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Die vorliegende Erfindung betrifft eine außenverzahnte Zahnradpumpe und einen Drehantrieb mit einer außenverzahnten Zahnradpumpe.
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Zahnradpumpen eignen sich vor allem bei geringen Volumenströmen und hohen Druckdifferenzen. Sie weisen außerdem den Vorteil eines nur wenig vom Betriebspunkt abhängigen Wirkungsgrads auf. Für spezielle Einsatzfälle, bei denen ein Fördermedium selbst keine Schmierwirkung hat, bietet der Einsatz einer außenverzahnten Zahnradpumpe die Möglichkeit, eine Kraftübertragung ausschließlich über eine wälzende Berührung zu realisieren, sofern Wälzlager verwendet werden.
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Falls eine absolute äußere Dichtheit gefordert ist, muss ein Motor oder eine vergleichbare Drehantriebsvorrichtung direkt an die Zahnradpumpe angeflanscht werden. Analog zu sauggasgekühlten Hubkolbenverdichtern spricht man dann von einer halbhermetischen Bauart, d. h., es liegen nur statische Dichtungen vor, wobei der Motor vom Fördermedium selbst intern durchströmt bzw. gekühlt wird. Da es bei einer Pumpe auf einen möglichst hohen Haltedruck aufgrund von Kavitationsgefahr ankommt, sollte dieser anteilige Kühlstrom nicht auf die Saugseite zurückgeführt werden.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der Druckschrift WO 02/ 001 072 A1 A1 ist eine Zahnradpumpen mit einem Kühlkanal bekannt. Auch in
DE 10 2016 225 883 A1 wird eine Zahnradpumpe mit Kühlung für ein Abwärmerückgewinnungssystem beschrieben. In
US 5322421 A sind Kühlkanäle für eine magnetische Kopplung der Zahnradpumpe ausgebildet. Das Dokument
US 6264447 B1 beschreibt eine luftgekühlte Wellendichtung. Diese Offenbarungen weisen allerdings die zuvor schon beschriebenen Nachteile auf.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine außenverzahnte Zahnradpumpe vorzuschlagen, die die genannten Nachteile überwindet, d.h., mit der in effizienter Weise ein Kühlstrom und eine Zirkulation eines Kühlmediums ermöglicht wird.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine außenverzahnte Zahnradpumpe nach Anspruch 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die außenverzahnte Zahnradpumpe weist ein Gehäuse mit einer Einlassöffnung und einer Auslassöffnung für ein Kühlfluid, das auch als Kühlmedium bezeichnet wird, auf. Außerdem sind ein erstes Zahnrad und ein zweites Zahnrad in dem Gehäuse drehbar gelagert zwischen der Einlassöffnung und der Auslassöffnung angeordnet. Am ersten Zahnrad und am zweiten Zahnrad sind jeweils ineinander greifende Stirnverzahnungen ausgebildet. Außerdem verfügt die außenverzahnte Zahnradpumpe über eine Fluidleitungseingangsöffnung sowie eine Fluidleitungsausgangsöffnung, die beide jeweils dem ersten Zahnrad oder dem zweiten Zahnrad zugeordnet sind und in einer Ebene liegen, die senkrecht zu Rotationsachsen des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads unmittelbar neben einer Seitenfläche des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads angeordnet ist, d. h., typischerweise an einer Stirnseite des jeweiligen Zahnrads angeordnet sind. Bei einem Drehen des ersten Zahnrads und des zweiten Zahnrads wird stets die Fluidleitungseingangsöffnung oder die Fluidleitungsausgangsöffnung zumindest teilweise überdeckt. Die Fluidleitungseingangsöffnung ist näher an der Auslassöffnung angeordnet als die Fluidleitungsausgangsöffnung, so dass ein Fluiddruck an der Fluidleitungseingangsöffnung größer ist als ein Fluiddruck an der Fluidleitungsausgangsöffnung.
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Durch die Ausbildung des ersten Zahnrads, das auch als Hauptzahnrad bezeichnet wird, und des zweiten Zahnrads, das auch als Nebenzahnrad bezeichnet wird, mit Stirnverzahnung, wobei diese Bauform auch als Stirnrad bezeichnet wird, wird eine einfach aufgebaute Zahnradpumpe realisiert, bei der ausgenutzt wird, dass ein Druck des Kühlfluids beginnend von der Einlassöffnung in Richtung der Auslassöffnung über einen Umfang jedes der Zahnräder zunimmt. Indem nun die Fluidleitungseingangsöffnung näher an der Auslassöffnung angeordnet ist als die Fluidleitungsausgangsöffnung, kann eine sich automatisch einstellende Druckdifferenz zur Kühlfluidzirkulation verwendet werden. Dies wird unterstützt durch die Anordnung der Fluidleitungseingangsöffnung und der Fluidleitungsausgangsöffnung, deren Normalen typischerweise parallel zu den Rotationsachsen der Zahnräder verlaufen, so dass ein periodisches Öffnung und Schließen dieser Öffnungen erfolgt.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Fluidleitungseingangsöffnung am ersten Zahnrad und die Fluidleitungsausgangsöffnung am zweiten Zahnrad angeordnet ist, so dass eine klare Zuordnung zwischen dem angetriebenen und dem treibenden Zahnrad gegeben ist.
