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Die Erfindung betrifft eine Spindelpumpe, aufweisend ein Pumpengehäuse mit einer darin drehbar gelagerten eine schraubenförmige Spindel aufweisenden Spindelwelle, wobei das Pumpengehäuse einen Einlassraum und einen Druckraum für ein Medium aufweist und wobei die einen Rotor bildende Spindel mit dem einen Stator bildenden Pumpengehäuse zur Förderung des Mediums zusammenwirkt.
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Stand der Technik
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Eine derartige Spindelpumpe ist aus der
DE 43 30 226 C1 bekannt. Diese Spindelpumpe weist ein Pumpengehäuse mit einer darin drehbar gelagerten als Rotor ausgebildeten Spindel zur Förderung eines Mediums auf. Dabei ist der mit der Spindel zusammenwirkende Stator von einem eigenständigen Bauteil gebildet, das als Gehäuseeinsatz ausgestaltet in dem Pumpengehäuse die Spindel umfassend eingebaut ist. Bei dieser so ausgebildeten Spindelpumpe ist eine Kurzschlussleitung zwischen einem Einlassraum und einem Druckraum in dem Pumpengehäuse angeordnet, wobei die Kurzschlussleitung von einem Ventil geöffnet beziehungsweise geschlossen werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spindelpumpe bereitzustellen, die eine vollkommene Trennung des von der Spindelpumpe geförderten Mediums zu den Komponenten der Spindelpumpe ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zwischen der Spindelwelle sowie der Spindel und dem Pumpengehäuse im Bereich zwischen dem Einlassraum und dem Druckraum eine elastische Membran angeordnet ist. Die Membran ist nur in einem Förderbereich der Spindelpumpe an die zuvor genannten Bauteile angrenzend angeordnet. Weiterhin hat der Begriff Membran im Rahmen der Erfindung die Bedeutung beziehungsweise Funktion einer elastischen Haut, die eine trennende oder abgrenzende Funktion hat. Diese Membran ist so ausgebildet und in der Spindelpumpe eingebaut, dass das zu fördernde Medium vollkommen von den Komponenten der Spindelpumpe getrennt ist. Dabei umfassen die Komponenten alle mechanischen Teile der Spindelpumpe einschließlich in der Spindelpumpe befindlichem Schmiermittel sowie eingeschlossener Luft. Die Membran ist aus einem gegenüber dem zu fördernden Medium beständigen Werkstoff gefertigt. Dabei ist durch die Membran auch sichergestellt, dass beispielsweise sehr niederviskose Medien gefördert werden können. Dadurch, dass das zu fördernde Medium von kritischen Komponenten der Spindelpumpe, beispielsweise auch Lagern sicher ferngehalten wird, kann erreicht werden, dass zumindest ein stark reduzierter Verschleiß beziehungsweise gar kein Verschleiß an den Komponenten der Spindelpumpe auftritt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Membran eine Schlauchmembran. Dies ist eine bevorzugte Ausführungsform, bei der die Schlauchmembran als eigenständiges Bauteil in die Spindelpumpe eingebaut werden kann.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Werkstoff der Membran ein Gummiwerkstoff oder ein Kunststoffwerkstoff. Dies sind die bevorzugten Werkstoffe, wobei aber auch im Rahmen der Erfindung noch weitere Werkstoffe oder auch Werkstoffkombinationen, auch zwischen dem Gummiwerkstoff und dem Kunststoffwerkstoff möglich sind. Dieser Werkstoff beziehungsweise diese Werkstoffkombination kann optimal auf die Eigenschaften des zu fördernden Mediums ausgerichtet sein, wobei dadurch, dass kein Kontakt des zu fördernden Mediums mit den weiteren Komponenten der Spindelpumpe, insbesondere dem Pumpengehäuse, der Spindelwelle einschließlich der Lagerung der Spindelwelle und der Spindel auftreten kann, diese zuvor genannten Komponenten aus einem Werkstoff hergestellt sein können, der ausschließlich für die Darstellung einer zuverlässigen Funktion der Spindelpumpe für sich ausgelegt sein müssen. Es braucht bei diesen Komponenten keine Berücksichtigung der Eigenschaften des zu fördernden Mediums vorgenommen werden.