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Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Fördern eines Fluids von einem Ansaugbereich in einem Abgabebereich, die ein Gehäuse aufweist sowie mindestens einen im Gehäuse um eine Drehachse drehbar angeordneten Rotor, der von einem Antriebselement angetrieben werden kann, wobei der Rotor von mindestens einer radialen Bohrung durchsetzt ist, wobei in der mindestens einen Bohrung ein Kolbenelement angeordnet ist, das sich in Richtung der Bohrungslängsachse bewegen kann, wobei 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, 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.
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Eine gattungsgemäße Pumpe ist in der
DE 10 2010 006 929 A1 beschrieben. Eine solche Pumpe wird beispielsweise in Heizungsanlagen eingesetzt, um Wasser durch den Heizkreislauf zu pumpen. Es hat sich dabei gezeigt, dass das vorbekannte Prinzip der dort beschriebenen gattungsgemäßen Steuerung der Bewegung eines Kolbens in einem Rotor mittels Magneten sehr vorteilhaft ist. Eine ähnliche Lösung zeigt die
DE 10 2010 052 487 A1 .
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine noch bessere Steuerung des Kolbens im Rotor durch magnetische Kräfte erreicht werden kann. Hierdurch soll der hydraulische Wirkungsgrad weiter erhöht werden, wobei eine kostengünstige Fertigungsmöglichkeit erhalten bleiben 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 weiter verbesserte Pumpe der gattungsgemäßen Art zur Verfügung zu stellen.
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Die Lösung dieser Aufgabe durch Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens zwei konzentrische Reihen von Magneten oder zwei konzentrisch angeordnete Ringmagnete unterschiedlichen wirksamen Radius angeordnet sind, wobei das Kolbenelement aus mindestens zwei Permanentmagneten besteht, die in einem vorgegebenen Abstand voneinander gehalten werden, wobei die mindestens zwei Permanentmagneten so orientiert sind, dass die beiden axialen Enden des Kolbenelements magnetisch gleichpolig sind, und wobei die mindestens zwei Permanentmagnete des Kolbenelements durch ein Abstandsstück auf Abstand gehalten werden.
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Das Abstandsstück besteht dabei vorzugsweise aus Weicheisen.
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Der radiale Abstand zwischen den beiden konzentrischen Reihen von Magneten bzw. zwischen den beiden konzentrisch angeordneten Ringmagneten beträgt vorzugsweise zwischen 3,0 mm und 12,0 mm, besonders bevorzugt zwischen 4,0 mm und 9,0 mm. Indes hat es sich als sehr vorteilhaft erwiesen, wenn der Abstand zwischen den Permanentmagneten zwischen 0,5 mm und 5,0 mm beträgt, vorzugsweise zwischen 0,75 mm und 1,0 mm.
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Die beiden Permanentmagneten sind dabei bevorzugt so orientiert, dass die beiden axialen Enden des Kolbenelements gleichpolig (beispielsweise N-N) sind. Dadurch entsteht mit den konzentrisch angeordneten doppelten Ringmagneten (die ebenfalls beide in die gleiche Richtung gepolt sind, beispielsweise S jeweils dem Kolbenelement zugewandt) eine beidseitige Kopplung Kolben (N) – Ring (S). Über das Abstandsstück, welches im Verhältnis zu den Endflächen der Magnetkolbenelemente die jeweils andere Polung (im Beispiel: S) aufnimmt, entsteht zudem über den Spalt der beiden konzentrischen Ringmagnete zu deren Rückseite eine zusätzliche, verstärkende Kopplung Abstandsstück (S) – Ringrückseite (N), welche eine höhere Resistenz gegen Auslenkung der Kolben zur Folge hat.
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Der Abstand der Permanentmagneten des Kolbenelements zu den Ringmagneten beträgt bevorzugt weniger als 1 mm.
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Die Permanentmagneten und das gegebenenfalls vorhandene Abstandsstück sind dabei vorzugsweise im Querschnitt kreisförmig ausgebildet.
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Im Gehäuse können nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zwei Ringmagnete angeordnet sein, die jeweils einstückig ausgebildet sind. Alternativ ist es aber auch möglich, dass im Gehäuse zwei Ringmagnete angeordnet sind, die jeweils aus mehreren, vorzugsweise aus zwei, drei oder vier, Segmenten bestehen, die sich in Umfangsrichtung aneinander anschließen.
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Im Gehäuse sind hierzu vorzugsweise Aufnahmenuten für die Anzahl von Magneten oder die mindestens zwei Ringmagneten (einstückig oder segmentiert) eingearbeitet.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich die Bohrungen im Rotor 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 stirnseitigen Abschlussbereich verbunden sind, wobei in dem stirnseitigen Abschlussbereich 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.
