DE102017107962B3

DE102017107962B3 - Exzenterschneckenpumpe

Info

Publication number: DE102017107962B3
Application number: DE102017107962.9A
Authority: DE
Inventors: Josef Strohhofer; Hisham Kamal; Reinhard Denk
Original assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Current assignee: Netzsch Pumpen and Systeme GmbH
Priority date: 2017-04-12
Filing date: 2017-04-12
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-04-13
Also published as: EP3610154A1; BR112019019152A2; AU2018253007B2; EP3610154B1; US11236747B2; BR112019019152B1; WO2018188694A1; AU2018253007A1; US20200056609A1; ZA201906631B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenpumpe zum Pumpen von fluiden oder fließfähigen Fördermedien von einer Saugseite zu einer Druckseite. Eine solche Exzenterschneckenpumpe umfasst einen Rotor und einen Stator, wobei der Stator nachgiebig ausgestaltet und einseitig, insbesondere an der Saugseite, am Pumpengehäuse festgelegt ist, wobei der Rotor über ein Gelenk mit einer Antriebswelle verbunden ist. In einem Ruhezustand der Exzenterschneckenpumpe ist zumindest bereichsweise kein Dichtkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator in Dichtbereichen ausgebildet. In einem Betriebszustand der Exzenterschneckenpumpe ist der Stator zumindest bereichsweise und/oder im Wesentlichen vollumfänglich von dem Fördermedium umgeben, wobei der Rotor und der Stator in dem Betriebszustand entlang der Dichtbereiche in Anlage gebracht sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere eine Wobblepumpe, gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.
Stand der Technik
Exzenterschneckenpumpen sind Pumpen zur Förderung einer Vielzahl von Medien, insbesondere von dickflüssigen, hochviskosen und abrasiven Medien wie zum Beispiel Schlämmen, Gülle, Erdöl und Fetten. Aus dem Stand der Technik bekannte Exzenterschneckenpumpen sind aus einem Rotor und einem Stator gebildet, wobei der Rotor im Stator aufgenommen ist und sich im Stator exzentrisch bewegt. Der Stator weist hierfür eine schneckenförmig gewendelten Innenseite auf. Aus der Bewegung des Rotors und gegenseitiger Anlage von Stator und Rotor in so genannten Dichtbereichen beziehungsweise Dichtkontaktflächen werden zwischen dem Stator und dem Rotor wandernde Förderräume gebildet, vermittels welchen flüssige Medien entlang des Stators transportiert werden können. Der Rotor vollführt dabei eine exzentrische Drehbewegung um die Statorlängsachse beziehungsweise um die Längsachse der Exzenterschneckenpumpe. Die äußere Schnecke, das heißt der Stator, hat beispielsweise die Form eines zweigängigen Gewindes, während die Rotorschnecke nur eingängig ist. Beispielsweise eignen sich Exzenterschneckenpumpen zum Fördern von Wasser, Erdölen und einer Vielzahl weiterer Flüssigkeiten. Die Form der Förderräume ist bei der Bewegung des Rotors innerhalb des Stators konstant, so dass das Fördermedium nicht gequetscht wird. Bei passender Auslegung können mit Exzenterschneckenpumpen nicht nur Fluide, sondern auch Festkörper gefördert werden.
Der Förderwirkungsgrad einer Exzenterschneckenpumpe ist besonderes von der Qualität der Abdichtung zwischen den Druckräumen beziehungsweise Förderräumen des Stators und dem Profil des verdrängenden Rotors bestimmt, was insbesondere dadurch erreicht wird, dass die Druckraumwände des Stators durch eine Vorspannung in den Dichtbereichen beziehungsweise im Bereich der Dichtkontaktflächen elastisch an den Rotor angepresst werden. Diese anfängliche Überdeckung ist insbesondere notwendig, um zu verhindern, dass der beim Starten der Exzenterschneckenpumpe sich aufbauende Pumpendruck das elastisch verformbare Material des Stators radial nach außen drückt. Fehlt diese Überdeckung, dann geht durch den sich aufbauenden Pumpendruck der Reibkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator verloren, Dieser ist aber notwendig, um ein Überströmen des Fördermediums zu einer Förderkammer mit niedrigerem Druck zu verhindern beziehungsweise zu minimieren. Unter Überdeckung versteht man insbesondere, dass die Außenmaße des Rotors in den Berührungsbereichen beziehungsweise entlang der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen zwischen Rotor und Stator größer ist als die Innenmaße des Stators.
Es ist eine Vielzahl von Exzenterschneckenpumpen bekannt, die einen unverstärkten Elastomerstator besitzen. Meist handelt es sich dabei um Exzenterschneckenpumpen, bei denen der Stator von einem Druckmedium umgeben ist. Beispielsweise ist bei solchen Exzenterschneckenpumpen ein Statorende innerhalb der Exzenterschneckenpumpe fixiert, während das andere Statorende frei schwingend angeordnet ist. Dadurch ist der Stator in der Lage, die exzentrische Bewegung des Rotor- Stator- Systems aufzunehmen. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Stator von dem Fördermedium umgeben ist. Insbesondere wird bei diesem Pumpentyp die Förderrichtung so gewählt, dass das den Stator umgebende Fördermedium den Druckseitendruck der Exzenterschneckenpumpe aufweist. Durch die entstehende Druckdifferenz zwischen den mit der Saugseite verbundenen Förderkammern und dem Druckseitendruck auf die Außenmantelfläche des Stators wird der Stator auf den Rotor gedrückt. Somit können mit auch mit sehr weichen Statoren vergleichsweise hohe Drücke erzeugt werden. Diese Exzenterschneckenpunpen bezeichnet man insbesondere als Wobblepumpen.
Es gibt zwei Arten von Wobblepumpen. Die einen sind mit Gelenk und die anderen ohne Gelenk ausgeführt. Bei Wobblepumpen ohne Gelenk beschreibt die Achse des flexiblen Gummistators eine Zylinderform, d.h. der Stator wird seitlich weggedrückt. Bei Wobblepumpen mit Gelenk wird die exzentrische Bewegung zwischen Rotor und Stator (Exzentrizität) dadurch ausgeglichen, dass zwischen der ortsfesten Achse der Antriebswelle und der Rotorschnecke ein kardanisches Gelenk zur Drehmomentübertragung angeordnet ist. Zudem ist der Stator am gegenüberliegenden Ende flexibel eingespannt, das einen weiteren kardanischen Freiheitsgrad zulässt. Durch den Abstand dieser beiden kardanischen Freiheitsgrade mit jeweils Winkel α kann die Exzentrizität e ausgeglichen werden. Die Achse des Stators beschreibt im Wesentlichen eine Kegelform.
Nachteilig ist insbesondere, dass aufgrund der Anlage von Rotor und Stator mit Überdeckung entlang der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen beim Anfahren der Exzenterschneckenpumpe ein hohes Losbrechmoment überwunden werden muss. Der verwendete Antrieb für den Rotor muss ausreichend dimensioniert sein, um die entsprechende Kraft für das Losbrechen der Exzenterschneckenpumpe und das Beschleunigen der Exzenterschneckenpumpe über den niedrigen Drehzahlbereich aufzubringen.
Aus der DE 198 42 754 A1 und der DE 40 14 170 A1 gehen gattungsgemäße Exzenterschneckenpumpen mit Wobble-Statoren hervor. Die DE 2 158 009 A offenbart eine Exzenterschneckenpumpe mit einstellbarem Spiel zwischen Rotor und Stator zur Vermeidung eines Anlaufmomentes.
Beschreibung
Die Aufgabe der Erfindung ist, eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere eine Wobblepumpe, bereitzustellen, deren Loslaufen bei Inbetriebnahme verbessert ist.
Die obige Aufgabe wird durch eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere eine Wobblepumpe, gelöst, die die Merkmale in dem Patentanspruch 1 umfasst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.
Die Erfindung betrifft eine Exzenterschneckenpumpe, insbesondere eine Wobblepumpe, zum Pumpen von fluiden oder fließfähigen Fördermedien von einer Saugseite zu einer Druckseite. Die Wobblepumpe umfasst einen inneren Pumpenteil und einen äußeren Pumpenteil, beispielsweise umfasst die Wobblepumpe als inneren Pumpenteil einen Rotor und als äußeren Pumpenteil einen Stator, insbesondere einen Wobblestator. Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann auch vorgesehen sein, dass das äußere Pumpenteil drehend angeordnet ist, während das innere Pumpenteil fixiert ist. Eine weitere Ausführungsform kann vorsehen, dass der innere und der äußere Pumpenteil gegeneinander drehend angeordnet sind.
