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Die vorliegende Erfindung betrifft eine schlitzgesteuerte Radialkolbenpumpe, umfassend einen Lager- und Steuerzapfen, eine auf diesem drehbar gelagerte Rotoreinheit und eine die Rotoreinheit umgebende Exzenterringeinheit, wobei an der Umfangsfläche des Lager- und Steuerzapfens Steuerkammern in Form einer mit einem Sauganschluss kommunizierenden Saugkammer und einer mit einem Druckanschluss kommunizierenden Druckkammer vorgesehen sind und die Rotoreinheit Pumpzylinder mit darin verschiebbar aufgenommenen Pumpenkolben, auf welche die Exzenterringeinheit einwirkt, aufweist.
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Derartige schlitzgesteuerte Radialkolbenpumpen sind in verschiedenen Ausführungen und Ausgestaltungen bekannt. Sie sind aufgrund ihrer robusten Bauweise besonders zuverlässig und verbreitet in solchen Anwendungen im Einsatz, in denen es infolge beschränkter Platzverhältnisse einer besonders kompakten Konzeption bedarf. Zum Stand der Technik ist beispielhaft zu verweisen auf die folgenden Druckschriften:
DE 24 12 718 C2 ,
DE 36 41 955 A1 ,
DE 41 35 904 A1 ,
DE 1 95 04 220 A1 ,
EP 0 509 077 B1 und
EP 0 808 421 B1 .
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Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, eine schlitzgesteuerte Radialkolbenpumpe der eingangs angegeben Art bereitzustellen, die sich durch eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Praxistauglichkeit auszeichnet. Angestrebt wird in diesem Sinne insbesondere eine hohe Druckerhöhungsleistung bei hoher Laufruhe.
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Gelöst wird diese Aufgabenstellung, indem bei einer schlitzgesteuerten Radialkolbenpumpe der hier in Rede stehenden Art
- - die Saugkammer und die Druckkammer in Achsrichtung des Steuer- und Lagerzapfens zueinander versetzt, einander in Umfangsrichtung überlappend ausgeführt sind,
- - die Pumpzylinder der Rotoreinheit in Achsrichtung des Steuer- und Lagerzapfens dergestalt zueinander versetzt sind, dass eine Anzahl erster Pumpzylinder ausschließlich die Saugkammer und eine Anzahl zweiter Pumpzylinder ausschließlich die Druckkammer überstreicht, und
- - an der Umfangsfläche des Lager- und Steuerzapfens in Umfangsrichtung zu der Druckkammer sowie der Saugkammer versetzt eine dergestalt dimensionierte und angeordnete Zwischenkammer vorgesehen ist, dass sie von den ersten sowie den zweiten Pumpenzylindern überstrichen wird.
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In Umsetzung der vorliegenden Erfindung, d. h. durch die vorstehend definierte Gestaltung einer im Übrigen wie eingangs dargelegt ausgeführten schlitzgesteuerten Radialkolbenpumpe lässt sich auf minimalem Bauraum eine zweistufige Fluidförderung unter dementsprechend gesplitteter Druckerhöhung realisieren. Bei seinem Durchlauf durch die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe durchläuft jedes Fluidvolumen gewissermaßen drei Phasen. In der ersten Phase wird das betreffende Fluidvolumen in einen der ersten Pumpzylinder angesaugt. Dies erfolgt, während der betreffende erste Pumpzylinder - unter Verschiebung des zugeordneten Pumpenkolbens radial nach außen - die Saugkammer überstreicht. In der zweiten Phase wird das betreffende Fluidvolumen aus dem ersten Pumpzylinder in einen (oder mehrere) der zweiten Pumpzylinder „übergeben“. Dies erfolgt, während der betreffende erste Pumpzylinder - unter Verschiebung des zugeordneten Pumpenkolbens radial nach innen - die Zwischenkammer überstreicht, wobei gleichzeitig auch mindestens ein zweiter Pumpzylinder - unter Verschiebung des zugeordneten Pumpenkolbens radial nach außen - die Saugkammer überstreicht; mit der Zwischenkammer kommunizieren somit zeitgleich mindestens ein erster Pumpzylinder, aus dem Fluid in die Zwischenkammer verdrängt wird, und mindestens ein zweiter Pumpzylinder, der Fluid aus der Zwischenkammer aufnimmt. In der dritten Phase wird das betreffende Fluidvolumen aus dem zweiten Pumpzylinder in die Druckkammer verdrängt. Dies erfolgt, während der betreffende zweite Pumpzylinder - unter Verschiebung des zugeordneten Pumpenkolbens radial nach innen - die Druckkammer überstreicht. Die oszillierende Bewegung der ersten und zweiten Pumpenkolben in dem jeweils zugeordneten Pumpzylinder während der Rotation der Rotoreinheit wird den Pumpenkolben dabei - analog der Funktion herkömmlicher schlitzgesteuerter Radialkolbenpumpen (s. o.) - durch die Exzentereinheit aufgeprägt.
