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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Pumpen eines Mediums und dessen
Vorrichtung nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe, um
ein flüssiges, gasförmiges oder pulverisiertes
Medium transportieren zu können.
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Allgemein
bekannt ist, dass als wesentliche Verfahrensmerkmale einer Verdrängerpumpe
darin besteht, die Ansaugseite von der Druckseite zu trennen als
auch das in den Förderraum anzusaugende Medium als Fördervolumen
von der Ansaugseite und der Druckseite abzugrenzen, um an der Druckseite das
Medium aus dem Förderraum hinauszudrücken.
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Nachteilig
hierbei ist, dass Verdrängerpumpen das Medium während
des Arbeitsvorganges "Ansaugseite von der Druckseite abzugrenzen"
nicht komprimieren oder verdichten. Um diesem Verfahrensmerkmal
nachzukommen, werden hierzu Verdichter oder Kompressoren verwendet,
welche aber wiederum nicht für Flüssigkeiten,
Suspensionen oder Pulver geeignet sind. Um aber die gravierendsten Nachteile
einer Verdrängerpumpe auszugleichen, wie eine Kolbendichtung
eines Förderkolbens, machte man sich bislang das Spaltrohrverfahren
zu eigen. Hier trennt eine Spaltkopfkupplung den Förderraum von
dessen Umgebung mittels einer zwischen zwei Magneten befindlichen
topfartigen Blende und der rotierende in der Umgebung befindliche
Magnet treibt den im Förderraum befindlichen Magneten an.
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Erkennbar
ist, dass alle diese nach dem bekannten Scroll-Verfahren arbeitenden
Pumpen als Verdichter die vorzugsweise gasförmigen oder
gasbeladenen Medien derart komprimieren, indem das Fördervolumen
eine geometrische Änderung erfährt und somit das Fördervolumen
nicht konstant hält, sondern mindert.
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Des
Weiteren bekannt sind Verfahren, welche nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe
und nach dem Prinzip einer Verdichterpumpe arbeiten.
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Da
die erfindungsgemäße Lösung nach dem Prinzip
einer Verdrängerpumpe arbeitet, ist hierbei dieses Verfahren
gegenüber dem Stand der Technik abzugrenzen.
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So
beschreiben die Schutzrechte des
US-Patentes
801,182 und auch das Patent
CH 34161 eine
Pumpe mit einem Differentialkolben und einem Ventil ausgestattet
ist, dessen Betätigung mittels eines Gestänges
auf das Ventil zu regulieren ist. Hieraus ist erkenntlich, dass
es sich um einen Verdichter, aber nicht um eine Verdrängerpumpe
handelt.
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Dem
Scroll-Prinzip einer Verdängerpumpe nahe kommend ist das
US-Patent 4,129,405 . Hierbei findet
der Druckausgleich über Kanäle statt, mit den Nachteilen
eines unsicheren Arbeitens und einer Restverdichtung.
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Im
DE-OS 2338808 ist „die
Kompression in den inneren Pumpenkammern begrenzt ... und einen Druckausgleich
bewirkt". Ein Ziel der erfindungsgemäßen Lösung
ist unter anderem, keinen Druckausgleich zu erlangen.
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Obwohl
die
CH-Patentschrift 501 838 eine Verdrängerpumpe
unter Schutz stellt, arbeitet dieses Prinzip nach einem Verdichter
bzw. einer Vakuumpumpe, indem zwei mit Vorsprüngen ineinandergreifende
parallele Scheiben eine Schöpfkammer bilden und eine Scheibe
zur Ausführung der Translationsbewegung mit einem Antriebselement
ausgerüstet und mit der zweiten Scheibe aneinander verbunden
sind.
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Erwähnenswert
sei auch das
DE
20 2004 013 081 U1 , nach dem Prinzip einer Spalttopfpumpe bzw.
einer Spalttopfkupplung. Hier liegt mindestens ein Antriebsmagnet
im Förderraum, welches sich in der Praxis meist als Nachteil
erweist.
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So
beschreiben die Schutzrechte des
US-Patentes
801,182 und auch das Patent
CH 34161 eine
Pumpe mit einem Differentialkolben und einem Ventil ausgestattet
ist, dessen Betätigung mittels eines Gestänges
auf das Ventil zu regulieren ist. Hieraus ist erkenntlich, dass
es sich um einen Verdichter, aber nicht um eine Verdrängerpumpe
handelt.