Gemäß der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Exzenterschneckenpumpe einen Rotor und einen Stator. Der Rotor der Wobblepumpe ist über ein Gelenk mit einer Antriebswelle und somit mit dem Antrieb verbunden. Alternativ kann das Gelenk auch direkt mit der Motorwelle des Antriebs verbunden sein. Der Stator ist nachgiebig ausgestaltet und einseitig, insbesondere an der Saugseite, am Gehäuse der Exzenterschneckenpumpe bzw. Pumpengehäuse festgelegt, während das andere Statorende frei schwingend innerhalb des Pumpengehäuses angeordnet ist und somit die exzentrische Bewegung des Rotors aufnehmen kann. Nachfolgend wird vorzugsweise nur noch von Wobblepumpen gesprochen, um eine derartige Exzenterschneckenpumpe zu beschreiben.
Der Stator ist vorzugsweise nachgiebig ausgestaltet, beispielsweise kann dieser aus einem elastomeren Material bestehen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass der Stator zwar aus einem relativ starren Material besteht, das jedoch derart dünnwandig ausgebildet ist, dass das Material des Stators insbesondere bei einer radial zur Längsachse des Stators wirkenden Kraft entsprechend nachgibt.
Im laufenden Produktionsbetrieb sind der Stator und der Rotor der Wobblepumpe entlang von sogenannten Dichtlinien oder Dichtbereichen in Anlage gebracht, so dass voneinander getrennte Förderräume für das Fördermedium ausgebildet werden. In einem Ruhezustand der Wobblepumpe besteht dagegen in den Dichtbereichen beziehungsweise im Bereich der Dichtkontaktflächen zumindest bereichsweise kein Dichtkontakt zwischen dem Rotor und dem Stator. Der Stator, der nachfolgend auch Wobblestator genannt wird, ist dagegen in einem Betriebszustand der Wobblepumpe beziehungsweise Arbeitsmodus der Wobblepumpe zumindest bereichsweise und/oder im Wesentlichen vollumfänglich von dem Fördermedium umgeben. Dieses bewirkt einen Druck auf die Außenmantelfläche des Stators. Der Stator wird radial gegen den Rotor gedrückt und insbesondere in den Dichtbereichen bzw. im Bereich der Dichtkontaktflächen mit diesem in dichtende Anlage gebracht, wodurch voneinander getrennte benachbarte Förderräume für das Fördermedium ausgebildet werden.
Im Folgenden werden weitere vorteilhafte Ausbildungen der Wobblepumpe anhand einer Wobblepumpe beschrieben, bei der der äußere Pumpenteil als Wobblestator und der innere Pumpenteil als Rotor ausgebildet ist. Es versteht sich von selbst, dass der Fachmann dies analog auf Wobblepumpen übertragen kann, die einen statischen inneren Pumpenteil und einen drehenden äußeren Pumpenteil aufweisen oder auf Wobblepumpen, bei denen innerer und äußerer Pumpenteil gegeneinander drehend ausgebildet sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass in dem Ruhezustand der Wobblepumpe entlang der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen zwischen dem Rotor und dem Stator zumindest bereichsweise ein Spiel ausgebildet ist.
Der flexible Bereich am Wobblestator, der für den Ausgleich der Exzentrizität zuständig ist, ist eine der am höchsten belasteten Stellen des Wobblestators. Durch die andauernde Biegung des Wobblestators entstehen je nach Gestaltung der Statoreinspannstelle in diesem Bereich Zug- bzw. Druckkräfte oder Schubkräfte. Das Betriebsmoment und die axiale Kraft aufgrund des Differenzdrucks kann je nach Gestaltung der Statoreinspannstelle ebenfalls nochmals Zug- Druck oder Schubkräfte hervorrufen. Durch das Antriebsmoment entstehen hohe Schubspannungen am Wobblestator. Es ist bekannt, dass Elastomere Zug- und Schubkräfte eine lange Zeit ertragen können, wenn das Elastomermaterial „vorgespannt“ ist bzw. Druckspannungen eingebracht sind. Weiterhin ist bekannt, dass das Antriebsmoment und daraus resultierende Schubspannungen mit größer werdendem Förderdruck der Pumpe ansteigen. Während des Betriebs der direkt endseitig eingespannten Wobblepumpe mit mittleren und hohen Drücken entsteht zusätzlich zu den genannten Belastungen auf den flexiblen Bereich des Wobblestators Druckkräfte aufgrund des Differenzdruckes zwischen Druck- und Saugseite. Diese Druckkräfte dienen als „Vorspannung“ des Materials, sodass in diesem Betriebszustand hohe Lebensdauern erreicht werden können.
Werden Wobblepumpen nach dem Stand der Technik mit Überdeckung zwischen Rotor und Wobblestator bei niedrigen Drücken oder im drucklosen Zustand betrieben, fehlt diese überlagerte „Vorspannung“, sodass das elastomere Material des Wobblestators geschädigt wird. Gerade beim Loslaufen von Wobblepumpen mit Überdeckung zwischen Rotor und Wobblestator führt dies zu einer besonders starken Materialschädigung, da das Lochbrechmoment komplett ohne „Vorspannung“ ertragen werden muss.
Die erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe mit Wobblestator und mit zumindest bereichsweise ausgebildetem Spiel zwischen dem Wobblestator und dem Rotor im Ruhezustand weist somit flexible Bereiche im Wobblestator auf, die bei höheren Drehmomentbelastungen passend dazu eine höhere Vorspannng aufweisen. Durch das Spiel ist das Anlaufmoment etwa Null und das Betriebsmoment ist bei kleinen Differenzdrücken ebenfalls sehr gering.
Beispielsweise ist vorgesehen, dass der Rotor zumindest bereichsweise kleinere Außenmaße aufweist als der Wobblestator Innenmaße aufweist. Vorzugsweise besteht zwischen Rotor und Wobblestator im weitgehend gesamten Bereich der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen, die die Förderkammern im laufenden Betrieb der Wobblepumpe voneinander abtrennen, somit im Ruhezustand jeweils zumindest ein minimaler Abstand zwischen dem Rotor und dem Wobblestator.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem Ruhezustand entlang eines Bereichs, der in etwa zwischen 50% - 100% der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen entspricht, zwischen dem Rotor und dem Wobblestator kein Dichtkontakt ausgebildet. Insbesondere ist in diesem Bereich ein Spiel beziehungsweise Abstand zwischen dem Rotor und dem Wobblestator ausgebildet. In den restlichen Bereichen kann gegebenenfalls ein Kontakt zwischen dem Rotor und dem Wobblestator in den Dichtbereichen beziehungsweise im Bereich der Dichtkontaktflächen bestehen. Es ist sogar möglich, dass in den restlichen 0% bis 50% der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen teilweise eine Überdeckung zwischen dem Rotor und dem Wobblestator vorliegt. Das heißt, es wäre auch vorstellbar, dass bei einer Ausführungsform eines Wobblepumpe gemäß vorliegender Anmeldung zwischen dem Rotor und dem Wobblestator in den Dichtbereichen beziehungsweise im Bereich Dichtkontaktflächen bereichsweise ein Spiel beziehungsweise Abstand und bereichsweise eine Überdeckung zwischen dem Rotor und dem Wobblestator des Rotor- Stator- Systems ausgebildet ist. Dies kann insbesondere aufgrund der Fertigungstoleranzen bei der Fertigung des Rotors und / oder des Wobblestators entstehen.
Zwischen dem Rotor und dem Wobblestator besteht in dem Betriebszustand ein Kontakt zwischen dem Rotor und dem Wobblestator entlang der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen. Dieser Kontakt wird insbesondere durch das auf die Außenmantelfläche des Wobblestators einwirkende Fördermedium erzeugt. Man bezeichnet dies auch als Überschneidung, da das von außen auf die Außenmantelfläche wirkende Fördermedium den nachgiebigen Wobblestator derart zusammendrückt, dass dieser eine Form einnehmen möchte, deren Innenmaße kleiner wären als die Außenmaße des Rotors. Durch die Überschneidung wird zumindest bereichsweise, vorzugsweise entlang der kompletten Gesamtlänge der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen ein Kontakt, insbesondere ein Reibkontakt, zwischen dem Rotor und dem Wobblestator hergestellt. Dieser Reibkontakt bewirkt eine physikalische Trennung von benachbarten Förderkammern der Exzenterschneckenpumpe, wodurch wirksam ein Rückfluss des Fördermediums verhindert werden kann.
Die Wobblepumpe weist in einem Betriebszustand eine Saugseite mit einem Saugseitendruck auf. Das Fördermedium gelang über einen Einlass in die Wobblepumpe und wird durch die Förderkammern zwischen dem Wobblestator und dem Rotor zur Druckseite befördert. Innerhalb der Wobblepumpe besteht auf der Saugseite ein erster Saugseitendruck und auf der Druckseite ein zweiter Druckseitendruck.
