160 hin umzuleiten, die zwischen zwei angrenzenden
Flügeln 144 und
den die Pumpenkammer 28 definierenden Gehäuseseitenwänden definiert
ist. Das Abschrägungsmittel 158 ist
vorzugsweise an einer Nachlauf kante des Basisabschnitts 146 ausgebildet.
Das Abschrägungsmittel 158 kann
mit einem Winkel ɸ3 im Verhältnis zu
einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads
in einem zwischen 10° bis
einschließlich
45° ausgewählten Bereich
liegen, wobei ein bevorzugter Wert etwa 45° beträgt. Das Abschrägungsmittel 158 kann
auch als eine gekrümmte
oder radiale Oberfläche (nicht
dargestellt) mit einem vorbestimmten Radius ausgebildet sein, der
eine sich allgemein radial erstreckende Oberfläche 162 des Flügels 144 mit
einer sich allgemein axial erstreckenden Oberfläche 164 des Flügels 144 entlang
einer Nachlauf kante verbindet.
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Das
Fluidleitmittel 166 ist vorzugsweise in mindestens einer
Seitenwand des Gehäuses
ausgebildet, das die Pumpenkammer 28 definiert, um Fluid
zurück
zum Laufrad 26 zu leiten. Das Fluidleitmittel 166 weist vorzugsweise
die Form einer feststehenden Oberfläche 168 auf, die einen
Abschnitt der Pumpenkammer 28 definiert. Das Fluidleitmittel 166 kann
mindestens die erste oder die zweite Seitenwand 52 bzw. 56 mit
einem allgemein ringförmigen
Seitenkanalabschnitt 28A, 28C beinhalten, der
im Gehäuse
um die Drehachse herum ausgebildet ist, um, wenn sich das Laufrad 26 dreht,
Fluid schneckenförmig
zurück
in Kontakt mit dem Schaufelmittel 140 zu leiten. Der Seitenkanalabschnitt 28A oder 28C ist
allgemein senkrecht zur Drehachse angeordnet und erstreckt sich
entlang einem auf der Drehachse zentrierten Bogen mit konstantem
Radius. Das Fluidleitmittel 166 kann auch jede der ersten
und zweiten Seitenwände 52, 56 beinhalten,
die einen allgemein ringförmigen
Seitenkanalabschnitt 28A, 28C besitzen, der jeweils
darin um die Drehachse herum ausgebildet ist, um, wenn sich das
Laufrad 26 dreht, Fluid schneckenförmig zurück in Kontakt mit dem Schaufelmittel 140 zu leiten.
In der bevorzugten Konfiguration, wie am besten aus den 15 und 16 ersichtlich, ist der fluidleitende Seitenkanalabschnitt 28C der
ersten oder der zweiten Seitenwand 52 bzw. 56 im
Verhältnis
zum anderen fluidleitenden Seitenkanalabschnitt 28A vergrößert. Der
vergrößerte fluidleitende
Seitenkanalabschnitt 28C ist vorzugsweise in der axialen
Richtung vergrößert. Die
axiale Vergrößerung kann
dadurch erzielt werden, daß ein
Abstandselement 170 zwischen dem Laufradgehäuse 20 und
der Laufradabdeckung 22 eingesetzt wird, wie am besten
aus 15 ersichtlich.
Das Abstandselement 170 ist so ausgebildet, daß es die
den Seitenkanalabschnitt 28C definierende Wand in axialer
Richtung zur Seitenwandverlängerung 172 verlängert. Die
Seitenwandverlängerung 172 ist
so ausgebildet, daß sie
der Kontur des Seitenkanalabschnitts 28C der Pumpenkammer 28,
die in der Laufradabdeckung 22 ausgebildet ist, in enger
Passung folgt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kombination aus dem Abstandselement 170 und
der Laufradabdeckung 22 natürlich durch eine Laufradabdeckungseinheit 22 ersetzt
werden kann, die mit dem entsprechenden vergrößerten Seitenkanalabschnitt 28C,
wie in 16 dargestellt,
ausgebildet ist. Das Fluidleitmittel 166 ist vorzugsweise
in der ersten und der zweiten Seitenwand 52 bzw. 56 des
Gehäuses
asymmetrisch ausgebildet.
