DE10209250A1

DE10209250A1 - Taumelscheibenpumpe

Info

Publication number: DE10209250A1
Application number: DE2002109250
Authority: DE
Inventors: Peter Kotlarov
Original assignee: Peter Kotlarov
Current assignee: KOTLAROV, PETER, 75175 PFORZHEIM, DE
Priority date: 2002-03-04
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2003-09-25

Abstract

Siehe Figur 12. Eine Taumelscheibenpumpe mit einem hohlkugelförmigen Gehäuse (1), das zwei kegelförmige Seitenflächen (3) aufweist. Drehbar um die Drehachse (14) ist die An-/Abtriebswelle (9) gelagert. Diese besitzt einen Kolbenträger, auf dem drehbar der Kolben (8) gelagert ist. Dieser reicht bis zum hohlkugelförmigen Gehäuse und führt darin bei Drehung von der Welle (9) eine Taumelbewegung aus. Dabei rollen die ebenfalls kegeligen Stirnflächen (12) des Kolbens auf dem kegeligen Seitenflächen des Gehäuses ab. Dadurch wird bei der Taumelbewegung das Fluid um die Achse (14) herumbewegt. Der Kolben (8) besitzt noch mindestens einen radialen Schlitz (11), der mindestens eine Trennwand (4) dicht umschließt. Diese steht senkrecht zur Fluidbewegung und unterteilt den Arbeitsraum in mindestens einen Saug- und einen Druckraum. Bevorzugt in den Seitenflächen des Gehäuses befinden sich die Ein- und Auslassöffnungen (18, 19). Kennzeichnend ist, dass die beiden genannten Kegelmäntel (Kolbenstirnfläche und Seitenfläche des Gehäuses) etwa den gleichen Kegelwinkel besitzen. Vorteil sind reibungsärmerer Lauf und bessere Dichtung als bei den bekannten Taumelscheibenpumpen, da Seitenflächen und Kolbenstirnfläche aufgrund der fehlenden oder geringen Umfangsdifferenz sauber aufeinander abrollen können und keine Roll-Gleitbewegung wie bei den bekannten Taumelscheibenpumpen auftritt. DOLLAR A Weiterhin erstreckt sich der Schutzanspruch auf eine Taumelscheibenpumpe, wo sich die Trennwand (4) zur ...