Wird das Fördermedium durch die Wobblepumpe transportiert, so baut sich von der Saugseite her in Richtung Druckseite zunehmend Druck auf. Insbesondere entstehen beim Pumpen des Fördermediums innerhalb des Rotor- Stator- Systems Förderkammern, die je nach aktuellem Drehwinkel zwischen dem Rotor und dem Wobblestator entweder im Wesentlichen den Saugdruck oder den Pumpdruck der Wobblepumpe aufweisen. Bei einer einstufigen Wobblepumpe sieht man in einer Momentaufnahme Förderkammern, die den Saugseitendruck aufweisen und andere Förderkammern, die den Druckseitendruck aufweisen. Bei Rotor-Stator-Systemen mit mehr als einer Stufe existieren zudem noch komplett geschlossene Förderkammern, die einen Druckwert zwischen dem Saugseitendruck und dem Druckseitendruck aufweisen. Das bedeutet, dass im Druckseitenbereich des Wobblestators zu einem großen Drehwinkelanteil kein Druckunterschied zwischen Statorinnenseite und Statoraußenseite besteht. Im Saugseitenbereich des Wobblestators besteht hingegen zu einem großen Drehwinkelanteil eine Druckdifferenz zwischen Innen- und Außenseite des Wobblestators.
Der Stator wird durch Druckdifferenzen zwischen den Förderkammern nach außen gedrückt; das Fördermedium versucht quasi den Stator nach außen zu drücken, um in eine Förderkammer niedrigeren Drucks überströmen zu können. Dieser nach außen gerichtete Druck ist überall auf dem Stator in etwa gleich. Dieser radial nach außen gerichtete Druck innerhalb der Förderkammern bewirkt, dass der elastomere Wobblestator radial nach außen gedrückt wird. Um das im Ruhezustand zwischen dem Rotor und dem Wobblestator bestehende Spiel zu kompensieren und um zu verhindern, dass durch den radial nach außen gerichteten Druck innerhalb der Förderkammern in den Dichtbereichen beziehungsweise im Bereich der Dichtkontaktflächen zwischen dem Rotor und dem Wobblestator ein Abstand entsteht, der einen Übertritt von Fördermedium zwischen den einzelnen Förderkammern erlaubt, und somit einen Rückfluss von Fördermedium zur Saugseite hin ermöglichen würde, liegt im laufenden Betrieb der Wobblepumpe - wie bereits beschrieben - der Druckseitendruck des Fördermediums an der Außenmantelfläche des Stators an. Der Außendruck wird also durch das zur Druckseite hin geförderter Fördermedium aufgebracht, dass das innerhalb des Pumpengehäuses frei angeordnete freie Ende des Wobblestators mit dem Druckseitendruck umspült und dadurch ein radiales Anpressen des Stators an den Rotor und eine dichtende Anlage zwischen dem Stator und dem Rotor im Bereich der Dichtkontaktflächen bewirkt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem Ruhezustand der Wobblepumpe an der Saugseite ein erstes Spiel zwischen dem Rotor und dem Wobblestator ausgebildet ist und dass an der Druckseite ein zweites Spiel zwischen dem Rotor und dem Wobblestator ausgebildet ist. Insbesondere ist das erste Spiel auf der Saugseite größer als das zweite Spiel auf der Druckseite. In dem Ruhezustand liegt über die Wobblepumpe kein Differenzdruck zwischen der Saugseite und der Druckseite an.
Da der Innendruck des Fördermediums zur Druckseite hin ansteigt, während der Außendruck des Druckmediums auf die Außenmantelfläche des Wobblestators im Wesentlichen überall gleich ist, wird der Wobblestator im Bereich der Druckseite weniger stark auf den Rotor gepresst als auf der Saugseite. Bei einer Ausführungsform, bei der im Ruhezustand auf der Druckseite ein geringeres Spiel zwischen dem Rotor und dem Wobblestator ausgebildet ist als auf der Saugseite, kann dies entsprechend besser kompensiert werden, so dass der Reibkontakt zwischen dem Wobblestator und dem Rotor entlang der Dichtbereiche beziehungsweise Dichtkontaktflächen im Wesentlichen überall gleich ist. Die Geometrie des Rotors und/ oder des Wobblestators ist somit derart gewählt, dass die Vorspannung zwischen dem Rotor und dem Wobblestator auf der Saugseite im Vergleich zur Druckseite verringert ist.
Beispielsweise kann das Spiel zwischen Rotor und Wobblestator im Wesentlichen kontinuierlich entlang der Dichtbereichen beziehungsweise Dichtkontaktflächen zwischen dem Rotor und dem Wobblestator von der Saugseite zur Druckseite hin abnehmen, um die von der Saugseite zur Druckseite hin ansteigende Druckdifferenz zu kompensieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass im Ruhezustand der Wobblepumpe auf der Saugseite ein Spiel zwischen dem Rotor und dem Wobblestator ausgebildet ist und auf der Druckseite eine so genannte Überdeckung zwischen dem Rotor und dem Wobblestator vorgesehen ist.
Im Ruhezustand, insbesondere vor Beginn eines Pumpvorganges, liegt kein Fördermedium auf der Druckseite der Wobblepumpe vor, beziehungsweise das vorliegende Medium weist nur einen geringen Differenzdruck zur Saugseite der Wobblepumpe auf. Somit wirkt auch kein entsprechender Druck auf die Außenmantelfläche des Wobblestators. Mit Beginn des Pumpvorgangs wird Fördermedium zur Druckseite der Wobblepumpe hin befördert, das dann auf die Außenmantelflächen des Wobblestators drückt und somit die gewünschte Überschneidung bzw. Anlage zwischen dem Rotor und dem Wobblestator in den Dichtbereichen beziehungsweise im Bereich der Dichtkontaktflächen bewirkt, so dass die jeweils benachbarten Förderkammern physikalisch voneinander getrennt werden.
Da zu Beginn des Pumpvorgangs noch kein Außendruck auf die Außenmantelfläche des Wobblestators einwirkt und somit zwischen dem Rotor und dem Wobblestator im Wesentlichen ein Spiel besteht, weist eine solche Wobblepumpe kein beziehungsweise nur ein sehr geringes Losbrechmoment auf, so dass eine solche Wobblepumpe im Vergleich zu herkömmlich bekannten Wobblepumpen, bei denen im Ruhezustand eine Überdeckung zwischen Rotor und Stator ausgebildet ist, mit einem schwächeren Antrieb betrieben werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Wobblestator und dem Pumpengehäuse druckseitig zumindest bereichsweise ein ringförmiger Raum ausgebildet, in den das Fördermedium einfließt. Das im ringförmigen Raum befindliche Fördermedium drückt somit mit Druckseitendruck auf die Außenmantelfläche des Wobblestators.
Es sind bereits Exzenterschneckenpumpen mit beidseitig eingespannten Statoren bekannt, in denen Fördermedium genutzt wird, um einen ausreichenden Anpressdruck zwischen Stator und Rotor im laufenden Betrieb zu erzeugen. Dabei ist in der Zuleitung des Fördermediums zum Stator und um den Stator herum ein Totraum ausgebildet. Gerade bei Fördermedien, die Feststoffpartikel, Verunreinigungen o.ä. enthalten, kann es innerhalb dieser Toträume zu Ablagerungen kommen, die dann innerhalb relativ kurzer Zeit die entsprechenden Bauteile blockieren und/oder zerstören.
Weiterhin werden Exzenterschneckenpumpen mit beidseitig eingespannten Statoren beschrieben, die ein Druckübertragungsmedium nutzen, wobei das druckseitige Fördermedium und das dem Stator umgebende Druckübertragungsmedium durch einen Kolben oder eine Membran getrennt sind. Dadurch ergibt sich aber der Nachteil, dass hier ein wesentlich komplizierterer Aufbau vorliegt. Zudem kann ein verschiebbarer Kolben ebenfalls durch Festkörper blockiert und/oder zerstört werden. Dasselbe gilt für flexible Membranen. Die genannte Problematik besteht bei einer Wobblepumpe nicht, da hier das freie Ende des Wobblestators frei schwingend innerhalb des Fördermediums der Druckseite angeordnet ist.
Allgemein gilt: Je größer der zu fördernde Druck einer Exzenterschneckenpumpe, desto größere Anpresskräfte müssen zwischen Rotor und Stator herrschen, um eine ausreichende Dichtigkeit der Exzenterschneckenpumpe zu gewährleisten. Gleichzeitig sollen diese Anpresskräfte aber nicht zu groß werden, um unnötige Verlustleistung und Verschleiß durch Reibung zu vermeiden.
