DE102020100602A1

DE102020100602A1 - Motorisch angetriebene rotationstranslatorische Pumpe und Verfahren zum Betreiben einer Pumpe

Info

Publication number: DE102020100602A1
Application number: DE102020100602.0A
Authority: DE
Inventors: Leonid Choub
Original assignee: Zentrum Zur Foerderung Eingebetteter Systeme E V Zesys E V; Zentrum Zur Forderung Eingebetteter Systeme EV (zesys EV)
Current assignee: Zentrum Zur Foerderung Eingebetteter Systeme E V Zesys E V; Zentrum Zur Forderung Eingebetteter Systeme EV (zesys EV)
Priority date: 2019-01-15
Filing date: 2020-01-14
Publication date: 2020-07-16

Abstract

Aufgabe der Erfindung ist es eine Pumpe zu schaffen, die eine geringfügige Reibung und zugleich kompakten Aufbau besitzt. Zudem sollen Turbulenzen vermieden werden.1. Motorisch angetriebene Pumpe mit einem Rotor (1), wobei der Rotor (1) rotierend axial schwingend und als Pumpelement ausgebildet ist und der Antrieb außerhalb oder innerhalb der Pumpe angeordnet ist,wobei der Rotor (1) als beweglicher Pumpenkolbenhohlzylinder(1) in einem koaxialen Doppelrohrgehäuse (50) mit einem Innenrohr (5) und einem Außenrohr (4) drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist und in dem koaxialen Doppelrohrgehäuse (50) zwischen dem Innenrohr (5) und dem Außenrohr (4) an den axialen Enden jeweils eine feststehende Stirnscheibe (2, 3) angeordnet ist, wobei die zueinander weisenden axialen Stirnseiten (7) der Stirnscheiben (2, 3) und dem Pumpenkolbenhohlzylinder (1) als Kurvenscheibe ausgebildet sind und die axialen Stirnseiten (7) des Pumpenkolbenhohlzylinder (1)komplementär zu den Stirnseiten (7) der feststehenden Stirnscheiben (2, 3) sind, wobei zwischen den zueinander weisenden axialen Stirnseiten (7) der Stirnscheiben (2, 3) und dem Pumpenkolbenhohlzylinder (1) in ihrer Größe dynamische Pumpenkammern (9,10) vorhanden sind.

Description

Motorisch angetriebene rotationstranslatorische Pumpe und Verfahren zum Betreiben einer Pumpe für einen Einsatz als Gefäßpumpe oder als Wasserpumpe
Es sind bereits verschiedene Pumpen und Pumpensystem bekannt, bei welchen ein erhöhtes Maß an Reibung auftritt. Zudem setzen sich Pumpen aus einem Antrieb und dem Pumpengehäuse zusammen. Diese Anordnungen sind meist axial gekoppelt.
Bekannt sind pulsatile Pumpen als Membranpumpen, wie dies beispielsweise die US6547753 und die EP2298370B1 offenbart. Die Realisierung der notwendigen Deformation der Membran mit einem reibungslosen linearen oder rotierenden Antrieb ist nicht realisierbar. Die Verwendung eines pneumatischen Antriebs führt zu einer umständlichen Struktur des Antriebs.
Aufgabe der Erfindung ist es eine Pumpe zu schaffen, die eine geringfügige Reibung und zugleich kompakten Aufbau besitzt. Zudem sollen Turbulenzen vermieden werden.
Mit der Erfindung wird im angegebenen Anwendungsfall erreicht, dass eine motorisch angetriebene Pumpe geschaffen wird, wobei der Rotor rotierend axial schwingend und als Pumpelement ausgebildet ist und der Antrieb außerhalb oder innerhalb der Pumpe angeordnet ist, wobei der Rotor als beweglicher Pumpenkolbenhohlzylinder in einem koaxialen Doppelrohrgehäuse mit einem Innenrohr und einem Außenrohr drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist und in dem koaxialen Doppelrohrgehäuse zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr an den axialen Enden jeweils eine feststehende Stirnscheibe angeordnet ist, wobei die zueinander weisenden axialen Stirnseiten der Stirnscheiben und dem Pumpenkolbenhohlzylinder als Kurvenscheibe ausgebildet sind und die axialen Stirnseiten des Pumpenkolbenhohlzylinders komplementär zu den Stirnseiten der feststehenden Stirnscheiben sind, wobei zwischen den bzw. durch die zueinander weisenden axialen Stirnseiten der Stirnscheiben und des Pumpenkolbenhohlzylinders in ihrer Größe dynamische Pumpenkammern vorhanden sind.
Der Rotor vollzieht somit eine Rotations- sowie eine Translationsbewegung.
Bei einem außerhalb der Pumpe angeordnetem Antrieb ist jeweils im Bereich der Erstreckung der dynamischen Pumpenkammern im Innenrohr des koaxialen Doppelrohrgehäuses zumindest eine Ein- und Ausströmöffnung vorhanden. Weiterhin sind im Innenrohr zumindest im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen Sammelkammern mit jeweils zumindest einem Einlass angeordnet. Zwischen den Sammelkammern in axialer Richtung ist ein umlaufendes ringförmiges Verteilventil und im Bereich des Verteilventils zumindest ein Übergang von den Sammelkammern zu zumindest einem Auslassrohr mit Auslass vorhanden.
Bei einem innerhalb der Pumpe angeordnetem Antrieb ist jeweils im Bereich der Erstreckung der dynamischen Pumpenkammern im Außenrohr des koaxialen Doppelrohrgehäuses zumindest eine Ein- und Ausströmöffnung vorhanden. Weiterhin ist auf dem Außenrohr eine Abdeckhaube mit zumindest einem Einlass und mit zumindest im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen angeordneten Sammelkammern angeordnet. Zwischen den Sammelkammern ist in axialer Richtung ein umlaufendes ringförmiges Verteilventil und im Bereich des Verteilventils ein Übergang von den Sammelkammern zu einer zentralen Abdeckhaube mit zumindest einem Auslass vorhanden.
In der zentralen Abdeckhaube befindet sich ein Zentralraum.
Das Innenrohr und/oder das Außenrohr können jeweils unabhängig voneinander einteilig oder mehrteilig aufgebaut bzw. ausgeführt sein. Eine Teilung in Rohrabschnitte ist für beide Rohre, dem Innenrohr und dem Außenrohr jeweils unabhängig voneinander vorgesehen.
Unabhängig davon, ob der Antrieb innerhalb oder außerhalb der Pumpe angeordnet ist, wird ein kompakter Aufbau mit einer geringfügigen Reibung im Betrieb erreicht. Zudem wird eine breite Skalierbarkeit der Baugröße und des Fördervolumens erreicht. Damit ergeben sich breite Anwendungsfelder der erfindungsgemäßen Pumpe. Mit einem außenliegenden Antrieb lassen sich unterschiedliche Kreisläufe bedienen, da die Pumpenkammern unterschiedlicher Seiten und die Kreisläufe voneinander getrennt sind. Aber auch ein Kreislauf, der über die beidseitigen Pumpenkammern bedient wird, ist möglich. Eine Pumpe mit einem innenliegenden Antrieb eignet sich beispielsweise für eine einfache Betriebsweise zum Fördern einer Flüssigkeit über die beidseitigen Pumpenkammern.
Insbesondere wird ein Fördern ohne oder vernachlässigbaren Turbulenzen erreicht, wodurch ein Einsatz in der Medizin möglich ist.
Die Pumpe umfasst damit an den axialen Enden des Rotors jeweils zumindest zwei Pumpenkammern. Die jeweiligen Pumpenkammern werden auch als linke oder erste Pumpenkammern und rechte oder zweite Pumpenkammer oder wenn es geeignet erscheint nur als Pumpenkammern bezeichnet.
Ein wesentlicher Vorteil der Pumpe besteht darin, dass der Pumpenkolbenhohlzylinder als Rotor in der Pumpe keine besondere Lagerung benötigt. Eine separate mechanische bzw. magnetische bzw. hydrodynamische Lagerung ist nicht erforderlich. Es kommt im Betrieb lediglich zu einem mechanisch geringfügigen Reibungskontakt mit den unbeweglichen Teilen der Pumpe.
Aufgrund von geringen Spaltmaßen bei der Herstellung der Pumpe aus geeigneten Materialen ist der Druckverlust zwischen den Pumpenkammern unterschiedlicher Seiten minimal. Auf den Einsatz von Dichtungen kann verzichtet werden. Je nach Anwendungsfall und Ausführung der Pumpe ist jedoch der Einsatz von Dichtungen notwendig oder sinnvoll oder wird vorsorglich vorgesehen.
Unter der rotierenden axial schwingenden Bewegung des Rotors bzw. des Pumpenkolbenhohlzylinders wird auch als eine Rotations- und Translationsbewegung bezeichnet oder verstanden.
