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Die Erfindung betrifft eine Pumpe zur Beförderung eines Fördermediums von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite, mit einem äußeren Teil und einem darin angeordneten inneren Teil, von denen ein Teil drehbar angetrieben und ein Teil gegenüber dem anderen Teil eine exzentrische Bewegung vollführen kann, wobei das innere Teil wenigstens einen sich in axialer Richtung schraubenlinienförmig erstreckenden Gewindegang aufweist und das äußere Teil eine um eins höhere Anzahl an Gewindegängen als das innere Teil aufweist wobei das Verhältnis der Anzahlen der Gewindegänge in jedem Querschnitt identisch ist mit dem Verhältnis der Steigungen der Gewindegänge, und wobei sich das äußere Teil und das innere Teil derart berühren, dass zwischen den Teilen Förderkammern gebildet sind, deren Axiallage durch Drehung des einen Teils relativ zum anderen Teil änderbar ist, so dass das Fördermedium von der Eintrittsseite zur Austrittsseite förderbar ist.
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Eine derartige Pumpe ist als Exzenterschneckenpumpe bekannt und geht auf die Idee von René Moineau zurück, die in dem deutschen Patent
DE 602107 beschrieben ist. Dort wird eine Vorrichtung beschrieben, die ein jeweils mit Schraubengewinden versehenes Außenteil und ein Innenteil besitzt, wobei das Außenteil genau ein Gewinde mehr besitzt als das Innenteil. Das Verhältnis der Steigung am Außenteil zur Steigung am Innenteil entspricht in jedem Querschnitt dem Verhältnis der Anzahl der Gewinde an den entsprechenden Teilen. Dadurch entstehen zwischen Außen- und Innenteil eingeschlossene Räume, die sich bei einer Relativdrehbewegung des Innenteils in dem Außenteil axial von der Eintritts- zur Austrittsseite bewegen. Soll diese Vorrichtung als Pumpe verwendet werden, so muss sie nach den Ausführungen in DE 602107 stets mindestens einen abgeschlossenen Raum zwischen Eintritts- und Austrittsseite besitzen. Dies bedeutet, dass die Gewindegänge des Außenteils mindestens einen ganzen Schraubengang aufweisen müssen.
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Es sind verschiedene Ausführungen von Exzenterschneckenpumpen bekannt. Beispielsweise kann das innere Teil angetrieben sein und als Rotor fungieren, wohingegen das äußere Teil stationär bleibt, d. h. als Stator wirkt. Es sind jedoch auch Konstruktionen mit Außenrotor und Innenstator möglich. Bei beiden Varianten sind Konstruktionen möglich, bei denen entweder der innere Teil gegenüber dem äußeren Teil eine exzentrische Bewegung vollführt, so beispielsweise in
DE 602107 , oder der äußere Teil gegenüber dem Inneren Teil eine exzentrische Bewegung vollführt. Letztere Variante, die zudem ein drehbar angetriebenes Innenteil besitzt, ist in den
US Patenten 2,612,845 und
2,691,347 beschrieben. Bei den dort offenbarten Exzenterschneckenpumpen besteht das stationäre äußere Teil (der Pumpenstator) aus einem elastischen Material und wird so verformt, dass es sich auf einer Kreisbahn um die zentrale Pumpenrotorachse bewegt und so die Exzentrizität zwischen innerem rotierenden Teil (Pumpenrotor) und äußerem Teil ausgleicht. Das äußere Teil wird deshalb auch als Freischwingstator oder Wobblestator bezeichnet. Dadurch kann auf das bei den sonst üblichen Exzenterschneckenpumpen mit Rohrstator notwendige Gelenk im Antriebsstrang verzichtet werden, so dass Exzenterschneckenpumpen mit Wobblestator deutlich kürzer und preiswerter herzustellen sind.