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Die vorstehend dargelegten Abläufe erlauben einen zweistufigen Aufbau des Fluiddrucks von dem saugseitigen Druckniveau auf das druckseitige Druckniveau, wobei in der Zwischenkammer ein Zwischen-Druckniveau herrscht. Wird, in Anlehnung an konventionelle einstufige schlitzgesteuerte Radialkolbenpumpen, für jede der drei Phasen ein Winkelbereich von näherungsweise 180° angesetzt, so erstreckt sich der gesamte zweistufige Druckaufbau über einen Rotations-Winkelbereich von näherungsweise 540°, wobei ständig sämtliche drei Phasen kontinuierlich parallel zueinander ablaufen. Dies wird als ausschlaggebend dafür angesehen, dass sich mit erfindungsgemäßen zweistufig arbeitenden schlitzgesteuerten Radialkolbenpumpen trotz ihrer sehr kompakten Bauweise und somit einer sehr hohen Leistungsdichte eine besondere Laufruhe erzielen lässt.
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Zur Vermeidung von Missverständnissen sei klargestellt: Die anpruchsgemäße Angabe, wonach die ersten Pumpzylinder ausschließlich die Saugkammer und die zweiten Pumpzylinder ausschließlich die Druckkammer überstreichen, ist so zu verstehen, dass die ersten Pumpzylinder nicht die Druckkammer überstreichen und die zweiten Pumpzylinder nicht die Saugkammer; oder mit anderen Worten: die Saugkammer wird nur von den ersten Pumpzylindern überstrichen und die Druckkammer nur von den zweiten Pumpzylindern. Denn sowohl die ersten als auch die zweiten Pumpzylinder überstreichen, wie im Anspruch 1 definiert, die Zwischenkammer.
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Gemäß einer ersten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Rotoreinheit einen einstückigen Rotor auf, in welchem sowohl die ersten als auch die zweiten Pumpenzylinder ausgeführt sind. Bei einer solche Gestaltung lassen sich ganz besonders geringe Abmessungen realisieren, welche typischerweise substantiell unter jenen solcher erfindungsgemäßer Radialkolbenpumpen liegen können, bei denen die Rotoreinheit zwei zwar miteinander gekoppelte, aber eigenständig den jeweiligen statischen Anforderungen genügende Rotoren aufweist. Der vorstehend dargelegte Vorteil stellt sich ganz besonders ausgeprägt dann ein, wenn bei einer gleichen Anzahl erster und zweiter Pumpzylinder diese in Umfangsrichtung wechselweise auf Lücke zueinander versetzt angeordnet sind; denn in diesem Falle lassen sich die wechselseitigen, den einstückigen Rotor aussteifenden Effekte in größtmöglichem Maße technisch nutzen.
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Eine andere bevorzugte Weiterbildung der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Exzenterringeinheit zwei Exzenterringe umfasst, von denen ein erster Exzenterring auf die den ersten Pumpzylindern zugeordneten ersten Pumpenkolben und ein zweiter Exzenterring auf die den zweiten Pumpzylindern zugeordneten zweiten Pumpenkolben einwirkt. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die beiden Exzenterringe gegensinnig zueinander verstellbar sind. Ganz besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die beiden Exzenterringe unabhängig voneinander verstellbar sind. Denn so lässt sich die erfindungsgemäße Radialkolbenpumpe hinsichtlich ihrer Betriebscharakteristik ideal an die jeweilige Betriebssituation anpassen. Dies gilt beispielsweise für eine an die individuelle Betriebssituation optimal angepasste Aufteilung der insgesamt geforderten Druckerhöhung auf die beiden Stufen.
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Namentlich im Zusammenhang mit der vorstehend erläuterten, voneinander unabhängigen Verstellbarkeit zweier individueller Exzenterringe erweist sich weiterhin als besonders vorteilhaft, wenn die Zwischenkammer mit einem Messanschluss kommuniziert, dem ein Druckaufnehmer zugeordnet ist. Ein von dem Druckaufnehmer bereitgestelltes Drucksignal ist auf eine Steuerung für den Enzenterringen zugeordnete Verstellantriebe geschaltet. So lassen sich - mittels der ihnen zugeordneten Verstellantriebe - die beiden Exzenterringe individuell so einstellen, dass die Druckerhöhung des von der Radialkolbenpumpe geförderten Fluids vom Druckniveau auf der Saugseite auf das an der Druckseite herrschende Druckniveau sich optimal auf die beiden Stufen verteilt.
