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Die Erfindung betrifft eine Pumpe für Flüssigkeiten unter Überdruck, mit einer ein Laufrad aufnehmenden Pumpenkammer und einer Welle, auf der das Laufrad angeordnet ist und die axial gegen ein nicht mitdrehendes, die axiale Position des Laufrads bestimmendes Stützelement vorgespannt ist.
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Aus
EP 0 690 233 A1 ist eine Kraftstoffpumpe mit einem solchen Aufbau bekannt, bei der das Laufrad axialbeweglich auf der Welle gehalten ist.
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EP 0 431 332 B1 beschreibt eine magnetisch angetriebene Pumpe, bei der das Laufrad fest auf einer von einer Magnetkupplung gehaltenen Welle angeordnet ist, sich über eine Feder axial an einem Festlager abstützt. Daduch soll eine Selbstausrichtung der Welle bei gleichzeitigem Schutz des Festlagers gegen Vibrationen der Welle erreicht werden.
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Beim Pumpen einer Flüssigkeit bei einer Temperatur oberhalb ihres Siedepunktes muß ein Überdruck aufrechterhalten werden, damit die Flüssigkeit nicht verdampft. So muß beispielsweise bei heißem Wasser mit einer Temperatur von 120°C die Pumpe bei einem Druck von beispielsweise 0,25 MPa (2,5 bar) arbeiten, ohne daß es zu einer Druckverminderung kommt. Es kann annähernd davon ausgegangen werden, daß für eine Temperaturerhöhung um 10°C eine Erhöhung des Drucks um 0,1 MPa notwendig ist.
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Um einen solchen Überdruck im Betrieb der Pumpe aufrecht erhalten zu können, sind bei einer Pumpe mit einem Laufrad enge Toleranzen für den Abstand zwischen dem Laufrad und den benachbarten Wanden der Pumpenkammer vorzusehen. Eine Vergrößerung des Spiels um beispielsweise 1/10 mm kann zu einer Druckminderung um 0,1 MPa führen. Ein gewisser Mindestabstand ist jedoch notwendig, um den Verschleiß des auf einer schwimmend gelagerten Welle montierten Laufrades zu begrenzen. Dadurch sind die erreichbaren Heißwassertemperaturen durch die Zunahme des Verschleißes des Laufrades begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Pumpe der eingangs genannten Art zu schaffen, die beim Fördern von Flüssigkeiten möglichst verschleißfrei arbeitet, während gleichzeitig ein hoher Druck aufrecht erhalten werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Pumpe der eingangs genannten Art das Laufrad fest auf der Welle angeordnet und mit so geringem Spiel in der Pumpenkammer gehalten ist, daß die Pumpe in der Lage ist, die Flüssigkeit auf einem Überdruck zu halten.
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Dadurch, daß die axiale Position des Laufrades durch das Stützelement bestimmt ist, können die Maße der Pumpenkammer und des Laufrades mit sehr hoher Genauigkeit aneinander angepaßt werden, so daß ein sehr geringer Abstand zwischen dem Laufrad und den Wänden der Pumpenkammer eingehalten werden kann. Die Pumpe ist somit beispielsweise zum Pumpen von Heißwasser unter hohen Temperaturen und entsprechend hohem Druck geeignet.
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Weiterentwicklungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Zur Verminderung der Reibung sind die Welle und das Stützelement vorzugsweise jeweils aus einem keramischen Material hergestellt.
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Bevorzugt ist die Welle in mindestens einem radialen Gleitlager gelagert. Dadurch kann auch die radiale Position des Laufrades mit hoher Genauigkeit vorgegeben werden. Zur Verminderung der Gleitreibung sind die Welle und das Gleitlager vorzugsweise jeweils aus einem keramischen Material hergestellt. Die Welle ist im Lager verschieblich gelagert, um die axiale Vorspannung der Welle bzw. des Laufrades gegen das Stützelement zu ermöglichen.
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Vorzugsweise werden das Stützelement und das mindestens eine Gleitlager im Betrieb der Pumpe durch die zu pumpende Flüssigkeit gespült.
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Vorzugsweise verbindet ein durch eine Wand der Pumpenkammer verlaufender Spülungskanal zur Spülung des mindestens einem Gleitlagers einen druckseitigen Bereich der Pumpenkammer mit einem jenseits des Gleitlagers gelegenen Bereich. Auf diese Weise kann das betreffende Gleitlager zuverlässig mit der gepumpten Flüssigkeit gespült werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Spülungskanal zur Spülung des mindestens einen Gleitlagers durch einen axial in der Welle verlaufenden Kanal gebildet. Dieser Kanal kann zusätzlich zu dem in der Wand der Pumpenkammer verlaufenden Spülungskanal vorgesehen sein.
