DE10245497B3

DE10245497B3 - Exzenterschneckenpumpe mit vergrößertem Temperaturbereich

Info

Publication number: DE10245497B3
Application number: DE10245497A
Authority: DE
Original assignee: Wilhelm Kachele Elastomertechnik GmbH; Wilhelm Kaechele GmbH Elastomertechnik
Current assignee: Wilhelm Kachele Elastomertechnik GmbH; Wilhelm Kaechele GmbH Elastomertechnik
Priority date: 2002-09-27
Filing date: 2002-09-27
Publication date: 2004-01-22
Anticipated expiration: 2022-09-28
Also published as: CA2499833A1; AU2003267376A1; GB2408777B; US20040062669A1; DE10245497C5; WO2004031584A1; GB2408777A; US6716008B1; GB0506291D0; CA2499833C; RU2318134C2; RU2005112737A

Abstract

Bei einer Exzenterschneckenpumpe bzw. einem Exzenterschneckenmotor sind die in dem Stator nach innen ragenden Zähne und dazwischen befindlichen Zahnlücken mit einer zusätzlichen Nuten- und Rippenstruktur versehen. Hierdurch wird die Reibung zwischen dem Stator und dem Rotor vermindert, weil die Anpresskraft bei gleichbleibender Abdichtwirkung verringert werden kann bzw. bei erhöhter Anpresskraft die Kontaktfläche verkleinert wird.

Description

Exzenterschneckenpumpen oder -motoren bestehen aus einem Stator, der eine schraubenförmige Bohrung oder Durchlass aufweist, in dem sich ein schraubenförmiger Rotor dreht. Der schraubenförmige Rotor ist in der Gangzahl um 1 niedriger als es der Gangzahl der Bohrungen Stator entspricht. Bei der Rotation des Rotors wälzt sich dieser formschlüssig in dem Gewinde der Bohrung ab. Aus Betrieblicher Sicht handelt es sich um ein schrägverzahntes Ritzel, das sich in einem schräg verzahnten Hohlrad abwälzt, wobei sich Ritzel und Hohlrad in der Zähnezahl um 1 unterscheiden.
Bei der Rotation des Rotors bewegt sich dessen Längsachse idealerweise auf einer Kreisbahn. Der Durchmesser der Kreisbahn entspricht dem Doppelten der Exzentrizität.
Da sowohl die Außenfläche des Rotors als auch die Bohrung im Stator mit dem gleichen Drehsinn schraubenförmig sind, entstehen längs dem Rotor angenähert bananenförmige Hohlräume, die sich bei der Bewegung des Rotors von einem Ende des Stators in Richtung auf das andere Ende fortbewegen. Jede dieser bananenförmigen Kammern ist von den übrigen Kammern abgedichtet getrennt, die andere Bereiche des Stators mit anderen Bereichen des Rotors einschließen.
Um eine gute Abdichtung zwischen den einzelnen Kammern zu gewährleisten, ist der Stator mit einer elastomeren Auskleidung versehen, d.h. die Innenwand des Stators besteht aus einem elastomeren Material, das im Bereich der Berührungsstellen mit dem Rotor an diesem angepresst wird.
Die Relativbewegung zwischen dem Stator und dem Rotor ist keine reine Wälzbewegung. Sie ist zufolge der Abdichtung zwischen dem Stator und dem Rotor über weite Strecken eine Gleitbewegung.

Um bei einer solchen Exzenterschneckenpumpe, wie sie aus der DE 195 34 774 A1 bekannt ist, die Ruhereibung beim Anfahren der Pumpe zu vermindern, wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen, die dem Rotor zugekehrte Innenseite der elastomeren Auskleidung mit Kuppen zu versehen oder auf der Innenseite eine schuppenartige Feinstruktur auszubilden. In den dadurch erhaltenen Vertiefungen soll sich das zu pumpende Medium sammeln und als Schmiermittel dienen, wenn der Rotor nach einem Stillstand erneut in Bewegung gesetzt wird.

Wenn eine Exzenterschneckenpumpe mit unter Druck stehendem Medium beaufschlagt wird, kann sie auch als Exzen terschneckenmotor verwendet werden. Dieses Prinzip findet Anwendung bei Untertagebohrmotoren (Mud-Motoren), da Exzenterschneckenmotoren aus sehr wenigen Bauteilen bestehen, im Durchmesser sehr schlank sind und dennoch große Drehmomente erzeugen können.

Das Medium, das zum Antrieb gepumpt bzw. verwendet wird, kann Partikel enthalten, ohne dass eine Beschädigung der Pumpe bzw. des Motors zu befürchten ist, was ein weiterer Vorteil von Exzenterschneckenpumpen und Exzenterschneckenmotoren ist. Exzenterschneckenpumpen werden beispielsweise zum Fördern von Mörtel verwendet. Also einem Material, das einen hohen Anteil an Festpartikel enthalten.

Die Temperatur einer Exzenterschneckenpumpe oder eines Exzenterschneckenmotors ergibt sich aus der Durchflussmenge, der Temperatur sowie der spezifischen Wärme des durchgeleiteten Mediums und der Reibung zwischen dem Stator und dem Rotor. Die Reibung erzeugt Wärme, die über das Medium abgeführt wird. Eine Exzenterschneckenpumpe erreicht abhängig von der Umgebungstemperatur und der Leistung Betriebstemperaturen von bis zu 300°C. Sie muss somit einen Temperatursprung von bis zu ca. 280°C verkraften, wenn sie im Ausgangszustand Zimmertemperatur hat und in normaler Umgebung betrieben wird.

Die elastomere Auskleidung besteht aus synthetischem Elastomer oder Mischungen hiervon mit Naturkautschuk. Beide Materialien zeigen einen starken Temperaturgang, d.h. der Ausdehnungskoeffizient ist verhältnismäßig groß. Die lichte Weite in dem Stator ändert sich somit erheblich temperaturabhängig. Bei niedriger Temperatur dreht sich der Rotor in dem Stator leicht, während sich bei hohen Temperaturen das Material der Innenauskleidung soweit ausgedehnt hat, dass der Stator praktisch festgeklemmt ist. Wenn er dennoch von außen mit Hilfe des Antriebs gedreht wird, werden in der Bohrung die Zähne der elastomeren Auskleidung weggerissen.

