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1. Gebiert der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spiralpumpe (Scrollpumpe, engl. scroll pump) mit einer Pumpenkopfanordnung, die eine stationäre Plattenspirale und eine orbitierende Plattenspirale mit einem stationären Spiralblatt bzw. mit einem orbitierenden Spiralblatt umfasst. Insbesondere betrifft die Erfindung die Mittel, die zum Winkelsynchronisieren des stationären Spiralblatts und des orbitierenden Spiralblatts in einer Spiralpumpe verwendet werden.
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Hintergrund
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2. Beschreibung der verwandten Technik
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Eine Spiralpumpe ist ein Pumpentyp, der eine stationäre Plattenspirale mit einem spiralförmigen stationären Spiralblatt, und eine orbitierende Plattenspirale mit einem spiralförmigen orbitierenden Spiralblatt umfasst. Das stationäre Spiralblatt und das orbitierende Spiralblatt sind mit einem radialen Spiel und einer vorbestimmten relativen Winkelpositionierung derart ineinander verschachtelt, dass eine Tasche (oder Taschen) durch die Blätter und zwischen den Blättern begrenzt ist (sind). Die Spiralpumpe weist außerdem einen Rahmen, an dem die stationäre Plattenspirale fixiert ist, und einen Exzenterantriebsmechanismus auf, der durch den Rahmen getragen oder unterstützt wird. Diese Teile bilden im Allgemeinen eine Anordnung, die als Pumpenkopfanordnung der Spiralpumpe bezeichnet werden kann.
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Die orbitierende Spiralplatte, und infolgedessen das orbitierende Spiralblatt, ist mit dem Exzenterantriebsmechanismus gekoppelt und wird mit dem Exzenterantriebsmechanismus angetrieben, so dass sie um eine Längsachse der Pumpe orbitiert, die durch den axialen Mittelpunkt des stationären Spiralblattes verläuft. Das Volumen der Tasche(n), die durch die Spiralblätter der Pumpe begrenzt ist (sind), ändert sich, wenn sich das orbitierende Spiralblatt in Bezug auf das stationäre Spiralblatt bewegt. Die orbitierende Bewegung des orbitierenden Spiralblattes bewirkt außerdem, dass sich die Tasche(n) innerhalb der Pumpenkopfanordnung derart bewegt (bewegen), dass die Tasche(n) selektiv in offener Kommunikation mit einem Einlass und einem Auslass der Spiralpumpe angeordnet wird (werden).
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In einem Beispiel solch einer Spiralpumpe bewirkt die Bewegung des orbitierenden Spiralblattes in Bezug auf das stationäre Spiralblatt, dass eine Tasche gegen den Auslass der Pumpe abgedichtet und in offener Kommunikation mit dem Einlass angeordnet wird, um sich ausdehnen. Demgemäß wird Fluid durch den Einlass in die Tasche gesaugt. Dann wird die Tasche in eine Position bewegt, in welcher sie gegen den Einlass abgedichtet und in offener Kommunikation mit dem Auslass der Pumpe ist, und gleichzeitig wird die Tasche zusammengedrückt. Demnach wird das Fluid in der Tasche verdichtet und dadurch durch den Auslass der Pumpe entladen.
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Im Falle einer Spiralpumpe vom Vakuumtyp ist der Einlass der Pumpe mit einer Kammer verbunden, die unter Vakuum gesetzt werden soll. Dagegen ist im Falle einer Spiralpumpe vom Kompressortyp der Auslass der Pumpe mit einer Kammer verbunden, die durch die Pumpe mit unter Druck gesetztem Fluid versorgt werden soll.
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Auf jeden Fall muss die vorbestimmte Winkelposition des orbitierenden Spiralblattes in Bezug auf das stationäre Spiralblatt bereitgestellt und innerhalb bestimmter Toleranzen gehalten werden, wenn die zuvor beschriebenen Ansaug- und Entladungsvorgänge durch die Spiralpumpe zufriedenstellend ausgeführt werden sollen. Genauer gesagt, muss die orbitierende Plattenspirale eine bestimmte Winkelsynchronisation mit der stationären Plattenspirale aufrechterhalten, wenn Abdichtungen, die durch die und zwischen dem stationären Spiralblatt und dem orbitierenden Spiralblatt erzeugt werden, die Tasche(n) stabil bilden sollen, bewirken sollen, dass sich das Volumen der Tasche(n) in angemessener Weise ändert, und effektiv bewirken sollen, dass sich die Tasche(n) mit der zeitlichen Koordinierung, die in Bezug auf den Einlass und den Auslass der Pumpe erforderlich ist, durch die Pumpenkopfanordnung bewegen. Zu diesem Zweck darf sich die orbitierende Plattenspirale nicht um mehr als ein bestimmtes Ausmaß um ihre eigene Mittelachse drehen, während sie um die Längsachse der Pumpenkopfanordnung orbitiert.
