DE102010052487B4 - Pump with stabilized by stationary magnets in the pump housing and oscillating piston in a driven rotor - Google Patents
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Abstract
Pumpe (1) zum Fördern eines Fluids von einem Ansaugbereich (2) in einen Abgabebereich (3), die ein Gehäuse (4) umfasst, wobei das Gehäuse (4) einen Aufnahmeraum für einen Rotor (5) und stirnseitig des Rotors (5) angeordnete Abschlussbereiche (6, 7) aufweist, wobei der Rotor (5) um eine Drehachse (8) drehbar angeordnet und von einem Antriebselement (9, 10) drehangetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) eine Anzahl radial verlaufender Bohrungen (11) aufweist, wobei sich die Bohrungen (11) von einem radial außenliegenden Bereich (12) des Rotors (5) zu einem radial inneren Bereich (13) des Rotors (5) erstrecken, wobei die Bohrungen (11) vor dem Erreichen der Drehachse (8) enden und wobei die Bohrungen (11) im radial inneren Bereich (13) über eine fluidische Verbindung (14) mit einem stirnseitigen Abschlussbereich (6) verbunden sind, dass in den Bohrungen (11) je ein Kolbenelement (15) angeordnet ist, das sich in Bohrungslängsachse (L) bewegen kann, dass im Gehäuse (4) ortsfest eine Anzahl von Magneten (16, 16', 16'', ...) oder ein Ringmagnet angeordnet ist, wobei die Magneten oder der Ringmagnet auf das Kolbenelement (15) eine magnetische Anziehungskraft ausüben bzw. ausübt und wobei die Magneten (16, 16', 16'', ...) entlang einer geschlossenen Kurvenbahn (21) im Gehäuse (4) angeordnet sind, wobei die Magneten (16, 16', 16'', ...) oder der Ringmagnet so im Gehäuse (4) platziert sind bzw. ist, dass bei Drehung des Rotors (5) um die Drehachse (8) das Kolbenelement (15) infolge der magnetischen Anziehungskraft in der Bohrung (11) eine oszillierende Bewegung (O) ausübt, wobei in einem stirnseitigen Abschlussbereich (6) in radialer Höhe der fluidischen Verbindungen (14) zwei über den Umfang des Abschlussbereichs (6) versetzt angeordnete Druckräume (17, 18) angeordnet sind, die bei der Rotation des Rotors (5) temporär mit den Bohrungen (11) im Rotor (5) in fluidische Verbindung gelangen, wobei der eine Druckraum (17) über eine im Abschlussbereich (6) verlaufende Fluidleitung (19) mit dem Ansaugbereich (2) verbunden ist und wobei der andere Druckraum (18) über eine im Abschlussbereich (6) verlaufende Fluidleitung (20) mit dem Abgabebereich (3) verbunden ist.Pump (1) for conveying a fluid from a suction area (2) into a discharge area (3), which comprises a housing (4), the housing (4) having a receiving space for a rotor (5) and the end face of the rotor (5) has arranged end regions (6, 7), the rotor (5) being rotatable about an axis of rotation (8) and driven in rotation by a drive element (9, 10), characterized in that the rotor (5) has a number of radially running bores ( 11), the bores (11) extending from a radially outer region (12) of the rotor (5) to a radially inner region (13) of the rotor (5), the bores (11) before reaching the axis of rotation (8) end and the bores (11) in the radially inner region (13) are connected via a fluidic connection (14) to an end region (6) on the end face, in each case a piston element (15) being arranged in the bores (11) , which can move in the longitudinal axis of the bore (L), that in the housing (4) a number of magnets (16, 16 ', 16' ', ...) or a ring magnet is fixed, the magnets or the ring magnet exerting or exerting a magnetic attraction force on the piston element (15) and the magnets (16 , 16 ', 16' ', ...) are arranged along a closed cam track (21) in the housing (4), the magnets (16, 16', 16 '', ...) or the ring magnet in the housing (4) are placed or is that when the rotor (5) rotates about the axis of rotation (8), the piston element (15) performs an oscillating movement (O) due to the magnetic attraction force in the bore (11), one in the end End area (6) in the radial height of the fluidic connections (14) two pressure spaces (17, 18) are arranged offset over the circumference of the end area (6), which temporarily with the bores (11) in the rotation of the rotor (5) The rotor (5) is in fluid communication, the one pressure chamber (17) running over one in the end region (6) The fluid line (19) is connected to the suction area (2) and the other pressure chamber (18) is connected to the discharge area (3) via a fluid line (20) running in the end area (6).
