FI103604B - Nesterengaskone ja menetelmä fluidin siirtämiseksi - Google Patents

Description

103604

Nesterengaskone ja menetelmä fluidin siirtämiseksi Vätskeringmaskin och förfarande för att överföra fluidum

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 mukaiseen nesterengaskoneeseen fluidia varten ja erityisesti nesterengaskoneeseen, joka käsittää epäkeskeisesti pesän suhteen pyöritettävän roottorivälineen, kuten siipipyörän, joka aikaansaa fluidin positiivisen siirtymisen. Keksintö kohdistuu lisäksi patenttivaatimuksen 7 mukaiseen menetelmään fluidin siirtämiseksi.

Nesterengaspumput ovat alan ammattimiehen hyvin tuntemia ja yleisesti käytettyjä erilaisissa fluidin siirtämiseen eli pumppaamiseen liittyvissä sovellutuksissa, kuten esim. kemian-, paperinvalmistuksen- tai elintarviketeollisuudenalan prosesseissa ja laitteistoissa tai voimalaitoksien, jätevesilaitoksien tai vastaavien pumppaustehtävissä. Tunnetut nesterengaspumput käsittävät tavallisesti kiinteän pesän ja sen suhteen epäkeskeisesti pyöritettävän siipipyörän eli roottorin. Siipipyörää pyöritetään ulkoisella moottorilla, tavallisesti sähkökoneella. Tunnetun tekniikan suhteen viitataan oheistettuihin kuvioihin 1a ja 1b.

Tämä noin 60 vuotta sitten esitetty nesterengaspumppu on saavuttanut suuren suosion, erityisesti sen suhteellisen yksinkertaisen rakenteen ja suuren toimintavarmuuden vuoksi. Ratkaisun heikkoutena on kuitenkin ollut sen huono hyötysuhde (n. 40%) sekä huono säädettävyys. Huono hyötysuhde on seurausta pääosin siitä, että siipipyörän pyörittäessä nesterengasta noin puolet käyttö-moottorin tehosta kuluu renkaan ja pesän sisäpinnan (sisäkehän) välisen kitkan voittamiseen. Tämä aihettaa myös eroosiota pesässä sekä epätasaista virtausta ja roiskeita. Kitkatyö aiheuttaa myös pumpun ja myös pumpattavan nesteen kuumenemista.

: DE patentti 587 533, DE kuulutusjulkaisu 4339029 A1 ja US patentti 5,295,794 esittävät ratkaisuja, joissa nesterengaskoneen ominaisuuksia oh pyritty parantamaan pyöritettävän pesäosan avulla. US patentti 4,050,851 esittää puolestaan ferromagneettisen nesteen käyttämisen vesirenkaan tilalla.

Tämän keksinnön tarkoituksena on poistaa tunnetun tekniikan epäkohdat ja saada aikaan aivan uudenlainen ratkaisu nesterengaspumpuksi ja menetelmäksi 2 103604 fluidin positiivikseksi siirtämiseksi. Keksinnön mukaisen ratkaisun avulla aikaansaadaan nesterengaspumppu, jonka hyötysuhde on olennaisesti tunnettuja ratkaisuja parempi. Keksinnön tavoitteena on lisäksi saada aikaan nesterengaspumppu ja menetelmä fluidin siirtämiseksi, jonka avulla saavutetaan tunnettuja ratkaisuja parempi säädettävyys. Keksinnön eräänä tavoitteena on saada aikaan ratkaisu, jonka avulla siipipyörävälineen käyttömoottorin kokoa voidaan pienentää. Keksinnön eräänä tavoitteena on saada aikaan ratkaisu, jonka avulla koneen kuumenemista ja siirrettävän fluidin lämpenemistä voidaan vähentää.

