DE102012221358B3

DE102012221358B3 - pumping device

Info

Publication number: DE102012221358B3
Application number: DE201210221358
Authority: DE
Inventors: Bernhard Vodermayer; Heinrich Gmeiner
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2012-11-22
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2032-11-23
Also published as: WO2014079847A1

Abstract

Eine Pumpvorrichtung weist zwei gesondert antreibbare Rotorelemente (10, 12) an. Diese weisen jeweils Förderelemente (14, 16) auf. Die Förderelemente (14, 16) bilden Förderflächen (18, 22) aus. Je nach Stellung der Förderelemente zueinander sind unterschiedliche Förderflächen (18, 22) aktiv, so dass die Strömungsrichtung des geförderten Mediums bei gleichbleibender Drehrichtung der Rotorelemente verändert werden kann, indem die Stellung der Förderelemente (14, 16) zueinander verändert wird.A pump device has two separately drivable rotor elements (10, 12). These each have conveying elements (14, 16). The conveyor elements (14, 16) form conveyor surfaces (18, 22). Depending on the position of the conveying elements relative to one another, different conveying surfaces (18, 22) are active, so that the direction of flow of the conveyed medium can be changed while the direction of rotation of the rotor elements remains the same by changing the position of the conveying elements (14, 16) relative to one another.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere elektrofluidische Pumpvorrichtung.The invention relates to a particular electro-fluid pumping device.

Derartige Pumpvorrichtungen weisen zum Fördern von Fluiden, d. h. Flüssigkeiten und/oder Gasen Rotorelemente auf.Such pumping devices have to convey fluids, d. H. Liquids and / or gases rotor elements on.

Hydraulische Antriebssysteme für einen reversierenden Pumpbetrieb weisen vorwiegend Anordnungen auf, welche mit konstanter Drehrichtung arbeiten und die Förderrichtung des Pumpmediums über Stellventile einstellen. Je nach Druckumgebung sind die Ventilanlagen mehr oder weniger aufwendig und schwerfällig aufgebaut. Die Ventiltechnik in Industrieanlagen benötigt dabei aufgrund von Sicherheitsanforderungen auch dann Strom, wenn sie sich nicht bewegen. Ein hoher Energieaufwand der Gesamteinrichtung ist die Folge. Diese Methode hat weiterhin den Nachteil, dass enorme Druckstöße durch das Öffnen und Schließen der Ventile entstehen können, welche die Lebensdauer aller im hydraulischen Kreis vorhandenen Teile stark reduziert. Insbesondere betrifft dies die Ventil- und Leitungstechnik sowie die Pumpe selbst. Alle beteiligten Komponenten müssen robuster und damit größer und schwerer ausgelegt sein. Ferner steigt auch die Anzahl der verbauten Teile.Hydraulic drive systems for a reversing pumping operation have predominantly arrangements which operate with a constant direction of rotation and set the conveying direction of the pumping medium via control valves. Depending on the pressure environment, the valve systems are more or less complex and cumbersome. Due to safety requirements, valve technology in industrial plants requires power even when they are not moving. A high energy consumption of the entire facility is the result. This method also has the disadvantage that enormous pressure surges can arise through the opening and closing of the valves, which greatly reduces the life of all parts present in the hydraulic circuit. In particular, this relates to the valve and line technology as well as the pump itself. All components involved must be more robust and thus designed to be larger and heavier. Furthermore, the number of installed parts also increases.

JP63-192995 offenbart beispielsweise eine Flügelpumpe, wobei die Förderrichtung durch Änderung der Drehrichtung des Rotors und zusätzlich eine Ventiltechnik erfolgt. Dies führt zu einem schlechten Wirkungsgrad und hohem mechanischen Verschleiß der Teile. JP63-192995 discloses, for example, a vane pump, wherein the conveying direction is effected by changing the direction of rotation of the rotor and additionally a valve technology. This leads to poor efficiency and high mechanical wear of the parts.

Ferner sind Pumpen bekannt, die die Drehrichtung wechseln um eine Änderung der Förderrichtung zu realisieren. Hier sind zum Beispiel Antriebssysteme für submarine oder aeronautische Anwendungen, also U-Boote oder Zeppeline zu nennen, welche Turbinen oder Propeller zur Fortbewegung oder zum Manövrieren benötigen. Submarine Anwendungen stützen sich dabei oft auf Impelleranwendungen, welche in ihrem Aufbau und in ihrer Funktionsweise einer reversierend arbeitenden Axialpumpe gleichen.Furthermore, pumps are known which change the direction of rotation to realize a change in the conveying direction. For example, propulsion systems for submarine or aeronautical applications, ie submarines or zeppelins, which require turbines or propellers for locomotion or maneuvering are to be mentioned here. Submarine applications are often based on impeller applications, which are similar in design and function to a reversing axial flow pump.

Reversierend arbeitende Pumpensysteme haben den großen Nachteil, dass sie die Drehrichtung wechseln müssen, um die Umkehrung der Förderrichtung zu erzielen. Gerade bei Systemen, welche zum Manövrieren von nautischen Fahrzeugen oder beispielsweise in der Medizintechnik zur Erzeugung eines pulsatilen Volumenstromes verwendet werden, schränkt ein reversierender Betrieb die Lebensdauer erheblich ein, da die Lagerung wesentlich stärker belastet wird, als bei einem Antrieb mit konstanter Drehrichtung. Bei marinen oder submarinen Anwendungen weicht man daher oft auf einen schwenkbaren Antrieb aus, welcher allerdings wiederum einen erheblichen, mechanischen Mehraufwand und damit ein höheres Ausfallsrisiko mit sich bringt.Reversing pump systems have the major disadvantage that they have to change the direction of rotation in order to achieve the reversal of the conveying direction. Especially in systems which are used for maneuvering nautical vehicles or, for example, in medical technology for generating a pulsatile volume flow, a reversing operation considerably limits the service life, since the bearing is loaded much more heavily than in a drive with a constant direction of rotation. In marine or submarine applications, therefore, one often deviates from a swiveling drive, which, however, in turn entails considerable additional mechanical effort and thus a higher risk of failure.