Description

Dieser Erfindungsvorschlag bezieht sich auf Detailverbesserungen der Wicha-Pumpe zur Erhöhung von Dichtigkeit und Lebensdauer. Des weiteren werden Vorschläge gemacht zur Vereinfachung des Aufbaus und des Zusammenbaus.
Grundlage ist die Taumelscheibenpumpe von Alois Wicha, US-PAT 1,846,344 (2,030,131 und andere) von 1934. In einem hohlkugelförmigen Gehäuse mit zwei ebenen Seitenbegrenzungen bewegt sich eine doppelkonusförmige Taumelscheibe. Dabei rollt sie auf den zwei ebenen Seitenbegrenzungen ab.
Zur Mitte dichtet die An/Abtriebswelle zum Gehäuse ab. Durch die Taumelbewegung wird das Fluid um die Gehäusesymmetrieachse herumbewegt. Der Druckaufbau geschieht dadurch, dass sich im Gehäuse mindestens eine Trennwand quer zur Fluidbewegung befindet, die die Taumelbewegung nicht behindert. Zu diesem Zweck ist die Taumelscheibe der Form der Trennwand entsprechend geschlitzt.
Nach dem gleichen Prinzip, aber mit anderer Gehäuseform arbeitet die Pumpe von Smith. (US-PAT 3,089,424), Thomas Heng (US-PAT 5,454,699) und anderen. Hier taumelt eine etwa scheibenförmige Taumelscheibe auf zwei Kegelmänteln, die die Seitenbegrenzung des hohlkugelförmigen Gehäuses bilden. Der Vorteil ist ein größerer Hubraum bei gleichem Gehäusedurchmesser, weil die zur Mitte hin abdichtende Kugel kleiner ausfallen kann. Dadurch verbessert sich Dichtigkeit und Reibungsverhalten zur Mitte hin.
Anwendungsgebiet dieser robusten ventillosen Pumpen ist der Transport hochvisköser Medien. Vorteil ist ein kontinuierlicher Fluidfluss und geringere Massenbeschleunigungen als bei der Hubkolbenpumpe. Nachteil sind Undichtigkeiten an der Trennwand, die bei einer Verwendung als Gaspumpe problematisch sind. Die Taumelscheibe führt nicht nur eine seitliche Verschiebung im Bezug zur Trennwand durch, sondern auch eine Winkelveränderung. Hierzu wurden von Fritz Reis Lösungsvorschläge erarbeitet. (Unter anderem OS 4334 874). Die Pumpe von Reginald C. Ford DE AS 12 77 673 enthält als Trennwand zwei Trennscheiben, die durch die Taumelscheibe hindurch mit Bolzen verbunden sind und die verschieblich im Gehäuse angebracht sind. Dadurch wird die Taumelscheibe an ihrer am stärksten belasteten Stelle nicht durch einen Schlitz geschwächt. Allerdings werden dadurch 2 bewegliche Teile mehr erforderlich, weil anstelle der fest mit dem Gehäuse verbundenen Trennwand 2 Scheiben verwendet werden.
Die einfachste Bauform stellt aber der direkte Eingriff der Trennwand in den Kolbenschlitz dar, wie Alois Wicha vorgeschlagen hat, der aufgrund der Winkelveränderung zwischen Kolben und Trennwand problematisch ist.
Hier hat Herr Reis eine in radialer Richtung im Kolben drehbare Dichtung vorgeschlagen. Diese erhöht den Bauaufwand (weiteres bewegliches Teil, Aussparungen in der Seitenwand nötig) und setzt der Miniaturisierung Grenzen.
Bei der Wicha-Pumpe ist die Seitenwand eben und die Taumelscheibe konusförmig, bei der Pumpe von Smith und Heng ist die Taumelscheibe eben und die Seitenwand konisch.
Jedenfalls rollt dabei ein Kegelmantel auf einer ebenen Fläche ab, wobei die Kontaktfläche eine Linie bildet. In diesen Fällen bildet sich ein Differential-Drive-Getriebe, vergleichbar mit dem "Hirn-Drive, WO 9803804. Aufgrund der Umfangsdifferenz zwischen Kegel (Kolbenstirniläche) und ebener Seitenfläche möchte der Kegel sich in Richtung der Taumelbewegung langsam vorwärts bewegen. Würde die Trennscheibe die Drehbewegung der Taumelscheibe nicht behindern, würde sie sich bei der Taumelbewegung langsam relativ zum Gehäuse drehen. Beim Wicha-Motor in Drehrichtung der Antriebswelle, bei der Pumpe von Smith und Heng (Ebene Taumelscheibe) in Gegenrichtung.
Bei der hier vorgestellte Pumpe findet bei der Taumelbewegung keine Relativbewegung zwischen Gehäuseseitenwand und Kolbenstirnfläche im Bereich der Berührungslinie statt, bei fehlender Trennwand würde sich die Taumelscheibe, wenn frei drehbar, nicht mitdrehen. Dadurch entfällt auch die Notwendigkeit für eine Führungsrolle im Trennwandschlitz, wie sie Herr Reis in OS 4334874 offenbart hat.
Da bei der Wicha-Pumpe ein Doppelkonusförmiger Kolben taumelnd auf zwei etwa ebenen Seitenwänden abrollt, entsteht durch die Umfangsdifferenz zwischen Kolben und Seitenwänden zwangsläufig eine Roll-Gleitbewegung. Das gleiche gilt bei Taumelscheibenpumpen mit ebener Taumelscheibe oder bei allen Taumelscheibenpumpen mit Differenz der Kegelwinkel zwischen Kolbenstirnfläche und Seitenwand. Dies erhöht die Reibung und belastet vor allem die Dichtung an der Trennwand.
Bei der hier vorgestellten Pumpe besteht keine oder nur eine geringe Differenz der Kegelwinkel, dadurch entsteht kein Differentialdrive-Getriebe zwischen Kolben und Gehäuseseitenfläche. Bei der Taumelbewegung entsteht dadurch kein tangentiales Drehmoment, dies vermindert die Reibung und lässt höhere Anpressdrücke der Kolbenstirnfläche an die Seitenwand und damit eine bessere seitliche Abdichtung zu.
Des weiteren schlage ich vor, die Trennwand zur Gehäusemitte hin dünner zu gestalten, dass der Kolben, wenn er in der Trennwandmitte steht und diese schräg umgreift, den gleichen scheinbaren Trennwanddurchmesser vorfindet als am Rand, wo der Kolben rechtwinklig zur Trennwand steht.

