DE102013109829A1

DE102013109829A1 - Exzenterschneckenpumpe zur Förderung flüssiger und/oder körniger Medien umfassend einen Stator mit elastischer Auskleidung

Info

Publication number: DE102013109829A1
Application number: DE102013109829.0A
Authority: DE
Inventors: Mikael Tekneyan; Martin Zierhofer; Frank Götz
Original assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Current assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2015-03-12
Anticipated expiration: 2033-09-10
Also published as: DE102013109829B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenpumpe zur Förderung flüssiger und/oder körniger Medien, umfassend einen Stator (3) mit elastischer Auskleidung (4) sowie einen Rotor (5), der in einer sich durch den Stator (3) längsgerichtet erstreckenden Öffnung (7), die wenigstens zwei gegenüberliegende Scheitel (S1, S2) ausgebildet, exzentrisch bewegbar aufgenommen ist. Ein kreisförmiger Windungsquerschnitt des Rotors (5) beschreibt bei seiner exzentrischen Bewegung eine erste Fläche (F1), die durch eine Rechteckfläche und zwei einander gegenüberliegende Halbkreisflächen gebildet ist. Weiter bildet die elastische Auskleidung (4) des Stators (3) im Querschnitt eine zweite Fläche (F2), deren Überschneidung (20) mit der ersten Fläche (F1) sich in Richtung eines, vorzugsweise jedoch in Richtung beider der Scheitel (S1, S2) jeweils wenigstens bereichsweise vermindert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenpumpe zur Förderung flüssiger und/oder körniger Medien.
Aus dem Stand der Technik bekannte Exzenterschneckenpumpen sind aus einem Rotor und einem Stator gebildet, wobei der Rotor im Stator aufgenommen ist und sich im Stator exzentrisch bewegt. Aus der Bewegung des Rotors und gegenseitiger Anlage werden zwischen Stator und Rotor wandernde Förderräume gebildet, vermittels welchen flüssige Medien entlang des Stators transportiert werden können. Beispielsweise eignen sich Exzenterschneckenpumpen zum Fördern von Wasser, Erdölen und einer Vielzahl weiterer Flüssigkeiten.
Zur Ausbildung der Förderräume und um das jeweilige Medium mit möglichst geringem Rückfluss befördern zu können, liegt der Rotor druckbeaufschlagt an einer durch elastisches Material gebildeten Innenwandung des Stators an. Da trotz druckbeaufschlagter Anlage in der Praxis häufig ein Rückfluss des Mediums bei Förderung zu verzeichnen ist, wurden Statoren für Exzenterschneckenpumpen entwickelt, welche eine größere druckbeaufschlagte Anlage des Rotors an der elastischen Auskleidung des jeweiligen Stators sicherstellen. Häufig wurde die druckbeaufschlagte Anlage des Rotors am Stator durch entsprechende Materialergänzung in der elastischen Auskleidung, beziehungsweise durch Verkleinerung des Querschnitts der jeweiligen Öffnung im Stator bewirkt.
Beispielsweise zeigt eine derartige Exzenterschneckenpumpe die DE 41 11 166 A1 . Die Exzenterschneckenpumpe aus der DE-Patentanmeldung besitzt einen Stator mit elastischer Auskleidung, die von einem rohrförmigen Material umschlossen ist. Gemäß Offenbarung der DE-Anmeldung ist ein Abfallen des Fördervolumens pro Zeiteinheit mit steigender Förderhöhe zu verzeichnen. Die DE-Anmeldung schlägt aus diesem Grunde vor, die Wandstärke der Auskleidung von der Saugseite aus zur Druckseite allmählich zu reduzieren. Zumindest im Bereich der Saugseite ist hierbei eine Anlage des Rotors am Stator unter hohem Druck vorgesehen.
Eine derartige druckbeaufschlagte Anlage kann zu vorzeitigem Verschleiss der elastischen Auskleidung und damit des Stators führen. Weiter ist aufgrund der hohen druckbeaufschlagten Anlage ein großes Moment notwendig, um den Rotor drehend und exzentrisch bewegt im Stator zu führen. Ein derartiges hohes Moment erfordert eine dementsprechend hohe Leistung eines den Rotor antreibenden Motors. Weiterhin ist mit einem hohen Moment und einer entsprechenden Dimensionierung des Motors ein größerer Energieverbrauch einhergehend, welcher in der Praxis weitgehend gering gehalten werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist daher eine Exzenterschneckenpumpe bereitzustellen, mittels welcher energiesparend ein hohes Fördervolumen pro Zeiteinheit gepumpt werden kann. Weiter ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine derartige Exzenterschneckenpumpe zur Verfügung zu stellen, die sich durch einen einfachen und unkomplizierten Aufbau auszeichnet.
Die obige Aufgabe wird durch eine Exzenterschneckenpumpe mit den Merkmalen im unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die Unteransprüche beschrieben.