Der Stand der Technik stellt hier bereits eine Lösung zur Verfügung, wodurch die Anpresskraft zwischen Rotor und einem zweiseitig eingespannten Stator an den Differenzdruck angepasst werden kann. Allerdings ist der Differenzdruck zwischen dem druckseitigen Fluid und dem Statorinnenraum nicht überall gleich. Am druckseitigen Bereich des zweiseitig eingespannten Stators ist der Druck im Inneren des zweiseitig eingespannten Stators und der umgebende Druck des druckseitigen Fluides in etwa gleich. Im saugseitigen Bereich des zweiseitig eingespannten Stators besteht im Inneren des Stators im Wesentlichen der Saugdruck, wodurch sich eine sehr hohe Druckdifferenz im Vergleich zum druckseitigen Fluid ergibt. Durch die zweiseitige Einspannung des Stators im druck - und saugseitigen Bereich des Stators wird dieser von beiden Seiten stabilisiert und die radiale Nachgiebigkeit des Stators ist in diesem Bereich jeweils eingeschränkt. Durch den Verlauf von Differenzdruck und radialer Stabilität des Stators ergibt sich eine Anpresskraft. Diese ist für zweiseitig eingespannte Statoren sehr ungleichmäßig, was zu einem schlechtem Wirkungsgrad und zu erhöhtem, insbesondere punktuellem Verschleiß führt.
Bei Wobblepumpen mit einseitig eingespanntem Stator ist die Bewegungsfähigkeit des Stators einseitig eingeschränkt. Insbesondere ist der Stator am saugseitigen Ende eingespannt und in diesem Bereich eingeschränkt beweglich. Dagegen ist der Wobblestator am druckseitigen Ende uneingeschränkt radial beweglich. Berechnet man die Anpresskraft als Funktion von Differenzdruck und radialer Stabilität ergibt sich eine über große Bereiche der Statorlänge hinweg gleichmäßige Anpressung des Wobblestators an den Rotor aufgrund einer vorteilhaften Verteilung der Anpresskräfte.
Die einseitige Einspannung des Stators erfolgt endseitig, beispielsweise direkt über eine am freien Ende des Stators ausgebildete ringförmige Verbreiterung. Alternativ kann vom freien Endbereich ausgehend eine Krempe ausgebildet sein, die der Befestigung des Stators am Pumpengehäuse dient. Durch die Druckdifferenz der Wobblepumpe im laufenden Betrieb ergibt sich eine hohe axiale Kraft auf den Stator entgegen der Förderrichtung, d.h. vom Antrieb des Rotors weg gerichtet. Bei der endseitigen, einseitigen Einspannung, insbesondere bei direkter endseitiger Einspannung oder endseitige Einspannung mit Krempe entsteht an der hochbelasteten Biegestelle durch die axiale Kraft eine Druckspannung im Elastomer. Diese ist für die Lebensdauer des Statormaterials vorteilhaft. Im Gegensatz zu bekannten Wobblestatoren mit Überdeckung wird bei der erfindungsgemäßen Wobblepumpe die Einspannstelle des Wobblestators weniger stark belastet, da das Drehmoment nur aufgebracht wird, wenn auch eine Druckspannung überlagernd ausgebildet ist.
Allgemein sind Wobblestatoren in ihrer Drehzahl beschränkt. Insbesondere können Wobblestatoren nur mit geringeren Drehzahlen betrieben werden, da bei zu hoher Drehzahl starke Schwingungen entstehen, die Teile der Wobblepumpe schädigen können. Es wurde nachweislich festgestellt, dass durch Spiel zwischen Rotor und Wobblestator geringere Schwingungen entstehen. Somit kann eine erfindungsgemäße Wobblepumpe mit höheren Drehzahlen betrieben werden als herkömmlich bekannte Wobblepumpen. Diese vorteilhafte Reduktion der Schwingungen ergibt sich durch die geringeren Antriebsmomente aufgrund des zwischen Rotor und Wobblestator ausgebildeten Spiels, da das schwingfähige Systems in rotatorischer Richtung weniger stark angeregt wird. Gerade bei drehzahlvariablen Pumpen mit vorgegebener Leistung wie beispielsweise Solarpumpen, können bei hohen Drehzahlen nur noch geringe Differenzdrücke überwunden werden. Dies bedeutet, dass bei Wobblepumpen mit einem im Ruhezustand zwischen Rotor und Wobblestator ausgebildeten Spiel nur ein geringes Antriebsmoment vorliegt. Die Anregung des schwingfähigen Systems ist damit nochmals geringer.
Der Vorteil eines hier beschriebenen Wobblestators mit Spiel zum Rotor liegt auch darin, dass ein solcher kürzer ausgeführt werden kann als ein zweiseitig eingespannter Stator. Da die zweite Einspannstelle entfällt, können Einlaufseite und Druckanschluss im gleichen Bauraum des Pumpengehäuses untergebracht werden, insbesondere kann der Druckanschluss zumindest teilweise im Statorbereich ausgeführt werden.
Weiterhin ist vorteilhaft, dass eine solche Wobblepumpe ohne Kraftaufwand montiert werden kann, da der Rotor im Gegensatz zu Rotor- Stator- Systemen mit Überdeckung, weitgehend reibungsfrei in das Innengewinde des Wobblestators eingeführt werden kann.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Wobblestator eine spiralförmige Außenkontur aufweisen, die insbesondere mit der spiralförmigen Innenkontur korrespondiert. Ein solcher Wobblestator kann kostengünstiger hergestellt werden, da weniger Material benötigt wird und die Vulkanisationszeit aufgrund der geringeren Wandstärke verkürzt ist, so dass die Herstellung schneller erfolgt und somit in einem definierten Zeitraum mehr Statoren gefertigt werden können. Zudem ist die Stabilität eines solchen Wobblestators in Umfangsrichtung gleichmäßiger.
Weiterhin wird ein Gelenk für eine Wobblepumpe beschrieben, das ein verstärktest Elastomerteil umfasst. Es sind verschiedene gelenkige Wellen für Exzenterschneckenpumpen in Form von Faser- oder Draht-verstärkten Kunststoff- oder Elastomerkörpern bekannt. Diese dienen zum Ausgleich der exzentrischen Bewegung zwischen einem feststehenden Stator und einer feststehenden Antriebswelle. Nachteilig ist bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen von Gelenken, dass für den Ausgleich des Achsversatzes eine große flexible Länge erforderlich ist. Dadurch besteht die Neigung von seitlichen Schwingungen bei höheren Drehzahlen. Diese Schwingungen verringern die Lebensdauer des Gelenks und führen zu unerwünschter Geräuschentwicklung und schädlichen Vibrationen. Außerdem ist zum Übertragen von nennenswerten Druckkräften (bei Förderrichtung vom Motor weg) eine innere Stützkonstruktion in Form einer Welle, eines Rohres, einer Feder oder eines Granulates notwendig. All diese Stützkonstruktionen führen zu unerwünschter Reibung und Verschleiß in und/oder an den Gelenken.
Wird das nachfolgend näher beschriebene Gelenk in Verbindung mit einer Wobblepumpe eingesetzt, muss anstatt eines Achsversatzes e nur noch ein Winkel α ausgeglichen werden. Tests haben gezeigt, dass bereits 0,5 bis 1,5mal Außendurchmesser als freie Biegelänge ausreichend ist, um einen in Wobblepumpen üblichen Winkelversatz von 1 °bis 2° auszugleichen. Durch diese kurze Länge des Gelenks entstehen weniger Schwingungen, was auch zu erhöhtem Wirkungsgrad, höherer Lebensdauer der Bauteile und höheren möglichen Maximaldrehzahlen führt.
Für besonders hohe Belastungen können die vorteilhaften Schwingungseigenschaften und die Fähigkeit zur Übertragung von Druckkräften der kurzen, lediglich mit Winkelauslenkung belasteten Gelenkköper mit den aus dem Stand der Technik bekannten inneren Stützkörpern oder mit zusätzlichen äußeren Stützkörpern kombiniert werden. Stützkörper können dabei z.B. eine Kugel, Granulat, eine Spiralfeder, ein zylindrisches Wellenstück oder ein nachgiebiger Elastomer- bzw. Kunststoffkörper verwendet werden. Empfehlenswert ist hier die Kombination von Stützkörper mit einem Schmiermittel. Zudem kann auch eine mehr oder weniger viskose Stützflüssigkeit verwendet werden.