Ziffer 1

Der Schutzansppruch erstreckt sich auf eine Taumelscheibenpumpe, ähnlich der von Wicha in US-PAT 1,846,344 offenbart, wobei die Seitenwände des Gehäuses kegelförmig gestaltet sind und deren Kegelwinkel etwa dem Kegelwinkel der Stirnseiten des Kolbens (+-5°) entsprechen.
Die Winkeldifferenz Alpha zwischen der Drehachse der An/Abtriebswelle und der Drehachse der drehbaren Verbindung zwischen Kolben und Kolbenträger, welche die Taumelbewegung um 2 Alpha bewirkt entspricht etwa dem Winkel (90° minus der genannten Kegelwinkel.) Bei einem Alpha von beispielsweise 12,5° beschreibt die Drehsymmetrieachse der Taumelscheibe einen Kegel mit 12,5° Kegelwinkel, der Kegelwinkel der Kolbenstirniläche und der Seitenteile betrage dann etwa 77,5° (90°-12,5°).
Der Kegelwinkel definiert sich am Beispiel eines Regenschirms: Der Griff sei die Kegelachse, der Schirm der Kegel. Ein zusammengeklappter Schirm besitze einen kleinen Kegelwinkel, bei zunehmendem Aufklappen nähert er sich 90° an.

Ziffer 2

Der Schutzanspruch erstreckt sich weiterhin auf eine Taumelscheibenpumpe wie unter Ziffer 1 beschrieben, wobei sich die Trennwand, die der Kolbenschlitz umgreift, von den Seitenteilen zur Gehäusemitte hin (in Richtung der Spiegelsymmetrieebene des Gehäuses senkrecht zur Drehsymmetrieachse des Gehäuses) verjüngt.