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Exzenterschneckenpumpen gehören zu den rotierenden Verdrängermaschinen. Im Betrieb befördern sie ein Medium durch die Förderkammern, d. h. die abgeschlossenen Räume zwischen dem inneren Teil und dem äußeren Teil, kontinuierlich zur Austrittsseite. Besteht an der Austrittsseite ein geschlossenes Raumvolumen beispielsweise aufgrund eines geschlossenen Ventils, baut sich in dem abgeschlossenen Raumvolumen kontinuierlich Druck auf. Denn ohne geeignete Maßnahmen wird die Pumpe weiterhin Fördermedium durch die bewegten, abgeschlossenen Förderkammern von der Eintritts- zur Austrittsseite fördern, wodurch der Druck am Austritt stark ansteigt. Im Bereich der Abwassertechnik, in dem die betrachteten Pumpen bevorzugt eingesetzt werden, kann die ausgangsseitige Drosselung z. B. durch einen geschlossenen Schieber oder auch durch Ablagerung stückiger Bestandteile des Abwassers in der Rohrleitung hervorgerufen werden. Der sich austrittsseitig aufbauende Druck kann zur Zerstörung der Pumpe oder des an sie angeschlossenen Systems führen.
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Zum Schutz des druckbeaufschlagten Systems sind daher einerseits Überwachungseinrichtungen wie Drucksensoren und andererseits Schutzmaßnahmen wie ein Abschalten der Pumpe oder Druckentlastungseinrichtungen vorzusehen. Letztere können beispielsweise Sicherheitsventile, Berstscheiben oder öffenbare Bypassleitungen sein.
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Bei Sicherheitsventilen besteht die Gefahr des Verstopfens durch stückige Bestandteile des Abwassers, die sich in den strömungsführenden Bauteilen des Ventils festsetzen können. Berstscheiben entlasten ein druckbeaufschlagtes System, indem sie bei Anliegen des Berstdruckes zerstört werden und eine Öffnung zum Abfließen des unter Druck stehenden Fördermediums freigeben. Um das System wieder in Betrieb zu nehmen, ist ein Austausch der zerstörten Berstscheibe erforderlich. Darüber hinaus hängt die Standzeit vom Verhältnis des tatsächlichen Betriebsdrucks zum Berstdruck ab, so dass die Berstscheibe z. B. durch kurze Druckstöße eventuell vorgeschädigt wird und später bei geringerem Druck birst. Ein weiterer Nachteil von Berstscheiben ist der relativ hohe Preis. Mittels einer Bypassleitung kann ein geschlossenes Ventil oder die verstopfte Stelle hinter der Pumpe umgangen werden. Dies erfordert jedoch einen erhöhten Verrohrungsaufwand, benötigt Bauvolumen und führt zu erhöhten Installationskosten. Darüber hinaus ist es auch möglich, über eine Bypassleitung die Pumpendruckseite mit der Pumpensaugseite zu verbinden.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Pumpe in der Ausführung einer Exzenterschneckenpumpe bereitzustellen, die einen integrierten Schutz gegen einen austrittsseitigen Überdruck aufweist, so dass eine Zerstörung des an die Pumpe angeschlossenen Systems wirksam verhindert und auf Druckentlastungseinrichtungen verzichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird eine Pumpe zur Förderung eines Fördermediums von einer Eintrittsseite zu einer Austrittsseite vorgeschlagen, mit einem äußeren Teil und einem darin angeordneten inneren Teil, von denen ein Teil drehbar angetrieben ist und ein Teil gegenüber dem anderen Teil eine exzentrische Bewegung vollführen kann, wobei das innere Teil wenigstens einen sich in axialer Richtung schraubenlinienförmig erstreckenden Gewindegang aufweist und das äußere Teil eine um eins höhere Anzahl an Gewindegängen als das innere Teil aufweist, wobei das Verhältnis der Anzahlen der Gewindegänge in jedem Querschnitt identisch ist mit dem Verhältnis der Steigungen der Gewindegänge, und wobei sich das äußere Teil und das innere Teil derart berühren, dass zwischen den Teilen Förderkammern gebildet sind, deren Axiallage durch Drehung des einen Teils relativ zum anderen Teil änderbar ist, so dass das Fördermedium von der Eintrittsseite zur Austrittsseite förderbar ist, wobei die Gewindegänge des äußeren Teils entlang seiner axialen Länge weniger als eine ganze Schraubenlinie gewunden ist.