Description
Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Fördern eines Fluids von einem Ansaugbereich in einen Abgabebereich, die ein Gehäuse umfasst, wobei das Gehäuse einen Aufnahmeraum für einen Rotor und stirnseitig des Rotors angeordnete Abschlussbereiche aufweist, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar angeordnet und von einem Antriebselement drehangetrieben ist.The invention relates to a pump for conveying a fluid from a suction region into a delivery region, which comprises a housing, wherein the housing has a receiving space for a rotor and end regions of the rotor arranged end portions, wherein the rotor rotatably disposed about a rotation axis and rotationally driven by a drive element is.
Pumpen dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden beispielsweise in Heizungsanlagen eingesetzt, um Wasser durch den Heizkreislauf zu pumpen. Zumeist werden namentlich für die genannte Anwendung Zentrifugalpumpen eingesetzt.Pumps of this type are well known in the art. They are used for example in heating systems to pump water through the heating circuit. In most cases, centrifugal pumps are used in particular for the mentioned application.
Eine gattungsgemäße Pumpe ist in der
Unter Gesichtspunkten der Energieeffizienz haben sich diese Pumpen allerdings als nachteilig erwiesen. Bei typischer Geschwindigkeit und Flussrate beträgt der hydraulische Wirkungsgrad zumeist nicht mehr als 35%. Der Grund hierfür ist die Rezirkulation, mit der Zentrifugalpumpen arbeiten, um den nötigen Druckaufbau zu erzielen. Die dabei entstehenden Verluste wirken sich bei einer geringen Pumpengröße, wie sie für Anwendungen im Heizungsbau typisch sind, überproportional aus.However, these pumps have proven to be disadvantageous in terms of energy efficiency. At typical speed and flow rate, the hydraulic efficiency is usually not more than 35%. The reason for this is the recirculation with which centrifugal pumps work to achieve the necessary pressure build-up. The resulting losses have a disproportionate effect with a small pump size, as is typical for applications in the heating industry.
Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es weiterhin erforderlich, die Pumpe kostengünstig herstellen zu können, da sie in sehr hoher Stückzahl benötigt wird.From an economic point of view, it is still necessary to be able to produce the pump cost, since it is needed in very large quantities.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass der hydraulische Wirkungsgrad erhöht werden kann, wobei eine kostengünstige Fertigungsmöglichkeit bestehen soll. Damit soll die Pumpe insbesondere, aber nicht ausschließlich, im Bereich des Heizungsbaus vorteilhaft einsetzbar sein. Weiterhin wird angestrebt, insbesondere für den Bereich der KFZ-Kühlung bzw. im Bereich der Klimatechnik eine effiziente Pumpe zur Verfügung zu stellen.The invention is therefore the object of a pump of the type mentioned in such a way that the hydraulic efficiency can be increased, with a cost-effective manufacturing capability should exist. Thus, the pump should be used advantageously, but not exclusively, in the field of heating construction. Furthermore, the aim is to provide an efficient pump, in particular for the field of vehicle cooling or in the field of air conditioning technology.