Die Ein- und Ausströmöffnungen stellen ein Fenster dar, durch welche das jeweilige Fluid sowohl in als auch aus der Pumpenkammer gefördert wird. Die Ein- und Ausströmöffnungen bzw. Fenster einer Seite der Pumpe sind in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig verteilt angeordnet. Die Ein- und Ausströmöffnungen bzw. Fenster jeweils gegenüberliegenden axialen Enden sind zueinander gleich oder versetzt angeordnet, wodurch die Pumpwirkung je Zyklus und/oder der periodische, quasikontinuierliche Betrieb angepasst wird.
Der Querschnitt des Verteilventils und der Übergang von den Sammelkammern sind komplementär zueinander, so dass die Dichtwirkung verbessert wird und der Sitz zuverlässiger aufeinander abgestimmt ist.
Das Verfahren zum Betreiben der Pumpe sieht vor, dass mit einer Drehbewegung eines axial beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders eine Volumenzunahme der ersten Pumpenkammern zwischen einer ersten feststehenden Stirnscheibe und eines beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders erfolgt, wobei ein Ansaugen eines Fluides über einen Einlass erfolgt, wobei zugleich eine Volumenabnahme der zweiten Pumpenkammer zwischen einer zweiten feststehenden Stirnscheibe und dem beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinder für ein Auslassen eines Fluides erfolgt, wobei beim Ansaugen sich ein Einlassventil öffnet und beim Auslassen ein Auslassventil oder Verteilventil durch einen Auslassdruck der zweiten Pumpenkammern zwischen der zweiten feststehenden Stirnscheiben und dem beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinder öffnet und das Auslassen über einen Auslass erfolgt und durch einen Ansaugunterdruck zugleich das Auslassventil oder Verteilventil für die ersten Pumpenkammern zwischen der ersten feststehenden Stirnscheibe und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders schließt und anschließend durch eine fortgesetzte Drehbewegung und Translationsbewegung der beweglichen Stirnscheibe ein wechselseitiges Auslassen und Ansaugen der Pumpenkammern erfolgt. Damit wird eine effiziente Betriebsweise erreicht, da Bewegungen des Pumpenkolbenhohlzylinders ohne Arbeit vermieden werden und somit mit jeder Bewegung des Pumpenkolbenhohlzylinders die zu fördernde Flüssigkeit gepumpt wird.
Je nach Aufbau der jeweiligen Pumpe lassen sich vorteilhaft die Pumpenkammern so verschalten bzw. zusammenschalten bzw. getrennt nutzen, so dass eine Flüssigkeit durch die Pumpenkammern zwischen einer der Stirnscheiben und des Pumpenkolbenhohlzylinders und das gleiche oder ein anderes Fluid zwischen der anderen der Stirnscheiben und des Pumpenkolbenhohlzylinders gepumpt werden. Weiterhin wird die Frequenz der Impulse der resultierenden Strömung zwei Mal größer, als die Frequenz der Änderung der Kammervolumen, wodurch ein langsames Pumpen erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Pumpe bewirkt einen periodischen, quasikontinuierlichen Betrieb. Die Pumpe ist im industriellen Umfeld, medizinischen Umfeld und in anderen technischen Bereich einsetzbar.
Die erfindungsgemäßen Pumpen arbeiten jeweils nach dem Prinzip der periodischen Verdrängung der Flüssigkeit aus dem Arbeitsvolumen der Pumpenkammern. Die jeweilige Pumpe hat zumindest vier Pumpenkammern, wobei jeweils zumindest zwei Pumpenkammern an den axialen Enden des Rotors vorhanden sind, die nach einer Rotationsbewegung sowie einer translatorischen Bewegung des Rotors als Pumpenkolbenhohlzylinder zwischen den unbeweglichen Stirnscheiben und den beiden axialen Stirnseiten des Pumpenkolbenhohlzylinders gebildet sind. Die jeweiligen Pumpenkammern an einem jeweiligen axialen Ende des Rotors ändern ihr Volumen synchron und bilden einen Strömungszweig der Pumpe. Jeder Strömungszweig hat zumindest einen Einlass und zumindest einen Auslass.
Rückschlagklappen bzw. Rückschlagventile stehen zumindest mit dem Einlass in Verbindung.
Die Auslässe der Pumpe können in einen gemeinsamen Auslass oder in getrennte oder verbundene Auslässe münden, wobei ein Verteilventil zum Einsatz kommt, die Zweige zu trennen und/oder separat zu bedienen. Auf diese Weise kann die Pumpe als eine Pumpe mit zwei Einlässen und einem Auslass oder als zwei parallel arbeitete Pumpen realisiert werden. Es lassen sich damit unterschiedliche Flüssigkeiten fördern.
Zwei Einlässe erlauben es beispielsweise, die Pumpe für die Vermischung von zwei Flüssigkeiten zu verwenden, wenn die Förderung beispielsweise auf einen Auslass erfolgt. Die beiden Einlässe können auch in einem oder über ein Einlassrohr verbunden sein. Die Pumpe lässt sich dadurch als eine standardisierte Pumpe verwenden.
Bei den erfindungsgemäßen Pumpen, sei es jene mit Antrieb innerhalb oder jene außerhalb des koaxialen Doppelrohrgehäuses, bewegen sich die Rotoren als Pumpenkolbenhohlzylinder nahezu kontaktlos im Inneren des koaxialen Doppelrohrgehäuses mit dem Innenrohr und dem Außenrohr mit entsprechenden unbeweglichen Stirnscheiben in der gleichen Ebene zwischen dem Innenrohr und dem Außenrohr im Innern des koaxialen Doppelrohrgehäuses. Die jeweiligen stirnseitigen mechanischen Kontakte zwischen dem Rotor als Pumpenkolbenhohlzylinder und den beiden unbeweglichen Stirnscheiben weisen nur eine geringfügige Reibung auf, da die Kontaktfläche so profiliert sind, so dass sich der Rotor bei seiner translatorischen Bewegung sowie Rotationsbewegung fast ohne Reibung auf bzw. entlang der Kontaktflächen der unbeweglichen Stirnscheiben bewegt.
Die Pumpe kann beispielsweise aus Metall, wie beispielsweise Titan gefertigt werden. Die Ventile lassen sich beispielsweise aus einem Kunststoff, wie beispielsweise aus Polyurethan fertigen. Damit ist beispielsweise die Kompatibilität zur medizinischen Anwendung und zu Blut und auch zu anderen kontaminationsfreien Flüssigkeiten gegeben.
Durch die Änderung der Winkelgeschwindigkeit des Rotors kann die Strömung kontrolliert werden. Im Vergleich zu dynamischen, beispielsweise axialen Pumpen im Stand der Technik hat die erfindungsgemäße Pumpe den weiteren Vorteil, dass die Strömung durch die Pumpe mit relativ geringer Geschwindigkeit erfolgt.
Die Pumpe ist leicht in ihrer Größe skalierbar und kann weiterhin für verschiedene industrielle Zwecke verwendet werden. Die Pumpe lässt sich ohne weiteres in der Wasserhydraulik sowie in der Ölhydraulik einsetzen.
Die Struktur der Pumpe bietet auch eine einfache Realisierung als miniaturisierte Variante für eine Verwendung in der Medizintechnik.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Indem die Sammelkammern doppelrohrförmig ausgebildet sind, wobei in Richtung der oder im Bereich der Ein- und Ausströmöffnung oder des Innenrohrs die außenliegende Wandung durchbrochen oder entfernt ist oder dass die Sammelkammern das Innenrohr umfassen, wird ein einfacherer und kompakterer Aufbau erreicht. Die Sammelkammern sind im Innenrohr oder auf dem Außenrohr im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen bzw. der Pumpenkammern umlaufend.
Eine weitere Vereinfachung des Aufbaus ist möglich, wenn das zumindest eine Auslassrohr von zumindest einer Sammelkammer umschlossen ist oder dass die innenliegende Wandung der Sammelkammern das zumindest eine Auslassrohr bildet Indem die Pumpe zwei Einlässe aufweist, wobei die jeweiligen Einlässe mit einem Rückschlagventil in Verbindung stehen und eines der Auslassrohre in axialer Richtung von einer Seite bis an das Verteilventil durchgängig ist und das andere Auslassrohr von der anderen Seite des Verteilventils im Bereich des Verteilventils verschlossen ist, wobei das durchgängige Auslassrohr den gemeinsamen Auslass bildet und das Verteilventil ein umlaufender Ring mit durchgängigem Mittelbereich ist, wird ein einfacher Aufbau zur Förderung einer Flüssigkeit an einen Auslass erreicht und dadurch die Peripherie vereinfacht anschließbar ist.
Indem die Abdeckhaube einteilig ist oder durch Abdeckhaubenabschnitte gebildet ist, werden unterschiedliche konstruktive Varianten bereitgestellt, welche je nach Anforderung und Anwendungsgebiet die Konstruktion vereinfachen oder eine vereinfachte Herstellung ermöglichen.