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Die Grundidee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die axiale Länge des äußeren Teils gegenüber den bekannten Bauformen von Exzenterschneckenpumpen derart zu verkürzen, dass sich die Gewindegänge des äußeren Teils nicht um ganze 360° um die Symmetrieachse des äußeren Teils winden. Dies bewirkt, dass nicht zu jedem Zeitpunkt abgeschlossene Kammern zwischen dem inneren Teil und dem äußeren Teil vorliegen. Vielmehr gibt es bei einer vollen Drehung des einen Teils relativ zum anderen Teil einen Drehwinkelbereich, in dem die Teile so zueinander positioniert sind, dass eine Förderkammer sowohl zur Eintrittsseite als auch zur Austrittsseite hin offen ist. Hierdurch kann sich ein austrittsseitig aufbauender Überdruck zur Eintrittsseite hin abbauen.
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Bei den herkömmlichen Exzenterschneckenpumpen werden stationäre äußere Teile verwendet (Statore), deren Gewindegänge mehr als einen vollen Schraubengang besitzen. In dem Patent
DE 602107 wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass zur Verwendung einer Vorrichtung mit einem gattungsgemäßen Innenteil und Außenteil mindestens ein abgeschlossener Raum zwischen diesen beiden Teilen erforderlich ist, so dass die Schrauben des Außenteils mindestens einen Schraubengang besitzen müssen.
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Im Rahmen der Erfindung wurde jedoch überraschenderweise erkannt, dass dies nicht zwingend sein muss. Die vorliegende Erfindung widerspricht daher der genannten technischen Lehre.
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Wird beispielsweise bei einer konventionellen Exzenterschneckenpumpe ein inneres Teil mit einem einzigen Gewindegang und entsprechend ein äußeres Teil mit zwei Gewindegängen verwendet, wobei das äußere Teil genau einen vollen Schraubengang besitzt, berühren sich die beiden Teile derart, dass, in einem Axialschnitt betrachtet, jeweils ein Teilabschnitt des inneren Teils in einem Teilabschnitt der beiden Gewindegänge des äußeren Teils annährend formschlüssig einliegt. Die dadurch entstehenden Berührungsflächen begrenzen jeweils eine Förderkammer. Die Förderkammern erstrecken sich schraubenlinienförmig in axialer Richtung und bewegen sich in Richtung dieser Schraubenlinie, wenn der eine Teil gegenüber dem anderen Teil relativ gedreht wird. Dies bedeutet, dass auch die Berührungsflächen zwischen Innen- und Außenteil schraubenlinienförmig wandern.
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Erreicht das vorlaufende Ende einer ersten Förderkammer die Austrittsseite und wird der eine Teil weiter gedreht, so öffnet sich diese Förderkammer zur Austrittsseite hin. Gleichzeitig hat sich die Förderkammer an der Eintrittsseite, d. h. an ihrem in Spiralrichtung hinteren Ende gerade geschlossen. In der Position der beiden Teile zueinander, in der das vorlaufende Ende gerade die Austrittsseite erreicht, liegen folglich zwei Teilabschnitte des inneren Teils in dem die betrachtete Förderkammer begrenzenden Gewindegang des äußeren Teils, nämlich ein Teilabschnitt im Bereich der Eintrittsseite und ein Teilabschnitt im Bereich der Austrittsseite. Betrachtet man den zweiten Gewindegang des äußeren Teils, so liegt bei der betrachteten Position ein Teilabschnitt des inneren Teils gerade in der axialen Mitte der beiden Teile in diesem zweiten Gewindegang ein. Dies bedeutet, dass in dieser Position in dem zweiten Gewindegang gerade eine zweite und dritte Förderkammer bestehen, die jeweils halb offen sind. Die in Spiralrichtung vorne liegende zweite Förderkammer ist zur Austrittsseite offen, die in Spiralrichtung hinten liegende, dritte Förderkammer ist zur Eintrittsseite offen.