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Für typische Anwendungen der schlitzgesteuerten Radialkolbenpumpe nach der vorliegenden Erfindung ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Saugkammer und die Druckkammer einander in Umfangsrichtung des Steuer- und Lagerzapfens in dem Sinne vollständig überlappen, dass sie sich über denselben Umfangs-Winkelbereich des Steuer- und Lagerzapfens erstrecken. Zwingend ist dies indessen nicht; unter besonderen Umständen kann sich auch eine andere Geometrie als günstig erweisen.
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Gemäß einer abermals anderen bevorzugten Weiterbildung der Erfindung schneidet ein in deren Überlappungsbereich zwischen der Saugkammer und der Druckkammer vorgesehener, diese voneinander abgrenzender Steg die radiale Projektion der ersten sowie der zweiten Pumpzylinder an. So eignet sich dieser Steg dazu, die Bewegung sowohl der ersten als auch der zweiten Pumpenkolben radial nach innen zu begrenzen. Dies kann in vorteilhafter Weise insbesondere bei einer liegend eingebauten Radialkolbenpumpe zum Tragen kommen, indem - bei Pumpenstillstand - der besagte Steg gewissermaßen einen Anschlag bildet für die Pumpenkolben der mit der Saugkammer kommunizierenden ersten Pumpzylinder und der mit der Druckkammer kommunizierenden zweiten Pumpzylinder. In entsprechender Weise erweist sich als vorteilhaft, wenn eine erste axiale Begrenzung der Zwischenkammer die radiale Projektion der ersten Pumpzylinder und eine zweite axiale Begrenzung der Zwischenkammer die radiale Projektion der zweiten Pumpzylinder anschneidet.
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In der Praxis wird regelmäßig die nominelle Förderung der ersten Pumpenstufe geringfügig höher ausfallen als die nominelle Förderung der zweiten Pumpenstufe. Dies gilt namentlich im Hinblick auf mögliche Leckageverluste während der zweiten Phase, d. h. die Phase der Übergabe des Fluids aus den ersten Pumpzylindern in die zweiten Pumpzylinder beim Überstreichen der Zwischenkammer. Die in diesem Sinne unterschiedliche Nominalförderung von erster und zweiter Pumpenstufe lässt sich insbesondere durch eine geeignete Ansteuerung zweier individuell verstellbarer Exzenterringe (s. o.) realisieren. Alternativ oder zusätzlich können sich auch die Dimensionen der ersten und der zweiten Pumpzylinder dergestalt voneinander unterscheiden, dass die ersten Pumpzylinder einen größeren Durchmesser aufweisen als die zweiten Pumpzylinder. So kann bei gleicher Exzentrizität zweier identischer Exzenterringe und somit identischem Hub der ersten und zweiten Pumpenkolben die Nominalförderung in der ersten Pumpenstufe entsprechend höher ausfallen als in der zweiten Pumpenstufe.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand eines in der Zeichnung veranschaulichten bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Die in der Zeichnung - nur hinsichtlich ihrer zentralen Gestaltungsmerkale und überdies teilweise schematisch veranschaulichte - schlitzgesteuerte Radialkolbenpumpe umfasst einen eine zylindrische Grundform aufweisenden, eine Achse X definierenden Lager- und Steuerzapfen 1 und eine auf diesem bezüglich der Achse X drehbar gelagerte, einen einstückigen Rotor 2 aufweisende Rotoreinheit 3. So, wie dies für Radialkolbenpumpen schlechthin typisch ist, ist der Rotor 2 dafür hergerichtet, durch einen (nicht gezeigten) Motor drehend angetrieben zu werden.
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An der Umfangsfläche 4 des Lager- und Steuerzapfens 1 sind drei als taschenartige Vertiefungen ausgeführte Steuerkammern 5, 6 und 7 vorgesehen, nämlich eine mit einem Sauganschluss 8 kommunizierende Saugkammer 5, eine mit einem Druckanschluss 9 kommunizierende Druckkammer 6 und eine Zwischenkammer 7. Die Saugkammer 5 und die Druckkammer 6 sind in Achsrichtung des Steuer- und Lagerzapfens 1 dergestalt zueinander versetzt ausgeführt, dass sich zwischen ihnen ein Steg 10 erstreckt. Die Saugkammer 5 und die Druckkammer 6 erstrecken sich jeweils über einen Umfangs-Winkelbereich von etwa 165° und überlappen einander in Umfangsrichtung vollständig. Die Zwischenkammer 7 ist dergestalt in Umfangsrichtung zu der Druckkammer 6 sowie der Saugkammer 5 versetzt angeordnet, dass sie letzteren gegenüberliegt. Auch sie erstreckt sich über einen Umfangs-Winkelbereich von etwa 165°. Ihre axiale Erstreckung beträgt etwa der Summe der axialen Erstreckungen der Saugkammer 5 und der Druckkammer 6.