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17 ist eine grafische Darstellung
einer elektrischen Luftpumpe mit erweitertem Bereich gemäß der vorliegenden
Erfindung, die den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe im Verhältnis zur
Strömungsmenge
in 0,028 m3/Min. (Standardkubikfuß pro Minute)
bei einem Gegendruck von 111.000 Pa (40 Zoll H2O)
mit einem einen Durchmesser von 85 mm aufweisenden Laufrad, ohne
Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle zeigt. Die verschiedenen
Kurven veranschaulichen Betriebsmerkmale für unterschiedlich große Abstandselemente,
die zwischen dem Laufradgehäuse 20 und
der Laufradabdeckung 22 vorgesehen sind. Die erste Kurve 174 veranschaulicht
die Vorrichtung ohne Abstandselement zwischen dem Laufradgehäuse 20 und
der Laufradabdeckung 22. Die zweite Kurve 176 veranschaulicht
die Leistungsmerkmale der modifizierten Pumpe mit einem 1,0 mm dicken
Abstandselement. Die dritte Kurve 178 veranschaulicht die
Leistungsmerkmale der Pumpe mit einem 1,5 mm dicken Abstandselement,
das sich zwischen dem Gehäuse 20 und
der Abdeckung 22, wie in 15 dargestellt,
befindet. Die vierte Kurve 180 veranschaulicht die Leistungsmerkmale
der Pumpe mit einem 2,5 mm dicken Abstandselement zwischen dem Laufradgehäuse 20 und
der Laufradabdeckung 22. Jede dieser Kurven wurde unter
Verwendung einer Prototypkonfiguration mit den bogenförmigen Flügeln 144,
wie vorstehend mit einem Eintrittswinkel von 26°, einem Austrittswinkel von
30° und
einer 45°-Abschrägung an
der Nachlauf kante des Basisabschnitts des Flügels ausführlicher beschrieben, erhalten.
Die Testergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.
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18 ist eine grafische Darstellung
der Strömung
in 0,028 m3/Min. (Kubikfuß pro Minute)
im Verhältnis
zum Gegendruck in 250 Pa (Zoll Wasser), die weiterhin den elektrischen
Strom in Ampere im Verhältnis zum
Gegendruck in 250 Pa (Zoll Wasser) veranschaulicht. Die erste Linie 182 veranschaulicht
die Strömungsmerkmale
einer Pumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung ohne ein Abstandelement, während die zweite Linie 184 die
Strömungsmerkmale
der Pumpe mit einem 2,5 mm großen
Abstandselement veranschaulicht. Die dritte Linie 186 veranschaulicht
den Strom, der von der Pumpe bei einem Betrieb ohne ein Abstandselement entsprechend
der Fluidströmung
der ersten Linie 182 verbraucht wird, während die vierte Linie 188 dem
elektrischen Strom entspricht, der durch die Pumpe mit einem Abstandselement
entsprechend den Fluidströmungsmerkmalen
der zweiten Linie 184 fließt. Der für einen Gegendruck von 104.000
Pa (10 Zoll Wasser) erhaltene Wert betrug 15.337 Umdrehungen pro
Minute (UPM), während
die Datenpunkte für
einen Gegendruck von etwa 107.600 Pa (25 Zoll) bei 15.075 Umdrehungen
pro Minute (UPM) lagen. Die Datenpunkte entsprechend einem Gegendruck
von 111.000 Pa (40 Zoll) und einem Gegendruck von 116.500 Pa (60
Zoll) wurden bei 14.860 Umdrehungen pro Minute (UPM) bzw. 14.319
Umdrehungen pro Minute (UPM) erhalten. Jede dieser Kurven wurde
unter Verwendung einer Prototypkonfiguration mit den bogenförmigen Flügeln 144,
wie vorstehend ausführlicher
beschrieben, mit einem Eintrittswinkel von 26°, einem Austrittswinkel von
30° und
einer 45°-Abschrägung an
der Nachlauf kante des Basisabschnitts des Flügels mit einem Laufrad mit
einem Durchmesser von 85 mm, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle
erhalten.
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19 ist eine grafische Darstellung, die
den Gesamtwirkungsgrad in Prozent im Verhältnis zur Strömung in
0, 028 m3/Min. (Standardkubikfuß pro Minute)
veranschaulicht. Die erste oder untere Kurve 190 veranschaulicht
die Pumpenmerkmale ohne ein Abstandselement, während die obere oder zweite
Kurve 192 die Pumpenmerkmale mit einem 2,5 mm großen Abstandselement
veranschaulicht. Die aufgetragenen Datenpunkte entlang jeder Kurve,
die mit der rechten oder höchsten
Strömungsmenge
beginnt und sich zur niedrigeren Strömungsmenge hin fortsetzt, entsprechen
einem Gegendruck von 104.000 Pa (10 Zoll), 107.600 Pa (25 Zoll)
bzw. 111.000 Pa (40 Zoll [H2O]) entlang
einer jeden der beiden Kurven 190 und 192. Jede
dieser Kurven wurde unter Verwendung einer Prototypkonfiguration
mit den bogenförmigen
Flügeln 144,
wie vorstehend ausführlicher
beschrieben, mit einem Eintrittswinkel von 26°, einem Austrittswinkel von
30° und
einer 45°-Abschrägung an
der Nachlauf kante des Basisabschnitts des Flügels mit einem Laufrad mit
einem Durchmesser von 85 mm, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle
erhalten.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Luftströmung
der Pumpe gesteigert, während
der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe durch konische Ausführung der
Querschnittsfläche
der Pumpenkammer 28 von einer maximalen Fläche am Einlaßende 70A hin
zu einer kleineren Fläche
am Auslaßende 72A,
wie aus den 20–21 ersichtlich, nicht nachteilig
beeinflußt
wird. Die in 20 dargestellte
Laufradabdeckung 22 ist ähnlich wie die vorstehend beschriebene
ausgeführt.
Die auf der Rückseite
der Laufradabdeckung 22 ausgebildete flache Oberfläche 56 steht
in einander zugewandtem Eingriff mit der maschinell bearbeiteten
Oberfläche 50 des
Laufradgehäuses 20.
Der ringförmige
Rücksprung
oder Seitenkanalabschnitt 28C in der flachen Rückseitenfläche 56 der
Laufradabdeckung 22 bildet einen Abschnitt der Pumpenkammer 28,
der eine Verlängerung des
Abschnitts der Pumpenkammer 28 im Laufradgehäuse 20 bildet
und passend dazu ausgeführt
ist. Die Laufradabdeckung 22 stellt den Umfangsflansch 76,
der sich über
das vordere Ende des Laufradgehäuses 20 erstreckt,
sowie Bohrungen 80 in der Laufradabdeckung 22 zur
Aufnahme von Schrauben bereit, um die Laufradabdeckung 22 mit
dem Laufradgehäuse 20 zu
verbinden. Die Laufradabdeckung 22 stellt auch einen Fluideinlaß 200 bereit,
dessen Einlaßende 70A sich
in den Seitenkanalabschnitt 28C hinein öffnet, der wiederum mit dem
Auslaßende 72A in
Verbindung steht, das sich in einen Fluidauslaß 202 der Laufradabdeckung 22 hinein öffnet.
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Ein
strömungswegdefinierendes
Mittel ist vorzugsweise in mindestens einer der Seitenwände 52, 56 des
die Pumpenkammer 28 definierenden Gehäuses ausgebildet, um einen
Strömungsweg 204 zwischen
dem Fluideinlaß 200 und
dem Fluidauslaß 202 zu
definieren. Wie vorstehend beschrieben, kann das strömungswegdefinierende
Mittel mindestens die erste oder die zweite Seitenwand 52 bzw. 56 beinhalten,
wobei ein allgemein ringförmiger
Seitenkanalabschnitt 28C im Gehäuse um die Drehachse herum
ausgebildet ist, um Fluid, wenn sich das Laufrad 26 dreht,
zurück
in Kontakt mit dem Laufrad 26 zu leiten. Der Seitenkanalabschnitt 28C ist
allgemein senkrecht zur Drehachse angeordnet und erstreckt sich
entlang einem auf der Drehachse zentrierten Bogen mit konstantem
Radius.
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Das
strömungswegdefinierende
Mittel stellt eine Querschnittsfläche der Pumpenkammer 28 bereit, wobei
die Querschnittsfläche
der Pumpenkammer 28 am Fluideinlaß 200 größer als
die Querschnittsfläche
der Pumpenkammer 28 am Fluidauslaß 202 ist. Die Reduzierung
der Querschnittsfläche
der Pumpenkammer 28 wird durch die konische Ausführung der
Seitenkanalabschnitte 28C der Seitenwände 52, 56 bereitgestellt,
die den Strömungsweg 204 zwischen
dem Fluideinlaß 200 und
dem Fluidauslaß 202 definieren.
Vorzugsweise sind die Seitenkanalabschnitte 28C axial nach
innen zum Laufrad 26 hin konisch ausgeführt, wobei eine konstante radiale
Breite oder ein konstanter radialer Abstand der Seitenkanalabschnitte 28C aufrechterhalten wird.
Die konische Ausbildung verläuft
vorzugsweise mit einer konstanten Neigung, wie in 21 dargestellt. Zusätzlich kann die Reduzierung
der durch die konische Ausbildung bereitgestellten Querschnittsfläche um zehn
bis fünfzig
Prozent zwischen der Querschnittsfläche am Fluideinlaß 200 und
der Querschnittsfläche
am Fluidauslaß 202 verringert
werden. Vorzugsweise kann die konische Ausbildung die Querschnittsfläche des Strömungswegs 204 zwischen
dem Fluideinlaß 200 und
dem Fluidauslaß 202 um
fünfundzwanzig
Prozent reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, daß das strömungswegdefinierende
Mittel zwischen der ersten und der zweiten Seitenwand 52 bzw. 56 nicht
symmetrisch zu sein braucht, sondern asymmetrisch so ausgeführt sein kann,
daß die
vorstehend beschriebenen Abstandselemente 170 oder die
größeren eingegliederten
Seitenkanalabschnitte 28C für diese Ausführungsform
verwendet werden können.
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22 ist eine grafische Darstellung
einer elektrischen Luftpumpe gemäß der vorliegenden
Erfindung, die die Luftströmung
in Kilogramm pro Stunde der Pumpe im Verhältnis zum Austragsdruck in
Millibar veranschaulicht, wobei die zusammengetragenen Daten unter
Verwendung einer Prototyppumpe mit einem Laufrad mit einem Durchmesser
von 85 Millimeter, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle
ermittelt wurden. Die verschiedenen Kurven veranschaulichen Betriebsmerkmale
für konische
Ausbildungen des Laufradgehäuses 20 und
der Laufradabdeckung 22 sowie ohne konische Ausbildungen
des Laufradgehäuses 20 und
der Laufradabdeckung 22. Die erste Kurve 206 veranschaulicht
die Vorrichtung ohne konische Ausbildung des Laufradgehäuses 20 oder
der Laufradabdeckung 22. Das Laufradgehäuse 20 hat eine konstante
Tiefe von 6,0 mm, und die Laufradabdeckung 22 hat über den
gesamten Seitenkanalabschnitt 28C eine konstante Tiefe
von 6,9 mm. Die zweite Kurve 208 veranschaulicht die Leistungsmerkmale
der modifizierten Pumpe mit einer konischen Ausbildung des Laufradgehäuses 20 und
ohne konische Ausbildung der Laufradabdeckung 22. Die konische
Ausbildung des Laufradgehäuses 20 erstreckt
sich von einer Tiefe von 8,4 mm am Einlaßende 70A bis zu einer
Tiefe von 6,0 mm am Auslaßende 72A.
Die Tiefe des Seitenkanalabschnitts 28C wird bei einer
konstanten Tiefe von 6,9 mm in der Laufradabdeckung 22 beibehalten.
Die dritte Kurve 210 veranschaulicht die Leistungsmerkmale
der Pumpe, wobei die Laufradabdeckung 22 von 8,4 mm am
Einlaßende 70A bis
zu einer Tiefe von 6,0 mm am Auslaßende 72A konisch
ausgeführt
ist. Der Seitenkanalabschnitt 28C des Laufradgehäuses 20 weist
eine konstante Tiefe von 7,6 mm auf.
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23 ist eine grafische Darstellung
des Gesamtwirkungsgrads in Prozent im Verhältnis zum Austragsdruck in
Millibar, wobei die Daten unter Verwendung einer Prototyppumpe mit
einem Laufrad mit einem Durchmesser von 85 mm, ohne Filter und mit
einer 13,5-Volt-Kraftquelle ermittelt wurden. Die verschiedenen Kurven
veranschaulichen wiederum die Betriebsmerkmale der Pumpe mit einer
konischen Ausbildung des Laufradgehäuses 20 und der Laufradabdeckung 22 sowie
ohne konische Ausbildung des Laufradgehäuses 20 und der Laufradabdeckung 22.
Die erste Kurve 212 veranschaulicht die Vorrichtung ohne
konische Ausbildung des Seitenkanalabschnitts 28C des Laufradgehäuses 20 sowie
des Seitenkanalabschnitts 28C der Laufradabdeckung 22.
Der Seitenkanalabschnitt 28C des Laufradgehäuses 20 weist
eine konstante Tiefe von 6,0 mm und der Seitenkanalabschnitt 28C der
Laufradabdeckung 22 eine konstante Tiefe von 6,9 mm auf.
Die zweite Kurve 214 veranschaulicht die Leistungsmerkmale
der modifizierten Pumpe, wobei die Tiefe des Seitenkanalabschnitts 28C des
Laufradgehäuses 20 8,4
mm am Einlaßende 70A und
6,0 mm am Auslaßende 72A beträgt. Der
Seitenkanalabschnitt 28C der Laufradabdeckung 22 weist
eine konstante Tiefe von 6,9 mm auf. Die dritte Kurve 216 veranschaulicht
die Leistungsmerkmale der Pumpe mit einer konischen Ausbildung des
Seitenkanalabschnitts 28C der Laufradabdeckung 22,
wobei das Einlaßende 70A der
Laufradabdeckung 22 eine Tiefe von 8,4 mm und das Auslaßende 72A eine
Tiefe von 6,0 mm aufweist. Die Tiefe des Seitenkanalabschnitts 28C des
Laufradgehäuses 20 stellt
eine konstante Tiefe von 7,6 mm bereit.