DE20007099U1

DE20007099U1 - Kreiselpumpe

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Original assignee: H Wernert and Co OHG
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Anticipated expiration: 2010-04-19

Description

KÖNIG · PALGEN · SCHUMACHER ■ ßll

DÜSSELDORF·ESSEN PATENTANWÄLTE

UNSER ZEICHEN: 100 102 &Rgr;&Rgr;/&bgr;&Igr; Düsseldorf, den 17. April 2000

AKTEN-NR. 5

H. WERNERT & CO. OHG Oberhausener Straße 67/79 D - 45476 Mülheim an der Ruhr Kreiselpumpe

Chemisch aggressive Flüssigkeiten werden im industriellen Einsatz häufig mit zentrifugalen Kunststoff-Kreiselpumpen gefördert, die je nach verwendetem Kunststoff eine sehr breite chemische Beständigkeit aufweisen bei einem im Vergleich zu metallischen Kreiselpumpen günstigeren Preis.
5

Problematisch bei Kunststoff-Kreiselpumpen ist jedoch stets die Beaufschlagung der Kunststoffteile mit Temperatur, die eine bestimmte, vom jeweiligen Werkstoff abhängige Obergrenze nicht überschreiten darf. Wird diese Obergrenze überschritten, so verliert der Kunststoff rapide an Festigkeit, ja kann im Extremfall sogar schmelzen, dies schon bei Temperaturen, bei denen metallische Pumpen ohne weiteres betrieben werden könnten.

Weiterhin ist es bei der Konstruktion von Kunststoff-Kreiselpumpen üblich und sinnvoll, eine Mindestdicke von 3 mm für alle Kunststoffteile oder -beschichtungen vorzusehen, um wirksam eine Diffusion der zu fördernden Flüssigkeit durch die Kunststoffschicht hindurch zu verhindern.

Werden nun an solche industriellen Pumpen höchste Anforderungen an die Dichtigkeit (z.B. aufgrund der Giftigkeit des zu fördernden Mediums) gestellt, so sind im Bereich der Kunststoff-Kreiselpumpen zwei Abdichtungs-Prinzipien bekannt, nämlich

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D-4O54S DÜSSELDOW^, L'oHENGRINSTRASSE 1 1 ■ D-45133 ESSEN, FRÜHUNGSTRASSE 43A

das der doppeltwirkenden Gleitringdichtung und der Magnetkupplung. Beide Ausführungsformen gestatten es, den obengenannten Nachteilen und Begrenzungen der Kunststoffbauweise Rechnung tragen.

Eine Pumpenbauweise mit Gleitringdichtung ist die sogenannte Chemie-Normpumpe, wie sie in der DE 198 05 152 A1 dargestellt ist. An dem Pumpengehäuse sitzt hierbei auf der dem Einlaß gegenüberliegenden Seite ein Lagergehäuse, in welchem die Laufradwelle drehbar gelagert ist. Die Laufradwelle ist über eine entfernbare Anschlußbüchse an den zu der Laufradwelle koaxial auf einer Grundplatte angeordneten Pumpenmotor angeflanscht.

Die Laufradwelle tritt aus dem Bereich des Laufrades nach außen hervor und muß also gegen den Übertritt von Fördermedium nach außen abgedichtet werden, was häufig mit Hilfe einer einfachwirkenden Gleitringdichtung geschieht.

Diese Konstruktion einer Chemie-Normpumpe hat sich zwar in der Praxis für viele Einsatzfälle durchgesetzt, doch besitzt sie zwei Nachteile: wegen der Hintereinanderanordnung der Teile Pumpengehäuse/Lagerträger/Anschlußbüchse/ Pumpenmotor ist der Bedarf an Grundfläche recht erheblich. Wesentlicher ist aber noch, daß die Pumpe nicht hermetisch ist, d.h. daß an der Stelle der Dichtung ein Spalt prinzipiell unvermeidbar ist, durch den Fördermedium in kleiner Menge nach außen in die Atmosphäre gelangt.

Letzteres wird bei einer Pumpenbauweise mit doppeltwirkender Gleitringdichtung durch eine unter Druck stehende Sperrflüssigkeit vermieden, die sich ein einem zwischen den Ringdichtungen vorhandenen Volumen befindet. In diesem Falle gelangt lediglich die ungefährlich gewählte Sperrflüssigkeit nach außen in die Atmosphäre.