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Der mit den Fluidleitungen versehene Abschlussbereich des Gehäuses ist dabei bevorzugt als lösbarer Deckel ausgebildet.
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Der Druckraum weist dabei bevorzugt in seinem an den Rotor angrenzenden Bereich – in Richtung der Drehachse gesehen – eine längliche Form, insbesondere eine Nierenform, auf. 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. 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.
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Der Rotor weist bevorzugt mindestens 4, vorzugsweise mindestens 6 und besonders bevorzugt 8 Bohrungen auf, in denen jeweils ein Kolbenelement angeordnet ist.
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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.
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Die Magnete, die die Bewegung des Kolbenelements in der Bohrung steuern, sind – sofern als Einzelmagnete ausgebildet – entlang einer geschlossenen Kurvenbahn im Gehäuse angeordnet; bevorzugt ist die Kurvenbahn eine Kreisbahn. Die Magnete bzw. die Ringmagnete sind bevorzugt als Permanentmagnete ausgebildet.
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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.
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Das Kolbenelement 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.
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Die Bohrung verläuft vorteilhafter Weise im Rotor senkrecht zur Drehachse des Rotors.
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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.
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Die Innenoberfläche der Bohrung ist besonders bevorzugt mit einer Hartstoffschicht versehen, um die Verschleißbeständigkeit der Bohrungsoberfläche zu erhöhen.
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Die vorgeschlagene Konzeption der Pumpe hat zur Folge, dass ein erhöhter hydraulischer Wirkungsgrad erreicht werden kann, als es bislang der Fall war.
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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.
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Der relativ einfache Aufbau erlaubt des weiteren eine kostengünstige Herstellung, so dass auch große Lose an Pumpen wirtschaftlich herstellbar sind.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 in Explosionsdarstellung ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Pumpe,
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2 das Gehäuse der Pumpe in der Vorderansicht,
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3 in perspektivischer Darstellung das Gehäuse der Pumpe gemäß 2,
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4 den Deckel der Pumpe in der Vorderansicht,
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5 in perspektivischer Darstellung den Deckel der Pumpe gemäß 4,
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6 in der Vorderansicht ein Leitungselement, das mit dem Deckel verbunden werden kann der Vorderansicht,
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7 den Schnitt I-I gemäß 6 durch das Leitungselement,
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8 eine teilweise Schnittdarstellung durch die fertig montierte Pumpe mit nur teilweiser Darstellung der Bauteile gemäß dem Schnitt A-B nach 2,
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9 das zum Einsatz kommende Kolbenelement in der Vorderansicht und
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10 eine teilweise Schnittdarstellung durch die fertig montierte Pumpe analog zu 8, wobei hier die magnetischen Feldlinien dargestellt sind.
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In 1 ist eine Pumpe 1 in Explosionsdarstellung dargestellt. Die Pumpe 1 arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Sie hat ein Gehäuse 4, das sich in eine Förderrichtung F erstreckt, in der ein Fluid, z. B. Wasser, gefördert wird. Dabei erstreckt sich das Gehäuse 4 im wesentlichen von einem Ansaugbereich 2 bis zu einem Abgabebereich 3. Im Ansaugbereich 2 wird Fluid in die Pumpe 1 gesaugt und unter Druck gesetzt, wobei das Fluid dann im Abgabebereich 3 unter erhöhtem Druck abgegeben wird.
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Das Gehäuse 4 nimmt einen Rotor 6 auf, der um eine Drehachse 5 drehangetrieben ist. Der Antrieb des Rotors 6 erfolgt durch einen Elektromotor, von dem ein Antriebselement 7 (Stator) zu sehen ist, das im Gehäuse 4 ortsfest angeordnet ist; es wirkt mit einem (nicht dargestellten) Magnetkranz zusammen, der im Rotor 6 angeordnet und vom Antriebselement 7 angetrieben ist.
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Stirnseitig weist das Gehäuse 4 Abschlussbereiche auf, wobei in 1 der eine Abschlussbereich 16 in Form eines Deckels zu erkennen ist. Der andere Abschlussbereich ist im Gehäuse angeformt. Der Deckel 16 wird nach der Montage des Rotors 6 angeschraubt.
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Im Gehäuse 4 sind ortsfest zwei Paare Ringmagnete 10 und 11 angeordnet, die – wie sich in der Zusammenschau mit den weiteren Figuren ergibt – konzentrisch angeordnet ist, allerdings zur Drehachse 5 exzentrisch angeordnet. Für die Aufnahme der Ringmagnete 10 und 11 sind in das Gehäuse 4 kongruente Aufnahmenuten 12 und 13 eingearbeitet. Auch im Deckel sind Aufnahmenuten 12 und 13 eingearbeitet (s. 4 und 5), so dass hier ein weiteres Paar an Ringmagneten 10, 11 platziert werden kann.
