DE10135608A1 - Förderpumpe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe, bestehend aus einem Pumpengehäuse mit einem Kanal, in dem mehrere, zwischen der Druckseite und der Saugseite umlaufende Wälzkörper angeordnet sind, wobei der Wälzkörperkanal zumindest einen Einlaß und einen Auslaß für das zu fördernde Medium aufweist und wobei im Wälzkörperkanal in Strömungsrichtung vor dem Einlaß ein Sperrelement angeordnet ist, mit dem der jeweils anliegende Wälzkörper festgehalten werden kann, bevor er nach Freigabe zunächst als Verdrängungskörper zur Förderung des Mediums wirksam wird und im weiteren Bewegungsablauf nach Vorbeigleiten am Auslaß in den, als Rückführ- und Vorratskanal wirksamen Abschnitt des Wälzlagerkanals eintritt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Baugruppe für eine solche Pumpe zu schaffen, mit der die Anzahl der als Förderelement wirksamen Wälzkörper mit lediglich geringem Bauraumbedarf verändert werden kann. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem, als Rückführ- und Vorratskanal (7) wirksamen Abschnitt des Wälzkörperkanals ein Abzweigkanal (16) für Wälzkörper (1a, 1b, 1...) ausgestaltet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Förderpumpe, bestehend aus einem Pumpengehäuse mit einem Kanal, in dem mehrere, zwischen der Druckseite und der Saugseite umlaufende Wälzkörper angeordnet sind, wobei der Wälzkörperkanal zumindest einen Einlaß und einen Auslaß für das zu fördernde Medium aufweist und wobei im Wälzkörperkanal in Strömungsrichtung vor dem Einlaß ein Sperrelement angeordnet ist, mit dem der jeweils anliegende Wälzkörper festgehalten werden kann, bevor er nach Freigabe zunächst als Verdrängerkörper zur Förderung des Mediums wirksam wird und im weiteren Bewegungsablauf nach Vorbeigleiten am Auslaß in den, als Rückführ- und Vorratskanal wirksamen Abschnitt des Wälzkörperkanals eintritt.
• Für verschiedenartige technische Anwendungen werden Vorrichtungen zum Fördern von flüssigen oder gasförmigen Medien benötigt. Hierbei werden überwiegend Pumpen (bei Förderung gasförmiger Medien auch als "Verdichter" bezeichnet) eingesetzt, die nach dem Verdrängerprinzip arbeiten. Die Verdrängerkörper führen oszillierende (z. B. Kolbenpumpe) oder rotierende (z. B. Zahnradpumpe) Bewegungen aus und fördern infolge dieser Bewegung in jeweils periodischer Folge eine abgetrennte Medienmenge. Während die Verdrängerkörper bei zahlreichen Pumpentypen ortsfest im Pumpengehäuse abgestützt sind, wurden bereits verschiedene Konstruktionen vorgeschlagen, bei denen die Verdrängung des Fördermediums durch mit dem Fördermedium strömende Wälzkörper realisiert wird.
• Bei einer solchen Vorrichtung gemäß US-PS 3,496,871 weist ein Abschnitt einer medienführenden Rohrleitung eine Kreiskontur auf. In diesem Abschnitt der Rohrleitung sind an der Außenseite elektrische Spulen und im Innenraum mindestens zwei zylinderförmige Dauermagnete angeordnet. Diese Vorrichtung kann alternativ als Generator oder als Pumpe genutzt werden. Sofern die Rohrleitung beispielsweise von einem gasförmigen Medium (z. B. von den Motorabgasen einer Brennkraftmaschine) durchströmt wird, werden die Dauermagnete in Strömungsrichtung mitgerissen. Folglich wird durch die Bewegung der Dauermagnete entlang der Spulen eine elektrische Spannung induziert und die Vorrichtung als Generator wirksam. Hingegen wird bei einer Nutzung als Pumpe durch Anlegen einer Spannung an den Spulen eine Bewegung der Dauermagnete bewirkt. Aufgrund ihrer geometrischen Form werden die Dauermagnete somit als Verdrängerkörper wirksam und fördern das jeweilige Medium (z. B. Schmieröl) in der Rohrleitung.
• Aus DE 35 02 393 A1 ist es bekannt, für den Kühlmittelumlauf einer Brennkraftmaschine eine Kugelumlaufpumpe zu verwenden. Hierbei ist im Zylinderblock ein Kühlmittelbehälter ausgestaltet, der mehrere Ausgänge bzw. Eingänge für die Kühlmittelkanäle und für deren Rücklaufkanäle aufweist. An der kreisförmigen Innenkontur des Kühlmittelbehälters wird eine Kugel geführt, die über Verbindungselemente vom Kolben angetrieben wird. Durch die Bewegung der Kugel wird das vor ihr befindliche Kühlmittel verdrängt und in die Kühlmittelkanäle gefördert.
