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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von einer Stirnzahnradpumpe mit einem angetriebenen
in einem Pumpengehäuse gelagerten Wellenrotor und einem
von diesem beim Rotieren über die Zähne mitgenommenen
Gegenrotor, wobei die Rotoren mindestens abschnittsweise nach außen
und zueinander kugelig ausgebildet sind, die kugeligen Lagerwände
sowie die Zähne der Zahnradpumpe die Arbeitsräume
begrenzen, welche im Pumpengehäuse einen Zugang und einen
Abgang für das zu fördernde Medium aufweisen und
wobei die Drehachse des Wellenrotors die Drehachse des Gegenrotors
unter Einschluss eines bestimmten Winkels schneidet.
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Derartige
Stirnzahnradpumpen sind in unterschiedlicher Gestaltung seit langem
bekannt und weisen je nach Entwicklung und entsprechender Zielsetzung
unterschiedliche Vorteile und Effekte auf, die mit Pumpen anderer
Gestaltung nicht erreichbar sind. So wird meistens mit derartigen
Stirnzahnradpumpen auch angestrebt, außer einer Förderung
von gasförmigen oder flüssigen Medien, solche
Maschinen auch als Motoren zu verwenden, indem die zugeförderten
Medien über die Pumpenarbeitsräume einen entsprechenden
Abtrieb am Wellenrotor erzielen.
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Bei
einer bekannten Drehkolbenmaschine der gattungsgemäßen
Art (
DE 42 41 320 C2 )
besteht der Vorteil darin, dass der Kamm der Zähne des
jeweils mit dem anderen Rotor kämmend zusammenwirkenden
Rotors einen Radius aufweist, der frei gestaltbar ist. Erst bei
näherem Überprüfen des Vorteils dieser
Erfindung ist erkennbar, dass durch diese frei gestaltbare Abrundung
der Zähne ein dichtender Formschluss zwischen den Zahnkämmen
und den diesen zugeordneten Ablaufflächen am Zykloidenteil entsteht,
ohne dass deshalb die zykloidische Grundfunktion verlassen wird.
Bekannt war vorher lediglich Dichtleisten einzusetzen, um die Vorteile
einer Trochoide zu nutzen.
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Bei
einer anderen gattungsgemäßen Stirnzahnradpumpe
(
US PS 3,865,440 ) beanspruchen Wellenrotor
und Gegenrotor mit ihrer nahezu kompletten Kugelgestaltung ein entsprechend
großes Pumpengehäuse, wobei Wellenrotor und Gegenrotor etwa
das gleiche Volumen aufweisen, ohne dass deshalb eine Verbesserung
oder Vergrößerung der Arbeitsräume entsteht.
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Bei
wieder einer anderen bekannten gattungsgemäßen
Stirnzahnradpumpe (
US PS 3,236,186 )
erfolgt der Antrieb des Wellenrotors über einen Mitnahmering,
der kugelig gelagert ist aber mit dem vollen Förderdruck
auf die Kugelebene gepresst wird.
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Der Erfindung zugrundeliegende
Aufgabe
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Stirnzahnradpumpe der
gattungsgemäßen Art weiter zu entwickeln, wobei
vor allem aufgrund der Konstruktion die äußeren
Abmaße verringert werden und die Drehlagerreibung verringert
wird, so dass aufgrund des Prinzips der Stirnzahnradpumpe mit Trochoidenverzahnung
eine Pumpe mit hohem Wirkungsgrad erzielt wird.
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Die Erfindung und ihre Vorteile
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Die
erfindungsgemäße Stirnzahnradpumpe der gattungsgemäßen
Art, bei der es sich bei der Verzahnung um eine Trochoidenverzahnung
handelt, bei der sowohl Wellenrotor als auch Gegenrotor mit ihrer äußeren
kugeligen Gestaltung in einer Halbkugelausnehmung des Pumpengehäuses
angeordnet sind, deren Achse in die Drehachse des Gegenrotors fällt,
bei der die Halbkugelausnehmung zur Aufnahme der Rotoren im Pumpengehäuse
durch einen mit dem Gegenrotor achsgleichen Zentrierdeckel verschlossen
ist, an dem sich der Gegenrotor mit der den Zähnen abgewandten
Seite abstützt und bei der Lagerzapfen zur Drehlagerung
der Rotoren gegenüber Pumpengehäuse und Zentrierdeckel
vorhanden sind, hat demgegenüber den Vorteil, dass eine
Pumpe mit sehr geringen Außenabmessungen konstruierbar
ist aber mit einem außerordentlich hohen Wirkungsgrad,
wobei zu berücksichtigen ist, dass derartige Pumpen außerordentlich
gefragt sind. Schon der konstruktive Unterschied zu dem oben erwähnten Stand
der Technik zeigt, wie schwierig derartige Entwicklungen sind und
dass hier vor allem eine Voreingenommenheit der Fachwelt überwunden
werden musste, da, wie einem Teil des Standes der Technik entnehmbar
ist, Konstruktionen der dort gegebenen Art lange zurückliegen,
wohingegen das Problem unverändert geblieben ist.
