DE102013102979A1

DE102013102979A1 - Exzenterschneckenmaschine

Info

Publication number: DE102013102979A1
Application number: DE102013102979.5A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Wilhelm Kachele GmbH
Current assignee: Wilhelm Kachele GmbH
Priority date: 2013-03-22
Filing date: 2013-03-22
Publication date: 2014-10-09
Anticipated expiration: 2033-03-23
Also published as: DE102013102979B4; US9228585B2; US20140286808A1

Abstract

Eine Exzenterschneckenmaschine (10) weist einen Stator (11) mit einer Innenauskleidung (17) auf, die nach innen ragende Zähne aufweist. Diese sind an ihren Zahnköpfen mit Mikrorippen (26 bis 29) versehen, die bezüglich der Radialen (R) asymmetrisch ausgebildet sind. Vorzugsweise weisen sie eine flach ansteigende Flanke (30) sowie eine steiler abfallende Flanke (31) auf. Es ergibt sich damit drehrichtungsabhängig ein verbessertes Betriebsverhalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenmaschine, zum Beispiel einen Exzenterschneckenmotor oder eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere für schlammige Medien.
Exzenterschneckenmaschinen sind beispielsweise aus der DE 102 45 497 B3 bekannt. Sie bestehen aus einem Stator, der einen schraubenförmigen Kanal aufweist, in dem sich ein schraubenförmiger Rotor dreht. Der schraubenförmige Kanal legt einen Querschnitt fest, der einem Profil eines innen schrägverzahnten Zahnrads entspricht. Der Rotor entspricht im Querschnitt einem Ritzel, das einen Zahn weniger als der Rotor aufweist. Rotor und Stator bilden zusammen Kammern. Bei Drehung des Rotors bewegt sich der Mittelpunkt des Querschnitts idealerweise auf einer Kreisbahn. Jeder Querschnitt des Rotors vollführt somit eine Orbitalbewegung um die Längsachse des Kanals, wobei sich der Rotor zusätzlich um sich selbst dreht. Da sowohl die Außenfläche des Rotors als auch der Kanal in dem Stator mit dem gleichen Drehsinn schraubenförmig sind, entstehen längs des Rotors ungefähr bananenförmige Hohlräume, die sich bei der Bewegung des Rotors von einem Ende des Stators in Richtung des anderen Endes fortbewegen. Jede dieser bananenförmigen Kammern ist von den übrigen Kammern, die von anderen Bereichen des Stators und anderen Bereichen des Rotors eingeschlossen sind, abgedichtet getrennt. Um eine gute Abdichtung zwischen den einzelnen Kammern sicherzustellen, ist der Stator mit einer elastomeren Auskleidung versehen. Zur Erweiterung des Temperaturbereichs solcher prinzipiell bekannten Exzenterschneckenpumpen schlägt die genannte Druckschrift vor, an dem Stator zusätzliche Rippen anzubringen, die längs der Zähne verlaufen. Diese zusätzlichen Rippen werden durch den Rotor elastisch verformt, wobei sie lokal die Flächenpressung zwischen der elastomeren Auskleidung und dem Rotor erhöhen. Dadurch kann insgesamt die Anpresskraft zwischen Rotor und Stator vermindert werden. Außerdem wird die Nachgiebigkeit der elastomeren Auskleidung erhöht. Zusätzlich wird zwischen den einzelnen Rippen Raum zur Aufnahme von Material geschaffen, das somit besser in der Lage ist dem Rotor auszuweichen.
Aus der EP 0 764 783 A1 ist eine weitere Exzenterschneckenpumpe bekannt, die prinzipiell ähnlich aufgebaut ist. Jedoch sind anstelle durchgehender Rippen an der elastomeren Auskleidung feinstrukturierte Vorsprünge in Gestalt von Kuppen vorgesehen, die schuppenartig und in Reihen hintereinander liegend angeordnet sind. Dabei sind die einzelnen Kuppen einer Reihe um etwa eine halbe Länge der Kuppen einer Reihe gegenüber den Kuppen der benachbarten Reihe versetzt. Zwischen den Kuppen befinden sich Vertiefungen, die die Kuppen voneinander trennen. Damit soll eine nicht-lineare Eindrückcharakteristik der einzelnen Vorsprünge erreicht werden, wobei die zwischen den vorspringenden Teilen befindlichen Vertiefungen nicht als breite Abschlusskanäle, sondern so geformt sind, dass ein Schmiermitteleffekt durch die gepumpte Flüssigkeit oder den Brei erreicht und nicht durch Abfließen der Flüssigkeit oder des Breis behindert wird. Insbesondere sollen derart ausgebildete Exzenterschneckenpumpen beim Anfahren geringere Losbrechmomente erfordern.