Ein weiterer großer Nachteil der Drehrichtungsumkehr bei Verdränger- oder Strömungspumpen sind enorme Verschleißerscheinungen an allen mechanisch beweglichen Teilen, insbesondere an Teilen, welche mit dem Fördermedium in Kontakt stehen. Dieser Sachverhalt trägt weiter zur Verringerung der Lebensdauer bei.Another major disadvantage of reversing the direction of rotation in displacement or flow pumps are enormous signs of wear on all mechanically moving parts, in particular on parts which are in contact with the fluid. This situation further contributes to the reduction of the service life.

Im Stand der Technik kann ferner Redundanz nur durch den parallelen Aufbau mehrere Anordnungen erzeugt werden, dies bedeutet, dass die Gesamtanlagen groß dimensioniert sein müssen, um das Risiko eines Ausfalls zu minimieren.Furthermore, in the prior art, redundancy can only be created by the parallel construction of multiple arrays, which means that the overall systems must be large in size to minimize the risk of failure.

Des Weiteren sind Anordnungen bekannt, die die Förderrichtung des Arbeitsmediums über verstellbare Schaufeln einstellen. Ein bekanntes Beispiel hierfür ist der sogenannte Schottel-Schiffspropeller. Diese Art von Pumpen besitzt dann nur einen Rotor, dessen Drehrichtung konstant beibehalten wird. Die mechanische Verstellung der Anstellwinkel der Rotorschaufeln hat eine Umkehrung der Förderrichtung zur Folge. Ähnlich wie bei der Ventiltechnik ist dieses Vorgehen nur bei räumlich ausgedehnteren Systemen möglich, da die Blattverstellung robust ausgelegt werden muss und hierfür eine Mechanik erforderlich ist. Ebenso lässt sich dieses System daher schlecht miniaturisieren. Die verwendete Mechanik ist je nach Anzahl der erforderlichen Wechselzyklen erhöhtem Verschleiß unterworfen. Die in CN 2 688 942 Y beschriebene Anordnung weist verstellbare Leitschaufeln mit aufwendig gestalteter Mechanik auf.Furthermore, arrangements are known which set the conveying direction of the working medium via adjustable blades. A well-known example of this is the so-called Schottel ship propeller. This type of pump then has only one rotor whose direction of rotation is maintained constant. The mechanical adjustment of the angle of attack of the rotor blades results in a reversal of the conveying direction. Similar to the valve technology, this procedure is only possible with spatially extended systems, as the blade adjustment must be designed robust and this requires a mechanism is required. Likewise, this system is therefore difficult to miniaturize. The mechanics used is subject to increased wear depending on the number of cycles required. In the CN 2 688 942 Y described arrangement has adjustable vanes with elaborately designed mechanism.

Aus DE 10 28 948 B ist ferner eine Axialpumpe mit zwei Propellern bekannt, die verstellbare Schaufeln aufweisen, um entgegengesetzte Strömungsrichtungen zu realisieren.Out DE 10 28 948 B Furthermore, an axial pump with two propellers is known, which have adjustable blades to realize opposite directions of flow.

Das Vorsehen verstellbarer Schaufeln ist ferner aus DE 20 15 112 C2 bekannt.The provision of adjustable blades is also out DE 20 15 112 C2 known.

Aus DE 11 2011 100 345 T5 ist ein Fördermechanismus bekannt, der anstelle rotierender Förderelemente, wie sie beispielsweise aus Kreiselpumpen bekannt sind, einen quer zur Förderrichtung oszillierend angetriebenen Förderkörper aufweist.Out DE 11 2011 100 345 T5 a conveying mechanism is known, which instead of rotating conveying elements, as they are known for example from centrifugal pumps, has a transversely driven to the conveying direction conveyor body.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine fluidische Pumpvorrichtung zu schaffen, die eine hohe Lebensdauer aufweist.The object of the invention is to provide a fluidic pump device which has a long service life.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine Pumpvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 7.The object is achieved by a pumping device according to claim 1 or 7.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der Pumpvorrichtung weist zwei gesondert angetriebene Rotorelemente auf. Besonders bevorzugt ist es, zwei gesonderte Antriebe vorzusehen, so dass insbesondere die Drehzahl der beiden Rotorelemente auf einfache Weise unabhängig voneinander gesteuert werden kann. Durch das Vorsehen zweier, insbesondere leistungsfähiger Elektromotoren kann der Aufbau einer derartigen Pumpvorrichtung deutlich vereinfacht werden. Moderne Elektromotoren weisen neben einer hohen Leistungsdichte einen hohen Wirkungsgrad und eine lange Lebensdauer auf. A first preferred embodiment of the pumping device has two separately driven rotor elements. It is particularly preferred to provide two separate drives, so that in particular the speed of the two rotor elements can be controlled independently of each other in a simple manner. By providing two, in particular powerful electric motors, the structure of such a pump device can be significantly simplified. Modern electric motors have, in addition to a high power density, high efficiency and a long service life.