Die erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe ist ausgebildet zur Förderung flüssiger und/oder körniger Medien und umfasst einen Stator mit elastischer Auskleidung sowie einen Rotor. Der Rotor und der Stator haben hierbei sinnvollerweise ein Gewinde ausgebildet, wobei unter Wirkverbindung der Gewinde bei rotierender und exzentrischer Bewegung des Rotors wandernde Förderräume zwischen dem Rotor und dem Stator für das jeweilige flüssige und/oder körnige Medium gebildet werden. Die Förderräume wandern bei drehendem Rotor der Exzenterschneckenpumpe. Beispielsweise können die zu fördernden Medien durch Flüssigkeiten ausgebildet sein, in weiteren Ausführungsformen ist jedoch ebenso vorstellbar, dass die zu fördernden Medien durch körniges Material gebildet sind oder körniges Material wenigstens anteilig aufweisen. Hierbei können körnige Medien beispielsweise durch Mörtel, Spritzputz oder dergleichen ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe kann beispielsweise für Bereich der Chemie, der Lebensmitteltechnologie und/oder der Erdölindustrie Verwendung finden. Für den angesprochenen Fachmann ist klar, dass der Einsatz von Exzenterschneckenpumpen darüber hinaus für eine Vielzahl weiterer Bereich vorstellbar ist, die vorliegend nicht gesamthaft erwähnt zu werden brauchen.
Der Stator kann einen Mantel umfassen, der starr und zumindest näherungsweise als Hohlzylinder ausgebildet ist. Denkbar ist hierbei, dass die elastische Auskleidung durch einvulkanisieren in den Mantel des Stators eingebracht ist und unbeweglich mit dem Mantel des Stators in Verbindung steht. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann die elastische Auskleidung durch lediglich ein Material, sinnvollerweise durch Kunststoff und insbesondere durch ein Elastomer, ausgebildet sein.
Weiter ist der Rotor in einer sich durch den Stator längsgerichtet erstreckenden Öffnung vorzuweise zwischen zwei Umkehrpunkten exzentrisch bewegbar aufgenommen. Sinnvollerweise erstreckt sich die Öffnung von einem saugseitigen Ende des Stators bis zu einem druckseitigen Ende des Stators, wobei die elastische Auskleidung allumfänglich um die Öffnung des Stators geführt ist, beziehungsweise wobei in der elastischen Auskleidung die Öffnung für den Rotor ausgebildet ist.
Weiter beschreibt ein kreisförmiger Windungsquerschnitt des Rotors bei seiner exzentrischen Bewegung eine erste Fläche, die durch eine Rechteckfläche und zwei einander gegenüberliegende Halbkreisflächen gebildet ist. Der Durchmesser der Halbkreisflächen ist entsprechend dem Windungsquerschnitt des jeweiligen Rotors ausgebildet. Der Rotor ist bei exzentrischer Bewegung vorzugsweise zyklisch entlang der ersten Fläche im Querschnitt geführt.
Erfindungsgemäß besitzt die Öffnung wenigstens zwei gegenüberliegende Scheitel. In bevorzugten Ausführungsformen kann die Öffnung genau zwei gegenüberliegende Scheitel aufweisen, vorstellbar ist jedoch auch, dass die Öffnung mehr als zwei Scheitel besitzt.
Zudem bildet die elastische Auskleidung des Stators im Querschnitt eine zweite Fläche aus, deren Überschneidung mit der ersten Fläche sich in Richtung eines, vorzugsweise jedoch in Richtung beider der Scheitel jeweils wenigstens bereichsweise vermindert.
Eine Vorspannung zwischen der elastischen Auskleidung und dem Rotor ist hierbei in Bereichen, in denen eine größere Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche im Querschnitt ausgebildet ist, erhöht. Zudem ist eine Vorspannung zwischen der elastischen Auskleidung und dem Rotor in Bereichen, in denen eine kleinere Überschneidung zwischen der ersten Fläche und der zweiten Fläche im Querschnitt ausgebildet ist, vermindert. Die elastische Auskleidung wird daher in Bereichen mit geringerer Überschneidung aufgrund der reduzierten Vorspannung weniger belastet, was zu einer Verschleißreduzierung der elastischen Auskleidung wenigstens in Bereichen mit geringerer Überschneidung führt.
Zudem können Bereich mit größerer Überschneidung für Stellen gewählt werden, bei welchen ein relativ starker Rückfluss des flüssigen Mediums zu verzeichnen ist. Eine Erhöhung der Vorspannung bzw. eine Erhöhung einer Überschneidung der ersten Fläche mit der zweiten Fläche ist hierbei zweckmäßig für diese Bereiche, um ungewollten Rückfluss des jeweiligen Mediums zu verhindern oder zu reduzieren. Somit besteht bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung die Möglichkeit, eine Vorspannung zwischen Rotor und der elastischen Auskleidung des Stators bereichsabhängig definiert zu wählen, in Bereichen mit erfahrungsgemäß geringerem Rückfluss die Vorspannung zu reduzieren, wobei das notwendige Drehmoment für den Rotor in diesen Bereichen vermindert wird. In der Praxis haben sich hierzu Ausführungsformen bewährt, bei welchen eine Überschneidung der Querschnittsfläche des kreisförmigen Windungsquerschnitts des Rotors im Bereich wenigstens einer seiner Umkehrpunkte mit der zweiten Fläche gegenüber eine Überschneidung der Querschnittsfläche des kreisförmigen Windungsquerschnitts des Rotors im Bereich zwischen den beiden Umkehrpunkten mit der zweiten Fläche vergrößert ausgebildet ist. Es hat sich gezeigt, dass in Bereichen der Umkehrpunkte, welche an die sich vermindernde Überschneidung der ersten Fläche mit der zweiten Fläche anschließen, der stärkste Rückfluss von flüssigem Medium zu verzeichnen ist. Zur Erhöhung der Vorspannung kann die Überschneidung der ersten Fläche mit der zweiten Fläche für diese Bereiche vergrößert ausgebildet sein.