Indem die Abdeckhaube die zentrale Abdeckhaube umfasst oder dass die Abdeckhaube und die zentrale Abdeckhaube mehrteilig zusammengesetzt sind, werden unterschiedliche konstruktive Varianten bereitgestellt, welche je nach Anforderung und Anwendungsgebiet die Konstruktion sowie die Herstellung vereinfachen.
Indem die Abdeckhaube auf das Außenrohr aufgesetzt oder aufgeschoben ist oder das Außenrohr umfasst, werden ebenfalls unterschiedliche konstruktive Varianten bereitgestellt, welche je nach Anforderung und Anwendungsgebiet die Konstruktion vereinfachen oder für eine erhöhte Stabilität oder eine vereinfachte Herstellung ermöglichen.
Indem in einer Weiterbildung die Abdeckhaube mit den Sammelkammern oder die doppelrohrförmig ausgebildeten Sammelkammern in axialer Richtung zweiteilig aufgebaut ist, wobei axial zwischen den beiden Teilen das umlaufende oder geschlossene oder scheibenförmige Verteilventil angeordnet ist, wird eine sehr einfache Konstruktion mit wenigen Teilen erreicht, welche nur wenige Grenzflächen aufweist. Zudem wird ein zuverlässigerer Sitz der Dichtung erreicht und wodurch die Dichtwirkung erhöht wird. Hierdurch lassen sich zuverlässiger unterschiedliche Flüssigkeiten pumpen.
Durch eine Reduzierung auf wenige einzelne Bauteile oder Komponenten lassen sich weiterhin Schwachstellen hinsichtlich der Dichtheit an den Grenzflächen der einzelnen Bauteile oder Komponenten vermeiden.
Indem die Pumpe als Doppelpumpe zwei Einlässe und zwei Auslässe aufweist, wobei die jeweiligen Einlässe mit einem Rückschlagventil in Verbindung stehen und im Bereich des Verteilventils jeweils ein Übergang von den Sammelkammern zu jeweils einem Auslassrohr mit Auslass vorhanden ist, wobei das Verteilventil eine Dichtscheibe mit umlaufenden Ring und geschlossenem oder offenen Mittelbereich ist, lassen sich zwei gleiche oder unterschiedliche Flüssigkeiten effizient pumpen, welche über unterschiedliche Einlässe in die Pumpe gelangen und über das Verteilventil als Ventilanker oder Verteiler getrennt oder vermischt auf unterschiedliche Auslässe verteilt oder auf einen konzentriert werden.
Vorteilhaft ist das Verteilventil lose oder mittels einer Tellerfeder angeordnet ist und/oder ist eine ringförmige damit offene umlaufende Dichtung oder eine geschlossene oder scheibenförmige Dichtung. So lassen sich neben einem zuverlässigeren Sitz auch unterschiedliche Betriebsweisen und Dichtwirkungen besser umsetzen. Um beispielsweise zu vermeiden, dass sich zwei unterschiedliche zu fördernde Flüssigkeiten vermischen, ist die Dichtung geschlossen und/oder scheibenförmig, wodurch die Flüssigkeiten getrennt voneinander und gerichtet durch die Pumpe geleitet werden.
Vorteilhaft ist als Antrieb elektrisch mittels Stator und Läufer einer an sich bekannten elektrischen Maschine vorgesehen, wobei der Rotor der Läufer ist und der Stator innerhalb des Innenrohrs oder außerhalb des Außenrohrs angeordnet ist. Alternativ ist der Antrieb mittels mechanischer Kopplung mit dem Rotor und/oder mit oder ohne mitrotierenden Innenrohr ein Elektromotor oder ein pneumatischer oder hydraulischer oder verbrennungsmotorischer Antrieb. Hierdurch lassen sich je nach Pumpleistung, Baugröße und Anforderung unterschiedliche Antriebe einsetzen und vorsehen.
Auch eine Zwangsführung des Rotors ist denkbar, so dass die Belastungen der Stirnseiten des Rotors und/oder der Stirnscheiben reduziert werden können.
In einer Weiterbildung umfasst der bewegliche Pumpenkolbenhohlzylinder als Rotor in Umfangsrichtung Permanentmagneten des Läufers. Der Pumpenkolbenhohlzylinder weist vorzugsweise eine paarige Zahl radial gegenseitig polarisierter Permanentmagnete auf, die in oder an den Läufer bzw. dem Pumpenkolbenhohlzylinder angeordnet sind. Es ist beispielsweise möglich, an den Läufer 2 bis 20 Magnete anzuordnen, wobei sowohl eine Anzahl von vier als auch eine Anzahl von 10 oder 16 Magneten nicht ausgeschlossen ist.
Durch die axiale Bewegung des Rotors oder Pumpenkolbenhohlzylinder als Läufer oder Schwingläufer ist es vorteilhaft, dass der Antrieb der Pumpe als Stator axial länger als der rotierende axial schwingende Rotor oder Pumpenkolbenhohlzylinder als Läufer oder Schwingläufer bzw. das Pumpelement ist. Das im Stator erzeugte elektromagnetische Feld bewirkt die Drehbewegung des Schwingankers oder Schwingläufer. Da es jedoch bei der Drehbewegung durch die Kurvenscheiben an den Stirnseiten auch zu einer axialen Bewegung kommt, ist der Einfluss des Magnetfeldes auf den Rotor oder Pumpenkolbenhohlzylinder als Läufer oder Schwingläufer in den axialen Endpunkten im erforderlichen Umfang zu gewährleisten.
Indem der Antrieb auf dem Außenrohr angeordnet ist oder ein Teil des Außenrohrs oder des koaxialen Doppelrohrgehäuses ist oder dass der Antrieb im Innenrohr angeordnet ist oder dass der Antrieb das Innenrohr bildet oder ein Teil davon ist, lässt sich die Pumpe an Pumpenleistung, Temperaturverhältnisse, Baugröße und andere konstruktive Eigenschaften anpassen und vereinfachen.
Indem der Einlass und/oder der Auslass radial, axial oder tangential angeordnet ist, wird erreicht, dass je nach Flüssigkeit die Strömungsverhältnisse angepasst und unzulässige Strömungsbedingungen oder Turbulenzen vermieden werden. Diese sind beispielsweise beim Pumpen von Blut zu vermeiden.
Vorteilhaft besitzt der Einlass eine Schneckenstruktur, die optimal die Richtung der Strömung ändert. Hierdurch werden innerhalb der Pumpe ungünstige Turbulenzen vermeiden.
Indem die Kurvenscheibe der zueinander weisenden axialen Stirnseiten der feststehenden Stirnscheiben symmetrisch oder gespiegelt ausgebildet sind, wird erreicht, dass die axiale und translatorische Bewegung des Rotors gleichmäßig ist und zudem auf jeder Seite jeweils die gleiche Pumpleistung erreicht wird.
Indem die Struktur der Kurvenscheibe der axialen Stirnseiten des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders zueinander um 90 Grad versetzt oder verdreht oder gespiegelt sind, wird ein wechselnder quasikontinuierlicher Flüssigkeitstransport erreicht.
Indem die Stirnseiten der Stirnscheiben und des Pumpenkolbenhohlzylinders als Kurvenscheibe mit einer helixförmigen Stirnfläche ausgebildet sind, wird erreicht, dass die Bewegung des Pumpenkolbenhohlzylinders entlang der Stirnfläche gleichmäßiger erfolgt.
Indem bei maximalem Volumen der Pumpenkammern zwischen einer der feststehenden Stirnscheiben und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders das Volumen der Pumpenkammern zwischen der anderen feststehenden Stirnscheibe und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders ein Minimum aufweist, wird erreicht, dass die jeweiligen Pumpenkammern je Seite abwechselnd und nacheinander pumpen und somit einen Druck auf eine Peripherie ausüben. Zudem wird ein periodisches, quasikontinuierliches Fördern jeder einzelnen Flüssigkeit oder bei einer gemeinsamen Flüssigkeit der periodische, quasikontinuierliche Betrieb begünstigt.
In einer Weiterbildung ist an, nach oder vor den Einlässen und/oder Auslässen jeweils ein Einlassventil und/oder Auslassventil vorhanden, wobei das Einlassventil und/oder Auslassventil vorzugsweise in nur einer Strömungsrichtung öffnet, wodurch der Betrieb der Pumpe zuverlässiger erfolgt bzw. die Pumpleistung erhöht wird.