• In EP 0 921 314 A1 wird eine Rollenzellenpumpe beschrieben, bei der die Verdrängung des Fördermediums ebenfalls durch mit dem Fördermedium strömende Wälzkörper realisiert wird. Diese Konstruktion weist ein Pumpengehäuse mit einem, in einer Pumpenkammer umlaufenden Pumpenrotor auf. Der scheibenförmige Pumpenrotor ist als Mitnehmerring ausgestaltet und weist mehrere, zu seiner Mantelfläche hin offene Ausnehmungen auf, in denen jeweils ein Wälzkörper geführt wird. Bei umlaufendem Pumpenrotor werden die Wälzkörper durch die auftretende Zentrifugalkraft an die Wand der Pumpenkammer gedrückt. Demzufolge ergeben sich zwischen den benachbarten Wälzkörpern jeweils einzelne Pumpenzellen, in denen sich das zu fördernde Medium befindet.
• Die bisher benannten Fundstellen sind grundsätzlich als Förderpumpe geeignet. Allerdings weisen sie verschiedene Nachteile auf: So wird bei US-PS 3,496,871 ein großer Bauraum für die notwendige Kreiskontur der medienführenden Rohrleitung benötigt. Weiterhin erfordert diese Konstruktion - ebenso wie DE 35 02 393 A1 - die vollständige bauliche Integration der Pumpe in die zugeordneten Baugruppen. Somit ergeben sich einerseits erhebliche Kosten, andererseits sind konstruktive Änderungen nur bei gleichzeitiger Anpassung der zugeordneten Baugruppe möglich. Weiterhin kann bei diesen beiden technischen Lösungen - ebenso wie bei EP 0 921 314 A1 - die Anzahl der verfügbaren Wälzkörper nicht verändert werden. Die realisierbare Fördermenge ist folglich weitgehend festgelegt und kann lediglich durch Veränderung der Antriebsdrehzahl der Pumpe verändert werden.
• Gegenstand von US-PS 4,321,020 ist hingegen eine Förderpumpe, bei der auch die Anzahl der als Förderelement wirksamen Wälzkörper verändert werden kann. Hierbei ist im Pumpengehäuse ein umlaufender Kanal vorgesehen, in dem Wälzkörper aus Metall geführt werden. In diesen Kanal mündet zumindest ein Einlaßkanal, durch den das zu fördernde Medium in die Pumpe eintritt. Vom Einlaßkanal ausgehend ist in Strömungsrichtung mit Abstand ein Auslaßkanal angeordnet, über den das geförderte Medium wieder aus der Pumpe austritt. Zwischen dem Einlaßkanal und dem Auslaßkanal weist der die Wälzkörper aufnehmende Kanal eine Metallwandung auf, während er im weiteren Strömungsverlauf zwischen dem Auslaßkanal und dem Einlaßkanal eine Kunststoffwandung aufweist. Vor dem Einlaßkanal ist ein Sperrelement angeordnet, mit dem der jeweils anliegende Wälzkörper zunächst festgehalten wird. Sobald in einer, zwischen dieser Sperre und dem Einlaßkanal angeordneten elektrischen Spule ein Impuls ausgelöst wird, wird der Wälzkörper durch die nunmehr wirkende Magnetkraft schlagartig aus der Sperre gelöst und durch den aus Metall bestehenden Abschnitt des Kanals bewegt. Durch diese Bewegung wirkt der Wälzkörper als Verdrängerelement und realisiert die Förderung des jeweiligen Mediums. Sobald der Wälzkörper den aus Metall bestehenden Abschnitt des Kanals verläßt, wirkt keine Magnetkraft mehr und der Wälzkörper tritt nunmehr in den als Rückführkanal wirksamen Abschnitt ein. Der wesentliche Vorteil dieser Konstruktion ist, dass der Förderbedarf lediglich durch Veränderung der Anzahl der sich im Abschnitt zwischen Einlaß- und Auslaßkanal befindlichen Wälzkörper angepaßt werden kann. Nachteilig ist allerdings, dass für den Rückführkanal eine große Länge benötigt wird, um genügend Wälzkörper speichern zu können, damit der Förderbedarf über einen großen Parameterbereich bezüglich Menge und Druck verändert werden kann. Somit erfordert die Förderpumpe gemäß US-PS 4,321,020 einen erheblichen Bauraumbedarf, der bei zahlreichen Anwendungen nicht verfügbar ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, für eine Pumpe, bei der die Verdrängung des Fördermediums durch mit dem Fördermedium strömende Wälzkörper erfolgt, eine Baugruppe zu schaffen, mit der die Anzahl der als Förderelement wirksamen Wälzkörper mit lediglich geringem Bauraumbedarf verändert werden kann.
• Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass in dem, als Rückführ- und Vorratskanal wirksamen Abschnitt des Wälzkörperkanals ein Abzweigkanal für Wälzkörper ausgestaltet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben.
• Die erfindungsgemäße Förderpumpe ist als Standardpumpe für flüssige Medien geeignet und kann in einfacher Weise durch Variation der Anzahl der Wälzkörper dem jeweiligen Förderbedarf bezüglich Menge und Druck angepaßt werden. Ein wesentlicher Vorteil ist ferner der geringe Bauraumbedarf, der eine kompakte Bauweise ermöglicht.
• Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben:
• Die vorgeschlagene Förderpumpe besteht aus einem Pumpengehäuse 3 mit einem Kanal, in dem mehrere Wälzkörper (vorzugsweise Kugeln) 1, 1a, 1b, 1. . . zwischen der Druckseite und der Saugseite umlaufen und der nachfolgend als "Wälzkörperkanal" bezeichnet wird. Die Wälzkörper 1, 1a, 1b, 1. . ., die im gezeigten Ausführungsbeispiel entgegen dem Uhrzeigersinn umlaufen, sind - wie bereits oben erwähnt - z. B. als Kugeln ausgestaltet. Hierfür können jedoch ebenso Rollen verwendet werden. Unabhängig von der konkreten geometrischen Ausgestaltung bestehen diese Wälzkörper 1, 1a, 1b, 1. . . aus Metall oder aus Kunststoff. Der Wälzkörperkanal weist zumindest einen Einlaß 5 und einen Auslaß 4 für das zu fördernde Medium auf.
• Der Antrieb der vorzugsweise als Kugeln ausgestalteten Wälzkörper 1 kann verschiedenartig erfolgen. Vorteilhaft erfolgt dieser zwischen dem Einlaß 5 und dem Auslaß 4 mit einem rotierenden Innenring 2, der entweder Bestandteil einer Motorwelle ist oder als eigenständiges Pumpenteil von einer Motorwelle angetrieben wird. Der rotierende Innenring 2 weist zumindest eine umlaufende Rille auf, in der ein Wälzkörper 1 lagerbar ist. Hierbei ist der rotierende Innenring 2 z. B. wie bei einem Rillenkugellager mit einer entsprechenden Laufkontur versehen, die jedoch bis zur Mitte des Wälzkörpers 1 hochgezogen ist, von wo ab der ruhende Gehäuseabschnitt 3 die Kontur des Wälzkörpers 1 außen weiter umfaßt. Zur Sicherung des Reibschlusses zwischen dem Wälzkörper 1 und dessen Laufflächen am Innenring 2 und am Pumpengehäuse 3 ist eine definierte axiale Verspannung zwischen Innenring 2 und Pumpengehäuse 3 durch eine Feder (gegebenenfalls mit hydraulischer Unterstützung) vorgesehen. Der Reibschluß zum Wälzkörper 1 erfolgt dann im wesentlichen jeweils dicht an der radialen Trennung zwischen Innenring 2 und Pumpengehäuse 3. Die jeweilige Halbringkontur von Innenring 2 und Pumpengehäuse 3 kann für ein gutes Abrollverhalten vorteilhafterweise geringfügig abweichend von der idealen Halbkreiskontur ausgeführt sein. Der derart angetriebene Wälzkörper 1 verdrängt durch seinen Umlauf das jeweils vor ihm befindliche Fördermedium durch den Auslaß 4, während über den Einlaß 5 zu förderndes Medium nachströmt.
• Dem rotierenden Innenring 2 ist in seinem Bewegungsabschnitt zwischen dem Auslaß 4 und dem Einlaß 5 (also in dem Abschnitt, in dem er keine Wälzkörper 1 mitführt), ein Sperrelement 6 zugeordnet. Das Sperrelement 6 soll den Rückfluß des Fördermediums von der Druckseite zur Saugseite verhindern und wird zweckmäßig als Gegenkontur zum Innenring 2 ausgestaltet. Dieses Sperrelement 6 ist bei der in der Zeichnung dargestellten Position gegenüber vom Wälzkörper 1 ersichtlich. Zwischen dem rotierenden Innenring 2 und dem Pumpengehäuse 3 können radiale Dichtelemente vorgesehen werden, die in der Zeichnung allerdings nicht näher dargestellt sind.
• Der Wälzkörperkanal ist in dem Abschnitt, in dem er nicht mit dem rotierenden Innenring 2 in Wirkverbindung steht, als Rückführ- und Vorratskanal 7 ausgestaltet. Der Rückführ- und Vorratskanal 7 ermöglicht unter Umgehung des Sperrelementes 6 eine Rückführung des Wälzkörpers 1 zur Saugseite. Dieser Kanal 7 ist komplett mit weiteren Kugeln 1a, 1b und 1. . . gefüllt. Im Kanal 7 ist in Strömungsrichtung vor dem Einlaß 5 ein Sperrelement angeordnet, das z. B. als Sperrkolben 8 ausgestaltet ist. Der Sperrkolben 8 verhindert infolge des am Rückführ- und Vorratskanal 7 anliegenden Druckgefälles einen unkontrollierten Austritt des Wälzkörpers 1a vor den Einlaß 5. Bei Eintritt des mechanisch angetriebenen Wälzkörpers 1 in den Rückführ- und Vorratskanal 7 erfolgt ein Überdrücken des Sperrkolbens 8 gegen seine Vorspannfeder, so dass dann eine mechanische Mitnahme des Wälzkörpers 1a durch den rotierenden Innenring 2 erfolgt und somit eine weitere Förderung des zu fördernden Mediums.
