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Die Erfindung betrifft Schraubenrotoren zur Verwendung in einer Volumenmesseinrichtung zum Messen von Volumen von Fluiden, insbesondere einem Schraubenspindelzähler, sowie eine Volumenmesseinrichtung für Fluide, insbesondere Schraubenspindelzähler, insbesondere zum Messen von hochviskosen oder pastösen, schlecht schmierenden sowie abrassiven Kleb- und Dichtstoffen, umfassend ein Gehäuse (1), mindestens zwei in Achsrichtung anströmbare ineinandergreifende Schraubenrotoren (6, 7), wobei die Schraubenrotoren (6, 7) frei drehbar in dem Gehäuse (1) gelagert sind und mit dem Gehäuse eine Messkammer ausbilden, einer Sensorik (20) zur Erfassung der Fluidbewegung durch Detektion der Rotation der Schraubenrotoren (6, 7).
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Einrichtungen zur Messung des Volumens von Fluiden, insbesondere zur Messung von Durchflussmengen werden häufig als Volumensensoren bezeichnet. Erfolgreich und bewährt sind dabei mit zwei miteinander kämmenden Zahnrädern arbeitende Durchflussmengenfühler, wie sie beispielsweise aus der
DE 40 40 409 C2 bekannt sind.
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Als Alternative zu mit Zahnrädern arbeitenden Durchflussmengenmessgeräten sind auch sogenannte Schraubenspindelzähler bekannt. Derartige Schraubenspindelzähler sind beispielsweise aus der
DE 42 08 869 C2 , der
DE 195 13 781 B4 , der
DE 195 29 331 C2 oder der
DE 10 2004 002 837 A1 bekannt. Diese Schraubenspindelzähler weisen zwei parallel zueinander angeordnete Schraubenrotoren oder Schraubenspindeln auf. Diese beiden Schraubenspindeln sind miteinander in Eingriff und befinden sich frei drehbar in einem Gehäuse. Sie werden in Achsrichtung von dem zu messenden Fluid angeströmt und dadurch in Drehung versetzt.
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Das Schraubenspindelpaar bildet gemeinsam mit dem umgebenden Gehäuse eine Vielzahl von abgeschlossenen Messkammern. Das strömende Messmedium versetzt die beiden Schraubenspindeln in Drehung. Dabei wird das Messmedium durch die sich drehenden Schraubenspindeln axial von der Einlassseite zur Auslassseite transportiert.
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Die Drehbewegung der Schraubenspindeln kann von Sensoren erfasst werden, die vorzugsweise berührungslos arbeiten. Daraus lässt sich ein zur Durchflussmenge proportionales Signal gewinnen. Aus diesem Signal kann dann wiederum der Volumenstrom oder das durchgesetzte Gesamtvolumen des zu messenden Fluides ermittelt werden.
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Die beiden Schraubenspindeln sind endseitig in Wälzlagern aufgenommen. Dadurch kann die für ein genaues Messen gewünschte Leichtgängigkeit des gesamten Messwerkes gewährleistet werden.
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Vielfach werden derartige Schraubenverdrängerzähler zur Durchflussmessung bei Kraftstoffen eingesetzt, also für Zapfsäulen von Tankstellen. Sie messen dort die Menge an Kraftstoff, die ein Nutzer entnimmt und liefern so die Basis für den zu entrichtenden Betrag. Diese Geräte sind auch vielfach im Einsatz und zudem für den genannten Anwendungsbereich gut geeignet. Im üblichen Anwendungsbereich bei normalen Umgebungstemperaturen, niedrig- bis mittelviskosen Fluiden wie etwa Kraftstoff und gängigen Drücken sind mit den herkömmlichen Schraubenspindelzählern gute reproduzierbare Ergebnisse erreichbar.