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Zusammenfassung
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiralpumpe mit einem Primärmittel zum Winkelsynchronisieren des stationären Spiralblatts und des orbitierenden Spiralblatts der Pumpe und ein Reservesystem (back-up system) für das Primärmittel bereitzustellen, wobei keines davon eine Neigung hat zum Erzeugen von Teilchen während des Normalbetriebs und/oder zum Verkürzen der Nutzungsdauer von der Pumpe.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiralpumpe mit einem Primärmittel zum Winkelsynchronisieren des stationären Spiralblatts und des orbitierenden Spiralblatts der Pumpe und ein Reservesystem für das Primärmittel bereitzustellen, das durch verhältnismäßig einfache und kostengünstige Strukturen gebildet wird, die leicht zu implementieren sind.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiralpumpe mit einem Primärmittel zum Winkelsynchronisieren des stationären Spiralblatts und des orbitierenden Spiralblatts der Pumpe und ein Reservesystem bereitzustellen, welches die Winkelsynchronisation in Fällen aufrechterhält, in welchen eine übermäßige Antriebslast auf das orbitierende Spiralblatt ausgeübt wird.
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Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Spiralpumpe mit einem Primärmittel zum Winkelsynchronisieren der stationären und orbitierenden Spiralblätter der Pumpe und ein Reservesystem bereitzustellen, das verhindern kann, dass die Pumpe bei Ausfall des Primärmittels beschädigt wird.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spiralpumpe bereitgestellt, die umfasst: einen Rahmen, eine stationäre Plattenspirale, die am Rahmen fixiert ist und die ein stationäres Spiralblatt aufweist, das um eine Längsachse der Pumpe zentriert ist, eine orbitierende Spirale mit einem orbitierenden Spiralblatt, das in einer radialen Richtung der Pumpe derart angrenzend an das stationäre Spiralblatt angeordnet ist, dass das stationäre Spiralblatt und das orbitierende Spiralblatt ineinander verschachtelt sind, einen Exzenterantriebsmechanismus, der durch den Rahmen getragen wird und funktionell mit dem orbitierenden Spiralblatt verbunden ist, um zu bewirken, dass das orbitierenden Spiralblatt um die Längsachse orbitiert, einen metallischen Blasebalg, der das orbitierende Spiralblatt und das stationäre Spiralblatt winkelsynchronisiert, und ein nicht kontaktierendes oder kontaktloses Reservesystem für den Blasebalg.
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Der metallische Blasebalg ist an einem ersten Ende davon an der orbitierenden Plattenspirale fixiert, und der Rahmen ist am metallischen Blasebalg am zweiten Ende des metallischen Blasebalgs fixiert, so dass der metallische Blasebalg das orbitierende Spiralblatt und das stationäre Spiralblatt winkelsynchronisiert. Der Exzenterantriebsmechanismus trägt das orbitierende Spiralblatt so, dass es um eine zweite Achse, die parallel zur Längsachse ist, gedreht werden kann. Demnach ist die orbitierende Plattenspirale ein orbitaler Teil der Pumpe, während der Rahmen und die stationäre Plattenspirale ein stationärer Teil der Pumpe sind.
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Das nicht kontaktierende oder kontaktlose Reservesystem weist auf eine Mehrzahl von Stiften, die sich von einem von den stationären und orbitalen Teilen der Pumpe axial in Richtungen parallel zur Längsachse der Pumpe erstrecken, und einen Führungsteil, der in Bezug auf den anderen von den stationären und orbitalen Teilen der Pumpe fixiert ist. Mehrere Öffnungen sind im Führungsteil definiert. Die Öffnungen erstrecken sich ebenfalls in Richtungen parallel zur Längsachse der Pumpe, und die Stifte erstrecken sich jeweils axial in die Öffnungen. Außerdem ist unter normalen Betriebsbedingungen jeder der Stifte in seiner Gesamtheit von dem stationären Teil der Pumpe oder von dem orbitalen Teil der Pumpe, an welchem der Führungsteil fixiert ist, derart beabstandet, dass ein radiales Spiel zwischen jedem Stift und der Oberfläche des Führungsteils besteht, welches die Öffnung begrenzt, in die sich der Stift erstreckt.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spiralpumpe bereitgestellt, die umfasst: einen Spiralblättersatz, der ein stationäres Spiralblatt, das in der Pumpe fixiert ist, und ein orbitierendes Spiralblatt umfasst, das in einer radialen Richtung der Pumpe derart angrenzend an das stationäre Spiralblatt angeordnet ist, dass das stationäre Spiralblatt und das orbitierende Spiralblatt ineinander verschachtelt sind, einen Exzenterantriebsmechanismus, der funktionell mit dem orbitierenden Spiralblatt verbunden ist, um zu bewirken, dass das orbitierende Spiralblatt um eine Längsachse orbitiert, einen metallischen Blasebalg, der die orbitierenden und stationären Spiralblätter winkelsynchronisiert, und ein Reserve-Winkelsynchronisationsmittel zum Aufrechterhalten einer Winkelsynchronisation zwischen dem orbitierenden Spiralblatt und dem stationären Spiralblatt, falls eine Last auf das orbitierende Spiralblatt eine Nennantriebslast der Spiralpumpe überschreitet.