Ziffer 3

Der Schutzanspruch erstreckt sich weiterhin auf eine Taumelscheibenpumpe wie unter Ziffer 2 beschrieben, wobei sich die Trennwand zur genannten Gehäusemitte hin mindestens um den Faktor Kosinus Alpha hin verjüngt. Bei einem Alpha von 25° ist die Trennwand in der Mitte also mindestens um den Faktor 0,9063 dünner als an der Gehäuseseitenwand. Zeichnungserläuterung Beziffert wurde in der Reihenfolge, in der die Bauteile in den Schutzansprüchen erwähnt wurden.1 Gehäuse
2 Arbeitsraum
3 Seitenfläche die den Arbeitsraum seitlich begrenzt
4 Trennwand
5 Druckraum
6 Saugraum
7 Kolbenträger
8 Kolben
9 An/Abtriebswelle
10 Kolbenumfang
11 Kolbenschlitz
12 Stirnfläche des Kolbens
13 Drehsymmetrieachse des Kolbens
14 Drehsymmetrieachse des Gehäuses und Drehachse der Welle 9
15 Mittenebene und Spiegelsymmetrieebene des Gehäuses 1
16 Durchmesser der Trennwand 4 im Bereich der Mittenebene 15
17 Durchmesser der Trennwand 4 im Bereich der Gehäuseseitenflächen 3
18 Einlassöffnung der Pumpe
19 Auslassöffnung
20 Kegelwinkel der Seitenfläche 3
21 Kegelwinkel der Stirnflächen 12 des Kolbens.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt der Pumpe. Aufgeschnitten ist diese entlang der Drehsymmetrieachse des Gehäuses 14, senkrecht zur Spiegelebene des Gehäuses 15, der Betrachter sieht aus der Richtung der Spiegelebene. Die Trennwand 4 ist längs aufgeschnitten. Welle 9 ist drehbar im Gehäuse befestigt und enthält einen Kolbenträger 7. Auf diesem Kolbenträger ist drehbar der Kolben 8 befestigt.
Fig. 2 zeigt den Kolben 8, der Betrachter blickt auf den Kolbenumfang. Außerdem liegt der Kolben wie in Fig. 1 so, dass die Trennwand 4 parallel zur Zeichnungsebene liegt. Beide Stirnflächen 12 des Kolbens bilden je einen Kegel, dessen Kegelachse 13 der Rotationssymmetrieachse des Kolbens entspricht. Der Kegelwinkel beträgt hier 77,5°. Zwei radiale Tangenten der zwei Kegelflächen schließen damit einen Winkel von 25° ein.
Fig. 3 zeigt den Kolben 8 in Draufsicht. Der Betrachter blickt entlang der Rotationssymmetrieachse 13 des Kolbens Gut zu sehen ist der radiale Schlitz 11. Der Ring in der Mitte ist ausgespart, dort wird der Kolben drehbar um Achse 13 auf dem etwa zylindrischen Kolbenträger gelagert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Kolbendichtung, hier fett eingezeichnet, am Übergang von dem Schlitz 11 zum Umfang 10 des Kolbens abgerundet, hier mit einem Radius von 10 mm.
Fig. 4 zeigt den Kolbenträger in einer Draufsicht aus Richtung der Drehachse 14 der Welle 9.
Fig. 5 zeigt den in Fig. 1 durchgeschnittenen Kolbenträger 7 auf der Welle 9 in seitlicher Draufsicht. Die seitlichen Begrenzungen des zylindrischen Kolbenträgers sind kugelsegmentförmig. Ein Segment einer Kugel vom gleichen Radius bildet auch die in Fig. 3 sichtbare Fläche des Steges, der den Kolbenschlitz 11 überbrückt.
Fig. 6 zeigt den Kolben 8 in perspektivischer Sicht. Man blickt auf den Kolbenschlitz 11 und den Steg, der die beiden seitlich vom Schlitz befindlichen Teile des Kolbens verbindet.
Fig. 7 zeigt die Pumpe in der gleichen Lage und Drehposition wie Fig. 1, aber es ist eine Draufsicht, wobei der zum Betrachter zeigende hohlkugelförmige Teil des Gehäuses entfernt ist. Man blickt auf den Kolbenumfang 10, vom Kolbenträger 7 sind nur die zwei kugelsegmentförmigen Seitenteile zu sehen. Ebenso der innere Teil der Ein- und Auslassöffnung.
Fig. 8 zeigt die Pumpe in der gleichen Drehposition wie in Fig. 1 und 7, wobei die ganze Pumpe um 90° gedreht wurde. Der zum Betrachter zeigende hohlkugelförmige Teil des Gehäuses ist entfernt. Man sieht senkrecht auf die sich zur Mitte hin verjüngende Trennwand 4. Diese wird vom Kolbenschlitz 11 umfasst. Der Kolbenschlitz verdeckt hier die linke Gehäuseseitenfläche 3. Dagegen sieht man die Ein- und Auslassöffnungen 18, 19 auf beiden Seiten der Trennwand. Hier ist zur Vereinfachung ein Ausführungsbeispiel gezeichnet, wo der Übergang zwischen Kolbenumfang 10 und Schlitz 11 nicht abgerundet ist.
Fig. 9 zeigt wie Fig. 10 die Pumpe, nachdem Welle 9 um 90° weitergedreht wurde.
In Fig. 9 ist es eine Aufsicht, Blickrichtung ist Achse 14, wobei das Gehäuse entlang der Mittenebene 15 aufgeschnitten wurde und der zum Betrachter hinzeigende Teil entfernt wurde. Dass der Umfang 10 des Kolbens elliptisch erscheint, liegt an der Schräglage des Kolbens. Man blickt direkt auf Stirnfläche 12.
Fig. 10 zeigt das Gehäuse in der gleichen Position wie Fig. 8. Der zum Betrachter zeigende hohlkugelförmige Teil des Gehäuses ist aufgeschnitten. Welle 9 wurde um 90° weitergedreht, und zwar dessen Oberseite vom Betrachter weg. Dadurch wird eine Taumelbewegung des Kolbens erzwungen, jetzt kontaktiert ein anderer Teil der Stirnfläche 12 mit einem anderen Teil der Seitenfläche 3. Alle 4 Ein- und Auslassöffnungen sind zu sehen.
Fig. 11 zeigt das in Fig. 9 entfernte Gehäuseteilstück, betrachtet von innen. Man blickt aus Richtung der Achse 14 direkt auf die zwei kegelmantelförmigen Gehäuseseitenteile. Dort befinden sich in diesem Beispiel die Ein- und Auslassöffnungen.
Fig. 12 zeigt wie in Fig. 1 einen Querschnitt der Pumpe. Fett eingezeichnet sind die Kegelwinkel. Zwischen Drehachse 14 und einer die innere Begrenzung der Seitenfläche 3 tangierende und Achse 14 schneidenden Gerade ist der Kegelwinkel 20 der Seitenflächen eingeschlossen. Zwischen Rotationssymmetrieachse 13 des Kolbens 8 und einer die Kolbenstirniläche tangierenden Geraden, welche Achse 13 schneidet, ist der Kegelwinkel 21 der Kolbenstirnfläche(n) eingeschlossen.