Keksintö perustuu siihen perusajatukseen, että myös nesterengaskoneen pesä-osa sovitetaan pyöritettäväksi. Tällöin pesäosa on edullista sovittaa ontoksi sähkökoneen roottorivälineeksi, jota pyöritetään halutulla tavalla suhteessa varsinaiseen pesän sisälle aikaansaatuun siipipyörään. Tämän keksinnöllisen ratkaisun mahdollistaa se havainto, että sähkökoneessa magneettivuo tunkeutuu ainoastaan roottorin pintakerrokseen, roottorin sydänosan merkityksen ollessa koneen toiminnan kannalta vähäinen.

Täsmällisemmin esitettynä keksinnön mukaiselle nesterengaskoneelle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa 1...6 ja erityisesti itsenäisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Keksinnön mukaiselle menetelmälle on pääasiallisesti tunnusomaista se, mitä on esitetty oheisissa patenttivaatimuksissa 7...10 ja erityisesti patenttivaatimuksen 7 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön erään edullisen suoritusmuodon mukaisesti nesterengaskone käsittää ulkopuolisella käyttölaitteella pyöritettävän siipipyörävälineen, joka on laakeroitu koneen rungon suhteen. Lisäksi laite käsittää pyöritettävän pesävälineen, joka on asetettu epäkeskeisesti siipipyörävälineen suhteen. Onton pesävälineen pyöritys on saatu aikaan järjestelyllä, jonka mukaisesti sen kuori toimii roottorina. Roottoria ympäröivät stattorivälineet ovat asetettuna koneen runkoon. Tässä yhteydessä viitataan DE 36 41 142 C2 patenttijulkaisuun, jonka kuvioissa 1 ja 2 esitetään eräs esimerkki ontosta roottorista.

Roottoriväline voidaan varustaa erilaisilla sen toimintaa tehostavilla välineillä, kuten kuparisilla tai alumiinisilla oikosulkurenkailla tai ns. häkkikäämillä tai -käämityksellä. Vastaavasti stattorivälineet voivat esim. käsittää ns. muotoillut staattorihampaat ilman, että keksinnön piiristä poikettaisiin.

3 103604

Virransyöttöratkaisut, eri pyöritysakseleiden tiivistykset ja laakeroinnit voidaan suorittaa sinänsä tunnetulla tavalla, kuten laakeroinnit kuula- tai liukulaakerein ja tiivistykset poksitiivistein, eikä niitä siksi selitetä tarkemmin.

Mainittua pesästä aikaansaatua roottoria voidaan pyörittää samalla nopeudella siipipyörän kanssa, mutta nopeus voi myös olla eri suuruinen. Näiden kahden pyöritysnopeuksia voidaan myös säätää erillisesti, jolloin myös niiden välinen nopeusero on säädettävissä. Tämä mahdollistaa koneen hyvän säädettävyy-den, sillä eri nopeus- ja/tai nopeuserovariaatioiden määrä muodostuu olennaisen suureksi.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja. Nesterengaskoneen hyötysuhde paranee merkittävästi kitkavaikutuksen olennaisen suuren pienenemisen johdosta. Kitkatyöstä aiheutuva lämpötilan kohoaminen pienenee olennaisesti. Myös tehontarve pienenee, joten siipipyörän pyörityksessä on mahdollista käyttää pienempää käyttölaitetta, millä on olennainen vaikutus laitteiston hankinta-ja käyttökustannuksia silmälläpitäen. Tehontarpeen pienemisen oletetaan olevan luokkaa 50 %. Aikaansaatavan nesterengaskoneen ulkomitat ovat kuitenkin saavutettavaan hyötyyn suhteutettuna kohtuullisen pienet. Lisäksi pesän sisäkehän eroosio ja roiskeet pienevät olennaisesti, tai poistuvat jopa kokonaan.