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Dem
Scroll-Prinzip einer Verdängerpumpe nahe kommend ist das
US-Patent 4,129,405 . Hierbei findet
der Druckausgleich über Kanäle statt Im
EP 0834016 B1 wird
aufgezeigt, wie über eine rotierende Orbitalbewegung eine Übertragung
der Antriebsleistung erfolgt und somit immer eine Rotation in der Pumpe
selbst erfolgt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es aus den vorgenannten Gründen und Nachteilen
nunmehr ein Verfahren und eine Vorrichtung nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe
mit einer starren und nicht ortsfesten Mechanik, welche aus einem
einzigen beweglichen Teil im Förderraum besteht, zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und dessen
Nebenanspruch sowie deren Unteransprüche erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass durch die besonderen Verfahrensschritte und
deren konstruktiven Anordnung eine zwangsläufig getriebene
Spirale in einer starren Spirale orbitierend bewegt wird und dabei
die Grundregeln einer Verdrängerpumpe berücksichtigt
werden. Das Verfahren stellt sicher, dass keine Verdichtung des
Mediums innerhalb des Fördervolumens aufgrund der Form
bzw. der Anordnung der zwangsgeführten und damit berührungsfreien
Spiralen zustande kommt und des weiteren keinerlei Druckausgleichskanäle
oder Bohrungen benötigt werden, welche nur eingeschränkt
eine Verdichtung verhindern.
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Das
Medium wird von der Ansaugseite zur Druckseite hin in der Pumpe
vollständig kompressionsfrei verdrängt und deshalb
das Dosieren, das hermetische Abdichten und das leckagefreie Arbeiten gewährleistet.
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Die
Orbitalbewegung von 3 in 5 ergibt sich durch Rotation
von 2.2 und den mit 2.1 fest verbundenen Excenter 2.2 in 3.
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Durch
die Orbitalbewegung einer Orbitalspirale 3 in einer feststehenden
Gehäuse-Spirale 5 entstehen ein oder mehrere Fördervolumen
die das Medium von der Ansaugseite zur Druckseite befördern. Durch
die Orbitalbewegung von 3 in 5 vergrößert
sich an der Ansaugseite 6.2 das Volumen wodurch das Medium
angesaugt wird. Durch dieselbe Orbitalbewegung von 3 in 5 verkleinert
sich an der Druckseite 6.1 das Volumen wodurch das Medium
ausgedrückt wird.
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Wenn
die Rotationsrichtung von 2.1 umgedreht wird dann wird
aus der Ansaugseite 6.2 die Druckseite 6.1 und
umgekehrt.
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Die
Orbitalbewegung von 3 in 5 findet auf einer Bahnkurve
statt die sich aus der Exzentrizität von 2.2 zu 2.1 ergibt.
Die Exzentrizität ist die Kreisbahn die die Exzentermittelachse
beschreibt wenn sich der Exzenter um die Mittelachse der Antriebswelle 2.1 dreht.
Der Radius der Exzentrizität bestimmt sich wiederum aus
der Differenz von Nutbreite 8 der stehenden Spirale in
der Gehäuse-Spirale 5 zur Wandstärke 7 der
orbitierenden Spirale in 3.
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Durch
dieselbe Orbitalbewegung von 3 in 5 entsteht zwischen
Ansaugvorgang in 6.2 und Ausdrückvorgang in 6.1)
ein definiertes unveränderliches Fördervolumen,
welches eindeutig von 6.2 und 6.1 abgegrenzt wird.
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Um
das Verfahren einer Orbital-Spiral-Verdrängermaschine zu
realisieren, verfährt die Orbitalspirale 3 in
einer Orbitalbewegung an der Gehäuse-Spirale 5 nur
so weit (Länge) oder derart (Form), dass sichergestellt
ist, dass es zu keiner Kompression innerhalb des Fördervolumens
kommt.