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die Membran dem Einlassraum und dem Auslassraum umfassend einseitig statisch an einem Pumpengehäusewandabschnitt an und gegenüberliegend wirkt die Membran bei einer Drehbewegung der Spindelwelle dynamisch mit einem Spindelwandabschnitt zusammen. Der Begriff Spindelwandabschnitt umfasst in diesem Zusammenhang den mit der Membran in Kontakt stehenden Bereich der Spindelwelle und der Spindel. Diese Ausgestaltung sorgt für eine hohe Zuverlässigkeit der Spindelpumpe, was auch für die auf die Membran einwirkenden Belastungen günstig ist, da diese in einem wesentlichen Teil statisch in dem Pumpengehäuse angeordnet und festgelegt ist, während nur der mit dem Spindelwandabschnitt zusammenwirkende Teil der Membran dynamisch belastet beziehungsweise verformt wird.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Spindel zumindest einen Spindelgewindegang auf, der eine Treibflanke, eine Nachlaufflanke und einen die Treibflanke mit der Nachlaufflanke verbindenden Flankenkopf aufweist. Insbesondere durch eine Anpassung des Flankenkopfs über die Treibflanke und die Nachlaufflanke lässt sich die Funktion und Arbeitsweise der so gebildeten Windung des Spindelgewindegangs auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Dabei ist durch das Zusammenwirken der Treibflanke über den Flankenkopf mit der Nachlaufflanke auch die auf die Membran einwirkende Belastung beeinflussbar. Weiterhin kann durch die Anpassung der Treibflanke, der Kopfflanke und der Nachlaufflanke eine Einflussnahme auf mögliche Anwendungsfälle, beispielsweise auf die Fördergeschwindigkeit und somit die Antriebsdrehzahl der Spindel, auf unterschiedliche Viskositäten des Mediums, auf eine Dichtfunktion der Membran bei der Förderung des Mediums und des Druckniveaus des zu fördernden Mediums erfolgen.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegen gegenüberliegende Seiten der Membran im Bereich zwischen dem Pumpengehäusewandabschnitt und dem jeweiligen dem Pumpengehäuseabschnitt zugewandten Flankenkopf des entsprechenden Spindelwandabschnitts aneinander. Dieses Aneinanderliegen der Membran beeinflusst die Förderleistung der Spindelpumpe beispielsweise in Abhängigkeit des zu fördernden Mediums.
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In Weiterbildung der Erfindung weist die Spindelpumpe zumindest zwei Einlassräume und zwei Druckräume auf, zwischen denen jeweils eine Membran angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung kann die Fördermenge des Mediums erhöht werden. Auch ist es dadurch möglich, mit der so ausgebildeten Spindelpumpe gleichzeitig unterschiedliche Medien zu fördern, die unterschiedliche Eigenschaften haben.
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In Weiterbildung der Erfindung ist in dem Spindelgehäuse außerhalb der Membran ein Schmierraum gebildet. Dabei ist der Schmierraum mit einem Schmiermittel gefüllt oder befüllbar, das zur Schmierung und gegebenenfalls Kühlung der Komponenten der Spindelpumpe eingesetzt wird. In wiederum weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, den Schmierraum in dem Spindelpumpengehäuse mit einer außerhalb der Spindelpumpe angeordneten Kühlleitung, einem Schmiermitteltank und/oder weiteren Komponenten zu verbinden. Dadurch, dass das Schmiermittel mit dem von der Spindelpumpe zu fördernden Medium nicht in Kontakt kommen kann, sind die Anforderungen an das Schmiermittel beziehungsweise an Wechselintervalle für das Schmiermittel deutlich reduziert. Dadurch wird der Betrieb der Spindelpumpe verbessert, Inspektionsintervalle verlängert und insgesamt die Lebensdauer erhöht.