Exzenterschneckenmaschinen der genannten Art sollen in Betrieb einen möglichst niedrigen Reibungswiderstand aufweisen, wobei die Kammern gegeneinander abgedichtet sein sollen und wobei der Verschleiß der elastomeren Auskleidung und/oder des Rotors gering sein soll.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, eine Exzenterschneckenmaschine zu schaffen, die in wenigstens einer Hinsicht verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit der Exzenterschneckenmaschine nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Exzenterschneckenmaschine eignet sich für schlammige Medien und kann sowohl als Pumpe als auch insbesondre als Motor eingesetzt werden. Sie weist einen Stator auf, der einen durch ein elastisches Material begrenzten Kanal festlegt. Der Kanal weist einen Querschnitt auf, der an mindestens zwei in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Stellen einen maximalen Radius und dazwischen nach innen vorstehende Stellen aufweist. Der Querschnitt entspricht somit dem Querschnitt eines mindestens zweizähnigen Hohlzahnrads. In dem Stator ist ein Rotor angeordnet, der mit dem Stator wenigstens eine Kammer begrenzt.
Erfindungsgemäß sind an den nach innen vorstehenden Stellen des Rotors, d.h. an dessen Zähnen, weitere Vorsprünge vorgesehen, die bezüglich der Radialrichtung asymmetrisch ausgebildet sind. Sie haben somit in Umfangsrichtung beispielsweise eine lange und eine kurze Flanke. Die weiteren Vorsprünge können ein gerundetes Profil, ein Dreieckprofil, ein Trapezprofil oder ein sonstiges asymmetrisches Profil aufweisen. Die weiteren Vorsprünge sind im Verhältnis zu den nach innen vorstehenden Stellen sowohl in Radialrichtung als auch in Umfangsrichtung relativ klein. Sie werden deswegen im Weiteren „Mikrovorsprünge“ oder „Mikrorippen“ genannt.
Vorzugsweise weist der Rotorquerschnitt an mindestens zwei Stellen einen maximalen Radius auf. Diese Stellen werden vorzugsweise durch Schraubennuten gebildet, die sich entlang des Stators erstrecken und um seine Mittelachse winden. Zwischen den Schraubennuten sind die „nach innen vorstehenden Stellen“ in Gestalt von schraubenförmigen Rippen oder „Zähnen“ ausgebildet. Die Mikrorippen verlaufen vorzugsweise längs dieser Zähne, vorzugsweise an deren jeweiligen Zahnkopf. Die Mikrorippen sind asymmetrisch ausgebildet. Sie legen damit eine Vorzugslaufrichtung für den Rotor fest und bewirken, dass sich dieser in zumindest einer Drehrichtung mit niedrigerem Reibungswiderstand und/oder niedrigerem Verschleiß und/oder besserer Abdichtwirkung drehen lässt als in der anderen Richtung. Damit lassen sich Exzenterschneckenmotoren bereitstellen, die eine erhöhte Leistung und/oder eine erhöhte Zuverlässigkeit und/oder eine verringerte Baugröße aufweisen. Insbesondere können die asymmetrischen Mikrorippen die Ausbildung einer hydrodynamischen Schmierung zwischen dem Rotor und der Auskleidung fördern.
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung oder Ansprüchen. Es zeigen:
1 eine Exzenterschneckenmaschine, in schematisierter perspektivischer Darstellung.
2 die Exzenterschneckenmaschine, in längs geschnittener ausschnittsweiser Darstellung.
3 die Exzenterschneckenmaschine nach 1 und 2, im Querschnitt.
4 eine abgewandelte Ausführungsform der Exzenterschneckenmaschine, im Querschnitt.