Das Gelenk umfasst einen zumindest teilweise beweglich ausgebildeten Mittelteil, der aus einem verstärkten Elastomer- oder Kunststoffmaterial gebildet ist. Vorzugsweise wird die Verstärkung des Elastomer- oder Kunststoffmaterial durch eine im Material integrierte Faserverstärkung oder Drahtverstärkung gebildet. Gemäß einer Ausführungsform besteht der eigentliche Gelenkkörper aus einem handelsüblichen Hydraulikschlauch oder einem anderen geeigneten Schlauch mit einer inneren verstärkenden Struktur. Der Schlauch bzw. Hydraulikschlauch besteht beispielsweise aus einem flexiblen Material, beispielsweise Elastomer o.ä., das mit vorzugsweise kreuzförmig verschränkten Armierungen in einer oder mehreren Lagen verstärkt ist. Die Armierung kann dabei sowohl aus Stahl, aus Kunststofffasern als auch aus textilen Fasern bestehen.
Das Mittelstück wird beidseitig durch Anschlussstücke zur Befestigung des Rotors und/oder der Antriebswelle begrenzt. Gemäß einer Ausführungsform ist an den beiden freien Enden des Schlauchstückes jeweils ein Anschlussstück befestigt. Die beiden Anschlussstücke sind vorzugsweise mit Halterillen in axialer Richtung und/oder eventuell auch in radialer Richtung ausgeführt. Die Anschlussstücke weisen vorzugsweise einen n-kantigen Bereich auf, wobei n der Anzahl der Backen an der später verwendeten Schlauchpresse entspricht (üblicherweise haben Schlauchpressen sechs oder acht Backen). Die Anschlussstücke umfassen beispielsweise jeweils eine Hülse zum Halten des jeweiligen Endes des Schlauchstückes. Die Hülsen werden mithilfe einer Schlauchpresse komprimiert, sodass der Schlauch zwischen den beiden Anschlussstücken fixiert ist. Dabei ist der n-kantige Bereich auf dem Anschlussstück winkelig mit den Backen der Schlauchpresse auszurichten. Nach dem Verpressen entsteht eine sichere Verbindung zwischen dem jeweiligen Anschlussstück und der jeweiligen Hülse und somit auch eine sichere Verbindung zwischen dem jeweiligen Anschlussstück und dem jeweiligen freien Ende des Schlauchstückes.
Alternativ kann anstatt eines n-kantigen Bereiches auf dem Anschlussstück auch ein dünn ausgeführter zylindrischer Bereich verwendet werden. Beim Pressvorgang kann dieser dünne Bereich dann ebenfalls in die n-kantige Form gebracht werden.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Hülsen gleichzeitig in einer geeigneten Backenkonstruktion verpresst. Für die Konstruktion kann durch die n-kantige Verpressung zwischen Hülse und Anschlussstück ein höheres Moment zugelassen werden, da für ein Rutschen des Schlauches eine Relativbewegung zwischen Schlauch und Hülse als auch zwischen Schlauch und Anschlussstück gleichzeitig stattfinden muss. Die n-kantige Form auf der Außenseite kann zudem als Angriffsfläche für Werkzeuge verwendet werden, wenn beispielsweise lösbare Gewinde als Anbindung zu den benachbarten Teilen verwendet werden.
Zum Schutz der freien Enden des Schlauchstückes, beispielsweise vor Umgebungseinflüssen wie eindringendes Fluid o.ä. und/oder zur Verstärkung der Bindung zwischen Schlauch und Hülse bzw. Schlauch und Anschlussstück kann zusätzlich eine Dicht- und/oder Klebemasse verwendet werden, die insbesondere zwischen den freien Enden des Schlauchstückes und der jeweiligen Hülse eingebracht wird.
Eine alternative Ausführungsform kann vorsehen, handelsübliche metallische Einsätze für Spritzgussteile anstelle der beiden Anschlussstücke oder in Verbindung mit einem Anschlussstück zu verwenden. Hier kann eventuell auf die n-kantige Verbindung zwischen Anschlussstück und Hülse verzichtet werden. Weiterhin können hier bei einer Ausführungsform Gewindestifte verwendet werden, um Außengewinde bereitzustellen.
Ein Vorteil bei der Verwendung eines Gelenks zwischen dem Rotor und dem Antrieb besteht darin, dass der Rotor derart innerhalb des Stators positioniert werden kann, dass das Spiel zwischen Stator und Rotor entlang der Druckbereiche überall gleich ist.
Eine weitere Ausführungsform einer Wobblepumpe kann vorsehen, dass das Rotor-Stator-System einen einlassseitigen Endabschnitt aufweist, in dem ein dichtlinienfreier Einlauftrichter zwischen dem Stator und dem Rotor entlang einer Trichterlänge ausgebildet ist, wobei die schraubengangförmige Innenumfangsfläche des Stators in einem mittleren Hauptabschnitt des Rotor-Stator-Systems und in dem einlassseitigen Endabschnitt ausgebildet ist. Insbesondere ist der Einlauftrichter derart ausgebildet, wie es in der Anmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2016 009 028 A1 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird. Ein solcher Einlauftrichter, der einerseits eine Fortsetzung der schraubengangförmigen Innenumfangsfläche des Stators umfasst und andererseits dichtlinienfrei ist, erzielt vorteilhafte Strömungseffekte.
Die Erfindung bezieht sich also gemäß einer Ausführungsform auf Exzenterschneckenpumpen mit unverstärktem Elastomerstator, wobei das den Stator umgebende Fördermedium als Druckmedium dient, um die dichtende Anlage zwischen Rotor und Stator im laufenden Pumpenbetrieb herzustellen. Gegebenenfalls kann der Stator auch noch durch Einsätze eines weitgehend starren Materials gestützt werden, wobei die flexible einseitige Einspannstelle erhalten bleiben muss.
Insbesondere entsteht bei Inbetriebnahme der Wobblepumpe ein gewisser Differenzdruck, wodurch der Wobblestator durch das von außen mit Druckseitendruck auf den Wobblestator wirkende Fördermedium auf den Rotor gedrückt wird, wodurch eine wirkliche Trennung der Druckseite von der Saugseite der Wobblepumpe durch den erzwungenen Festkörper- Kontakt zwischen dem Rotor und dem Stator erzeigt wird. Dies bietet verschiedene Vorteile. Zum einen ist das Losbrechen einer erfindungsgemäßen Wobblepumpe mit Spalt zwischen Stator und Rotor leicht möglich, da bei Stillstand der Wobblepumpe noch kein Differenzdruck anliegt. Erst mit steigender Drehzahl baut sich der Differenzdruck zwischen dem Innenraum und dem Außenraum des Wobblestators auf und schließt somit den Dichtkontakt an so genannten Dichtbereichen beziehungsweise Dichtkontaktflächen.
Da bei aus dem Stand der Technik bekannten Wobblepumpen mit Überdeckung, bei denen der Stator im laufenden Betrieb ebenfalls von Fördermedium umgeben ist, die Reibmomente bei Drehzahlen unterhalb des für die entsprechende Wobblepumpe üblichen Betriebsbereiches deutlich erhöht sind, sind für die Inbetriebnahme solcher Wobblepumpen entsprechend starke Antriebe notwendig. Eine erfindungsgemäße Wobblepumpe mit Spiel zwischen Rotor und Stator kann dagegen mit einem wesentlich kleineren Antrieb betrieben werden. Ein Grund hierfür ist, dass bei niedrigen Drehzahlen die zu hohen Momenten führenden Differenzdrücke nicht aufgebaut werden können. D.h., bei den erfindungsgemäßen Wobblepumpen ist das notwendige Antriebsmoment aufgrund des zwischen Rotor und Wobblestator zumindest bereichsweise ausgebildeten Spiels beziehungsweise Abstands deutlich geringer als bei Wobblepumpen mit einer Überdeckung zwischen dem Rotor und dem Wobblestator. Weiterhin ergibt sich bei einer erfindungsgemäßen Wobblepumpe in einem großen Teil des Pumpenkennfeldes eine Verbesserung des Wirkungsgrades beziehungsweise der Gesamteffizienz.
Die erfindungsgemäße Wobblepumpe kann somit vorteilhaft als photovoltaisch betriebenene Wasserpumpe eingesetzt werden. Hierbei sind das Losbrechen der Wobblepumpe und das Beschleunigen der Wobblepumpe über den niedrigen Drehzahlbereich hinweg kritisch, da das zur Verfügung stehende Motormoment im Vergleich zu netzgekoppelten Pumpen geringer ist. Die zur Verfügung stehende Energiemenge und somit Antriebskraft ist zudem von der bereitstehenden Lichtmenge und / oder dem Einfallswinkel der Sonnenstrahlung abhängig. Insbesondere spielt der Sonnenstand eine wichtige Rolle. Die am Morgen noch schwache und sehr schräg auf die Photovoltaikpanele fallende Sonneneinstrahlung liefert wenig Energie, was nochmals zu einem verminderten Motormoment führt.
Figurenliste
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe in einem Ruhezustand.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe in einem Betriebszustand.