• Zur Sicherstellung des Förderprozesses muß stets mindestens ein Wälzkörper 1 in Antriebsverbindung mit dem Innenring 2 stehen. Sofern die Anzahl der Wälzkörper weiter erhöht wird, was wegen des mit Wälzkörpern 1a, 1b, 1. . . gefüllten Rückführ- und Vorratskanals 7 zu einer Auffüllung von Wälzkörpern 1 im Förderbereich der Pumpe zwischen dem Einlaß 5 und dem Auslaß 4 führt, vermindert sich die Fördermenge der Pumpe, weil weniger Platz für das Fördermedium verfügbar ist. Vielmehr wird jetzt anstelle des Fördermediums mehr (Wälzkörper-)Material gefördert. Durch eine solche mehrstufige Förderung wird jedoch gleichzeitig eine Minimierung der Leckage erzielt, so dass ein höheres Förderdruckniveau erreichbar ist.
• Sofern der Sperrkolben 8, wie in der Zeichnung dargestellt, mit dem Förderdruck beaufschlagt wird, kann er weiterhin bei Erreichen des Sollförderdruckes die Sperrwirkung freigeben. Somit ist es möglich, zur Reduzierung der Fördermenge durch das am Rückführ- und Vorratskanal 7 anliegende Druckgefälle mehr als lediglich einen Wälzkörper 1 mit dem rotierenden Innenring 2 in Antriebsverbindung zu bringen.
• In dem Abschnitt des Wälzkörperkanals, der als Rückführ- und Vorratskanal 7 wirkt, ist ein Abzweigkanal 16 für die Wälzkörper 1a, 1b, 1. . . ausgestaltet. Über diesen Abzweigkanal 16 kann sowohl bei Stillstand als auch bei Betrieb der Pumpe die Anzahl der aktiv umlaufenden Wälzkörper zur Fördermengenveränderung variiert werden. Dem Abzweigkanal 16 ist hierfür auf seiner, dem Rückführ- und Vorratskanal 7 entgegengesetzt angeordneten Seite ein Druckanschluß 18 zugeordnet. Der Druckanschluß 18 wird in Abhängigkeit der jeweiligen Betriebserfordernisse vorzugsweise hydraulisch mit niedrigem oder hohem Druck beaufschlagt.
• Durch die Anordnung vom Einlaß 5 noch im Endbereich des Rückführ- und Vorratskanals 7 wird der einlaufende Wälzkörper 1a noch vor dem mechanischen Kontakt mit dem rotierenden Innenring 2 vom strömenden Fördermedium in die entsprechende Umlaufgeschwindigkeit versetzt, so dass eine lediglich sehr geringe mechanische Belastung zwischen dem Wälzkörper 1a (der im Förderbereich als Wälzkörper 1 bezeichnet wird) und dem rotierenden Innenring 2 bei Antriebsmitnahme auftritt. Nach dem Vorbeigleiten des Wälzkörpers 1 am Auslaß 4 wird der nachfolgende Aufprall des Wälzkörpers 1 auf den bisher letzten Wälzkörper 1. . . im Rückführ- und Vorratskanal 7 hydraulisch abgefangen, indem durch das Abströmen einer Restfördermenge über einen Drosselkanal 14 ein Drosseleffekt hervorgerufen wird.
• Dieser Drosselkanal 14 mündet in eine Drosseleinrichtung 17. Somit wird eine förderdruckvariable Drosseleinrichtung geschaffen, mit welcher der Drosseldruck dahingehend beeinflußt werden kann, dass bei Erreichen des Solldruckes die Wälzkörper 1a, 1b, 1. . . hydraulisch weitergeschoben werden. Dies bewirkt eine Reduzierung der Fördermenge. Für die Funktionsfähigkeit ist es zweckmäßig, dass der Zugang vom Rückführ- und Vorratskanal 7 zum Drosselkanal 14 unmittelbar benachbart zum Auslaß 4 angeordnet ist.
• Die vorgeschlagene Förderpumpe kann unter Nutzung an sich bekannter Elemente weiter ausgestaltet werden. So kann zur Verbesserung der Betriebssicherheit die Verwendung einer Vorförderpumpe 9 sinnvoll sein. Dies ergibt insbesondere Vorteile, wenn die Förderpumpe als Hochdruckpumpe für niederviskose Flüssigkeiten, wie beispielsweise Kraftstoff, eingesetzt wird. Die Rückschlagventile 10 und 11 komplettieren das Fördersystem. Weiterhin kann mit einem Bypasskanal 13, der zwischen Auslaß 4 und Einlaß 5 angeordnet und in dem ein Druckbegrenzungsventil 12 vorgesehen wird, der Förderdruck begrenzt werden. Schließlich ermöglicht ein zusätzliches Bypassventil 15 bereits vor Betriebsaufnahme der Förderpumpe eine Systembefüllung durch die beispielsweise elektrisch angetriebene Vorförderpumpe 9.