5 die Exzenterschneckenmaschine nach 3, in einer ausschnittsweisen Detaildarstellung,
6 und 7 den Stator der Exzenterschneckenmaschine, in ausschnittsweiser Darstellung, und
8 den Rotor und den Stator mit verformten Mikrorippen in schematischer Darstellung.
1 veranschaulicht eine Exzenterschneckenmaschine 10, die als Pumpe oder ach als Motor nutzbar ist. Zu ihr gehört ein Stator 11, der konzentrisch zu einer Mittelachse 12 angeordnet und stirnseitig mit Zu- und Abflussflanschen 13, 14 verbunden ist. Der weitere funktionale Aufbau ergibt sich aus 2. Danach legt der Stator 11 einen längs durch den Stator 11 durchgehenden Kanal 15 fest. Der Stator 11 besteht aus einem längs und im Umfang gewelltem Rohr 16, das mit einer elastomeren Auskleidung 17 versehen ist. Diese weist vorzugsweise eine im Wesentlichen gleiche Dicke auf.
Der Querschnitt des Rohrs 16 und der Auskleidung 17 ergeben sich aus 3. Wie ersichtlich weist der dort veranschaulichte Querschnitt mehrere Stellen 18, 19 auf, die einen maximalen Radius R₁ aufweisen. Zwischen diesen Stellen 18, 19 weist der Stator 11 nach innen vorstehende Stellen 20, 21 auf, die als Zähne eines schrägverzahnten Hohlzahnrades gesehen werden können. In dem Ausführungsbeispiel nach 3 weist der Stator 11 fünf nach innen vorstehende Zähne auf. Bei dem Ausführungsbeispiel nach 4 weist ein entsprechender Stator 11’ nur zwei Zähne auf, die durch die Stellen 20, 21 gebildet sind. Außerdem weist die Auskleidung 17 dort eine wechselnde Dicke auf, so dass das Rohr 16 hohlzylindrisch ausgebildet sein kann. Letztere Maßnahme kann auch bei dem Ausführungsbeispiel nach 3 Anwendung finden.
Die Stellen 20, 21 legen Zähne fest, die sich schraubenförmig um die Mittelachse 12 des Stators 11 winden und entlang der gesamten Länge des Stators erstrecken. Die dazwischen liegenden Stellen 18, 19 werden durch entsprechende Schraubennuten gebildet, die somit Zahnzwischenräume sind.
In dem Kanal 15 ist ein Rotor 22 angeordnet, der im Querschnitt ein schraubenverzahntes Ritzel bildet, dessen Zähnezahl um eins niedriger ist als die Zähnezahl des Querschnitts des Stators 11. Der Stator 22 weist sich um die Rotorachse 23 windende Zähen 24, 25 auf, die in die Zahnlücken des Stators 11 greifen. Der zwischen den Zahnköpfen des Rotors 22 gemessene Maximaldurchmesser desselben ist so bemessen, dass der Rotor 22 von dem Kanal 15 einzelne Kammern abgedichtet abteilt, indem die Zahnköpfe jeweils an der Auskleidung 17 abdichtend anliegen. Dies ist aus 5 am Beispiel des Kopfs des Zahns 24 des Rotors 22 und der nach innen gerichteten vorstehenden Stelle 20 des Stators 11 ersichtlich.
Die ansonsten vorzugsweise im Wesentlichen gleichmäßig dicke Auskleidung 17 weist im Bereich des am weitesten vorstehenden Teils der Stelle 20, d.h. im Bereich des Zahnkopfs des Außenzahns, mindestens eine, vorzugsweise mehrere, Mikrorippen 26, 27, 28, 29 in gerader oder ungerader Anzahl auf. Die Mikrorippen 26, 27, 28, 29 erstrecken sich parallel zu der nach innen vorstehenden Rippe, die von der Stelle 20 gebildet wird. Alle anderen nach innen vorstehenden Rippen oder Zähne des Stators 11 sind mit eben solchen Mikrorippen 26, 27, 28, 29 versehen.