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Der metallische Blasebalg weist erste und zweite Enden bzw. ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das zweite Ende des Blasebalgs ist in der Pumpe fixiert, und das orbitierende Spiralblatt ist am metallischen Blasebalg am ersten Ende des metallischen Blasebalgs fixiert. Das Reserve-Winkelsynchronisationsmittel umfasst eine Mehrzahl von Stiften und einen Führungsteil, in welchem eine Mehrzahl von Öffnungen definiert ist, die sich in Richtungen parallel zur Längsachse der Pumpe öffnen. Die Stifte sind in Bezug auf eines von dem stationären Spiralblatt und dem orbitierenden Spiralblatt in der Pumpe fixiert, der Führungsteil, in welchem die Öffnungen definiert sind, ist in Bezug auf das andere von dem stationären Spiralblatt und dem orbitierenden Spiralblatt in der Pumpe fixiert, und die Stifte erstrecken sich jeweils axial in den Richtungen parallel zu der Längsachse in die Öffnungen hinein.
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Gemäß noch einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Spiralpumpe bereitgestellt, die umfasst: einen Spiralblättersatz, der ein stationäres Spiralblatt, das in der Pumpe fixiert ist, und ein orbitierendes Spiralblatt umfasst, das in einer radialen Richtung der Pumpe derart angrenzend an das stationäre Spiralblatt angeordnet ist, dass das stationäre Spiralblatt und das orbitierenden Spiralblatt ineinander verschachtelt sind, einen Exzenterantriebsmechanismus, der funktionell mit dem orbitierenden Spiralblatt verbunden ist, um zu bewirken, dass das orbitierende Spiralblatt um eine Längsachse orbitiert, einen metallischen Blasebalg als das einzige Mittel zum Winkelsynchronisieren des orbitierenden Spiralblatts und des stationären Spiralblatts und Reservemittel zum Verhindern, dass die Pumpe beschädigt wird, falls der metallische Blasebalg ausfallen sollte.
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Der metallische Blasebalg weist ein erstes Ende und ein zweites Ende auf. Das zweite Ende des Blasebalgs ist in der Pumpe fixiert, und das orbitierende Spiralblatt ist am metallischen Blasebalg am ersten Ende des metallischen Blasebalgs fixiert. Das Reservemittel umfasst eine Mehrzahl von Stiften und einen Führungsteil, in welchem eine Mehrzahl von Öffnungen definiert ist, die sich in Richtungen parallel zur Längsachse der Pumpe öffnen. Die Stifte sind in Bezug auf eines von dem stationären Spiralblatt und dem orbitierenden Spiralblatt in der Pumpe fixiert, der Führungsteil, in welchem die Öffnungen definiert sind, ist in Bezug auf das andere von dem stationären Spiralblatt und dem orbitierenden Spiralblatt in der Pumpe fixiert, und die Stifte erstrecken sich jeweils axial in den Richtungen parallel zu der Längsachse in die Öffnungen hinein.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diese und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen davon unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen besser zu verstehen, wobei:
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1 eine schematische Längsquerschnittsansicht einer vereinfachten Variante einer Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine Querschnittsansicht von ausgewählten Teilen der Spiralpumpe entlang der Linie II-II’ von 1 ist;
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3 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der in 1 dargestellten Spiralpumpe, wiederum in vereinfachter Form, ist;
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4 eine schematische Querschnittsansicht in der gleichen Richtung wie der von 2 von einem des Reservesystems der Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
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5 eine schematische Querschnittsansicht ähnlich der von 4 ist, aber von einem Teil von einem anderen Beispiel des Reservesystems der Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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6 eine schematische Querschnittsansicht ähnlich der von 4 ist, aber von einem Teil von noch einem anderen Beispiel des Reservesystems der Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Im Folgenden werden hierin verschiedene Ausführungsformen und Beispiele von Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen ausführlicher beschrieben. In den Zeichnungen können die Größen und die relativen Größen von Elementen der Klarheit halber übertrieben sein. Gleichermaßen können die Formen von Elementen der Klarheit und besseren Nachvollziehbarkeit halber übertrieben und/oder vereinfacht sein. Außerdem werden alle Zeichnungen hindurch gleiche Zahlensymbole und Bezugszeichen zum Bezeichnen gleicher Elemente verwendet.
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Außerdem werden raumbezogene Begriffe, wie beispielsweise „vorder-“ und „hinter-“ verwendet, um die Beziehung eines Elements zu einem anderen Element oder zu anderen Elementen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Demnach können bei Verwendung die raumbezogenen Begriffe für Ausrichtungen gelten, welche sich von den Ausrichtungen unterscheiden, die in den Figuren dargestellt sind. Es versteht sich jedoch von selbst, dass sich alle solchen raumbezogenen Begriffe der Einfachheit der Beschreibung halber auf die in den Zeichnungen dargestellten Ausrichtungen beziehen und nicht unbedingt einschränkend sind, da die Vorrichtung gemäß der Erfindung, wenn in Verwendung, Ausrichtungen annehmen kann, die von den in den Zeichnungen veranschaulichten verschieden sein können.
