DE102009040647A1

DE102009040647A1 - Schieberpumpe und orthopädietechnische Einrichtung mit einer Schieberpumpe

Info

Publication number: DE102009040647A1
Application number: DE200910040647
Authority: DE
Inventors: Lars Benjamin Finke
Original assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Current assignee: Otto Bock Healthcare GmbH
Priority date: 2009-09-09
Filing date: 2009-09-09
Publication date: 2011-04-28
Also published as: WO2011029425A2; WO2011029425A3

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schieberpumpe (1) mit einem Rotor (3), der in einem Gehäuse (2) umläuft und zumindest einem Schieber (5), der in dem Rotor (3) verschieblich gelagert ist. Der Rotor (3) ist zentral in der Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung angeordnet und steht an mehreren Stellen mit der Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung unter Ausbild(51, 52) gleiten ständig an der Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung oder an dem Rotorumfang entlang.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schieberpumpe mit einem Rotor, der in einem Gehäuse umläuft, und zumindest einem Schieber, der relativ zu dem Rotor verschieblich gelagert ist. Die Erfindung betrifft ebenfalls eine orthopädietechnische Einrichtung, insbesondere eine Orhese oder Prothese, die mit einer solchen Schieberpumpe ausgestattet ist, um zwei gelenkig miteinander verbundene Komponenten relativ zu einander zu verlagern.
Schieberpumpen und Flügelzellenpumpen sind seit langer Zeit aus dem Stand der Technik bekannt. Der übliche Aufbau einer Flügelzellen- oder Drehschieberpumpe sieht einen Rotor vor, der exzentrisch in einem kreisförmigen Gehäuse angeordnet ist. An dem Rotor sind zwei oder vier Flügel oder Schieber angeordnet, die gegen die Innenkontur des Gehäuses gedrückt werden. Dies geschieht entweder durch die Fliehkraft der Rotationsbewegung des Rotors oder durch eine Beaufschlagung mittels Federkraft. Ebenfalls ist eine andere Druckkraftquelle möglich, durch die die Schieber von innen nach außen gedrückt werden. Nachteilig daran ist jedoch, dass gerade während des Anlaufens, wenn noch keine ausgeprägten Fliehkräfte vorliegen, die rein fliehkraftbetriebenen Pumpen wenig wirkungsvoll arbeiten. Das aktive Herausdrücken der Schieber aus dem Rotorrad führt zu nachteiligen Reibeffekten, darüber hinaus muss Energie aufgewendet werden, um die Vorspannkraft zu überwinden. Bei sehr hohen Drehzahlen und damit Fliehkräften erhöht sich die Reibung an den Schieberenden stark.
Darüber hinaus ist es ungünstig, dass solche Pumpen nicht pulsationsfrei arbeiten. Durch die Exzentrizität des Rotors zu dem Gehäuse bzw. Stator ergibt sich eine Differenz der im Eingriff befindlichen Schieberflächen bei unterschiedlichen Rotorstellungen. Daraus resultiert für einen bekannten Drehwinkel ein Verdrängungsvolumen, das je nach Ausgangsstellung des Rotors leicht variiert. Die maximale Differenz der Schieberlängen außerhalb des Rotors ergibt sich durch Vergleich der maximal herausstehenden Schieberlänge mit der Stellung, in der die Schieberlängen in der Summe minimal über den Rotor hinaus stehen.
Die Differenzlänge errechnet sich aus dem Durchmesser des Stators abzüglich der Wurzel aus der Differenz zwischen dem Quadrat des Statordurchmessers und dem vierfachen des Quadrates der Exzentrizität. Diese, wenn auch kleine, Volumenstrompulsation ist für einen exakten Antrieb einer Prothese oder Orthese, für den ein genau definierter Volumenstrom notwendig ist, nachteilig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schieberpumpe und eine orthopädietechnische Einrichtung bereitzustellen, mit denen diesen Nachteilen begegnet werden kann. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Schieberpumpe mit den Merkmalen des Hauptanspruches sowie eine orthopädietechnische Einrichtung mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Die erfindungsgemäße Schieberpumpe mit einem Rotor, der in einem Gehäuse umläuft, und zumindest einem Schieber, der relativ zu dem Rotor verschieblich gelagert ist, sieht vor, dass der Rotor zentral in der Kontur der Gehäuseinnenwandung angeordnet ist, dabei an mehreren Stellen mit der Gehäuseinnenwandung unter Ausbildung von Kammern in Kontakt steht und die Schieberenden ständig an der Gehäuseinnenwandung oder an dem Rotorumfang entlanggleiten. Die Ausbildung mehrerer Kammern zwischen dem Rotor und der Gehäuseinnenwandung durch den zentral angeordneten Rotor stellt sicher, dass mehrerer Förderkammern und Fördervolumina bereitgestellt werden. Um eine pulsationsfreie Förderung zu erreichen, ist es notwendig dass bei gleicher Rotordrehzahl zu jeder Zeit das gleiche Fördervolumen zur Verfügung gestellt wird. Dies wird unter anderem dadurch gewährleistet, dass zu jeder Zeit dieselbe kumulierte Schieberlänge in Eingriff ist, wobei die Schieber die Kammern voneinander trennen.