Die Reibungsverluste, die innerhalb der Exzenterschneckenpumpe bzw. des Exzenterschneckenmotors auftreten, sind stark temperaturabhängig und abhängig vom Medium.

Bei den bislang verwendeten Geometrien zeigt die Abwicklung der Bohrung des Stators einen verhältnismäßig glatten wellenförmigen Verlauf. Dieser wellenförmige Verlauf kann von dem Fachmann aufgrund bekannter geometrischer Beziehungen und der gewünschten Vorspannkraft an den Dichtstellen berechnet werden. Im weitesten Sinne haben die Zähne die Gestalt von Zykloidenzähnen, wobei die Zähne und die Zahnlücken gerundet sind.

Warum das oben erwähnte Klemmen des Stators in dem Rotor entsteht, lässt sich verhältnismäßig leicht an einem scheibeförmigen Ausschnitt begreifen: Es sei angenommen, die Bohrung in dem Stator sei fünfgängig, womit die Zähnezahl des Rotors 4 beträgt. In einer Stellung taucht ein Zahn des Rotors in eine Zahnlücke der Bohrung ein, während der gegenüberliegende Zahn des Rotors bei der Abwälzbewegung über den gegenüberliegenden Zahn der Bohrung hinweg gleitet. Je stärker aufgrund der Temperaturausdehnung die elastomere Auskleidung radial nach innen gewachsen ist, umso kleiner wird der Abstand zwischen dem Zahnscheitel und dem Grund der gegenüberliegenden Zahnlücke, womit entsprechend die Einklemmkraft des Rotors vergrößert wird.

Der Arbeitsbereich von bekannten Exzenterschneckenpum pen und Exzenterschneckenmotoren lässt sich auch nicht vergrößern, indem die elastomere Auskleidung in ihren Innenmaßen auf die entsprechend hohe Betriebstemperatur ausgelegt wird. Im kalten Zustand würde der Rotor gegenüber der Innenwand der Bohrung nicht mehr hinreichend abdichten, weil die elastomere Auskleidung zu stark temperaturabhängig geschrumpft ist.

Exzenterschneckenpumpen werden auch verstärkt dazu verwendet Reinwasser zu fördern. Dabei ist Wasser an sich ein verhältnismäßig gutes Schmiermittel für die Werkstoffpaarung Gummi-Metall. Aufgrund der Reibbewegung zwischen Rotor und Statorinnenwand wird jedoch der Wasserfilm abgestreift und es kommt über einen verhältnismäßig breiten Streifen zu einer trockenen Berührung zwischen der Auskleidung und dem Rotor, was zu erhöhten Quietschgeräuschen Anlass gibt.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, eine Exzenterscheckenpumpe bzw. einen Exzenterschneckenmotor zu schaffen, der über einen weiteren Temperaturbereich funktionsfähig ist.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine Exzenterschneckenpumpe oder einen Exzenterschneckenmotor zu schaffen, der bei gleicher Temperatur unter sonst gleicher Auslegung eine geringere innerere Reibung aufweist als eine Anordnung nach dem Stand der Technik.

Schließlich ist es Aufgabe der Erfindung, eine Exzenterschneckenpumpe oder einen Exzenterschneckenmotor zur Verwendung in Verbindung mit Reinwasser zu schaffen, der weniger zur Geräuschentwicklung neigt.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Exzenterschneckenpumpe bzw. einen Exzenterschneckenmotor mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 4 gelöst.

Bei den erfindungsgemäßen Verdrängermaschinen wird zunächst einmal gedanklich von einem Profil der Innenbohrung ausgegangen, wie es üblicherweise für Exzenterschneckenpumpen bzw. Exzenterschneckenmotoren nach dem Stand der Technik verwendet wird. In diesem so erhaltenen Profil werden flache Nuten vorgesehen, die mit verrundeten Flankenflächen in das sonstige Profil übergehen. Hierdurch setzt sich das Profil der Innenbohrung gleichsam aus nebeneinanderliegenden Rippen zusammen, die durch die Nuten voneinander getrennt sind. Derartige Nuten können auf den Scheitelflächen der Zähne oder in den Gewindetälern der Innenbohrung des Stators oder sowohl auf den Scheitelflächen der Zähne als auch in den Zahnlücken verwendet werden. Zufolge dieser Nuten wird die Strecke, über die der Rotor in Umfangsrichtung gesehen jeweils mit der Auskleidung in reibschlüssigem Kontakt steht, bei gleicher Abdichtwirkung deutlich verringert. Gleichzeitig kann die Anpresskraft zurückgenommen werden.

Sobald ein Rotorzahn eine Nut überbrückt, stehen zwei Dichtkanten zur Verfügung, die an dem Zahn abdichten. Es kann jede für sich mit einer deutlich geringeren Kraft angedrückt werden, ohne Undichtigkeiten zu verursachen. Außerdem kann das Material der Auskleidung beim Vorbeilauf des Zahns des Rotors aus dem erhabenen Bereich in den Bereich der Nut massiert werden, wodurch eine größere Nachgiebigkeit erzielt wird.

Selbst wenn aufgrund von Temperaturausdehnungen des elastomeren Materials die Weite der Innenbohrung kleiner wird, kommen noch erträgliche Anpresskräfte zustande. Die Verringerung der Anpresskraft, auch bei Verkleinerung der lichten Weite, ergibt sich aus der Möglichkeit, dass das Material wie oben erwähnt, in den Bereich einer Nut verdrängt werden kann und auf diese Weise besser in der Lage ist auszuweichen.