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Um
das Verfahren einer Orbital-Spiral-Verdrängermaschine zu
realisieren nähert sich die Orbitalspirale an die Gehäusespirale
soweit an, dass abgesehen von eventuellen Spaltverlusten sichergestellt
ist, dass die Druckseite von der Ansaugseite jederzeit getrennt
ist. Die dem Verfahren eingeprägte Geometrie definiert
eindeutig das Fördervolumen. Abhängig von der
Drehzahl und Drehdauer an 2.1 kann ein exaktes Volumen
gefördert werden unabhängig von den Druckverhältnissen
an 6.1 und 6.2 oder der Viskosität des
Mediums.
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Das
Verfahren kann sowohl in hermetisch dichter Ausführung
als auch in nicht hermetisch dichter Ausführung betrieben
werden
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Das
Verfahren ermöglicht eine hermetische Abdichtung mittels
der Dichtung 4, weil die Orbitalspirale 3 mit
der Orbitaldichtung 4 ortsfest verbunden ist und die Orbitaldichtung 4 mit
der Gehäuse-Spirale 5 ortsfest verbunden ist.
Die Orbitaldichtung 4 gleicht die Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 zu
der Gehäuse-Spirale 5 flexibel aus, mit der Folge,
dass das Medium an keiner weiteren Stelle austreten kann außer
an der Druckseite 6.1 und/oder der Ansaugseite 6.2.
Der Förderraum ist damit hermetisch dicht ausführbar.
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Das
Spiralorbitalverfahren eignet sich besonders zur Förderung
von Stoffen die vollständig oder nahezu inkompressibel
sind, weil es sicherstellt, dass das im Förderraum entstehende
Fördervolumen zur Druckseite befördert wird, ohne
dass es innerhalb des Ablaufes zur Verdichtung kommt. Erst wenn
das Medium/Stoff an die Druckseite kommt wird es ausgedrückt.
Das Spiralorbitalverfahren erlaubt eine kompressionsfreie Förderung
von Medien, insbesondere von festen Stoffen wie, z. B. Flüssigkeiten
oder Suspensionen u. a..
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Das
Verfahren kann sowohl mit dem Beschleunigungsabschnitt 9 – ein
Teil der orbitierenden Spirale 3 – als auch ohne
diesen arbeiten. Der Beschleunigungsabschnitt 9 erzeugt
eine Impulsabgabe an das Medium, wobei hier die hydrodynamische Beschleunigung
das Medium sicher aus dem Förderraum hinausschaufelt.
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Die
Anordnung der erfindungsgemäßen Lösung
ist wie folgt zu beschreiben:
Der Flansch 1 ist die
Schnittstelle zum Antrieb oder Maschine, die Druckseite 6.1 und
Ansaugseite 6.2 ist die Schnittstelle zum Mediumskreislauf.
Der Flansch 1 ist mit der Gehäuse-Orbitalspirale 5 fest
verbunden über eine wieder lösbare Verbindung,
wie z. B Schrauben. Innerhalb des so entstandenen Gehäuses 5 sind
die Orbitalspirale 3 sowie die Orbitaldichtung 4 wie
auch der Exzenterantrieb 2.2 angeordnet. Der Exzenterantrieb 2.2 ist
mit der Antriebswelle 2.1 fest verbunden. Die Antriebswelle 2.1 ist
im Flansch 1 an den Kontaktflächen der Bohrung
beweglich gelagert. Der Exzenterantrieb 2.2 ist an den
Kontaktflächen der Sacklochbohrung mit der Orbitalspirale 3 beweglich
gelagert. An der Stirnseite des Exzenterantriebes 2.2 ist
dieser nicht mit der Orbitalspirale 3 verbunden oder beweglich
gelagert; hier existiert keine Verbindung, sondern ein Luftspalt.
Die Orbitalspirale 3 steckt mit dem Spiralenteil im Spiralenteil
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 und ist ebenfalls
nicht fest mit ihr verbunden. Die Orbitaldichtung 4 ist
an den Berührungsflächen mit der Orbitalspirale 3 fest
und dicht verbunden. Die Orbitaldichtung 4 ist an den Berührungsflachen
mit der Gehäuse-Orbitalspirale 5 fest verbunden.