Auch kann die Vorspannung bzw. die Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche in Bereichen mit großem Rückfluss erhöht werden, um die Förderleistung der erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe auch bei weiterhin geringem Drehmoment des Rotors zu steigern.
Insbesondere in Bereichen der Scheitel liegt bei aus dem Stand der Technik bekannten Statoren der jeweilige Rotor großflächig und druckbeaufschlagt an der elastischen Auskleidung des Stators an. Bei bevorzugten Ausführungsformen hat der jeweilige Rotor bei Oberflächenkontakt mit der elastischen Auskleidung in den Scheiteln einen Umkehrpunkt seiner exzentrischen Bewegung erreicht. Sinnvollerweise kann der Rotor zwischen den zwei Scheiteln und seinen jeweiligen Umkehrpunkten hin und her bewegt werden.
Aufgrund der größeren Haftreibung bei großflächiger Anlage ist gegebenenfalls ein erhöhtes Moment bei Anlage des Rotors an der elastischen Auskleidung in Bereich der Scheitel notwendig, um den Rotor dort drehend bewegen zu können. Da die Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche im Querschnitt bzw. die Vorspannung wenigstens in Bereichen der Scheitel erfindungsgemäß vermindert ist, benötigt der Rotor in Bereichen der Scheitel beziehungsweise bei Einnahme seiner Umkehrpunkte ein geringeres Drehmoment um das jeweilige Medium zu fördern. Demnach können Antriebe mit geringerer Leistung verwendet werden. Weiter können die Antriebe aufgrund des geringeren notwendigen Drehmomentes mit verminderter elektrischer Energie betrieben werden. Eine geringere Belastung von Getriebekomponenten und des Rotors aufgrund des reduzierten notwendigen Drehmomentes sind weitere Vorteile, welche die erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Exzenterschneckenpumpe mit sich bringt.
In diversen Ausführungsformen besteht zudem die Möglichkeit, Überschneidungen der ersten Fläche und der zweiten Fläche beziehungsweise die jeweiligen Vorspannungen derart zu wählen, dass das Drehmoment des Rotors über die gesamte exzentrische Bewegung zumindest näherungsweise konstant ausgebildet ist.
Weiter kann vorgesehen sein, dass wenigstens eine Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche im Bereich wenigstens eines Scheitels eine konvexe Krümmung aufweist. Bevorzugt ist hierbei vorgesehen, dass wenigstens eine Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche im Bereich des wenigstens einen Scheitels sichelförmig oder näherungsweise sichelförmig ausgebildet sind. Weiter kann eine Überschneidung im Bereich wenigstens eines Scheitels sichelförmig ausgebildet sein, sich über den Scheitel erstrecken und in eine weitere sichelförmige Überschneidung münden.
In möglichen Ausführungsformen beschreibt die sich durch den Stator längsgerichtet erstreckende Öffnung im Querschnitt zumindest abschnittsweise eine kurvenförmige Bahn. Beispielsweise kann sich die Überschneidung bei Annäherung an einen Scheitel der kurvenförmigen Bahn zunächst flächig verbreitern und sich anschließend bei weiterer Annäherung an den jeweiligen Scheitel flächig vermindern.
Auch kann es sein, dass der Rotor entlang einer Geraden bzw. Endlosgeraden exzentrisch bewegbar ist, welche Gerade sich durch die Bereiche der geringsten Überschneidung der ersten Fläche mit der zweiten Fläche erstreckt.
Sind, wie vorherig erwähnt, die Überschneidungen im Bereich der Umkehrpunkte des Rotors sichelförmig ausgebildet, so kann sich die jeweilige sichelförmige Überschneidung um den jeweiligen Scheitel der Öffnung erstrecken oder in dem Scheitel der Öffnung auslaufen.
In denkbaren Ausführungsformen kann die Öffnung des Stators im Querschnitt zwei Scheitel aufweisen, wobei der Verlauf der Öffnung bei Annäherung an den jeweiligen Scheitel elliptisch ausgebildet ist. Zwischen den beiden Scheiteln kann die Öffnung im Querschnitt bereichsweise eine Bahn beschreiben, welche einem geradlinigen Verlauf folgt. Auch ist vorstellbar, dass die Öffnung bei Annäherung an den jeweiligen Scheitel einem geradlinigen oder vieleckigen Verlauf folgt. Der geradlinige Verlauf kann an die beiden elliptischen Verläuf in den Scheiteln direkt anschließen.
In weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass eine Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche in einem Bereich zwischen den beiden Scheiteln eine bi-konvexe Krümmung aufweist beziehungsweise dass eine Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche in einem Bereich zwischen den beiden Scheiteln eine bi-konvexe Krümmung bildet. Die Überschneidung im Bereich des jeweiligen Scheitels kann hierbei linsenförmig ausgebildet sein.
Sowohl bei konvexer Krümmung als auch bei bi-konvexer Krümmung der jeweiligen Überschneidung kann vorgesehen sein, dass sich die Überschneidung flächig bei Annäherung an den Scheitel der Öffnung zunächst verbreitert und bei weiterer Annäherung an den Scheitel flächig vermindert. Die Überschneidung kann bei konvexer Krümmung und bei bi-konvexer Krümmung flächenmäßig für diejenigen Bereiche am größten ausgebildet sein, bei welchen ein starker Rückfluss des flüssigen Mediums zu verzeichnen ist. Erfahrungsgemäß sind diese Bereiche rechts und linksseitig eines jeweiligen Scheitels der Öffnung im Rotor ausgebildet. Auch erstreckt sich die Überschneidung in bevorzugten Ausführungsformen gegebenenfalls um den jeweiligen Scheitel der Öffnung im Querschnitt.