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Typischerweise ist eine Dicke eines Zahns eines der Zahnräder, also eine Zahndicke, mindestens gleich einem Durchmesser der Fluidleitungseingangsöffnung und bzw. oder der Fluidleitungsausgangsöffnung im Bereich des jeweiligen Zahns. Dies ermöglicht es, dass einer der Zähne die jeweilige Öffnung temporär komplett überdeckt und somit verschließt. Der Durchmesser der Fluidleitungseingangsöffnung kann aber auch größer sein als die Dicke eines der Zähne, was aber zusätzliche Undichtheiten nach sich zieht. Alle Zähne eines Zahnrads und bzw. oder alle Zähne beider Zahnräder sollten eine identische Dicke aufweisen.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass das erste Zahnrad und das zweite Zahnrad eine identische Anzahl von Zähnen aufweisen, um einen möglichst einfachen Aufbau zu gewährleisten.
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Typischerweise ist der Durchmesser der Fluidleitungseingangsöffnung gleich dem Durchmesser der Fluidleitungsausgangsöffnung.
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Ein Drehantrieb mit einer außenverzahnten Zahnradpumpe, die die zuvor beschriebenen Eigenschaften aufweisen kann und an einem Antriebsgehäuse des Drehantriebs befestigt ist, weist eine in dem Antriebgehäuse gelagerte Antriebswelle auf, die an dem ersten Zahnrad angeordnet ist. Der Drehantrieb ist von dem von der Fluidleitungseingangsöffnung kommenden Kühlfluid in Richtung der Fluidleitungsausgangsöffnung durchströmt. Ein derartiger Drehantrieb bzw. eine derartige Drehantriebsvorrichtung, die auch als Motor bezeichnet wird, ermöglicht somit eine kompakte Bauform mit integrierter Kühlung.
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Das Gehäuse der außenverzahnten Zahnradpumpe und das Antriebsgehäuse des Drehantriebs können ausschließlich mit statischen Dichtungen versehen sein, so dass eine halb-hermetische Bauart vorliegt.
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Zwischen dem Antriebsgehäuse und der Fluidleitungseingangsöffnung kann ein Fluidleitungsrohr angeordnet sein, um das Kühlfluid effizient zu leiten. Vorzugsweise ist dieses Fluidleitungsrohr mit Kühlrippen für eine verbesserte Kühlung versehen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend anhand der 1 und 2 erläutert. Es zeigt
- 1 eine Draufsicht auf eine außenverzahnte Zahnradpumpe und
- 2 eine seitliche Ansicht der in 1 dargestellten außenverzahnten Zahnradpumpe mit angeflanschtem Motor.
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1 zeigt in einer Draufsicht ein Gehäuse 1 einer außenverzahnten Zahnradpumpe, bei dem durch eine Einlassöffnung 2 ein Kühlfluid in das Gehäuse 1 eingeführt und durch eine Auslassöffnung 3 wieder aus dem Gehäuse 1 entfernt wird. Zwischen der Einlassöffnung 2 und der Auslassöffnung 3 sind ein erstes Zahnrad 4 und ein zweites Zahnrad 5 angeordnet. Das erste Zahnrad 4 und das zweite Zahnrad 5 sind jeweils als Stirnrad ausgebildet, d. h., sie weisen ineinander greifende Stirnverzahnungen auf und drehen sich bei einem Durchströmen der Flüssigkeit.
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Am ersten Zahnrad 4 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine Fluidleitungseingangsöffnung 6 angeordnet, die in dem in 1 dargestellten Zustand gerade nicht von einem der Zähne 8 des ersten Zahnrads 4 überdeckt wird. Am zweiten Zahnrad 5 ist eine korrespondierende Fluidleitungsausgangsöffnung 7 angeordnet, die in dem dargestellten Zustand gerade von einem der Zähne 8 vollständig überdeckt wird, d. h. verschlossen ist. Es können aber natürlich auch beide Öffnungen, also die Fluidleitungseingangsöffnung 6 und die Fluidleitungsausgangsöffnung 7, gleichzeitig offen oder gleichzeitig geschlossen sein. Die Fluidleitungseingangsöffnung 6 ist näher an der Auslassöffnung 3 angeordnet als die Fluidleitungsausgangsöffnung 7, d. h., dass die Fluidleitungseingangsöffnung 6 und die Fluidleitungsausgangsöffnung 7 auf verschiedenen Seiten einer Verbindungslinie angeordnet sind, die durch die Mittelpunkte des ersten Zahnrads 4 und des zweiten Zahnrads 5 verläuft. Da ein Kühlfluiddruck in Rotationsrichtung über die Zahnräder 4, 5 ansteigt, ist der Fluiddruck an der Fluidleitungseingangsöffnung 6 größer als der Fluiddruck an der Fluidleitungsausgangsöffnung 7, und das Kühlfluid zirkuliert somit automatisch zwischen den beiden Öffnungen 6, 7.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weisen sowohl das erste Zahnrad 4 als auch das zweite Zahnrad 5 eine identische Anzahl von zwölf Zähnen 8 auf, wobei jeder der Zähne 8 eine Dicke aufweist, die mindestens einem Durchmesser der Fluidleitungseingangsöffnung 6 entspricht. Der Durchmesser der Fluidleitungseingangsöffnung 6 entspricht einem Durchmesser der Fluidleitungsausgangsöffnung 7.