Claims

1. Taumelscheibenpumpe,
mit einem Gehäuse (1), bestehend aus einem Arbeitsraum (2), der von zwei Seitenflächen (3) begrenzt ist,
mit einem Arbeitsraum (2) in Form eines Hohlkugelausschnitts, der durch mindestens eine Trennwand (4) in mindestens einen Druckraum (5) und in mindestens einen Saugraum (6) unterteilt ist,
wobei die Trennwand (4) bis zu einem Kolbenträger (7) reicht, der den kreisringförmig ausgebildeten, dem Durchmesser des Arbeitsraumes angepassten Kolben (8) aufnimmt und durch eine gelagerte Welle (9) mit dem Außenraum verbunden ist,
genannte Welle (9) bewirkt bei Drehung relativ zum Gehäuse (1) eine Taumelbewegung des Kolbens (8),
genannter Kolben (8) weist mindestens einen sich vom vom Umfang (10) bis ungefähr zu dem Kolbenträger (7) erstreckenden Radialschlitz (11) auf und zwei Stirnflächen (12),
genannter Kolben (8)verjüngt sich nach außen zum Umfang (10) hin, wobei jede der zwei Stirnflächen (12) des Kolbens (8) etwa je einen Kegelmantel bildet,
wobei die Drehsymmetrieachsen (13) der von den Stirnflächen (12) des Kolbens gebildeten Kegelmäntel der Drehsymmetrieachse (13) des Kolbens (8) entsprechen, wobei die Stirnflächen (12) des genannten Kolbens (8) mit gegenüberliegenden, den Arbeitsraum (2) seitlich begrenzenden Seitenflächen (3) im Berührung stehen, genannte Seitenflächen (3) sind etwa kegelmantelförmig gestaltet, wobei die Drehsymmetrieachse der von den Seitenflächen (3) gebildeten Kegelmäntel der Drehsymmetrieachse (14) des Gehäuses entspricht,
dadurch gekennzeichnet,
dass der genannte Kegelwinkel (21) der zwei Stirnflächen (12) des Kolbens (8) und der genannte Kegelwinkel (20) der zwei Seitenflächen (3) etwa gleich sind, wobei die Differenz zwischen beiden Winkeln maximal 5° beträgt.

2. Taumelscheibenpumpe nach Anspruch 1, mit einer Mittenebene (15) senkrecht zur Drehsymmetrieachse (14) des Gehäuses, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wandstärke (16) der Trennwand (4) von den Seitenflächen (3) des Gehäuses (1) zur Mittenebene (15) hin abnimmt.

3. Taumelscheibenpumpe nach Anspruch 2, wobei die Wandstärke (16) der Trennwand (4) im Bereich der Mittenebene (15) der Wandstärke (17) der Trennwand im Bereich der Seitenflächen (3) des Gehäuses (1) mal Kosinus (Kegelwinkel der Seitenflächen (3) des Gehäuses) beträgt.