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Bei der betrachteten Drehposition der beiden Teile zueinander wird deutlich, dass durch eine Verkürzung der Länge des äußeren Teil derart, dass seine Gewindegänge keinen vollen Schraubengang besitzen, am vorlaufenden Ende der ersten Förderkammer diese nicht (mehr) abgeschlossen ist. Sie ist vielmehr offen. Dreht man nun die beiden Teile ein wenig zurück, so dass die erste Förderkammer eintrittsseitig noch nicht geschlossen ist, wird deutlich, dass die Förderkammer in dieser Position nicht mehr komplett abgeschlossen ist. Sie ist vielmehr zu keiner Seite mehr abgeschlossen, d. h. beidseitig offen. Demgegenüber sind die zweite und dritte Förderkammer einseitig geschlossen, die zweite, vordere Förderkammer in Spiralrichtung nach hinten, die dritte, hintere Förderkammer in Spiralrichtung nach vorn. Es existiert somit keine Förderkammer mehr, die vollständig abgeschlossen ist.
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Wird der eine Teil um 180° weiter gedreht, erreicht das vorlaufende Ende der dritten Förderkammer die Austrittsseite und öffnet sich zu dieser, während sich diese Förderkammer eintrittsseitig noch nicht ganz geschlossen hat.
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Ein sich austrittsseitig aufbauender Druck führt in den dargestellten Zeitpunkten bei den beschriebenen Relativpositionen der Teile jeweils kurzzeitig zu einer Strömung von der Druckseite (Austrittsseite) zur Saugseite (Eintrittsseite) durch die jeweils beidseitig offene Förderkammer, d. h. zu einer inneren Leckage zwischen der Eintrittsseite und der Austrittsseite, und damit zu einem Druckabbau.
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Diese Leckage in der Pumpenhydraulik führt zu einem Abbau der Förderhöhe. Durch die erfindungsgemäße Ausbildung einer Exzenterschneckenpumpe ist es deshalb möglich, eine definierte Leckage, d. h. eine bestimmte maximale Förderhöhe einzustellen. So kann die axiale Länge des äußeren Teils, und damit die Länge der Schraubenlinie, gezielt so gewählt sein, dass in einem bestimmen Betriebspunkt eine bestimmte maximale Förderhöhe bei kleinen Fördervolumenströmen erreicht wird.
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Durch das erfindungsgemäße Kürzen des äußeren Teils ist es also möglich, die maximale Förderhöhe der Pumpe einzustellen, ohne dass weitere Bauteile erforderlich sind und ohne den hydraulischen Wirkungsgrad der Pumpe bei günstig gewählter Kürzungslänge negativ zu beeinflussen.
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Zudem ist die Betriebssicherheit der Pumpe höher. Denn es werden keine Berstscheiben mehr benötigt, die im Falle zu hoher Drücke zerstört würden und dazu führen, dass die Pumpe bis zum Austausch der Berstscheibe ausfällt. Zum anderen werden keine verstopfungsanfälligen Druckbegrenzungsventile mehr benötigt. Dies trägt zu einer Reduzierung der Kosten der Installation bei.
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Vorzugsweise sind die Gewindegänge des äußeren Teils nur zwischen 75% und 98% einer ganzen Schraubenlinie entlang seiner axialen Länge gewunden. In diesem Bereich wird sichergestellt, dass ein Druckabbau durch eine beidseits offene Förderkammer wirksam erfolgt, ohne dass die Volumenstromförderfähigkeit zu stark beeinträchtigt wird.
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Verschiedene Ausführungsvarianten sind bei der erfindungsgemäßen Pumpe möglich. So kann beispielsweise entweder der innere Teil oder der äußere Teil drehend angetrieben sein. Ferner ist es in beiden dieser Ausführungsvarianten möglich, dass der innere Teil exzentrisch zum äußeren Teil, insbesondere auf einer Kreisbahn, oder das äußere Teil exzentrisch zum inneren Teil, insbesondere auf einer Kreisbahn, bewegt. Bevorzugt bewegt sich der äußere Teil exzentrisch um die Achse des inneren Teils, wobei der innere Teil einen drehangetriebenen ist, d. h. einen Rotor und der äußere Teil einen Stator bildet. Dies hat den Vorteil, dass auf aufwändige Gelenke verzichtet werden kann, um einen der Teile auf einer exzentrischen Bahn zu bewegen.
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Vorzugsweise besteht der äußere Teil aus einem elastomeren Material. Dies hat den Vorteil, dass der äußere Teil verformt werden kann, so dass eine verschleißarme reibschlüssige Berührung zwischen dem inneren und dem äußeren Teil erreicht wird. Ferner kann das äußere Teil bevorzugt an einem seiner axialen Enden mittels eines elastischen Haltemittels am Pumpengehäuse gehalten sein. Das elastische Haltemittel ermöglicht, dass sich das äußere Teil auf einer Kreisbahn exzentrisch zum inneren Teil bewegen kann. Durch die einseitige Befestigung schwingt das äußere Teil in der Art eines Wobble-Stators quasi frei.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nachfolgend anhand des in 1 dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigen:
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1: einen Axialschnitt durch eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe
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2: Darstellung der Abhängigkeit der maximalen Förderhöhe von der Statorlänge
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In 1 ist eine Pumpe in der Ausführung einer Exzenterschneckenpumpe dargestellt. Sie weist eine Eintrittsseite 7 und eine Austrittsseite 8 auf. Ein Fördermedium wird im Betrieb der Pumpe von der Eintrittsseite zur Austrittsseite gefördert.
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Die Pumpe besitzt einen äußeren Teil 2 und einen darin angeordneten inneren Teil 3. Von diesen Teilen ist der innere Teil 2 angetrieben. Er bildet den Rotor der Exzenterschneckenpumpe und dreht um die Achse 4. Der äußere Teil 2 vollführt im Betrieb gegenüber dem inneren Teil 3 eine exzentrische Bewegung auf einer Kreisbahn um die genannte Achse 4. Es ist jedoch im Vergleich zur rotatorischen Bewegung des inneren Teils 3 stationär, und wird deshalb als Stator bezeichnet. Der äußere Teil 3 ist annähernd zylindrisch und geht an dem der Eintrittsseite 7 nahen Ende in ein noch weiter außen angeordnetes elastisches Haltemittel 1 einstückig über. Dieses Haltemittel 1 ist mitsamt dem äußeren Teil 2 aus einem elastomeren Kunststoff hergestellt. Das Haltemittel 1 und das äußere Teil 2 bilden gemeinsam den Stator der Exzenterschneckenpumpe, wobei der äußere Statorteil 1 in dem Pumpengehäuse 9 befestigt ist. Der zwischen diesem äußeren Statorteil 1 und dem Rotor 3 liegende Teil stellt dann ein inneres Statorteil 2 dar. Dadurch, dass dieses innere Statorteil aus einem elastomeren Material besteht und an einem Ende stoffschlüssig in das äußere Statorteil übergeht, ist es quasi gegenüber dem Rotor freiwingend und wird während seiner exzentrischen Bewegung um den Rotor 3 so verformt, dass die Exzentrizität zwischen Pumpenrotor 3 und Pumpenstator 2 ausgeglichen wird. Eine derartige Anordnung wird daher als Wobblestator bezeichnet.
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Das innere Teil
2 (Rotor) weist genau einen sich in axialer Richtung schraubenlinienförmig erstreckenden äußeren Gewindegang
6 auf. Demgegenüber besitzt das äußere Teil
3 (Statorinnenteil) auf seiner Innenseite eine um eins höhere Anzahl an Gewindegängen
5a,
5b als das innere Teil
2, nämlich zwei Gewindegänge, die sich ebenfalls in axialer Richtung schraubenlinienförmig erstreckenden. Es sei darauf hingewiesen, dass
1 rein beispielhaft zu verstehen und eine beliebig andere Anzahl an Gewindegängen möglich ist. Ferner können die Profile des inneren Teils
3 und des äußeren Teils
2, d. h. das Außenprofil des inneren Teils
3 und das Innenprofil des äußeren Teils
2 beliebig sein, insbesondere eine der Profilformen aufweisen, die in
DE 602107 dargestellt sind.
