DE102014117483A1

DE102014117483A1 - Verstellbare Pumpeinheit für eine Verdrängerpumpe

Info

Publication number: DE102014117483A1
Application number: DE102014117483.6A
Authority: DE
Inventors: André Rogotzki
Original assignee: Erich Netzsch GmbH and Co Holding KG
Current assignee: ROGOTZKI, ANDRE, DE
Priority date: 2014-04-14
Filing date: 2014-11-28
Publication date: 2015-10-15
Also published as: WO2015158320A2; WO2015158320A4; WO2015158320A3

Abstract

Eine Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) für eine Verdrängerpumpe, insbesondere für eine Exzenterschneckenpumpe oder für eine Drehkolbenpumpe, soll an unterschiedlichste Betriebsbedingungen und Förderaufgaben anpassbar sein. Dazu ist erfindungsgemäß die Pumpeinheit (4, 22) für deren Einstellung zumindest teilweise aus einem elektro- und/oder temperaturaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektro- und/oder temperaturaktiven Mittel (18, 26) gekoppelt oder ausgestattet. Vorzugsweise werden Parameter der Verdrängerpumpe mittels einer Steuervorrichtung und eine mit dieser gekoppelten elektro- und/oder temperaturaktiven Pumpeinheit (4, 22) eingestellt und bevorzugt der Elastomerkörper (10) oder die elastomere Auskleidung (28) zumindest teilweise aus einem elektroaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektroaktiven Mittel (18, 26) gekoppelt oder ausgestattet und der Elastomerkörper (10) oder die Auskleidung (28) und/oder das mindestens eine elektroaktive Mittel (18, 26) als Sensoren einsetzbar, wobei dessen Messsignale für eine Messwerterfassung und/oder -Verarbeitung an eine Steuervorrichtung der Verdrängerpumpe übermittelt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Pumpeinheit einer Verdrängerpumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe oder einer Drehkolbenpumpe, eine Verdrängerpumpe mit einer verstellbaren Pumpeinheit, Verfahren zum Betreiben und Überwachen einer solchen Verdrängerpumpe und einem Computerprogrammprodukt sowie Computerprogramm zur Durchführung der Verfahren.
Verdrängerpumpen sind hydrodynamische Arbeitsmaschinen. Das Medium wird durch in sich geschlossene Volumina gefördert und Verdrängerpumpen sind in der Regel selbstansaugend. Prinzipiell kann zwischen Konstantpumpen und Verstellpumpen unterschieden werden. Bei Konstantpumpen ist das in sich geschlossene Verdrängervolumen immer gleich groß, wohingegen das Verdrängervolumen bei einer Verstellpumpe einstellbar ist.
Zu den Verdrängerpumpen gehören beispielsweise die Drehkolbenpumpen, die Exzenterschneckenpumpen und die Hubkolbenpumpen. Bei einer Hubkolbenpumpe bewegt sich ein Kolben axial in einem Zylinder zwischen einem unteren und einem oberen Totpunkt hin und her und verdrängt dadurch das Fördermedium. Die Pumpwirkung bei Drehkolben- und Exzenterschneckenpumpen wird hingegen mit Hilfe von Rotoren erreicht. Der feststehende den Kolben oder den Rotor als Verdränger aufnehmende Teil der Pumpe, wird als Stator bezeichnet. Der Kolben oder Rotor als Verdränger und der Stator können zusammen als Pumpeinheit bezeichnet werden. Zwischen Verdränger und Stator kommt es trotz enger Spalte zu sogenannten Spaltverlusten. Um diese so gering wie möglich zu halten und um beispielsweise den Verschleiß zu minimieren, werden in der Praxis Elastomere eingesetzt.
Beispielsweise ist in der Offenlegungsschrift DE 10 2010 014 248 A1 eine Drehkolbenpumpe mit Kontaktelementen offenbart. Jeder Drehkolben weist bevorzugt mindestens zwei Drehkolbenflügel auf, wobei jeder Drehkolben mit mindestens einem Kontaktelement aus einem abdichtenden Werkstoff wie zum Beispiel Gummi versehen ist. In einem Ausführungsbeispiel werden die Kontaktelemente in die Drehkolben eingesetzt, wobei die Kontaktelemente so dimensioniert sind, dass Kappen eines Drehkolbens immer in Wirkzusammenhang mit einem Kontaktelement eines anderen Drehkolbens stehen. Die durch die Drehkolbenkappen und die Kontaktelemente gebildete Wirkpaarung zeichnet sich durch ein besonders geringes Kontakt- oder Spaltmaß aus.
Auch Exzenterschneckenpumpe weisen bekannter Maßen einen Elastomerkörper oder eine elastomere Auskleidung auf. Bei einer Exzenterschneckenpumpe weist der Rotor ein schraubenartiges Gewinde mit großer Steigung, großer Gangtiefe und kleinem Kerndurchmesser auf. Der Stator dagegen hat einen Gang mehr mit der doppelten Steigung des Rotors. Zwischen Stator und Rotor bildet sich dadurch Verdrängervolumen aus, welche durch eine aus der Summe von Berührungspunkten zwischen Stator und Rotor gebildete Dichtlinie in sich geschlossen sind. Diese Linie trennt zudem die Saugseite von der Druckseite der Exzenterschneckenpumpe.