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Die restliche Terminologie, die hierin zur Beschreibung von bestimmten Beispielen oder Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts verwendet wird, ist im Kontext zu verstehen. Zum Beispiel zeigen die Begriffe „umfasst“ oder „umfassend“, wenn in dieser Spezifikation verwendet, das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen oder Prozessen an, schließen aber das Vorhandensein von zusätzlichen Merkmalen oder Prozessen nicht aus. Der Begriff "Pumpe" bezieht sich auf eine Vorrichtung, die ein Fluid usw. antreibt oder den Druck desselben erhöht oder senkt. Der Begriff „fixiert“ oder „gekoppelt“ kann verwendet werden, um eine direkte Verbindung von zwei Teilen miteinander auf solche Weise, dass sich die Teile in Bezug aufeinander nicht bewegen können, oder eine Verbindung der Teile durch die Vermittlung eines oder mehrerer zusätzlicher Teile auf solche eine Weise zu beschreiben, dass sich die Teile in Bezug aufeinander nicht bewegen können. Der Begriff "Normal"-Betrieb der Pumpe oder "Normal"-Lasten auf die orbitierende Plattenspirale wird von denjenigen, die in der Technik geübt sind oder von den Fachleuten so verstanden, dass er sich auf Nennbedingungen oder Nennlasten bezieht, d. h. die die Entwurfsspezifikationen der Pumpe darstellen und die in der realen Welt leicht bestimmt werden können und im Handbuch oder dergleichen zu finden sind, das beim Verkauf einer Spiralpumpe mitgeliefert wird.
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Es wird nunmehr auf 1 Bezug genommen. Eine Spiralpumpe 100, auf welche die vorliegende Erfindung angewendet werden kann, umfasst ein Gehäuse (nicht dargestellt) und eine Pumpenkopfanordnung 200 und einen Motor 300 mit einem im Gehäuse angeordneten Drehausgang. Die Pumpenkopfanordnung 200 umfasst einen Rahmen 210, eine stationäre Plattenspirale 220, eine orbitierende Plattenspirale 230, einen Exzenterantriebsmechanismus 240, einen ringförmigen metallischen Blasebalg 250 und Befestigungselemente (die später ausführlicher zu beschreiben sind), welche die stationäre Plattenspirale 220 am Rahmen 210 und den ringförmigen metallischen Blasebalg 250 sowohl am Rahmen 210 als auch an der orbitierenden Plattenspirale 230 fixieren.
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Der Rahmen 210 kann aus einem einteiligen Stück sein, wie in der Figur dargestellt, oder er kann mehrere Bestandteile umfassen, die aneinander fixiert sind.
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Die stationäre Plattenspirale 220 ist am Rahmen 210 fixiert. Die stationäre Plattenspirale weist eine Vorderseite 220F und eine Rückseite 220B auf und umfasst ein stationäres Spiralblatt 221 an ihrer Vorderseite 220F. Die orbitierende Plattenspirale 230 weist eine Vorderseite 230F und eine Rückseite 230B auf und umfasst an ihrer Vorderseite ein orbitierendes Spiralblatt 231. Das stationäre Spiralblatt 221 und das orbitierende Spiralblatt 231 sind mit einem Spiel und einer vorbestimmten relativen Winkelpositionierung derart ineinander verschachtelt, dass eine Tasche oder Taschen durch die und zwischen den Blättern begrenzt ist/sind. In dieser Hinsicht brauchen Abschnitte des stationären Spiralblattes 221 und des orbitierenden Spiralblattes 231 einander nicht zu berühren, um die Tasche(n) abzudichten. Stattdessen erzeugen winzige radiale Spiele zwischen Abschnitten des stationären Spiralblattes 221 und des orbitierenden Spiralblattes 231 eine Abdichtung, die zum Bilden einer zufriedenstellenden Tasche oder zum Bilden von zufriedenstellenden Taschen und zum Verhindern von einem übermäßigen Geräusch ausreicht, das andernfalls erzeugt würde, wenn das stationäre Spiralblatt 221 und das orbitierende Spiralblatt 213 einander berühren würden.
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Der Exzenterantriebsmechanismus 240 umfasst eine Antriebswelle 241 und Lager 246. In diesem Beispiel ist die Antriebswelle 241 eine Kurbelwelle mit einem Hauptabschnitt 242, der mit dem Motor 300 gekoppelt ist, um durch den Motor um eine Längsachse L der Pumpe 100 gedreht zu werden, und mit einer Kurbel 243, deren Längsmittelachse in einer radialen Richtung von der Längsachse versetzt ist. Außerdem wird in diesem Beispiel der Hauptabschnitt 242 der Kurbelwelle durch den Rahmen 210 über einen Satz oder über mehrere Sätze von Lagern 246 getragen, um in Bezug auf den Rahmen 210 gedreht werden zu können. Die orbitierende Plattenspirale 230 ist über einen anderen Satz oder andere Sätze der Lager 246 an der Kurbel 243 montiert. Demnach wird die orbitierende Plattenspirale 230 durch die Kurbel 243 so getragen, dass sie um die Längsachse der Pumpe orbitiert, wenn der Hauptabschnitt 242 durch den Motor 300 gedreht wird, und die orbitierende Plattenspirale 230 wird durch die Kurbel 243 so getragen, dass sie um die Längsmittelachse der Kurbel 243 gedreht werden kann.