Die Lösung dieser Aufgabe durch Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotor eine Anzahl radial verlaufender Bohrungen aufweist, wobei sich die Bohrungen von einem radial außenliegenden Bereich des Rotors (bevorzugt von einer zylindrischen Umfangsfläche) zu einem radial inneren Bereich des Rotors erstrecken, wobei die Bohrungen vor dem Erreichen der Drehachse enden und wobei die Bohrungen im radial inneren Bereich über eine fluidische Verbindung mit einem der stirnseitigen Abschlussbereiche verbunden sind, dass in den Bohrungen je ein Kolbenelement angeordnet ist, das sich in Bohrungslängsachse bewegen kann, dass im Gehäuse ortsfest eine Anzahl von Magneten oder ein Ringmagnet angeordnet ist, wobei die Magneten oder der Ringmagnet auf das Kolbenelement eine magnetische Anziehungskraft ausüben bzw. ausübt und wobei die Magneten entlang einer geschlossenen Kurvenbahn im Gehäuse angeordnet sind, wobei die Magneten oder der Ringmagnet so im Gehäuse platziert sind bzw. ist, dass bei Drehung des Rotors um die Drehachse das Kolbenelement infolge der magnetischen Anziehungskraft in der Bohrung eine oszillierende Bewegung ausübt, wobei in dem stirnseitigen Abschlussbereich, der an die fluidischen Verbindungen angrenzt, in radialer Höhe der fluidischen Verbindungen zwei über den Umfang des Abschlussbereichs versetzt angeordnete Druckräume angeordnet sind, die bei der Rotation des Rotors temporär mit den Bohrungen im Rotor in fluidische Verbindung gelangen, wobei der eine Druckraum über eine im Abschlussbereich verlaufende Fluidleitung mit dem Ansaugbereich verbunden ist und wobei der andere Druckraum über eine im Abschlussbereich verlaufende Fluidleitung mit dem Abgabebereich verbunden ist.The solution of this object by the invention is characterized in that the rotor has a number of radially extending bores, wherein the bores extend from a radially outer region of the rotor (preferably from a cylindrical peripheral surface) to a radially inner region of the rotor, wherein the Holes end before reaching the axis of rotation and wherein the holes are connected in the radially inner region via a fluidic connection with one of the end-side termination areas, that in each of the bores a piston element is arranged, which can move in bore longitudinal axis that stationary in the housing a number is arranged by magnets or a ring magnet, wherein the magnet or the ring magnet on the piston member exerting a magnetic attraction and the magnets are arranged along a closed curved path in the housing, wherein the magnets or the ring magnet are placed in the housing or is that upon rotation of the rotor about the axis of rotation, the piston member due to the magnetic attraction force in the bore performs an oscillating movement, wherein in the end-side termination region adjacent to the fluidic connections, in the radial height of the fluidic connections two offset over the circumference of the end region arranged pressure chambers are arranged, which come into fluid communication with the holes in the rotor during the rotation of the rotor, wherein the one pressure chamber via a running in the end region fluid line is connected to the suction and wherein the other pressure chamber connected via a running in the end region fluid line with the delivery area is.
Der Druckraum weist dabei bevorzugt in seinem an den Rotor angrenzenden Bereich – in Richtung der Drehachse gesehen – eine längliche Form, insbesondere eine Nierenform, auf.The pressure chamber preferably has an elongated shape, in particular a kidney shape, in its region adjoining the rotor, viewed in the direction of the axis of rotation.
Der mit den Fluidleitungen versehene Abschlussbereich des Gehäuses ist bevorzugt als lösbarer Deckel ausgebildet.The provided with the fluid lines termination region of the housing is preferably designed as a detachable lid.
Die beiden Druckräume sind vorzugsweise in einem stirnseitigen Abschlussbereich um 180° um den Umfang des Abschlussbereichs versetzt angeordnet. Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass sich jeder der beiden Druckräume um einen Umfangswinkel zwischen 130° und 170° erstreckt.The two pressure chambers are preferably arranged offset in an end-side termination area by 180 ° around the circumference of the termination area. It can be provided in particular that extends each of the two pressure chambers by a circumferential angle between 130 ° and 170 °.
Bevorzugt erstrecken sich die Bohrungen im Rotor vom Außenumfang bis zu einem radial inneren Bereich, wobei die Bohrung in einem Abstand von der Drehachse endet, der mindestens 5% des Radius des Rotors beträgt.Preferably, the bores in the rotor extend from the outer periphery to a radially inner region, wherein the bore terminates at a distance from the axis of rotation, which amounts to at least 5% of the radius of the rotor.