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Nach
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl Zentrierdeckel
als auch Endabschnitt der Halbkugelausnehmung einen ineinander passenden
zylindrischen Abschnitt auf. Hierdurch ist es in einfacher Art möglich
den Zentrierdeckel in den Endabschnitt der Halbkugelausnehmung, nämlich
deren offene Seite, einzuführen und zu befestigen. Bei
den bekannten Vorrichtungen ist ein solcher zylindrischer Abschnitt
nicht vorgesehen, so dass ein zweiter eine Halbkugelausnehmung aufweisender
Teil mit dem ersten Teil verbunden werden muss.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
erfolgt der Antrieb des Wellenrotors über einen Elektromotor,
vorzugsweise Außenläufermotor, der an dem Pumpengehäuse
achsgleich befestigt ist und zum Wellenrotor hin eine Drehkupplung
aufweist. Es ist zwar eine Pumpe bekannt, bei der die Förderung
des Mediums über Flügelzellen erfolgt und der
Antrieb über einen Elektromotor gegeben ist (
DE 32 21 389 A1 ), nur handelt
es sich hierbei um eine Pumpe völlig anderer Gattung, wobei
auch das dort zugrundeliegende Problem ein völlig anderes
ist.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
dienen auch zur Axiallagerung von Wellenrotor oder Gegenrotor Wälzlager,
die auf den Lagerzapfen von Wellenrotor bzw. Zentrierdeckel angeordnet
sind. Durch derartige Wälzlager wird natürlich
einerseits die Rotation der Rotoren gefördert, aber es werden
außerdem Konuskräfte in axialer Richtung des Lagers
aufgenommen, so dass die Reibungsbelastung an den Kugelwänden
innerhalb des Gehäuses oder auch des Gegenrotors zum Wellenrotor
hin verringert werden kann. Dies trägt vor allem zu einem
günstigen Wirkungsgrad bei, wie er meist nicht erwartet
wird.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ist der Lagerzapfen des Wellenrotors auf der den Zähnen
abgewandten Seite angeordnet und dient als Drehkupplung, wobei er
in eine entsprechende Bohrung des Pumpengehäuses ragt auf
der den Zähnen abgewandten Seite. Auch hierdurch ist eine
vollständige Entlastung des Wellenrotors in axialer Richtung
zum Elektromotor hin gegeben, ohne dass deshalb die Mitnahmedrehqualität
leidet.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
ragt der Lagerzapfen am Zentrierdeckel des Pumpengehäuses
als Führungsmittel in eine Bohrung des Gegenrotors und
zwar auf der den Zähnen abgewandten Seite des Gegenrotors. Dies
hat erst beim zweiten Hinschauen erkennbar den Vorteil, dass der
Zentrierdeckel und damit die Außenabmessungen der Pumpe
flach gehalten werden können und dass außerdem
das Massevolumen des Gegenrotors mit seiner lediglich Pumpenarbeitsraum
begrenzenden Funktion stark verringert wird. Auch dies kommt dem
Wirkungsgrad der Pumpe zugute.
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Nach
einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
sind Zu- und Abgang der Pumpe in Form von Rohrstutzen ausgebildet,
welche zueinander parallel und weitgehend rechtwinklig zur Achse
des Wellenrotors verlaufen, wobei innerhalb des Pumpengehäuse
entsprechende Verbindungen zu den Arbeitsräumen der Pumpe
vorhanden sind. Auch dieses Merkmal dient den günstigen
Einsatzmöglichkeiten der Pumpe, wobei normalerweise die Zu-
und Abgänge von Pumpen auf unterschiedlichen Seiten liegen
und im Falle einer gewünschten Parallelisierung umgeleitet
werden müssen.
