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Die
Erfindung betrifft einen Stator für Exzenterschneckenpumpen mit
einem zylindrischen, den Stator nach außen begrenzenden Statormantel
und einer an der Innenseite des Statormantels anliegenden Auskleidung,
die zur Mittelachse des Stators gerichtet ein gewindeartiges Profil
aufweist.
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Stand der Technik
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Aus
der
US 2006/0182644
A1 geht eine Exzenterschneckenpumpe hervor, die Antrieb
für einen Bohrlochmotor
ist. Der Stator besteht aus mehreren aneinander gereihten Statorelementen,
die von einem Statormantel umgeben sind. Die Statorelemente können durch
Keile gegenüber
dem Statormantel gegen Verdrehung gesichert werden. An der inneren Oberfläche der
Statorelemente ist eine elastomere Schicht angebracht.
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Daneben
ist aus
DE 3438379
A1 ein aus einem Stück
gefertigter Stator bekannt, der bei geringem Materialaufwand mittels
an der Außenseite
einer Doppelschnecke angebrachter Stege eine hohe axiale Steifigkeit
erzielt.
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Die
DE 2408186 A1 zeigt
eine radial nachstellbaren Pumpenstator, bei dem man durch druckbeaufschalgte
Hohlräume
dem Leckstrom entgegenwirkt. Dabei sind mehrere voneinander unabhängige Hohlräume in einem
gummielastischen Teil eingebracht.
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Aus
der
US 5832604 geht
eine Fertigungsmethode für
einen segmentierten Stator hervor, bei der die Statorgeometrie dadurch
erreicht wird, indem eine Vielzahl von ausgeschnittenen Scheiben
auf einem der Statorgeometrie entsprechenden Dorn aufgefädelt werden
und anschließend
in einen die Scheiben umgebenden Statormantel eingeschrumpft und
eingelötet
werden. Eingebrachte durchgängige Hohlräume dienen
dem Durchführen
von Drähten oder
Durchströmen
von Flüssigkeiten
durch den Stator hindurch.
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Aufgabenstellung
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Statorelemente materialsparend
und trotzdem stabil herzustellen, so dass sie auch für den untertägigen Einsatz
bei Bohrlochpumpen Verwendung finden können.
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Erfindungsgemäß wird die
Erfindung durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
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Ausführungsbeispiele
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Die
Erfindung sieht vor, die Auskleidung über die nahezu gesamte Länge des
Stators mit Hohlräumen
zu versehen. Die Hohlräume
können
je nachdem welche Stabilität
die Auskleidung aufgrund des in der Pumpe herrschenden Drucks aufweisen
muss, unterschiedlich geformt sein.
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Im
Ausführungsbeispiel
sind die Hohlräume quaderförmig mit
quadrischer Basisform gestaltet. In dieser Form sind die Hohlräume von
5 Wänden
in der Auskleidung und einer Seite der Innenwand des Statormantels
begrenzt. Beispielsweise können
die Hohlräume
auch polygonförmige,
wabenförmige
Gestaltungen haben. Da die Auskleidung im Spritzgussverfahren hergestellt
wird, versucht man den Werkzeugaufbau so zu gestalten, dass das
Entformen der Auskleidung aus der Gussform leicht vonstatten geht.
Durch die strukturförmige
Gestaltung der Auskleidung mit nach außen hin befindlichen Hohlräumen wird
erfindungsgemäß erreicht,
dass nahezu zwei Drittel des Materials gegenüber herkömmlichen Gestaltungen der Auskleidung
eingespart werden, bei gleicher Stabilität.
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Entsprechend
einer weiteren erfindungsgemäßen Gestaltung
verlaufen die Seitenwände
der Hohlräume
radial und achsparallel zur Längsachse der
Auskleidung, wobei die Seitenwände
im Bereich des Statormantels im rechten Winkel zueinander stehen.
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Eine
erfindungsgemäße Ausführung sieht vor,
dass die Auskleidung aus mehreren zylinderförmigen Strukturelementen zusammengesetzt
ist. Die Verbindung der Strukturelemente untereinander geschieht
durch aktive und passive Verschlusselemente an deren Enden, wobei
die aktiven Verschlusselemente aus elastischen, mit den Strukturelementen verbundenen,
Klinken bestehen. Die passiven Verschlusselemente stellen radial
verlaufende Seitenwände
der Hohlräume
dar.
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In
einer Weiterbildung der Erfindung sind zwischen den axial zur Pumpenlängsachse
aneinandergereihten Strukturelementen ringförmige Dichtungselemente vorgesehen.