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In Weiterbildung der Erfindung weist ein Abwärmerückgewinnungssystem einer Brennkraftmaschine mit einem Arbeitsfluidkreislauf des Abwärmerückgewinnungssystems eine Spindelpumpe nach der vorherigen Beschreibung auf. Dabei ist das von der Spindelpumpe zu fördernde Medium ein für einen Rankine-Prozess des Abwärmerückgewinnungssystems geeignetes Medium.
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Zusammenfassend zeichnet sich die erfindungsgemäße Spindelpumpe durch folgende Vorteile aus:
- – Die in dem Pumpengehäuse drehbare Spindelwelle kann im Bereich der Lager sowie allen anderen durch abrasiven Verschleiß gefährdeten Stellen durch die Trennung von dem zuvor zu fördernden Medium in geeigneter Weise geschmiert, beispielsweise ölgeschmiert sein,
- – durch die Trennung der Lagerstellen von dem zu fördernden niederviskosen Medium lassen sich auch einfache Lagerkonzepte realisieren,
- – es ist eine Kühlung des Schmiermittels durch einen separaten Kühlkreis möglich, wobei zudem das Schmiermittel bei entsprechender Ausgestaltung der Spindelpumpe auch durch die Spindelpumpe selbst gefördert werden kann,
- – die Spindelpumpe ermöglicht einen pulsationsfreien und kontinuierlichen Förderstrom des zu fördernden Mediums, was zudem eine hohe Volumenstromgenauigkeit ermöglicht,
- – es kann ein Druckausgleich von dem Förderdruck des Mediums und einem Gehäusedruck der Spindelpumpe dargestellt werden, wodurch die Beanspruchung der Membran bei gleichzeitig besserer Abdichtung reduziert werden kann,
- – es besteht eine freie Wahlmöglichkeit von günstigen, gut verfügbaren und leicht verarbeitbaren Materialien beziehungsweise Werkstoffen für die Komponenten der Spindelpumpe, insbesondere für die Spindelwelle mit der Spindel und für das Pumpengehäuse entsprechend den vorgegebenen Einsatzbedingungen der Spindelpumpe,
- – es ist eine einfache Anpassung des Konzepts der Spindelpumpe an unterschiedliche Randbedingungen möglich,
durch eine geeignete Wahl der Steigung der Spindel beziehungsweise des zumindest einen Spindelgewindegangs,
durch die Anzahl der Spindelgewindegänge,
- – durch die optimierte Kopfform der Spindelgewindegänge,
durch die Anzahl der in der Spindelpumpe angeordneten Membranen, wobei dadurch zudem die welle beziehungsweise die Spindel kraftausgeglichen ausgebildet sein kann,
durch eine angepasste Gegenkontur, welche die Membran gezielt an die Spindel anpresst,
wobei auch eine stufige Spindel oder eine kontinuierliche Veränderung im Durchmesser hinsichtlich einer Beeinflussung des Druckaufbaus und einer Gravitation erfolgen kann und
wobei auch ein an einen sich einstellenden Druckaufbau angepasste Ausgestaltung der Membran insbesondere hinsichtlich des Querschnitts mit dem Ziel einer Belastungsreduzierung des Materials der Membran möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der in den Figuren dargestellte Ausführungsbeispiele näher beschrieben sind.
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Es zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgestalteten Spindelpumpe,
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Spindelpumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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3 einen schematischen Längsschnitt durch eine Spindelpumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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4a bis 4c Darstellungen von Details einer Spindelpumpe und
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5 eine Spindelpumpe gemäß 1, die zusätzlich mit einem Schmiersystem versehen ist.
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Die in den Figuren dargestellte Spindelpumpe 1 ist insbesondere zur Förderung eines Mediums in Form des Arbeitsfluids eines Arbeitsfluidkreislaufs eines Abwärmerückgewinnungssystems für eine Brennkraftmaschine vorgesehen. Ein solches Abwärmerückgewinnungssystem nutzt die Abwärme der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von sonst an die Umgebung abgegebener Abwärme der Brennkraftmaschine zur Erzeugung von beispielweise elektrischer Leistung. Dabei ist das von der Spindelpumpe zu fördernde Medium ein für einen Rankine-Prozess des Abwärmerückgewinnungssystems geeignetes Medium.