Der Rotor kann einen kreisförmigen Querschnitt und die Gehäuseinnenwandung eine abgerundet eckige Kontur aufweisen oder umgekehrt, woraus sich aus der Eckenanzahl die Anzahl der Kammern und Fördervolumina ergibt. Ist die Eckenanzahl ungerade und größer als zwei, kann die Kontur der Gehäuseinnenwandung als Gleichdick ausgebildet sein. Je größer die Anzahl der Ecken ist, desto mehr nähert sich die Kontur einem Kreis an und desto geringer fällt das Pumpvolumen je Schieberlänge aus. Die Verringerung des Pumpvolumens kann durch eine Erhöhung der Anzahl einander diametral angeordneter Schieberenden kompensiert werden. Ist eine Schieber einteilig ausgebildet und durchdringt den Rotor, sind zwei Schieberenden ständig in Kontakt mit der Gehäuseinnenwandung, bei zwei durchgängigen Schiebern sind vier Schieberenden ständig in Kontakt mit der Gehäuseinnenwandung und trennen die Kammern voneinander ab. Eine pulsationsfreie Pumpe liegt dann vor, wenn die Schieber paarweise vorliegen und einen gleichmäßigen Winkelversatz zueinander aufweisen. Bei der Berechnung des Winkelversatzes ist der Kreisumfang durch die doppelte Anzahl der Kontaktstellen des Rotors an der Gehäuseinnenwandung zu teilen. Sofern ein Eckversatz vorliegen soll, also wenn zwischen zwei benachbarten Schieberenden noch eine Kammer zwischen den Kontaktstellen des Rotors an der Gehäuseinnenwandung vorhanden sein soll [ist der Begriff „Eckversatz” richtig definiert?], muss zu diesem Wert das Produkt aus dem gewünschten Eckversatz und den Quotienten aus dem Kreisumfang und der Anzahl der Kontaktstellen addiert werden.
Damit bei einer Anordnung des oder der Schieber die diametral angeordneten Schieberenden ständig an der Gehäuseinnenwandung entlang gleiten, insbesondere anliegen, kann die Kontur der Gehäuseinnenwandung als Gleichdick ausgebildet sein. Der Rotor ist dabei zentral in der Kontur der Gehäuseinnenwandung angeordnet, wobei sich zwischen der Kontur der Gehäuseinnenwandung und dem Rotor Räume mit über die Drehung des Rotors verändernden Volumina ausbilden, um einen Pumpeffekt zu erreichen.
Als Schieberenden, die an der Gehäuseinnenwandung anliegen, sind diejenigen Teile des Schiebers oder der Schieber anzusehen, die radial aus dem Rotor herausragen können und in radialer Richtung relativ zu dem Rotor beweglich sind. Während einer Rotordrehung kann ein Schieberende auch vollständig in den Rotor hineingedrückt werden, wenn der Rotor an einer Stelle an der Gehäuseinnenwandung anliegt oder in unmittelbarer Nähe entlanggleitet. Die zentrische Anordnung des Rotors in der Kontur der Gehäuseinnenwandung verringert den Fertigungsaufwand, da eine zentrale Anordnung des Rotors leichter als eine exzentrische Anordnung zu realisieren ist. Vorzugsweise weist der Rotor einen kreisförmigen Querschnitt auf und kann an mehreren Stellen an der Gehäuseinnenwandung anliegen bzw. unter Ausbildung eines geringfügigen Spaltes an der Gehäuseinnenwandung entlang gleiten. Grundsätzlich ist hier jede eine Gleichdick ausbildende Kontur der Gehäuseinnenwandung möglich, bevorzugt ist die Gehäuseinnenwandung als ein abgerundetes Dreieck oder Sechseck ausgebildet.
Auch bei Konturen, die nicht als Gleichdick ausgebildet sind, ist durch eine paarweise Anordnung von Schiebern zueinander eine pulsationsfreie Förderung möglich. Der notwendige Winkelversatz der Schieber zueinander errechnet sich wie bei einer ungeraden Eckenanzahl.
Neben einer eckigen Kontur der Gehäuseinnenwandung und einem kreisförmigen Querschnitt des Rotors kann die Pumpe auch mit einer kreisförmigen Kontur der Gehäuseinnenwandung und einem eckigen Querschnitt des Rotors ausgebildet sein. Bei einem eckigen Rotorquerschnitt sind die Schieber bevorzugt in dem Gehäuse angeordnet und mit den Schieberenden auf das Zentrum des Gehäuses gerichtet, während bei einem kreisförmigen Querschnitt die Schieber bevorzugt in dem Rotor angeordnet sind.