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Während eines Normalbetriebs der Pumpe neigen Lasten auf dem orbitierenden Spiralblatt 231 dazu, die orbitierende Plattenspirale 230 zu veranlassen, sich um die Längsmittelachse der Kurbel 243 zu drehen. Der ringförmige metallische Blasebalg 250 hält die orbitierende Plattenspirale 230 jedoch auf solche eine Weise zurück, dass er ihr zwar ermöglicht, um die Längsachse der Pumpe zu orbitieren, aber ihre Drehung um die Längsmittelachse der Kurbel 243 hemmt.
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Genauer gesagt, weist der ringförmige metallische Blasebalg 250 auf ein erstes Ende 251, an welchem der ringförmige metallische Blasebalg 250 an der Rückseite 230B der orbitierenden Plattenspirale 230 fixiert ist, und ein zweites Ende 252, an welchem der ringförmige metallische Blasebalg 250 an dem Rahmen 210 fixiert ist. In dieser Hinsicht ist der ringförmige metallische Blasebalg 250 genug radial flexibel, um es dem ersten Ende 251 davon zu ermöglichen, mit der orbitierenden Plattenspirale 230 mitzugehen, während das zweite Ende 252 des Blasebalgs am Rahmen 210 fixiert bleibt. Andererseits weist der ringförmige metallische Blasebalg 250 eine Torsionssteifigkeit auf, die verhindert, dass sich das erste Ende 251 des Blasebalgs wesentlich um die Längsmittelachse des Blasebalgs dreht, d. h. sich in seiner Umfangsrichtung wesentlich dreht, während das zweite Ende 252 des Blasebalgs am Rahmen 210 fixiert bleibt.
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Bei der Pumpenkopfanordnung 200 der vorliegenden Erfindung sind die Spezifikationen des ringförmigen metallischen Blasebalgs 250, z. B. die Wanddicke usw., welche dem Blasebalg die Torsionssteifigkeit verleihen, derart konzipiert, dass sich das erste Ende 251 des ringförmigen metallischen Blasebalgs 250 unter Normallasten, die auf die orbitierende Plattenspirale 230 aufgebracht werden, nicht um mehr als ein Mindestmaß in seiner Umfangsrichtung dreht.
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In dieser Ausführungsform ist der ringförmige metallische Blasebalg 250 im Wesentlichen das einzige Mittel zum Bereitstellen der Winkelsynchronisation des stationären Spiralblattes 221 und des orbitierenden Spiralblattes 231 während des Normalbetriebs der Spiralpumpe 100.
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Außerdem dehnt sich der ringförmige metallische Blasebalg 250 nicht nur zwischen dem Rahmen 210 und der Rückseite 230B der orbitierenden Plattenspirale 230 aus, sondern der ringförmige metallische Blasebalg 250 dehnt sich auch um einen Abschnitt der Antriebswelle 241 und der Lager 246 des Exzenterantriebsmechanismus 240 aus. Auf diese Weise kann der ringförmige metallische Blasebalg 250 auch die Lager 246 und Lagerflächen gegen einen Raum abdichten, der zwischen dem ringförmigen metallischen Blasebalg 250 und dem Rahmen 210 in der radialen Richtung definiert ist, wobei der Raum eine Kammer C, z. B. eine Vakuumkammer der Pumpe, bilden kann, durch welche das von der Pumpe gepumpte Fluid durchströmt. Demgemäß kann durch den ringförmigen metallischen Blasebalg 250 verhindert werden, dass Schmiermittel, das durch die Lager 246 eingesetzt wird, und/oder Schwebstoffe, die durch die Lagerflächen erzeugt werden, in die Kammer C gelangen.
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Es wird nun ein Reservesystem für den ringförmigen metallischen Blasebalg 250 unter Bezugnahme auf 1 bis 4 beschrieben. Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, handelt es sich bei dem Rahmen 210 und der stationären Plattenspirale 220 um einen stationären Teil der Pumpe, und die orbitierende Plattenspirale 230 ist ein orbitierender Teil von der Spiralpumpe 100.
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Das Reservesystem besteht aus Stiften P, die einstückig oder integral mit einem von den stationären Teil und dem orbitalen Teil ausgebildet und in Bezug darauf fixiert sind, und einem Führungsteil 400, der einstückig mit dem anderen von den stationären Teil und dem orbitalen Teil ausgebildet und in Bezug darauf fixiert ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Reservesystem ein nicht kontaktierendes oder kontaktloses Reservesystem, was bedeutet, dass während des Normalbetriebs der Spiralpumpe 100 kein Kontakt zwischen den Stiften P und dem Führungsteil 400 besteht. Daher werden keine Teilchen durch eine Abnutzung solcher Teile erzeugt, welche andernfalls das Potenzial hätten, das von der Spiralpumpe 100 gepumpte Fluid zu verunreinigen und die Nutzungsdauer des Reservesystems und infolgedessen auch der Pumpe 100 zu verkürzen.
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Die Stifte P erstrecken sich axial in Richtungen parallel zu der Längsachse L der Pumpe, und der Führungsteil 400 definiert Öffnungen 410, die sich ebenfalls axial in Richtungen parallel zu der Längsachse L der Pumpe öffnen und erstrecken. Wie in 3 am besten zu erkennen ist, erstrecken sich die Stifte P jeweils von Stellen außerhalb der Öffnungen 410 axial in die Öffnungen 410 hinein. Wie außerdem in den Figuren dargestellt, können sich die Öffnungen 410 radial nach innen zu der Längsachse L der Pumpe öffnen.
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Außerdem erstrecken sich in dem Beispiel, das in den 1 bis 4 veranschaulicht ist, die Stifte P vom orbitalen Teil der Pumpe, und der Führungsteil 400 ist einstückig mit dem stationären Teil der Pumpe ausgebildet und in Bezug darauf fixiert. Genauer gesagt, sind die Stifte P einstückig mit der orbitierenden Plattenspirale 230 ausgebildet und erstrecken sich radial von der Rückseite 230B davon in einer Richtung weg von dem orbitierenden Spiralblatt 213, und der Führungsteil 400 ist einstückig mit dem Rahmen 210 ausgebildet. In dieser Hinsicht kann der Führungsteil 400 mit dem Rahmen 210 einteilig ausgebildet sein, oder er kann ein separater Teil sein, der in dem Rahmen 210 integriert ist. In diesem Beispiel ist der Führungsteil 400 ein ringförmiges Element, das in einer Seite des Rahmens 210 sitzt und am Rahmen 210 fixiert ist.
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In einem anderen Beispiel erstrecken sich die Stifte P axial von der orbitierenden Plattenspirale 230 an der Vorderseite 230F davon, und der Führungsteil 400 ist einstückig mit der stationären Plattenspirale 220 ausgebildet und in Bezug darauf fixiert.
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2 und 4 stellen den kontaktlosen Zustand der Stifte P und des Führungsteils 400 dar, bei dem es sich um den Zustand handelt, der vorliegt, wenn die Pumpe normal funktioniert oder in Ruhe ist. Es ist zu erwähnen, dass die orbitierende Plattenspirale 230 in diesem Zustand in ihrer exzentrischen (radial versetzten) Position in Bezug auf die stationäre Plattenspirale 220 ist.
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Unter Bezugnahme auf 4 ist in diesem Beispiel jeder der Stifte P, der in Bezug auf den orbitalen Teil der Pumpe fixiert ist, vom stationären Teil der Pumpe beabstandet, und in dieser Hinsicht besteht ein radiales Spiel Cr zwischen jedem Stift P und der Oberfläche des Führungsteils 400, welche die Öffnung 410 begrenzt, in die sich der Stift P erstreckt. Außerdem ist der geometrische Axialmittelpunkt Cp eines jeden der Stifte P versetzt vom geometrischen Axialmittelpunkt Co oder Öffnung 410, in die sich der Stift erstreckt. Daher durchläuft der geometrische Axialmittelpunkt Cp des Stifts P einen Orbit (dargestellt durch die gestrichelten Linien) um den geometrischen Axialmittelpunkt Co der Öffnung 410 herum, wenn das orbitierende Spiralblatt 231 durch den Exzenterantriebsmechanismus 240 angetrieben wird. Das Spiel Cr zwischen den Stiften P und den Oberflächen des Führungsteils 400, welche die Öffnungen 410 begrenzen, ist aus den folgenden Gründen entscheidend.
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Im Falle von einem abnormalen Betrieb der Pumpe berühren die Stifte P die Oberflächen, welche die Öffnungen 410 des Führungsteils 400 begrenzen, in die sich die Stifte P erstrecken. Der abnormale Zustand der Pumpe kann ein Fall sein, in welchem der ringförmige metallische Blasebalg 250 ausfällt. In diesem Fall hält der Führungsteil 400 die orbitierende Plattenspirale 230 von übermäßiger Drehung um die Mittelachse der Kurbel 243 ab, während sie weiterhin um die Längsmittelachse L der Pumpe orbitiert. Dies bedeutet, dass das Spiel Cr zumindest verhindert, dass das orbitierende Spiralblatt 231 so heftig mit dem stationären Spiralblatt 221 kollidiert, dass ein Spiralblatt oder die Spiralblätter beschädigt werden, bevor die Pumpe abgeschaltet werden kann.
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Ein abnormaler Betrieb kann sich jedoch auch auf eine Situation beziehen, in welcher eine auf das orbitierende Spiralblatt 231 ausgeübte Last so groß (d. h. größer als eine Nennlast der Pumpe) ist, dass der Torsionswiderstand, der durch den ringförmigen metallischen Blasebalg 250 am ersten Ende 251 davon geboten wird, überwunden wird, aber ohne dass der ringförmige metallische Blasebalg 250 ausfällt. In diesem Fall sind die Abgrenzungen der Stifte P, der Oberflächen des Führungsteils 400, welche die Öffnungen 410 begrenzen, und des Spiels Cr derart, dass die Oberflächen des Führungsteils 400 die Stifte P daran entlang führen und die orbitierende Plattenspirale 230 von übermäßiger Drehung um die Mittelachse der Kurbel 243 abhalten, während sie weiterhin um die Längsmittelachse L der Pumpe orbitiert. Außerdem ist in diesem Fall das Spiel Cr klein genug, um eine Überbelastung des Blasebalgs und einen radialen Kontakt zwischen dem stationären Spiralblatt 221 und dem orbitierenden Spiralblatt 231 zu verhindern.
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In diesen Hinsichten ist zu erwähnen, dass der radiale Kontakt zwischen dem stationären Spiralblatt und dem orbitierenden Spiralblatt infolge eines Unterschieds in der Wärmeausdehnung und infolge von Fertigungsfehlern bei weniger als der Nennlast der Pumpe erfolgen kann. Außerdem sind die durch den radialen Kontakt zwischen dem stationären Spiralblatt und der orbitierenden Spiralblatt verursachten Lasten zyklischer Natur, und der Kontakt findet mindestens einmal pro Umdrehung statt.
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Daher weisen diese Lasten das Potenzial auf, den ringförmigen metallischen Balg 250 zu ermüden.
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Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Spiel Cr so ausgelegt, dass es eine Drehung der orbitierenden Plattenspirale (um ihre Mittelachse) in Bezug auf die stationäre Plattenspirale erlaubt, aber verhindert, dass die Spiralblätter des stationären Spiralblatts und des orbitierenden Spiralblatts einander berühren, und dass es außerdem die torsionsinduzierte Spannung im Blasebalg begrenzt, um eine Ermüdung des Blasebalg oder einen anderen Schaden an dem Blasebalg zu verhindern.
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Im Allgemeinen wird zur Bereitstellung des geeigneten Spiels Cr die Breite der Öffnung Wo so festgelegt, dass sie die Summe der Breite WP des Stifts P plus der Breite W des Orbits des geometrischen Mittelpunkts CP der Öffnung 410 plus eines vorbestimmten Wertes, 2·Cr, ist (wobei in diesem Fall alle Breiten in der Umfangsrichtung des Führungsteils 400 sind).
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In einem Beispiel dieser Ausführungsform liegt das Spiel Cr vorzugsweise im Bereich von 0,006” (0,01524 cm) bis 0,070” (0,01524 cm) und ist im Wesentlichen gleich 0,006”.
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Zu diesem Bereich gelangte man auf der Basis von den folgenden Überlegungen. Wie aus der vorstehenden Erläuterung zu erkennen sein sollte, sollte die Geometrie der Stifte P und der Öffnungen 410 im Führungsteil 400 während des Normalbetriebs eine gewisse Drehung der orbitierenden Plattenspirale 230 in Bezug auf die stationäre Plattenspirale 220 ermöglichen. Außerdem muss die Geometrie eine übermäßige Drehung der orbitierenden Plattenspirale 230 während eines abnormalen Betriebs verhindern.
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Das Ausmaß der zulässigen Drehung kann durch ein radiales Mindestspiel, MRC (Minimal Radial Clearance), zwischen dem stationären Spiralblatt 221 und dem orbitierenden Spiralblatt 231 und dem Pitch P der Spiralblätter (Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Abschnitten oder sogenannten "Umschlingungen" ("wraps") eines Blattes, die 360° durchlaufen) bestimmt werden. Die maximal zulässige Drehung, gemessen in Graden (dO) ist durch die folgende Gleichung gegeben: dO < MRC/(P/360). Typische Werte für dO liegen je nach dem MRC, dem Pitch P, dem Wärmeausdehnungsunterschied und den Fertigungstoleranzen in der Größenordnung von ein paar Graden. Eine maximal zulässige Drehung, dO, von weniger als MRC/(P/360) kann den Kontakt des stationären Spiralblatts und des orbitierenden Spiralblatts verhindern. Ein noch kleinerer Wert für dO kann erforderlich sein, um eine übermäßige Drehung des orbitierenden Endes des ringförmigen metallischen Blasebalgs 250 in Bezug auf das feststehende Ende 251 zu verhindern, die zu übermäßiger Spannung und Defekt innerhalb des Blasebalgs führen kann.
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Sobald die maximal zulässige Drehung bestimmt ist, kann ein Fenster für die Spiele Cr zwischen dem Stift P und des Führungsteils 400 (der Oberfläche, welche die Öffnung 410 desselben definiert) geschätzt werden.
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Das maximale Spiel Cr zwischen dem Stift P und dem Führungsteil 400 sollte nicht größer als Tan(dO) multipliziert mit einer Hälfte des Lockreisdurchmessers BCD (Bolt Circle Diameter) der Stifte sein. Für eine dO von 1 Grad und einem Lochkreisdurchmesser von 8” (20,32 cm) für die Stifte P sollte das Spiel zwischen jedem Stift P und der zugehörigen Oberfläche des Führungsteils 400, welche die Öffnungen 410 definiert, nicht größer als 0,070” = 4”·Tan (1 Grad) sein. Das heißt, das Spiel muss kleiner als 0,070” sein, um einen Kontakt zwischen dem stationären Spiralblatt 221 und dem orbitierenden Spiralblatt 231 zu verhindern, wenn ein abnormaler Betrieb stattfindet, der die Stifte P in Kontakt mit dem Führungsteil 400 bringt.