Zusätzlich zu den Nuten können neben jeder Nut beidseitig auch Rippen vorhanden sein, die sich gegenüber dem glatten Profilverlauf erheben.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Stators ist sowohl vorteilhaft bei Exzenterschneckenanordnungen, die als Pumpe als auch bei solchen die als Motor arbeiten.

Der Mantel, der die elastomere Auskleidung umgibt, kann wahlweise einen zylindrischen Innenraum begrenzen, oder einen schraubenförmigen Innenraum. Im Falle des schraubenförmigen Innenraums ist die Dicke der elastomeren Auskleidung an allen Stellen etwa gleich groß, während sie bei zylindrischem Innenraum im Bereich der Zähne der Bohrung deutlich dicker und damit nachgiebiger ist.

Die zusätzlichen Rippen oder Nuten können nicht nur auf den Scheiteln der Zähne bzw. in den Zahnlücken sondern auch auf den Flanken vorgesehen sein, die die Scheitel der Zähne mit den Zahnlücken verbinden.

Die Abmessungen der Rippen oder Nuten, jeweils gesehen in Umfangsrichtung, können auf den Scheiteln der Zähne größer sein als in den Zahnlücken. Besonders günstige Verhältnisse ergeben sich, wenn die Rippen auf den Zähnen symme trisch zu einer Scheitellinie liegen, die der Kontur des Zahns folgt und die den kleinsten radialen Abstand von der Bohrungsachse aufweist. Unmittelbar auf der Scheitellinie liegt somit keine Rippe. Die gleiche Struktur kann auch in der Zahnlücke verwendet werden.

Eine besonders günstige Anordnung hinsichtlich der Zahnlücke ergibt sich, wenn unmittelbar in der Tallinie, die den größten radialen Abstand von der Achse der Bohrung aufweist, eine Rippe verläuft. Auf diese Weise kann in der Zahnlücke, in der sich der Zahn des Rotors am stärksten anschmiegt, besonders weich abgestützt werden.

Wenigstens bei einigen Rippen bzw. Nuten ist das Querschnittsprofil durch die Rippe in Umfangsrichtung der Bohrung gesehen, weitgehend symmetrisch.

Je nach Anwendungszweck kann die Ganghöhe der Rippen oder Nuten gleich der Ganghöhe des Stators oder gleich der Ganghöhe des Rotors sein, bzw. einen Wert dazwischen einnehmen.

Eine abweichende Ganghöhe hat besonders dann Vorteile, wenn Wasser gepumpt werden soll, bzw. Wasser als Antriebsmedium verwendet wird. Die Nuten lassen gleichsam Schmierkammern entstehen, aus denen Wasser zur Schmierung abgegeben werden kann.