Nachteilig bei dieser Pumpenbauweise mit doppeltwirkender Gleitringdichtung ist jedoch sowohl der damit verbundene hohe finanzielle und bauliche Aufwand für die Versorgungmit Sperrflüssigkeit als auch die Erfordernis, diese Versorgung ständig zu überwachen.

Dieser Nachteil ist bei einer Magnetkreiselpumpe nach der EP 268 085 B1 nicht vorhanden. Hierbei wird das Antriebsdrehmoment für das Laufrad der Pumpe nicht über eine nach außen geführte Welle übertragen, was eine Drehdichtung mit dem entsprechenden Leckrisiko bedingt, sondern über eine Magnetkupplung mit Permanentmagneten. Es ist ein mit dem Laufrad drehverbundener, im Pumpengehäuse drehgelagerter Pumpenrotor vorgesehen, der am Umfang mit länglichen, axial angeordneten Permanentmagneten besetzt ist. Der Pumpenrotor läuft im Innern eines dünnwandigen sogenannten Spalttopfes um, der mit seiner offenen Seite gegenüber dem Pumpengehäuse und dem sich daran nach der dem Einlaß abgelegenen Seite hin anschließenden Antriebsgehäuse abgedichtet ist. In dem Antriebsgehäuse ist ein äußerer Antriebsrotor (Treiber) drehbar gelagert, der auf seiner Innenseite ebenfalls mit länglichen achsparallel angeordneten Permanentmagneten besetzt ist. Der Antriebsrotor ist im Antriebsgehäuse drehgelagert und wird über einen Wellenzapfen von einem außerhalb der Pumpe angeordneten Motor angetrieben. Die Mitnahme des inneren Rotors und damit des Laufrades erfolgt über das zwischen den Permanentmagneten sich ausbildende, den Spalttopf durchsetzende Magnetfeld.
Dieses Verfahren ähnelt dem bekannten Prinzip des synchronen Elektromotors, jedoch mit dem Unterschied, daß die Magnetfelder durch hochwertige permantmagnetische Werkstoffe und nicht durch elektrische Ströme erzeugt werden. Charakteristisch für solche Antriebe ist der Winkelversatz zwischen äußerem Treiber und innerem Rotor. Natürlich muß der äußere Treiber seinerseits angetrieben werden, was in der Regel mit einem asynchronen Elektromotor erfolgt.

Es versteht sich, daß der radiale Abstand der Permanentmagnete für die übertragbare Leistung ausschlaggebend ist. Der Spalttopf muß also eine geringe Wandstärke haben und dennoch chemisch, thermisch und mechanisch ausreichend widerstandsfähig sein. Deshalb wird der Spalttopf bei neueren Ausführungsformen von Kunststoff-Kreiselpumpen aus zwei Schichten hergestellt, nämlich innen aus einem chemisch besonders beständigen Kunststoff wie Polytetrafluoräthylen und außen aus einem faserverstärkten, die Stabilität bringenden Kunststoff. Beide Schichten sind zudem notwendigerweise unmagnetisch.

Eine solche Pumpe ist hermetisch, weil das Fördermedium ganz innerhalb des Spalttopfes verbleibt und kein Drehdichtungsspalt nach außen führt. Allerdings ist der Aufwand für die Drehlagerung des äußeren Antriebsrotors nicht unbeträchtlich und außerdem auch der durch die Hintereinanderanordnung der Teile bedingte .5 Grundflächenbedarf mit der Chemie-Normpumpe vergleichbar.

Im Bereich der metallischen Kreiselpumpen existiert über die beiden vorstehend behandelten Abdichtungsprinzipien für Kunststoff-Kreiselpumpen hinaus ein weiteres, drittes Abdichtungsprinzip.nämlich das der Spaltrohrmotorpumpe, wie sie z.B. in dem "KSB Kreiselpumpen Lexikon (1974) der Firma Klein, Schanzlin und Becker AG unter den Stichworten "Spaltrohrmotorpumpe" und "Naßläufermotor" beschrieben ist. Bei dieser Pumpenbauart kann der äußere Antriebsmotor und die Anschlußbüchse platzsparend entfallen, weil der Antrieb nach dem bekannten Prinzip des asynchronen Kurzschlußläufermotors in die Pumpe konstruktiv integriert ist.

