DE102007043324A1

DE102007043324A1 - Verfahren zum Pumpen eines Mediums und dessen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102007043324A1
Application number: DE200710043324
Authority: DE
Inventors: Francesco Peter Fischer
Original assignee: Fischer Francesco Peter Dipl-Ing
Current assignee: Fischer Francesco Peter Dipl-Ing
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2009-03-19
Also published as: DE202007019039U1

Abstract

Das Verfahren zum Pumpen eines Mediums nach dem Orbital-Verdrängerprinzip, in dem durch das Bewegen einer Orbitalspirale mindestens ein Fördervolumen von einer Ansaugseite zu einer Druckseite befördert wird, indem die Orbitalbewegung der Orbitalspirale in deren Gehäuse auf einer Bahnkurve ausgeführt wird, welche sich aus der Exzentrizität einer mit einem Exzenterantrieb fest verbundenen Antriebswelle ergibt und der Radius der Exzentrizität aus der Differenz einer Nutbreite der im Gehäuse befindlichen Orbitalspirale zu ihrer Wandstärke bestimmt wird und mittels der Orbitalbewegung der Orbitalspirale das Volumen derart vergrößert wird, indem an einer Ansaugseite das Volumen angesaugt und zugleich durch dieselbe Orbitalbewegung der Orbitalspirale an einer Druckseite das Volumen des Mediums verkleinert und sich die Orbitalspirale so weit an das Gehäuse der Orbitalspirale nähert, um die Druckseite von der Ausgangsseite stetig zu trennen, um das mit Druck beauflagte Medium, an der Druckseite ankommend, hinauszudrücken.

Description

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.
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.
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.
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.
Des Weiteren bekannt sind Verfahren, welche nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe und nach dem Prinzip einer Verdichterpumpe arbeiten.
Da die erfindungsgemäße Lösung nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe arbeitet, ist hierbei dieses Verfahren gegenüber dem Stand der Technik abzugrenzen.
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.
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.
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.
Mit Ausgleichskanälen und einem Druckausgleich ausgerüstet ist die DE-Patentschrift 2826071 C2 .
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Wenn die Rotationsrichtung von 2.1 umgedreht wird dann wird aus der Ansaugseite 6.2 die Druckseite 6.1 und umgekehrt.
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.
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.
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.
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.
Das Verfahren kann sowohl in hermetisch dichter Ausführung als auch in nicht hermetisch dichter Ausführung betrieben werden
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.
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..
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.
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.
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.
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.
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.
Der Beschleunigungsabschnitt 9 ist ein Teil der Orbitalspirale 3 und damit fest verbunden.
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.
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.

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

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- 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]

Claims

Verfahren zum Pumpen eines Mediums nach dem Orbital-Verdrängerprinzip, in dem durch das Bewegen einer Orbitalspirale mindestens ein Fördervolumen von einer Ansaugseite zu einer Druckseite befördert wird, gekennzeichnet dadurch, – dass die Orbitalbewegung der Orbitalspirale in deren Gehäuse auf einer Bahnkurve ausgeführt wird, welche sich aus der Exzentrizität einer mit einem Exzenterantrieb fest verbundenen Antriebswelle ergibt, – dass der Radius der Exzentrizität aus der Differenz einer Nutbreite der im Gehäuse befindlichen Orbitalspirale zu ihrer Wandstärke bestimmt wird, – dass mittels der Orbitalbewegung der Orbitalspirale das Volumen derart vergrößert wird, indem an einer Ansaugseite das Volumen angesaugt und zugleich durch dieselbe Orbitalbewegung der Orbitalspirale an einer Druckseite das Volumen des Mediums verkleinert und – dass sich die Orbitalspirale soweit an das Gehäuse der Orbitalspirale nähert, um die Druckseite von der Ausgangsseite stetig zu trennen, um das mit Druck beauflagte Medium an der Druckseite ankommend hinausgedrückt wird.
Verfahren zum Pumpen eines Mediums nach dem Orbital-Verdrängerprinzip nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass sich bei Umkehr der Rotationsrichtung einer Antriebswelle die Ansaugseite und die Druckseite umgekehrt verhalten.
Verfahren zum Pumpen eines Mediums nach dem Orbital-Verdrängerprinzip nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Orbitalspirale in einer Orbitalbewegung an dem Gehäuse der Orbitalspirale so weit nähert, dass das Fördervolumen des Mediums kompressionsfrei bleibt.
Verfahren zum Pumpen eines Mediums nach dem Orbital-Verdrängerprinzip nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass das Medium in einem Beschleunigungsabschnitt eine Impulsabgabe mittels einer hydrodynamischen Beschleunigung erfährt und aus dem Förderraum transportiert wird.
Vorrichtung zum Pumpen eines Mediums nach dem Orbital-Verdrängerprinzip, gekennzeichnet dadurch, – dass eine Orbitalspirale (3) mit ihrem Spiralenteil im Spiralenteil der Gehäuse-Orbitalspirale (5) angeordnet ist und von dieser unabhängig ist, – dass sich ein abgeschlossener und dichter Förderraum über das Zusammenwirken von Orbitalspirale (3) mit einer Orbitaldichtung (4) und der Gehäuse-Orbitalspirale (5) ergibt, – dass an einem Dichtspalt der Orbitalspirale (3) nahe der Orbitaldichtung (4) eine Vordichtung angeordnet ist, dass die Druckseite (6.1) von der Ansaugseite (6.2) durch die Orbitalbewegung der Orbitalspirale (3) in der Gehäuse-Orbitalspirale (5) getrennt angeordnet ist, – dass die mit dem Flansch (1) fest verbundene Gehäuse-Orbitalspirale (5) ein Gehäuse bildet, die Orbitaldichtung (4) und ein Exzenterantrieb (2.2) angeordnet sind, welcher fest mit der Antriebswelle (2.1) in Verbindung zu bringen ist, – dass die Antriebswelle (2.2) im Flansch (1) an den Kontaktflächen der Bohrung beweglich gelagert ist, – dass die Orbitaldichtung (4) an den Berührungsflächen mit der Orbitalspirale (3) fest und dicht verbunden ist, – dass die axiale Lage der Orbitalspirale (3) durch die Lage der Antriebswelle (2.1) über dem Flansch (1) und durch die Lagerung des Exzenterantriebes (2.2) in der Orbitalspirale (3) eindeutig definiert ist, – dass die Orbitalspirale (3) über Lager zwangsgeführt ist, – dass alle Berührungsflächen der Orbitalspirale (3) und der Gehäuse-Orbitalspirale (5) minimale Dichtspalte vorgesehen sind und – dass ein Beschleunigungsabschnitt (9) ein Teil der Orbitalspirale (3) und mit dieser fest verbunden ist.