Vorteilhaft erfolgt eine Skalierung des Fördervolumens, wobei der Auslass der Pumpenkammern zwischen zumindest einer der feststehenden Stirnscheiben und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders direkt oder über einen Ausgleich auf den Einlass oder das Einlassventil geleitet wird. Somit ist eine bedarfsgerechte Steuerung des Pumpenvolumens möglich, indem sich beispielsweise die Einlässe und Auslässe über beispielsweise über einen Bypass zusammenschalten oder kurzschließen lassen und somit die Flüssigkeit zwischen Auslass und Einlass und durch die Pumpe zirkuliert. Damit lässt sich erreichen, dass jeweils die Pumpenkammern zwischen einer der Stirnscheiben und dem Pumpenkolbenhohlzylinder oder zwischen beiden der Stirnscheiben und dem Pumpenkolbenhohlzylinder die Flüssigkeit fördert. Zudem kann auch erreicht werden, dass keine der Pumpenkammer effektiv fördert und nur über die Auslässe, Einlässe und innerhalb der Pumpe die Flüssigkeit zirkuliert.
Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 ein koaxiales Doppelrohrgehäuse mit zwischen dem Innenrohr und Außenrohr angeordneten Stirnscheiben und Pumpenkolbenhohlzylinder,
2 eine schematische Darstellung von zwei Stirnscheiben und einem Pumpenkolbenhohlzylinder mit jeweils helixförmigen Kontaktstirnflächen,
3 eine schematische Darstellung eines koaxiales Doppelrohrgehäuses mit zwischen dem Innenrohr und Außenrohr angeordneten Stirnscheiben,
4 eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe mit innerhalb des Innenrohrs angeordneten Sammelkammern und einseitigem Auslass und mit außenliegendem Stator als Antrieb,
4a einen Ausschnitt einer Pumpe mit außenliegendem Antrieb und mit innerhalb des Innenrohrs angeordneten Sammelkammern und zwei getrennten oder zweiseitigen Auslässen,
5 eine räumliche Darstellung einer Pumpe mit zwei schneckenförmigen Einlässen und außenliegendem Antrieb als elektromotorischer Antrieb als Stator,
6 einen außenliegenden Antrieb als elektromotorischer Antrieb als Stator und mit dargestellten Läufermagneten,
7 eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe mit innerhalb des Innenrohrs angeordneten Sammelkammern und mit verbundenen zweiseitigen Auslässen,
8 eine räumliche Darstellung einer Pumpe mit einem koaxiales Doppelrohrgehäuse mit zwischen dem Innenrohr und Außenrohr angeordneten Stirnscheiben und Pumpenkolbenhohlzylinder, mit innerhalb des Innenrohrs angeordneten Sammelkammern und zwei schneckenförmigen Einlässen,
9 eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe mit innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als Stator und mit außerhalb des Außenrohrs angeordneten Sammelkammern und einem gemeinsamen Auslass,
10 eine räumliche Darstellung eine Pumpe mit innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als Stator und mit außerhalb des Außenrohrs angeordneten Sammelkammern und einem gemeinsamen Auslass,
11 eine Ausschnittsdarstellung von Außensammelteilen umfassend Außenrohre und Sammelkammern als kombinierte Bauteile einer Pumpe mit einem innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als Stator,
12 das innere Sammelteil der Pumpe mit einem innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als Stator,
13 ein innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als Stator mit außerhalb Innenrohr dargestellten Magneten des Läufers,
14 eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe mit innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als Stator und mit außerhalb des Außenrohrs angeordneten Sammelkammern und einem gemeinsamen Auslass,
15 eine räumliche Darstellung eines Außensammelteils als umfassend das Außenrohr und eine Sammelkammer als kombiniertes Bauteil einer Abdeckhaube,
16 eine räumliche Darstellung eines Außensammelteils als umfassend das Außenrohr und eine Sammelkammer als kombiniertes Bauteil einer Abdeckhaube mit daran angeordneter zentraler Abdeckhaube,
17 eine Schnittdarstellung durch eine Pumpe mit innerhalb des Innenrohrs angeordnetem Antrieb als mechanisch gekoppelter Antrieb mittels Antriebswelle und mit außerhalb des Außenrohrs angeordneten Sammelkammern und einem gemeinsamen Auslass und
18 ein Funktionsprinzip der Pumpzyklen bzw. der Winkelstellungen des Pumpenkolbenhohlzylinders.

Die erfindungsgemäße Pumpe umfasst einen zylindrisch geformten Rotor 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 und zwei unbeweglichen feststehenden zylindrische Stirnscheiben 2, 3, die im Betrieb zwischen den Stirnseiten 7 des Rotors 1 und den Stirnscheiben 2, 3 jeweils zwei gemeinsame Pumpenkammern 9, 10 bilden. Für die Unterbringung des Rotors 1 und der Stirnscheiben 2, 3 ist ein koaxiales Doppelrohrgehäuse 50 mit einem Innenrohr 5 und einem Außenrohr 4 vorgesehen. Der Antrieb erzwingt die Rotationsbewegung des Rotors 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 oder als Läufer 1. Die translatorische Verschiebung des Rotors 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 oder als Läufer 1 entsteht durch den reibungsarmen mechanischen Kontakt mit den zwei fest im koaxialen Doppelrohrgehäuse 50 angeordneten Stirnscheiben 2, 3. Der Rotor 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 oder als Läufer 1 und die Stirnscheiben 2, 3 weisen speziell profilierte Stirnflächen 7 oder Stirnseiten 7 auf, die das variable oder dynamische Volumen der Pumpenkammern 9, 10 bilden. Innerhalb einer Umdrehung 360 Grad des Rotors 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 oder als Läufer 1 ändert sich das Volumen beider Pumpenkammern 9, 10 zwei Mal und bildet so einen Pumpentakt.
Die einfachste Ausführung der Pumpe umfasst zwei Stirnscheiben 2, 3 und dem Rotor 1 und weist auf jeder Seite jeweils zwei gleiche dynamische Pumpenkammern 9, 10 auf, somit also insgesamt vier Pumpenkammern 9, 10, deren Volumenströme um 90 Grad versetzt sind, so dass ein quasikontinuierlicher Volumenstrom entsteht. Die Pumpe kann auch pro Ebene oder Seite mit mehr als zwei Pumpenkammern 9, 10 ausgestattet werden. Die Zu- und Abführung des Fördergutes kann über Kanäle erfolgen. Diese sind mit Rückschlagventilen 35, 36 ausgestattet, so dass Befüllen und Leeren der Pumpenkammern 9, 10 in der notwendigen Art und Weise erfolgen. Die beiden Pumpenkammern 9, 10 einer Seite saugen gleichzeitig über einen Drehwinkel von 90 Grad das Fördergut an. In den weiteren 90 Grad wird das Fördergut ausgedrückt, so dass jeder vollen Umdrehung zwei Kammerleerungen entsprechen. Durch eine um 90 Grad versetzte zweite Förderebene der anderen Seite wird während der Ansaugzeit der ersten Ebene durch die zweite Ebene das Fördergut ausgedrückt, so dass ein quasikontinuierlicher Volumenstrom entsteht.
Die Komponenten Rotor 1 und Stirnscheiben 2, 3 sind so konstruiert, dass sich die Geometrie bzw. Form der Stirnflächen 7 bzw. Stirnseiten 7 nach einer 180 Grad Umdrehung wiederholt. Der Rotor 1 und die Stirnscheiben 2, 3 sind in zwei koaxial angeordneten Rohren, dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 4 gelagert und angeordnet, welche zusammen das koaxiale Doppelrohrgehäuse 50 bilden.
Die Übertragung des Drehmomentes auf den Läufer kann auch durch direkte mechanische Kopplung des mitrotierenden Innenrohres 5 oder mittels einer mechanischen Kopplung mit dem Rotor 1 erfolgen. Auch die Nutzung magnetischer Kupplungen ist denkbar. Ein- und Ausströmöffnungen 46 für das Fördergut können sowohl in das Innenrohr 5 oder in das Außenrohr 4 eingebracht werden.
Durch die Verwendung von profilierte Kontaktflächen auf den Stirnflächen 7 des Rotors 1 und der Stirnscheiben 2, 3 lässt sich bei kombinierter Bewegung des Rotors 1 die Reibung wesentlich minimieren. Mit einer Zwangsführung des Rotors 1 lassen sich die Belastungen der Stirnseiten 7 des Rotors 1 reduzieren.
In der 1 sind die Pumpenräume 9, 10 der Pumpe gezeigt. Der jeweilige Pumpenraum 9, 10 wird durch den Rotor 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 oder als Läufer 1, die linke Stirnscheibe 2 und rechte Stirnscheibe 3 gebildet. Die drei Hauptelemente sind im koaxialen Doppelrohrgehäuse 50 mit Innenrohr 5 und Außenrohr 4 angeordnet. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen sind sowohl der Rotor 1, die Stirnscheiben 2, 3, das Innenrohr 5 und das Außenrohr 4 als auch der Innenraum innerhalb des Innenrohrs 5 im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet.
Für medizinische Zwecke können der Rotor 1, die Stirnscheiben 2, 3 und Außenrohr 4 und das Innenrohr 5 beispielsweise aus Titan oder anderen biokompatiblen Materialien gefertigt sein.