Jedes der beiden erfindungsgemäß vorgesehen Rotorelemente weist mehrere Förderelemente wie Rotorschaufeln auf. Durch die Förderelemente sind Förderflächen ausgebildet, die auf das zu fördernde Medium aufgrund der Drehung der Rotorelemente eine Kraft ausüben und ein Fördern des Mediums bewirken. Erfindungsgemäß ist es möglich, die Stellung der Förderelemente des ersten Rotorelements relativ zu den Förderelementen des zweiten Rotorelements zu verändern. Je nach Stellung der Förderelemente zueinander sind unterschiedliche Förderflächen aktiv. Dies hat zur Folge, dass wenn beispielsweise die Förderflächen der Förderelemente des ersten Rotorelements aktiv sind, Fluid in eine Förderrichtung strömt und wenn die Förderflächen der Förderelemente des anderen Rotorelements aktiv sind, das Fluid in die entgegengesetzte Richtung strömt. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass beispielsweise bei gleicher Drehrichtung der beiden Rotorelemente je nach Strömungsrichtung das erste Rotorelement dem zweiten Rotorelement nacheilt oder umgekehrt.Each of the two rotor elements provided according to the invention has a plurality of conveying elements such as rotor blades. By the conveying elements conveying surfaces are formed, which exert a force on the medium to be conveyed due to the rotation of the rotor elements and cause a conveying of the medium. According to the invention, it is possible to change the position of the conveying elements of the first rotor element relative to the conveying elements of the second rotor element. Depending on the position of the conveyor elements to each other different conveyor surfaces are active. As a result, when, for example, the conveying surfaces of the conveying elements of the first rotor element are active, fluid flows in a conveying direction, and when the conveying surfaces of the conveying elements of the other rotor element are active, the fluid flows in the opposite direction. This can be achieved in particular by the fact that, for example, with the same direction of rotation of the two rotor elements, depending on the flow direction, the first rotor element lags the second rotor element or vice versa.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, die Strömungsrichtung des durch die Pumpvorrichtung gepumpten Fluids zu verändern, ohne die Rotationsrichtung der Rotorelemente zu verändern. Lediglich der Versatz der beiden Rotorelemente zueinander muss verändert werden. Dies kann auf einfache Weise dadurch erzielt werden, dass eines der Rotorelemente kurzfristig schneller oder langsamer als das andere Rotorelement gedreht wird und anschließend sich die beiden Rotorelemente wieder mit gleicher Drehgeschwindigkeit drehen. Hierdurch wird eine Veränderung des Versatzes und somit ein Verändern der Strömungsrichtung dadurch realisiert, dass andere Förderflächen der Förderelemente zumindest hauptsächlich aktiv sind. Auch können die Förderflächen der unterschiedlichen Förderelemente je nach Stellung zueinander gemeinsam jeweils eine Förderfläche mit unterschiedlicher Kontur ausbilden, so dass hierdurch die Strömungsrichtung verändert werden kann. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Pumpvorrichtung handelt es sich somit insbesondere um eine Axialpumpe, wobei ein Variieren der Förderrichtung durch eine Phasendifferenz bzw. ein Ändern des Versatzes zwischen den Förderflächen realisiert wird.According to the invention, it is thus possible to change the flow direction of the fluid pumped by the pump device without changing the direction of rotation of the rotor elements. Only the offset of the two rotor elements to each other must be changed. This can be achieved in a simple manner in that one of the rotor elements is rotated faster or slower than the other rotor element in the short term, and then the two rotor elements rotate again at the same rotational speed. As a result, a change in the offset and thus a change in the flow direction is realized in that other conveying surfaces of the conveying elements are at least mainly active. Also, the conveying surfaces of the different conveying elements together depending on the position together each form a conveying surface with a different contour, so that in this way the flow direction can be changed. In this preferred embodiment of the pumping device is thus in particular an axial pump, wherein a varying of the conveying direction is realized by a phase difference or changing the offset between the conveying surfaces.

Insbesondere ist es möglich, eine derartige Pumpe auch als Sperrventil zu verwenden. Dies erfolgt dadurch, dass ein periodisches Ändern des Versatzes zwischen den beiden Rotorelementen erfolgt. Dies bewirkt ein periodisches Ändern der Strömungsrichtung. Bei einer relativ hohen Änderungsfrequenz wirkt die Pumpe somit als Sperrventil. Die Sperrwirkung kann auch erzielt werden, wenn die Förderflächen der Rotorelemente in die äußerste Kontraposition gebracht werden, also den größten Abstand zueinander haben. In diesem Fall genügt es, mit einer höheren Drehzahl zu drehen, somit wird der Flusswiderstand durch die Pumpe erhöht und eine Sperrwirkung erreicht. Hierbei sind die beiden aktiven Flächen der Förderelemente in einer Stellung angeordnet, in der keine der beiden aktiven Flächen eine bevorzugte Förderrichtung aufweist.In particular, it is possible to use such a pump as a check valve. This is done by periodically changing the offset between the two rotor elements. This causes a periodic change of the flow direction. At a relatively high frequency of change, the pump thus acts as a check valve. The blocking effect can also be achieved if the conveying surfaces of the rotor elements are brought into the outermost Kontraposition, so have the greatest distance from each other. In this case, it is sufficient to turn at a higher speed, thus increasing the flow resistance through the pump and achieving a blocking effect. Here, the two active surfaces of the conveying elements are arranged in a position in which neither of the two active surfaces has a preferred conveying direction.

