DE102008019440A1

DE102008019440A1 - Flügel einer Flügelzellenpumpe oder eines Flügelzellenkompressors

Info

Publication number: DE102008019440A1
Application number: DE102008019440A
Authority: DE
Inventors: Martin FRÖHLICH; Otto Altmann
Original assignee: Froetek Kunststofftechnik GmbH
Current assignee: Froetek Kunststofftechnik GmbH
Priority date: 2008-04-17
Filing date: 2008-04-17
Publication date: 2009-10-22
Also published as: WO2009127281A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe oder -kompressor mit mindestens einem innerhalb eines Rotors verschieblich gelagerten Flügels, wobei der Rotor außermittig in einem Hohlzylinder gelagert ist, an dessen Innenwand das Flügelende (4) reibend zur Anlage gelangt, wobei das Flügelende eine gewölbte federnde Zunge bildet, die teilweise einen Hohlraum umgibt, der zu einer Flügelseite hin offen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe oder -kompressor mit mindestens einem innerhalb eines Rotors verschieblich gelagerten Flügel, wobei der Rotor außermittig in einem Hohlzylinder gelagert ist, an dessen Innenwand das Flügelende reibend zur Anlage gelangt.
Flügelzellenpumpen und Flügelzellenkompressoren mit einem oder mehren Flügeln verschiedener Flügelanordnungen, Flügel-Lagerungen und Funktionsprinzipien sind seit mehren Jahrzehnten bekannt. Die Flügel (einer oder mehrere) dieser Flügelzellenpumpen waren bisher vorzugsweise aus metallischen Werkstoffen. Erst in den letzten Jahren wurden Flügel für Flügelzellenpumpen und -kompressoren aus Polymerwerkstoffen (Thermoplasten und Duroplasten) entwickelt und eingesetzt. Derartige Flügel für Vakuum- und Verdränger-Flügelzellen-Pumpen, auch mit erwähnten Polymerwerkstoffen, sind aus DE 10 2006 016 241 A1 , DE 2006 012 889 D1 , DE 10 2004 064 029 A1 und DE 200 18 958 U1 bekannt. Die Flügelvarianten, Bauarten und Ausführungen in Voll-Material oder mit Durchbrüchen, bisher überwiegend in metallischen Ausführungen, sind hierbei alle an der Flügelspitze geschlossen, so dass ein dem Arbeitsdruck entsprechender Anlagedruck mit genügender Dichtheit und kleiner Auflagefläche nicht erreichbar ist.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Flügelzellen-Pumpe oder -Kompressor der Eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die Flügelspitzen auf Grund ihrer Elastizität eine ausreichende Abdichtung bei geringer Auflagefläche und geringer Reibung erreichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Flügelende eine gewölbte federnde Zunge bildet, die teilweise einen Hohlraum umgibt, der zu einer Flügelseite hin offen ist.
Ein solcher Flügel ist in der Lage den Verschleiß-Abrieb durch eine selbst regulierende Anpresskraft über den Arbeitsdruck der Pumpe oder des Kompressors auszugleichen um die Leckraten zu reduzieren. Der Flügel ist als Feder ausgeführt und kann unter leichter Vorspannung eingebaut werden, wobei die Herstellungstoleranzen ausgeglichen werden.
Hierbei ist von Vorteil, dass der Flügel auf der dem Förder-Medium zugewandten Seite geöffnet ist mit einer federnden Elastizität z. B. durch Polymerwerkstoff-Varianten, mit relativ kleinem spezifischen Gewicht für hoch beschleunigte Flügel-Massen.
Die Auswahl geeigneter Werkstoffe führt zu den erforderlichen elastischen Konstanten. Die technische Auslegung der offenen Flügel-Endenspitzen Geometrien, welche möglichst kleine Auflagekräfte und Flächen aufweisen müssen, stellen sicher, dass trotzdem optimal gegen den zu fördernden Arbeitsdruck ausreichend abgedichtet wird. Die geometrische Auslegung und die CAR-FEM Vor-Analysen zeigen, dass ein Flügel dieser Bauart die gestellten Anforderungen sehr gut erfüllt.