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In 2 ist die in 1 in Draufsicht dargestellte außenverzahnte Zahnradpumpe in einer seitlichen Ansicht dargestellt. Wiederkehrende Merkmale sind mit identischen Bezugszeichen versehen. An das Gehäuse 1 der Zahnradpumpe ist nun ein Antriebsgehäuse 10 einer Drehantriebsvorrichtung bzw. eines Motors angeflanscht, wobei eine in dem Antriebsgehäuse 10 gelagerte Antriebswelle 11 mit dem ersten Zahnrad 4 verbunden ist und der Drehantrieb bzw. das Antriebsgehäuse 10 von dem von der Fluidleitungseingangsöffnung 6 kommenden Kühlfluid in Richtung der Fluidleitungsausgangsöffnung 7 durchströmt wird. Hierzu ist ein Fluidleitungsrohr 12 vorgesehen, das das Antriebsgehäuse 10 mit dem Gehäuse 1 verbindet und dort in der Fluidleitungsausgangsöffnung 7 mündet.
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Außerdem ist nun zu erkennen, dass in dem Gehäuse 1 in einem Berührbereich der Zähne 8 des ersten Zahnrads 4 und des zweiten Zahnrads 5 zwei Taschen 9 zum Überströmen eines Fluids von bzw. zu einem jeweiligen Zwischenraum vorgesehen sind, die sich zwischen dem ersten Zahnrad 4 und dem zweiten Zahnrad 5 in dem Gehäuse 1 befinden. Eine der Taschen 9 ist druckseitig, die andere Tasche 9 saugseitig angeordnet.
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Das Gehäuse 1 und das Antriebsgehäuse 10 sind in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ausschließlich mit statischen Dichtungen versehen, so dass eine hermetische Bauart vorliegt. Aufgrund der fehlenden internen Dichtungen zwischen der Zahnradpumpe und dem Motor an der Motorwelle 11, die auch als Hauptwelle bezeichnet wird, sollte der Motor nur auf einem Zwischendruckniveau durchströmt werden. Aufgrund der Inkompressibilität des Kühlfluids, typischerweise einer Kühlflüssigkeit, liegt dieses Zwischendruckniveau nahe einem arithmetischen Mittelwert aus Saugdruck und Gegendruck der Zahnradpumpe. Dieses Zwischendruckniveau liegt aber auch im mittleren Bereich am Umfang des ersten Zahnrads 4 und des zweiten Zahnrads 5 an. Liegen die Fluidleitungseingangsöffnung 6 und die Fluidleitungsausgangsöffnung 7 bis zu ±30° gegenüber einer Hauptachse der Zahnradpumpe, d. h. einer durch beide Wellen verlaufenden Ebene, so wird der Motor auf nahezu diesem Zwischendruck- bzw. Mitteldruckniveau durchströmt.
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Entnimmt man nun den Teilstrom des Kühlfluids am ersten Zahnrad 4 etwas nach diesem Punkt in Drehrichtung und führt ihn, wie in 2 dargestellt, nach Durchströmen des Motors, d. h. eines Ringspalts zwischen einem Rotor und einem Stator, etwas vor diesem Punkt in Drehrichtung am zweiten Zahnrad 5 wieder zu, so hat man die zum Ausbilden des Fluidstroms notwendige Druckdifferenz. Eine Leckage über beide Umfangsspalte steigt dabei nur geringfügig.
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In weiteren Ausführungsbeispielen kann auch spiegelbildlich am zweiten Zahnrad 5 das Kühlfluid entnommen und am ersten Zahnrad 4 wieder zugeführt werden. Bei dem zuerst genannten Ausführungsbeispiel strömt allerdings in vorteilhafter Weise der erwärmte Teilstrom des Kühlfluids durch das Fluidleitungsrohr 12 zurück, das für diesen Fall auch mit Kühlrippen ausgerüstet werden kann.
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Es ergibt sich somit eine hermetisch außenverzahnte Zahnradpumpe mit interner Motorkühlung, bei der ein Teilstrom des Fördermediums bzw. des Kühlfluids am Umfang des ersten Zahnrads 4 zwischen einer Mitte der steuernden Kanten und der Druckseite entnommen und nach Durchströmen des Motors am Umfangs des zweiten Zahnrads 5 zwischen der Mitte der steuernden Kanten und der Saugseite wieder zurückgeführt wird.
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Lediglich in den Ausführungsbeispielen offenbarte Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen können miteinander kombiniert und einzeln beansprucht werden.