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Rotationsverdränger oder auch Schraubenspindelzähler werden üblicherweise zum Messen niedrig bis mittelviskoser Flüssigkeiten in Verbrauchsmesseinrichtungen eingesetzt. Sie bestehen, wie eingangs erwähnt, aus mindestens zwei in Achsrichtung anströmbaren ineinandergreifenden Schraubenrotoren, die frei drehbar in einem Gehäuse gelagert sind. Das Rotorenpaar bildet mit dem Gehäuse abgeschlossene Messkammern aus und wird durch das strömende Messmedium in Drehung versetzt. Das Messmedium wird dabei durch die sich drehenden Rotoren axial von der Einlass- zur Auslassseite transportiert. Die Drehbewegung wird von einem oder mehreren berührungslos arbeitenden Sensoren erfasst. Die erfassten Signale ergeben ein durchflussproportionales Frequenzsignal, aus dem dann wiederum der Volumenstrom oder das durchgesetzte Gesamtvolumen bestimmt wird.
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Wünschenswert wäre es jedoch, diese technisch interessante Konstruktion auch bei anspruchsvolleren Anwendungsgebieten einsetzen zu können, bei denen derartige Volumenströme präzise erfasst werden müssen.
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Problematisch an den bisher im Stand der Technik bekannten und auf dem Markt befindlichen Schraubenmaschinen zum Messen von Flüssigkeiten ist die Konstruktion der Rotoren und der zugehörigen Gehäuse und Anschlussteile, da hierzu auf allgemein gebräuchliche Profilformen zurückgegriffen wurde, die häufig aus der Pumpentechnik stammen. Diese Profilformen sind zudem nicht oder nur unwesentlich an die Aufgaben eines Messmotors angepasst. Da die derzeit im Stand der Technik bekannten und auch verwendeten Rotorprofile sehr lang ausgebildet sind, führt dies beim Betrieb mit hochviskosen Flüssigkeiten zum Biegen der Rotoren. Zudem verfügen die Rotorprofile auch über sehr große Massen, was letztendlich dazu führt, dass die Dynamik der Messungen wesentlich beeinflusst, wobei dies eine sehr negative Beeinflussung zur Folge hat. Außerdem wird durch das ungünstige Durchmesser/Längen Verhältnis der erforderliche Bauraum nicht effektiv genutzt.
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Wesentliche Konstruktionsparameter einer Schraubenmaschine sind neben der Zähnezahl das Rotationsvolumen, dies ist das durchgesetzte Gesamtvolumen pro einer Umdrehung des Hauptrotors und die Schöpfflächen, dies sind die wirksamen stirnseitigen Zahnlückenflächen eines Rotorpaares, außerdem der Steigungswinkel sowie die Rotorlänge, Kopf und Fußkreise der beiden Rotoren.
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Um einen möglichst druckverlustarmen, widerstandsfreien Betrieb zu gewährleisten ist ein günstiges Schöpfflächen/Rotationsvolumen – Verhältnis anzustreben, das heißt große Schöpfflächen im Verhältnis zum Rotationsvolumen. Üblicherweise liegt das Rotationsvolumen zu Schöpfflächen – Verhältnis bei einem Messmotor bei 1:10 bis 1:12, das heißt 10–12 mm2 (Schöpf)Fläche pro 1,00 cm3 Rotationsvolumen bei Steigungswinkeln von 45° bis 50°.