Der vorzugsweise einteilige Flügel oder auch mehrteilige Flügel für ein oder mehrflügelige Vakuum und Verdränger-Pumpen nach Anspruch 1 weist durch die Werkstoffauswahl und die geometrische Gestaltung alle Merkmale für ein selbst Anpressdruck regelndes System mit Verschleißausgleich und Toleranzausgleich, über der gesamten Lebensdauer derartiger Pumpen und Kompressoren auf. Der Flügel hat in Richtung des Fördermedium eine vorher ausgelegte Öffnung, die über den anliegenden Arbeitsdruck die Flügel-Enden an die Außenwand, des meist kreisrunden (andere von einem kreisrunden geringfügig abweichende Ausführungsformen sind möglich) Pumpen-Innenraumes drückt. Die von innen nach außen spitz zulaufenden Flügel-Enden, über den Querschnitt betrachtet, weisen durch eine relativ geringe Verformung eine ausreichend hohe Kraft auf um den auftretenden Verschleiß über die gesamte Lebensdauer auszugleichen. Die Öffnung an den Flügel-Enden kann kreisrund oder in Form einer mit einem bestimmten Winkel angeordneten Ellipse ausgeführt sein um den Querschnitt der federnd wirkenden Flügel-Enden zu reduzieren und um den Arbeitsdruck in Anpresskräfte an die Außenwand zu wandeln. Da die Fertigungs-Toleranzen für ein derartiges Bauelement enorm klein sind, sorgt diese Art der Flügelgestaltung in Längsrichtung auch dafür, dass keine mechanischen Nacharbeiten wie Schleißen, Läppen oder Polieren erforderlich sind, wie bei den anderen Flächen derartiger Bauteile. Da der Flügel durch diese hier beschriebene Art der Ausführung an den Enden wie eine elastische Feder wirkt, kann der Flügel auch mit einem kleinen Übermaß eingebaut werden. Beide Maßnahmen sparen Fertigungs- und später Nutzer-Kosten und erhöhen die Funktion der Lebensdauer-Leistung, ohne Leckraten-Verluste.
Zusätzliche Maßnahmen zur Reibungs- und Verschleiß-Reduzierung sind Füllstoffe in Polymerwerkstoffen, wie Kohlenstoff-Fasern, Molybdändisulfig (MoS2), Polyeraflourethylen (PTFE, besser unter dem Markennamen Teflon bekannt) und andere.
Erfindungsgemäß werden bei dieser Art der Reibungs- und Verschließ-Reduzierung entweder z. B. Nanokristalle direkt insitu in den gesamten Flügel Werkstoff eingearbeitet oder die Flügel-Enden Oberflächen werden mit metallischen oder keramisch bzw. Glas-keramischen Dünn-Schichten versehen, die alleine oder mit speziellen Primern ausreichend elastisch sind um die erforderlichen Verformungen zu gewährleisten. Das Bruchdehnungsverhalten bzw. die Bruchdehnung dieser Dünnschicht Oberflächen-Werkstoffe ist dem Werkstoff des Flügel-Körpers angepasst, was ein erhebliches Differenzierungs-Merkmal zu den bisher bekannten Ausführungen darstellt.
Derartige Flügel werden vorzugsweise aus Polymerwerkstoffen hergestellt, die entsprechende elastische Konstanten im linear elastischen Bereich auch unter Tief- und Hoch-Temperatureinfluss z. B. in Heißöl aufweisen. Der Flügelwerkstoff wird je nach Anwendungsfall so ausgewählt, dass die Funktion der erforderlichen elastischen Verformung an den Flügel-Enden sichergestellt ist.
Weitere vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen
1 die schematische Darstellung einer Flügelzellenpumpe oder eines -Kompressors im Schnitt;
2 eine perspektivische Ansicht des Flügels;
3 ein Ausschnitt der Schnittdarstellung im Bereich des Flügelendes;
4 ein äußeres Ende des Flügels.