Im übrigen sind Weiterbildungen der Erfindung Gegenstand von Unteransprüchen.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe in einer perspektivischen Gesamtansicht,
2 einen Schnitt durch den Stator der Exzenterschneckenpumpe einschließlich einem Abschnitt des Rotors, in einem Längsschnitt,
3 die Exzenterschneckenpumpe nach 1, in einem Querschnitt rechwinkelig zu der Längsachse,
4 den Querschnitt nach 3 mit einem herausgetrennten Teil,
5 den herausgetrennten Teil nach 4 in einer vergrößerten Darstellung,
6 den Ausschnitt nach 5 unter Veranschaulichung der Rippen und Nuten bezogen auf ein ebenes Profil,
7–9 unterschiedliche Eingriffsverhältnisse zwischen dem Rotor und dem Stator im Bereich der Zahnspitze des Stators bzw. der Zahnlücke und
10 einen Stator mit einem zylindrischen Mantel, in einem Querschnitt.
1 zeigt in einer schematisierten perspektivischen Darstellung eine erfindungsgemäße Exzenterschneckenpumpe 1 als Beispiel für eine entsprechende Verdrängermaschine mit der erfindungsgemäßen Struktur. Alternativ kann es sich bei der gezeigten Vorrichtung auch um einen Exzenterschneckenmotor handeln, wie er beispielsweise bei Ölboh rungen verwendet wird.
Zu der Exzenterschneckenpumpe 1 gehören ein Pumpenkopf 2, ein Stator 3, in dem sich ein in 2 abgebrochen veranschaulichter Rotor 4 dreht, sowie ein Anschlusskopf 5.
Der Pumpenkopf 2 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 6 auf, das an einem Stirnende mit einem Abschlussdeckel 7 versehen ist, durch den abgedichtet eine Antriebswelle 8 nach außen geführt ist. In das Gehäuse 6 mündet radial ein Anschlussstutzen 9, der an einem Befestigungsflansch 11 endet. Im Inneren des Gehäuses 6 befindet sich, wie bei Exzenterschneckenpumpen üblich, ein Kupplungsstück um die Antriebswelle 8, die an einen nicht dargestellten Antriebsmotor angeschlossen ist, mit dem Rotor 4 drehfest zu kuppeln. Das von dem Deckel 7 abliegende Stirnende des Gehäuses 6 ist mit einem Spannflansch 12 versehen, dessen Durchmesser größer ist, als der Durchmesser des im Wesentlichen zylindrischen Gehäuses 6. Der Spannflansch 12 enthält eine Stufenbohrung 13, die mit dem Innenraum des Gehäuses 6 fluchtet. In der Stufenbohrung 13 ist eine nicht erkennbare Anschlagschulter ausgebildet, gegen die der Stator 3 mit einem Ende im Wesentlichen abgedichtet angepresst wird.
Der Anschlusskopf 5 verfügt über einen mit dem Spannflansch 12 zusammenwirkenden Spannflansch 14, der ebenfalls eine Stufenbohrung enthält, in der das andere Ende des Stators 3 eingesteckt ist. Mit der Stufenbohrung fluchtet eine wegführende Rohrleitung 15.
Zwischen den beiden Spannflanschen 12 und 14 ist mit Hilfe von insgesamt vier Zugankern 16 der Stator 3 abge dichtet festgespannt. Zur Aufnahme der insgesamt vier Zuganker 16 sind die beiden Spannflansche 12 und 14 mit jeweils vier miteinander fluchtenden Bohrungen 17 versehen, die auf einem Teilkreis liegen, der größer ist als der Außendurchmesser des Gehäuses 6 bzw. des Rohres 15. Durch diese Bohrung 17 führen die stangenförmigen Zuganker 16 hindurch. Auf der dem gegenüberliegenden Spannflansch 12 bzw. 14 abliegenden Seite, sind auf die Zuganker 16 Muttern 18 aufgeschraubt, mit deren Hilfe die beiden Spannflansche 12 und 14 aufeinander zu festgezogen werden.
Im Falle von Mudmotoren werden an Stelle von Spannflanschen Gewindestutzen verwendet.
Der Stator 3 besteht, wie 2 zeigt, aus einem rohrförmigen Mantel 19, mit konstanter Wandstärke, der einen Innenraum 20 umgibt. Der Mantel 19 besteht aus Kunststoff, Stahl, einer Stahllegierung, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung. Er ist so geformt, dass eine Innenwand 21 die Gestalt einer mehrgängigen Schraube bekommt. Seine Außenseite 22 hat eine entsprechend ähnlich Gestalt, mit einem Durchmesser, der entsprechend der Wandstärke des Mantels 19 größer ist als der Durchmesser des Innenraums 20 des Mantels 19.
Der Mantel 19 endet an seinen Stirnenden mit Stirnflächen 23 und 24, die bezüglich seiner Längsachse 25 rechtwinklig verlaufen. Die Längsachse 25 ist die Achse des Innenraums 20.
Im einfachsten Falle hat der Innenraum 20 die Gestalt einer zweigängigen Schraube. Somit hat auch der Querschnitt, der von der Außenfläche 22 umgeben ist, jeweils rechtwinklig zu der Längsachse 25 gesehen, die Gestalt eines Ovals, ähnlich einer Rennbahn. Um diese ovale Geometrie an die Stufenbohrung 13 anzupassen, sitzen auf dem Mantel 19 auf jedem Stirnende ein Abschluss- oder Reduzierring 26. Alternativ können die Enden auch zu zylindrischen Rohren geformt sein. Der Abschlussring 26 enthält eine Durchgangsöffnung 27, die mit dem Verlauf der Außenfläche 22 über die Länge des Abschlussrings 26 übereinstimmt. Mit anderen Worten, der Abschlussring 26 wirkt im weitesten Sinne wie eine Mutter, die auf das Gewinde, das durch den Mantel 19 definiert ist, aufgeschraubt ist. Die Länge des Gewindes entspricht der Dicke des Abschlussrings 26.
Radial nach außen wird der Abschlussring 26 von einer Zylinderfläche 28 begrenzt, die in axialer Richtung in eine Planfläche 29 übergeht, die von dem Mantel 19 wegzeigt.
Auf der Innenseite 21 ist der Mantel 19 über seine gesamte Länge mit einer durchgehenden Auskleidung 32 versehen. Die Auskleidung 32 besteht aus einem elastisch nachgiebigen vorzugsweise elastomeren Material, beispielsweise Naturgummi oder synthetischem Material, und weist an jeder Stelle etwa dieselbe Wandstärke auf.
3 zeigt einen Querschnitt durch den Stator 3 mit dem darin enthaltenen Rotor 4, wobei jedoch abweichend von dem vorherigen Ausführungsbeispiel ein Stator mit einer 5-gängigen Innenbohrung und ein Rotor mit einer 4-gängigen Gewindegestalt verwendet werden.
Die 3 legt die Allegorie zu einem Zahnradgetriebe nahe, bei dem sich ein vierzähniges Ritzel in einem fünfzähnigen Hohlrad abwälzt. Hohlrad und Ritzel sind schräg verzahnt und stehen über die gesamte Länge entsprechend miteinander im Eingriff. Dementsprechend werden die von dem Rotor 4 nach außen stehenden Bereiche nachfolgend als Zähne 35 und die dazwischenliegenden Bereich als Zahnlücken 36 bezeichnet. Das Querschnittsprofil ähnelt einem gerundeten Zykloidenprofil.