3 zeigt eine weitere Darstellung einer erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe in einem Betriebszustand.
4 zeigt die auf die Exzenterschneckenpumpe im Betriebszustand wirkenden Kräfte.
5 zeigt eine erste Ausführungsform einer endseitigen Befestigung des Stators einer Exzenterschneckenpumpe.
6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer endseitigen Befestigung des Stators einer Exzenterschneckenpumpe.
7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Gelenks.
8 zeigt eine Schnitt- Darstellung der ersten Ausführungsform eines Gelenks gemäß 8.
9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Zwischenproduktes bei der Herstellung der ersten Ausführungsform eines Gelenks gemäß 7.
10 zeigt eine Schnitt- Darstellung des Zwischenproduktes bei der Herstellung der ersten Ausführungsform eines Gelenks gemäß 7.
11 zeigt ein Anschlussstück eines Gelenks gemäß 7.
12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Gelenks.
13 zeigt eine Schnitt- Darstellung der zweiten Ausführungsform eines Gelenks gemäß 12.
14 zeigt ein Bauteil der zweiten Ausführungsform eines Gelenks gemäß 12.

Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung ausgestaltet sein kann und stellen keine abschließende Begrenzung dar.
1 zeigt eine schematische Ansicht einer Exzenterschneckenpumpe 1, insbesondere einer Wobblepumpe 2, in einem Ruhezustand und 2 zeigt die Exzenterschneckenpumpe 1 in einem Betriebszustand AZ. Die Exzenterschneckenpumpe 1 umfasst einen elastomeren Stator 3 mit einer schneckenförmig gewendelten Innenseite und einen Rotor 4. Der Stator 3 weist einen Gewindegang mehr als der Rotor 4 auf. Der Rotor 4 ist im Stator 3 aufgenommen. Der Rotor 4 und der Stator 3 bilden das Rotor-Stator-System 11. Das Rotor-Stator-System 11 ist in dem Pumpengehäuse 6 angeordnet, wobei zwischen dem Pumpengehäuse 6 und der Außenmantelfläche des Stators 3 ein ringförmiger Raum 12 ausgebildet ist.
Der Rotor 4 ist mit der Antriebswelle 7 eines Antriebs (nicht dargestellt), beispielsweise eines Elektromotors, gekoppelt und vollführt eine Rotation um die Statorlängsachse beziehungsweise um die Längsachse L der Exzenterschneckenpumpe 1 und gleichzeitig eine kreisförmige Translation bestimmt durch die Exzentrizität e des Rotor- Stator- Systems 11. Das heißt, der Rotor 4 bewegt sich exzentrisch im Stator 3.
Der Rotor 4 ist über ein kardanisches Gelenk 5 an die Antriebswelle 7 gekoppelt. Durch das kardanische Gelenk 5 wird die exzentrische Bewegung bzw. Exzentrizität e zwischen Rotor 4 und Stator 3 durch Drehmomentübertragung ausgeglichen. Der Stator 3 ist an dem freien Ende 8, der dem kardanischen Gelenk 5 gegenüber liegt, einseitig am Pumpengehäuse 6 der Exzenterschneckenpumpe 1 festgelegt, insbesondere flexibel eingespannt. Dies lässt einen weiteren kardanischen Freiheitsgrad zu. Durch den Abstand dieser beiden kardanischen Freiheitsgrade mit jeweils Winkel α kann die Exzentrizität e ausgeglichen werden. Die Achse des Stators beschreibt im laufenden Produktionsbetrieb im Wesentlichen eine Kegelform.
Das freie Ende 8 des Stators 3 weist zur Festlegung am Pumpengehäuse 6 beispielweise eine ringförmige Verbreiterung 9 auf, die am Pumpengehäuse 6 beispielsweise klemmend gehalten wird. Gegebenenfalls kann die ringförmige Verbreiterung 9 als Flansch 10 dienen, über den der Stator 3 mit dem Pumpengehäuse 6 verbunden, beispielsweise verschraubt, werden kann.
Der Stator 3 und der Rotor 4 sind derart dimensioniert ausgebildet, dass in einem ersten Ruhezustand RZ gemäß 1 der Exzenterschneckenpumpe 1 entlang der mindestens zwei Dichtkontaktflächen 14 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 zumindest bereichsweise ein Spiel 100 beziehungsweise Abstand ausgebildet ist. Insbesondere weist der Rotor 4 zumindest bereichsweise kleinere Außenmaße A(4) als der Stator 3 Innenmaße I(3) aufweist.
Im Betriebszustand AZ der Exzenterschneckenpumpe 1 gemäß 2 gelangt das Fördermedium FM über einen Einlass 15 in die Exzenterschneckenpumpe 1 und wird durch die aus der Bewegung des Rotors 4 und der gegenseitigen Anlage von Stator 3 und Rotor 4 an den Dichtkontaktflächen 14 gebildeten wandernden Förderräume FR von der Saugseite S zur Druckseite D der Exzenterschneckenpumpe 1 in Förderrichtung TR transportiert. Das Fördermedium FM wird über den Auslass 16 aus der Exzenterschneckenpumpe 1 ab- und seiner weiteren Verwendung beziehungsweise Verarbeitung zugeführt.
Wenn Fördermedium FM durch die Exzenterschneckenpumpe 1 gepumpt wird (2), bewirkt das Fördermedium FM in den zwischen Rotor 4 und Stator 3 ausgebildeten Förderräumen FR einen radial nach außen gerichteten Druck auf den Stator 3, wodurch das elastisch verformbare Material des Stators 3 radial nach außen gedrückt wird. Um eine ausreichende Abdichtung der Förderräume FR zu gewährleisten, weisen herkömmlich bekannte Wobblepumpen im Ruhezustand eine Überdeckung zwischen dem Stator und dem Rotor auf. Das heißt, zwischen dem Stator und dem Rotor besteht eine Vorspannung. Diese wird insbesondere dadurch erreicht, dass die Außenmaße des Rotors größer sind als die Innenmaße des elastomeren Stators.
Bei der dargestellten Exzenterschneckenpumpe 1 in Form einer Wobblepumpe 2 wird im Betriebszustand AZ über das bereits zur Druckseite D geförderte Fördermedium FM(D) dem Druck des innerhalb der Förderräume FR befindlichen Fördermediums FM(FR) entgegengewirkt. Insbesondere umspült das den Druckseitendruck aufweisende Fördermedium FM(D) den in den Druckseitenbereich D hineinragende Stator 3 und drückt hierbei den Stator 3 gegen den Rotor 4. Aufgrund des im Ruhezustand RZ zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 4 ausgebildeten Spiels 100, kann das Anfahren der Exzenterschneckenpumpe 1 ohne das nachteilige große Anfahrtsmoment von Wobblepumpen mit im Ruhrzustand ausgebildeter Überdeckung zwischen Rotor und Stator erfolgen. Die Förderwirkung kann dann mit einem sehr niedrigen Wert einsetzen und mit der Steigerung des durch die Exzenterschneckenpumpe 1 geförderten Fördermediums FM(D) erhöht werden.
Insbesondere wird durch den vom Fördermedium FM(D) auf den Stator 3 ausgeübten Druck dieser im Bereich der mindestens zwei Dichtkontaktflächen 14 an den Rotor 4 gepresst, wodurch die einzelnen Förderräume FR sicher voneinander räumlich getrennt werden. Durch den im Betriebszustand AZ ausgebildeten Festkörperkontakt zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 wird eine echte Trennung der Förderräume FR sowie eine Trennung zwischen der Saugseite S der Exzenterschneckenpumpe 1 und der Druckseite D der Exzenterschneckenpumpe 1 erreicht.
Ein wesentlicher Vorteil einer solchen Exzenterschneckenpumpe 1 bzw. Wobblepumpe 2 besteht insbesondere darin, dass beim Überführen der Exzenterschneckenpumpe 1 aus einem Stillstand beziehungsweise aus dem Ruhezustand RZ in einen Betriebszustand AZ aufgrund des im Ruhezustand RZ zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 zumindest bereichsweise ausgebildeten Spiels 100 beim Anfahren der Exzenterschneckenpumpe 1 weniger Kraftaufwand notwendig ist, um das Losbrechmoment zu überwinden.