Die Kontaktfläche zwischen Orbitalspirale 3 und
Gehäuse-Orbitalspirale 5 ist ein sehr kleiner
Dichtspalt. Die Orbitalspirale 3 berührt die Gehäuse-Orbitalspirale 5 an
den Kontaktflächen nicht bzw. gleitet auf der Berührungsfläche
ab und ist daher nicht mit Ihr fest verbunden. Die axiale Lage der Orbitalspirale 3 zur
Gehäuse-Orbitalspirale 5 ist durch die Lagerung
der Antriebswelle 2.1 über den Flansch 1 und
durch die Lagerung des Excenterantriebs 2.2 in der Orbitalspirale 3 eindeutig
und genau definiert. Der an der Ansaugseite 6.2 anstehende Druck
wird über dessen Druckkraft in axialer Richtung zum Flansch 1 von
der Orbitalspirale 3 über den Excenterantrieb 2.2 und
der Antriebswelle 2.1 an den Flansch 1 und damit
an das Gehäuse-Orbitalspirale 5 abgegeben. Daher
ist die erfindungsgemäße Pumpe in der Lage hohe
Drücke zu überstehen.
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Der
abgeschlossene und dichte Förderraum ergibt sich mit der
Orbitalspirale 3 über die Orbitaldichtung 4 mit
der Gehäuse-Orbitalspirale 5. Das Medium wird
in der Bohrung der Druckseite 6.1 aus dem Förderraum
und in der Bohrung bei 6.2 in den Förderraum gedrückt
bzw. angesaugt. Das Medium ist also nur im Kontakt mit den Innenflächen
der Bohrungen, dem Spiralteil der Gehäuse-Orbitalspirale 5,
dem Spiralteil der Orbitalspirale 3 und den Dichtspalten sowie
der dem Förderraum zugewandten Seite der Orbitaldichtung.
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Am
Dichtspalt der Orbitalspirale 3 zur Gehäuse-Orbitalspirale 5,
nahe der Orbitaldichtung 4 ist eine Vordichtung angeordnet
und wird vom Medium benetzt. Ist die Vordichtung nicht in der Lage
das zu fördernde Medium abzudichten, z. B durch Leckverluste
o. ä, dann gelangt das Medium an die dem Förderraum
zugewandte Seite der Orbitaldichtung 4 und wird dort gestoppt.
Damit ist die Orbitalspirale 3 mit der Gehäuse-Orbitalspirale 5 eindeutig
leckagefrei und hermetisch dicht abgedichtet.
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Die
Orbitalspirale 3 ist in ihrer Orbitalbewegung über
Führungslager zwangsgeführt und ist daher in Ihrer
Orbitalbewegung genau definiert. Daher sind alle Kontaktflächen
zwischen Orbitalspirale 3 und Gehäuse-Orbitalspirale 5 keine
Berührungsflächen im eigentlichen Sinne, sondern
sehr kleine Dichtspalte.
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Der
Beschleunigungsabschnitt 9 ist ein Teil der Orbitalspirale 3 und
damit fest verbunden.
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Das
Schluckvolumen ergibt sich über die Länge der
Spirale der Gehäuse-Orbitalspirale 5 mit der Nutbreite 8 und
deren Subtraktion der Länge der Spirale der Orbitalspirale 3 mit
der Wandstärke 7 der orbitierenden Spirale 3.
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Durch
die Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in der Gehäuse-Orbitalspirale 5 ist
die Druckseite 6.1 von der Ansaugseite 6.2 eindeutig
getrennt und ein unveränderliches Fördervolumen
ist durch die Form der Spiralen 3 und 5 definiert,
dies jeweils abgesehen von den Spaltverlusten.
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- 1
- Flansch
- 2.1
- Antriebswelle
(mit 2.2 fest verbunden)
- 2.2
- Exzenterantrieb
(mit 2.1 fest verbunden)
- 3
- Orbitalspirale
- 4
- Orbitaldichtung
- 5
- Gehäuse-Orbitalspirale
- 6.1
- Druckseite
- 6.2
- Ansaugseite
- 7
- Wandstärke
- 8
- Nutbreite
- 9
- Beschleunigungsabschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 801182 [0007, 0013]
- - CH 34161 [0007, 0013]
- - US 4129405 [0008, 0014]
- - DE 2338808 A [0009]
- - DE 2826071 C2 [0010]
- - CH 501838 [0011]
- - DE 202004013081 U1 [0012]
- - EP 0834016 B1 [0014]