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Der Rotor 2 weist in radialer Richtung orientierte Pumpzylinder 11 auf, in denen - in als solches bekannter Weise - Pumpenkolben 12 verschiebbar aufgenommenen sind. Die Pumpzylinder 11 sind dabei in zwei axial zueinander versetzten Reihen bzw. Ebenen angeordnet; sie definieren auf diese Weise in einer ersten Ebene angeordnete erste Pumpzylinder 11.1 mit zugeordneten ersten Pumpenkolben 12.1 und in einer zweiten Ebene angeordnete zweite Pumpzylinder 11.2 mit zugeordneten zweiten Pumpenkolben 12.2, wobei die ersten Pumpzylinder 11.1 und die zweiten Pumpzylinder 11.2 wechselweise „auf Lücke“ angeordnet sind. Die Anordnung und Dimensionierung der ersten Pumpzylinder 11.1 und der zweiten Pumpzylinder 11.2 und die Anordnung und Dimensionierung der drei Steuerkammern 5, 6 und 7 sind dabei dergestalt aufeinander abgestimmt, dass die Saugkammer 5 ausschließlich von den ersten Pumpzylindern 11.1 und die Druckkammer 6 ausschließlich von den zweiten Pumpzylinder 11.2 überstrichen wird, wohingegen die Zwischenkammer 7 sowohl von den ersten Pumpzylindern 11.1 als auch von den zweiten Pumpenzylindern 11.2 überstrichen wird. „Überstreichen“ im vorstehend verwendeten Sinne schließt dabei ein, dass die radiale Projektion der Pumpzylinder 11 von der Kontur der jeweiligen Steuerkammer 5, 6, 7 nicht vollständig, sondern nur teilweise überdeckt ist. Denn bei der gezeigten Ausführungsform schneidet der die Saugkammer 5 und die Druckkammer 6 voneinander abgrenzende Steg 10 die radiale Projektion der ersten Pumpzylinder 11.1 sowie der zweiten Pumpzylinder 11.2 an; und eine erste axiale Begrenzung 13 der Zwischenkammer 7 schneidet die radiale Projektion der ersten Pumpzylinder 11.1 an und eine zweite axiale Begrenzung 14 der Zwischenkammer 7 schneidet die radiale Projektion der zweiten Pumpzylinder 11.2 an.
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Entsprechend dem verbreiteten Standard ist die Rotoreinheit 3 von einer Exzenterringeinheit 15 umgeben, welche auf die Pumpenkolben 12 dergestalt einwirkt, dass diese während der Rotation des Rotors 2 in den Pumpzylindern 11 oszillieren. Die Exzenterringeinheit 15 umfasst dabei zwei Exzenterringe 16, nämlich einerseits einen den ersten Pumpzylindern 11.1 und ersten Pumpenkolben 12.1 zugeordneten, auf letztere einwirkenden ersten Exzenterring 16.1 und andererseits einen zweiten Exzenterring 16.2, welcher den zweiten Pumpzylindern 11.2 und zweiten Pumpenkolben 12.2 zugeordnet ist und auf letztere einwirkt. Die beiden Exzenterringe 16.1, 16.2 sind - jeweils mittels eines geeigneten, als solches bekannten und daher vorliegend nur schematisch veranschaulichten Verstellantriebs 17 - unabhängig voneinander gegensinnig zueinander verstellbar. Die Verstellantriebe sind ersichtlich nur schematisch angedeutet; insbesondere lässt die Darstellung in der Zeichnung keine Rückschlüsse auf die spezifische Anordnung zu. In der Praxis wird die Verstellrichtung der Exzenterringe eher um etwa 90° zu der skizzierten Orientierung versetzt ausfallen, d. h. mehr oder weniger parallel zu jener Ebene verlaufen, die durch die beiden zwischen der Zwischenkammer einerseits und der Saug- und Druckkammer andererseits bestehenden Stege definiert ist.
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Die Zwischenkammer 7 kommuniziert mit einem Messanschluss 18. Diesem ist ein Druckaufnehmer 19 zugeordnet, der ein Drucksignal bereitstellt, welches auf eine Steuerung 20 für die den Enzenterringen 16 zugeordnete Verstellantriebe 17.1 bzw. 17.2 geschaltet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2412718 C2 [0002]
- DE 3641955 A1 [0002]
- DE 4135904 A1 [0002]
- DE 19504220 A1 [0002]
- EP 0509077 B1 [0002]
- EP 0808421 B1 [0002]