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Demgemäß sind zwei Paare Ringmagnete 10, 11 an den beiden Stirnseiten des Rotors 6 angeordnet, wie sich aus der Zusammenschau der Figuren ergibt.
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Der in der Pumpe 1 zum Einsatz kommende Rotor 6 weist vorliegend acht Bohrungen 8 auf, die radial verlaufen und am Außenumfang des Rotors 6 mit zylindrischer Außenkontur ansetzen; die Bohrungen 8 beginnen also in einem radial außenliegenden Bereich 14. Die Bohrungen 8 erstrecken sich vom Außenumfang radial nach innen, um in einem Abstand von der Drehachse 5 in einem radial inneren Bereich 15 (s. 1) zu enden. Der Abstand vom radial inneren Bereich 15 bis zur Drehachse 5 beträgt mindestens 5% des Radius des Rotors 6.
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Im radial inneren Bereich 15 setzt eine sich in axiale Richtung von der Stirnseite des Rotors 6 aus verlaufende Bohrung an, die eine fluidische Verbindung bildet, über die die Bohrung 8 mit der Stirnseite des Rotors 6 im radial inneren Bereich 15 fluidisch verbunden ist.
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In jeder der Bohrungen 8 ist je ein Kolbenelement 9 angeordnet. Dies ist in den 8 und 9 illustriert. Das Kolbenelement 9 ist als zylindrisches Element ausgeführt.
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Wesentlich ist, dass die beiden Paare von konzentrisch angeordneten Ringmagneten 10, 11 vorhanden sind und das Kolbenelement 9 aus zwei Permanentmagneten 9' und 9'' besteht, die in einem vorgegebenen Abstand a voneinander gehalten werden. Wie sich nämlich aus den 8 und 9 ergibt, erfolgt hierdurch eine gute und kräftige Führung des Kolbenelements 9 in der Bohrung 8 des Rotors 6, wenn der Rotor 6 im Gehäuse 4 rotiert.
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Bei der Rotation des Rotors 6 im Gehäuse 4 ergibt sich nämlich aufgrund der Ringmagnete 10, 11 eine Anziehungskraft auf die Permanentmagneten 9' und 9'' der Kolbenelemente 9, so dass diese in den Bohrungen 8 eine oszillierende Bewegung O (s. 8) ausüben, d. h. sie bewegen sich entlang der Bohrungslängsachse L hin und her. Bedingt ist dies dadurch, dass der jeweils nächst angeordnete Abschnitt des Ringmagneten 10, 11 auf die entsprechenden Permanentmagneten 9', 9'' des Kolbenelements 9 die dominierende Anziehungskraft ausübt.
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In 8 ist der Zustand zu sehen, wo sich das Kolbenelement 9 ohne äußere Kräfte zwischen den Ringmagneten 10, 11 befindet. Demgemäß liegt der Kolben zentrisch – mit einer Auslenkung von x = 0 – zwischen den Ringmagneten 10, 11. Wird indes der Kolben infolge der Förderung eines Fluids mit einer Kraft in Richtung der Bohrungslängsachse L beaufschlagt, wird er in Richtung x ausgelenkt. Dies kann bis zu einem maximalen Wert xmax erfolgen, der in 8 mit gestrichelten Linien für den rechten Permanentmagneten 9''' angedeutet ist. In dieser Stellung entsteht die maximale Kraft auf das Kolbenelement 9, die dieses wieder in die Lage, die in 8 zu sehen ist (also mit x = 0), zurücktreibt.
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Wie aus 8 und 9 zu sehen ist, ist zwischen den beiden zylindrisch ausgebildeten Permanentmagneten 9' und 9'' ein Abstandsstück 9''' angeordnet. Dieses besteht aus einem Weicheisenmaterial, das die beiden Permanentmagneten 9' und 9'' auf einem Abstand a hält.
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Demgemäß sind wesentliche geometrische Größen, die den magnetischen Anziehungseffekt mit bestimmen, der radiale Abstand b zwischen den beiden Ringmagneten 10, 11, der Abstand a zwischen den Permanentmagneten 9', und 9''' sowie auch die radiale Erstreckung R der Permanentmagneten 9' und 9''.
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Besonders bewährt hat sich ein radialer Abstand b von 6 mm und ein Abstand a von 0,75 bis 1 mm. Die Dicke der Ringmagneten 10, 11 liegt bevorzugt im Bereich von 5 mm.
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In 10 ist in der Darstellung gemäß 8 der Verlauf der magnetischen Feldlinien zu erkennen. Die Nordpole N und Südpole S der beteiligten Magneten sind eingetragen. Natürlich können die Polungen auch entsprechend durchgängig umgekehrt sein.