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Zusätzliche
Ausgestaltungen der Erfindung betreffen den Wirkungsgrad verbessernde
Gestaltung der Zähne, beispielsweise deren Querschnitts aber
auch in deren Längsausdehnung, die gekrümmt eine
besonders gute Wirkung bringt. So ist auch bei der gewählten
Gestaltung die erfindungsgemäße Stirnzahnradpumpe
besonders im Bereich von gasförmigen Medien, beispielsweise
Luft, vorteilhaft.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist
in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1.
einen Längsschnitt durch das gesamte erfinderische Pumpenaggregat;
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2 eine
Ansicht des Aggregats von der Pumpenseite her;
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3 den
Wellenrotor im Längsschnitt und die
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4–7 Volumenstromkurven
der erfinderischen Pumpe mit einer Leistung bis zu 200 Liter pro
Minute.
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Wie
in 1 dargestellt ist eine Stirnzahnradpumpe 1 mit
ihrem Gehäuse 2 mit einem sehr vereinfacht dargestellten
Elektromotor 3 verbunden. Dieser Elektromotor 3 ist
nicht näher dargestellt, wird aber bevorzugt als Außenläufermotor
ausgebildet sein. Jedenfalls wird über eine Welle 4 des
Motors und eine Drehkupplung 5 ein Wellenrotor 6 der
Pumpe angetrieben, welcher stirnseitig Zähne 7 aufweist, welche
in Zähne 8 eines Gegenrotors 9 greifen,
so dass beim durch den Elektromotor 3 angetriebenem Rotieren
des Wellenrotors 6 dieser den Gegenrotor 9 drehschlüssig
mitverdreht. Die Drehachsen der beiden Rotoren 6 und 9 schließen
einen bestimmten Winkel ein, so dass ein zwischen den Zähnen 7 und 8 befindlicher
Pumpenarbeitsraum beim Rotieren verkleinert bzw. vergrößert
wird, um dadurch die Saug- bzw. Druckwirkung der Pumpe zu bewirken.
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Beide
Rotoren, nämlich Wellenrotor und Gegenrotor, sind in einer
Halbkugelausnehmung 10 des Gehäuses 2 angeordnet,
so dass sie von der Öffnungsseite 11 in das Gehäuse 2 eingesetzt
werden können. Da es sich um eine Halbkugelausnehmung handelt
ist es möglich ungehindert von der Öffnungsseite 11 her
beide Rotoren einzusetzen. Um die notwendige Pumpwirkung zwischen
den Rotoren erzeugen zu können wird diese Halbkugelausnehmung 10 durch
einen Zentrierdeckel 12 verschlossen, der dem Gegenrotor 9 zugewandt
einen zylindrischen Abschnitt 13 aufweist, der in einen
entsprechend gestalteten zylindrischen Endabschnitt 14 der
Halbkugelausnehmung gesteckt wird.
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Wie
besonders 2 entnehmbar ist, wird der Zentrierdeckel 12 am
Pumpengehäuse 2 über Schrauben 15 befestigt.
Sowohl das Gehäuse 2 als auch der Bereich um die
Schrauben 15 wird in Bezug auf Materialanhäufung
so stark wie möglich reduziert, um dadurch ein möglichst
leichtes Aggregat zu erhalten. Dies gilt natürlich auch
für die Verbindung zwischen Pumpengehäuse 2 und
Elektromotor 3, wofür Nasen 16 vorgesehen
sind – in der Zeichnung allerdings ohne Verbindungsschrauben
dargestellt.
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Von
dem Pumpengehäuse 2 zweigen, wie in 2 gezeigt,
zwei Anschlüsse 17 ab, die für das zu fördernde
Medium eine Verbindung zu den zwischen den Zähnen 7 und 8 gebildeten
Arbeitsräumen besteht und die aus praktischen Gründen
weitgehend parallel verlaufen, um so mehr als eine Stirnzahnradpumpe
Saug- und Druckseite nahezu auf der gleichen Gehäusehälfte
aufweisen.