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Das Verhältnis der Anzahlen der Gewindegänge 5a, 5b, 6 ist hier 1:2. Die Steigungen der Gewindegänge von Außenteil 2 und Innenteil 3 ist so gewählt, dass in jedem Querschnitt das Verhältnis der Steigungen der Gewindegänge 5a, 5b, 6 identisch dem Verhältnis der Anzahlen der Gewindegänge 5a, 5b, 6 ist. Man erkennt in 1, dass die Steigungen der Innengewinde 5a, 5b des äußeren Teils 2 deutlich größer sind, als die Steigung des Außengewindes des inneren Teils 3. Das Außengewinde 6 des inneren Teils 3 besitzt zwei volle Windungen, d. h. es erstreckt sich in axialer Richtung entlang zwei vollen Schraubenlinien. Aufgrund der höheren Steigung kämen bei den Innengewinden 5a, 5b auf dieselbe axiale Länge, wie der Rotor 3 aufweist, nur 1 volle Windung.
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Das äußere Teil 2 und das innere Teil 3 berühren sich derart, dass zwischen ihnen Förderkammern A, B gebildet sind, deren Axiallage durch Drehung des inneren Teils 2, 3 relativ zum äußeren Teil 3, 2 änderbar ist, so dass das Fördermedium von der Eintrittsseite 7 zur Austrittsseite 8 förderbar ist.
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Erfindungsgemäß sind die Gewindegänge 5a, 5b des äußeren Teils 2, d. h. des inneren Statorteils 2 weniger als eine ganze Schraubenlinie gewunden. Dies bedeutet, dass die axiale Länge L des inneren Statorteils 2 gegenüber einem herkömmlichen Stator einer Exzenterschneckenpumpe, deren Innengewinde sich mindestens entlang einer vollen Schraubenlinie erstrecken, kürzer ist. Wie bereits oben beschrieben wurde, ergibt sich dadurch, dass die Förderkammern A, B nicht mehr vollständig geschlossen sind. Dreht sich der Rotor 3 gerade in eine solche Position, bei der sich eine Förderkammer an der Eintrittsseite 7 gerade schließt, so hat sich diese Förderkammer gerade auf der Austrittsseite 8 geöffnet und es kommt kurzzeitig zu einem Rückfluss des Fördermediums durch die nunmehr beidseitig offene Förderkammer, wodurch ein geringer Teil des Drucks auf der Austrittsseite 8 abgebaut wird. Die Rückströmung ist umso höher, je höher der austrittsseitig aufgebaute Druck ist. Hierdurch wird effektiv vermieden, dass ein Schaden der Pumpe und/oder des an die Pumpe angeschlossenen Systems entsteht, wenn die Pumpe gegen ein geschlossenes Ventil oder eine Verstopfung in der Austrittsleitung arbeitet.
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Interessanterweise wird durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Wirkungsgrad der Pumpe erhöht, weil aufgrund des eingekürzten Stators geringere Reibungsverluste zwischen dem inneren Teil 3 und dem äußeren Teil 2 entstehen.
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Durch den Druckabbau wird die maximale Förderhohe der Pumpe reduziert. Dieser Effekt ist umso stärker ausgeprägt, je geringer der geförderte Volumenstrom ist. 2 zeigt gemessene normierte hydraulische Kennlinien für eine Pumpe mit herkömmlichem Stator 2 (durchgezogene Linie), sowie für einen erfindungsgemäß gekürzten Stator 2 (gestrichelte Linie). Es wird deutlich, dass sich die Verkürzung der Statorlänge derart, dass die Gewindegänge 5a, 5b des äußeren Teils 2 weniger als eine ganze Schraubenlinie gewunden sind, hinsichtlich der Förderhöhe H bei mittleren und vor allem bei höheren Volumenströmen Q kaum bemerkbar macht.
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Insoweit hat sich gezeigt, dass eine Exzenterschneckenpumpe nicht wie in
DE 602107 beschrieben, zwingend mindestens einen abgeschlossenen Raum zwischen dem Innenteil
3 und dem Außenteil
2 aufweisen muss, d. h. die Gewindegänge des Außenteils mindestens einen Schraubengang aufweisen müssen. Vielmehr kann auch ein gegenüber dieser technischen Lehre verkürzter Stator
2 verwendet werden, was überraschenderweise zu dem geschilderten Druckabbau auf der Druckseite
8 führt und zudem im Betrieb sogar eine Wirkungsgraderhöhung bewirkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602107 [0002, 0003, 0011, 0029, 0035]
- US 2612845 [0003]
- US 2691347 [0003]