Die beiden Stirnscheiben 2, 3 sind fest im Raum zwischen dem Außenrohr 4 und dem Innenrohr 5 eingebaut. Der Rotor 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 oder als Läufer 1 ist rotations- und translationsbeweglich im Raum zwischen dem Außenrohr 4 und dem Innenrohr 5 angeordnet, wobei seine axiale bzw. translatorische Bewegung durch die beiden Stirnscheiben 2, 3 beschränkt ist.
In radialer Richtung ist zwischen einer Innenseite des Außenrohrs 4 und einer Außenseite des ringförmigen Rotors 1 beispielsweise als Läufer 1 oder als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 ein Spalt 42 vorhanden, in welchem sich ein Flüssigkeitsfilm ausbildet, sobald sich der Rotor 1 setzt. Ebenso ist zwischen Außenseite des Innenrohrs 5 und Innenseite des ringförmigen Rotors 1 beispielsweise als Läufer 1 oder als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 ein Spalt 42 vorhanden und es bildet sich darin ebenfalls ein Flüssigkeitsfilm, sobald sich der Rotor 1 in Bewegung setzt. Die Spaltbreite ist sehr gering auf beispielsweise 15µm bis 45µm bemessen, um einen nur einen kleinen oder gar vernachlässigbaren Flüssigkeitswechsel zwischen linken und rechten Pumpenkammern 9, 10 entstehen zu lassen. Bei höherer Rotationsgeschwindigkeit funktionieren beide Spalte 42 als hydrodynamische Lager. Radiale Oszillationen des Rotors 1 als Läufer 1 sind zu minimieren.
Zudem können zur Abdichtung der Spalten 42 Rotordichtungen 25 vorgesehen werden.
Weitere Darstellung des Rotors 1 beispielsweise als Läufer 1 oder als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 und der beiden Stirnscheiben 2, 3 ohne Innenrohr 5 und ohne Außenrohr 4 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 zeigt 2. Die zueinander weisenden axialen Stirnseiten 7 der Stirnscheiben 2, 3 und des Rotors 1 sind als Kurvenscheibe 7 ausgebildet. Die als Kurvenscheibe 7 ausgebildeten Stirnseiten 7 des Rotors 1 als Läufer 1 beiderseitig und die zum Läufer 1 weisenden Stirnseiten 7 der Stirnscheiben 2, 3 haben eine geschwungene helixförmige Stirnfläche 7. Durch die Verwendung der helixförmigen Stirnfläche 7 lässt sich die Reibung zwischen den kontaktierten Stirnseiten 7 reduzieren. Zwischen helixförmigen Stirnfläche 7 der Stirnscheiben 2, 3 und des Rotors 1 sind Pumpenkammern 9, 10 gebildet, welche sich je nach Stellung des Rotors 1 in unterschiedlicher Größe in radialer, axialer und in Umfangsrichtung erstrecken und je nach Rotorstellung einen annähernd viereckigen Querschnitt besitzen. Es sind jeweils zwei Pumpenkammern 9 auf der linken Seite und jeweils zwei Pumpenkammern 10 auf der rechten Seite vorhanden. In radialer Richtung sind die Pumpenkammer 9, 10 zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 4 des koaxiales Doppelrohrgehäuses 50 geschlossen.
3 zeigt das Außenrohr 4 und das Innenrohr 5 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50. An den axialen Enden sind die Stirnscheiben 2, 3 als linke Stirnscheibe 2 und als rechte Stirnscheibe 3 angeordnet. Im Innenrohr 5 sind die Ein- und Ausströmöffnungen 46 bzw. Fenster 46 dargestellt. Diese sind in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt und an den jeweils gegenüberliegenden axialen Enden jeweils zueinander gleich angeordnet.
Bei der Rotation bekommt der Rotor 1 durch den reibungsarmen mechanischen Kontakt 7 auf die helixförmigen Stirnflächen 7 eine axiale Spindelbewegung oder Translationsbewegung. Dabei ändert sich das Volumen der Pumpenkammern 9, 10 jeweils abwechselnd je Seite von Null bis Maximum und umgekehrt. Ein Null-Volumen der Pumpenkammern 9, 10 entsteht, wenn die Spitzenkante 43 des Rotors 1 mit der Innerkante 44 einer der Stirnscheibe 2, 3 zusammenfallen. Das maximale Volumen entsteht bei Zusammenfallen der Spitzenkanten 43 des Rotors 1 und der Spitzenkanten 45 einer der Stirnscheiben 2, 3.
Durch die Änderung des Volumens der Pumpenkammern 9, 10 von Null bis Maximum wird der Pumpenprozess des Einsaugens und des Auspumpens realisiert. Dabei, wenn das Volumen der Pumpenkammern 9, 10 von einer Seite, beispielsweise von den Pumpenkammern 9 der linker Seite zunimmt, nimmt das Volumen der Pumpenkammern 10 von der anderen Seite, beispielsweise von der rechten Seite, ab. Dabei ändert sich das Volumen der beiden Pumpenkammern 9, 10 von jeweils einer Seite synchron. Das bedeutet, dass vier Pumpenkammern 9, 10 der Pumpe bei Rotation des Rotors 1 zwei unabhängige Gegenphasen-Pumpenprozesse realisieren. Mit der Druckdifferenz zwischen den linken und rechten Pumpenkammern 9, 10 entsteht ein Fluss in den Spalten 42 zwischen dem Außenrohr 4 und dem Innenrohr 5 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 und den Außenflächen des zylindrischen Rotors 1. Wird die Pumpe als zwei unabhängige Pumpen eingesetzt, darf die Spaltweite nicht zu groß, beispielsweise nicht größer als 30µm sein, um diese Verluste zu minimieren. Zusätzlich oder alternativ kommen umlaufende Rotordichtungen 25 zwischen dem Außenrohr 4 bzw. dem Innenrohr 5 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 und den Außenflächen bzw. Innenflächen des zylindrischen Rotors 1 zum Einsatz.
Der Rotor 1 ist vergleichbar mit einer elektrischen Maschine, umfassend einen Stator 21 und einen Läufer 1 oder mittels eines separaten Antriebes 20 und mechanischer oder anderweitiger Kopplung rotierend angetrieben.
Der Antrieb 20 des Rotors 1 ist beispielsweise elektrisch mittels Stator 21 und Läufer 1 ausgeführt. Der Rotor 1 als Läufer 1 umfasst beispielsweise vier Magnete 6 die in den Rotor 1 als Läufer eingelassen oder im Läufer 1 implementiert sind. Bei einem Rotor 1 als Läufer 1 sind im Rotor 1 Magnete 6 angeordnet. Die Lage der Magneten 6 im Rotor 1 ist in den 1 und 2 dargestellt. Alle Magnete 6 haben in radialer Richtung die gleiche Höhe wie der Rotor 1 als Läufer 1. Das radial obere Ende des jeweiligen Magneten 6 bildet einen Pol und dessen radial unteres Ende bildet den entgegengesetzten Pol des Magneten 6. Jeweils benachbarte Magnete 6 sind radial entgegengesetzt polarisiert.
Es kommen beispielsweise zwei Varianten der Ausführung der elektrisch betriebenen Pumpe in Betracht. Die beiden Varianten sehen vor, dass der Stator 21 entweder außerhalb des Außenrohrs 4 oder innerhalb des Innerohrs 5 des konzentrischen Doppelrohrgehäuses 50 angeordnet ist.
Die konstruktive Ausführung der Pumpe mit dem Stator 21 außerhalb des Außenrohrs 4 ist in 4, 5 und 6 dargestellt. Der Stator 21 kann beispielsweise 6-, 9- oder 12-polig sein. Die Polkerne 29 sind von außen mit einem Joch 28 umfasst. Die sechs, neun, oder 12 Spulen 30 sind um die Polkerne 29 gewickelt und werden mit einem 3-phasigen Wechselstrom mit beispielsweise rechteckförmiger Wellenform gespeist.
Die 6 zeigt Struktur des Stators 21 mit darin schematisch dargestellten Joch 28, Polkernen 29 und sechs Spulen 30 sowie mit den Magneten 6 von einem nicht dargestellten Läufer 6.
Im Unterschied zu herkömmlichen Motoren ist, wie in der 7 dargestellt, dass der Stator 21 axial länger als der Rotor 1 als Läufer 1 auf den axialen Pendelweg des Rotors 1 als Läufer 1. Das Umlaufen den Rotors 1 als Läufer 1 in Rotations- und Axialrichtung ist helixartig bzw. helixförmig entlang der Stirnflächen 7 der Stirnscheiben 2, 3.