Diese Dichtungselemente sind so dimensioniert, dass sie beim Zusammenfügen der
Strukturelemente komprimiert werden und sich dadurch radial vergrössern und
deshalb über
die Außenoberfläche der
Strukturelemente ragen. Somit dichten die Dichtungselemente in zweierlei
Hinsicht, zum einen die Strukturelemente gegenüber dem Statormantel und zum
anderen die Strukturelemente untereinander ab.
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Gemäß einer
weiteren erfinderischen Gestaltung der Auskleidung sind die Strukturelemente mit
Verdrehsicherungen ausgestattet. Eine Art der Verdrehsicherung kann
jede ringförmige
Dichtung sein, die radial über
die Strukturelemente der Auskleidung hinausragt und kraftschlüssig wirkt.
Des Weiteren lässt
sich ein Verdrehen über
eine formschlüssige
Verbindung zwischen den Strukturelementen und dem Statormantel erreichen,
indem die Strukturelemente beispielsweise eine polygonförmige Aussenkontur
längs zur
Längsmittelachse
des Stators erhalten. Eine weitere Art stellen stabile Stifte oder
Schrauben aus Kunststoff oder Metall dar. Diese Stifte sind in die
Strukturelemente eingebracht und stecken lose oder fest in dafür vorgesehenen
runden, rechteckigen oder quadratischen Aufnahmen. Die Aufnahmen
befinden sich zentral zwischen den längs und quer zur Längsmittelachse
des Stators verlaufenden Wänden
der Hohlräume.
Befestigt werden die Stifte oder Schrauben in den Aufnahmen über Passungen,
Gewinde- oder Klebstoffverbindungen. Im Statormantel befinden sich
Bohrungen, Gewindelöcher
oder Nuten, in die die Stifte oder Schrauben eingreifen und somit
die Auskleidung vor Verdrehung oder Verschiebung sichern.
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In
einer weiteren Gestaltung der Erfindung sind die Strukturelemente
im Statormantel gegen axiales Verschieben gesichert, das aufgrund
des entstehenden Gegendrucks und der Rotorbewegung entstehen kann.
Hierzu sind an einem oder beiden Enden des Statormantels Gewinderinge
vorgesehen, die die Strukturelemente miteinander verspannen und
zudem fest mit dem Statormantel verbinden.
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Da
während
des Betriebes der Exzenterschneckenpumpe mittlere bis hohe Drücke von über 50 bar
auftreten, sind zwischen den Hohlräumen Öffnungen in der Form von Bohrungen
oder Schlitzen eingebracht, die zum Druckausgleich zwischen des aus
Rotor- und Statorgeometrie gebildeten Förderkammern der Pumpe und den
Hohlräumen
in der Auskleidung führen.
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Bezüglich der
Herstellung der Auskleidung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Auskleidung
im Spritzgussverfahren hergestellt wird. Damit ist es möglich, unter
der Verwendung von Kunststoff oder auch Metall oder Metalllegierungen
einzelne Strukturelemente oder die gesamte Auskleidung mit Hohlräumen herzustellen
und damit Material zu sparen.
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Abhängig vom
Produkt, das mit der Pumpe gefördert
werden soll, erhält
die Auskleidung auf ihrer zum Rotor gerichteten Seite entweder keine
oder eine elastische Schicht, die aufvulkanisiert wird.
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Figurenbeschreibung
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Ein
erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel
ist anhand der anhängenden
Zeichnungen dargestellt. Es zeigt:
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1 perspektivische
Darstellung eines Strukturelementes mit elastischer Schicht zur
Auskleidung eines Statormantels
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2 Schnittdarstellung
eines Strukturelementes mit elastischer Schicht und Dichtring zur
Auskleidung eines Statormantels
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3 Dichtungselement
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4 Axialschnitt
durch zwei verbundenen Strukturelemente
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5 Perspektivische
Seitenansicht zweier Strukturelemente
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6 Schnittdarstellung
der Auskleidung vor und nach erfolgtem Aneinanderfügen der
Strukturelemente
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7 Teilschnitt
eines Pumpenstators
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8 perspektivische
Darstellung einer Auskleidung ohne elastische Schicht mit polygonförmiger Aussenkontur
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Auskleidung 10 eines
Stators 12 für
Exzenterschneckenpumpen. Die Auskleidung 10 setzt sich
in diesem Beispiel aus zwei Strukturelementen 14 zusammen. Jedes
Strukturelement weist Hohlräume 18 auf,
die über
deren gesamten Umfang angeordnet sind. Alle Hohlräume verfügen über vier
Seitenwände 20, 22, 24, 26 und
den Boden des Hohlraumes 28. Die Verbindung der Strukturelemente 14 untereinander
geschieht durch aktive und passive Verschlusselemente 30, 32,
an die jeweils gegenüberliegenden
Enden der Strukturelemente 14 ausgebildet sind. Das aktive Verschlusselement 30 besteht
aus einer elastischen Klinke 34. Alle Strukturelemente 14 weisen
ebenso viele Klinken wie in einer Reihe um den Umfang angeordneter
Hohlräume 18 auf.