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Der
Gegenrotor 9 hat zum Wellenrotor 6 hin eine kugelige
Erhebung 18, die in eine entsprechende kugelige Vertiefung 19 des
Wellenrotors 6 ragt. Hierdurch wird die aufgrund der einen
bestimmten Winkel einschließenden Drehachsen von Wellenrotor und
Gegenrotor sich zueinander ergebende Lageänderung gelöst,
allerdings üblicherweise mit dem Nachteil der starken Materialanhäufung
durch diese kugelige Erhebung. Um dieses Volumen der kugeligen Erhebung 18 zu
verringern, ist in der kugeligen Erhebung 18 von der Seite
des Zentrierdeckels 12 her eine zentrale Bohrung 20 vorgesehen,
in die ein Zentrierzapfen 21 des Zentrierdeckels 12 ragt. Über ein
zwischen dem Zentrierzapfen 21 und der zentralen Bohrung 20 angeordnetes
Wälzlager 22 wird einerseits die Leichtläufigkeit
des Gegenrotors gefördert, aber andererseits auch Reibkräfte
zwischen Gegenrotor 9 und Zentrierdeckel 12 verringert
bzw. ganz abgebaut, da ein solches Wälzlager 22 auch entsprechende
Axialkräfte aufnehmen kann, die am Gegenrotor entstehen
durch die Druckkräfte in den Pumpenarbeitsräumen
zwischen den Zähnen 7 und 8. Zur Aufnahme
der Axialkräfte sind natürlich entsprechende Schultern
durch Abdrehungen im Lagerbereich vorgesehen.
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Diese
den Wirkungsgrad aufgrund Herabsetzung der Reibung verbessernde
Effekt ist besonders auch bei Betrachtung von 3 in
Verbindung mit 1 erkennbar. Der in 3 vergrößert
dargestellte Wellenrotor 6 hat, im Unterschied zum Gegenrotor 9,
einen Unterschied von einem Zahn, um die gewünschte Pumpwirkung
zu erzielen. Das Wälzlager 23 ist hier auf einem
Zapfen 24 des Wellenrotors 6 angeordnet, wobei
sich axial dieses Wälzlager 23 an einer Querschulter 25 des
Wellenrotors 6 abstützt und andererseits an einem
Abstützring 26 des Gehäuses 2,
bei dem es sich beispielsweise um einen Segerring handeln kann.
Maßgebend ist, dass durch die Wälzlager 22 und 23 die
Radialkräfte auf die kugelförmige Wandung mit
ihrer konischen Klemmwirkung verringert oder gar aufgehoben werden.
Die Drehkupplung 5 zwischen Drehwelle 4 und Wellenrotor 6 kann
eine einfache einen Axialhub zulassende Zahnkupplung sein mit einer
Keilverzahnung 27 odgl.
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Aus
den Diagrammen ist der Vorteil der Erfindung herleitbar, wobei eine
grundsätzliche Verbesserung gegenüber bekannten
Pumpen von mindestens 20% erzielt ist.
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In 4 ist
der Volumenstrom über der Drehzahl aufgetragen, in 5 der
volumetrische Wirkungsgrad über dem Volumenstrom, in 6 der Druckaufbau über
dem Volumenstrom und in 7 der Verdichterwirkungsgrad über
dem Volumenstrom. Wie deutlich erkennbar ist sind bei allen grundsätzlichen
Untersuchungen ähnliche Ergebnisse erzielt worden, wobei
besonders für die Praxis der Wirkungsgrad gemäß 7 bedeutungsvoll
ist.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der
Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln
als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 1
- Stirnzahnradpumpe
- 2
- Gehäuse
von 1
- 3
- Elektromotor
- 4
- Welle
von 3
- 5
- Drehkupplung
- 6
- Wellenrotor
- 7
- Zähne
- 8
- Zähne
- 9
- Gegenrotor
- 10
- Halbkugelausnehmung
- 11
- Öffnungsseite
- 12
- Zentrierdeckel
- 13
- zylindrischer
Abschnitt von 12
- 14
- zylindrischer
Abschnitt von 10
- 15
- Schrauben
- 16
- Nasen
- 17
- Anschlüsse
- 18
- kugelige
Erhebung von 9
- 19
- kugelige
Vertiefung in 6
- 20
- zentrale
Bohrung
- 21
- Zentrierzapfen
- 22
- Wälzlager
- 23
- Wälzlager
- 24
- Zapfen
von 6
- 25
- Querschulter
- 26
- Abstützring
- 27
- Keilverzahnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4241320
C2 [0003]
- - US 3865440 [0004]
- - US 3236186 [0005]
- - DE 3221389 A1 [0009]