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Die Spindelpumpe 1 weist ein Pumpengehäuse 2 auf, das aus mehreren Pumpengehäuseteilen zusammengesetzt ist, so dass die Spindelpumpe 1 problemlos montierbar ist. In dem Pumpengehäuse 2 ist eine eine schraubenförmige Spindel 5 aufweisende Spindelwelle 3 in gegenüberliegenden Lagern 4a, 4b gelagert, wobei die Spindelwelle 3 einseitig aus dem Pumpengehäuse 2 herausgeführt ist und mit einem Antriebsmotor, beispielsweise einem Elektromotor, verbunden ist. Der Antriebsmotor kann die Spindelwelle 3 beziehungsweise damit auch die Spindel 5 in eine Drehbewegung entsprechend dem eingezeichneten Drehpfeil versetzen, wodurch eine Förderung des von der Spindelpumpe 1 zu fördernden Mediums, nämlich des Arbeitsfluids des Arbeitsfluidkreislaufs, erfolgt. Die Spindel 5 weist zumindest einen fortlaufenden Spindelgewindegang 14 auf. Das Pumpengehäuse 2 weist einen Einlassraum 6 und einen Druckraum 7 für das zu fördernde Medium auf, wobei der Einlassraum 6 in einen Einlassstutzen 8 und der Druckraum 7 in einen Auslassstutzen 9 übergeht. Der Einlassstutzen 8 und der Auslassstutzen 9 sind mit den Leitungen des Arbeitsfluidkreislaufs verbunden beziehungsweise verbindbar. In dem Pumpengehäuse 2 ist zwischen der Spindel 3 und dem Pumpengehäuse 2 im Bereich zwischen dem Einlassraum 6 und dem Druckraum 7 eine elastische Membran in Form einer Schlauchmembran 10 angeordnet. Der Begriff Membran und Schlauchmembran 10 hat im Rahmen der Erfindung die Bedeutung beziehungsweise Funktion einer elastischen Haut, die eine trennende oder abgrenzende Funktion hat. Die Schlauchmembran 10 liegt den Einlassraum 6 und den Druckraum 7 umfassend einseitig statisch an einem Pumpengehäusewandabschnitt 11 an und wirkt gegenüberliegend (bei einer Drehbewegung der Spindelwelle 3) dynamisch mit einem Spindelwandabschnitt 12 (der Spindel 5 und der Spindelwelle 3) zusammen. Da für einen Förderbetrieb die Spindelwelle 3 in der dargestellten Drehpfeilrichtung gedreht wird, wird das über den Einlassstutzen 8 in den Einlassraum 6 gelangende Medium entlang des Förderpfeils 13 durch die Schlauchmembran 10 der Spindelpumpe 1 zu dem mit dem Auslassstutzen verbundenen Druckraum 7 gefördert. Dabei gleitet die Schlauchmembran 10 kontinuierlich mit ihrem der Spindelwelle 3 und der Spindel 5 zugewandten Umfangsbereich an dem zuvor definierten Spindelwandabschnitt 12 sich elastisch verformend ab. Dabei ist der Spalt zwischen dem Pumpengehäusewandabschnitt 11 und dem Spindelwandabschnitt 12 unter Berücksichtigung der dazwischenliegenden Schlauchmembran 10 so bemessen, dass gegenüberliegende Seiten der Schlauchmembran 10 genau in diesem Bereich aneinander liegen oder mit einem vorgebbaren Druck gegeneinander gedrückt werden. Dieses Aneinanderliegen der Schlauchmembran 10 beeinflusst die Förderleistung der Spindelpumpe 1 beispielsweise in Abhängigkeit des zu fördernden Mediums. Das Pumpengehäuse 2 und/oder die Spindelwelle 3 sind beispielsweise aus einem metallischen Material oder formbeständigen Kunststoffmaterial hergestellt, während die Membran aus einem elastischen Gummimaterial oder elastischen Kunststoffmaterial hergestellt ist.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 2 unterscheidet von dem der 1 dadurch, dass hier die Spindel 5 zumindest einen zusätzlichen Spindelgewindegang 14 aufweist. Dadurch werden mehr Dichtstellen für eine bessere Abdichtung und einen höheren Förderdruck des zu fördernden Mediums dargestellt. Diese Ausgestaltung kann durch eine verlängerte Bauform Spindelpumpe 1 oder ein steilere Steigung des Spindelgewindegangs 14 oder der Spindelgewindegänge 14 realisiert werden.