Die Mikrorippen 26, 27, 28, 29 können untereinander gleich oder auch etwas unterschiedlich ausgebildet sein, Gemeinsam ist ihnen jedoch die aus den 5 bis 7 ersichtliche Asymmetrie bezüglich der Radialrichtung R (siehe 7, in der die Mikrorippe 28 gesondert veranschaulicht ist). Die Mikrorippe 28 weist eine Orientierung auf, die durch ihre Asymmetrie gegeben ist. Im Beispiel ist sie gerundet ausgebildet und weist eine ansteigende Flanke 30 und eine abfallende Flanke 31 auf. In Umfangsrichtung U gemessen, weist die ansteigende Flanke 30 eine Länge L1 auf, die größer ist als die in entsprechender Richtung gemessen L2 der Flanke 31. Der Übergang zwischen den Flanken 30, 31 kann gerundet oder auch als Knick ausgebildet sein. Ebenso kann der Übergang zwischen benachbarten Mikrorippen gerundet oder als Knick ausgebildet sein.
Die insoweit beschriebene Exzenterschneckenmaschine 10 arbeitet wie folgt:
Es wird auf 3 verwiesen. Der Rotor 22 grenzt mit dem Stator 11 mehrere bananenförmige Kammern ab, wobei er zum Fördern eines Mediums, oder wenn er von dem Medium angetrieben wird, zum Beispiel im Uhrzeigersinn um seine Rotorachse 23 dreht. Dabei vollführt sein Querschnitt zusätzlich eine Orbitalbewegung um die Mittelachse 12. Am Beispiel seines Zahns 24 und 5 ist erkennbar, dass der Kopf jedes Zahns jeweils über die nach innen gerichteten Stellen, hier die Stelle 20 streift, um von einem Zahnzwischenraum in den benachbarten Zahnzwischenraum zu gelangen. Der Zahnkopf 32 des Zahns 24 deformiert dabei die Mikrorippen 26, 27, 28, 29 nacheinander. Dabei gleitet er entlang dieser Mikrorippen 26 bis 29, und zwar vorzugsweise so, dass er zunächst die länger ansteigende Flanke 30 und dann die kürzere absteigende Flanke 31 passiert. Auf diese Weise wird insbesondere im Motorbetrieb die Schmierung des Rotors 22 an den Zahnköpfen verbessert. Letztendlich haben die Mikrorippen 26 bis 29 nicht nur eine asymmetrische Form, sondern auch eine asymmetrische Federeigenschaft. Sie können den Zahnkopf 32 relativ leicht ausweichen und liefern dennoch eine gute Dichtwirkung.
Die Wirkung der Asymmetrie der Mikrorippen 26–29 ist in 8 gesondert veranschaulicht. Die Form der unverformten Mikrorippen 27, 28 ist gestrichelt dargestellt. Der Rotor 22 verdrängt und verformt die Mikrorippen 27, 28 aufgrund ihrer Asymmetrie in die Form 27a, 28a. So liegen die flacheren Flanken 30 in einem breiten Streifen an dem Rotor 22 an. Das verdrängte Elastomermaterial der Mikrorippen 27, 28 führt zu einer Ausbauchung der steileren Flanken 31. Dadurch wird zwischen den Mikrorippen 27, 28 und dem Rotor 22 eingeschlossenes Fluid in Richtung der eingezeichneten Pfeile verdrängt und als Fuidfilm zwischen die jeweils nächste flache Flanke 30 und die Rotorkontur gedrückt. Einerseits wird eine breite abdichtende streifenförmige Berührung zwischen dem Rotor und dem Stator gefördert, was der Dichtwirkung zugute kommt, und andererseits werden Reibung und Verschleiß gemindert.
Ähnliche Vorteile ergeben sich bei dem einzahnigen Rotor 22’ nach Figur oder bei Stator-Rotor-Anordnungen anderer Zähnezahl.
Die erfindungsgemäße Exzenterschneckenmaschine 10 weist einen Stator 11 mit einer Innenauskleidung 17 auf, die nach innen ragende Zähne aufweist. Diese sind an ihren Zahnköpfen mit Mikrorippen 26 bis 29 versehen, die bezüglich der Radialen R asymmetrisch ausgebildet sind. Vorzugsweise weisen sie eine flach ansteigende Flanke 30 sowie eine steiler abfallende Flanke 31 auf. Es ergibt sich damit drehrichtungsabhängig ein verbessertes Betriebsverhalten.