In weiterer Übertragung dieser Ähnlichkeit, werden die nach innen vorstehenden Bereiche des Stators 3 ebenfalls als Zähne 37 und die Lücken dazwischen als Zahnlücken 38 bezeichnet.
Auf die Art und Weise, wie eine Exzenterschneckenpumpe bzw. ein Exzenterschneckenmotor arbeitet, braucht an dieser Stelle nicht weiter eingegangen zu werden, da dies aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Es genügt festzuhalten, dass der Stator 3 zusammen mit dem Rotor 4 während der Rotation mehrere in Umfangs- und in Längsrichtung voneinander getrennte Pumpenkammern erzeugt, die etwa einen bananenförmige Gestalt haben und sich im Falle einer Pumpe in Richtung auf das Ende mit dem höheren Druck und im Falle eines Motors zu dem Ende mit dem geringeren Druck bewegen.
Während die Metallteile der Exzenterschneckenpumpe 1 nur eine vergleichsweise geringe thermische Ausdehnung zeigen, ändert sich die Wandstärke der elastomeren Auskleidung 32 mit der Temperatur erheblich. Dementsprechend verringert sich die lichte Weite des Raums, der von der elastomeren Auskleidung 32 umgrenzt wird. Es verringert sich der Abstand zwischen einem Zahn 37 und einer gegenüberliegenden Zahnlücke 38, so dass die Vorspannung, mit der die elastomere Auskleidung an den Zähnen 35 des Rotors 4 anliegt, steigt. Bei entsprechender Temperaturerhöhung kann die Än derung der lichten Weite so groß werden, bis der Rotor 4 bei seiner Bewegung mit einem Zahn 35 den damit in Berührung stehenden Zahn 37 der elastomeren Auskleidung 32 auf dem Scheitel beschädigt.
Um diesem Effekt entgegen zu wirken, ist erfindungsgemäß jeder Zahn 37 mit Nuten 39 und/oder Rippen 41 versehen. Zur besseren Veranschaulichung der Gestalt der Nuten 39 und der Rippen 41 ist aus dem Stator 3 gemäß 4 ein Abschnitt 42 herausgetrennt.
Der Abschnitt 42 ist in 5 vergrößert dargestellt. Hier sind deutlich die Rippen 41 und die dazwischen liegenden Nuten 39 zu erkennen. Um das Profil der Nuten 39 und der Rippen 41 noch besser sichtbar zu machen, ist in 6 der Ausschnitt 42 gestreckt dargestellt, d.h. die Grundwelligkeit, die der Verlauf der Zähne 37 und der Zahnlücken 38 erzeugt, ist abgezogen, womit die ideale Profillinie 43, die die Zähne 37 und die dazwischenliegenden Zahnlücken 38 definiert, als Gerade gezeigt ist. Dabei ist zur besseren Orientierung in den Figuren jene Stelle, die in der Zahnlücke 38 den größten radialen Abstand von der Achse 25 hat, mit A bezeichnet und die Scheitellinie des Zahns 37 mit N. Die Stellen dazwischen B bis M fallen mit Scheiteln von Rippen, Scheitellinien von Nuten oder Schnittpunkten zusammen, an denen die tatsächliche Konturlinie, die geglättete Kontur entsprechend der Geraden 43 schneidet.
Im Einzelnen befindet sich im Scheitel eines Zahns 37, d.h. bei N eine Nut 39a, deren tiefste Stelle mit dem gedachten Scheitel des Zahns 37 zusammenfällt. Beidseits der Nut 39a erheben sich Rippen 41a und 41b. Diese Rippen erhe ben sich über die Profillinie 43 hinaus, d.h. sie ragen stärker in den Innenraum hinein, als es der idealen Konturlinie 44 entspricht. Neben der Rippe 41a befindet sich wiederum eine Nut 39b, an der die tatsächliche Konturlinie 43 gegenüber der geglätteten Konturlinie 44 radial zurückweicht. Die Nut 39b endet an der Stelle E. Hier schneidet die tatsächliche Konturlinie 44 die geglättete Linie 43, um im Anschluss daran die Rippe 41c zu bilden.
Die Rippe 41c endet an der Stelle G auf der geglätten Konturlinie 43. Im Anschluss daran entsteht eine Rippe 41d, die bei E in eine Nut 39c übergeht. Die Nut 39c liegt wiederum tiefer als es der geglätteten Konturlinie 43 entspricht. An der tiefsten Stelle der Zahnlücke 38 bei A trifft die tatsächliche Konturlinie 44 mit der geglätteten Konturlinie 43 zusammen, wobei sich zwischen dieser Stelle und der Nut 39c noch eine kleine Rippe 41e erhebt.
Das soeben beschriebene Muster aus Nuten und Rippen 39, 41 wiederholt sich periodisch, wobei die Symmetrieachsen die Scheitellinien der Zähne bzw. die Scheitellinien der Zahnlücken 37, 38 sind. Ersichtlicherweise befinden sich Nuten 39 und Rippen 41 nicht nur auf den Scheitelflächen der Zähne 37 bzw. in den tiefsten Bereichen der Zahnlücken 38, sondern auch in den Flankenflächen, die die Scheitelflächen mit den Tälern der Zahnlücken 38 verbinden.
Wie die Figuren unschwer erkennen lassen, ist die "Wellenlänge", die sich aufgrund der Nuten 39 und der Rippen 41 einstellt, wesentlich kleiner als die der "Grundwelle", gebildet von den Zähnen 37 und den Zahnlücken 38. Sie beträgt ca. das 8-fache, d.h. zwischen zwei Zahnlücken 38 befinden sich wenigstens 8 Vertiefungen und/oder Erhöhun gen.
Die Höhe, d.h. die Amplitude, gemessen zwischen der tiefsten Stelle zwischen zwei Rippen bzw. einer Nut und der höchsten Stelle einer benachbarten Rippe beträgt hingegen nur ein Bruchteil der Wandstärke der elastomeren Auskleidung 32 an der betreffenden Stelle.
Die Amplitude liegt im Bereich zwischen 0,1 mm und 5 mm vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm, bzw. dem Doppelten; in Prozenten bezogen auf die Dicke der elastomeren Auskleidung 32 zwischen 1 % und 50 % vorzugsweise zwischen 1,5 % und 30 und höchst vorzugsweise zwischen 2 % und 20 %.
In den 7–9 sind mehrere Phasen des Zusammenspiels zwischen dem Rotor 4 und der Innenwand der elastomeren Auskleidung 32 gezeigt. In diesen Darstellungen repräsentiert eine Linie 45 die Außenkontur des Rotors 4.
Zur weiteren Verdeutlichung des Eingriffs zwischen dem Rotor 4 und der elastomeren Auskleidung 32 ist diese auch an den Kontaktstellen mit dem Rotor 4 unverformt gezeigt. Entsprechend schneidet die Konturlinie 45 die Konturlinie 44. Selbstverständlich wird beim tatsächlichen Betrieb die Konturlinie 44 an der Berührungsstelle mit dem Rotor 4 so verformt, dass sie der Konturlinie 45 ein Stück weit folgt.
In der Darstellung gemäß 7 steht der Scheitel des Zahns 35 unmittelbar dem Scheitel eines Zahns 37 gegenüber. Als Folge davon schneidet die Konturlinie 44 die beiden Rippen 41a und 41b, während sie nicht den Grund der Nut 39a erreicht. Hierdurch wird Platz geschaffen, wenn beim tatsächlichen Betrieb der Zahl 35 eine Welle aus elastomerem Material vor sich herschiebt. Dieses Material kann kurzfristig in die Nut 39a verdrängt werden. Hierdurch wird bei Beibehaltung der Abdichtwirkung, die an dieser Stellung von zwei Rippen, nämlich den beiden Rippen 41a und 41b erreicht wird, eine geringere Anpresskraft erzeugt.
Die Anpresskraft ist dem Maß der Überdeckung der beiden Konturlinien 44 und 45 etwa proportional, d.h. je stärker die Konturlinie 44 in das Innere des Bereiches, der durch die Konturlinie 45 begrenzt wird, vordringt, umso stärker muss an der betreffenden Stelle die elastomere Auskleidung 32 verformt werden, wenn der Zahn 35 vorbeiläuft. In der Extremstellung, wie sie 7 repräsentiert, ist erkennbar nur eine sehr geringer Verformung erforderlich. Gleichzeitig wird eine gute Abdichtwirkung erzielt, weil letztlich zwei Kontaktstellen zur Abdichtung zwischen benachbarten Kammern zu Verfügung stehen, so dass an jeder Rippe lediglich die Hälfte der Druckdifferenz ansteht.
7 lässt auch erkennen, dass die thermische Ausdehnung der elastomeren Auskleidung 32 keine so starke Auswirkung auf die Vorspannkraft hat, verglichen mit einer Situation, bei der die Nut 39a fehlt und statt dessen in diesem Bereich der bislang übliche geglättete Konturverlauf entsprechend der Konturlinie 43 auftritt. Infolge der Nut 39a kann die Dicke der elastomeren Auskleidung 32 wachsen und dennoch wird der Raum freigehalten, damit die vor dem Zahn 35 vorher laufende Bugwelle in die Nut verdrängt werden kann, ohne die elastomere Auskleidung 32 an dieser Stelle zu beschädigen.
8 zeigt eine Situation, bei der der Zahn 35 ein Stück weiter gelaufen ist, und zwar in eine Position, in der eine maximale Überdeckung zwischen der Konturlinie 44 des Zahns 35 und der Konturlinie 43 der unverformten elastomeren Auskleidung 32 besteht.
Aus dieser Figur ist zu erkennen, wie nunmehr neben der Rippe 41b, die dort vorhandene Nut, die der Nut 39b aus 6 entspricht, Platz schafft, damit die beim Betrieb auftretende Bugwelle aus elastomeren Material, das der Zahn 35 vor sich herschiebt, verdrängt werden kann. Gleichzeitig lässt die stärkere Überdeckung erkennen, warum sich eine größere Anpresskraft einstellt, so dass die Abdichtung mit nur einer Rippe in diesem Zustand erreicht werden kann.
Obwohl in der Phase nach 8 eine hohe Vorspannung entsteht, ist gleichwohl die Reibung verringert. Bei elastomerem Material ist der Reibungskoeffizient bei der Gleitreibung flächenabhängig. Hierin unterscheidet sich das Reibverhalten in der Paarung Elastomer-Metall von dem Reibverhalten bei der Materialpaarung Metall auf Metall. Die Anordnung zeigt somit sowohl in der Phase nach 7 als auch in der Phase nach 8 eine geringere Reibung, verglichen mit einer Anordnung nach dem Stand der Technik, bei der die Innenkontur der elastomeren Auskleidung 32 nicht entsprechend der Konturlinie 43, sondern entsprechend der Konturlinie 42 gemäß den 5 und 6 verlaufen würde. Die Kontaktstrecke ist in Umfangsrichtung kürzer.
9 veranschaulicht schließlich die Situation in der ein Zahn 35 maximal in eine Zahnlücke 38 des Stators 3 eindringt. Die Überdeckung zwischen dem Scheitel der Konturlinie 44 und dem Tal der Zahnlücke 38 ist äußerst gering, d.h. es gibt dort nur eine geringe Vorspannkraft.
Auch die Rippen 41d und 41c erzeugen nur geringe Zwänge.
Durch die erfindungsgemäße Kontur der Bohrung in dem Stator, gesehen in Umfangsrichtung, wird es möglich, den Arbeitstemperaturbereich der Exzenterschneckenpumpe bzw. des Exzenterschneckenmotors zu vergrößern. D.h. sowohl im kalten Zustand tritt eine vernünftige Abdichtung auf, während im oberen Temperaturbereich keine übermäßigen Vorspannkräfte entstehen.
Der erfindungsgemäße Verlauf der Kontur der Bohrung in dem Stator 3 führt außerdem dazu, dass bei der Abwälzbewegung des Rotors 4 innerhalb der elastomeren Auskleidung 32 die Achse des Rotors besser auf dem Exzentrizitätskreis bleibt, den die Achse bei der Abwälzbewegung Idealerweise beschreibt. Jede Störung der Bahnkurve führt zu erhöhten Belastungen und vergrößert die Antriebsleistung, weil sich hierbei jeweils das Kammervolumen ändern müsste.
Die erfindungsgemäße Kontur, kann nicht nur bei solchen Anordnungen verwendet werden, bei denen die elastomere Auskleidung 32 an jeder Stelle des Umfangs etwa die gleiche Wandstärke aufweist. Sie kann auch bei solchen Anordnungen verwendet werden, wie sie in 10 gezeigt sind. Hierbei hat der Mantel 19 die Gestalt eines zylindrischen Rohres mit einem zylindrischen Innenraum. Die Außenkontur der elastomeren Auskleidung 32 ist entsprechend zylindrisch. Im Bereich eines Zahns ist somit die Wandstärke deutlich größer als im Bereich einer Zahnlücke 38.
Obgleich hier im Bereich der Zähne 37 eine bessere Nachgiebigkeit vorliegt, infolge der größeren Wandstärke, ist dennoch die erfindungsgemäße Kontur bestehend aus Rip pen und Nuten vorteilhaft. Bei Temperaturerhöhung würde sich die Wandstärke im Bereich des Zahns betragsmäßig stärker vergrößern als die Wandstärke im Bereich einer Zahnlücke. Zufolge der größeren Nachgiebigkeit auf dem Zahnscheitel, bei Verwendung der Rippen- und Nutstruktur, vermindert sich die von dem stärker gewachsenen Zahn ausgehende verdrängende Wirkung. Die Bahnstörung, die die Achse des Rotors 4 bei der Abwälzbewegung erleidet, bleibt kleiner.
Obwohl die Erfindung oben anhand einer Exzenterschneckenpumpe ausführlich erläutert ist, ist verständlich, dass die Erfindung auch auf einen Exzenterschneckenmotor in gleicher Weise mit denselben Vorteilen anwendbar ist. Schließlich unterscheiden sich Exzenterschneckenpumpen und Exzenterschneckenmotoren letztlich nur in der Strömungsrichtung des Mediums und gegebenfalls in der Steigung des Gewindes, das die Zähne definiert, wobei auch Fälle auftreten, bei denen die Ganghöhe der Pumpe gleich der Ganghöhen von Motoren ist. Ein prinzipieller Unterschied in der Mechanik besteht hingegen nicht.
Bei einer Exzenterschneckenpumpe bzw. einem Exzenterschneckenmotor sind die in dem Stator nach innen ragenden Zähne und dazwischen befindlichen Zahnlücken mit einer zusätzlichen Nuten- und Rippenstruktur versehen. Hierdurch wird die Reibung zwischen dem Stator und dem Rotor vermindert, weil die Anpresskraft bei gleichbleibender Abdichtwirkung verringert werden kann, bzw, bei erhöhter Anpresskraft die Kontaktfläche verkleinert wird.