In besonders bevorzugter Ausführungsform überdecken sich die Förderelemente der beiden Rotorelemente in axialer Richtung zumindest teilweise. Zur Ausbildung einer gegebenenfalls gemeinsamen Förderfläche ist es bevorzugt, dass die Förderelemente aneinander anliegen und insofern eine Kontaktfläche zwischen den beiden Förderelementen besteht. Hierbei ist es möglich, dass beispielsweise die Förderelemente eines ersten der beiden Rotorelemente bezogen auf die Drehrichtung der beiden Rotorelemente an eine der Drehrichtung abgewandten oder der Drehrichtung zugewandten Seite der Förderelemente des anderen bzw. zweiten Rotorelements anliegen. Die Förderelemente des ersten Rotorelements eilen somit den Förderelementen des zweiten Rotorelements nach oder voraus. Die Kontaktflächen, an denen die Förderelemente aneinander anliegen, sind vorzugsweise kongruent zueinander ausgebildet, so dass ein flächiges abdichtendes Anliegen der beiden Förderelemente gewährleistet ist.In a particularly preferred embodiment, the conveying elements of the two rotor elements overlap in the axial direction at least partially. In order to form an optionally common conveying surface, it is preferable for the conveying elements to abut one another and, to that extent, for there to be a contact surface between the two conveying elements. In this case, it is possible that, for example, the conveying elements of a first of the two rotor elements bear against the direction of rotation of the two rotor elements in a side facing away from the direction of rotation or facing the direction of rotation of the conveying elements of the other or second rotor element. The conveying elements of the first rotor element thus rush to or ahead of the conveying elements of the second rotor element. The contact surfaces on which abut the conveying elements against each other are preferably formed congruent to each other, so that a flat sealing abutment of the two conveying elements is ensured.

Besonders bevorzugt ist es, dass insbesondere zwei Antriebsmotoren, die jeweils mit einem der beiden Rotorelemente verbunden sind, in einem entsprechend hydro- bzw. aerodynamisch ausgebildeten Gehäuse angeordnet sind, so dass dieses unmittelbar in den Fluidstrom integriert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass die Antriebswelle der Motoren unmittelbar mit den Rotorelementen verbunden werden kann.It is particularly preferred that in particular two drive motors, which are each connected to one of the two rotor elements, are arranged in a correspondingly hydro- or aerodynamically designed housing, so that it can be integrated directly into the fluid flow. This has the advantage that the drive shaft of the motors can be connected directly to the rotor elements.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Pumpvorrichtung weist ebenfalls zwei gesondert antreibbare Rotorelemente auf, die in bevorzugter Ausführungsform wiederum über zwei gesonderte Antriebsmotoren, insbesondere Elektromotoren angetrieben sind. Bei dieser Pumpvorrichtung, bei der es sich um eine alternative Struktur der Axialpumpe handelt, wird das Verändern der Förderrichtung, d. h. das Verändern der Strömungsrichtung des Fluids dadurch realisiert, dass die relative Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente zueinander verändert wird. Erfindungsgemäß erfolgt hierbei kein Umkehren der Drehrichtung eines oder gar beider Rotorelemente, sondern lediglich ein Verändern der Relativgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente zueinander. Beispielsweise wird ein erstes Rotorelemente schneller gedreht als das zweite Rotorelement, wodurch ein Fördern in eine Richtung, beispielsweise axial von links nach rechts erfolgt. Durch Verändern der Relativgeschwindigkeit, indem das zweite Rotorelement schneller als das erste Rotorelement gedreht wird, erfolgt eine Umkehr der Förderrichtung, beispielsweise einem Fördern des Fluids axial von rechts nach links. Die Förderflächen der Förderelemente sind hierbei derart ausgestaltet, dass in Abhängigkeit der relativen Drehgeschwindigkeit unterschiedliche Förderflächen aktiv sind und somit insbesondere ein Fördern des Fluids axial nach rechts oder links bewirken.A second preferred embodiment of the pumping device also has two separately drivable rotor elements, which are in turn driven in a preferred embodiment, two separate drive motors, in particular electric motors. In this pumping device, which is an alternative structure of the axial pump, the changing of the conveying direction, ie the changing of the flow direction of the fluid realized by the fact that the relative rotational speed of the two rotor elements is changed to each other. According to the invention, there is no reversal of the direction of rotation of one or even both rotor elements, but only a change in the relative speed of the two rotor elements relative to one another. For example, a first rotor elements is rotated faster than the second rotor element, whereby a conveying in one direction, for example, takes place axially from left to right. By changing the relative speed by the second rotor element is rotated faster than the first rotor element, there is a reversal of the conveying direction, for example, a conveying of the fluid axially from right to left. The conveying surfaces of the conveying elements are in this case designed such that depending on the relative rotational speed different conveying surfaces are active and thus in particular cause a conveying of the fluid axially to the right or left.

Besonders bevorzugt ist es, dass eines der beiden Rotorelemente das andere Rotorelement zumindest teilweise umgibt. Insbesondere sind die beiden Rotorelemente koaxial zueinander angeordnet. Bei bevorzugt im Wesentlichen zylindrisch ausgestalteten Rotorelementen kann ein Rotorelement das andere vollständig umgeben. Je nach Förderrichtung dreht sich somit das innere Rotorelement schneller oder langsamer als das äußere Rotorelement. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es bevorzugt, dass das äußere Rotorelement an seiner Innenseite erste aktive Flächen, insbesondere Kavitäten aufweist, die mit an der Außenseite des inneren Rotorelements vorgesehenen zweiten aktiven Flächen, insbesondere Kavitäten zusammenwirken. Diese Kavitäten bilden die Förderflächen aus, so dass je nach relativer Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente zueinander unterschiedliche Förderflächen wirksam bzw. aktiv sind. Insbesondere erfolgt je nach Förderrichtung ein Fördern des Fluids von den ersten in die zweiten Kavitäten oder von den zweiten in die ersten Kavitäten. Z. B. wird das Fluid von den ersten Kavitäten angesaugt und in die zweiten Kavitäten gefördert. Die zweiten Kavitäten stoßen das Fluid sodann aus. Bei entsprechender Änderung der Relativdrehgeschwindigkeit erfolgt ein umgekehrtes Fördern des Fluids.It is particularly preferred that one of the two rotor elements at least partially surrounds the other rotor element. In particular, the two rotor elements are arranged coaxially with each other. In preferably substantially cylindrically configured rotor elements, one rotor element can completely surround the other. Depending on the direction of conveyance, the inner rotor element therefore rotates faster or slower than the outer rotor element. In this preferred embodiment, it is preferred that the outer rotor element has on its inner side first active surfaces, in particular cavities, which cooperate with second active surfaces, in particular cavities, provided on the outer side of the inner rotor element. These cavities form the conveying surfaces, so that, depending on the relative rotational speed of the two rotor elements, mutually different conveying surfaces are active or active. In particular, depending on the conveying direction, the fluid is conveyed from the first into the second cavities or from the second into the first cavities. For example, the fluid is sucked in by the first cavities and conveyed into the second cavities. The second cavities then eject the fluid. With a corresponding change in the relative rotational speed, a reverse conveying of the fluid takes place.