Der Längsschnitt der Pumpe in der 4 zeigt die Läuferposition, bei welcher der Rotor 1 als Läufer 1 ganz rechts ist. Dabei haben die linken Pumpenkammern 9 ein maximales Volumen und die rechten Pumpenkammern ein Volumen von Null. Bei nachfolgender Bewegung des Rotors 1 als Läufer 1 nehmen die Volumen der Pumpenkammern 9, 10 von der rechten Seite zu und von der linken Seite ab. Die Flüssigkeit aus den linken Pumpenkammern 9 wird durch die Fenster 46 als Ausströmöffnungen 46 im Innenrohr 5 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 in die linken Sammelkammern 37 verdrängt. Die Flüssigkeit für bzw. in die rechten Pumpenkammern 10 wird durch die Fenster 46 als Einströmöffnung 46 im Innenrohr 5 des koaxialen Doppelrohrgehäuse 50 aus den rechten Sammelkammern 38 gesaugt. Das Innenrohr 5 mit den Fenstern 46 bzw. Ein- und Ausströmöffnungen 46 zeigt die 3. Ein entsprechender Strömungsverlauf 56 ist mit Strömungspfeilen 56 eingezeichnet.
In der 5 ist die Pumpe mit zwei schneckenartig ausgerichteten Einlässe 31, 32 dargestellt. Die Sammelkammern 37, 38 dienen der Umleitung der Flüssigkeit von den Einlässe 31, 32 zu den Pumpenkammern 9, 10 und von Pumpenkammern 9, 10 zum Verteilventil 14 innerhalb eines Halbzyklus.
Der linke Einlass 31 und der rechte Einlass 32 haben wie in den 4, 4a, 5, 7 und 8 dargestellt, eine Schneckenstruktur. Diese Schneckenstruktur transformiert die Förderflüssigkeit von einem Fluss in den tangentialen Einlassröhren zu einem ringförmigen Fluss in den Sammelkammern 37, 38. Jeder Einlass 31, 32 ist mit einem Rückschlagventil 35, 36 ausgestattet. Als Rückschlagventile 35, 36 können Dreisegelventile mit Segeln 41 verwendet werden, wie dies in 5, 7 und 8 gezeigt ist, oder konventionelle Rückschlagventile 35, 36 aller Art.
In 8 sind weiterhin die Sammelkammern 37, 38 sowie das zwischen den Sammelkammern 37, 38 vorhandene Verteilventil 14 dargestellt. Das Außenrohr 4, das Innenrohr 5, die Stirnscheiben 2 ,3 und der Rotor 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 bzw. als Läufer 1 mit den Magneten 6 sind in der Darstellung ebenfalls gezeigt.
In 4 ist das Verteilventil 14 als offene umlaufende Dichtung 27 ausgeführt, die je nach Pumpentakt und Druck den Übergang 39 öffnet bzw. freigibt und den Übergang 40 schließt bzw. sperrt und umgekehrt. Dafür bewegt sich das Verteilventil 14 in axialer Richtung in bzw. an den Übergang 39 oder Übergang 40. Dies ist schematisch in der 4 mittels eines Bewegungspfeils 55 in axialer Richtung der Pumpe dargestellt. Durch das Verteilventil 14 als offene umlaufende Dichtung 27 und das rechte verschlossene Auslassrohr 34 strömt das Fluid je nach Pumpentakt durch das Verteilventil 14 als offene umlaufende Dichtung 27 zum Auslassrohr 33 auf der linken Seite der Pumpe.
In 4a ist das Verteilventil 14 als geschlossene Dichtung 27 ausgeführt, die je nach Pumpentakt und Druck den Übergang 39 öffnet bzw. freigibt und den Übergang 40 schließt bzw. sperrt und umgekehrt. Das Fluid strömt je nach Pumpentakt zum Auslassrohr 34 auf der rechten Seite oder zum Auslassrohr 33 auf der linken Seite der Pumpe. Ein entsprechender Strömungsverlauf 56 ist mit Strömungpfeilen 56 eingezeichnet.
Weiterhin ist in diesem Fall das Verteilventil 14 durch die Tellerfeder 47 am Außenrohr 4 des koaxialen Doppelgehäuses ausgehängt. Das Verteilventil 14 und die Tellerfeder 47 isolieren voneinander 2 Flüsse von der linken Sammelkammer 37 zum Auslassrohr 33 und von der rechten Sammelkammer 38 zum Auslassrohr 34. Auch in diesem Fall bewegt sich das Verteilventil 14 in axialer Richtung in bzw. an den Übergang 39 bzw. Übergang 40, wie dies schematisch die Bewegungspfeile 55 kennzeichnen.
Unabhängig davon wo oder wie der Antrieb 20 angeordnet oder ausgeführt ist, sind das Verteilventil 14 bzw. zumindest dessen seitliche Oberflächen und die zum Verteilventil 14 weisenden Oberflächen der Übergänge 39, 40 komplementär aufgeführt, so dass beim Schließen bzw. Auf- oder Ineinanderdrücken je nach Pumpentakt ein zuverlässiges Abdichten ermöglichen. In den Ausführungsbeispielen sind das Verteilventil 14 die Übergänge 39, 40 konisch ausgeführt. Unter der Druckdifferenz in den Sammelkammern 37, 38, 48, 49 druckt bzw. sitzt das Verteilventil 14 entweder auf einen Sattel des linken Übergangs 39 oder auf einen Sattel des rechten Übergangs 40. Dadurch wird die Flüssigkeit von den Sammelkammern 37, 38 37, 38, 48, 49 in das jeweilige Auslassrohr 33, 34 bzw. die einen Zentralraum 22 der zentralen Abdeckhaube 19 gerichtet geleitet.
Bei Verwendung des Verteilventils 14 als offene umlaufende Dichtung 27 hat die Pumpe zwei Einlässe 31, 32 und einen Auslass 33, 34 oder zwei zu einem Auslass kombinierte Auslässe 33, 34. In diesem Fall arbeitet die Pumpe als eine Pumpe für eine portionierte Mischung der zwei Flüssigkeiten im ausgepumpten Fluss. Die Einlässe 31, 32 weisen zwei Rückschlagventile 35, 36 oder ein kombiniertes zweiseitiges Rückschlagventil 35, 36 auf. Dies ist in den 4 und 7 dargestellt.
Alternativ kann die Pumpe als zwei unabhängige Pumpen in einer Pumpenanordnung arbeiten. In diesem Fall ist das Verteilventil 14 als geschlossene Dichtung 27 ausgeführt. Die Einlässe 31, 32 weisen zwei Rückschlagventile 35, 36 auf. Die ist in 4a dargestellt.
Die dargestellten Ausführungsbeispiele gemäß den 1 bis 8 betreffen eine Pumpe mit Antrieb 20 bzw. Stator 21 außerhalb des bzw. auf dem Außenrohr 4.
Je nach beschriebenen Merkmalen und Funktionen kann die Beschreibung von Ausführungsbeispielen eine Pumpe mit Antrieb 20 bzw. Stator 21 auf dem Außenrohr 4 bzw. eine Pumpe mit Antrieb 20 bzw. Stator 21 auf dem Innenrohr 5 betreffen, sofern die Zusammenfassung als zweckmäßig erachtet wurde.
Weitere Ausführungsbeispiele betreffen eine Pumpe, bei welcher der Antrieb 20 als Stator 21 bzw. mit einem externen über eine Welle 51 mechanisch gekoppelten Antrieb 20 im Innern also im Innenrohr 5 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 angeordnet ist. Dies ist in den 9 bis 17 dargestellt.
Die 9 zeigt die Ausführungsform der Pumpe in diesem Fall in einem Längsschnitt. Die hauptsächlichen Komponenten der Pumpe, der Rotor 1 als Läufer 1 und die Stirnscheiben 2, 3 bleiben unverändert und sind zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 4 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 untergebracht. Der Aufbau unterscheidet sich darin, dass die Fenster 46 als Ein- und Ausströmöffnung 46 für die Förderung der Flüssigkeit aus der Pumpenkammern 9, 10 sich nicht im Innenrohr 5 sondern im Außenrohr 5 befinden. Die auf dem Außenrohr 5 angeordneten Sammelkammern 48, 49 umfassen diese Fenster auf deren zum Außenrohr 4 weisenden Innenseiten. Die Sammelkammern 48, 49 sind in Abdeckhauben 17, 18 unterbracht. In den Abdeckhauben 17, 18 sind Einlässe 11, 12 vorhanden. In einem Mittelbereich zwischen den Sammelkammern 48, 49 ist ein Verteilventil 14 und im Bereich des Verteilventils 14 ein Übergang 39, 40 von den Sammelkammern 48, 49 zu einer zentralen Abdeckhaube 19 die eine Zentralraum 22 bildet mit zumindest einem Auslass 13 vorhanden. Im Innenrohr 5 ist der elektrische Antrieb 20 als Stator 21 und der Rotor 1 als Läufer 1 zwischen dem Innenrohr 5 und dem Außenrohr 4 des koaxialen Doppelrohrgehäuses 50 angeordnet. Ein entsprechender Strömungsverlauf 56 ist mit Strömungspfeilen 56 eingezeichnet.