Claims

Exzenterschneckenpumpe (1) oder -motor mit einem Stator (3), der einen rohrförmigen Mantel (22) aus einem festen Material aufweist und der an wenigstens einem seiner beiden Enden mit einem Anschlussmittel (26) versehen ist, mit dem der Stator (3) an ein anderes Teil (2,5) anschließbar ist, mit einer in dem Mantel (22) befindlichen elastisch nachgiebigen Auskleidung (32), die über einen Bereich ihrer Länge eine schraubenförmige Bohrung bildet, die von einer Innenwand begrenzt ist und deren Querschnitt von einem Rand (44) mit einem wellenförmigen Verlauf begrenzt ist, derart, dass die Bohrung ähnlich einem schräg verzahnten Hohlrad schraubenförmig verlaufende Zähne (37) bildet, die durch Zahnlücken (38) voneinander getrennt sind, wobei auf der Innenwand wenigstens eine zusätzliche Rippe oder Nut (39,41) ausgebildet ist, die zumindest angenähert schraubenförmig verläuft, und deren Abmessungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung kleiner als die Abmessungen der Zähne (37) oder Zahnlücken (38) der Bohrung sind, und mit einem Rotor (4), der die Gestalt eines ein- oder mehrzähnigen schräg verzahnten Ritzels mit Zähnen (35) und Zahnlücken (36) aufweist und der an die Bohrung in der Auskleidung (32) angepasst ist, derart dass er sich in der Bohrung abwälzen kann, wobei die Zähne (35) des Rotors (4) in die Zahnlücken (38) der Auskleidung (32) eingreifen.
Exzenterschneckenpumpe (1) oder -motor mit einem Stator (3), der einen rohrförmigen Mantel (22) aus einem festen Material aufweist und der an wenigstens einem seiner beiden Enden mit einem Anschlussmittel (26) versehen ist, mit dem der Stator (3) an ein anderes Teil (2,5) anschließbar ist, mit einer in dem Mantel (22) befindlichen elastisch nachgiebigen Auskleidung (32), die über einen Bereich ihrer Länge eine schraubenförmige Bohrung bildet, deren Querschnitt von einen Rand (43) mit einem wellenförmigen Verlauf begrenzt ist, derart, dass die Bohrung ähnlich einem schräg verzahnten Hohlrad schraubenförmig verlaufende Zähne (37) bildet, die durch Zahnlücken (38) voneinander getrennt sind, wobei zumindest auf den Zähnen (37) zumindest zwei nebeneinander verlaufende Rippen (39) oder wenigstens eine Nut (41) ausgebildet sind, die in Axialrichtung zumindest ein Stück weit angenähert dem Verlauf des jeweiligen Zahns (37) folgen und deren Abmessungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung kleiner als die Abmessungen der Zähne (37) oder Zahnlücken (38) der Bohrung sind, und mit einem Rotor (4), der die Gestalt eines ein- oder mehrzähnigen schräg verzahnten Ritzels mit Zähnen (35) und Zahnlücken (36) aufweist und der an die Bohrung in der Auskleidung (32) angepasst ist, derart, dass er sich in der Bohrung abwälzen kann, wobei die Zähne (35) des Rotors (4) in die Zahnlücken (38) der Auskleidung (32) eingreifen.
Exzenterschneckenpumpe (1) oder -motor mit einem Stator (3), der einen rohrförmigen Mantel (22) aus einem festen Material aufweist und der an wenigstens einem seiner beiden Enden mit einem Anschlussmittel (26) versehen ist, mit dem der Stator (3) an ein anderes Teil (2,5) anschließbar ist, mit einer in dem Mantel (22) befindlichen elastisch nachgiebigen Auskleidung (32), die über einen Bereich ihrer Länge eine schraubenförmige Bohrung bildet, deren Querschnitt von einen Rand (43) mit einem wellenförmigen Verlauf begrenzt ist, derart, dass die Bohrung ähnlich einem schräg verzahnten Hohlrad schraubenförmig verlaufende Zähne (37) bildet, die durch Zahnlücken (38) voneinander getrennt sind, wobei zumindest in den Zahnlücken (38) zumindest zwei nebeneinander verlaufende Nuten (39) oder wenigstens eine Rippe (41) ausgebildet sind, die in Axialrichtung zumindest ein Stück weit angenähert dem Verlauf der jeweiligen Zahnlücke (38) folgen und deren Abmessungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung kleiner als die Abmessungen der Zähne (37) oder Zahnlücken (38) der Bohrung sind, und mit einem Rotor (4), der die Gestalt eines ein- oder mehrzähnigen schräg verzahnten Ritzels mit Zähnen (35) und Zahnlücken (36) aufweist und der an die Bohrung in der Auskleidung (32) angepasst ist, derart, dass er sich in der Bohrung abwälzen kann, wobei die Zähne (35) des Rotors (4) in die Zahnlücken (38) der Auskleidung (32) eingreifen