Zudem ist für bevorzugte Ausführungsformen vorstellbar, dass eine Überschneidung der ersten Fläche und der zweiten Fläche in einem Bereich zwischen den zwei Scheiteln im Querschnitt durchgehend konstant ausgebildet ist. Die konstante Überschneidung kann in einem Bereich ausgebildet sein, bei welchem die Öffnung des Stators im Querschnitt einem geradlinigen Verlauf folgt. Demnach kann die konstante Überschneidung der ersten Fläche mit der zweiten Fläche in Bereichen ausgebildet sein, bei welchen die Öffnung keinem elliptischen Verlauf folgt. Beispielsweise kann die konstante Überschneidung zwischen den beiden Umkehrpunkten des Rotors bereichsweise ausgebildet sein. Die konstante Überschneidung kann für Bereiche ausgebildet sein, welche im Querschnitt an den jeweiligen elliptischen Verlauf der Öffnung des Stators direkt anschließen.
Sinnvollerweise kann der Rotor entlang einer Achse, die durch die beiden Scheitel verläuft, bewegbar sein, wobei sich die Achse durch die Bereich der geringsten Überschneidung der ersten Fläche mit der zweiten Fläche erstreckt. Weiter kann die Überschneidung auf einer Seite der Achse im Bereich wenigstens eines Scheitels flächenmäßig vergrößert gegenüber der Überschneidung auf der gegenüberliegenden Seite der Achse im Bereich des jeweiligen Scheitels ausgebildet sein. Die flächenmäßig vergrößerte bzw. flächenmäßig verminderte Überschneidung kann in Abhängigkeit der Drehrichtung des Rotors gewählt sein. Bei derartigen Ausführungsformen lässt sich der Rückfluss von flüssigem Medium weiter reduzieren.
Zudem ist für bevorzugte Ausführungsformen vorstellbar, dass eine durch die gegenüberliegenden Scheitel der Öffnung verlaufende Symmetrieachse für eine oder mehrere der Überschneidungen ausgebildet ist. Sofern der Rotor, wie vorhergehend bereits erwähnt, zwei Umkehrpunkte besitzt, kann die Symmetrieachse sich weiterhin durch die Umkehrpunkte erstrecken. Die Symmetrieachse kann zudem als Symmetrieachse für die Öffnung des Stators im Querschnitt ausgebildet sein. Weiter kann die Symmetrieachse als Symmetrieachse für die elastische Auskleidung des Stators im Querschnitt und/oder gegebenenfalls für einen Mantel des Stators ausgebildet sein.
Auch ist vorstellbar, dass eine weitere Symmetrieachse für die Öffnung des Stators und/oder für die Überschneidungen und/oder für die elastische Auskleidung und/oder für den Mantel im Querschnitt vorhanden ist, welche weitere Symmetrieachse lotrecht auf der vorherig genannten und sich durch die Scheitel erstreckenden Symmetrieachse aufsitzt.
Auch ist vorstellbar, dass die erste Fläche, die zweite Fläche sowie die Überschneidungen im Querschnitt punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt der exzentrischen Bewegung des Rotors ausgebildet sind. Beispielsweise kann der Mittelpunkt der exzentrischen Bewegung sinnvollerweise identisch beabstandet zu den beiden gegenüberliegenden Scheiteln sein.
Weiter ist denkbar, dass der Stator einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Mantel aufweist, in welchen die elastische Auskleidung eingebracht ist, wobei die elastische Auskleidung gegenüber dem Mantel im Bereich der Umkehrpunkte des Rotors bzw. im Bereich zweier gegenüberliegender Scheitel der Öffnung die geringstmögliche Stärke aufweist.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.
1 zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Stators mit Rotor im Querschnitt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind;
2 zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines weiteren Stators im Querschnitt, wie er bereits aus dem Stand der Technik bekannt ist;
3 zeigt eine schematische Ansicht eines Stators im Querschnitt, wie er für diverse Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe Verwendung finden kann;
4 zeigt den Stator aus 3 im Querschnitt ohne den Rotor;
5 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Stators im Querschnitt, wie er für diverse Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe Verwendung finden kann;
6 zeigt den Stator aus 4 unter Verdeutlichung der Materialergänzung.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
1 zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Stators 3 mit Rotor 5 im Querschnitt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind und für Exzenterschneckenpumpen Verwendung finden können.
In dem in 1A dargestellten Querschnitt befindet sich der Rotor 5 in einem ersten Umkehrpunkt U1, in 1C hat der Rotor 5 einen zweiten Umkehrpunkt U2 eingenommen. Bei in 1B gezeigtem Querschnitt befindet sich der Rotor 5 zwischen den beiden Umkehrpunkten U1 und U2. 1A, 1B und1C zeigen somit fortlaufend Positionen einer Bewegung des Rotors 5 im Querschnitt.
Ist der Rotor 5 im zweiten Umkehrpunkt U2 angelangt, bewegt er sich über die in 1B dargestellt Zwischenposition zurück in Richtung des ersten Umkehrpunktes U1. Der Rotor 5 bewegt sich somit exzentrisch. Vorzugsweise ist die alternierende Bewegung des Rotors 5 zwischen den beiden Umkehrpunkten U1 und U2 frequenzhomogen ausgebildet.