Die Flügelzellenpumpe bzw. der Flügelzellenkompressor weist einen Hohlzylinder 1 als Stator auf, in dem ein Zylinder als Rotor 2 rotiert. Die Drehachse des Rotors 2 ist außermittig zum Stator angeordnet, wobei eine Stelle der Außenwand des Rotors die Innenwand 9 des Stators berührt.
Im Rotor 2 ist mindestens ein einteiliger Flügel 3 diametral gelagert, dessen beiden Enden als Köpfe 4 entlang der Innenwand 9 des Stators 1 reiben. Hierbei bildet jeder Kopf 4 einen zur Seite hin offenen Hohlraum 5 durch eine vorspringende Zunge 6, die mit ihrem Fuß 7 an einer Seitenfläche 8 des Flügels 3 angeformt ist und sich bogenförmig vom Flügel zur Hohlzylinderinnenwand 9 hin weg erstreckt und mit ihrer gebogenen Außenfläche 10 an der Wand 9 anliegt. Hierbei ist der Hohlraum 5 zur Druckseite des Pumpenraumes hin offen.
Die Erfindung betrifft somit eine Flügelzellen-Vakuum oder Verdränger-Mikro und Makro-Pumpe oder Kompressor mit einer sich selbst Arbeitsdruck-Anpress-Druck geregelten Innenrotor-Konfigurationen. Der beidseitig an den Enden offene Flügel ist vorzugsweise einteilig ausgeführt, kann aber auch mehrteilig sein, indem eine spezielle Flügelspitze direkt angeformt oder moniert wird. Das flüssige gasförmige oder feste Fördermedium selbst drückt die Flügelspitz über eine entsprechende Werkstoffauswahl und Konstruktion nach außen und gleicht so den auftretenden Verschließ sowie Toleranzen aus. Die Anpresskraft der Flügelkanten an die vorzugsweise kreisrunde Innenwand 9 wird im Wesentlichen vom Arbeitsdruck der Pumpe (Medienförderung) oder des Kompressors (Vakuum) bestimmt. Die Flügel Auslegung mit einem offenen Ende an den Flügelspitzen sorgt für geringe Leckraten und eine gleich bleibend hohe Leistung der Pumpen und Kompressoren über die gesamte Lebensdauer.
Durch diese hier erfindungsgemäße Konfiguration und Auslegung der Flügelendspitzen 6 mit der offenen Bauweise am Ende der Flügel presst der anliegende Arbeitsdruck die Flügelkante an die Pumpen- oder Kompressorenwand 9 und gleicht so über die Laufzeit den auftretenden Verschleiß aus, der zwischen 0,05 mm und 0,3 mm bezogen auf die Flügellänge beträgt. Wenn durch Reibung und Verschleiß eine Abnutzung von nur wenigen 0,001 mm bis zu maximal 0,5 mm erfolgt, was erfahrungsgemäß der Fall ist, werden durch diese Konstruktion eine gleich bleibende hohe Pumpen- oder Unterdruckleistung über den gesamten Lebenseinsatzdauer-Zeitraum sichergestellt, da der Abtrag durch die Anpresskräfte an der Auflagestrecke (Linie) am Wendepunkt der Flügel-Ende Radien, ausgeglichen wird.
Der auftretende Verschleiß wird durch die elastische Verformung der anliegenden Flügel-Enden permanent ohne weiter Hilfsmittel oder Bauelemente über der gesamten Lebensdauer ausgeglichen.
Als Flügelwerkstoffe kommen alle bekannten Werkstoffe in Frage, die über die mechanischen Auslegungs-Kennwerte in der Lage sind, durch ihre Dehnungs- und Verformungs-Eigenschaften im linear-elastischen Bereich (wichtig für die Ralaxation ohne bleibende Schäden) zu gewährleisten. Vorzugsweise werden jedoch Polymer-Werkstoffe eingesetzt es sind aber auch Metalle, Glas- und Glas-Keramik-Werkstoffe und andere verwendbar.