Nicht dargestellt sind Rückschlagventil 35, 36 bzw. Einlassventile 35, 36 an den Einlässen 11, 12.
Die 10 zeigt eine räumliche Darstellung der Pumpe mit im Innenrohr 5 angeordnetem Stator 21. Die Abdeckhauben 17, 18 sind als Doppelgehäuse mit einer linke Abdeckhaube 17 mit dem tangentialen Einlass 11 und einer rechten Abdeckhaube 18 mit dem tangentialen Einlass 12 ausgeführt. Zudem ist eine zentrale Abdeckhaube 19 die einen Zentralraum 22 umfasst mit dem tangentialen Auslass 13 vorhanden.
In 14 ist eine Pumpe sowie in 11 Teile einer Pumpe jeweils in Schnittdarstellung dargestellt, welche aus kombinierten Bauteilen zusammengesetzt sind.
Diese kombinierten Bauteile umfassen neben den Abdeckhauben 17, 18 auch das Außenrohr 4 als Außensammelteil. Diese Außensammelteile lassen sich in axialer Richtung zusammenfügen, wobei zwischen beide Außensammelteile die zentrale Abdeckhabe 19 angeordnet wird. Das Innenrohr 5 ist diesem Fall auch in zwei Rohrabschnitten ausgeführt.
Die Struktur solcher seitlichen Abdeckhauben 17, 18 mit umfassten Außenrohr 4 sowie einer zentralen Abdeckhaube 19, die auf einer seitlichen Abdeckhauben 17, 18 aufgeschoben oder auf gesteckt ist, zeigen in räumlicher Darstellung die 15 und 16.
Die Pumpe lässt sich aus drei Abdeckhauben 17, 18, 19 zusammensetzen, unabhängig davon, ob die Abdeckhauben 17, 18 das Außenrohr 4 umfassen.
In 11 ist dargestellt, dass der Außenmantel 23 von der Abdeckhaube 17 und der Außenmantel 24 von der Abdeckhaube 18 jeweils das Außenrohr 4 umfassen.
Die inneren Räume der Abdeckhaube 17, 18 sind die Sammelkammern 48, 49. Die Flüssigkeit fließt in die Sammelkammern 48, 49 durch die tangentialen Einlässe 11, 12. Von der linken Sammelkammer 48 und rechte Sammelkammer 49 durch die Übergänge 39, 40 und gesteuert durch das Verteilventil 14 entsprechend des Pumpentaktes und des Druckes strömt die Flüssigkeit periodisch in den Zentralraum 22 ein.
Ein weiteres kombiniertes Bauteil, auch als Sammelteil bezeichnet, umfasst die inneren Teile oder Komponenten der Pumpe bestehend aus dem Rotor 1 als Läufer 1 mit eingebauten Magneten 6, den Stirnscheiben 2 und 3, Innenrohr 5 und den Stator 21 des elektrischen Antriebes 20 innerhalb des Innenrohrs 5. Die 12 zeigt diese Anordnung.
Im Innenrohr 5 ist ein Hohlraum vorhanden, in welchem der Stator 21 des elektrischen Antriebes 20 platziert ist. Der elektrische Antrieb 20 entsprechend eines an sich bekannten Motor ist im Einzelnen zeigt 13 dargestellt. In diesem kommt ein 9-poliger Stator 21 mit den Polkernen 26, einem Zentraljoch 15 und mit neun Spulen 16 zum Einsatz. Die Besonderheit der Konstruktion des Motors, bei welcher die axiale Verstreckung des Stators 21 großer als die axiale Länge des Rotors 1 als Läufer 1 mit den Magneten 6 auf der Länge der Pendelbewegung oder translatorischen Bewegung des Rotors 1 als Läufer 1 ist, ist charakteristisch für diese Pumpe. In der 14 ist eine zusätzliche Ansicht in Schnittdarstellung der geometrischen Struktur und Funktionalität von einzelnen Teilen der Pumpe gezeigt.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel gemäß 17 zeigt die mechanische Kopplung mittels einer Welle 51, welche von einer separaten Antriebseinheit, beispielsweise einem Motor angetrieben wird. Die Welle ist in das Innenrohr 5 geführt und mit dem Rotor 1 als Pumpenkolbenhohlzylinder 1 verbunden, wobei das Innenrohr 5 eine entsprechende Kopplungsöffnung 52 für die Kopplung aufweist. Eine Kopplung kann auch magnetisch oder hydraulisch oder pneumatisch ausgeführt sein. Vorzugsweise jedoch nicht zwingend sind zwischen Rotor 1 und Innenrohr 5 jeweils seitlich der Kopplungsöffnungen 52 Rotordichtungen 25 vorhanden. Für die axiale Bewegung sind auf der zur Welle 51 weisen Oberfläche des Rotors 1 bzw. des Pumpenkolbenhohlzylinders 1 und/oder auf der Welle 51 axial verlaufende Vertiefungen 53 bzw. entsprechende Überstände 54 vorhanden, die in die jeweiligen Vertiefungen 53 hineinragen bzw. hineingreifen, so dass bei einer Rotationsbewegung die axiale Bewegung zugleich ermöglicht wird.
Das Funktionsprinzip bzw. der Bewegungsablauf der Pumpe bzw. des Rotors 1 wird in 18 dargestellt. Es zeigt die Stellung des Rotors 1 in Bezug auf die Stirnscheiben 2, 3 je nach Winkellage des Rotors 1 in unterschiedlichen Winkelstellungen. Erkennbar ist, dass eine Volumenzunahme der Pumpenkammern 9, 10 einer Seite zu einer Volumenabnahme der Pumpenkammern 9, 10 der entsprechend anderen Seite führt.
Bezugszeichenliste

1 -: Rotor, Läufer, Pumpenkolbenhohlzylinder
2 -: Stirnscheibe, linke Stirnscheibe
3 -: Stirnscheibe, rechte Stirnscheibe
4 -: Außenrohr
5 -: Innenrohr
6 -: Magnete
7 -: Stirnfläche, Stirnseite, Kurvenscheibe, helixförmige Stirnfläche
9 -: Pumpenkammer, erste Pumpenkammer, linke Pumpenkammer
10 -: Pumpenkammer, rechte Pumpenkammer, zweite Pumpenkammern
11 -: Einlass
12 -: Einlass
13 -: Auslass
14 -: Verteilventil, Dichtung, Ventilanker, Verteiler
15 -: Zentraljoch
16 -: Spule
17 -: Abdeckhaube, rechte Abdeckhaube
18 -: Abdeckhaube, linke Abdeckhaube
19 -: zentrale Abdeckhaube
20 -: Antrieb
21 -: Stator
22 -: Zentralraum
23 -: Außenmantel
24 -: Außenmantel
25 -: Rotordichtung
26 -: Polkern
27 -: Dichtung
28 -: Joch
29 -: Polkern
30 -: Spule
31 -: Einlass
32 -: Einlass
33 -: Auslassrohr, Auslass
34 -: Auslassrohr, Auslass
35 -: Rückschlagventil, Einlassventil
36 -: Rückschlagventil, Einlassventil
37 -: Sammelkammer
38 -: Sammelkammer
39 -: Übergang
40 -: Übergang
41 -: Segel
42 -: Spalt
43 -: Spitzenkante
44 -: Innerkante
45 -: Spitzenkante
46 -: Ein- und Ausströmöffnung, Fenster
47 -: Tellerfeder
48 -: Sammelkammer
49 -: Sammelkammer
50 -: koaxiales Doppelrohrgehäuse
51 -: Welle
52 -: Kopplungsöffnung
53 -: Vertiefung
54 -: Überstand
55 -: Bewegungspfeil
56 -: Strömungsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6547753 [0003]
EP 2298370 B1 [0003]

Claims

Motorisch angetriebene Pumpe mit einem Rotor (1), wobei der Rotor (1) rotierend axial schwingend und als Pumpelement ausgebildet ist und der Antrieb außerhalb oder innerhalb der Pumpe angeordnet ist, wobei der Rotor (1) als beweglicher Pumpenkolbenhohlzylinder(1) in einem koaxialen Doppelrohrgehäuse (50) mit einem Innenrohr (5) und einem Außenrohr (4) drehbar und axial verschiebbar angeordnet ist und in dem koaxialen Doppelrohrgehäuse (50) zwischen dem Innenrohr (5) und dem Außenrohr (4) an den axialen Enden jeweils eine feststehende Stirnscheibe (2, 3) angeordnet ist, wobei die zueinander weisenden axialen Stirnseiten (7) der Stirnscheiben (2, 3) und dem Pumpenkolbenhohlzylinder (1) als Kurvenscheibe ausgebildet sind und die axialen Stirnseiten (7) des Pumpenkolbenhohlzylinder (1)komplementär zu den Stirnseiten (7) der feststehenden Stirnscheiben (2, 3) sind, wobei zwischen den zueinander weisenden axialen Stirnseiten (7) der Stirnscheiben (2, 3) und dem Pumpenkolbenhohlzylinder (1) in ihrer Größe dynamische Pumpenkammern (9,10) vorhanden sind, wobei jeweils im Bereich der Erstreckung der dynamischen Pumpenkammern (9, 10) bei einem außerhalb der Pumpe angeordnetem Antrieb (20) im Innenrohr (5) des koaxialen Doppelrohrgehäuses (50) zumindest eine Ein- und Ausströmöffnung (46) vorhanden ist und im Innenrohr (5) zumindest im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen (46) Sammelkammern (37,38) mit jeweils zumindest einem Einlass (31, 32) angeordnet sind und zwischen den Sammelkammern (37, 38) in axialer Richtung ein umlaufendes ringförmiges Verteilventil (14) und im Bereich des Verteilventils (14) zumindest ein Übergang (39, 40) von den Sammelkammern (37, 38) zu