3 zeigt eine weitere stilisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Exzenterschneckenpumpe 1 und 4 zeigt die auf die Exzenterschneckenpumpe 1 im Betriebszustand AZ wirkenden Kräfte. In 3 ist der flexible Bereich 20 des Stators 3 am freien Endbereich 8 gekennzeichnet. Aufgrund des zwischen Rotor 4 und Stator 3 im Ruhezustand RZ (vergleiche 1) ausgebildeten Spiels 100 weist das Rotor-Stator-System 11 im Ruhezustand RZ keine Vorspannung auf. Somit ist beim Starten der Exzenterschneckenpumpe 1 das Anlaufmoment in etwa Null und das Betriebsmoment ist bei kleinen Differenzdrücken zwischen der Saugseite S und der Druckseite D ebenfalls gering. Es steigt mit steigender Fördermenge bis zum Druckseitendruck p(D) an. Der flexible Bereich 20 des Stators 3 weist bei höheren Drehmomentbelastungen aufgrund des zunehmenden Differenzdrucks zwischen der Saugseite S und der Druckseite D eine entsprechend höhere Vorspannung auf.
Da der Stator 3 nur einseitig am Pumpengehäuse 6 festgelegt ist, wird die Bewegungsfähigkeit des Stators 3 nur einseitig eingeschränkt. Berechnet man die Anpresskraft F als Funktion von Differenzdruck Δp und radialer Stabilität rS ergibt sich zwischen Druckseite D und Saugseite S eine weitgehend gleichmäßige Anpressung des Stators 3 an den Rotor 4.
Durch das zwischen Rotor 4 und Stator 3 im Ruhezustand RZ ausgebildete Spiel 100 (vergleiche insbesondere 1 und 2) entstehen nur geringe Schwingungen, so dass eine Wobblepumpe 2 mit entsprechend ausgebildetem Rotor-Stator- System 11 mit höheren Drehzahlen betrieben werden kann als herkömmlich bekannte Wobblepumpen. Aufgrund des im Ruhezustand RZ ausgebildeten Spiels ergeben sich insbesondere weniger Anregungen des schwingfähigen Systems in rotatorischer Richtung. Dadurch können erfindungsgemäße Wobblestatoren 3 vorteilhaft bei drehzahlvariablen Exzenterschneckenpumpen 1 mit vorgegebener Leistung, beispielsweise solarbetriebenen Wobblepumpen 2 eingesetzt werden, bei welchen in der Regel bei höheren Drehzahlen nur noch geringe Differenzdrücke Δp überwunden werden können.
5 zeigt eine erste Ausführungsform einer endseitigen Befestigung des Stators 3 einer Exzenterschneckenpumpe 1 und 6 zeigt eine zweite Ausführungsform einer endseitigen Befestigung des Stators 3 einer Exzenterschneckenpumpe 1. Gemäß der in 5 dargestellten Ausführungsform weist der Stator 3 an seinem freien Endbereich 8 eine ringförmige Verbreiterung 9 auf, über die der Stator 3 am Pumpengehäuse 6 festgelegt ist. Beispielsweise dient die ringförmige Verbreiterung 9 als Flansch 10, um den Stator 3 mit dem Pumpengehäuse 6 zu verschrauben o.ä.
Gemäß der in 6 dargestellten Ausführungsform weist der Stator 3 an seinem freien Endbereich 8 eine sich in Richtung des gegenüberliegenden saugseitigen Endbereichs 13 erstreckende Krempenstruktur 17 auf, die den Stator 3 bereichsweise umschließt, wobei zwischen der Außenmantelfläche des Stators 3 und der Krempenstruktur 17 ein ringförmiger Raum 19 ausgebildet ist, der in fluider Verbindung mit dem oben beschriebenen zwischen dem Stator 3 und dem Pumpengehäuse 6 ausgebildeten ringförmigen Raum 12 steht. Die sich in Richtung des gegenüberliegenden saugseitigen Endbereichs 13 erstreckende Krempenstruktur 17 geht in einen freien Endbereich 18 über. Der freie Endbereich 18 ist am Pumpengehäuse 6 festgelegt, insbesondere wird der Stator 3 über den freien Endbereich 18 der Krempenstruktur 17 in einem mittigen Bereich 6M des Pumpengehäuses 6 an diesem befestigt.
Bei den beiden in den 5 und 6 dargestellten Ausführungsformen kann der Stator 3 jeweils weitgehend komplett von dem saugseitigen Endbereich 8 bis zum druckseitigen Endbereich 13 von Fördermedium FM umspült werden (vergleiche insbesondere 2).
7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines kardanischen Gelenks 5, 5a und 8 zeigt eine Schnitt- Darstellung. 9 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Zwischenproduktes 5*, 5a* bei der Herstellung der ersten Ausführungsform eines kardanischen Gelenks 5, 5a gemäß 7 und 10 zeigt eine Schnitt- Darstellung. 11 zeigt ein Anschlussstück 60 eines Gelenks 5, 5a gemäß 7.
Das Gelenk 5, 5a umfasst ein innen- verstärktes Elastomerteil 50. Tests haben gezeigt, dass bereits 0,5 bis 1,5mal Außendurchmesser dA als freie Biegelänge LB ausreichend, um einen in Wobblepumpen 2 üblichen Winkelversatz α von 1 bis 2° auszugleichen. Durch diese kurze Länge des Gelenks 5, 5a entstehen weniger Schwingungen, was auch zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Wobblepumpe 2, höherer Lebensdauer der Bauteile der Wobblepumpe 2 und höheren möglichen Maximaldrehzahlen der Wobblepumpe 2 führt.
Für besondere Ausführungsformen, beispielsweise Wobblepumpen 2 die besonders hohen Belastungen ausgesetzt sind, können die vorteilhaften Schwingungseigenschaften und die Fähigkeit zur Übertragung von Druckkräften der kurzen, lediglich mit Winkelauslenkung belasteten Gelenkkörper 5, 5a mit aus dem Stand der Technik bekannten inneren Stützkörpern (nicht dargestellt) kombiniert werden. Innere Stützkörper können dabei z.B. eine Kugel, Granulat, eine Spiralfeder, ein zylindrisches Wellenstück oder ein nachgiebiger Elastomer- bzw. Kunststoffkörper verwendet werden. Empfehlenswert ist hier die Kombination von Stützkörper mit einem Schmiermittel. Zudem kann auch eine mehr oder weniger viskose Stützflüssigkeit verwendet werden.
Der Elastomerteil 50 des Gelenks 5a besteht vorzugsweise aus einem handelsüblichen Hydraulikschlauch oder einem anderen geeigneten Schlauch mit einer inneren verstärkenden Struktur. Die innere verstärkende Struktur kann beispielsweise durch kreuzförmig verschränkte Armierungen in einer oder mehreren Lagen gebildet werden. Die Armierung kann dabei sowohl aus metallischen Fasern oder Drähten, Kunststofffasern und/oder textilen Fasern o.ä. gebildet sein. An den beiden freien Enden des den Elastomerteil 50 bildenden Schlauchstückes 51 ist jeweils ein Anschlussstück 60 befestigt. Die beiden Anschlussstücke 60 sind vorzugsweise mit Halterillen 62 in axialer Richtung und/oder eventuell auch in radialer Richtung ausgeführt und weisen gegebenenfalls weitere Haltemittel (nicht dargestellt) zur Befestigung und Fixierung in und/oder an den freien Endbereichen des Schlauchstückes 51 auf. Die Anschlussstücke 60 weisen vorzugsweise einen n-kantigen Aufsetzbereich 63 auf, wobei n der Anzahl der Backen der später verwendeten Schlauchpresse entspricht (üblicherweise haben Schlauchpressen sechs oder acht Backen). Die Anschlussstücke 60 ist insbesondere jeweils eine Hülse 52 zum Halten des jeweiligen Endes des Schlauchstückes 51 zugeordnet (vergleiche 9 und 10). Die Hülsen 52 werden mithilfe einer Schlauchpresse komprimiert, insbesondere weisen die derart komprimierten Hülsen 53 (vergleiche 7 und 8) zumindest bereichsweise eine Außenkontur auf, die mit der Außenkontur des n-kantigen Aufsetzbereichs 63 des jeweiligen Anschlussstücks 60 korrespondiert. Auf diese Weise wird das Schlauchstück 51 zwischen den beiden Anschlussstücken 60 fixiert. Dabei ist der n-kantige Bereich 63 auf dem Anschlussstück 60 winklig mit den Backen der Schlauchpresse auszurichten. Nach dem Verpressen entsteht eine sichere Verbindung zwischen dem jeweiligen Anschlussstück 60 und der jeweiligen Hülse 53 und somit auch eine sichere Verbindung zwischen dem jeweiligen Anschlussstück 60 und dem jeweiligen freien Ende des Schlauchstückes 51.