Der Flügelwerkstoff selbst kann mit Insitu-Nanokristallen oder anderen Reibungs- und Verschließ reduzierenden Füllstoffen, wie MoS2, PTFE, Karbon- oder Aramid-(aromatische Polyamide)Fasern in der gesamten Flügel-Struktur oder auch nur an den beiden Flügelenden versehen werden.
Die Herstellung derartiger Flügelstrukturen ist in nahezu allen bekannten und technisch eingeführten Verfahren möglich. Für die bevorzugten Polymerstoffe kommen Verfahren wie das Spritzgießen oder das Extruieren in Frage, da der Querschnitt in Längsrichtung auch gleich bleibend sein kann. Gieß- und Umformverfahren sind auch denkbar.
Spezielle Oberflächen-Beschichtungs-Verfahren an den anliegenden Flügelenden oder an den bewegten Seitenflächen, welche die Reibung und den Verschleiß reduzieren, können mit Nano-Kristallen, Plasma-Oberflächen-Beschichtung oder auch anders aufgetragenen Metall-Dünnschichten behandelt werden.
Diese Art der Flügelauslegung hat auch Vorteile bei eventuell auftretenden Rücklauf-Problemen der Pumpe oder des Kompressors. Die offene Endkante wirkt wie eine Feder. Durch diese Feder-Eigenschaften der Flügel-Endkanten werden auch eventuell auftretende Toleranz-Fertigungs-Probleme zum Teil ausgeglichen. Außerdem kann der Flügel mit einem geringen Übermaß eingebaut werden, wodurch sich die Flügel-Kontur an die Außenwand der kreisrunden Pumpen- oder Kompressorwand anpasst.
Der Flügel mit den beidseitig offenen Endkanten wird in dieser Bauweise aus einem Werkstoff (Polymerwerkstoffe, Metalle oder andere Werkstoffe) hergestellt, der eine ausreichend hohe Dehnung (Verformung) im möglichst linear elastischen Bereich aufweist, damit der Arbeitsdruck der Pumpe über die Förder-Medien in der Lage ist, die Endkanten an die Wand an zu pressen. Das Gewicht des Flügels ist reduziert durch im Flügel regelmäßig angeordnete Hohlkammern 11 vorzugsweise gleicher Größe.
Diese hier erfindungsgemäß vorgestellt Bauweise reduziert den Materialverbrauch und durch das System „gleicher Wandstärken” die Spannungen im Flügel-Bauteil.
Ein Recycling der Flügel ist möglich, da der Flügel vorzugsweise aus einem Werkstoff besteht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006016241 A1 [0002]
- DE 2006012889 D1 [0002]
- DE 102004064029 A1 [0002]
- DE 20018958 U1 [0002]

Claims

Flügelzellenpumpe oder -kompressor mit mindestens einem innerhalb eines Rotors (2) verschieblich gelagerten Flügel (3), wobei der Rotor außermittig in einem Hohlzylinder (1) gelagert ist, an dessen Innenwand das Flügelende (4) reibend zur Anlage gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass das Flügelende (4) eine gewölbte federnde Zunge (6) bildet, die zumindest teilweise einen Hohlraum (5) umgibt, der zu einer Flügelseite (8) hin offen ist.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zunge (6) mit ihrer gewölbten Außenseite an der Innenwand (9) des Hohlzylinders (1) anliegt.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (3) an seinen beiden Enden (4) jeweils eine gewölbte federnde Zunge (6) aufweist, die jeweils den seitlich offenen Hohlraum (5) umgibt.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (5) sich zur Druckseite der Pumpen-, bzw. Kompressorkammer hin öffnet.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (3) mit seiner federnden Zunge (6) aus einem insbesondere polymeren Kunststoff besteht.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff Füllstoffe enthält, die die Reibung und/oder den Verschluss reduzieren.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (3) oder zumindest die Zunge (6) außenseitig mit einer Reibung und/oder Verschleiß mindernden Beschichtung versehen ist.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (3) Hohlkammern (11) aufweist.
Flügelzellenpumpe oder -kompressor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Flügel (3) sich einteilige quer durch den Rotor (2) erstreckt.