An den Schieberenden, die abgerundet oder abgeschrägt sein können, um linienförmige Anlageflächen zu erzeugen, können Dichtungselemente oder Federleisten angeordnet sein, um einen gleichmäßigen Andruck an der Gehäuseinnenwandung zu ermöglichen. Auch kann der Schieber mehrteilig ausgebildet sein und ggf. über Vorspanneinrichtungen in Richtung auf die Gehäuseinnenwandung mit einer Kraft beaufschlagt werden. Dies erhöht den volumetrischen Wirkungsgrad, auch wenn die Reibung dadurch leicht erhöht wird, und bietet gleichzeitig die Möglichkeit für einen Toleranzausgleich. Die Bezeichnungen „Rotor” und „Gehäuse” entsprechen einer üblichen Anordnung. Es ist jedoch auch möglich und vorgesehen, dass der in dem Gehäuse angeordnete Rotor nicht angetrieben und gedreht wird, sondern unbeweglich gehalten ist, während das Gehäuse angetrieben wird, um eine Relativbewegung zwischen den beiden Komponenten herzustellen. Auch für eine solche Ausgestaltungsform soll dann die Bezeichnung „Rotor” für die in dem Gehäuse aufgenommene Komponente gelten, auch wenn diese nicht angetrieben ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schieber in dem Rotor verschieblich gelagert und durchgängig ausgebildet ist. Durch diese Ausgestaltung ist es möglich, dass sich in Bezug auf den Rotor eine lineare Bewegung des Schiebers in seiner Lagerung ergibt. Der Schieber ist dabei als ein bevorzugt einteiliger, durchgängiger Schieber ausgebildet, der in dem Rotor verschieblich gelagert ist. In seiner Länge entspricht der Schieber der Breite des Gleichdickes, so dass während der Drehung des Rotors beide Enden des Schiebers gleichzeitig entlang der Gleichdickkontur entlanggleiten und bestenfalls ständig an der Innenkontur anliegen bzw. einen minimalen Spalt zwischen den Schieberenden und der Innenkontur ausbilden. In dem Maße, wie das eine Ende des Schiebers von der Kontur der Gehäuseinnenwandung in Richtung auf den Rotor gedrückt wird, taucht das andere Schieberende aus dem Rotor hervor und hält Kontakt zu der Gehäuseinnenwandung, wodurch sich im Vergleich zu den Schieberpumpen aus dem Stand der Technik eine geringere Reibungsarbeit ergibt. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, die Schieber entgegen einer Federkraft zu bewegen. Üblicherweise ist das Gehäuse ortsfest ausgebildet, während der Rotor relativ zu dem Gehäuse verdreht wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in dem Rotor druckseitig und saugseitig jeweils zumindest ein im Wesentlichen radial orientierter Kanal ausgebildet ist, der mit einem stirnseitig angeordneten Kanal verbunden ist. dabei ist es ausreichend, wenn der Kanal nicht streng geometrisch radial orientiert ist, sondern eine radiale Komponente aufweist. Die Druckseite ist dabei mit einem Druckkanal verbunden, während die Saugseite mit einem Ansaugkanal verbunden ist, durch die das zu fördernde Fluid, beispielsweise Hydrauliköl, gefördert bzw. angesaugt wird. Die Kanäle sind dabei stirnseitig angeordnet, also axial, während die innerhalb des Rotors ausgebildeten radial wirkenden Kanäle in dem Außenumfang des Rotors münden. Der stirnseitige Kanal bzw. die stirnseitigen Kanäle können in dem Rotor ausgebildet sein, wobei vorzugsweise der jeweilige Kanal umlaufend ausgebildet ist. Alternativ dazu ist es möglich, dass die stirnseitigen Kanäle in den Wänden des Gehäuses angeordnet sind, um das angesaugte und dann mit Druck beaufschlagte Fluid durch die Pumpe zu leiten. Auch ist es möglich, dass korrespondierend angeordnete Kanäle sowohl in dem Gehäuse als auch in dem Rotor angeordnet sind, so dass eine entsprechend zusammengesetzte Kanalkontur erzeugt wird.
Die im Wesentlichen radial orientierten Kanäle innerhalb des Rotors sind vorzugsweise beiderseits des Schiebers angeordnet. Die stirnseitig angeordneten Kanäle bilden einen Saugkanal und einen Druckkanal aus, die jeweils auf einer Seite des Rotors angeordnet sind, also der Saugkanal auf der einen Seite des Rotors, während der Druckkanal auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors befindet. Alternativ können beide Kanäle auf einer gemeinsamen Seite des Rotors angeordnet sein, strömungstechnisch voneinander getrennt, damit die Anschlüsse auf einer gemeinsamen Seite angeordnet werden können.
Die radial orientierten Kanäle können versetzt zur Mittelebene des Rotors angeordnet sein, um die Führungslänge des Schiebers innerhalb des Rotors zu maximieren und dadurch die Klemmneigung des Schiebers herabzusetzen.
Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass in dem Gehäuse zumindest ein Saugkanal und ein Druckkanal angeordnet sind. Der Saugkanal und der Druckkanal sind so angeordnet, dass nach dem Ansaugen ein Weitertransport des Fluids zu dem Druckkanal durchgeführt wird. Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Rotor als ein Gleichdick ausgebildet ist und das Gehäuse mit seiner Gehäuseinnenwandung einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Die Saug- und Druckkanäle verlaufen bevorzugt radial zu dem Rotor, andere Kanalführungen sind jedoch möglich, wenn dies notwendig ist. Bei einer Ausgestaltung mit einem Rotor als Gleichdick und einem Stator mit einem kreisförmigen Querschnitt der Gehäuseinnenwandung ist es vorteilhaft, wenn zwischen einem Saugkanal und einem Druckkanal ein auf den Rotor wirkender Schieber angeordnet ist, um eine Trennung zwischen dem Saugkanal und dem Druckkanal herzustellen. Je nach Drehrichtung des Rotors wird festgelegt, welcher Kanal als Saugkanal und welcher Kanal als Druckkanal wirkt. Der Schieber ist möglichst eng zwischen die Kanäle angeordnet, um das gesamte Kammervolumen zum Ansaugen und zum Komprimieren zu nutzen. Es können mehrere Schieber und mehrere Saug- und Druckkanäle vorgesehen sein.