Der Stator 3 besitzt einen starren Mantel 9, welcher als Hohlzylinder ausgebildet ist. Weiter eine elastische Auskleidung 4, an welcher der Rotor 5 bei seiner exzentrischen Bewegung druckbeaufschlagt anliegt. Die elastische Auskleidung 4 besitzt eine sich in Längsrichtung des Stators 3 erstreckende Öffnung 7, in welcher der Rotor 5 geführt ist. Während sich der Rotor 5 im Stator 3 bewegt, werden zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 3 beziehungsweise zwischen dem Rotor 5 und der elastischen Auskleidung 4 des Stators 9 wandernde Förderräume zum Transport des jeweiligen Mediums ausgebildet.
Wie in den 1 zudem zu erkennen, besitzt der Querschnitt des Rotors 5 mit dem Querschnitt der elastischen Auskleidung 4 des Stators 3 bei exzentrischer Bewegung des Rotors 5 im Stator 3 stets eine Überschneidung 20. Aufgrund der flächigen Überschneidung 20 liegt der Rotor 5 druckbeaufschlagt an der elastischen Auskleidung 4 des Stators 3 an. Da die flächige Überschneidung 20 in den Umkehrpunkten U1 und U2, wie in den 1A und 1C gezeigt, am größten ausgebildet ist, ist in den Umkehrpunkten U1 und U2 das notwendige Drehmoment für den Rotor 5 gegenüber weiteren Positionen, wie beispielsweise in 1B dargestellt, erhöht.
Aufgrund eines unerwünschten Rückflusses von fluidem Medium wurden Rotoren 5 mit ihrer zugehörigen elastischen Auskleidung 4 derart umgestaltet, dass der Rotor 5 und die elastische Auskleidung 4 unter erhöhter Vorspannung miteinander in Anlage gebracht sind.
Ein derartiger Rotor 5 mit Stator 3 ist in den 2A bis 2C zu erkennen. Wie in den 2 dargestellt, besitzt die elastische Auskleidung 4 eine Materialergänzung 11. Die Materialergänzung 11 ist vorliegend nicht als separater Bestandteil des Rotors 5 ausgebildet, sondern als einstückiger Bestandteil mit der elastischen Auskleidung 4 geformt. Die in den 2 angedeutete unterschiedliche Struktur dient lediglich zur Verdeutlichung einer erhöhten Stärke der elastischen Auskleidung 4 gegenüber dem Stator 3 aus den 1.
Wie in den 2 zu erkennen ist die Öffnung 7 aufgrund der Materialergänzung 11 gegenüber dem Stator 3 aus 1 verkleinert ausgebildet. Eine deutlich größere Ausbildung gegenüber dem Beispiel aus 1 besitzt hingegen die jeweilige Überschneidung 20, gebildet aus der der Querschnittsfläche des Rotors 5 und der Querschnittsfläche der elastischen Auskleidung 4. Hierbei ist klar, dass der Querschnitt der elastischen Auskleidung 4 und der Querschnitt der Materialergänzung 11 in sämtlichen Figuren vorliegender Patentanmeldung dargestellt sind, wie sie bei getrenntem Zustand des Rotors 5 und des Stators 3 vorliegen. Wird der Rotor 5 tatsächlich durch die Öffnung 7 exzentrisch geführt, so verformt der Rotor 5 die Auskleidung 4 beziehungsweise die Materialergänzung 11 reversibel, wobei diese in Richtung des Mantels 4 gedrückt wird.
Aufgrund der größeren Überschneidung 20 in den 2 gegenüber den 1 liegt der Rotor 5 mit höherer Vorspannung an der elastischen Auskleidung 4 an. Der in den 2 dargestellte und aus dem Stand der Technik bekannte Rotor 5 bietet hierbei gegenüber dem Rotor 5 aus 1 den Vorteil, aufgrund der erhöhten Vorspannung zwischen dem Rotor 5 und dem Stator 3 einen Rückfluss von fluidem Medium reduzieren zu können.
Da aufgrund der großflächigen Ausbildung der Überschneidung 20 insbesondere in den Umkehrpunkten U1 und U2 bei Ausgestaltung des Rotors 3 gemäß den 2 eine hohe Vorspannung ausgebildet ist, wird für den Rotor 5 ein hohes Drehmoment benötigt, um diesen exzentrisch in der Öffnung 7 zwischen den Umkehrpunkten U1 und U2 alternierend führen zu können. In der Praxis hat sich auch gezeigt, dass aufgrund der hohen Vorspannung zwischen Rotor 5 und elastischer Auskleidung 4 ein vorzeitiger Verschleiß der elastischen Auskleidung 4 nicht auszuschließen ist. Weiter ist aufgrund des notwendigen hohen Drehmomentes für den Rotor 5 ein größerer Energieverbrauch gegenüber dem Beispiel aus 1 zu verzeichnen, welcher in der Praxis nach Möglichkeit gering gehalten werden soll. Auch sind Motoren zum exzentrischen Antrieb des Rotors 5 notwendig, die eine entsprechend hohe Leistung besitzen müssen, um den Rotor 5 drehend in der Öffnung 7 führen zu können. Ein höherer Kostenaufwand ist für Motoren mit größerer Leistung einhergehend.
Eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe, welche den Rückfluss von Medium gegenüber dem Beispiel aus den 1 reduziert und darüber hinaus ein geringeres Drehmoment für den Rotor 5 gegenüber dem Beispiel aus den 2 benötigt, kann einen Stator 3 und einen Rotor 5 aufweisen, wie sie beispielhaft im Ausführungsbeispiel der 3A im Querschnitt dargestellt sind.