Bezugszeichenliste

10: Exzenterschneckenmaschine
11, 11’: Stator
12: Mittelachse
13, 14: Zu- und Abflussflansche
15: Kanal durch den Stator 11
16: Rohr
17: Auskleidung des Rohrs 16
18, 19: Stellen des Stators 11 mit maximalem Radius R₁
R₁: maximaler innerer Radius des Stators
20, 21: nach innen vorstehende Stellen des Stators 11
22, 22’: Rotor
23: Rotorachse
24, 25: Zähne
26–29: Mikrorippen
R: Radialrichtung
U: Umfangsrichtung
30: ansteigende Flanke
31: abfallende Flanke
L1: Länge der Flanke 30
L2: Länge der Flanke 31
32: Zahnkopf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10245497 B3 [0002]
EP 0764783 A1 [0003]

Claims

Exzenterschneckenmaschine (10), insbesondere für schlammige Medien, mit einem Stator (11), der einen durch ein elastisches Material begrenzten Kanal (15) aufweist, wobei der Kanal (15) einen Querschnitt aufweist, der an mindestens zwei in Umfangsrichtung (U) voneinander beabstandeten Stellen (18, 19) einen maximalen Radius (R₁) und dazwischen nach innen vorstehende Stellen (20, 21) aufweist, wobei an den nach innen vorstehenden Stellen (20, 21) weitere Vorsprünge (26–29) angeordnet sind, mit einem Rotor (22), der in dem Kanal (15) des Stators (11) angeordnet ist, um mit diesem mindestens eine Kammer zu begrenzen, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Vorsprünge (26–29) bezüglich der Radialrichtung (R) asymmetrisch ausgebildet sind.
Exzenterschneckenmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens zwei in Umfangsrichtung (U) voneinander beabstandeten Stellen (18, 19), die den maximalen Radius (R₁) festlegen, durch Schraubennuten gebildet sind, die sich entlang des Stators (11) erstrecken und um seine Mittelachse (12) winden.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die weiteren Vorsprünge (26–29) längs der vorstehenden Stellen (20, 21) erstrecken.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Vorsprünge (26, 27, 28, 29) Mikrorippen sind.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Vorsprünge (26, 27, 28, 29) in Umfangsrichtung (U) gemessen eine Länge (L1 + L2) aufweisen, die deutlich geringer ist als die in gleicher Umfangsrichtung gemessene Länge der nach innen vorstehenden Stelle (20, 21).
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Vorsprünge (26, 27, 28, 29) in Radialrichtung (R) gemessen eine Höhe aufweisen, die deutlich geringer ist als die ebenfalls in Radialrichtung (R) gemessene Höhe der nach innen vorstehenden Stelle (20, 21).
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (11) an jeder nach innen vorspringenden Stelle (20, 21) wenigstens einen, vorzugsweise mehrere weitere Vorsprünge (26, 27, 28, 29) aufweist.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle weiteren Vorsprünge (26, 27, 28, 29) bezüglich einer Drehrichtung des Rotors (22) in gleicher Richtung asymmetrisch sind.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Vorsprung (26, 27, 28, 29) bezüglich der Drehung des Rotors (22) eine Vorderflanke (30) aufweist, die flacher geneigt ist als seine Hinterflanke (31).
Exzenterschneckenmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorderflanke (30) in Umfangsrichtung (U) gemessen länger ist als die Hinterflanke (31).
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorquerschnitt von einem Rand mit wellenförmigen Verlauf begrenzt ist, derart, dass die nach innen vorstehenden Stellen (20, 21) in dem Kanal (15) ähnlich einem schräg verzahnten Hohlrad schraubenförmig verlaufende Zähne bilden.
Exzenterschneckenmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) die Gestalt eines ein- oder mehrzähnigen, schraubenverzahnten Ritzels aufweist und an die Form des Kanals (15) derart angepasst ist, dass er sich an der Wand desselben abwälzen kann.
Exzenterschneckenmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne des Rotors (22) in Zahnlücken des Stators (11) abdichtend eingreifen.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede nach innen vorstehende Stelle (20, 21) eine gerade Anzahl weiterer Vorsprünge (26, 27, 28, 29) trägt.
Exzenterschneckenmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede nach innen vorstehende Stelle (20, 21) eine ungerade Anzahl weiterer Vorsprünge (26, 27, 28) trägt.