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Üblicherweise werden diese Art von Verdrängerzählern endseitig mit Wälzlagern versehen, welche die für ein genaues Messen erforderliche Leichgängigkeit des Messwerkes gewährleisten. Diese Wälzlager begrenzen aber auch den Arbeitsbereich der Schraubenmaschinen da sich Wälzlager nur für saubere gut schmierende Messstoffe eignen. Außerdem ist die axiale Belastbarkeit von Wälzlagern begrenzt. In Schraubenverdrängermaschinen entstehen jedoch prinzipbedingt hohe axiale Kräfte, zum einen durch die großen Steigungswinkel der Rotoren und außerdem durch die entstehende Druckdifferenz zwischen Einlass- und Auslassseite des Gerätes. Die Druckdifferenz nimmt mit steigender Viskosität und steigendem Durchfluss zu.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Schraubenrotoren zur Verwendung in einer Volumenmesseinrichtung zum Messen von Volumen von Fluiden, insbesondere einem Schraubenspendelzähler, anzugeben, wobei die Rotoren möglichst widerstandsarm und leckagefrei vom Flüssigkeitsstrom angetrieben werden und außerdem schnellen Geschwindigkeitsänderungen des Flüssigkeitsstroms möglichst ohne Verzögerung bidirektional folgen. Insgesamt soll der Einsatzbereich im Stand der Technik bekannter Schraubenrotoren zur Verwendung in einer Volumenmesseinrichtung deutlich erweitert werden. Zudem soll außerdem die Servicefreundlichkeit verbessert und die verschleißbedingten Betriebskosten gesenkt werden.
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Weiter ist es Aufgabe der Erfindung, eine Volumenmesseinrichtung für Fluide, insbesondere zum Messen von hochviskosen oder pastösen schlecht schmierenden sowie abrassiven Kleb- und Dichtstoffen anzugeben, wobei die Rotoren möglichst widerstandsarm und leckagefrei vom Flüssigkeitsstrom angetrieben werden und außerdem schnellen Geschwindigkeitsänderungen des Flüssigkeitsstroms möglichst ohne Verzögerung bidirektional folgen. Insbesondere soll zudem keine Energie im Sinne von Leistungsübertragung gewandelt werden.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es eine Volumenmesseinrichtung für Fluide, insbesondere zum Messen von hochviskosen oder pastösen schlecht schmierenden sowie abrassiven Kleb- und Dichtstoffen anzugeben, wobei die Lagerung der Rotoren möglichst widerstandsarm erfolgt, zudem durabel ausgebildet ist und im Verschleißfall leicht austauschbar ist.
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Diese Aufgaben werden durch Schraubenrotoren zur Verwendung in einer Volumenmesseinrichtung gemäß Anspruch 1 und einer Volumenmesseinrichtung für Fluide gemäß Anspruch 2 sowie gemäß Anspruch 3 gelöst.
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Dadurch, dass der Steigungswinkel der Schraubenrotoren im Bereich von 27° bis 38° liegt und das Verhältnis zwischen Schöpffläche und Volumen im Bereich von 15 bis 35 mm2/cm3 liegt, sind die Rotoren möglichst widerstandsarm ausgebildet und können zudem schnellen Geschwindigkeitsänderungen des Flüssigkeitsstroms nahezu verzögerungsfrei bidirektional folgen. Daher ist der Einsatzbereich der im Stand der Technik bekannten Schraubenrotoren zur Verwendung in einer Volumenmesseinrichtung deutlich erweitert und zudem die Servicefreundlichkeit verbessert und die verschleißbedingten Betriebskosten können hierdurch erheblich reduziert werden.
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Zur Erzeugung eines für einen Messmotor besser geeigneten Rotorprofiles wird (konstruktiv) zunächst der Kopfkreis freigegeben, wobei das zuvor festgelegte Konstruktionsfenster des Fußkreises beibehalten wird, um so die Schöpfflächen zu vergrößern. Der Steigungswinkel, gemessen am Fußkreis des Hauptrotors, soll in einem Konstruktionsfenster von 27° bis maximal 38° liegen. Dies wird durch Veränderung der übrigen Parameter konstruktiv so ausgeführt, dass ein Schöpfflächen/Volumenverhältnis von min. 1:15 bis maximal 1:35, d. h. dass das Verhältnis zwischen Schöpffläche und Volumen im Bereich von 15 bis 35 mm2/cm3 liegt, gebildet wird.