Keksintöä ja sen muita kohteita ja etuja kuvataan seuraavassa esimerkinomaisesti viittaamalla samalla oheiseen piirustukseen, jossa vastaavat viitenumerot eri kuvioissa viittaavat vastaaviin piirteisiin. Tässä kohden tulee ymmärtää, että seuraavan esimerkinomaisen esityksen tarkoitus ei ole rajoittaa keksintöä tässä yhteydessä esitettyihin tiettyihin muotoihin, vaan päinvastoin keksinnön on tarkoitettu kattavan kaikki muunnokset, vastaavuudet ja vaihtoehdot, jotka sisältyvät keksinnön henkeen ja piiriin, kuten oheisissa patenttivaatimuksissa on ' · määritetty. Tässä yhteydessä huomautetaan lisäksi, että termillä nesterengas- pumppu tarkoitetaan kaikkien fluidien, kuten erilaisten nesteiden, kaasujen tms. positiiviseen siirtämiseen tarkoitettuja, edellä esitetyllä perusperiaatteella toimivia nesterengaskoneita.

Kuviot 1a ja 1b esittävät tunnetun tekniikan mukaista nesterengaspumppua sivulta ja päästä.

4 103604

Kuviot 2a ja 2b esittävät erästä keksinnön mukaisen nesterengaskoneen suoritusmuotoa.

Kuvio 3 esittää viivadiagrammina sähkövuon tunkeutumista eri materiaalista valmistettuihin roottoreihin.

Kuvioissa 1 a ja b esitetään leikkauskuvantoina sivulta ja päästä tunnetun tekniikan mukainen nesterengaspumppu, joka käsittää kiinteän pesän 1 sekä sen sisälle epäkeskeisesti laakeroidun siipipyörän 2. Pumpattava fluidi saapuu nuolen 3 osoittamalla tavalla tulopuolen kanavaa 4 pitkin, ja poistuu menokana-vaa 5 pitkin nuolella 6 osoitetusti. Pesän 1 sisäkehää pitkin siipipyörän 2 avulla pyöritettävää nesterengasta on merkitty numerolla 7. Ulkoinen pyörityksen aikaansaava käyttölaite (ei esitetty), kuten sähkökone, kytketään siipipyörän 2 akselille sinänsä tunnetulla tavalla.

Kuvioissa 2a ja b esitetään vastaavasti keksinnön mukaisen nesterengaskoneen 10 rakenne. Siinä sinänsä tunnettua tyyppiä oleva, ulkopuolisella käyttölaitteella pyöritettävä siipipyöräväline 2 on asetettu laakereiden 18 avulla runkoon 12. Lisäksi runkoon 12 on asetettu pyöritettävästi laakereiden 16 avulla keksinnön mukainen pesäosa 11. Pesäosaa 11 ympäröivät runkoon 12 asennetut staattori-välineet 14, jotka ovat sinänsä tunnettua, lukuisista staattorilevyistä koostuvaa rakennetta.

Lisäksi esitetään pesäkammion sisälle johtava imuaukko eli tuloaukko 4, sekä painepuolen poistoaukko 5. Kuvion 2a esimerkissä ne on aikaansaatu hyödyntämällä samalla runkoon 12 kiinnitettyjä laakereiden 16 tukia 15. Tarvittavat tiivisteet, kuten 17, voivat olla sinänsä tunnettua tyyppiä olevia poksitiivisteitä, huulitiivisteitä tms. tiivistyksen aikaansaavia välineitä. Esimerkissä esitetään myös eräs ratkaisu fluidin imuaukon 4 ja poistoaukon 5 sijoittamiseksi keskiak-selin 21 suhteen siten, että ne ovat sijoitetut noin 180° päähän toisistaan roottorin 11 sisällä, mikä ei kuitenkaan ole ainoa mahdollinen ratkaisu.

Erään ratkaisun mukaisesti on siipipyöräroottorin 2 halkaisija siipien päässä luokkaa 250 mm, roottorin 11 sisäkehän 13 halkaisijan ollessa luokkaa 300 mm. Roottorikuoren paksuus voi olla esim. luokkaa 15-40 mm. Koneen 10 rungon 12 ulkokehän halkaisija on esimerkissä luokkaa 520 mm.

ε 103604

Olennaisena osana koneen toimintaan kuuluva nesterengas on osoitettu numerolla 7.

Järjestely on edullisesti sellainen, että pesäosa 11 on laakeroitu keskeisesti rungon 12 suhteen, akselilinjan 20 esittäessä roottorivälineen 12 keskiölinjaa. Siipipyöräväline 2 on laakeroitu epäkeskeisesti rungon 12 suhteen toisen kes-kiölinjan 21 mukaisesti, jolloin se on vastaavasti epäkeskeisesti laakeroituna myös pesäosan 11 suhteen. On kuitenkin huomattava, että myös muut järjestelyt ovat mahdollisia, ja että olennaista on se, että roottoriksi sovitettu pesäosa 11 ja siipipyöräväline 2 ovat pyöritettävissä ja sijoitetut epäkeskeisesti toistensa suhteen.

Lisäksi kuviossa esitetään eräs edullinen lisäpiirre, jonka mukaisesti keksinnön mukainen ontto roottori 11 on varustettu oikosulkurenkaalla 22, joka voi edullisesti olla esim. kuparia, alumiinia tai vastaavaa hyvän sähkönjohtavuuden omaavaa ainetta.

Kuvion 3 viivadiagrammin avulla havainnollistetaan keksinnön mahdollistavaa ilmiötä, eli magneettivuon tunkeutumista eri materiaaleista valmistettuihin root-toreihin moottorin nimellispisteessä I = 90A, Uv = 123 V, 400 Hz. Vuon B voimakkuus arvona T on esitetty pystysakselilla ja tarkastelukohdan syvyys y on ilmoitettu vaaka-akselilla arvona cm. Kuten kuviosta voidaan havaita, vuon tunkeuman voimakkuuden lasku eri materiaaleilla on olennaisen pientä syvyydessä 2 cm ja sen jälkeen. Syvyysarvon 3 cm jälkeen voidaan vuontunkeuman vaikutuksen olevan jo merkityksettömän. Vuontunkema ei siis aseta erityisiä esteitä onton, seinämänvahvuudeltaan esim. noin 2 cm olevan roottorin hyödyntämiselle. Myös ohuempaa tao paksumpaa seinämänvahvuutta voidaan käyttää. Ohuemmalla seinämällä saattaa eräissä tapauksissa, materiaalista riippuen, olla kuitenkin haitallinen vaikutus moottorin ominaisuuksiin, kuten hyötysuhteeseen.

Kuten diagrammista voidaan havaita, ei tarkasteltujen materiaalien vuon tun-keumassa ole merkittäviä eroja. VACOVER ja Fe 520 -teräslaatuja voidaan kuitenkin pitää hieman edullisempina kuin MOC 315 -laatua, mutta myös se täyttää ne kriteerit, joita keksinnön mukaisen roottorivälineen 11 materiaalille on asetettu.

6 103604

Keksinnön mukaisen nesterengaskoneen 10 toiminta käsittää siipipyörärootto-rin 2 pyörittämisen ulkoisella käyttölaitteella sinänsä tunnetulla tavalla. Lisäksi pyöritetään ontoksi sähkökoneen roottoriksi sovitettua pesäosaa 11. Roottori-välineeksi sovitetun pesäosan 11 toiminta vastaa sinänsä tunnettua onttoa sähkökoneen roottoria, eikä sitä siten selitetä tässä enempää. Roottoreiden 2 ja 11 pyörintänopeudet voivat olla yhtäsuuret, mutta niiden välille voidaan myös järjestää halutunsuuruinen nopeusero. Roottoriväline 2 voidaan tällöin asettaa myös pyörimättömään tilaan tai vapaapyörintäiseksi. Mikäli pesäosaa 11 ei pyöritetä, toimii kone 10 kuten tunnettu nesterengaspumppu.

Siirrettävä fluidi, kuten neste tai kaasu, saapuu pesäosan 11 sisälle tulopuolen kanavaa 4 pitkin ja poistuu siipipyörän 2 aikaansaaman paineennousun / siirto-vaikutuksen johdosta painepuolen poistoaukon 5 kautta sinänsä tunnetulla tavalla. Olennaisena erona tunnettuun on se, että nyt myös pesäosan 11 sisäkuori 13 pyörii, mistä johtuen lähinnä kanavien 4 ja 5 muotoilu ja rakenne mm. tiivistyksen suhteen poikkeaa tunnetusta.

Keksinnön avulla on siis saatu aikaan laitteisto ja menetelmä, minkä avulla saavutetaan merkittävä parannus nesterengaskoneiden alalla, erityisesti niiden hyötysuhteessa ja säädettävyydessä.

On huomattava, että edellä esitetyt esimerkit keksinnön suoritusmuodoista eivät rajoita keksinnön patenttivaatimuksissa esitettyä suojapiiriä.

«

Claims (10)

1. 7 103604
2. 1. Nesterengaskone, joka käsittää pyöritettävän pesäosan, pesäosan sisällä olevan ja sen suhteen epäkeskeisesti pyöritettäväksi sovitetun siipiroottoriväli-neen (2), sekä kanavavälineet (4, 5) fluidin sisääntuloa ja poistumista varten, tunnettu siitä, että pesäosa on aikaansaatu ontoksi, pyöritettäväksi sähkökoneen rootto-rivälineeksi (11), jonka sisäpinta (13) määrittää tilan nesterenkaan (7) ja siipi-roottorivälineen (2) vastaanottamiseksi, ja pesäosan (11) ulkokehän ympärille aikaansaaduista staattorivälineistä (14).
3. 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen laite, tunnettu siitä, että mainittu roottoriväline (11) on laakeroitu (16) keskeisesti (20) koneen (10) runkoon (12) nähden ja mainittu siipiroottoriväline (2) on laakeroitu (18) epäkeskeisesti (21) mainittuun runkoon (11) nähden.
4. 3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen laite, tunnettu siitä, että ainakin osa kanavavälineistä (4,5) on saatu aikaiseksi pyöritettävän pesäosan (11) laakeritukien (15) avulla.
5. 4. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen laite, tunnettu siitä, että staattorivälineet (14) muodostuvat staattorilevyistä, joihin on aikaansaatu muotoillut staattorihampaat.
6. 5. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen laite, tunnettu siitä, että roottoriväline (11) on varustettu oikosulkurenkaalla (22), edullisesti kuparisella tai alumiinisella oikosulkurenkaalla.
7. 6. Jonkin edelläolevista patenttivaatimuksista mukainen laite, tunnettu siitä, että roottoriväline (11) on varustettu häkkivälineellä, edullisesti kupari- tai alumiinihäkillä. 1 Menetelmä fluidin siirtämiseksi, joka menetelmä käsittää vaiheina nesteen johtamisen nesterengaskoneen pesäosan sisälle, pesäosan sisälle sovitetun roottorivälineen pyörittämisen epäkeskeisesti mainitun pesäosan suhteen nes- 8 103604 teen siirtämiseksi kohden pesäosan poistoaukkoa, sekä mainitun pesäosan pyörittämisen, tunnettu siitä, että onttoa pesäosaa pyöritetään sen ulkokehän ympärille aikaansaatujen staattorivälineiden ja pesäosan ulkokehän välisen sähkömagneettisen kentän avulla.
8. 8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että root-torivälinettä ja onttoa pesäosaa pyöritetään olennaisesti samalla pyörimisnopeudella.
9. 9. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että root-torivälinettä ja onttoa pesäosaa pyöritetään toisistaan poikkeavilla nopeuksilla.
10. 10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että ainakin roottorivälineen tai onton pesäosan pyörintänopeutta säädetään sen käytön aikana. 103604