So umfasst der Stator 3 aus dem Ausführungsbeispiel der 3A ebenso einen Mantel 9 sowie eine elastische Auskleidung 4 und eine Öffnung 7, in welcher der Rotor 5 bei exzentrischer Bewegung geführt ist. Die elastische Auskleidung 4 ist vorliegend durch ein Elastomer ausgebildet. Die Öffnung 7 erstreckt sich von einem saugseitigen Ende des Stators 3 bis zu einem druckseitigen Ende des Stators 3. Die elastische Auskleidung 4 ist vollständig um die Öffnung 7 geführt beziehungsweise die elastische Auskleidung 4 bildet die Öffnung 7 aus. Weiter besitzt die Öffnung 7 zwei gegenüberliegende Scheitel S1 und S2. Wie zu erkennen, besitzt die elastische Auskleidung 4 im Bereich der Scheitel S1 und S2 jeweils die geringste Stärke.
Der Rotor 5 aus dem Ausführungsbeispiel aus 3A ist ebenso zwischen einem ersten Umkehrpunkt U1 und einem zweiten Umkehrpunkt U2, angedeutet in Phantomlinien, alternierend hin und her bewegbar. In den Umkehrpunkten U1 und U2 steht der Rotor 5 in Oberflächenkontakt mit den Scheiteln S1 und S2 der elastischen Auskleidung 4. Im dargestellten Querschnitt der 3A befindet sich der Rotor 5 im Bereich des ersten Umkehrpunktes U1 und ist mit der elastischen Auskleidung 4 im Bereich des Scheitels S1 in Oberflächenkontakt gebracht.
Wie weiter in 3B zu erkennen, beschreibt der kreisförmige Windungsquerschnitt des Rotors 5 bei exzentrischer Bewegung zwischen den beiden Scheiteln S1 und S2 beziehungsweise zwischen den beiden Umkehrpunkten U1 und U2 eine erste Fläche F1, die durch eine Rechteckfläche und zwei einander gegenüberliegende Halbkreisflächen gebildet ist. Weiter ist in 3B zu erkennen, dass die elastische Auskleidung 4 des Stators 3 im Querschnitt eine zweite Fläche F2 ausbildet.
3A zeigt nun eine Überschneidung 20 eines Windungsquerschnitts des Rotors 5 mit der zweiten Fläche F2 im Umkehrpunkt U1 beziehungsweise anteilig eine Überschneidung der Fläche F1 mit der Fläche F2. Die Überschneidung 20 ist hierbei im in 3A dargestellten Scheitel S1 des Rotors 5 sichelförmig ausgebildet, beziehungsweise die Überschneidung 20 vermindert sich in Richtung des Scheitels S1 der Öffnung 7 flächenmäßig und besitzt eine konvexe Krümmung.
In 3A läuft die flächenmäßige Überschneidung 20 bei eingenommenem Umkehrpunkt U1 des Rotors 5 im Scheitel S1 der Öffnung 7 aus. In weiteren Ausführungsformen ist jedoch vorstellbar, dass sich die sichelförmige Überschneidung 20 über den Scheitel S1 hinaus erstreckt und in eine weitere sichelförmige Überschneidung 20 mündet.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass im Bereich der jeweiligen Scheitel S1 und S2 ein geringer oder kein Rückfluss des jeweiligen Fördermediums zu verzeichnen ist. Vorteilhafterweise kann durch die geringere Überschneidung 20 im Bereich der Scheitel S1 und S2 die Vorspannung in den Umkehrpunkten U1 und U2 reduziert werden, wobei in den Umkehrpunkten U1 und U2 jeweils ein geringes Moment notwendig ist, um den Rotor 5 drehend zu führen.
Vermittels der sichelförmigen Ausgestaltung der Überschneidung 20 ist in definierten Bereichen mit großer Fläche eine hohe Vorspannung zwischen Rotor 5 und der elastischen Auskleidung 4 ausgebildet. In der Praxis hat sich gezeigt, dass für diese Bereiche ein starker Rückfluss des jeweiligen Mediums zu verzeichnen ist, so dass sich eine sichelförmige Überschneidung 20, wie in 3A beispielhaft dargestellt, als vorteilhafte Ausführungsform eignet um ein hohes Fördervolumen pro Zeit auch bei geringem Drehmoment zu erreichen. Wie vorhergehend bereits erwähnt, können bei niedrigerem Drehmoment Antriebe für den Rotor 5 mit verminderter elektrischer Energie betrieben werden. Weiter wird eine Belastung von Getriebekomponenten und eine Torsionsbelastung des Rotors 5 reduziert. Da in den Bereichen der Umkehrpunkte U1 und U2 bei aus dem Stand der Technik bekannten Exzenterschneckenpumpen das größte Drehmoment an den Rotoren 5 anliegt, können vermittels erfindungsgemäßer Exzenterschneckenpumpe sowie Stator 3 gemäß 3A Drehmomentspitzen des Rotors 5 reduziert werden. Eine vorzeitige Materialermüdung des Rotors 5 kann bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung ausgeschlossen werden.
4 zeigt den Stator 3 aus 3 im Querschnitt ohne den Rotor 5. Sehr gut ist in 4 zu erkennen, dass die Öffnung 7 im Bereich der Scheitel S1 und S2 jeweils einen elliptischen Verlauf 15 ausbildet, mittels welchem die definierte Vorspannung aufgrund der Überschneidung 20, wie vorhergehend zu 3 beschrieben, herstellbar ist.