Eine weitere Variante sieht vor, dass Druck- und Saugkanäle beiderseits einer Kontaktstelle eines Rotors an der Gehäuseinnenwandung angeordnet sind, dies ist dann vorgesehen, wenn der Rotor einen kreisförmigen Querschnitt aufweist und an einer Gehäuseinnenwandung anliegt, die als Gleichdick ausgebildet ist. Der Schieber kann dann als innerhalb des Rotors angeordneter Schieber oder als mehrere, innerhalb des Rotors angeordnete Schieber ausgebildet sein. Um Strömungsverluste zu vermeiden, sind in den Druck- und Saugkanälen Rückschlagventile angeordnet, so dass die Kanäle gegen ein Überströmen geschützt sind.
Wenn zwischen den Kanälen einzelne Schieber angeordnet sind, kann auf Rückschlagventile verzichtet werden. Wenn die Kanäle den Kontaktstellen zugeordnet sind, ist der Einsatz von Rückschlagventilen zumindest vorteilhaft, wobei in der letztgenannten Variante die Drehrichtung der Pumpe vorgegeben ist. Die Förderrichtung wird vorzugsweise über ein Schaltventil bestimmt.
Die orthopädietechnische Einrichtung mit einer Schieberpumpe, wie sie oben beschrieben wurde, kann als Pumpe und/oder Generator in einem Fluidkreislauf z. B. einer Dämpfereinrichtung angeordnet sein. Die Dämpfereinrichtung kann in bzw. zwischen einem Gelenk angeordnet sein, das zwei relativ zu einander verlagerbare, insbesondere verschwenkbare Komponenten einer orthopädietechnischen Einheit verbindet. Die orthopadietechnische Einrichtung kann beispielsweise als Prothese, Orhese, Trainingsgerät oder als ein Rehabilitationsgerät ausgebildet sein, bevorzugt sind angetriebene Orthesen, Prothesen oder Rehabilitationseinrichtungen vorgesehen, in denen die Schieberpumpe entweder zum Antreiben eines gelenkig verbundenen Elementes oder zur Erzeugung von elektrischer Energie vorgesehen ist.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1 – zwei Prinzipdarstellungen einer Schieberpumpe aus dem Stand der Technik;
2 – eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Schieberpumpe in unterschiedlichen Rotorstellungen;
3 – eine Einzeldarstellung eines Rotors der Schieberpumpe;
4 – eine schematische Darstellung des Strömungsverlaufes in der Schieberpumpe;
5 – eine Explosionsdarstellung der Schieberpumpe
6 – eine Variante der Schieberpumpe im Querschnitt mit einem viereckigen Gehäuse;
7 – eine Variante der Schieberpumpe mit einem fünfeckigen Gehäuse;
8 – eine Variante mit einem dreieckigen Rotor;
9: – eine Variante mit radial ausgerichteten Saug- und Druckkanälen; sowie
10 – eine Variante mit Rückschlagventilen.
In der 1 sind Prinzipdarstellungen zweier Schieberpumpen 1 gemäß dem Stand der Technik dargestellt. In der linken Darstellung ist eine Schieberpumpe 1 mit einem Gehäuse 2 gezeigt, dessen Innenkontur 20 kreisförmig ausgebildet ist. Innerhalb der Innenkontur 20 des Gehäuses 2 ist ein Rotor 3 angeordnet, der um eine Drehachse 4, die exzentrisch zu der Innenkontur 20 angeordnet ist, gelagert. Der Rotor 3 ist über eine nicht dargestellte Antriebswelle mit einem Antrieb, insbesondere einem Elektromotor verbunden.
Innerhalb des Rotors 3, der eine kreisförmige Außenkontur 30 aufweist, sind insgesamt vier Schieber 5 angeordnet, die über Federn 6 radial nach außen gedrückt werden. Zwischen den Schiebern 5, der Innenkontur 20 des Gehäuses 2 und der Außenkontur 30 des Rotors 3 werden Kammern mit sich verändernden Volumina ausgebildet. Die Volumenveränderung hängt von der Rotorstellung ab.
In der rechten Darstellung ist eine Schieberpumpe 1 nach dem gleichen Prinzip, jedoch nur mit zwei Schiebern 5 dargestellt, die über eine Feder 6 radial nach außen gedrückt werden. In der linken Darstellung werden vier Kammern ausgebildet, in der rechten Darstellung nur zwei. Aufgrund Exzentrizität des Rotors 3 zu dem Gehäuse 2, das als Stator wirkt, ergibt sich eine Differenz der wirksamen Schieberflächen, also derjenigen Flächen, die über die Außenkontur 30 des Rotors hinausstehen. Die maximale Differenz der Schieberlängen außerhalb des Rotors 3 ergibt sich, wenn man eine horizontale Schieberposition in der Ausgestaltung gemäß der rechten Darstellung in 1 mit einer vertikalen Schieberposition vergleicht. Für diesen Fall berechnet sich die Differenzlänge zu:
Aufgrund der Differenzlänge ergibt sich eine Volumenstrompulsation, die nachteilig für die genaue Positionierung einer Prothese, Orthese oder anderen orthopädietechnischen Einrichtungen ist. Darüber hinaus führt das Herausdrücken der Schieber 5 aus dem Rotor 3 über die Feder 6 bzw. Federn 6 zu nachteiligen Reibeffekten.