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Die so erzeugten Profilhöhen sind extrem hoch, die Massen der Rotorenpaare sind dadurch jedoch sehr gering, da neben den Achsen nur noch wenig Material nach der Profilerzeugung verbleibt.
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Außerdem führen diese konstruktiven Maßnahmen, bedingt durch die wesentlich größeren Kopfkreise, zu einem relativ großen Achsabstand, welcher den Einbau einer geeigneten Radial/Axial-Gleitlagerung oder auch einer geeigneten ausreichend dimensionierten Wälzlagerung wesentlich erleichtert. Außerdem kann die Lagerung hierdurch in einer Konstruktionsebene liegen, was wiederum zur Reduzierung von Teilen führt, die Baulänge verringert und die Montage insgesamt erleichtert. Die deutlich geringeren Rotorlängen reduzieren das Bauvolumen und damit die Werkstoff und Herstellkosten.
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Hierzu weist insbesondere die Volumenmesseinrichtung für Fluide, insbesondere Schraubenspindelzähler, insbesondere zum Messen von hochviskosen oder pastösen, schlecht schmierenden sowie abrassiven Kleb- und Dichtstoffen, ein Gehäuse, mindestens zwei in Achsrichtung anströmbare ineinandergreifende Schraubenrotoren, wobei die Schraubenrotoren frei drehbar in dem Gehäuse gelagert sind und mit dem Gehäuse eine Messkammer ausbilden, einer Sensorik zur Erfassung der Fluidbewegung durch Detektion der Rotation der Schraubenrotoren, auf, wobei der Steigungswinkel der Schraubenrotoren im Bereich von 27° bis 38° liegt und das Verhältnis zwischen Schöpffläche und Volumen im Bereich von 15 bis 35 mm2/cm3 liegt, auf.
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Dadurch, dass ein Ein-/Auslassbereich zum Ein- bzw. Auslassen des Fluides vorgesehen ist, wobei der Ein-/Auslassbereich aus einem Profil (44) mit bevorzugt zwei in dem Profil (44) vorgesehenen, das Fluid durchlassenden, Einlassöffnungen (43) besteht, wobei für jeden Schraubenrotor (6, 7) jeweils eine Einlassöffnung (43) vorgesehen ist, erfolgt eine homogene Zuführung und insbesondere ist eine sehr genaue Messung des Volumens mittels der Volumenmesseinrichtung (1) möglich.
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Dadurch, dass das Profil (44) eine Vorkammer ausbildet und das Profil (44) besonders bevorzugt im Bereich der Einlassöffnungen gewölbt ausgebildet ist, wird eine besonders gute Zuführung und Messgenauigkeit realisiert. Zur weiteren Ausgestaltung wird auf die 1 bis 6 verwiesen.
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Auf die mit einer genauen Passung versehenen Rotorwellenenden werden Lagerbuchsen (8), vorzugsweise aus gehärtetem Stahl aufgeschrumpft. Bei diesem Vorgang werden gleichzeitig Hartmetallscheiben (12), bevorzugt aus Wolframkarbid, zum axialen Schutz der freien Wellenenden der Rotoren eingeschrumpft. Diese Konstruktion verhindert eine stirnseitige Beschädigung der Rotorwellen und kann im Falle von Verschleiß ausgewechselt werden.
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Auf der Gehäuseseite befindet sich radial ein ringförmiges Gleitlager (15), vorzugsweise aus Siliziumkarbid (SSiC) oder Wolframkarbid, welches stirnseitig durch einen Stützring (18) abgestützt wird und auf der Rotorseite mit einem Sicherungsring (37) fixiert ist.
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Unterhalb der Wellenenden sind axial Bohrungen (42) in die Lagerträger (2, 3) eingebracht, die für einen Druckausgleich im Lagerraum sorgen und gleichzeitig einen gewissen Flüssigkeitsaustausch gewährleisten, um ein etwaiges Aushärten oder Erhitzen des Mediums zu vermeiden. Zudem erleichtern die Bohrungen die Reinigung des Lagerraumes bei Spülvorgängen.