Um einen Förderdruck zu erzeugen ist es erforderlich, zwischen der Druckseite und der Saugseite, eine Druckdifferenz zu erzeugen. Die Abdichtung erfolgt entlang der Dichtlinie, indem zwischen Stator und Rotor eine Vorspannung erzeugt wird. Möglich wird das durch den elastomeren Teil der Exzenterschneckenpumpe. Die Vorspannung wird dadurch erzeugt, dass die inneren Konturen des Stators enger erzeugt werden als die äußeren Konturen des Rotors. Beim Betrieb der Pumpe ist die aus der Vorspannung resultierende Reibung und Walkarbeit durch ein entsprechendes Drehmoment zu überwinden.
Um den Verschleiß und die Lebensdauer der Exzenterschneckenpumpe zu verbessern, werden aus dem Stand der Technik bekannte spezielle Ausführungsformen von Stator und Rotor vorgeschlagen. Aus der DE 20 2009 002 823 U1 ist beispielsweise eine Exzenterschneckenpumpe mit einer konisch verlaufenden Pumpeneinheit bekannt, welche sich bei Verschleiß einfach nachstellen lässt, so dass immer eine optimale Pumpenleistung erwartet werden kann und ein Austausch von Stator und/oder Rotor weniger oft erforderlich ist. Die Nachstellung erfolgt durch Verschieben des Stators oder Rotors in Längsrichtung.
Eine andere aus dem Stand der Technik bekannte Lösung, um auf Zustandsänderungen der Pumpe, wie Abfall des Förderdrucks, Trockenlauf, Temperaturerhöhung oder Blockierung einer Exzenterschneckenpumpe reagieren zu können, ist aus der DE 10 2005 042 559 A1 bekannt. Dazu ist vorgesehen, dass der Stator, durch Stauchung oder Streckung eines Elastomerkörpers des Stators, eingestellt werden kann, indem sein Innenquerschnitt dadurch veränderbar ist. Auch das Anfahrverhalten der Pumpe soll durch Streckung des Elastomerkörpers beinflussbar sein. Durch Streckung des Elastomerkörpers verringert das elastische Material den Druck auf den Rotor und erleichtert somit das Anfahrverhalten durch Senkung des Losbrechmoments.
Verdrängerpumpen mit einem Elastomerkörper oder einer elastomeren Auskleidung werden bei Temperaturen bis 140°C eingesetzt. Bei einem Anstieg der Temperatur über 140°C kann es zu einer Zerstörung des Elastomers kommen. Eine nachteilig hohe Wärmeausdehnung des Elastomers setzt bereits ab einer Temperatur von 60°C ein, was auch schon zu einem Ausfall der Pumpe führen kann.
Die Veröffentlichungsschrift FR9614227 offenbart eine Exzenterschneckenpumpe mit einer Stator-Rotor-Kombination, welche den Nachteil unterschiedlicher Wärmeausdehnungen von Stator und Rotor, durch eine geeignete Wahl der Werkstoffe für die Pumpeinheit beseitigen soll. Um ein Spiel zwischen Stator und Rotor möglichst konstant zu halten, wird beispielsweise vorgeschlagen, sowohl den Stator als auch den Rotor aus Metall herzustellen. Nachteilig bei dieser Ausführungsform ist jedoch, dass keine oder nur eine geringe Vorspannung vorhanden ist, weshalb auch die Abdichtung zwischen Stator und Rotor nachteilig gering ist. Zudem darf die Vorspannung auch einen bestimmten Wert nicht überschreiten, damit ein beim Anfahren der Pumpe zu überwindendes Losbrechmoment nicht groß wird.
Wünschenswert wäre eine verstellbare Pumpeinheit für eine Verdrängerpumpe, bei der die Einstellung der Pumpe besonders einfach möglich ist, ohne die Nachteile wie beispielsweise eine geringe Abdichtung oder ein hohes Losbrechmoments zuzulassen. Die Einstellung sollte schnell auf Zustandsänderungen wie beispielsweise einer plötzlichen Temperaturerhöhung, Druckabfall oder anderer Abnormitäten reagieren können. Vorteilhaft wäre auch eine nur selektive Einstellung des Stators, indem nur bestimmte Bereiche, vorzugsweise Bereiche entlang der Längsachse des Stators von der Einstellung erfasst werden. Idealer Weise wären die Mittel zur Einstellung der Pumpeneinheit, möglicherweise auch erst nach einer geringfügigen Modifikation oder Konfigurationsänderung, auch als Sensor für eine Messwerterfassung geeignet.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen sind dafür aber nur unzureichend geeignet. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verdrängerpumpe und Verfahren anzugeben, mit der eine Verdrängerpumpe an unterschiedlichste Betriebsbedingungen und Förderaufgaben anpassbar ist, Herstellungskosten verringert und die Sicherheit und Lebensdauer der Pumpe erhöht werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Pumpeinheit für deren Einstellung zumindest teilweise aus einem elektro- und/oder temperaturaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektro- und/oder temperaturaktiven Mittel gekoppelt oder ausgestattet ist, dass vorzugsweise Parameter der Verdrängerpumpe mittels einer Steuervorrichtung und eine mit dieser gekoppelten elektro- und/oder temperaturaktiven Pumpeinheit eingestellt werden und dass bevorzugt der Elastomerkörper oder die elastomere Auskleidung zumindest teilweise aus einem elektroaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektroaktiven Mittel gekoppelt oder ausgestattet ist und der Elastomerkörper oder die Auskleidung und/oder das mindestens eine elektroaktive Mittel als Sensoren einsetzbar ist und dessen Messsignale für eine Messwerterfassung und/oder -Verarbeitung an eine Steuervorrichtung der Verdrängerpumpe übermittelt werden.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass durch den Einsatz von elektroaktiven oder temperaturaktiven Materialien, insbesondere durch deren selektiven, direkt oder indirekt im oder am Rotor oder Stator der Pumpe, wirkenden Einsatz, die Verdrängerpumpe besonders effektiv und weitreichend betrieben werden kann. So wäre eine individuelle Anpassung an die jeweilige Förderaufgabe, die Betriebsbedingungen und den Betriebszustand durch Verstellung der Pumpeinheit möglich. Beispielsweise kann beim Wechsel von einen Betriebszustand in einen anderen Betriebstand, nach dem Anfahren der Pumpe, ein den Rotor umgebener Stator über seine gesamte Länge oder auch nur abschnittsweise in seiner Form und Vorspannung eingestellt werden. Zum Beispiel könnten im Stator, insbesondere in einem Elastomerkörper des Stators integrierte elektroaktive Elemente für die Gewinnung von Messsignalen genutzt werden. Die elektroaktiven Mittel könnten dabei auch derart konfiguriert und geschaltet sein, dass mit ein und denselben elektroaktiven Mittel sowohl der Stator oder Rotor eingestellt als auch Messsignale gewonnen werden können, indem beispielsweise das Ansprechen der elektroaktiven Mittel zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfolgt. Denkbar wäre eine Bedienung der Pumpe über eine im Pumpengehäuse integrierte oder über eine externe, mit der Pumpe gekoppelte Konfigurationseinrichtung und einem entsprechenden Computerprogramm, das eine manuelle oder automatisierte Einstellung der Pumpeinheit ermöglicht.
Dies wird dadurch erreicht, dass vorzugsweise elektroaktive Mittel eingesetzt werden, welche einen mechanischen Effekt bewirken aber auch mechanische Effekte erfassen können. Zur erfindungsgemäßen Einstellung der Pumpeinheit können elektro- und/oder temperaturaktive Mittel wie Formgedächtnislegierungen/-polymere, elektroaktive Polymere, elektrorheologische Fluide, elektrorheologische Elastomere, dielektrische Elastomere, piezoelektrische Polymere, piezoelektrische Keramiken und Kombinationen aus vorstehenden Materialien zum Einsatz kommen.
Bevorzugt ist der Einsatz von Formgedächtnislegierungen als temperaturaktives Mittel oder temperaturaktives Material. Formgedächtnislegierungen werden auch als Memorymetalle bezeichnet und können sich trotz Verformung an eine frühere Formgebung scheinbar „erinnern“. Prinzipiell kann zwischen einen Einweg-(Memory)-Effekt, einen Zweiweg-(Memory)-Effekt und einem Pseudoelastischen Verhalten unterschieden werden. Beim Einwegeffekt tritt durch Temperaturerhöhung eine Formänderung ein, welche auch nach dem Abkühlen beibehalten wird. Der Zweiwegeffekt hingegen ist durch eine Formänderung bei einer hohen und einer niedrigen Temperatur gekennzeichnet. Bei einer pseudoelastischen Formgedächtnislegierung sind hohe reversible Dehnungen durch induzierte Phasenumwandlungen möglich.
Vorzugsweise wirken die temperaturaktiven Mittel derart, dass sich bei einer Temperaturerhöhung der Pumpeinheit, durch eine geeignete Formänderung des Rotors oder des Stators, die Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator verringert. Durch den Einsatz eines temperaturaktiven Mittels aus einer Formgedächtnislegierung mit Einwegeffekt, kann beispielsweise eine Art Notlaufphase eingeleitet werden, indem die temperaturaktiven Mittel eine reibungsmindernde Erweiterung der inneren Kontur des Stators und/oder eine reibungsmindernde Reduzierung der äußeren Kontur des Rotors bewirken.
Die Pumpeinheit kann dabei so konfiguriert sein, dass in der Notlaufphase eine Abkühlung erfolgt. Damit beispielsweise die Pumpe nach dem Abkühlen wieder einsetzbar ist, kann die Verwendung von temperaturaktiven Mitteln aus eine Formgedächtnislegierung mit einem Zweiwegeffekt vorteilhaft sein. Die Pumpe kann dann nach dem Eintritt in die Notlaufphase wieder in einen normalen oder bevorzugten Betriebszustand zurückkehren.
Denkbar ist umgekehrt auch die Pumpeinheit derart zu konfigurieren, dass die Reibung zwischen Rotor und Stator beim Anfahren der Pumpe, im Vergleich zur Reibung im Betriebszustand, geringer ist. Das Anfahrverhalten der Pumpe kann dadurch verbessert werden und dennoch eine geforderte Abdichtung der Pumpenkammern während des Betriebs der Pumpe erreicht werden.
Der erfindungsgemäße Einsatz von Formgedächtnislegierungen ist dabei nicht auf die Verwendung von Pumpen mit einem Elastomerkörper oder einer elastomeren Auskleidung beschränkt. Beispielsweise können Stator und/oder Rotor aus einer metallischen Formgedächtnislegierung, vorzugsweise einer Formgedächtnislegierung mit Zweiwegeffekt, bestehen, welche in Abhängigkeit von Temperatur, insbesondere der Betriebstemperatur ihre Form derart ändern, dass ein Anfahr- und Pumpverhalten effektiv gestaltet werden kann.
Bevorzugt ist zudem der Einsatz von elektroaktiven Polymeren als elektroaktive Mittel oder elektroaktives Material, unter der eine Vielzahl von Kunststoffen fällt, welche unter Einfluss von elektrischer Spannung ihre Form ändern. Elektroaktive Polymere zeichnen sich durch niedrige Herstellungskosten, geringes Gewicht und einfache Miniaturisierbarkeit aus. Die Polymere sind nahezu inkompressibel, weshalb das Volumen der Festkörperaktoren während der Deformation konstant bleibt.
Unterschieden werden kann zwischen ionischen und elektronischen Elektroaktiven Polymeren. Zu den elektronischen Elektroaktiven Polymeren zählen elektrostriktive und ferroelektrische Polymere sowie dielektrische Elastomere. Im Vergleich zu Piezowandlern zeichnen sich elektroaktive Elastomere durch vergleichsweise große Dehnungen bei geringeren Kräften aus.
Elektroaktive Elastomere vibrieren bei Wechselspannung. Durch den Einsatz derartiger elektroaktiver Mittel und durch Anlegen einer Spannung, kann beispielsweise das Anfahrverhalten der Verdrängerpumpe weiter verbessert werden.
Vorzugsweise umfasst die Pumpeinheit mindestens einen elektroaktiven Elastomerkörper und/oder eine elektroaktive elastomeren Auskleidung. Durch die Verwendung von Elastomeren kann eine besonders effektive Abdichtung zwischen Rotor und Stator erreicht werden. Die dafür erforderliche Vorspannung ist einstellbar, indem der Elastomerkörper oder die Auskleidung selbst aus einem elektroaktiven Elastomer gebildet ist oder indem der Elastomerkörper oder die Auskleidung mit mindestens einem elektroaktiven Mittel gekoppelt oder ausgestattet ist. Das elektroaktive Mittel kann dazu mit dem Elastomerkörper oder mit der Auskleidung in einer Wirkverbindung stehen, so dass Bewegungen des elektroaktiven Mittels auf den Elastomerkörper oder die Auskleidung übertragen werden.
Bei der Verwendung von Elastomeren kann der Stator einen Elastomerkörper umfassen oder mit einer elastomeren Auskleidung versehen sein. Möglich ist aber auch den Rotor mit einer elastomeren Auskleidung zu versehen, so dass dieser mit seiner dem Stator zugewandten Seite eine elastomere Oberfläche aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das elektroaktive Mittel im Elastomerkörper und/oder in der elastomeren Auskleidung integriert. Besonders bevorzugt ist der Einsatz einer Vielzahl von elektroaktiven Mitteln, welche im Elastomerkörper oder in der Auskleidung vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet sind, so ist eine gleichmäßige Einstellung der Pumpeinheit ermöglicht.
Vorzugsweise ist ein Kammervolumen der Pumpeinheit einstellbar. Dazu sind elektroaktive Mittel vorzugsweise so angeordnet und ausgerichtet, dass eine selektive Verstellung der die Pumpenkammern bildenden Bereiche möglich ist. Zu diesem Zweck können elektroaktive Bereiche des Rotors gebildet sein, welche vorzugsweise nicht mit dem Stator in Kontakt stehen. Bei einer Verstellung des Kammervolumens wird dadurch die Vorspannung nicht verändert, wodurch eine nachteilig hohe Reibung oder eine geringere Abdichtung zwischen Stator und Rotor vermieden werden kann.
Der Stator kann für eine Einstellung des Kammervolumens auch verwendet werden, indem verschiedene Bereiche des Stators selektiv angesteuert werden, derart, dass die Ansteuerung synchron mit der Stellung des Verdrängers und dessen Bewegung erfolgt.
Umgekehrt kann die Pumpeinheit auch so konfiguriert sein, dass nur Bereiche des Stators und/oder des Rotors von der Verstellung betroffen sind, welche den Anpressdruck zwischen Stator und Rotor erhöhen oder verringern, wodurch die Vorspannung eingestellt werden kann. Die selektive Einstellung des Kammervolumens kann beispielsweise besonders einfach durch die Anordnung und die Ansteuerung von elektroaktiven Mittel in den betreffenden Bereichen des Rotors erfolgen. Für eine Änderung des Anpressdrucks zwischen Stator und Rotor kann aber eine nicht selektive Verringerung des gesamten Innenquerschnitts des Stators ausreichend sein.
In einer weiteren Variante ist der Elastomerkörper ohne eine Pumpkammer bildende innere Form ausgebildet und frei konfigurierbar. Rotorseitig ist der Elastomerkörper als Stator oder Teil des Stators dazu bevorzugt mit elastomeren schaltenförmigen Aktoren versehen. Als elektroaktive Mittel dienen vorzugsweise Elastomerfolien, welche an bestimmten Stellen beschichtet sind, so dass verschiedene Elektrodenzellen vorhanden sind. Um die Verformung beim Aktivieren der Zellen zu erhöhen, können diese übereinander gestapelt werden. Durch gezielte Ansteuerung der Zellen oder der Zellenstapel können nun komplexe dreidimensionale Formen erzeugt werden. Verschiedene Geometrien können erzeugt werden für unterschiedliche Rotoren. So kann beispielsweise eine Stator für eine Exzenterschneckenpumpe universell für verschiedenen Rotoren eingesetzt werden. Denkbar ist auch nicht nur den Stator frei konfigurierbar zu gestalten, sondern auch den Rotor, durch rotorseitig geeignet angeordnete elektroaktive Zellen.
Durch den Einsatz eines derart verstellbaren Stators und/oder Rotors, kann eine frei konfigurierbare Pumpe bereitgestellt werden, welche an die jeweilige Förderaufgabe angepasst werden kann.
Zum Betreiben der Verdrängerpumpe werden vorzugsweise Parameter der Verdrängerpumpe mittels einer Steuervorrichtung und eine mit dieser gekoppelten elektro- und/oder temperaturaktiven Pumpeinheit eingestellt. Verstellbare Parameter sind beispielsweise Anpressdruck oder Vorspannung, Exzentrizität, Außendurchmesser und Form des Rotors sowie Innendurchmesser und Form des Stators. Eine temperaturaktiv bewirkte Steuerung kann zum Beispiel durch Erwärmung oder Abkühlung des Stators oder Rotors erfolgen. Dazu kann die Erwärmung beispielsweise induktiv und die Abkühlung mittels eines Kühlfluids erfolgen.
Bevorzugt ist jedoch eine Steuerung der Einstellung mittels einer elektroaktiven Pumpeinheit. Vorzugsweise sind dazu Stator und Rotor über die Steuervorrichtung in Abhängigkeit des Betriebszustandes der Pumpe zumindest bereichsweise ansprech- und einstellbar. Bei der Verwendung von elektroaktiven Mittel können diesem Zweck die elektroaktiven Mittel in Gruppen zusammengefasst sein. Dadurch wird beispielsweise ermöglicht, dass ein innerer Statorbereich der Pumpeinheit in einer Anfahrphase zuerst erweitert und/oder während einer Betriebsphase verkleinert wird. Durch die Querschnittserweiterung oder -reduzierung kann das Losbrechmoment der Pumpe verringert und damit deren Anfahrverhalten verbessert werden.
Aber auch während des Betriebs der Pumpe kann eine Einstellung beziehungsweise Nachstellung der Pumpeinheit erforderlich sein. Dazu werden vorzugsweise ermittelte Betriebsmesswerte der Pumpe zur elektroaktiv bewirkten Steuerung herangezogen. Dadurch wird beispielsweise ermöglicht, dass bei einem eintretenden messbaren Druckabfall zwischen der Saugseite und der Druckseite der Pumpe, der Anpressdruck zwischen Stator und Rotor erhöht werden kann, wodurch die Abdichtung wieder korrigierbar ist.
Um für die Steuervorrichtung Betriebsmesswerte zur Verfügung stellen zu können, wird die Verdrängerpumpe überwacht, indem die Pumpeinheit mindestens einen Elastomerkörper und/oder eine elastomeren Auskleidung umfasst und dadurch, dass der Elastomerkörper oder die elastomere Auskleidung zumindest teilweise aus einem elektroaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektroaktiven Mittel gekoppelt ist und der Elastomerkörper oder die Auskleidung und/oder das mindestens eine elektroaktive Mittel als Sensoren einsetzbar ist und dessen Messsignale für eine Messwerterfassung und/oder -Verarbeitung an die Steuervorrichtung der Verdrängerpumpe übermittelt werden. Ermöglicht wird das durch den elektroaktiven Elastomerkörper oder die elektroaktiven Mittel, welche bei mechanischen Einwirkung elektrische Energie erzeugen. Durch eine geeignet konfigurierte Steuervorrichtung können beispielsweise ein oder mehrere elektroaktive Mittel selektiv angesprochen und als Sensor verwendet werden. Denkbar ist aber auch die Verwendung ein und desselben elektroaktiven Mittels zur Messwertgewinnung und zur Verstellung der Pumpeinheit. Dazu können ein oder mehrere elektroaktive Mittel durch die Steuervorrichtung abwechselnd als Sensor oder als Aktor angesprochen werden.
Die mechanische Einwirkung kommt aufgrund einer Pumpbewegung durch den Rotor und der zur Abdichtung erforderlichen Vorspannung zu Stande. Dadurch, dass der Elastomerkörper oder die elastomere Auskleidung selbst elektroaktiv wirken und die elektroaktiven Mittel mit dem Elastomerkörper oder der Auskleidung gekoppelt sind, kommt durch die Reibung zwischen Stator und Rotor und der daraus resultierenden Walkarbeit zu der mechanischen Einwirkung und Erzeugung der elektrischen Energie, welche als Maß für Ort, Zeit und Intensität zur Auswertung und Steuerung zur Verfügung steht. Auf besonders einfache Weise können dadurch auch Rückschlüsse auf Zustand und Verschleiß der Pumpe geschlossen werden.
Vorzugsweise werden mittels der Steuervorrichtung abgespeicherte Messdaten oder Echtzeitmessdaten an eine Konfigurations- und/oder Anzeigevorrichtung ausgegeben. Dadurch kann die Verdrängerpumpe der Förderaufgabe und den Betriebsbedingungen entsprechend konfiguriert werden. Über die Konfigurationsvorrichtung eingegebene Sollwerte können mittels der Steuervorrichtung zur Ansteuerung des Elastomerkörpers, der Auskleidung und/oder des elektroaktiven Mittels verwendet werden, indem durch die Konfigurationsvorrichtung Steuersignale für die Steuervorrichtung generiert werden.
Bevorzugt werden die Konfigurationsvorrichtung und/oder die Steuervorrichtung mit Hilfe eines Computerprogramms betrieben, zur Durchführung der Steuerung und der Überwachung der Pumpe, wobei der Programmcode über eine dafür vorgesehene Schnittstelle von einem externen Datenträger auf die Konfigurationsvorrichtung und/oder die Steuervorrichtung übertragen werden kann.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass eine erfindungsgemäße Verdrängerpumpe, durch eine besonders effektive und variable Verstellmöglichkeit der Pumpeneinheit, einem Betriebszustand der Pumpe und einer Förderaufgabe entsprechend angepasst werden kann. Ebenso ist es dadurch möglich, auch bei höheren Temperaturen Elastomere für eine verbesserte Abdichtung einzusetzen. Elektroaktive Mittel können beispielsweise einfach in einen Elastomerkörper oder in eine elastomere Auskleidung der Pumpeinheit an bestimmte Stellen integriert werden, an denen eine Verstellung des Stators gewünscht ist. Indem die elektroaktiven Mittel einer gewünschten Verstellung entsprechend angeordnet und positioniert werden, kann zudem die Richtung und Intensität der Verstellung beeinflusst werden. Durch die verstellbare Pumpeinheit können auch Spaltverluste zwischen Stator und Rotor, welche beispielsweise durch Verschleiß entstehen können, korrigiert werden. Bei der Verwendung einer freikonfigurierbaren Pumpeinheit können beispielsweise verschiedene Geometrien oder Modifikationen wie Geometrieänderungen in einem Speicher der Steuervorrichtung abgelegt sein, welche über die Konfigurationsvorrichtung einfach abgerufen und eingestellt werden können. Die erfindungsgemäße Pumpe kann vorteilhafter Weise des Weiteren, bei entsprechender Konfiguration der Pumpeinheit, als Konstant- oder Verstellpumpe betrieben werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 schematisch einen Stator einer Exzenterschneckenpumpe in einer Schnittdarstellung und
2 schematisch einen Stator einer Drehkolbenpumpe in einer Explosionszeichnung.
Gleiche Teile sind in beiden Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt einen Stator 2 einer Exzenterschneckenpumpe, welcher eine erfindungsgemäße Pumpeinheit 4 aufweist. Die Pumpeinheit 4 ist zwischen einem Druckflansch 6 und einem Pumpengehäuse 8 eingespannt. Als Spannmittel können beispielsweise Spannschrauben vorgesehen sein (nicht dargestellt). Der Abstand zwischen dem Pumpengehäuse 8 und dem Druckflansch 6 wird von der Länge der Pumpeneinheit 4 bestimmt, welche einen hier nicht dargestellten Rotor, einen Elastomerkörper 10 und einen Statormantel 12 umfasst. Der Statormantel 12 erfüllt dabei hauptsächlich eine Stütz und Schutzfunktion. Solange der Statormantel 12 und der Elastomerkörper 10 nicht zwischen dem Pumpengehäuse 8 und dem Druckflansch 6 eingebaut sind, können beide Teile axial gegeneinander verschoben werden. Im eingebauten Zustand hingegen wird der Elastomerkörper 10 an beiden Enden von einem Anschlag 14 begrenzt. Der Anschlag 14 wird durch eine ringförmige Stirnfläche am Druckflansch 6 und am Pumpengehäuse 8 gebildet. Der Elastomerkörper 10 ist zwischen den Druckflansch 6 und dem Pumpengehäuse 8 soweit vorgespannt, dass eine erforderliche Abdichtung zwischen Stator 2 und Rotor gewährleistet ist.
Der Elastomerkörper 10 weist eine umfängliche Ausnehmung 16 für elektroaktive Mittel 18 auf, welche in dieser Ausführungsform in radialer Richtung gesehen übereinander geschichtet, zwischen dem Elastomerkörper 10 und dem Statormantel 12 angeordnet und mit dem Elastomerkörper 10 gekoppelt sind. Das elektroaktiven Mittel ist in Form einer dielektrischen Elastomerfolie 18 um den Elastomerkörper 10 herum aufgerollt. Grundsätzlich kann die Elastomerfolie 18 aber auch derart um den Elastomerkörper 10 angeordnet sein, dass diese nicht in radialer Richtung, sondern in Längsrichtung übereinandergeschichtet um den Elastomerkörper 10 herum angeordnet sind. Aufgrund der Stapelung kann eine höhere Kraft und Verschiebung erzeugt werden. Da sich das Volumen der elektroaktiven Mittel 18 bei Aktivierung nicht ändert, sondern nur seine Form, indem es sich ausdehnt, ist endseitig jeweils ein ringförmiger Ausweichraum 20 für das elektroaktive Mittel 18 vorgesehen.
Das elektroaktive Mittel 18 ergibt sich dadurch, dass ein passiver Elastomerfilm zwischen zwei nachgiebigen Elektroden eingeklemmt ist. Beim Ansprechen der Elastomerfolie 18 durch Anlegen einer elektrischen Spannung, ziehen sich die gegenüberliegenden Elektroden aufgrund elektrostatischer Kräfte an. Der inkompressible Elastomerfilm wird in radialer Richtung zusammengedrückt und dehnt sich in Längsrichtung in die Ausweichräume 20 aus. Da die Wicklung der Elastomerfolie 18 mit maßgeblich für die Vorspannung zwischen Rotor und Stator 2 ist, wird sich diese bei Aktivierung des elektroaktiven Mittels 18 verringern. Dadurch verringert sich auch das Losbrechmoment, wodurch das Anfahrverhalten der Pumpe verbessert wird und auch der Energiebedarf sowie Verschleiß geringer ist.
Eine andere, in dieser Figur nicht dargestellte Ausführungsform, ist eine Anordnung der elektroaktiven Mittel wie in 1 gezeigt und beschrieben, mit dem Unterschied, dass in Längsrichtung mehrere Elestomerfolien, zueinander beabstandet um den Elestomerkörper herum geschichtet angeordnet sind. Durch die Abstände zwischen den einzelnen Elastomerfolien werden für diese mehrere Ausweichräume geschaffen.
In einer nichtdargestellten Ausführungsform sind die elektroaktiven Mittel im Elastomerkörper integriert, derart, dass diese im Elastomerkörper fest eingeschlossen sind. Je nach Lage und Anordnung der elektroaktiven Mittel kann die Form des Elastomerkörpers positiv beeinfluss werden. Ein Vorteil bei dieser Ausführungsform ist eine besonders effektive Übertragung der Bewegung von den elektroaktiven Mittel auf den Elastomerkörper. So kann der Elastomerkörper durch Anlegen einer Wechselspannung in Schwingungen versetzt werden, was sich positiv auf das Anfahrverhalten der Pumpe auswirkt. Die elektroaktiven Mittel sind für eine effektive Wirkung homogen im Elastomerkörper verteilt angeordnet.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführungsform sind Stator und Rotor axial beweglich zueinander angeordnet und konisch verlaufend ausgebildet. Durch die relative axiale Beweglichkeit kann die Pumpeinheit ein- beziehungsweise nachgestellt werden. Elektroaktive Mittel sind dazu sich zwischen Elastomerkörper und Pumpengehäuse abstützend angeordnet. Beim Aktivieren der elektroaktiven Mittel wird der Stator je nach Konfiguration in die gewünschte Richtung bewegt. Durch die konisch gegenläufige Rotor- und Stator-Form, kann so die Pumpeinheit nachgestellt werden.
Eine andere nicht dargestellte Ausführungsform ist die Verwendung eines Rotors aus einer Formgedächtnislegierung mit einem Zweiweg-(Memory)-Effekt. Der Stator umfasst einen Elastomerkörper, welcher eine höhere Wärmeausdehnung als der Rotor aufweist. In einem Temperaturbereich über 140°C ändert der Rotor seine Form derart, dass dessen äußeren Konturen sich verkleinern und dadurch die erhöhte Wärmeausdehnung des Elastomerkörpers ausgeglichen wird. Diese Ausführungsform der Pumpe ermöglicht deren Einsatz auch bei höheren Temperaturen, bei denen bisher keine Pumpen mit Elastomeren eingesetzt werden konnten.
2 zeigt in einer Explosionszeichnung den Aufbau einer Pumpeinheit 22 einer Drehkolbenpumpe mit einem von zwei Drehkolben 24, welche mit zwei als Plattenkörper 26 ausgebildeten elektroaktiven Mitteln ausgestattet ist. Eine elastomere Auskleidung 28 dient zur Aufnahme der Drehkolben 24, wobei die Auskleidung 28 in einem Gehäuse 30 angeordnet ist. Eine erste Stirnplatte 32 verschließt die Auskleidung 28, welche mittels einer zweiten Stirnplatte 34 als Gehäuseabdeckung gegen die Auskleidung 28 gedrückt wird. Der Drehkolben 24 hat zwei Kappen 36 und zwei Ausnehmungen 38 zur Aufnahme der zwei elektroaktiven Plattenkörper 26. Die Plattenkörper 26 sind so dimensioniert, dass sichergestellt ist, dass die Kappen 36 des Drehkolbens 24 immer in Wirkzusammenhang mit einem Plattenkörper 26 des zweiten hier nicht dargestellten Drehkolbens stehen.
Die elektroaktiven Plattenkörper 26 sind aus einem dielektrischen Elastomer gebildet, indem mehrere elektroaktive Elastomerfolien übereinander gestapelt sind, um eine höhere Kraft und Verformung zu erzeugen. Um das Anfahrverhalten der Drehkolbenpumpe zu verbessern, werden die elektroaktiven Mittel 26, je nach Konfiguration, vor oder nach dem Anfahren der Pumpe angesprochen und aktiviert.
In einer nichtgezeigten Ausführungsform sind Elastomerfolien senkrecht zur Fläche der gebildeten Plattenkörper übereinandergestapelt, so dass bei Aktivierung der elektroaktiven Mittel die Dicke der Plattenkörper zunimmt und dadurch auch der Anpressdruck der Drehkolben zunimmt, wodurch die Abdichtung verbessert wird. Bei dieser Ausführungsform kann es erforderlich sein, dass die Plattenkörper während des Pumpbetriebes aktiviert bleiben.
Bei einer anderen nicht dargestellten Ausführungsform sind Elastomerfolien waagerecht zur Fläche der gebildeten Plattenkörper übereinandergestapelt und der Plattenkörper kann sich in dafür vorgesehene, stirnseitig der Plattenkörper in die Drehkolben eingebrachte Ausweichräume ausdehnen. Bei Aktivierung der elektroaktiven Mittel dehnen sich diese in Richtung der Ausweichräume aus und die Dicke der Plattenstapel nimmt ab. Im Gegensatz zu dem vorangegangenen Ausführungsbeispiel werden die elektroaktiven Mittel vor dem Anfahrvorgang aktiviert und können während des Pumpbetriebes deaktiviert bleiben.
Die in den Drehkolben eingesetzten Platten können auch aus Formgedächtnislegierungen bestehen, welche bei einer zu hohen Temperatur ihre Form derart ändern, dass der Anpressdruck zwischen den Drehkolben verringert wird. Auch eine Kombination eines elektroaktiven Plattenstapels und einer Platte aus einer Formgedächtnislegierung ist möglich.
Denkbar ist auch der Einsatz der elektroaktiven Mittel für den Elastomerkörper und/oder dessen Abdeckung, um beispielsweise das Anfahrverhalten der Drehkolbenpumpe zu verbessern und dabei während des Pumpbetriebes eine ausreichende Abdichtung zu gewährleisten.
Die erfindungsgemäße Verdrängerpumpe ist auf eine hinsichtlich der jeweiligen Betriebsbedingung und Förderaufgabe hin effektiv einstellbare Pumpeinheit ausgerichtet. Durch die Verwendung von elektroaktiven Materialien oder Mittel daraus, wird eine gezielte Verstellung der Förderkomponenten Stator und Rotor ermöglicht. Weiterhin kann durch den Einsatz von elektroaktiven Materialien und/oder elektroaktiven Mitteln eine freikonfigurierbare Pumpeinheit bereitgestellt werden. Die Geometrien der Förderkomponenten können in einen Speicher der Steuervorrichtung abgelegt, ergänzt und abgerufen werden. Durch eine geeignete Computersoftware können nicht nur statische Geometrien eingestellt werden, sondern es sind auch dynamische Einstellungen umsetzbar und ohne Umbau der Pumpe möglich.
Bezugszeichenliste

2: Stator
4: Pumpeinheit einer Exzenterschneckenpumpe
6: Druckflansch
8: Pumpengehäuse
10: Elastomerkörper
12: Statormantel
14: Anschlag
16: Ausnehmung
18: elektroaktive Elastomerfolien
20: Ausweichraum
22: Pumpeinheit einer Drehkolbenpumpe
24: Drehkolben
26: elektroaktive Plattenkörper
28: elastomere Auskleidung
30: Gehäuse
32: erste Stirnplatte
34: zweite Stirnplatte
36: Kappe eines Drehkolbens
38: Ausnehmung für elektroaktive Plattenkörper

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010014248 A1 [0004]
DE 202009002823 U1 [0007]
DE 102005042559 A1 [0008]
FR 9614227 [0010]

Claims

Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) für eine Verdrängerpumpe, insbesondere für eine Exzenterschneckenpumpe oder für eine Drehkolbenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinheit (4, 22) für deren Einstellung zumindest teilweise aus einem elektro- und/oder temperaturaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektro- und/oder temperaturaktiven Mittel (18, 26) gekoppelt oder ausgestattet ist.
Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinheit (4, 22) mindestens einen elektroaktiven Elastomerkörper (10) und/oder eine elektroaktive elastomere Auskleidung (28) umfasst.
Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektroaktive Mittel (18, 26) im Elastomerkörper (10) und/oder in der elastomeren Auskleidung (28) integriert ist.
Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (10) oder das elektroaktive Mittel (18, 26) aus einem elektroaktiven Elastomer gebildet ist.
Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kammervolumen einstellbar ist.
Verstellbare Pumpeinheit (4, 22) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpressdruck zwischen einem der Pumpeneinheit (4, 22) zugeordneten Stator (2) und einem Rotor oder Kolben (24) einstellbar ist.
Verdrängerpumpe, insbesondere Exzenterschneckenpumpe oder Drehkolbenpumpe, mit einer verstellbaren Pumpeinheit (4, 22) nach Anspruch 1.
Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe, insbesondere einer Exzenterschneckenpumpe oder einer Drehkolbenpumpe, dadurch gekennzeichnet, dass Parameter der Verdrängerpumpe mittels einer Steuervorrichtung und eine mit dieser gekoppelten elektro- und/oder temperaturaktiven Pumpeinheit (4, 22) eingestellt werden.
Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter in Abhängigkeit vom Betriebszustand eingestellt werden.
Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein innerer Statorbereich der Pumpeinheit (4, 22) in einer Anfahrphase zuerst erweitert und/oder während einer Betriebsphase verkleinert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Verdrängerpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpeinheit (4, 22) in Abhängigkeit von ermittelten Betriebsmesswerten eingestellt wird.
Verfahren zum Überwachen einer Verdrängerpumpe, insbesondere für eine Exzenterschneckenpumpe oder für eine Drehkolbenpumpe mit einer Pumpeinheit (4, 22) umfassend mindestens einen Elastomerkörper (10) und/oder eine elastomeren Auskleidung (28), dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerkörper (10) oder die elastomere Auskleidung (28) zumindest teilweise aus einem elektroaktiven Material gebildet und/oder mit mindestens einem elektroaktiven Mittel (18, 26) gekoppelt oder ausgestattet ist und der Elastomerkörper (10) oder die Auskleidung (28) und/oder das mindestens eine elektroaktive Mittel (18, 26) als Sensor einsetzbar ist und dessen Messsignale für eine Messwerterfassung und/oder -Verarbeitung an eine Steuervorrichtung der Verdrängerpumpe übermittelt werden.
Verfahren zum Überwachen einer Verdrängerpumpe nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuervorrichtung abgespeicherte Messdaten oder Echtzeitmessdaten an eine Konfigurations- und/oder Anzeigevorrichtung ausgegeben werden.
Verfahren zum Überwachen einer Verdrängerpumpe nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Steuervorrichtung Steuersignale zur Ansteuerung des Elastomerkörpers (10) und/oder des elektroaktiven Mittels (18, 26) generiert werden.
Computerprogrammprodukt mit Programmcode zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14.
Computerprogrammprodukt nach Anspruch 15, gekennzeichnet durch ein computerlesbares Medium, auf dem ein Konfigurationsanwendungsprogramm mit dem Programmcode gespeichert ist.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, die dazu geeignet sind, bei Ablauf des Computerprogramms auf einer Konfigurationseinrichtung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14 auszuführen.