Der Rotor weist bevorzugt mindestens 4, vorzugsweise mindestens 6 und besonders bevorzugt 8 Bohrungen auf, in denen jeweils ein Kolbenelement angeordnet ist.The rotor preferably has at least 4, preferably at least 6 and particularly preferably 8 bores, in each of which a piston element is arranged.
Das Kolbenelement ist dabei bevorzugt ein zylindrischer Körper oder eine Kugel. The piston element is preferably a cylindrical body or a ball.
Zwischen dem Gehäuse und dem Rotor sind bevorzugt an zwei sich gegenüberliegenden Stellen des Rotors je eine Dichtung angeordnet oder ausgebildet. Die Dichtung wird dabei bevorzugt durch eine Engstelle zwischen Rotor und Gehäuse gebildet. Zwischen den Dichtstellen und dem Ansaugbereich kann ein Strömungskanal für anzusaugendes Fluid ausgebildet sein. Entsprechend kann zwischen den Dichtstellen und dem Abgabebereich ein Strömungskanal für abzugebendes Fluid ausgebildet sein.Between the housing and the rotor a seal is preferably arranged or formed at two opposite points of the rotor. The seal is preferably formed by a constriction between the rotor and the housing. Between the sealing points and the intake region, a flow channel for fluid to be sucked can be formed. Accordingly, a flow channel for fluid to be dispensed can be formed between the sealing points and the delivery area.
Die Magnete, die die Bewegung des Kolbenelements in der Bohrung steuern, sind bevorzugt entlang einer geschlossenen Kreisbahn im Gehäuse angeordnet. Alternativ zu einer Anzahl diskreter Magnete kann auch ein Ringmagnet eingesetzt werden. Die Magnete bzw. der Ringmagnet sind bzw. ist bevorzugt als Permanentmagnete ausgebildet.The magnets which control the movement of the piston element in the bore are preferably arranged along a closed circular path in the housing. As an alternative to a number of discrete magnets, a ring magnet can also be used. The magnets or the ring magnet are or is preferably designed as permanent magnets.
Demgemäß bewegen die Magneten das Kolbenelement bei Rotation des Rotors in Richtung der Längsachse der Bohrung; diese oszillierende Bewegung wird zur Förderung des Fluids und dessen Unterdrucksetzung genutzt.Accordingly, the magnets move the piston element during rotation of the rotor in the direction of the longitudinal axis of the bore; this oscillating movement is used to convey the fluid and pressurize it.
Das Kolbenelement kann dabei auch als Magnet ausgebildet sein bzw. es kann einen Magneten aufweisen.The piston element can also be designed as a magnet or it can have a magnet.
Das Kolbenelement (d. h. vorzugsweise die Kugel) ist dabei bevorzugt so in der Bohrung toleriert, dass bei der translatorischen Verschiebung des Kolbenelements in der Bohrung sich in der Bohrung befindliches Fluid aus der Bohrung heraus verdrängt bzw. in die Bohrung eingesaugt wird.The piston element (that is to say preferably the ball) is preferably tolerated in the bore in such a way that during the translational displacement of the piston element in the bore fluid located in the bore is displaced out of the bore or sucked into the bore.
Die Bohrung verläuft vorteilhafter Weise im Rotor senkrecht zur Drehachse des Rotors.The bore extends advantageously in the rotor perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
Der Durchmesser der Bohrung im Kolben ist vorzugsweise um einen Betrag zwischen 0,01 mm und 0,1 mm, vorzugsweise zwischen 0,03 mm und 0,08 mm, größer als der Durchmesser des Kolbenelements, insbesondere des Zylinders.The diameter of the bore in the piston is preferably an amount between 0.01 mm and 0.1 mm, preferably between 0.03 mm and 0.08 mm, greater than the diameter of the piston member, in particular of the cylinder.
Die Innenoberfläche der Bohrung ist besonders bevorzugt mit einer Hartstoffschicht versehen, um die Verschleißbeständigkeit der Bohrungsoberfläche zu erhöhen.The inner surface of the bore is particularly preferably provided with a hard material layer in order to increase the wear resistance of the bore surface.