Bei einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform sind sowohl die ersten als auch die zweiten Kavitäten derart ausgebildet, dass diese sich in axialer Richtung der Rotorelemente nur über einen Teil der axialen Breite der Rotorelemente erstrecken. Keine der Kavitäten ist somit in axialer Richtung durchgängig. Dies hat zunächst den Vorteil, dass ein definiertes Fördern von den ersten Kavitäten in die zweiten Kavitäten oder umgekehrt erfolgt.In a further particularly preferred embodiment, both the first and the second cavities are formed such that they extend in the axial direction of the rotor elements only over part of the axial width of the rotor elements. None of the cavities is thus continuous in the axial direction. This initially has the advantage that a defined conveying takes place from the first cavities into the second cavities or vice versa.

Bei axial nicht durchgängigen Kavitäten, die vorzugsweise auch in Umfangsrichtung einen gewissen Abstand zueinander aufweisen, besteht ferner die Möglichkeit, die ersten und zweiten Kavitäten derart anzuordnen, dass keine Verbindung zwischen den Kavitäten besteht. Bei einem derartigen Anordnen der ersten Kavitäten auf Lücke zu den zweiten Kavitäten, bilden die beiden Rotorelemente ein Sperrventil.In the case of axially non-continuous cavities, which preferably also have a certain distance from one another in the circumferential direction, it is also possible to arrange the first and second cavities in such a way that there is no connection between the cavities. In such an arrangement of the first cavities on the gap to the second cavities, the two rotor elements form a check valve.

Auch bei dieser bevorzugten Ausführungsform der Pumpvorrichtung, bei der es sich insbesondere um eine alternative Form einer Axialpumpe handelt, sind die insbesondere zwei Antriebsmotoren wiederum innerhalb des Fluidstroms angeordnet, so dass eine kompakte Bauweise realisiert ist.Also in this preferred embodiment of the pumping device, which is in particular an alternative form of an axial pump, in particular the two drive motors are in turn arranged within the fluid flow, so that a compact construction is realized.

Bei beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist es bevorzugt, eine hoch dynamische Regelung vorzusehen. Dies ist durch Anordnen von insbesondere zwei Fluss- oder Drucksensoren im Fluidstrom möglich. Diese sind vorzugsweise in die Antriebseinheiten auf den Rotor abgewandten Seiten integriert. Bei der Verwendung von Drucksensoren kann etwa über die Druckdifferenz und Drehzahldifferenz auf den aktuellen Volumenstrom geschlossen werden. Durch eine derartig zentrale Anordnung der Sensoren wird die Latenzzeit für eine Regelung erheblich verringert und somit auch die Genauigkeit erhöht.In both embodiments described above, it is preferable to provide a highly dynamic control. This is possible by arranging in particular two flow or pressure sensors in the fluid flow. These are preferably integrated in the drive units facing away from the rotor sides. When using pressure sensors, it is possible, for example, to deduce the current volume flow via the pressure difference and speed difference. Such a central arrangement of the sensors considerably reduces the latency for a control and thus also increases the accuracy.

Ein wesentlicher Vorteil der beiden erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Pumpvorrichtung besteht darin, dass zum Ändern der Förderrichtung des Fluids keine Veränderung der Drehrichtung der Rotorelemente erfolgen muss. Vorzugsweise bewegen sich, unabhängig von der Änderung der Richtung des Volumenstromes, nur die beiden Rotorelemente. Dies hat zur Folge, dass die Lebensdauer der Lagerungen erheblich vergrößert wird. Des Weiteren ist es möglich, dass beide Rotorelemente nach dem Anlaufen auf eine ausreichend hohe Drehzahl beschleunigt werden, so dass beispielsweise bei als Gleitlager ausgebildeten Lagern eine hydrodynamische Schmierung erfolgt. Hierdurch kann der Verschleiß minimiert werden. Für Anwendungen mit hohen Sicherheitsanforderungen bzw. hoher Ausfallsicherheit kann die Pumpenvorrichtung bei Ausfall eines der beiden Rotorelemente weiterhin in beide Richtungen das Medium fördern. Dies kann dadurch erfolgen, dass das verbleibende Rotorelement bei einer Änderung der Förderrichtung seine Drehrichtung ändert und somit dieselben Pumpmechanismen, wie bei der vorher beschriebenen Drehzahldifferenz hervorrufen kann.An essential advantage of the two embodiments of the pump device according to the invention is that no change in the direction of rotation of the rotor elements must be made to change the conveying direction of the fluid. Preferably, regardless of the change in the direction of the volume flow, only the two rotor elements move. This has the consequence that the life of the bearings is significantly increased. Furthermore, it is possible that both rotor elements are accelerated after starting to a sufficiently high speed, so that for example in bearings designed as a sliding bearing, a hydrodynamic lubrication takes place. As a result, the wear can be minimized. For applications with high safety requirements or high reliability, the pump device can continue to promote the medium in both directions if one of the two rotor elements fails. This can be done by the fact that the remaining rotor element changes its direction of rotation with a change of the conveying direction and thus can cause the same pumping mechanisms as in the previously described speed difference.