Durch die Scheitelpunkte S1 und S2 der Öffnung 7 verläuft zudem eine Symmetrieachse A für die Öffnung 7, die elastische Auskleidung 4, die Überschneidungen 20 (vgl. 3) sowie den Mantel 4. Weiter ist ein Mittelpunkt M der exzentrischen Bewegung des Rotors 5 dargestellt. Die Öffnung 7, die elastische Auskleidung 4, die Überschneidungen 20 (vgl. 3) sowie der Mantel 4 sind zudem punktsymmetrisch zum Mittelpunkt M ausgebildet.
4 zeigt weiter, dass die Öffnung 7 in einem Bereich zwischen den Scheiteln S1 und S2, welcher direkt an den elliptischen Verlauf 15 anschließt, einem geradlinigen Verlauf 17 folgt. Im Bereich des geradlinigen Verlaufs 17 ist bei Bewegung des Rotors 5 die Überschneidung 20 seiner Querschnittsfläche mit der Querschnittsfläche der elastischen Auskleidung 4 flächenmäßig konstant ausgebildet. Demnach ist die Vorspannung des Rotors 5 sowie der elastischen Auskleidung 4 im Bereich des geradlinigen Verlaufs 17 der Öffnung 7 ebenso konstant.
5 zeigt eine weitere schematische Ansicht eines Stators 3 im Querschnitt, wie er für diverse Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe Verwendung finden kann. Der Stator 3 besitzt ebenso eine Öffnung 7, welche zwei gegenüberliegende Scheitel S1 und S2 aufweist sowie eine elastische Auskleidung 4. Ebenso ist ein Mantel 9 dargestellt, der als Hohlzylinder ausgebildet ist.
Wie in den Ausführungsbeispielen der vorhergehenden Figuren ist in 5 ein Windungsquerschnitt des Rotors 5 zu erkennen. Der Windungsquerschnitt des Rotors 5 besitzt in den Umkehrpunkten U1 und U2 eine Überschneidung 20 mit der elastischen Auskleidung 4, die linsenförmig ausgebildet ist und eine bi-konvexe Form aufweist. Hierzu folgt die Öffnung 7 in einem sich dem jeweiligen Scheitel S1 beziehungsweise S2 annäherndem Bereich einem konkaven Verlauf 22.
Da in den Scheiteln S1 und S2 erfahrungsgemäß ein geringer Rückfluss des jeweiligen Mediums zu verzeichnen ist, kann bei linsenförmiger Überschneidung 20 die Vorspannung zwischen Rotor 5 und elastischer Auskleidung 4 in den Scheiteln S1 und S2 reduziert werden. Weiter bietet eine linsenförmige Überschneidung 20 den Vorteil, dass in Bereichen mit erfahrungsgemäß verstärktem Rückfluss des Mediums eine größere Vorspannung ausgebildet ist, woraus resultierend das durch die Exzenterschneckenpumpe erreichbare Fördervolumen pro Zeiteinheit vergrößert wird.
Aus Gründen der Vollständigkeit sei erwähnt, dass der konkave Verlauf 22 der Öffnung 7 im Querschnitt beispielsweise auch durch einen geraden Verlauf, der in Richtung des jeweiligen Scheitels S1 beziehungsweise S2 gerichtet ist, ausgebildet sein kann. Weiter kann der konkave Verlauf 22 alternativ durch mehrere Geraden ausgebildet sein, die gemeinsam einen vieleckigen Verlauf bilden, der in Richtung des jeweiligen Scheitels S1 und S2 gerichtet ist. Für den angesprochenen Fachmann sind hinsichtlich des Verlaufs eine Vielzahl von Ausführungsformen denkbar, sofern sich die Überschneidung 20 des Windungsquerschnitts des Rotors 5 mit der elastischen Auskleidung 4 im Bereich der Scheitel S1 und S2 reduziert und hiermit die Vorspannung zwischen Rotor 5 und elastischer Auskleidung 4 im Bereich der Scheitel S1 und S2 vermindert wird.
6 zeigt den Stator 3 aus 4 unter Verdeutlichung der Materialergänzung 11. Wie bereits in den 2 dargestellt, besteht bei aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen für einen Stator 3 die Möglichkeit einen Rückfluss des Mediums durch Materialergänzung 11 in der elastischen Auskleidung 4 wenigstens zu reduzieren.
6 zeigt hierbei eine Materialergänzung 11, wie sie für einen Stator 3 der erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe Verwendung finden kann. Auch bei Stator 3 des Ausführungsbeispiels aus 6 ist die Materialergänzung 11 vorzugsweise kein separater Bestandteil der elastischen Auskleidung 4 sondern als einstückiger Bestandteil mit der elastischen Auskleidung 4 ausgebildet. Die Strukturierung der Materialergänzung 11 in 6 dient lediglich dem Zwecke einer Verdeutlichung.
Wie im Querschnitt der 6 zu erkennen, verjüngt sich die Materialergänzung 11 bei jeweiliger Annäherung an die Scheitel S1 und S2. Im Bereich des geradlinigen Verlaufs 17 der Öffnung 7 besitzt die Materialergänzung 11 ihre größte Stärke. Wird ein Rotor 5 durch die Öffnung 7 im Bereich des geradlinigen Verlaufs 17 geführt, so ist die mit der Materialergänzung 11 in Anlage stehende Fläche des Rotors 5 gegenüber seiner Position in den Umkehrpunkten U1 und U2 geringer ausgebildet. Trotz großer Stärke der Materialergänzung 11 in den Bereichen des geradlinigen Verlaufs 17 ist das notwendige Moment zum drehenden Antrieb 5 des Rotors gegenüber seinen Umkehrpunkten U1 und U2 nicht oder nicht stark erhöht.
Wie weiter in 6 zu erkennen, ist die Materialergänzung 11 derart ausgebildet, dass die Öffnung 7 im Bereich der Scheitel S1 und S2 einem elliptischen Verlauf folgt.
Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen.
Bezugszeichenliste

3: Stator
4: Elastische Auskleidung
5: Rotor
7: Öffnung
9: Mantel
11: Materialergänzung
15: Elliptischer Verlauf
17: Geradliniger Verlauf
20: Überschneidung
22: Konkaver Verlauf
A: Symmetrieachse
F1: Erste Fläche
F2: Zweite Fläche
M: Mittelpunkt
U1: Umkehrpunkt
U2: Umkehrpunkt
S1: Scheitel
S2: Scheitel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 4111166 A1 [0004]

Claims

Exzenterschneckenpumpe zur Förderung flüssiger und/oder körniger Medien, umfassend einen Stator (3) mit elastischer Auskleidung (4) sowie einen Rotor (5), der in einer sich durch den Stator (3) längsgerichtet erstreckenden Öffnung (7), die wenigstens zwei gegenüberliegenden Scheitel (S1, S2) ausbildet, exzentrisch bewegbar aufgenommen ist, wobei ein kreisförmiger Windungsquerschnitt des Rotors (5) bei seiner exzentrischen Bewegung eine erste Fläche (F1) beschreibt, die durch eine Reckteckfläche und zwei einander gegenüberliegende Halbkreisflächen gebildet ist und wobei die elastische Auskleidung (4) des Stators (3) im Querschnitt eine zweite Fläche (F2) bildet, deren Überschneidung (20) mit der ersten Fläche (F1) sich in Richtung eines, vorzugsweise jedoch in Richtung beider der Scheitel (S1, S2) jeweils wenigstens bereichsweise vermindert.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 1, bei welcher eine Überschneidung (20) der Querschnittsfläche des kreisförmigen Windungsquerschnitt des Rotors (5) im Bereich wenigstens einer seiner Umkehrpunkte (U1, U2) mit der zweiten Fläche (F2) gegenüber einer Überschneidung (20) der Querschnittsfläche des kreisförmigen Windungsquerschnitts des Rotors (5) im Bereich zwischen den beiden Umkehrpunkten (U1, U2) mit der zweiten Fläche (F2) vergrößert ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei welcher wenigstens eine Überschneidung (20) der ersten Fläche (F1) und der zweiten Fläche (F2) im Bereich wenigstens eines Scheitels (S1, S2) eine konvexe Krümmung aufweist.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 3, bei welcher wenigstens eine Überschneidung (20) der ersten Fläche (F1) und der zweiten Fläche (F2) im Bereich wenigstens eines Scheitels (S1, S2) eine bi-konvexe Krümmung aufweist.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder Ansprüche 1 bis 4, wobei eine Überscheidung (20) der ersten Fläche (F1) und der zweiten Fläche (F2) in einem Bereich zwischen den zwei Scheiteln (S1, S2) der Öffnung (7) flächenmäßig durchgehend konstant ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, bei welcher die sich durch den Stator (3) längsgerichtet erstreckende Öffnung (7) im Querschnitt zumindest im Bereich der zwei gegenüberliegenden Scheitel (S1, S2) jeweils einem elliptischen Verlauf (15) folgt.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, bei welcher die sich durch den Stator (3) längsgerichtet erstreckende Öffnung (7) im Querschnitt zwischen den zwei Scheiteln (S1, S2) bereichsweise einem geradlinigem Verlauf (17) folgt.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche 1 bis 6, bei welcher der Rotor (5) entlang einer Achse, die durch die beiden Scheitel (S1, S2) verläuft, bewegbar ist, wobei sich die Achse durch die Bereiche der geringsten Überschneidung (20) der ersten Fläche (F1) mit der zweiten Fläche (F2) erstreckt.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, bei welcher eine durch die zwei gegenüberliegenden Scheitel (S1, S2) der Öffnung (7) verlaufende Symmetrieachse (A) für eine oder mehrere der Überschneidungen (20) gebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche 1 bis 7, bei welcher die erste Fläche (F1), die zweite Fläche (F2) sowie die Überschneidungen (20) im Querschnitt punktsymmetrisch zu einem Mittelpunkt (M) der exzentrischen Bewegung des Rotors (5) ausgebildet sind.
Exzenterschneckenpumpe nach Anspruch 8, bei welcher die Überschneidung (20) auf einer Seite der Achse im Bereich wenigstens eines Scheitels (S1, S2) flächenmäßig vergrößert gegenüber der Überschneidung (20) auf der gegenüberliegenden Seite der Achse im Bereich des jeweiligen Scheitels (S1, S2) ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der voranstehenden Ansprüche, bei welcher der Stator (3) einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Mantel (9) aufweist, in welchen die elastische Auskleidung (4) eingebracht ist, wobei die elastische Auskleidung (4) gegenüber dem Mantel (9) im Bereich der Scheitel (S1, S2) die geringste Stärke aufweist.
Exzenterschneckenpumpe nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, bei welcher die elastische Auskleidung (4) des Stators (3) durch ein Elastomer ausgebildet ist.