Die vorgeschlagene Konzeption der Pumpe hat zur Folge, dass ein sehr viel höherer hydraulischer Wirkungsgrad erreicht werden kann, als es bei Zentrifugalpumpen der Fall ist. Durch das vorgeschlagene Verdrängerprinzip kann ein Wirkungsgrad erreicht werden, der einen zweistelligen Prozent-Anteil höher liegt als bei Zentrifugalpumpen gleichen Leistungsbereiches.The proposed design of the pump has the consequence that a much higher hydraulic efficiency can be achieved than is the case with centrifugal pumps. By the proposed displacement principle, an efficiency can be achieved, which is a two-digit percentage higher than in centrifugal pumps same power range.
Zudem ist die beschriebene Verdrängerpumpe im Gegensatz zu genannten Zentrifugalpumpen auch in ölbasierten Medien verwendbar.In addition, the positive displacement pump described, in contrast to centrifugal pumps mentioned also in oil-based media used.
Vor besonderem Vorteil ist es ferner, dass durch das Vorsehen mehrerer Bohrungen in Verbindung mit der Fluidförderung über die radial inneren Bereiche und die fluidischen Verbindungen zu den Druckräumen und die Weiterförderung über die Fluidleitungen zu dem Ansaug- bzw. Abgabebereich eine Vielzahl von Einzelhüben der Kolben pro Umdrehung des Rotors erfolgt. Dies hat eine sehr gleichmäßige Fluidförderung zur Folge.A particular advantage is further that by providing a plurality of bores in connection with the fluid delivery via the radially inner regions and the fluidic connections to the pressure chambers and the further promotion via the fluid lines to the intake or discharge area a plurality of individual strokes of the piston per Rotation of the rotor takes place. This results in a very uniform fluid delivery result.
Der relativ einfache Aufbau erlaubt des weiteren eine kostengünstige Herstellung, so dass auch große Lose an Pumpen wirtschaftlich herstellbar sind.The relatively simple structure also allows cost-effective production, so that even large lots of pumps can be produced economically.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:In the drawing, an embodiment of the invention is shown. Show it:
In den
Das Gehäuse
Stirnseitig weist das Gehäuse
Im Gehäuse
Der in der Pumpe
Im radial inneren Bereich
In jeder der Bohrungen
Bei der Rotation des Rotors
In den
Wesentlich ist, dass in den Deckel
Von den Druckräumen
Betrachtet man die fluidischen Bahnen des zu fördernden Fluid, ist die in den
Bewegt sich das Kolbenelement
Das Prinzip der magnetischen Betätigung der Kolbenelemente
Bei der vorliegenden Ausgestaltung einer Pumpe ergibt sich, dass sich pro Umdrehung des Rotors
Aufgrund der Abdichtung der Pumpe kann keine nennenswerte Fluidströmung außerhalb der genannten Fluidförderwege erfolgen. Hierdurch kann eine signifikante Druckerhöhung bei dem beschriebenen Pumpvorgang erreicht werden. Der Druckaufbau kann problemlos bis zu 0,5 bar erreichen, zumeist wird für den Anwendungszweck im Heizungsbau indes kaum mehr als ein Druckaufbau von 0,2 bis 0,3 bar benötigt. Bei entsprechend stärker ausgelegten stationären Magneten können auch Drücke bis 7 bar erreicht werden, wie sie beispielsweise bei Öl-Zirkulationspumpen im KFZ-Bereich anzutreffen sind.Due to the sealing of the pump, no appreciable fluid flow can take place outside of said fluid conveying paths. As a result, a significant increase in pressure in the described pumping operation can be achieved. The pressure build-up can easily reach up to 0.5 bar, but for the purpose of application in the heating industry hardly more than a pressure build-up of 0.2 to 0.3 bar is needed. With correspondingly more powerful stationary magnets also pressures up to 7 bar can be achieved, as they are to be found, for example, in oil circulation pumps in the automotive sector.