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Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel greift grundsätzlich auf das Ausführungsbeispiel der 1 zurück, wobei hier gegenüberliegende Schlauchmembranen 10 in dem Pumpengehäuse 2 eingebaut sind, die mit jeweils eigenständigen Einlassräumen 6 und Druckräumen 7 zusammenwirken. In Erweiterung dieses Ausführungsbeispiels können auch beispielsweise drei oder vier entsprechende Schlauchmembranen 10 in einer entsprechend ausgestalteten Spindelpumpe 1 verbaut sein. Dadurch kann insbesondere die Förderleitung der Spindelpumpe 1 erhöht werden. Grundsätzlich ist es bei einer solchen Ausgestaltung auch möglich, unterschiedliche Medien mit einer Spindelpumpe 1 zu fördern, wobei ausgeschlossen ist, dass die unterschiedlichen Medien in Kontakt kommen.
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Die 4a bis 4c zeigen unterschiedliche Kopfformen des Spindelgewindegangs 14 beziehungsweise der Spindelgewindegänge 14 der schraubenförmigen Spindel 5. Ein Spindelgewindegang 14 weist eine Treibflanke 15, eine Nachlaufflanke 16 und einen die Treibflanke 15 mit der Nachlaufflanke 16 verbindenden Flankenkopf 17 auf. Durch die Anpassung des Flankenkopfs 17 über die jeweils zulaufenden Treibflanken 15 und Nachlaufflanken 16, die in unterschiedlichen Ausgestaltungen in den 4a, 4b und 4c dargestellt ist, lässt sich die Funktion und Arbeitsweise eines jeden Spindelgewindegangs 14 auf den jeweiligen Anwendungsfall anpassen. Auch werden dadurch die auf die Schlauchmembran 10 einwirkenden Belastungen beeinflusst. Beispielsweise sind diese bei der Ausgestaltung gemäß 4c durch die geringe Steigung der Nachlaufflanke 16 und der Treibflanke 15 sowie des stark abgerundeten Flankenkopfs 17 gering.
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Das Ausführungsbeispiel gemäß 5 zeigt wiederum grundsätzlich eine Ausgestaltung der Spindelpumpe 1 entsprechend der 1, wobei hier zusätzlich außerhalb der Spindelpumpe 1 eine eine Schmiermediumkühleinrichtung bildende Kühlleitung 18 vorgesehen ist. Dabei ist der Innenraum des Pumpengehäuses 2 außerhalb der Schlauchmembran 10 als Schmierraum 19 zumindest teilweise mit einem Schmiermittel, beispielsweise Öl, befüllt, das bei einer Drehbewegung der Spindel 5 (wie das zu fördernde Medium) kontinuierlich durch den Schmierraum 19 einschließlich der Lager 4a, 4b gefördert wird und außerhalb der Spindelpumpe 1 in der Kühlleitung 18 gekühlt wird. Wegen des bei der dargestellten Ausführungsform vorhandenen Leckagespalts zwischen dem (unteren) Spindelwandabschnitt 12 der Spindel 5 und dem zugewandten Pumpengehäusewandabschnitt 11 ist die Fördermenge des geförderten Schmiermittels normalerweise geringer als die des geförderten Mediums, kann aber auch durch eine konstruktive Verkleinerung des Leckagespalts erhöht werden. Die Kühlleitung 18 kann zusätzlich mit einem Wärmetauscher verbunden sein.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass beliebige zuvor beschriebene Einzelmerkmale der erfindungsgemäßen Spindelpumpe 1 miteinander und untereinander kombiniert sein können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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