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Der Deckel 16, der den einen Abschlussbereich des Gehäuses 4 bildet, kann mittels Schrauben fixiert werden. In den Deckel 16 sind zwei Druckräume 17 und 18 eingearbeitet, s. 4 und 5. Die Druckräume 17, 18 weisen – in Richtung der Drehachse 5 gesehen – eine nierenförmige Gestalt auf. Die beiden Nieren sind dabei über den Umfang um 180° versetzt angeordnet. Sie erstrecken sich, legt man an ihren Umfangsenden radiale Linien an, um einen Winkel von ca. 150°.
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Von den Druckräumen 17, 18 aus erstrecken sich Fluidleitungen 19, 20 radial nach außen, die in ein Leitungselement 22 eingebracht sind, das mit dem Deckel 16 verbunden wird (s. 1). Die Fluidleitungen 19, 20 sind fluidisch mit dem Ansaugbereich 2 bzw. mit dem Abgabebereich 3 verbunden. Hierzu dienen Durchbrüche 23, 24 (s. 4 und 5), die in den Deckel 16 eingearbeitet sind. Ein Verteilerelement 21 steuert die jeweilige Leitung des Fluids zur benötigten Stelle.
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Hierdurch ergeben sich fluidischen Bahnen für das zu fördernde Fluid. Die Bohrungen 8 des Rotors 6 stehen im radial inneren Bereich 15 fluidisch mit den Druckräumen 17, 18 in Verbindung, die wiederum fluidisch über die Fluidleitungen 19, 20 mit dem Ansaugbereich 2 bzw. dem Abgabebereich 3 verbunden sind.
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Bewegt sich das Kolbenelement 9 translatorisch in der Bohrung 8 hin und her, d. h. vollzieht sie die oszillierende Bewegung O, kommt es aufgrund der relativ engen (Spiel-)Passung zwischen Kolbendurchmesser und Bohrungsdurchmesser zu einem Fördern des Fluids aus der Bohrung 8 heraus. Der Außendurchmesser des Kolbenelements 9 ist dabei bevorzugt ca. 0,1 bis 0,2 mm kleiner als der Durchmesser der Bohrung 8.
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Das Prinzip der magnetischen Betätigung der Kolbenelemente
9 bei einer gattungsgemäßen Pumpe sowie der hierdurch erzielte Fördereffekt ist in der eingangs genannten
DE 10 2010 006 929 A1 des Anmelders beschrieben, auf die insoweit ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Des weiteren wird auf die
DE 10 2010 052 487 A1 des Anmelders ausdrücklich Bezug genommen, wo sich Einzelheiten zur erläuterten Fluidförderung finden.
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Bei der vorliegenden Ausgestaltung einer Pumpe ergibt sich, dass sich pro Umdrehung des Rotors 6 das Kolbenelement 9 einmal hin und her bewegt.
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Bei üblicher Betriebsweise werden maximale Oszillationsgeschwindigkeiten des Kolbenelements 9 in der Bohrung 8 zwischen 0,5 und 2 m/s erreicht. Da das Kolbenelement 9 also in der Bohrung 8 mit relativ hoher Frequenz oszilliert, ist ein reibungsarmer und verschleißarmer Lauf des Kolbenelements in der Bohrung wichtig. Demgemäß ist die zylindrische Innenoberfläche der Bohrung 8 mit einer Hartstoffschicht versehen, so dass eine hohe Abriebs- bzw. Verschleißresistenz besteht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Pumpe
- 2
- Ansaugbereich
- 3
- Abgabebereich
- 4
- Gehäuse
- 5
- Drehachse
- 6
- Rotor
- 7
- Antriebselement (Motor)
- 8
- Bohrung
- 9
- Kolbenelement
- 9'
- Permanentmagnet
- 9''
- Permanentmagnet
- 9'''
- Abstandsstück
- 10
- Magneten/Ringmagnet
- 11
- Magneten/Ringmagnet
- 12
- Aufnahmenut
- 13
- Aufnahmenut
- 14
- radial außenliegender Bereich
- 15
- radial innerer Bereich
- 16
- stirnseitiger Abschlussbereich (Deckel)
- 17
- Druckraum
- 18
- Druckraum
- 19
- Fluidleitung
- 20
- Fluidleitung
- 21
- Verteilerelement
- 22
- Leitungselement
- 23
- Durchbruch
- 24
- Durchbruch
- F
- Förderrichtung
- L
- Bohrungslängsachse
- O
- oszillierende Bewegung
- a
- Abstand
- b
- radialer Abstand
- x
- Auslenkung der Magnete von der Mittenposition
- R
- radiale Erstreckung der Permanentmagnete