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Auf der Gehäuseebene axial wird eine feststehende Welle (11) mit kugelförmigem Kopf aus Wolframkarbid oder Keramik in die Lagerträger eingebaut, diese nimmt die axialen Kräfte bei gleichzeitig niedrigen Reibwerten auf. Auch dieses Lagerteil ist mit einfachen Mitteln leicht auswechselbar. Es erlaubt außerdem im Bedarfsfall ein axiales Justieren der Rotoren.
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Auf der Polrad Seite (3) wird diese Welle durch eine ringförmige Anlaufscheibe (14) ersetzt, da das freie Wellenende zur Aufnahme des Polrades (19) durchgeführt werden muss. Die Lagerbuchse (10) auf der Rotorseite, die als radiales und axiales Lager dient, ist stirnseitig zur Reibungsreduzierung mit einem Radius versehen.
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Ferner wird auch die Anströmung und die Kammerfüllung der Rotoren durch Auswahl und Anordnung der Lagerträger verbessert.
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Die Lagerträger (2, 3) selbst verfügen über Einlassöffnungen (43), die in ihrer Form und Größe an die Stirnschnitte bzw. die Schöpfflächen (45) der Rotoren angepasst sind. Auf der Anströmseite sind die Lagerträger mit einem Strömungstechnisch günstigen kugel- oder kegelförmigen Profil (44) versehen und schirmen dadurch die Lagerung von der anströmenden Flüssigkeit ab. Die kugel- oder kegelförmigen Erhebungen erhöhen zudem die Stabilität der Lagerträger und dienen in Verbindung mit der Geometrie der Einlassöffnungen (43) der wirbelfreien und gezielten Zuführung des zu messenden Mediums auf das Rotorenpaar.
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Bei besonderen Ausführungsformen der Erfindung wird etwa eine DLC(Diamond like Carbon)Beschichtung von HSS-Teilen vorgenommen. HSS bezeichnet sogenannten High Speed Steel, einen Schnellarbeitsstahl. Es handelt sich um einen legierten Werkzeugstahl mit bis zu 2,06% Kohlenstoffgehalt und bis zu 30% Anteil an Legierungselementen wie Wolfram, Molybdän, Vanadium, Kobalt, Nickel und Titan.
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Als Werkstoffe der Radiallager können unter anderem auch HSS/DLC-Werkstoffe eingesetzt werden, ferner Wolframcarbit, Keramik, Austenitische Stähle, die auch plasmanitriert und/oder DLC-beschichtet sein können.
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In bestimmten Ausführungsformen werden Flächen an dem Außenmantel der Lagerbuchsen in axialer Richtung angebracht, was zu einer Verbesserung der Schmierung, Kühlung und Reinigung führt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen können den Figuren entnommen werden. Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Die vorstehend erörterten Details sind in den Zeichnungen gut zu erkennen.
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Darin zeigen:
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1 eine schematische Darstellung in einem Längsquerschnitt der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung in einem Ausführungsbeispiel;
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2 eine schematische Darstellung in einer schematischen Draufsicht der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1;
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3 einen Schnitt in einer schematischen Draufsicht des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1;
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4 einen Schnitt in einer schematischen Seitenansicht des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1;
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5 eine Schnittdarstellung des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 und
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6 einen Querschnitt des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1.
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In 1 ist eine schematische Darstellung in einem Längsquerschnitt der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt. Insbesondere ist diese Volumenmessvorrichtung ein Schraubenspindelzähler.
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Das Gehäuse 1 besteht aus mehreren Einzelelementen, die zusammengefügt ein allseitig umschließendes Gehäuse ausbilden. Durch dieses Gehäuse 1 ist ein Fluidleitkanal ausgebildet, durch den bidirektional ein Medium geleitet werden kann, wobei insgesamt das geförderte Volumen des Mediums detektiert wird.