Da bei den erfindungsgemäßen Pumpvorrichtungen ein Verändern der Strömungsrichtung entweder durch Verändern der Phasenlage der Rotorelemente zueinander oder durch Verändern der relativen Drehgeschwindigkeit der Rotorelemente zueinander erfolgt, ist des Weiteren auch das Vorsehen von Ventilen und aufwendigen mechanischen Einrichtungen zur Veränderung der Förderrichtung nicht erforderlich. Insbesondere ist durch die erfindungsgemäßen Pumpvorrichtungen eine kontinuierliche Änderung der Strömungsrichtung möglich. Bei bekannten mechanischen Einrichtungen erfolgt häufig ein diskretes Stellen der Ventile. Dies hat hohe Druckstöße im Fluidkreislauf zur Folge, die die Pumpeinrichtung, insbesondere die Lager belasten. Durch ein kontinuierliches Verändern der Förderrichtung erfolgt eine gezielte Dämpfung derartiger Druckstöße. Der Umschaltvorgang kann bei den erfindungsgemäßen Pumpen dynamisch erfolgen. Insofern ist ein Anpassen des Umschaltvorgangs an die vorherrschende Druck- bzw. Flussumgebung möglich. Dies ist bei diskreten Ventilen oder verstellbaren Schaufelwinkeln nicht möglich.Since in the pumping devices according to the invention a change in the flow direction either by changing the phase angle of the rotor elements to each other or by changing the Furthermore, the provision of valves and complex mechanical means for changing the conveying direction is not required. In particular, a continuous change of the flow direction is possible by the pump devices according to the invention. In known mechanical devices is often a discrete setting of the valves. This has high pressure surges in the fluid circuit result, which burden the pumping device, in particular the bearings. By a continuous change of the conveying direction is a targeted damping of such pressure surges. The switching process can take place dynamically in the pumps according to the invention. In this respect, it is possible to adapt the switching process to the prevailing pressure or flow environment. This is not possible with discrete valves or adjustable blade angles.

Gegebenenfalls kann bei den erfindungsgemäßen Pumpvorrichtungen, insbesondere bei der Radialpumpe der Effekt auftreten, dass der sich mit einer niedrigeren Drehzahl drehende Rotor von dem sich mit einer schnelleren Drehzahl drehenden Rotor beschleunigt wird. Insofern muss ein Abbremsen des langsameren Rotors erfolgen. Dies kann auf einfache Weise durch den mit diesem Rotorelement verbundenen Elektromotor erfolgen. Der Elektromotor kann hierbei als Generator betrieben werden, so dass eine Energierückspeisung möglich ist. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Pumpe weiter verbessert werden.Optionally, in the pump devices according to the invention, in particular in the case of the radial pump, the effect may occur that the rotor rotating at a lower rotational speed is accelerated by the rotor rotating at a faster rotational speed. In this respect, a deceleration of the slower rotor must be done. This can be done in a simple manner by the electric motor connected to this rotor element. The electric motor can be operated here as a generator, so that an energy recovery is possible. As a result, the efficiency of the pump can be further improved.

Da in bevorzugter Ausführungsform zwei Antriebsmotoren eingesetzt werden, kann die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung auch bei Hochsicherheitsanwendungen eingesetzt werden, da das Ausfallrisiko der gesamten Pumpvorrichtung aufgrund dieser Redundanz vermieden ist. Die Pumpvorrichtung kann auch mit einem Motor, zumindest in einem Art Notbetrieb betrieben werden. Wenn ein Motor ausfällt, kann die Strömungsrichtung immer noch durch Umkehr der Drehrichtung des Rotors verändert werden. Insbesondere aufgrund der hohen Zuverlässigkeit und der Redundanz der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung können diese auch in der Medizintechnik eingesetzt werden. Beispielsweise sind die erfindungsgemäßen Pumpvorrichtungen für hochintegrierte hydraulische Antriebe, wie beispielsweise in künstlichen Arm-, Hand- oder Beinprothesen einsetzbar.Since two drive motors are used in a preferred embodiment, the pump device according to the invention can also be used in high-security applications, since the risk of failure of the entire pump device is avoided due to this redundancy. The pumping device can also be operated with a motor, at least in a kind of emergency operation. If an engine fails, the flow direction can still be changed by reversing the direction of rotation of the rotor. In particular, due to the high reliability and the redundancy of the pump device according to the invention, these can also be used in medical technology. For example, the pumping devices according to the invention for highly integrated hydraulic drives, such as in artificial arm, hand or leg prostheses can be used.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to a preferred embodiment with reference to the accompanying drawings.

Es zeigen:Show it:

1 bis 3 Prinzipskizzen einer Axialpumpe in unterschiedlichen Förderzuständen, 1 to 3 Schematic diagrams of an axial pump in different pumping conditions,

4 eine schematische perspektivische Ansicht der beiden Rotorelemente einer weiteren Axial-Pumpvorrichtung in demontiertem Zustand, 4 a schematic perspective view of the two rotor elements of another axial pumping device in disassembled state,

5 eine schematische perspektivische Ansicht der beiden Rotorelemente einer weiteren Axial-Pumpvorrichtung in montiertem Zustand, und 5 a schematic perspective view of the two rotor elements of another axial pumping device in the assembled state, and

6 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausschnitts einer Kavität eines inneren Rotorelements, der in den 4 und 5 dargestellten Pumpvorrichtung. 6 a schematic perspective view of a section of a cavity of an inner rotor element, in the 4 and 5 illustrated pumping device.

Bei einer ersten Ausführungsform (1 bis 3), bei der es sich um eine schematische Darstellung einer Pumpvorrichtung zum axialen Pumpen von Fluid handelt, sind zwei Rotorelemente 10, 12 vorgesehen. Die Rotorelemente weisen jeweils als Schaufeln ausgebildete im Wesentlichen axial verlaufende Förderelemente 14, 16 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel überlappen sich die Förderelemente in axialer Richtung vollständig. Insofern sind je nach Stellung der Förderelemente zueinander unterschiedliche Förderflächen aktiv. In 1 werden beide Rotorelemente 10, 12 mit der gleichen Drehgeschwindigkeit entgegen des Uhrzeigersinns gedreht. Die Hauptfläche, durch die ein Fördern des Fluids erfolgt, ist somit jeweils die Förderfläche 18 der Förderelemente 14. Hierdurch erfolgt im dargestellten Ausführungsbeispiel, wie durch die Pfeile 20 dargestellt, ein Fördern des Fluids in der unteren Ansicht der 1 von links nach rechts.In a first embodiment ( 1 to 3 ), which is a schematic representation of a pumping device for pumping fluid axially, are two rotor elements 10 . 12 intended. The rotor elements each have substantially axially extending conveying elements designed as blades 14 . 16 on. In the illustrated embodiment, the conveying elements overlap completely in the axial direction. In this respect, depending on the position of the conveying elements to each other different conveying surfaces are active. In 1 Both are rotor elements 10 . 12 turned counterclockwise at the same rotational speed. The main surface, through which a conveying of the fluid takes place, is thus in each case the conveying surface 18 the conveying elements 14 , As a result, in the illustrated embodiment, as by the arrows 20 shown conveying the fluid in the lower view of the 1 left to right.

Um die Förderrichtung zu verändern, wird entweder der Rotor 10 kurzfristig beschleunigt oder der Rotor 12 kurzfristig abgebremst. Hierdurch gelangen die beiden Rotoren 10, 12 über die in 2 dargestellte Zwischenstellung, in die in 3 dargestellte Stellung. Die Drehrichtung der beiden Rotoren entgegen dem Uhrzeigersinn bleibt beibehalten. Die Förderung des Fluids erfolgt nunmehr durch die Förderflächen 22 der Förderelemente 16. Aufgrund der Ausgestaltungen der Förderflächen erfolgt ein Fördern des Fluids in entgegengesetzte Richtung, d. h. in Richtung der Pfeile 24 in der unteren Darstellung der 3, von rechts nach links, wobei keine Änderung der Drehrichtung erfolgt.In order to change the conveying direction, either the rotor 10 accelerated at short notice or the rotor 12 slowed down at short notice. This will get the two rotors 10 . 12 about the in 2 illustrated intermediate position in the in 3 shown position. The direction of rotation of the two rotors counterclockwise remains. The promotion of the fluid now takes place through the conveyor surfaces 22 the conveying elements 16 , Due to the embodiments of the conveying surfaces carried a conveying of the fluid in the opposite direction, ie in the direction of the arrows 24 in the lower illustration of the 3 , from right to left, with no change in the direction of rotation.

Da sich bei der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsform der Pumpvorrichtung die beiden Rotorelemente 10, 12 stets in dieselbe Richtung drehen, ist es auch denkbar, dass nur der jeweils bezogen auf die Drehrichtung nacheilende Rotor angetrieben wird. In der in 1 dargestellten Stellung wäre es somit ausreichend, wenn das Rotorelement 12 angetrieben wird. In der in 3 dargestellten Stellung wäre es ausreichend, wenn das Rotorelement 10 angetrieben wird.As in the in the 1 to 3 illustrated embodiment of the pumping device, the two rotor elements 10 . 12 Always turn in the same direction, it is also conceivable that only the respective lagging in relation to the direction of rotation rotor is driven. In the in 1 Thus, it would be sufficient if the rotor element 12 is driven. In the in 3 illustrated position, it would be sufficient if the rotor element 10 is driven.

Bei der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Pumpvorrichtung (3 bis 5), bei der es sich um eine Radialpumpe handelt, sind ebenfalls zwei Rotorelemente 30, 32 vorgesehen. Bei diesen Rotorelementen handelt es sich um im Wesentlichen zylindrisch aufgebaute Rotorelemente, die koaxial zueinander angeordnet sind. Das innere Rotorelement 30 ist hierbei vorzugsweise von dem äußeren Rotorelement 32 umgeben. Die Förderrichtung dieser Pumpvorrichtung hängt von der relativen Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente 30, 32 zueinander ab, wobei die Drehrichtung stets unverändert bleibt. Bei einer Drehrichtung entgegen den Uhrzeigersinn (5) erfolgt ein Beschleunigen des Fluids durch die Kanten bzw. Bereiche 34 der aktiven Flächen bzw. Kavitäten 36 und ein Umlenken des Fluids durch die Kanten bzw. Bereiche 38. Die Kavitäten des in 5 dargestellten inneren Rotorelements 30 sind hierbei an einer Außenseite 40 des Rotorelements 30 vorgesehen und erstrecken sich nicht über die gesamte axiale Breite des Rotorelements 30. Die Kavitäten 36 sind wie in 5 dargestellt, nach links offen und nach rechts verschlossen.In the second preferred embodiment of the pumping device (FIG. 3 to 5 ), which is a radial pump, are also two rotor elements 30 . 32 intended. These rotor elements are essentially cylindrical rotor elements which are arranged coaxially with one another. The inner rotor element 30 in this case is preferably of the outer rotor element 32 surround. The conveying direction of this pumping device depends on the relative rotational speed of the two rotor elements 30 . 32 from each other, the direction of rotation always remains unchanged. In a counterclockwise direction ( 5 ) accelerates the fluid through the edges or areas 34 the active surfaces or cavities 36 and redirecting the fluid through the edges or regions 38 , The cavities of in 5 illustrated inner rotor element 30 are here on an outside 40 of the rotor element 30 provided and do not extend over the entire axial width of the rotor element 30 , The cavities 36 are like in 5 shown, open to the left and closed to the right.