Claims (11)

1. Förderpumpe, bestehend aus einem Pumpengehäuse mit einem Kanal, in dem mehrere, zwischen der Druckseite und der Saugseite umlaufende Wälzkörper angeordnet sind, wobei der Wälzkörperkanal zumindest einen Einlaß und einen Auslaß für das zu fördernde Medium aufweist und wobei im Wälzkörperkanal in Strömungsrichtung vor dem Einlaß ein Sperrelement angeordnet ist, mit dem der jeweils anliegende Wälzkörper festgehalten werden kann, bevor er nach Freigabe zunächst als Verdrängerkörper zur Förderung des Mediums wirksam wird und im weiteren Bewegungsablauf nach Vorbeigleiten am Auslaß in den, als Rückführ- und Vorratskanal wirksamen Abschnitt des Wälzkörperkanals eintritt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem, als Rückführ- und Vorratskanal (7) wirksamen Abschnitt des Wälzkörperkanals ein Abzweigkanal (16) für Wälzkörper (1a, 1b, 1. . .) ausgestaltet ist.

2. Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abzweigkanal (16) auf seiner, dem Rückführ- und Vorratskanal (7) entgegengesetzt angeordneten Seite ein Druckanschluß (18) zugeordnet ist.

3. Förderpumpe nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckanschluß (18) hydraulisch beaufschlagbar ist.

4. Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem, als Rückführ- und Vorratskanal (7) wirksamen Abschnitt des Wälzkörperkanals eine förderdruckvariable Drosseleinrichtung (14; 17) zugeordnet ist.

5. Förderpumpe nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die förderdruckvariable Drosseleinrichtung (14; 17) unmittelbar benachbart zum Auslaß (4) angeordnet ist.

6. Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb der Wälzkörper (1) zwischen dem Einlaß (5) und dem Auslaß (4) mit einem rotierenden Innenring (2) erfolgt, der zumindest eine umlaufende Rille aufweist, in der ein Wälzkörper (1) lagerbar ist.

7. Förderpumpe nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Wälzkörper (1) und dem Innenring (2) ein Reibschluß erzeugt wird durch axiale Verspannung mit der zugeordneten Kontur des Pumpengehäuses (3).

8. Förderpumpe nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem rotierenden Innenring (2) im Abschnitt zwischen Auslaß (4) und Einlaß (5), in dem er keine Wälzkörper (1) mitführt, ein Sperrelement (6) zugeordnet ist.

9. Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Auslaß (4) und Einlaß (5) ein Bypasskanal (13) mit einem Druckbegrenzungsventil (12) angeordnet ist.

10. Förderpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderpumpe eine Vorförderpumpe (9) zugeordnet wird.

11. Förderpumpe nach den Ansprüchen 1, 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Einlaß (5) und dem Bypasskanal (13) ein zusätzlicher Bypasskanal mit einem Ventil (15) angeordnet ist.