zumindest einem Auslassrohr (33, 34) mit Auslass (33, 34) vorhanden ist. oder wobei jeweils im Bereich der Erstreckung der dynamischen Pumpenkammern (9, 10) bei einem innerhalb der Pumpe angeordnetem Antrieb (20) im Außenrohr (4) des koaxialen Doppelrohrgehäuses (50) zumindest eine Ein- und Ausströmöffnung (46) vorhanden ist und auf dem Außenrohr (4) eine Abdeckhaube (17, 18) mit zumindest einem Einlass (11, 12) und mit zumindest im Bereich der Ein- und Ausströmöffnungen (46) angeordnete Sammelkammern (48, 49) angeordnet sind und zwischen den Sammelkammern (48, 49) in axialer Richtung ein umlaufendes ringförmiges Verteilventil (14) und im Bereich des Verteilventils (14) ein Übergang (39, 40) von den Sammelkammern (48, 49) zu einer zentralen Abdeckhaube (19) mit zumindest einem Auslass (13) vorhanden ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sammelkammern (37, 38) doppelrohrförmig ausgebildet sind, wobei in Richtung der oder im Bereich der Ein- und Ausströmöffnung (46) oder des Innenrohrs (5) die außenliegende Wandung durchbrochen oder entfernt ist oder dass die Sammelkammern (37, 38) das Innenrohr (5) umfassen.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Auslassrohr (33, 34) von zumindest einer Sammelkammer (37, 38) umschlossen ist oder dass die innenliegende Wandung der Sammelkammern (37, 38) das zumindest eine Auslassrohr (33, 34) bildet.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe zwei Einlässe (31, 32) aufweist, wobei die jeweiligen Einlässe mit einem Rückschlagventil (35, 36) in Verbindung stehen und eines der Auslassrohre (33, 34) in axialer Richtung von einer Seite bis an das Verteilventil (14) durchgängig ist und das andere Auslassrohr (33, 34) von der anderen Seite des Verteilventils (14) im Bereich des Verteilventils (14) verschlossen ist, wobei das durchgängige Auslassrohr (33, 34) den gemeinsamen Auslass (33, 34) bildet und das Verteilventil (14) ein umlaufender Ring mit durchgängigen Mittelbereich ist.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckhaube (17, 18) einteilig ist oder durch Abdeckhaubenabschnitte (17, 18) gebildet ist und/oder dass die Abdeckhaube (17, 18) die zentrale Abdeckhaube (19) umfasst oder dass die Abdeckhaube (17, 18) und die zentrale Abdeckhaube (19) mehrteilig zusammengesetzt sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckhaube (17, 18) auf das Außenrohr (4) aufgesetzt oder aufgeschoben ist oder das Außenrohr (4) umfasst.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe als Doppelpumpe zwei Einlässe (31, 32) und zwei Auslässe (33, 34) aufweist, wobei die jeweiligen Einlässe mit einem Rückschlagventil (35, 36) in Verbindung stehen und im Bereich des Verteilventils (14) jeweils ein Übergang (39, 40) von den Sammelkammern (37, 38) zu jeweils einem Auslassrohr (33, 34) mit Auslass (33, 34) vorhanden ist, wobei das Verteilventil (14) eine Dichtscheibe mit umlaufenden Ring und geschlossenem oder offenen Mittelbereich ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verteilventil (14) lose oder mittels einer Tellerfeder (47) angeordnet ist und/oder eine ringförmige umlaufende Dichtung (27) oder eine geschlossene oder scheibenförmige Dichtung (27) ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) elektrisch mittels Stator (21) und Läufer (1) einer an sich bekannten elektrischen Maschine ist, wobei der Rotor (1) der Läufer (1) ist und der Stator (21) innerhalb des Innenrohrs (5) oder außerhalb des Außenrohrs (4) angeordnet ist oder dass der Antrieb (20) mittels mechanischer Kopplung mit dem Rotor (1) und/oder mit oder ohne mitrotierenden Innenrohr 5 ein Elektromotor oder ein pneumatischer oder hydraulischer Antrieb (20) ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der bewegliche Pumpenkolbenhohlzylinder (1) als Rotor (1) in Umfangsrichtung Permanentmagnete (6) des Läufers (1) umfasst.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb (20) auf dem Außenrohr (4) angeordnet ist oder ein Teil des Außenrohrs (4) oder des koaxialen Doppelrohrgehäuses (50) ist oder dass der Antrieb (20) im Innenrohr (5) angeordnet ist oder dass der Antrieb (20) das Innenrohr (5) bildet oder ein Teil davon ist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (11, 12, 31, 32) und/oder der Auslass (13, 33, 34) radial, axial oder tangential angeordnet ist und/oder dass der Einlass (11, 12, 31, 32) eine Schneckenstruktur besitzt.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenscheibe der zueinander weisenden axialen Stirnseiten (7) der feststehende Stirnscheiben (2 ,3) symmetrisch oder gespiegelt ausgebildet sind und/oder dass die Struktur der Kurvenscheibe der axialen Stirnseiten (7) des Pumpenkolbenhohlzylinders (1) zueinander um 90 Grad versetzt oder verdreht oder gespiegelt sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten (7) der Stirnscheiben (2, 3) und des Pumpenkolbenhohlzylinders (1) als Kurvenscheibe mit einer helixförmigen Stirnfläche (7) ausgebildet sind.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei maximalem Volumen der Pumpenkammern (9, 10) zwischen einer der feststehenden Stirnscheiben (2, 3) und dem beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinder (1) das Volumen der Pumpenkammern (9, 10) zwischen der anderen feststehenden Stirnscheibe (2, 3) und dem beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinder (1) ein Minimum aufweist.
Pumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an, nach oder vor den Einlässen (11, 12, 31, 32) und/oder Auslässen (13, 33, 34) jeweils ein Einlassventil (35, 36) und/oder Auslassventil vorhanden ist, wobei zumindest das Einlassventil (35, 36) vorzugsweise in nur einer Strömungsrichtung öffnet.
Verfahren zum Betreiben einer motorisch angetriebenen Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Drehbewegung einer axial beweglichen Pumpenkolbensscheibe (1) eine Volumenzunahme der ersten Pumpenkammern (9,10) zwischen einer ersten feststehenden Stirnscheiben (2,3) und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders (1) erfolgt, wobei ein Ansaugen eines Fluides über zumindest einen Einlass (11, 12, 31 ,32) erfolgt, wobei zugleich eine Volumenabnahme der zweiten Pumpenkammern (9,10) zwischen einer zweiten feststehenden Stirnscheibe (2, 3) und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders (1) für ein Auslassen eines Fluides erfolgt, wobei beim Ansaugen ein Einlassventil (35, 36) öffnet und beim Auslassen ein Auslassventil oder Verteilventil (14) durch einen Auslassdruck der zweiten Pumpenkammern (10) zwischen der zweiten feststehenden Stirnscheiben (2, 3) und dem beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinder (1) öffnet und das Auslassen über einen Auslass (13, 33, 34) erfolgt und durch einen Ansaugunterdruck zugleich das Auslassventil oder Verteilventil (14) für die ersten Pumpenkammern (9, 10) zwischen der ersten feststehenden Stirnscheiben (2, 3) und des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders (1) schließt und anschließend durch eine fortgesetzte Drehbewegung und Translationsbewegung des beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinders (1) ein wechselseitiges Auslassen und Ansaugen der Pumpenkammern (9,10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Skalierung des Fördervolumens erfolgt, wobei der Auslass (13, 33, 34) der Pumpenkammern (9, 10) zwischen zumindest einer der feststehenden Stirnscheiben (2, 3) und dem beweglichen Pumpenkolbenhohlzylinder (1) direkt oder über einen Ausgleich auf den Einlass (11, 12, 31, 32) oder das Einlassventil (35, 36) geleitet wird.