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Wie bereits erwähnt, gibt es andererseits ein Mindestspiel, das die Stifte P während des Normalbetriebs davon abhält, mit dem Führungsteil 400 in Kontakt zu treten, wenn die maximal zulässige Drehung der orbitierenden Plattenspirale in Bezug auf die stationäre Plattenspirale stattfindet. Die Wirkungen des Temperaturunterschieds, der Wärmeausdehnungsraten der Stifte und des Materials des Führungsteils 400, des Lochkreisdurchmessers der Stifte und der Fertigungstoleranzen bestimmen das Mindestspiel.
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Auf dieser Basis und unter erneuter Bezugnahme auf 4 wird die Breite Wo der Öffnung 410 so festgelegt, dass sie die Summe der Breite Wp des Stifts plus der Breite W des Orbits des geometrischen Mittelpunkts Cp des Stifts P plus eines vorbestimmten Wertes 2·Cr ist, wobei der vorbestimmte Wert kleiner als BCD·Tan (MRC/(Pitch/360)) ist.
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In einem Beispiel einer Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung wurde unter Verwendung der vorstehenden Gleichungen berechnet, dass ein Fenster von Werten, die eine annehmbares Spiel Cr bereitstellen, im Bereich von ungefähr 0,006” bis ungefähr 0,070” liegt. Es versteht sich jedoch von selbst, dass es am besten ist, einen Wert nahe dem Mindestwert, d. h. einem Wert, der im Wesentlichen ungefähr 0,006” entspricht, in diesem Beispiel auszuwählen, um zu verhindern, dass der ringförmige metallische Blasebalg 250 insbesondere bei einem Zyklusmuster, das zu einem Ermüdungsfehler führt, überdreht und infolgedessen überbeansprucht wird.
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Noch immer unter Bezugnahme auf 4 weisen die Stifte P und die Öffnungen 410 (in einer Ebene senkrecht auf die Längsachse L) jeweils einen im Allgemeinen rechteckigen Querschnitt auf. Die Stifte P und die Öffnungen 410 können jedoch andere vieleckige Querschnittsformen, wie beispielsweise trapezförmig, aufweisen.
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5 stellt ein anderes Beispiel des Reservesystems der Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dar. In diesem Beispiel weisen die Stifte P und die Oberflächen des Führungsteils 400, welche die Öffnungen 410 definieren, entsprechende Verzahnungsprofile auf, d.h. sie weisen jeweils ein Evolventen Verzahnungsprofil (involute type of gear tooth profile) auf.
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6 stellt ein anderes Beispiel des Reservesystems der Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung schematisch dar. In diesem Beispiel ist der Führungsteil 400 einstückig mit der orbitierenden Plattenspirale 230 an der Rückseite 230B davon ausgebildet und in Bezug darauf fixiert, während sich die Stifte P jeweils von dem Rahmen 210 in die Öffnungen 410 erstrecken. Alternativ kann der Führungsteil 400 einstückig mit der orbitierenden Plattenspirale 230 an der Vorderseite 230F davon ausgebildet und in Bezug darauf fixiert sein, während sich die Stifte P jeweils axial von der stationären Plattenspirale 220 in die Öffnungen 410 erstrecken.
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Außerdem weisen in dem in 6 dargestellten Beispiel die Stifte P und die Öffnungen 410 runde Querschnitte in einer Ebene senkrecht auf die Längsachse L auf. Wie in dieser Hinsicht ferner in der Figur dargestellt, sind die Querschnitte der Öffnungen 410 im Gegensatz zu dem in 4 dargestellten Beispiel geschlossen. Es versteht sich außerdem von selbst, dass andere Beispiele einer Spiralpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung andere Kombinationen der einzelnen Merkmale einsetzen können, die unter Bezugnahme auf 4 bis 6 beschrieben wurden. Zum Beispiel kann das Reservesystem runde Stifte P, wie in 6 dargestellt und unter Bezugnahme darauf beschrieben, aufweisen, die sich vom Rahmen erstrecken, wie unter Bezugnahme auf 4 beschrieben, und die Öffnungen 510 im Führungsteil 400 können halbkreisförmige Querschnittsformen aufweisen, welche sich radial nach innen öffnen.
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Das heißt, dass vorstehend Ausführungsformen des erfinderischen Konzepts und Beispiele davon ausführlich beschrieben wurden. Das erfinderische Konzept kann jedoch in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden und sollte nicht dahingehend ausgelegt werden, dass es auf die hierin zuvor beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Vielmehr wurden diese Ausführungsformen so beschrieben, dass diese Offenbarung genau und vollständig ist und den Fachleuten das erfinderische Konzept in vollem Umfang vermittelt. Demnach werden der wahre Gedanke und der wahre Schutzumfang des erfinderischen Konzepts nicht durch die zuvor beschriebenen Ausführungsformen und Beispiele, sondern durch die folgenden Ansprüche eingeschränkt.