Bei üblicher Betriebsweise werden maximale Oszillationsgeschwindigkeiten des Kolbenelements
Da das Kolbenelement
Gleichzeitig kann sich durch entsprechende Wahl der Beschichtung und auch des Kolbenelements ein geringer Reibungskoeffizient zwischen Kolbenelement und Bohrungsoberfläche erzielen lassen.At the same time can be achieved by appropriate choice of the coating and also the piston member, a low coefficient of friction between the piston element and bore surface.
Im Kolbenelement
Das Gehäuse
Das Kolbenelement kann zylindrisch oder kugelförmig ausgebildet sein. Es kann mit einer dichten, korrosionshemmenden Beschichtung versehen sein, beispielsweise mit einem 2-Komponenten-Epoxidharz-Gleitlack.The piston element may be cylindrical or spherical. It can be provided with a dense, corrosion-inhibiting coating, for example with a 2-component epoxy resin bonded coating.
Falls – wie im Ausführungsbeispiel – zylindrische Kolbenelemente Verwendung finden, so können diese angefaste Kanten haben, um Verkantung zu verhindern.If - as in the embodiment - find cylindrical piston elements use, they may have chamfered edges to prevent tilting.
Der Rotor
Der Rotor
Bei Bedarf können in das Gehäuse
Die nierenartigen Druckräume
Sie sind so mit umlaufenden Dichtflächen versehen, dass sie gegen die axialen Öffnungen des Rotors nach außen hin abdichten.They are provided with circumferential sealing surfaces so that they seal against the axial openings of the rotor to the outside.
Das Gehäuse
Vorgesehen kann auch werden, dass weichmetallische Polschuhe im Bohrungsbereich mit in den Rotor integriert werden, die quasi eine Nord-Süd-Bohrungsauskleidung darstellen. Hiermit kann erreicht werden, dass der Luftspalt zu den Kolbenelementen reduziert werden. Hierzu wird auf eine spezielle Ausführungsform des Rotors
Der Rotor
In diese Aufnahmeräume werden Führungselemente
Die Führungselemente
Hierdurch ergibt sich eine vorteilhafte magnetische Flusslinien-Umschlingung.This results in an advantageous magnetic flux line looping.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Pumpepump
- 22
- Ansaugbereichsuction
- 33
- Abgabebereichdelivery area
- 44
- Gehäusecasing
- 55
- Rotorrotor
- 5'5 '
- Teil des RotorsPart of the rotor
- 5''5 ''
- Teil des RotorsPart of the rotor
- 66
- Abschlussbereichtermination region
- 77
- Abschlussbereichtermination region
- 88th
- Drehachseaxis of rotation
- 99
- Antriebselement (Stator)Drive element (stator)
- 1010
- Antriebselement (Magnetkranz)Drive element (magnetic ring)
- 1111
- Bohrungdrilling
- 1212
- radial außenliegender Bereichradially outboard area
- 1313
- radial innerer Bereichradially inner area
- 1414
- fluidische Verbindungfluidic connection
- 1515
- Kolbenelement (Zylinder, Kugel)Piston element (cylinder, ball)
- 1616
- Magnet (Ringmagnet)Magnet (ring magnet)
- 16'16 '
- Magnet (Ringmagnet)Magnet (ring magnet)
- 16''16 ''
- Magnet (Ringmagnet)Magnet (ring magnet)
- 1717
- Druckraumpressure chamber
- 1818
- Druckraumpressure chamber
- 1919
- Fluidleitungfluid line
- 2020
- Fluidleitungfluid line
- 2121
- Kurvenbahncam track
- 2222
- Bohrungsabschnittbore section
- 2323
- Bohrungsabschnittbore section
- 2424
- Ringnutring groove
- 2525
- Ausnehmungrecess
- 2626
- Ausnehmungrecess
- 2727
- Führungselementguide element
- LL
- Bohrungslängsachsebore longitudinal axis
- OO
- oszillierende Bewegungoscillating motion
- αα
- Umfangswinkelcircumferential angle
- aa
- Abstanddistance
- rr
- Radius des RotorsRadius of the rotor
- FF
- Förderrichtungconveying direction
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
R020 | Patent grant now final |
Effective date: 20141216 |
|
R119 | Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee |