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Die Erfindung betrifft eine Magnetkupplungspumpe, welche eine Welle mit einer Durchgangsbohrung sowie ein laufradseitiges Gleitlager und ein laufradfernes Gleitlager aufweist, wobei an der Welle ein innerer Magnetrotor angeordnet ist, der zumindest bereichsweise an einem Lagergehäuse anliegt, wobei ein Mediumspalt gebildet ist.
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Derartige Magnetkupplungspumpen sind allgemein bekannt, und zum Beispiel in der
DE 10 2009 022 916 A1 beschrieben. Dabei wird die Pumpenleistung von einer Antriebswelle aus über einen Magnet tragenden Rotor (Außenrotor) berührungsfrei und im Wesentlichen schlupflos auf den pumpenseitigen Magnetträger (Innenrotor, erstes Treibelement) übertragen. Der Innenrotor bzw. das erste Treibelement treibt die Pumpenwelle an, welche in einer vom Fordermedium geschmierten Gleitlagerung, also in einer hydrodynamischen Gleitlagerung gelagert ist. Zwischen dem Außenrotor und dem Innenrotor, also zwischen den Außen- und den Innenmagneten liegt ein Spalttopf mit seiner zylindrischen Wand. Der Spalttopf ist mit seinem Flansch mit einer Pumpenkomponente, beispielsweise einem Gehäusedeckel verbunden, und weist gegenüberliegend dazu einen geschlossenen Baden auf. Der Spalttopf, also die Magnetkupplungspumpe trennt zuverlässig den Produktraum von der Umwelt, so dass die Gefahr eines Produktaustrittes mit allen damit verbundenen negativen Konsequenzen ausgeschlossen werden kann. Eine Magnetkupplungspumpe ist demnach die Kombination aus einer konventionellen Pumpenhydraulik mit einem magnetischen Antriebssystem. Dieses System nutzt die Anziehungs- und Abstoßungskräfte zwischen Magneten in beiden Kupplungshälften zur berührungslosen und schlupflosen Drehmomentübertragung. Besonders im Umgang mit sehr wertvollen oder sehr gefährlichen Stoffen birgt die Magnetkupplungspumpe demnach große Vorteile.
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Die
EP 0 814 275 B1 beschäftigt sich mit einem hydrodynamischen Gleitlager einer Magnetkupplungspumpe, welches als kombiniertes Axial- und Radiallager ausgebildet ist. Das Gleitlager der
EP 0 814 275 B1 weist zwei Lagerhülsen, zwei auf den Lagerhülsen gleitbare Lagerbuchsen, eine zwischen den Lagerhülsen angeordnete Distanzhülse und eine zwischen den Lagerbüchsen angeordnete Distanzbüchse auf. Die Lagerhülsen und -büchsen sind aus einem keramischen Werkstoff gebildet, wobei die Distanzhülse bzw. -büchse aus einem Metall gebildet ist. Um ein hydrodynamisches Gleitlager zu schaffen, welches kostengünstig herstellbar sein soll und so ausgeführt sein soll, dass jederzeit genügend Schmierung durch das zu fördernde Medium in das Gleitlager gelangt, schlägt die
EP 0 814 275 B1 vor, dass der Innendurchmesser der Lagerhülsen größer ist als der Innendurchmesser der Distanzhülse. Weiter schlägt die
EP 0 814 275 B1 vor, dass ein Teilstrom des Fördermediums das laufradferne Gleitlager passierend durch eine Kanaldurchgangsbohrung des inneren Magnetrotors in den Spalttopf geführt wird, von wo aus das Fördermedium in die Durchgangsbohrung der Welle gelangt, und in den Saugbereich der Pumpe zurückgeführt wird. Nachteilig bei dieser Ausgestaltung kann sein, dass die gewünschte Zwangsführung des Fördermediumteilstromes durch den inneren Magnetrotor in den Druckraum und von dort in die hohlgebohrte Welle nicht gegeben ist, wenn z. B. die entsprechenden Druckverhältnisse ungünstig sind. In einem solchen Fall könnte das durch die Magnetverlustleistung erwärmte Fördermedium entgegen der eigentlich vorgesehen (Zwangs)Strömungsrichtung durch den inneren Magnetrotor, bzw. durch dessen Kanaldurchgangsbohrung gegen das laufradferne Axiallagerelement gedrückt werden, so dass das betreffende, axialschubbelastete Axiallagerelement mit bereits erwärmten Teilfördermediumstrom geschmiert wird, was im schlimmsten Fall zu einem Lagerschaden führen kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Magnetkupplungspumpe der Eingangs genannten Art mit einfachen Mitteln zu verbessern bzw. zu schaffen, bei welchem stets eine sichere Kühlung und Schmierung mit Fördermedium gewährleistet ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Magnetkupplungspumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei der Mediumspalt ein Strömungsveränderungselement aufweist.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit der einzigen Figur zusätzlich.
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Die Magnetkupplungspumpe weist den inneren Magnetrotor und das Lagergehäuse auf. Beide liegen mit korrespondierenden Oberflächen aneinander an, wobei natürlich ein Mediumspalt zwischen beiden Oberflächen (Trägeranlaufzone) vorgesehen ist. Durch den Mediumspalt kann ein Mediumteilstrom in Richtung zur Kanaldurchgangsbohrung strömen, wobei eine Leckageströmung durch den Mediumspalt strömen kann. Insofern hat der Mediumspalt lediglich die Funktion eines Leckagespaltes, wobei weder eine Kühlung noch eine Schmierung unbedingt erforderlich ist. Das jeweilige Gleitlager weist Radiallagerelemente, also eine Lagerbuchse sowie eine Lagerhülse und das Axiallagerelement bzw. eine Lagerscheibe auf. Zwischen einander gegenüber liegenden Gleitflächen der Lagerbuchse und der Lagerhülse ist eine Schmiernut vorgesehen welche in die Gleitfläche der Lagerbuchse eingebracht ist. Die jeweilige Schmiernut kann mit einem verrundeten Verlauf ausgeführt sein, welcher eine, bezogen auf eine Mittelachse der Lagerbuchse von dieser wegorientierten Wölbung aufweist, also bevorzugt konvex ausgeführt ist. Das Fördermedium, welches in bekannter Art zur Versorgung der Gleitlager aber auch zur Wärmeabfuhr der Magnetverlustleistung entnommen wird, gelangt sowohl durch die laufradferne Schmiernut an der Lagerscheibe vorbei strömend als auch durch den Mediumspalt zu der Kanaldurchgangsbohrung wo sich beide Teilströme vereinigen und in den Spalttopf bzw. in den Druckraum geführt werden.
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Des Weiteren weist die Magnetkupplungspumpe ein zweites Treibelement auf, welches auch als äußerer Magnetrotor bezeichnet werden kann. Zwischen beiden Magnetrotoren ist der Spalttopf angeordnet. Zur Wärmeabfuhr der Magnetverlustleistung wird der Kühlmediumstrom genutzt, welcher innerhalb des Spalttopfes in einen Kühlspalt einströmt und endseitig in den Bodenbereich des Spalttopfes, also in einem Druckraum mündet.
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Der Kühlmediumstrom ist nach passieren des Kühlspaltes selbstverständlich erwärmt, wobei mit der Erfindung vorteilhaft eine Strömung erwärmten Mediums aus dem Druckraum zu dem laufradfernen Gleitlager vermieden ist. Aus dem Druckraum gelangt der Kühlmediumstrom in die Durchgangsbohrung der Welle und wird zur Saugseite des Förderelementes bzw. der Magnetkupplungspumpe gefördert. Die Strömung durch die hohlgebohrte Welle ist im Stand der Technik wohl bekannt.
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Um den Druck im gesamten Gleitlagerbereich zu erhöhen, kann zielführend vorgesehen sein, dass die laufradnahe Schmiernut in ihrem Verlauf in Richtung zu dessen Austrittseite zur laufradnahen Lagerscheibe konisch ausgeführt ist, wobei sich die laufradnahe Schmiernut bevorzugt zur Austrittseite hin verjüngt. Dabei kann eine entsprechende Anpassung, also eine entsprechende konische Ausgestaltung lediglich der Oberfläche der laufradnahen Lagerbuchse ausreichen.
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Bei zunehmender Einspeisemenge erhöht sich der Staudruck an der (inneren) Stirnseite des inneren Magnetrotors, was zu einer Reduzierung des Axialschubes zur Saugseite führt, wobei das (laufradferne) Axiallagerelement, bzw. die (laufradferne) Lagerscheibe entlastet wird.
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Günstig ist auch, dass durch den Kühlspalt prozentual mehr Fördermedium strömt als durch den Mediumspalt. Um zu erreichen, dass der Teilstrom durch den Mediumspalt weiter reduziert wird, wobei gleichzeitig der Kühlmediumstrom durch den Kühlspalt weiter erhöht wird, was sogleich eine Druckreduzierung am Austritt des Mediumspaltes zur Lagerscheibe bewirkt, so dass der Schmiermediumstrom zur Schmierung des (laufradfernen) Gleitlagers über die Lagerscheibe strömend in den niedrigen Druckbereich zwangsgeführt wird, ist bei der Erfindung zielführend vorgesehen, dass der Mediumspalt das Strömungsveränderungselement, bevorzugt in der Ausgestaltung als Drosselelement aufweist.
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Mit dem Strömungsveränderungselement bzw. mit dem Drosselelement wird der Teilstrombetrag in dem Mediumspalt bzw. in der Trägeranlaufzone reduziert. Das Strömungsveränderungselement kann als Labyrinth ausgeführt sein, wobei zweckmäßiger Weise vorgesehen ist, die Nuten des Labyrinths in die entsprechende Oberfläche des Lagergehäuses, also in einem nicht rotierenden Bauteil einzubringen. Mit diesen Maßnahmen erhöht sich parallel auch der stirnseitige Druck, welcher auf die innere Stirnseite des inneren Magnetrotors wirkt, womit erreicht wird, dass die Teilstrommenge über den Kühlspalt, bzw. der Kühlmediumstrom, wie bereits erwähnt, erhöht wird, wodurch sich z. B. bei zu fördernden leichtsiedenden Medien der Wärmeeintrag in das Medium durch den größeren tangentialen Durchfluss durch den Kühlspalt reduziert. Des Weiteren kann mit der vorteilhaften Maßnahme der Axialschub der Pumpe besser kontrolliert werden, da der herrschende Druck auf die laufradnahe Stirnseite des inneren Magnetrotors vom Betrag her erhöht ist, wodurch das laufradferne Axiallagerelement bzw. die laufradferne Lagerscheibe entlastet wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigt die einzige
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1 einen Ausschnitt einer Magnetkupplungspumpe in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt einen Ausschnitt einer Magnetkupplungspumpe
1 mit einer Pumpenwelle, z. B. als Edelstahlwelle, welche ein Laufrad trägt, und welche in einem hydrodynamischen Gleitlager gelagert ist, wobei das hydrodynamische Gleitlager von Fördermedium, aber auch mit einem anderen, produktverträglichen Fluid extern geschmiert werden kann. Die beispielhafte Magnetkupplungspumpe
1 ist mit ihren einzelnen Komponenten an sich z. B. aus der
EP 0 814 275 B1 bekannt, weswegen diese nicht näher beschrieben ist.
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Die Magnetkupplungspumpe 1 weist ein laufradnahes Gleitlager und ein laufradfernes Gleitlager auf. Das jeweilige Gleitlager weist eine Lagerhülse, eine Lagerbuchse 2 und ein Axiallagerelement 3 bzw. eine Lagerscheibe 3 auf.
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Zwischen der jeweiligen Lagerbuchse 2 und der jeweiligen Lagerhülse ist eine Schmiernut angeordnet, welche in die Lagerbuchse 2 eingebracht ist. Die jeweilige Schmiernut kann mit einem verrundeten Verlauf ausgeführt sein, welcher eine, bezogen auf eine Mittelachse der Lagerbuchse 2 von dieser wegorientierten Wölbung aufweist, also bevorzugt konvex ausgeführt ist.