Vorzugsweise werden mindestens zwei Hülsen 52 gleichzeitig in einer geeigneten Backenkonstruktion verpresst. Für die Konstruktion kann durch die n-kantige Verpressung zwischen Hülse 52 und Anschlussstück 60 ein höheres Moment zugelassen werden, da für ein Rutschen des Schlauchstückes 51 eine Relativbewegung zwischen dem Schlauchstück 51 und einer Hülse 52 als auch zwischen dem Schlauchstück 51 und dem der Hülse 52 zugeordneten Anschlussstück 60 gleichzeitig stattfinden muss. Die n-kantige Außenkontur des n-kantigen Aufsetzbereichs 63 kann zudem als Angriffsfläche für Werkzeuge verwendet werden, wenn beispielsweise lösbare Gewinde als Anbindung zu den benachbarten Teilen, insbesondere dem Rotor 4 und/oder der Antriebswelle 7 (vergleiche 1 und 2) verwendet werden. Alternativ kann anstelle einer n-kantigen Außenkontur des Anschlussstücks 60 auch ein dünn ausgeführter zylindrischer Bereich verwendet werden. Beim Pressvorgang kann dieser dünne Bereich dann ebenfalls in die n-kantige Form gebracht werden.
Zum Schutz der freien Enden des Schlauchstückes 51, beispielsweise vor Umgebungseinflüssen wie eindringendes Fluid o.ä. und/oder zur Verstärkung der Bindung zwischen Schlauchstück 51 und Hülsen 52, 53 bzw. Schlauchstück 51 und Anschlussstücken 60 kann zusätzlich eine Dicht- und/oder Klebemasse verwendet werden, die insbesondere zwischen den freien Enden des Schlauchstückes 51 und der jeweiligen Hülse 52, 53 eingebracht wird.
12 zeigt eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines kardanischen Gelenks 5, 5b und 13 zeigt eine Schnitt- Darstellung. 14 zeigt ein Bauteil 65 der zweiten Ausführungsform eines kardanischen Gelenks 5b gemäß 12. Diese Ausführungsform sieht vor, als Bauteil 65 einen handelsüblichen metallischen Einsatz für Spritzgussteile 66 zu verwenden. Hier kann eventuell auf die n-kantige Verbindung zwischen dem Anschlussstück 60 und der verpressten Hülse 52 verzichtet werden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Anschlussstück 60 als Gewindestift 64 mit einem Innengewinde zur Befestigung an dem Rotor 4 und/oder der Antriebswelle 7 (vergleiche 1 und 2) ausgebildet. Alternativ können Gewindestifte verwendet werden, die Außengewinde zur Befestigung an dem Rotor 4 und/oder der Antriebswelle 7 bereitzustellen.
Die Ausführungsformen, Beispiele und Varianten der vorhergehenden Absätze, die Ansprüche oder die folgende Beschreibung und die Figuren, einschließlich ihrer verschiedenen Ansichten oder jeweiligen individuellen Merkmale, können unabhängig voneinander oder in beliebiger Kombination verwendet werden. Merkmale, die in Verbindung mit einer Ausführungsform beschrieben werden, sind für alle Ausführungsformen anwendbar, sofern die Merkmale nicht unvereinbar sind. Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben. Es ist für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Es ist möglich, einige der Komponenten oder Merkmale eines der Beispiele in Kombination mit Merkmalen oder Komponenten eines anderen Beispiels anzuwenden.
Bezugszeichenliste

1: Exzenterschneckenpumpe
2: Wobblepumpe
3: Stator, Wobblestator
4: Rotor
5, 5a, 5b: kardanisches Gelenk
5*, 5a*: Zwischenprodukt
6: Pumpengehäuse
6M: mittiger Bereich des Pumpengehäuses
7: Antriebswelle
8: freies Ende, freier Endbereich, saugseitiger Endbereich
9: ringförmige Verbreiterung
10: Flansch
11: Rotor-Stator-System
12: ringförmiger Raum
13: saugseitigee Endbereichs
14: Dichtkontaktfläche
15: Einlass
16: Auslass
17: Krempenstruktur
18: freier Endbereich der Krempenstruktur
19: ringförmiger Raum
20: flexibler Bereich
50: innen- verstärktes Elastomerteil
51: Schlauchstück
52: Hülse
53: komprimierte Hülse
60: Anschlussstück
62: Halterillen
63: n-kantiger Aufsetzbereich
64: Gewindestift
65: Bauteil
66: handelsüblicher metallischer Einsatz für Spritzgussteile
100: Spiel
A(4): Außenmaß Rotor
AZ: Betriebszustand
D: Druckseite; Druckseitenbereich
dA: Außendurchmesser
Δp: Differenzdruck
F: Anpresskraft
FM: Fördermedium
FM(D): zur Druckseite D geförderte Fördermedium
FM(FR): in Förderräumen befindlichens Fördermedium
FR: Förderraum
I(3): Innenmaß Stator
L: Längsachse
LB: freie Biegelänge
rS: radiale Stabilität
RZ: Ruhezustand
S: Saugseite
TR: Förderrichtung

Claims

Exzenterschneckenpumpe (1) zum Pumpen von fluiden oder fließfähigen Fördermedien (FM) von einer Saugseite (S) zu einer Druckseite (D), die Exzenterschneckenpumpe (1) umfassend einen Rotor (4) und einen Stator (3), wobei der Stator (3) nachgiebig ausgestaltet und einseitig, insbesondere an der Saugseite (S), am Pumpengehäuse (6) festgelegt ist, wobei der Rotor (4) über ein Gelenk (5) mit einer Antriebswelle (7) verbunden ist, wobei in einem Ruhezustand (RZ) der Exzenterschneckenpumpe (1) zumindest bereichsweise kein Dichtkontakt zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) in Dichtbereichen (14) ausgebildet ist, wobei der Stator (3) in einem Betriebszustand (AZ) der Exzenterschneckenpumpe (1) zumindest bereichsweise und/oder im Wesentlichen vollumfänglich von dem Fördermedium (FM) umgeben ist, wobei der Rotor (4) und der Stator (3) in dem Betriebszustand (AZ) entlang der Dichtbereiche (14) in Anlage gebracht sind, wobei in dem Ruhezustand (RZ) in den Dichtbereichen (14) zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) zumindest bereichsweise ein Spiel (100) ausgebildet ist, wobei in dem Ruhezustand (RZ) der Exzenterschneckenpumpe (1) an der Saugseite (S) ein erstes Spiel (100) zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) ausgebildet ist und wobei an der Druckseite (D) ein zweites Spiel (100) zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach Anspruch 1, wobei in dem Ruhezustand (RZ) in einem Bereich zwischen 50% -100% der Dichtbereiche (14) zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) kein Dichtkontakt beziehungsweise ein Spiel (100) ausgebildet ist und wobei in dem Betriebszustand (AZ) eine Überschneidung zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) in den Dichtbereichen (14) ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das erste Spiel (100) größer ausgebildet ist als das zweite Spiel (100).
Exzenterschneckenpumpe (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Spiel (100) im Wesentlichen kontinuierlich entlang der Dichtbereiche (14) zwischen dem Rotor (4) und dem Stator (3) von einer Saugseite (S) der Exzenterschneckenpumpe (1) zu einer Druckseite (D) der Exzenterschneckenpumpe (1) hin abnimmt.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das den Stator (3) in einem Betriebszustand (AZ) zumindest teilweise umgebende Fördermedium (FM) den Druckseitendruck (p(D)) aufweist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Stator (3) direkt über einen freien Endbereich (8) des Stators (3) einseitig am Pumpengehäuse (6) festgelegt ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach Anspruch 6, wobei der freie Endbereich (8) des Stators (3) zum Festlegen am Pumpengehäuse (6) eine ringförmige Verbreiterung aufweist (9) oder wobei der freie Endbereich (8) des Stators (3) zum Festlegen am Pumpengehäuse (6) als Krempe (17) ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Gelenk (5) einen zumindest teilweise beweglich ausgebildeten Mittelteil (50) umfasst, der aus einem verstärkten Elastomer- oder Kunststoffmaterial gebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach Anspruch 8, wobei die Verstärkung des Elastomer- oder Kunststoffmaterial durch eine im Material integrierte Faserverstärkung oder Drahtverstärkung gebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach Anspruch 8 oder 9, wobei das Mittelteil (50) beidseitig durch Anschlussstücke (60) zur Befestigung des Rotors (4) und/oder der Antriebswelle (7) begrenzt ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Stator (3) eine schraubengangförmige Innenumfangsfläche aufweist und einen Einlauftrichter für das Fördermedium (FM) am einseitig festgelegten Endbereich (8) des Stators (3) umfasst, wobei der Einlauftrichter eine Fortsetzung der eine schraubengangförmige Innenumfangsfläche des Stators (3) umfasst und dichtlinienfrei gegenüber dem Rotor (4) ausgebildet ist.
Exzenterschneckenpumpe (1) nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei der Exzenterschneckenpumpe (1) mindestens ein Solarmodul zugeordnet ist, wobei der Antrieb durch Solarstrom betreibbar ist.