In dem äußeren Rotorelement 32 sind ebenfalls Kavitäten vorgesehen. Die entsprechenden aktiven Flächen bzw. Kavitäten 42 (3) sind an der Innenseite 44 des zylindrisch ausgebildeten äußeren Rotorelements 32 angeordnet. Die Kavitäten 42 erstrecken sich ebenfalls nicht über die gesamte axiale Breite des Rotorelements 32, sondern sind nur in eine Richtung offen. Insbesondere ist aus den 3 und 4 ersichtlich, dass die Öffnungen der Kavitäten 36, 42 entgegengesetzt gerichtet ist. In Abhängigkeit der relativen Drehgeschwindigkeit der beiden Rotorelemente 30, 32 zueinander erfolgt beispielsweise ein Ansaugen des Fluids von den inneren Kavitäten 36, ein Fördern des Fluids aus den inneren Kavitäten 36 in die äußeren Kavitäten 42 und sodann aus den Öffnungen der äußeren Kavitäten 42 heraus. Bei entsprechender Änderung der relativen Drehgeschwindigkeit zueinander erfolgt ein Fördern des Fluids in umgekehrte Richtung.In the outer rotor element 32 Cavities are also provided. The corresponding active surfaces or cavities 42 ( 3 ) are on the inside 44 the cylindrically shaped outer rotor element 32 arranged. The cavities 42 likewise do not extend over the entire axial width of the rotor element 32 but are only open in one direction. In particular, from the 3 and 4 it can be seen that the openings of the cavities 36 . 42 is directed opposite. Depending on the relative rotational speed of the two rotor elements 30 . 32 to each other, for example, a suction of the fluid from the inner cavities 36 , conveying the fluid from the internal cavities 36 into the outer cavities 42 and then from the openings of the outer cavities 42 out. With a corresponding change in the relative rotational speed to one another, the fluid is conveyed in the opposite direction.

Claims

Pumping device with two separately drivable rotor elements ( 10 . 12 ), which together cause a conveying of the medium by rotation of the rotor elements, wherein each rotor element ( 10 . 12 ) at least one conveying element ( 14 . 16 ), wherein by the conveying elements ( 14 . 16 ) Conveying surfaces ( 18 . 22 ) are formed, which promote the medium in one or the other conveying direction, and wherein a position of the conveying elements ( 14 . 16 ) is variable relative to each other, and depending on the position of the conveying elements ( 14 . 16 ) to each other different conveying surfaces ( 18 . 22 ) are active.

Pumping device according to claim 1, characterized in that depending on the position of the conveying elements ( 14 . 16 ) to each other the conveying direction ( 20 . 24 ), wherein the direction of rotation in particular of both rotor elements ( 14 . 16 ) always remains unchanged.

Pumping device according to claim 1 or 2, characterized in that the conveying elements ( 14 ) of a first of the two rotor elements ( 14 ) in a first conveying direction ( 20 ) on a side remote from the direction of rotation of the conveying elements of the second of the two rotor elements ( 16 ) is present.

Pumping device according to one of claims 1 to 3, characterized in that the conveying elements ( 16 ) of a first of the two rotor elements ( 10 ) in a second conveying direction ( 24 ) on one of the direction of rotation facing side of the conveying elements of the second of the two conveying elements ( 16 ) is present.

Pumping device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the conveying elements ( 14 . 16 ) of the two rotor elements ( 10 . 12 ) at least partially overlap in the axial direction.

Pumping device according to one of claims 1 to 5, characterized in that at short-term changing the position of the conveying elements ( 14 . 16 ) to each other or in an arrangement of the active conveying surfaces at a maximum distance, the pumping device acts as a check valve.

Pumping device with two separately drivable rotor elements ( 30 . 32 ), each rotor element ( 30 . 32 ) several conveying elements ( 36 . 42 ), wherein by the conveying elements ( 36 . 42 ) Conveying surfaces ( 34 . 38 ) are formed and wherein a relative rotational speed of the two rotor elements ( 30 . 32 ) is mutually variable and depending on the relative rotational speed of the two rotor elements ( 30 . 32 ) to each other different conveying surfaces ( 36 . 38 ) are active.

Pumping device according to claim 7, characterized in that in a first conveying direction, a first of the two rotor elements ( 30 ) rotates faster than a second of the two rotor elements ( 32 ) and that in a second conveying direction, the second of the two rotor elements ( 32 ) rotates faster than the first of the two rotor elements ( 30 ).

Pumping device according to claim 7 or 8, characterized in that one of the two rotor elements ( 32 ) the other of the two rotor elements ( 30 ) surrounds.

Pumping device according to claim 9, characterized in that an outer rotor element ( 32 ) on its inside ( 44 ) first active areas ( 42 ) and the inner rotor element ( 30 ) on its outside ( 46 ) second active surfaces ( 36 ) having.

Pumping device according to claim 10, characterized in that depending on the conveying direction fluid from the first active surface ( 42 ) into the second active area ( 36 ) or from the second active area ( 36 ) into the first active area ( 44 ).

Pumping device according to claim 10 or 11, characterized in that the first and second active surfaces ( 36 . 42 ) in the axial direction only over a part of the axial width of the rotor elements ( 30 . 32 ).

Pumping device according to one of claims 7 to 11, characterized in that at a relative rotational speed of zero and with the greatest possible distance of the active surfaces 36 . 42 both rotor elements ( 10 . 12 ; 30 . 32 ) to each other the pumping device acts as a check valve.

Pumping device according to one of claims 1 to 13, characterized in that the rotor elements ( 10 . 12 ; 30 . 32 ) are each connected to a drive motor for separate drive.