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Die Welle trägt ein drehfest mit diesem verbundenen inneren Magnetrotor 4. Der innere Magnetrotor 4 übergreift das Lagergehäuse 6 bereichsweise, so dass eine so genannte Trägeranlaufzone 7 gebildet ist, in welcher ein Mediumspalt 8 angeordnet ist. Der Mediumspalt 8 ist also zwischen einander gegenüberliegenden Oberflächen des Lagergehäuses 6 und des inneren Magnetrotors 4 angeordnet.
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Der innere Magnetrotor 4 steht in Wirkverbindung mit einem angetriebenen äußeren Magnetrotor 9. Zwischen beiden Magnetrotoren 4 und 9 ist ein Spalttopf 11 angeordnet, welcher gegenüberliegend zum Laufrad einen Boden 12 aufweist, so dass ein Druckraum 13 gebildet ist. Zwischen dem Spalttopf 11 und dem inneren Magnetrotor 4 ist ein Kühlspalt 14 angeordnet, welcher in den Druckraum 13 mündet.
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In der Welle ist eine Durchgangsbohrung eingebracht, welche zum Druckraum 13 hin geöffnet ist. Gegenüberliegend weist die Durchgangsbohrung eine mediummäßige Verbindung bzw. ein Kanalsystem zum Laufrad der beispielhaften Magnetkupplungspumpe 1 auf.
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Die Erfindung zielt auf die vorteilhafte Teilstromführung zur Kühlung und Schmierung der Magnetkupplungspumpe 1 z. B. mit Fördermedium.
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Das Fördermedium wird an einer Stelle hohen Druckes im Laufradbereich entnommen und über eine Bohrung durch den Gehäusedeckel in eine Sammeltasche geleitet. Die Sammeltasche wird einerseits von einem Teilabschnitt des Spalttopfes 11, einem Teilabschnitt des Lagergehäuses 6 und der laufradnahen Stirnseite des inneren Magnetrotors 4 gebildet.
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Der in die Sammeltasche geführte Mediumstrom strömt mit einem Teilstrom 16 durch den Kühlspalt 14 in den Druckraum 13, und wird mit einem zweiten Teilstrom 17 über den Mediumspalt 8 geleitet.
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Der Schmiermediumstrom, welcher an einer anderen Stelle entnommen wird und in eine Schmiertasche zwischen den Gleitlagern geleitet wird, wird in zwei Schmierteilströme aufgeteilt. Der erste Schmierteilstrom 20 strömt durch die laufradfernen Schmiernut um das laufradferne Axiallagerelement in eine Kanalausbildung, welche als Kanaldurchgangsbohrung 18 ausgeführt ist, und durch diese in den Druckraum 13. Der Teilstrom 17 über den Mediumspalt 8 gelangt ebenfalls in die Kanaldurchgangsbohrung 18.
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Zur Erhöhung des Druckes im gesamten Gleitlagerbereich ist in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die laufradnahe Schmiernut konisch ausgeführt ist. Bevorzugt ist dabei vorgesehen, dass sich die laufradnahe Schmiernut von ihrer zur Schmiertasche orientierten Eingangsseite zur gegenüber liegenden Austrittseite in seinem lichten Durchmesser konisch verjüngt, wobei lediglich die Lagerbuchse an ihrer Oberfläche so bearbeitet ist, dass sich der konische Verlauf der laufradnahen Schmiernut ergibt.
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Der Mediumdruck am Austritt aus der laufradfernen Schmiernut ist direkt abhängig von der Einspeisemenge des Mediums in die Sammeltasche. Bei zunehmender Einspeisemenge in die Sammeltasche erhöht sich der Staudruck an der laufradnahen Stirnseite des inneren Magnetrotors 4, was zu einer Reduzierung des Axialschubes zur Saugseite führt, wodurch die laufradferne Lagerscheibe 3 entlastet wird.