In der 2 ist das Prinzip der erfindungsgemäßen Schieberpumpe 1 dargestellt. Die Schieberpumpe 1 weist ein Gehäuse 2 und ein zentrisch darin angeordneten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 dreht sich um seine zentral angeordnete Drehachse 4 und nimmt einen durchgängigen Schieber 5 auf, dessen Breite sich über die gesamte Breite des Innenraumes erstreckt, der durch den Rotor 3 und die Innenkontur 20 des Gehäuses 2 gebildet wird. Der Rotor 3 ist als Rad ausgebildet und weist somit eine runde Außenkontur 30 auf, während das als Stator ausgebildete Gehäuse 2 eine Innenkontur 20 aufweist, die als Gleichdick ausgeführt ist. Der Schieber 5 entspricht in seiner Länge der Breite des Gleichdickes, so dass beide Schieberenden 51, 52 gleichzeitig an der Innenkontur 20 des Gleichdickes anliegen. Wird der Rotor 3 in Drehung versetzt, so laufen beide Enden 51, 52 des Schiebers 5 entlang der Gleichdickkontur, also an der Innenkontur 20 des Gehäuses 2. In Bezug auf den Rotor 3 ergibt sich daraus eine lineare Bewegung des Schiebers 5 in seiner Lagerung. In dem gleichen Maße, wie das eine Ende 51 des Schiebers 5 von der Innenkontur 20 in den Rotor 3 hineingedrückt wird, taucht das andere Schieberende 52 aus der Außenkontur 30 des Rotors 3 hervor und hält Kontakt zu der Innenkontur 20 des Gehäuses 2. Hieraus ergibt sich ein reibungstechnischer Vorteil gegenüber der Bauform gemäß dem Stand der Technik und eine unmittelbare Zwangskopplung der Schieberenden durch die einteilige Ausgestaltung des Schiebers, ohne dass Federn oder Puffer zwischengeschaltet sind.
Zwischen dem Rotor 3 und dem Gehäuse 2 werden Kammern 7 gebildet, die durch die Wandkontakte 32 des Rotors 3 an der Innenkontur 20 voneinander getrennt sind. In der dargestellten Ausführungsform sind drei Kammern 7 ausgebildet, je nac Anzahl der Ecken in der Innenkontur 20 kann diese Anzahl variieren.
Die Bewegung des Schiebers 5 relativ zu dem Rotor 3 ist eine Linearbewegung. Aufgrund der Tatsache, dass das Hineinschieben des einen Schieberendes 51 in den Rotor 3 gleichzeitig ein Herausschieben des gegenüberliegenden Schieberendes 52 aus dem Rotor 3 bewirkt, führt dies zusammen mit der Ausgestaltung der Innenkontur 20 als ein Gleichdick dazu, dass ein unmittelbarer Andruck des gegenüberliegenden Schieberendes 52 an die Innenkontur 20 erfolgt. Durch die direkte Koppelung der Einschiebebewegung mit der Ausschiebebewegung ergibt sich der Vorteil, dass die wirksame Schieberfläche über die gesamte Umdrehung des Rotors 3 konstant ist und sich daher für eine konstante Drehzahl ein pulsationsfreier Volumenstrom ergibt. Die wirksame Schieberfläche ist diejenige Schieberfläche, die über die Außenkontur 30 des Rotors 3 hinaus steht. Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform des Gehäuses 2 mit einer dreiecksartigen Innenkontur 20 mit abgerundeten Ecken ergibt sich bei einer angenommenen Nullstellung bei einer vertikalen Ausrichtung des Schiebers 5 die maximale im Eingriff befindliche Schieberlänge L_DS,max für einen Verdrehwinkel von ± π / 3 .
Diese Stellsituation wiederholt sich mit einer Periode von 2π/3 über den Umlauf. Die in Eingriff befindliche Länge L_DS des Schiebers 5 im Fluideingriff, beispielsweise im Öleingriff, beträgt in diesem Fall
wobei D_DS der Rotordurchmesser ist.
Dadurch, dass sowohl die Länge des Schiebers 5 als auch der Durchmesser D_DS des Rotors 5 konstant ist, bleibt auch der Anteil der Schieberlänge außerhalb der Rotorkontur 30 konstant. Für verschiedene Drehwinkel teilt sich die Länge L_DS zwar auf beide Enden des Schiebers 5 auf, es gilt aber zu jedem Zeitpunkt L_DS,1 + L_DS,2 = L_DS = const.
Die Volumenverdrängung erfolgt wie bei exzentrischen Schieberpumpen gemäß dem Stand der Technik ebenfalls dadurch, dass zwischen dem Schieber 5, dem Rotor 3 und dem Gehäuse 2 eine Verdrängungskammer entsteht, die durch die Drehbewegung des Rotors 3 ihr Volumen verändert. Betrachtet man die obere rechte Kammer in der 2 unter der Voraussetzung einer Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn, so wird das Ölvolumen vor dem Schieber 3 durch die Drehung herausgedrückt. Auf der Rückseite des Schiebers 5 entsteht ein Unterdruck, der neues Fluid, beispielsweise Öl in die Kammer saugt. Das heißt, die Druckseite befindet sich für eine Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn immer vor dem Schieber und die Saugseite immer dahinter. Die Kammern, in die der Schieber 5 gerade nicht eingreift, unterliegen keiner Druckveränderung. Dies bedeutet jedoch, dass die Druck- und Saugseite der Pumpe 1 nicht ortsfest durch den Stator bestimmt sind, vielmehr rotieren sie zusammen mit dem Schieber 5 in dem Gehäuse 2.
Inder 3 ist ein Rotor 3 der Schieberpumpe in Einzeldarstellung gezeigt. Der Rotor 3 weist auf der vorderen Stirnseite und auf der hinteren Stirnseite je eine in der Kontur halbrunde, umlaufende Nut 310, 320 auf. Die Nuten 310, 320 sind durch zwei radial wirkende Kanäle 31, 32 mit der Saug- oder Druckseite der jeweiligen Kammer verbunden. Die Kanäle 31, 32 sind an dem oberen und unteren Ende der Führung des Schiebers 5 innerhalb des Rotors 3 angeordnet. Durch den Schieber 5 werden die Kanäle 31, 32 in eine druckseitige und eine saugseitige Tasche unterteilt. Daraus ergibt sich demnach auch eine Aufteilung der Nuten 310, 320 in eine saugseitige Ringnut auf der einen Stirnseite des Rotors 3 und in eine druckseitige Ringnut auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Rotors 3. Um eine kontinuierliche Verbindung der Nuten 310, 320 mit dem Fluidkreislauf, beispielsweise Ölkreislauf, während der Drehbewegung zu ermöglichen, sind die den Rotor 3 umschließenden Gehäuseteile ebenfalls mit Ringnuten versehen, die zusammen mit den Nuten 310, 320 des Rotors 3 jeweils einen Strömungskanal erzeugen.
Die radial wirkenden Kanäle 31, 32 selbst sind versetzt zur Mittelebene des Rotors 3 angeordnet. Auf diese Weise wird die Führungslänge des Schiebers 5 innerhalb des Rotors 3 maximiert und damit eine Klemmneigung des Schiebers 5 herabgesetzt. Für den Einsatz in einer orthopädietechnischen Einrichtung, beispielsweise einer Prothese oder Orthese, ist es vorteilhaft, wenn der Druck- und Sauganschluss der Pumpe 1 auf der gleichen Seite positioniert sind. Auf der gegenüberliegenden Seite kann dann ein Elektromotor mit der aus dem Gehäuse 2 austretenden Pumpenwelle verbunden werden. Dazu könne die Ringnuten 310, 320 auch auf einer gemeinsamen Seite des Rotors 3 angeordnet werden, z. B. radial versetzt, um eine strömungstechnische Trennung zu erreichen.
In der 4 ist die Pumpe in einem teilweise zusammengebauten Zustand gezeigt, das Gehäuse 2 und der Rotor 3 sind in der linken Darstellung noch nicht zusammengefügt. Es ist zu erkennen, dass sowohl in dem Rotor 3 als auch in dem Gehäuse 2 eine Ringnut 310, 220 ausgebildet sind. Der Strömungsverlauf innerhalb der Schieberpumpe 1 sieht vor, dass das über eine Einlassanschluss 311 in die Ringnut 310 und den Kanal 31 in eine Tasche zwischen dem Rotor, 3, dem Schieber 5 und der Innenkontur 20 gelangte Fluid durch den nachfolgenden Schieberabschnitt komprimiert und durch den Kanal 32, die Ringnut 320 und einen Auslassanschluss 321 herausgedrückt wird. Die Kanäle 31, 32 sind mit den Ringnuten 310, 320 strömungstechnisch verbunden, beispielsweise durch eine Bohrung.
In der 5 ist eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Schieberpumpe 1 gezeigt. Die Gehäusehälften 21, 22 nehmen den Rotor 3 auf. Die Gehäusehälften 21, 22 sind über Schrauben miteinander verbunden und gegeneinander über einen O-Ring 23 abgedichtet. Der Durchtritt an der Pumpenwelle 40 wird durch die Gehäusehälfte 22 ebenfalls über einen O-Ring 24, der an dem Gehäuse 22 fixiert ist, abgedichtet.
Neben der Einsatzweise als Pumpe kann diese auch als Hydromotor eingesetzt werden. Das hineingedrückte Öl durchströmt die Pumpe 1 und setzt den Rotor 3 in Bewegung. Dadurch ist es möglich, den Elektromotor, der normalerweise als Antrieb genutzt wird, bei einer reversiblen Betriebsweise als Generator einzusetzen, um beispielsweise die mechanische Energie einer Dämpfung einer Bewegung in eine elektrische Energie umzuwandeln und dann zu speichern.
Neben der dargestellten Ausführungsform des Schiebers 5 als einteiliges Bauteil ist es möglich, den Schieber auch mehrteilig auszubilden und ggf. mit einer Vorspannung in Richtung auf die Kontur der Gehäuseinnenwandung, um eine verbesserte Abdichtung zu erhalten. Eine mehrteilige Ausgestaltung kann auch ohne Vorspannung funktionieren, wenn über Fliehkräfte die Schieberteile in Richtung auf die Gehäuseinnenwandung gedrückt werden.
In der 6 ist eine Variante der Erfindung mit einer geraden Eckenanzahl dargestellt. Die Gehäuseinnenwandung weist eine im Wesentlichen viereckige Kontur 20 mit abgerundeten Ecken auf. Der Rotor 3 weist einen kreisförmigen Querschnitt 30 auf und ist zentral innerhalb der Gehäuseinnenwandung angeordnet. Die Größe des Rotors 3 ist so bemessen, dass er an vier Stellen Wandkontakte 32 ausbildet, an denen der Rotor 3 an der Gehäuseinnenwandung entlang gleitet oder in unmittelbarer Nähe vorbeistreicht, während der Rotor 3 relativ zu dem Gehäuse 2 gedreht wird.
Innerhalb des Rotors 3 sind insgesamt 4 Schieber 5, 5' angeordnet, die einander paarweise gegenüber liegen. Jeder Schieber 5, 5' weist Schieberenden 51, 52, 51', 52' auf, die an der Gehäuseinnenwandung anliegen. Die Schieber 5, 5' werden über Federn 6 in Richtung auf die Gehäuseinnenwandung gedrückt. Die einzelnen Schieber 5, 5' sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zweiteilig ausgebildet, wobei die einzelnen Schieberteile einander diametral gegenüber liegen. Aufgrund symmetrischen Ausgestaltung der Innenkontur 20 wird durch die diametrale Ausrichtung der Schieberteile gewährleistet, dass für jeden Schieber 5, 5' die gleiche Schieberlänge effektiv aus dem Rotor 3 heraussteht.
Aufgrund der Wandkontakte 32 oder des minimalen Spaltes zwischen dem Rotorumfang 30 und der Gehäuseinnenwandung werden vier Kammern 7 ausgebildet, durch die das mögliche Pumpvolumen festgelegt wird. Im Verlauf der Drehung des Rotors 3 streichen die Schieber 51, 52, 51', 52' an der Gehäuseinnenwandung über die Kammern 7 hinweg und fördern das Fluid von der Saugseite zur Druckseite, wenn eine Pumpaktion ausgeführt werden soll. Durch die paarweise Anordnung der Schieber 51, 52, 51', 52' zueinander kann auch hier eine pulsationsfreie Pumpe hergestellt werden. Der Winkel α zwischen den Schiebern 5, 5' entspricht dabei dem Quotienten aus dem Kreisumfang und der doppelten Anzahl der Wandkontakte 32 oder, wenn die Schieber 5, 5' nicht direkt benachbart zueinander angeordnet sein sollen, diesem Quotienten ergänzt um das Produkt aus dem gewünschten Eckenversatz und dem Quotienten aus dem Kreisumfang und der Wandkontakte 32 des Rotors 3 mit dem Gehäuse 2.
Eine weitere Variante der Erfindung ist in der 7 dargestellt. Die Kontur 20 der Gehäuseinnenwandung ist dabei als ein Fünfeck ausgebildet, der Schieber 5 ist als durchgehender, einstückiger Schieber 5 ausgebildet. Das Grundprinzip entspricht dabei der Ausgestaltung gemäß der 2, wobei auch hier die Kontur 20 der Gehäuseinnenwandung als ein Gleichdick ausgebildet ist. Das Vieleck weist eine ungrade Eckenanzahl auf. Das Pumpvolumen je Schieberlänge verringert sich, je mehr Ecken und damit Kammern 7 vorgesehen sind, da sich die Innenkontur 20 dadurch einem Kreis annähert. Vorliegend ist der Rotor 3 mit einem kreisförmigen Umfang 30 ausgebildet, so dass maximal fünf Wandkontakte 32 vorliegen. Als Wandkontakte 32 wird auch angesehen, wenn zwischen dem Außenumfang 30 des Rotors 3 und der Gehäuseinnenwandung ein geringer Spalt vorliegt. Der durchgehende, einstückige Schieber 5 weist zwei Schieberenden 51, 52 auf, so dass ein Paar Schieberenden 51, 52 ständig im Eingriff mit der Gehäuseinnenwandung steht.
Eine Variante der Erfindung ist in der 8 gezeigt, bei der der Rotor 3 eine im Wesentlichen dreieckige Kontur 30 aufweist, wohingegen das Gehäuse 2 eine im Wesentlichen kreisförmige Kontur 20 der Gehäuseinnenwandung aufweist, die Schieber 5 mit den Schieberenden 51, 52 sind federnd über Federelemente 6 in Richtung auf den Rotorumfang 30 vorgespannt und im den Gehäuse 2 gelagert. In der 8 ist die geometrische Umkehr zwischen Gehäuse 2 und Rotor 3 dargestellt. Die Ausführungen zu den Formen mit gerader und ungerader Eckenanzahl gelten entsprechend.
In der 9 ist eine Variante der Erfindung gemäß 8 dargestellt, bei der der Rotor 3 als ein Gleichdick ausgebildet ist, das in einem Gehäuse 2 umläuft, wobei die Gehäuseinnenwandung 20 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Einander gegenüberliegend sind über Federn 6 belastete Schieber 5 vorgesehen, die radial in Richtung auf den Rotor 3 vorgespannt sind. Der Rotor liegt an drei Kontaktstellen 32 an der Gehäuseinnenwandung 20 an und bildet insgesamt drei Kammern 7 aus. Beiderseits der Schieber 5 sind in mittelbarer Nähe zu den Schiebermündungen Druckkanäle 25 und Saugkanäle 26 angeordnet. Die Zuordnung in Druckkanal und Saugkanal folgt über die Drehrichtung des Rotors 3. Im vorliegenden Beispiel bei einer angenommenen Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn sind die Druckkanäle mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet, während die Saugkanäle mit dem Bezugszeichen 26 bezeichnet sind. Bei einer umgekehrten Drehrichtung, also bei einer Drehrichtung des Rotors 3 im Uhrzeigersinn, wäre die Zuordnung entsprechend umgekehrt. Die Schieber 5, die nicht drehend ausgebildet sind, sondern in Abhängigkeit von der Form des Rotors 3 eine lineare Bewegung ausführen, dichten die Saugseiten von den Druckseiten ab. Unmittelbar nachdem eine Spitze oder Kante des Rotors 3 an den Schieberenden 51, 52 vorbeigestrichen ist, wird der Saugkanal 26 passiert. Die sich vergrößernde Kammer 7 wird über den Schieber 5 abgedichtet, so dass sich ein Unterdruck ergibt, über den das zu fördernde Fluid angesaugt wird. Gleichzeitig schiebt der Rotor 3 das in der vor ihm liegenden Kammer 7 befindliche Fluid durch den offenen Druckkanal 25 nach außen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Kanäle 25, 26 im Wesentlichen radial orientiert ausgebildet, andere Kanalführungsformen sind möglich und vorgesehen.
Eine Variante der Erfindung ist in der 10 dargestellt, bei der das Gleichdick in der Gehäuseinnenwandung 20 ausgebildet ist, während der Rotor 3 einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Innerhalb des Rotors 3 ist ein Schieber 5 verschieblich gelagert. Ebenfalls ist es möglich, dass zwei Schieber 5 in dem Rotor 3 angeordnet sind, die über eine Feder radial nach außen drücken. Der kreisförmige Rotor 3 bildet im dargestellten Ausführungsbeispiel drei Kontaktstellen 32 mit der Gehäuseinnenwandung 20. Beiderseits der Kontaktstellen 32 sind die Druck- und Saugkanäle 25, 26 angeordnet. Die Druckseite wird von der Saugseite über die Kontaktstelle 32 getrennt. Da es unweigerlich zu Druckverlusten kommt, da die Kontaktstellen 32 nie vollständig dicht sind, sind in den Kanälen 25, 26 Rückschlagventile 8 vorgesehen, die die Strömung nur in eine Richtung zulassen. Ebenfalls verhindern die Rückschlagventile 8 ein Überströmen des geförderten Fluids in eine nicht angesteuerte Kammer, nachdem der Schieber 5 den Druckkanal 25 passiert hat. Die Rückschlagventile verhindern, dass aus dem Druckkanal 25 das Fluid durch die Kammer 7 zurück in einen Saugkanal 26 strömt. Durch die Gestaltung der Ventile 8 und die Drehrichtung kann die Gestalt des Kanals festgelegt werden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird angenommen, dass der Rotor 3 entgegen dem Uhrzeigersinn rotiert, die Rückschlagventile 8 sind entsprechend orientiert.

Claims

Schieberpumpe mit einem Rotor (3), der in einem Gehäuse umläuft, und zumindest einem Schieber (5), der relativ zu dem Rotor (3) verschieblich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) zentral in der Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung angeordnet ist, an mehreren Stellen mit der Kontur (20) Gehäuseinnenwandung unter Ausbildung von Kammern (7) in Kontakt steht und die Schieberenden (51, 52) ständig an der Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung oder an dem Rotorumfang entlanggleiten.
Schieberpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) einen kreisförmigen Querschnitt und die Gehäuseinnenwandung eine abgerundet eckige Kontur (20) aufweist oder umgekehrt.
Schieberpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung als Gleichdick ausgebildet ist und der Rotor (3) einen kreisförmigen Querschnitt aufweist oder umgekehrt.
Schieberpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schieber (5) in dem Rotor (3) verschieblich gelagert und durchgängig ausgebildet ist.
Schieberpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rotor (3) druckseitig und saugseitig jeweils zumindest ein radial orientierter Kanal (31, 32) ausgebildet ist, der mit einem stirnseitig angeordneten Kanal (310, 320) verbunden ist.
Schieberpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der stirnseitige Kanal (310, 320) umlaufend ausgebildet ist.
Schieberpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die radial orientierten Kanäle (31, 32) beiderseits des Schiebers (5) angeordnet sind.
Schieberpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitig angeordneten Kanäle (310, 320) einen Saugkanal und einen Druckkanal ausbilden, die jeweils auf einer Seite des Rotors (3) oder auf einer gemeinsamen Seite angeordnet sind.
Schieberpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die stirnseitigen Kanäle (310, 320) in dem Rotor (3) und/oder in dem Gehäuse (2) ausgebildet sind.
Schieberpumpe nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die radial orientierten Kanäle (31, 32) versetzt zur Mittelebene des Rotors (3) angeordnet sind.
Schieberpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Gehäuse (2) zumindest ein Saugkanal (26) und ein Druckkanal (25) angeordnet sind.
Schieberpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Saugkanal (26) und einem Druckkanal (25) ein auf den Rotor (3) wirkender Schieber (5) angeordnet ist.
Schieberpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckkanal (25) und ein Saugkanal (26) neben einer Kontaktstelle (32) des Rotor an der Gehäusewand liegen.
Schieberpumpe nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass in den Saug- und Druckkanälen (25, 26) Rückschlagventile (8) angeordnet sind.
Schieberpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass paarweise nebeneinander gelagerte Schieber (5, 5') an dem kreisförmigen Rotor (3) oder der kreisförmigen Kontur der Gehäuseinnenwandung (20) angeordnet sind, wobei die Schieber (5, 5') in einem Winkel α zueinander angeordnet sind, der sich aus der Division des Kreisumfanges mit der doppelten Anzahl der Wandkontakte (32) des Rotors (3) an der Kontur (20) der Gehäuseinnenwandung ergibt.
Orthopädietechnische Einrichtung mit einer Schieberpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche.
Orthopädietechnische Einrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schieberpumpe (1) als Pumpe und/oder Generator in einem Fluidkreislauf in einem Gelenk angeordnet ist.
Orthopädietechnische Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die orthopädietechnische Einrichtung als Prothese, Orthese, Trainingsgerät oder Rehabilitationsgerät ausgebildet ist.