Im Ausführungsbeispiel
der 1 sind dies zwölf
Klinken. Damit sich die Strukturelemente untereinander nicht verdrehen,
ist der Bereich, in dem sich die passiven und aktiven Verschlusselemente 30, 32 befinden,
polygonal gestaltet.
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Die
Strukturelemente 14, die im Spritzgussverfahren hergestellt
sind, erhalten anschließend
an diesen Spritzvorgang eine innere elastische Schicht 36,
wie dies 2 zeigt. Die Strukturelemente,
von denen eines vollständig
in 2 dargestellt ist, weisen an einer Seite die aktiven
Verschlusselemente 30 und am anderen, gegenüberliegenden
Ende die passiven Verschlusselemente 32 auf. Als aktives
Verschlusselement 30 bezeichnet man in diesem Ausführungsbeispiel
die in gleichen Abständen
rund um den gesamten Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten Klinken 34.
Die Nasen 38 der Klinken 34 weisen zur Mittelachse
der Strukturelemente. Dadurch, dass die Nasen 38 am Ende
eines mindestens viermal so langen, radial beweglichen Materialstreifens sitzen,
vollziehen diese Nasen beim Zusammenstecken zweier Strukturelemente 14 eine
radial nach außen
gerichtete Bewegung und legen sich dadurch hinter das passive Verschlusselement 32.
Verkörpert wird
dieses passive Verschlusselement 32 von einer radial verlaufenden
Wand 40 eines Hohlraumes 18. 2 zeigt
sowohl die radial verkürzte
Wand 40, hinter der die Nase 38 einrastet, wie
auch die letzte Wand 42, an der ein weiteres Strukturelement 14 zur Anlage
kommt. Zur Abdichtung der Strukturelemente 14 untereinander
sitzt zwischen den Strukturelementen 14 eine Dichtung 44 in
Form eines Dichtungsringes.
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Das
Dichtungselement 44 weist, wie in 3 dargestellt,
eine Nut 46 auf. Diese Nut 46 verläuft zentral
von der Innenseite der Nut 46 zum Umfang und teilt diesen
Ring auf in zwei seitliche Schenkel 48, 50. Die äußere Fläche 52 des
Dichtungselementes 44 hat zwei kleine Vertiefungen 54, 56,
so dass der Dichtungsbereich zwischen den Vertiefungen 54, 56 beim
Zusammenpressen des Dichtungselementes 44 durch die entsprechenden
Hohlraumwände 58, 60 radial
nach außen
gewölbt
wird.
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Wie
in 4 dargestellt, dichtet diese Wölbung 62 die Auskleidung 10 gegenüber dem
Statormantel 64 ab. Den Anpressdruck, der auf das Dichtungselement 44 wirkt,
bestimmt der Abstand des Klinkenkopfes 90 zur verdickt
ausgeführten
Dichtungswand 66, die Teil eines Hohlraumes 18 ist.
Da dieser Abstand stets gleich groß bleibt, ist auch der Druck,
den das Dichtungselement 44 auf den Statormantel 64 ausübt, gleich.
Damit der Betriebsdruck in der Pumpe während des Fördervorgangs nicht zur Deformation
der strukturförmigen
Auskleidung 10 führt,
sind die Hohlräume 18 untereinander
mittels druckausgleichenden radial und axial verlaufenden Kanälen in der
Form von Nuten 68 verbunden. Den Druckausgleich zwischen
dem Pumpeninnenraum 70 und den Hohlräumen 18 erzeugt man über Durchlässe 72 in
mehreren Hohlraumböden 28.
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Aus 5 geht
die Gestaltung der Verdrehsicherung 74 hervor. Das Ausführungsbeispiel
zeigt die Halterungen 76, die im Schnittpunkt von radial und
axial verlaufenden Wänden 40, 78 angeordnet sind.
In der Halterung 76 steckt ein zylindrischer Stift, oder
eine Schraube 80, welche für die starre Verbindung der
Auskleidung 10 zum Statormantel 64 sorgen. Zur
Erhöhung
der Belastbarkeit der Halterungen 76 verfügen diese über eine
zentral, aus Metall bestehende, zylindrische Hülse 82, die den Stift,
oder die Schraube 80 aufnimmt und umgibt. Das Dichtungselement 44 steht
in diesem Ausführungsbeispiel
unter dem Druck, der von beiden Strukturelementen 14 erzeugt
wird, wodurch das Dichtungselement 44 eine Wölbung 62 bildet,
die eine zusätzliche Sicherung
gegen das Verdrehen der Auskleidung 10 zum Statormantel 64 ist.