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Innerhalb des Gehäuses 1 ist ein Messraum vorgesehen, in dem ein erster 6 und ein zweiter Schraubenrotor 7 angeordnet sind. Die Schraubenrotoren 6 und 7 befinden sich miteinander in Eingriff und sind zudem frei drehbar in dem Gehäuse 1 angeordnet. Sie werden in Achsrichtung von dem zu messenden Fluid angeströmt und dadurch in Drehung versetzt. Das Schraubenspindelpaar 6, 7 bildet gemeinsam mit dem umgebenden Gehäuse 1 eine Vielzahl von abgeschlossenen Messkammern. Das strömende zu messende Medium versetzt die beiden Schraubenspindeln 6, 7 in Drehung. Dabei wird das Messmedium durch die sich drehenden Schraubenspindeln 6, 7 axial von der Einlassseite (43) zur Auslassseite transportiert.
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Die Schraubenrotoren 6, 7 sind jeweils mittels eines Gleitlagers 15 in einer Lagerbuchse 8, 10 in einem Lagerträger 2, 3 gelagert.
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Hinsichtlich der detaillierten Ausgestaltung der Lager wird auf die obige Beschreibung Bezug genommen.
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Im Weiteren werden für gleiche Elemente die gleichen Bezugszeichen wie in 1 verwendet. Zu deren prinzipieller Funktion wird auf 1 verwiesen.
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In 2 ist eine schematische Darstellung in einer schematischen Draufsicht der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1. gezeigt.
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Insbesondere sind hier vorgesehene Axialbohrungen 42, das Polrad 19 sowie die Einlassöffnungen 43 zu sehen. Die Schöpfflächen 45 sind hier in der Draufsicht dargestellt.
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Nachfolgend wird insbesondere der Ein- und Auslassbereich der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung anhand der 3 bis 6 näher erläutert.
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In 3 ist ein Schnitt in einer schematischen Draufsicht des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt.
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4 zeigt einen Schnitt in einer schematischen Seitenansicht des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1;
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5 zeigt eine Schnittdarstellung des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung.
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In 6 ist ein Querschnitt des Ein-/Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmessvorrichtung gemäß dem Ausführungsbeispiel in 1 gezeigt.
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In den zuvor genannten 3 bis 6 ist insbesondere die Ausgestaltung des Ein- und Auslassbereiches der erfindungsgemäßen Volumenmesseinrichtung gut zu entnehmen. insbesondere sind neben der Ausgestaltung des Profils 44 auch die Ablaufflächen 47 sowie die Axialbohrungen 42 und Einlassöffnungen 43 gut zu erkennen. In Bezug auf deren Funktion wird auf die obigen 1 und 2 verwiesen.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel ist nicht abschließend zu sehen, sondern stellt lediglich ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Bauelementes dar. Form, Größe, Länge und Dicke sind an die Gegebenheiten anzupassen. Es können alle erdenklichen Grundformen, Grundrisse und räumliche Formen ausgebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Lagerträger
- 3
- Lagerträger/Polradseite
- 6
- Schraubenrotor
- 7
- Schraubenrotor
- 8
- Lagerbuchse
- 10
- Lagerbuchse
- 11
- feststehende Welle
- 12
- Hartmetallscheibe (Wolframkarbid)
- 14
- Anlaufscheibe
- 15
- Gleitlager
- 18
- Stützring
- 19
- Polrad
- 20
- Sensor
- 37
- Sicherungsring
- 42
- Axialbohrungen
- 43
- Einlassöffnung
- 44
- Profil
- 45
- Schöpffläche
- 46
- Rotationsvolumen
- 47
- Ablauffläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4040409 C2 [0002]
- DE 4208869 C2 [0003]
- DE 19513781 B4 [0003]
- DE 19529331 C2 [0003]
- DE 102004002837 A1 [0003]