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Durch die erfindungsgemäßen Spülungskanäle kann die Pumpe sowohl mit horizontal verlaufender Drehachse des Laufrades als auch hängend, also mit vertikal verlaufender Drehachse des Laufrades, betrieben werden.
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Vorzugsweise besteht zwischen dem Laufrad und der Pumpenkammer radial ein Spiel von höchstens 1/10 mm. Dies entspricht einem mittleren Abstand zwischen dem Laufrad und einer Wand der Pumpenkammer von 5/100 mm. Besonders bevorzugt besteht ein Spiel von höchstens 5/100 mm, entsprechend einem mittleren Abstand von 0,025 mm.
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Vorzugsweise besteht zwischen dem Laufrad und der Pumpenkammer axial auf beiden Seiten des Laufrades jeweils ein Abstand von höchstens 1/10 mm. Weiter bevorzugt beträgt dieser Abstand höchstens 5/100 mm, besonders bevorzugt 3/100 mm oder weniger.
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Die mit der erfindungsgemäßen Pumpe erreichbaren Temperaturen und Drücke können noch gesteigert werden, indem auf Dichtungen an drehenden Teilen verzichtet wird. Gemäß einer Weiterentwicklung der Erfindung ist die Welle über eine Magnetkupplung mit einer Antriebswelle gekoppelt, wobei ein erstes Kupplungsteil der Magnetkupplung mit der Welle verbunden ist, ein zweites Kupplungsteil der Magnetkupplung mit der Antriebswelle verbunden ist, und in einem Spalt zwischen dem ersten und dem zweiten Kupplungsteil eine Wand verläuft, die einen antriebsseitigen Bereich der Pumpe gegen eine die Welle und die Pumpenkammer enthaltenden Bereich der Pumpe abdichtet.
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Durch die Verwendung der Magnetkupplung kann auf Dichtungen an drehenden Teilen verzichtet werden, da im Spalt der Magnetkupplung keine Berührung zwischen dem ersten Kupplungsteil und dem zweiten Kupplungsteil stattfindet. Die Pumpe kann dadurch beispielsweise im Druckbereich von 0,6 bis 0,65 MPa arbeiten, so daß Heißwasser mit einer Temperatur von beispielsweise 160°C gefördert werden kann. Solche Temperaturen können beispielsweise mit einer herkömmlichen Gummidichtung nicht erreicht werden.
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Besonders bevorzugt sind das erste und das zweite Kupplungsteil so zueinander angeordnet, daß die Magnetkupplung die Welle axial gegen das Stützelement drückt. Die Magnetkupplung erfüllt somit zwei Funktionen. Zum einen ermöglicht sie eine Abdichtung des die zu pumpende Flüssigkeit enthaltenen Bereiches der Pumpe mit einer geschlossenen Wand, so daß keine Dichtungen an drehenden Teilen verwendet werden müssen. Zum anderen sorgt sie dafür, daß das Laufrad bzw. die Welle axial gegen das Stützelement vorgespannt ist.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird die Welle von einer Druckfeder axial gegen das Stützelement gedrückt. Die Druckfeder kann auch verwendet werden, wenn keine Magnetkupplung vorgesehen ist.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Teilschnitt einer ersten Ausführungsform einer Pumpe mit Magnetkupplung; und
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2 einen Teilschnitt einer zweiten Ausführungsform einer Pumpe mit einer Gleitringdichtung und einer Druckfeder.
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Die in 1 dargestellte Pumpe weist ein im wesentlichen zylindrisches Gehäuse 10 auf, das am unteren Ende mit einem angeflanschten Zwischenstück 12 und einem daran angeflanschten Kopfstück 14 versehen ist. Diese sind mit Schrauben 16, die das Kopfstück 14 durchsetzen, am Gehäuse 10 verschraubt. In dem Zwischenstück 12 und dem Kopfstück 14 ist eine Pumpenkammer 18 ausgebildet, die in der Form eines unterbrochenen Ringes zwischen dem Zwischenstück 12 und dem Kopfstück 14 verläuft und einen Einlaßkanal eines nicht dargestellten Einlaßstutzens mit einem Auslaßkanal 20 eines Auslaßstutzens 22 verbindet. In dem in 1 dargestellten Schnitt liegt der am Zwischenstück 12 ausgebildete Auslaßstutzen 22 hinter der Zeichenebene, während der nicht dargestellte Einlaßstutzen am Kopfstück 14 ausgebildet ist und vor der Zeichenebene liegt.