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Aus 6 geht
der Aufbau der Auskleidung 10 hervor, wenn die Strukturelemente 14 bereits formschlüssig miteinander
verbunden sind. In diesem Fall sind im oberen Bereich des Stators 12 zwei Strukturelemente 14 starr
aneinandergefügt,
wobei die Klinken 34 und speziell deren Nasen 38 hinter
der radial verlaufenden Wand 40 eines Hohlraumes 18 einrasten.
Die beiden Strukturelemente 14 komprimieren das Dichtelement 44 sowohl
mit der Dichtungswand 66 als auch durch den Klinkenkopf 90. Dadurch
drückt
die Wölbung 62 des
Dichtungselementes 44 gegen die Innenseite des Statormantels 64 und
hemmt die Auskleidung gegen das Verdrehen einzelner oder aller Strukturelemente 14,
wodurch sich sonst die Strukturelemente 14 des Stators
mit dem Rotor drehen würden.
Das dargestellte Ausführungsbeispiel
zeigt, dass die Innenseiten der Strukturelemente 14, die
zum Pumpeninnenraum 70 weisen, mit einer elastischen Schicht 36 versehen
sind, die gleichzeitig zwischen zwei Strukturelementen 14 als
Dichtung arbeiten, da sich die Schicht nicht nur axial, sondern
auch radial erstreckt.
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Ein
kompletter Stator mit einer aus einzelnen Strukturelementen 14 bestehenden
Auskleidung 10 ist aus 7 zu entnehmen.
Die Strukturelemente 14 sind an beiden Enden des Statormantels 64 mit
jeweils einem Spannring 84 zusammengehalten. Dazu hat der
Statormantel 64 im jeweiligen Endbereich ein Innengewinde
und die Spannringe 84 ein Außengewinde mit gleicher Drehrichtung.
Von der Anzahl der Druckstufen abhängig ist die Anzahl der zum
Einsatz kommenden Strukturelemente 14. Als Abschluss vor dem
Spannring 84 findet entweder nur ein kurzes Klinkenteil 86 oder
ein klinkenloses Teil 88 Einsatz, damit eine vollflächige Verbindung
zu den Spannringen 84 stattfindet.
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Die
Strukturelemente werden im Spritzgussverfahren hergestellt, wozu
erfindungsgemäß die Materialien
Polyamid (PA), Polypropylen (PP), Polystyrol (PS), Polyoxymethylen
(POM), Polyamidimid (PAI), Polyphenylensulfid (PPS), Polyetheretherketon
(PEEK), Polyvinylidenfluorid (PVDF), Ethylen-Chlortrifluorethylen-Copolymer (E-CTFE),
Polytetrafluorethylen (PTFE) zum Einsatz kommen. Die Materialauswahl
beschränkt
sich jedoch nicht nur auf Kunststoff. Auch Metalle kommen als Spritzgussmaterial
in Frage. Hierbei kann beim Aluminiumspritzguss die Legierung EN
AC-AlSi10Mg(Fe) zum Einsatz kommen. Beim Einsatz des Stators in
besonders heißen
Regionen kann man auf die elastische Beschichtung der Auskleidung
in Richtung Pumpenraum 70 verzichten.
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- 10
- Auskleidung
- 12
- Stator
- 14
- Strukturelement
- 18
- Hohlräume
- 20
- Seitenwände
- 22
- Seitenwände
- 24
- Seitenwände
- 26
- Seitenwände
- 28
- Boden
des Hohlraumes
- 30
- Verschlusselemente
- 32
- Verschlusselemente
- 34
- Klinke
- 36
- Schicht
- 38
- Nase
- 40
- Wand
- 42
- Wand
- 44
- Dichtungselement
- 46
- Nut
- 48
- Schenkel
- 50
- Schenkel
- 52
- Fläche
- 54
- Vertiefung
- 56
- Vertiefung
- 58
- Wände
- 60
- Wand
- 62
- Wölbung
- 64
- Statormantel
- 66
- Dichtungswand
- 68
- Nut
- 70
- Pumpeninnenraum
- 72
- Durchlässe
- 74
- Verdrehsicherung
- 76
- Halterung
- 78
- Wand
- 80
- Stift
- 82
- Hülse
- 84
- Spannring
- 86
- Klinkenteil
- 88
- Teil
- 90
- Klinkenkopf