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Beispielhaft weist der stirnseitige Druck auf die laufradnahe Stirnseite des inneren Magnetrotors 4 einen geringeren Betrag als den Förderuck der Magnetkupplungspumpe 1 auf. Von dem Kühlmediumstrom strömt ein höherer prozentualer Anteil durch den Kühlspalt 14 in den Druckraum 13 als durch den Mediumspalt 8 zur Kanaldurchgangsbohrung 18.
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Zur Reduzierung des Teilstrombetrages, welcher durch den Mediumspalt 8 strömt, weist dieses vorteilhaft ein Strömungsveränderungselement 19, bevorzugt ein Drosselelement 19 in der beispielhaften Ausgestaltung als Labyrinth 19 auf, so dass sich der Betrag des Teilstromes welcher durch den Mediumspalt 8 strömt um beispielhaft 10–30% beispielsweise um 20% reduziert, wobei gleichzeitig der Betrag des Kühlmediumstromes durch den Kühlspalt 14 um beispielhaft 10–30% beispielsweise um 20% erhöht wird. Dadurch wird gleichzeitig der stirnseitige Druck auf die laufradnahe Stirnseite des inneren Magnetrotors 4 erhöht, wodurch der Druck am Austritt des Mediumspaltes 8 reduziert wird, so dass der erste Schmierteilstrom zur Schmierung des laufradfernen Gleitlagers in einen niedrigen Druckbereich zwangsgeführt wird. Mit Erhöhung des auf die laufradnahe Stirnseite wirkenden stirnseitigen Druckes wird der Kühlmediumstrom vom Betrag her erhöht, so dass beispielsweise bei leichtsiedenden Medien der Wärmeeintrag in den Kühlmediumstrom durch den größeren tangentialen Durchfluss reduziert wird, wobei zudem noch der Axialschub der Magnetkupplungspumpe besser kontrolliert werden kann, da die laufradferne Lagerscheibe entlastet wird. Das Drosselelement 19 könnte auch als Fördergewinde ausgeführt sein. Zielführend ist, wenn das Drosselelement 19 in dem nicht rotierenden Bauteil bzw. in dem Lagergehäuse angeordnet ist. Das als Labyrinth 19 ausgeführte Drosselelement 19 weist in Axialrichtung gesehen zueinander beabstandete Nuten 21 auf, welche in die betreffende Oberfläche bevorzugt des Lagergehäuses 6 angeordnet bzw. eingebracht sind. Lediglich beispielhaft sind vier aufeinander folgende Nuten 21 vorgesehen, wobei der Teilstrom 17, also der Leckagestrom im Mediumspalt 8 verwirbelt wird, was sich auf eine Reduzierung der Durchströmmenge auswirkt. Dies ist in 1 mittels der (kleineren) Pfeile oberhalb der Nuten 21 angedeutet. Das Drosselelement 19 bewirkt eine Druckerhöhung am Eingang des Mediumspaltes 8, wodurch auch der stirnseitige Druck an der laufradnahen Stirnseite des inneren Magnetrotors 4 erhöht wird. Natürlich können auch mehr oder weniger Nuten vorgesehen sein.
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Mit der Erfindung wird eine Teilstromführung in Magnetkupplungspumpen erreicht, mit welcher stets eine Kühlung und Schmierung sichergestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnetkupplungspumpe
- 2
- Lagerbuchse
- 3
- Axiallagerelement
- 4
- Innerer Magnetrotor
- 5
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- 6
- Lagergehäuse
- 7
- Trägeranlaufzone
- 8
- Mediumspalt
- 9
- Äußerer Magnetrotor
- 10
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- 11
- Spalttopf
- 12
- Boden
- 13
- Druckraum
- 14
- Kühlspalt
- 15
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- 16
- Teilstrom durch 14
- 17
- Teilstrom durch 8
- 18
- Kanaldurchgangsbohrung
- 19
- Strömungsveränderungselement/Drosselelement
- 20
- Erster Schmierteilstrom
- 21
- Nuten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009022916 A1 [0002]
- EP 0814275 B1 [0003, 0003, 0003, 0003, 0016]