Exzenterschneckenpumpe oder -motor mit einem Stator (3), der einen rohrförmigen Mantel (22) aus einem festen Material aufweist und der an wenigstens einem seiner beiden Enden mit einem Anschlussmittel (26) versehen ist, mit dem der Stator an ein anderes Teil (2,5) anschließbar ist, mit einer in dem Mantel (22) befindlichen elastisch nachgiebigen Auskleidung (32), die über einen Bereich ihrer Länge eine schraubenförmige Bohrung bildet, deren Querschnitt von einen Rand (44) mit einem wellenförmigen Verlauf begrenzt ist, derart, dass die Bohrung ähnlich einem schräg verzahnten Hohlrad schraubenförmig verlaufende Zähne (37) bildet, die durch Zahnlücken (38) voneinander getrennt sind, wobei zumindest auf jedem Zahn (37) zumindest zwei nebeneinander verlaufende Rippen (41) oder wenigstens eine Nut (39) und in jeder Zahnlücke (38) zumindest zwei nebeneinander verlaufende Nuten (39) oder wenigstens eine Rippe (41) ausgebildet sind, die in Axialrichtung zumindest ein Stück weit angenähert dem Verlauf des jeweiligen Zahns (37) oder dem Verlauf der Zahnlücke (38) folgen und deren Abmessungen sowohl in Umfangsrichtung als auch in Radialrichtung kleiner als die Abmessungen der Zähne (37) oder Zahnlücken (38) der Bohrung sind, und mit einem Rotor (4), der die Gestalt eines ein- oder mehrzähnigen schräg verzahnten Ritzels mit Zähnen (35) und Zahnlücken (36) aufweist und der an die Bohrung in der Auskleidung (32) angepasst ist, derart, dass er sich in der Bohrung abwälzen kann, wobei die Zähne (35) des Rotors (4) in die Zahnlücken (38) der Auskleidung (32) eingreifen
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähnezahl des Rotors (4) um wenigstens eins kleiner ist als die Zähnezahl der Bohrung in der Auskleidung (32).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähnezahl des Stators (3) wenigstens zwei beträgt.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (22) einen zylindrischen Innenraum (21) aufweist, dass die elastisch nachgiebige Auskleidung (32) in dem Bereich der Zahnlücken (38) eine wesentlich geringe radiale Dicke aufweist, als im Bereich der Zähne (37).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel (22) einen schraubenförmigen Innenraum (21) aufweist, derart, dass die Dicke der elastisch nachgiebigen Auskleidung (32) im Bereich der Zahnlücken (38) zumindest angenähert gleich der Dicke der elastisch nachgiebigen Auskleidung (32) im Bereich der Zähne (37) ist.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (37) mit den Zahnlücken (38) über Flankenflächen verbunden sind, und dass zusätzlich auch auf den Flankenflächen Rippen (41) oder Nuten (39) vorgesehen sind, die zumindest ein Stück weit der schraubenförmigen Kontur der Flankenflächen folgen.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Erstreckung der Rippen (41) oder Nuten (39) auf den Zähne (37) größer ist als die radiale Erstreckung der Rippen (41) oder Nuten (39) in den Zahnlücken (38).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (41) auf den Zähnen (37) symmetrisch zu einer Scheitellinie verlaufen, die der Kontur des Zahns (37) folgt und die den kleinesten radialen Abstand von der Bohrungsachse (25) aufweisen.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rippen (41) symmetrisch zu einer Zahnlückenlinie liegen, die dem schraubenförmigen Verlauf der Zahnlücke (38) folgt, und die jeweils den größten radialen Abstand von der Bohrung (38) aufweist.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwischen zwei Rippen (41) eine Nut (39) vorgesehen ist, derart, dass der Bereich zwischen zwei Rippen (41) einen größeren radialen Abstand von der Bohrungsachse (25) aufweist, als es der gedachten idealen Konturlinie (43) der Bohrung eines Stators (3) ohne Rippen (41) entspricht.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Rippen (41) oder die Tiefe der Nuten (39) auf den Zähnen (37) einen Wert zwischen 0,1 mm und 5 mm vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm aufweisen, jeweils bezogen auf einen Verlauf ohne Rippen (41).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Rippen (41) oder die Tiefe der Nuten (39) in den Zahnlücken (38) einen Wert zwischen 0,1 mm und 5 mm vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 2 mm, höchst vorzugsweise zwischen 0,2 mm und 0,8 mm aufweisen, jeweils bezogen auf einen Verlauf ohne Nuten (39).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhen der Rippen (41) oder die Tiefe der Nuten (39) auf den Zähnen (37) einen Wert von zwischen 1 % und 50 % vorzugsweise zwischen 1,5 % und 30 % und höchst vorzugsweise zwischen 2 und 20 % der Wandstärke der elastisch nachgiebigen Auskleidung (32) an der betreffenden Stelle aufweisen, jeweils bezogen auf einen Verlauf ohne Rippen (41).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Rippen (41) oder die Tiefe der Nuten (39) in den Zahnlücken (38) einen Wert von zwischen 1 % und 50 % vorzugsweise zwischen 1,5 % und 30 % und höchst vorzugsweise zwischen 2 % und 20 % der Wandstärke der elastisch nachgiebigen Auskleidung (32) an der betreffenden Stelle aufweisen, jeweils bezogen auf einen Verlauf ohne Nuten (39).
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Querschnittsprofil durch die Rippen (41) in Umfangsrichtung der Bohrung bezüglich der Scheitellinie symmetrische gestaltet sind.
Exzenterschneckenpumpe oder -motor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ganghöhe der Rippen (41) oder Nuten (39) gleich der Ganghöhe der Zähne (37) des Stators (3), zwischen der Ganghöhe des Stators (3) und der Ganghöhe des Rotors (4) oder gleich der Ganghöhe des Rotors (4) ist.