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Die Pumpenkammer 18 nimmt ein Laufrad 24 auf, an dem oberhalb und unterhalb eines scheibenförmigen Mittelteils 26 sich jeweils radial in einem äußeren Abschnitt des Laufrades 24 erstreckende Förderschaufeln 28, 30 angeordnet sind. Die oberhalb des Mittelteils 26, also auf der Seite des Auslaßkanals 20 angeordneten Förderschaufeln 28 sind gegenüber dem unterhalb des Mittelteils 26 angeordneten Förderschaufeln 30 in Umlaufrichtung des Laufrades 24 etwas zurückversetzt. Die Förderschaufeln 28 erstrecken sich axial nach oben bis zu einer Oberkante 32 des Laufrades 24. Nach unten erstrecken sich die Förderschaufeln 30 axial bis zu einer Unterkante 34 des Laufrades. An der radial inneren Seite der Pumpenkammer 18 reicht die Oberkante 32 bis auf einen Abstand von beispielsweise 2/100 mm an eine durch das Zwischenstück 12 gebildete Wand heran, während die Unterkante 34 beispielsweise bis auf einen Abstand von 3/100 mm an eine durch das Kopfstück 14 gebildete Wand heranreicht.
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Nach radial außen erstrecken sich die Förderschaufeln 28, 30 und das Mittelteil 26 des Laufrades 24 bis zu einer geraden Außenkante 36 des Laufrades 24. Die Außenkante 36 hat zwischen dem Ende der Pumpenkammer 18 am Auslaßkanal 20 und dem Beginn der Pumpenkammer 18 am Einlaßkanal einen seitlichen Abstand von nur 0,025 mm zu einer beispielsweise durch Kopfteil 14 gebildete Wand. Durch die geringen seitlichen und axialen Abstände des Laufrades 24 zu den umgebenden Wanden kann die Pumpe einen sehr hohen Druck aufrechterhalten.
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Das Laufrad 24 ist an einem Hülsenansatz 38 mittels Toleranzringen oder Wellringen 40 fest auf einer Welle 42 aus keramischem Material angeordnet. Die Welle 42 ist unterhalb des Laufrades 24 in einem Gleitlager 44 gelagert, das mit einem Wellring 46 im Kopfstück 14 befestigt ist. Das Gleitlager 44 ist aus keramischem Material hergestellt, beispielsweise aus Siliziumkarbid.
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An ihrem unteren Ende stützt sich die Welle 42 gleitend auf einem keramischen Stützelement 48 ab, das beispielsweise durch eine Lochscheibe aus Wolframkarbid gebildet wird, die mit einer Schraube 50 mit dem Kopfstück 14 verschraubt ist.
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Oberhalb des Laufrades 24 ist die Welle 42 mit einem weiteren Gleitlager 52 geführt, welches mit einem Wellring 54 am Zwischenstück 12 befestigt ist. Die Welle 42 ist verschieblich in den Gleitlagern 44, 52 geführt.
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Am oberen Ende der Welle 42 ist ein erstes Kupplungsteil 56 einer Magnetkupplung mit einem Wellring 58 befestigt. Das erste Kupplungsteil 56 erstreckt sich ringförmig um das Ende der Welle 42 und ist mit Abstand von einem ringförmigen Flansch 60 eines zweiten Kupplungsteils 62 der Magnetkupplung umgeben. Das zweite Kupplungsteil 62 ist am unteren Ende einer Antriebswelle 64 befestigt, die mit einem Festlager 66 am Gehäuse 10 gelagert ist. Die Antriebswelle 64 wird von einem Motor der Pumpe angetrieben.
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In einem topfförmigen Zwischenraum zwischen den Kupplungsteilen 56 und 62 ist ein Spalttopf 68 angeordnet, der im Bereich eines zwischen dem ersten Kupplungsteil 56 und dem Flansch 60 gebildeten Ringspaltes 70 eine sehr geringe Wandstärke aufweist.
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Der Spalttopf 68 bildet eine Wand aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise VA-Stahl. Er ist mit einem Dichtring 72 gegen das Zwischenteil 12 abgedichtet, welches wiederum mit einem Dichtring 74 gegen das Kopfstück 14 abgedichtet ist. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Hohlraum, der die Pumpenkammer 18 umfaßt und lediglich am Einlaßkanal und am Auslaßkanal 20 geöffnet ist.
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Am Ringspalt 70 stehen im ersten Kupplungsteil 56 angeordnete Magnetelemente 76 Magnetelementen 78 gegenüber, die im Flansch 60 angeordnet sind. Sie übertragen magnetisch ein Antriebsdrehmoment der Antriebswelle 64 auf die Welle 42 und somit auf das Laufrad 24. Die Magnetelemente 76 und 78 sind axial so gegeneinander versetzt angeordnet, daß sie auf die Welle 42 eine axiale Kraft ausüben, die die Welle 42 gegen das Stützelement 48 drückt und sie somit vorspannt. Auf diese Weise ist die axiale Position des Laufrades 24 in bezug auf das Kopfstück 14 und somit auch in bezug auf das Zwischenstück 12 exakt festgelegt, so daß es trotz der sehr geringen axialen Abstände zwischen diesem und dem Laufrad 24 nicht zu einer Berührung kommt. Die Pumpe arbeitet daher sehr verschleißarm.
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In der Nähe des auslaßseitigen Endes der Pumpenkammer 18 beginnt ein Spülungskanal 80, der im Zwischenstück 12 nach oben verläuft und im Bereich des Kupplungsteils 56 mündet. Der Spülungskanal 80 wird durch eine gerade Bohrung gebildet, die sich am unteren Ende verjüngt, um den Einstrom in den Spülungskanal zu begrenzen. Die durch den Spülungskanal 80 nach oben getriebene Flüssigkeit dient zum einen dazu, das Gleitlager 52 zu spülen. Zum anderen gelangt sie durch ein Kanal 82 in Form einer axialen Durchgangsbohrung in der Welle 42 an deren unteres Ende, wo die Flüssigkeit über gestrichelt eingezeichnete Einkerbungen 84 seitlich austritt und dazu dient, daß Gleitlager 44 zu spülen.
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Die in 2 gezeigte Ausführungsform der Pumpe unterscheidet sich von der aus 1 insbesondere dadurch, daß keine Magnetkupplung vorgesehen ist. Gleiche oder ähnliche Teile sind mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Das Laufrad 24 ist mit Wellringen 40 auf einer Welle 86 befestigt, die in gleicher Weise wie die Welle 42 aus 1 am unteren Ende in dem Gleitlager 44 gelagert ist und sich auf dem Stützelement 48 abstützt. Am oberen Ende verjüngt sich die Welle 86 jedoch, tritt durch eine Bohrung 88 aus dem Zwischenstück 12 aus und ist über eine Mitnahmehülse 90 mit der Antriebswelle 64 gekoppelt.
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Eine Lücke zwischen der Welle 86 und der Bohrung 88 ist mit einer Gleitringdichtung 92 an einem Dichtsitz 94 abgedichtet. Die Gleitringdichtung 92 wird über ein Hülsenelement 96 von einer sich auf einer Schulter der Welle 86 nach unten abstützenden Druckfeder 98 nach oben gegen den Dichtsitz 94 gedrückt.
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Da die Welle 86 verschieblich in der Mitnahmehülse 90, der Gleitringdichtung 92, dem Hülsenelement 96 und dem Gleitlager 44 geführt ist, drückt die Druckfeder 98 zugleich die Welle 86 nach unten gegen das Stützelement 48. Dadurch ist, wie bei der ersten Ausführungsform, die genaue axiale Position des Laufrades 24 in bezug auf das Kopfstück 14 und das Zwischenstück 12 festgelegt.
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Durch die genaue axiale und radiale Positionierung des Laufrades 24 sind wiederum die oben genannten geringen Abstände zwischen dem Laufrad 24 und den benachbarten Wanden der Pumpenkammer 18 ermöglicht. Dadurch arbeitet die Pumpe sehr verschleißarm, und es sind trotz der Verwendung einer Gleitringdichtung an der sich drehenden Welle 86 sehr hohe Temperaturen und Drücke der zu fördernden Flüssigkeit möglich. So kann beispielsweise Heißwasser mit einer Temperatur im Bereich von 120 bis 130°C gepumpt werden.
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Zur Spülung des Gleitlagers 44 ist oberhalb des Laufrades 24 im Hülsenansatz 38 und in der Welle 86 eine Querbohrung 100 vorhanden, die in einen Kanal 102 in Form einer axialen Bohrung der Welle 86 mündet, durch den wiederum zur Spülung des Gleitlagers 44 Flüssigkeit aus dem oberen Bereich des Zwischenstücks 12 zum unteren Ende der Welle 86 geleitet wird, wo sie über die Einkerbungen 84 austritt.
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Ein Entlüftungs- und Spülungskanal 104 verläuft auf einer Höhe etwa unterhalb der Gleitringdichtung 92 vom oberen Bereich des Zwischenstücks 12 innerhalb eines am Auslaßstutzen 22 ausgebildeten Steges 106 zum Auslaßkanal 20.
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Die beschriebenen Ausführungsformen der Pumpe zeichnen sich dadurch aus, daß der Aufbau des Kopfstücks 14 sowie des Gehäuses 10 und der Antriebswelle 64 identisch sind, und daß jeweils der untere Teil der Pumpe mit dem Zwischenstück 12, dem Kopfstück 14, dem Laufrad 24 und der Welle 42 bzw. 86 zu Wartungszwecken abnehmbar ist. Dies erlaubt es außerdem, die eine Ausführungsform der Pumpe durch Auswechseln des unteren Teils der Pumpe zur zweiten Ausführungsform um zubauen. Die Trennstelle, an der der austauschbare Teil an dem oberen Teil der Pumpe angesetzt wird, befindet sich dabei stets außerhalb des Bereichs der zu pumpenden Flüssigkeit.