Dabei wird das magnetische Drehfeld vermittels äußerer, am Umfang angeordneter Spulen, die mit Drehstrom beaufschlagt sind,erzeugt. Diese äußere Antriebseinheit, die als Stator bezeichnet wird, wird gegen das Fluid hin durch ein möglichst dünnwandiges Spaltrohr abgedichtet, das aus einem chemisch beständigen und unmagnetischen Metall besteht. Das im Stator erzeugte Drehfeld wirkt durch das Spaltrohr hindurch auf den im Inneren der Pumpe gelagerten Rotor, der seinerseits mit dem Pumpenlaufrad verbunden ist, und erzeugt in einer Anordnung von Blechpaketen reaktive Wirbelströme. Charakteristisch für solche Antriebe ist der Unterschied der Winkelgeschwindigkeit zwischen äußerem magnetischen Drehfeld und innerem Rotor. Dies wird als Schlupf bezeichnet.

Auch solch eine Spaltrohrmotorpumpe ist ebenso wie eine Magnetkupplungspumpe hermetisch gegen die Atmosphäre dicht, da das für die Förderung aufzubringende Drehmoment nicht vermittelst ei ner dann am Gehäusedurchtritt abzudichtenden Welle auf das Pumpenlaufrad übertragen wird.

Vergleicht man nun eine Magnetkupplungspumpe mit einer Spaltrohrmotorpumpe, so weist die letztgenannte Pumpe drei deutliche Vorzüge auf:

1.) Die Spaltrohrmotorpumpe weist in Form der äußeren Gehäusekontur stets eine dickwandige Panzerung und damit Abdichtung gegen die Umwelt auf, nur unterbrochen durch die Kabeldurchführungen für den elektrischen Strom. Hier fungiert das dünnwandige Spaltrohr lediglich als Korrosionsschutz für die Spulengruppen, nicht als Teil der äußeren Gehäusekontur. Hingegen bildet bei den Magnetkupplungspumpen der dünnwandige Spalttopf gleichzeitig einen Teil der äußeren, abdichtenden Gehäusekontur. Das den Treiber lagernde dickwandige Gehäuse ist natürlich durch die antreibende Welle unterbrochen und somit nicht dicht. Es kann also nicht der abdichtenden äußeren Gehäusekontur zugerechnet werden!

Bei entsprechenden Havarien, die in der Praxis häufig infolge falscher Betriebsweise der Pumpen vorkommen, wird der dünnwandige Spalttopf der Magnetkupplungspumpen durch den nicht mehr korrekt mittig laufenden Rotor-Laufrad-Teil zerstört, die Pumpe also undicht. Bei der Spaltrohrmotorpumpe wird dann zwar auch das dünnwandige Spaltrohr zerstört, die Pumpe bleibt aber aufgrund der dickwandigen Panzerung gegen die Umgebung vollständig abgedichtet.
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2.) Aufgrund der Integration von Motor und Pumpe zu einer Einheit baut die Spaltrohrmotorpumpe in axialer Erstreckung deutlich kürzer als ein vergleichbares Magnetkupplungspumpen-Aggregat, das ja noch aus Kupplung und zusätzlichem Elektromotor besteht.
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3.) Es entfällt zudem bei der Spaltrohrmotorpumpe die Notwendigkeit von Lagerungen schnelldrehender Teile außerhalb der abdichtenden äußeren Gehäusekontur. Bei der Magnetkupplungspumpe muß hingegen zusätzlich der permanentmagnetische Treiber gelagert werden.
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Natürlich haben die Hersteller von Magnetkupplungspumpen stets versucht, diese obengenannten prinzipiellen Nachteile durch eine aufwendigere Bauweise zu kompensieren. So werden, um die Nachteile zu 1.) zu vermindern, z.B. doppelwandige

Spalttöpfe mit entsprechender Überwachungssensorik eingesetzt oder z.B. der Wellendurchtritt des Treibers mit mehr oder weniger aufwendigen Wellendichtungen versehen. Um die Nachteile zu 2.) und 3.) zu vermindern, werden Magnetkupplungspumpen in Blockbauweise, also mit direkt angeflanschtem Motor ausgeführt. Da solche Motoren aber nicht dicht sind, kann auch bei dieser Blockbauweise der Nachteil unter 1.) nicht eliminiert werden.

Das Prinzip der Spaltrohrmotorpumpe weist gegenüber der Magnetkupplungspumpe allerdings auch Nachteile auf, die es insbesondere nicht ermöglichen, solche Spaltrohrmotorpumpen auch in wirtschaftlich günstiger Kunststoffbauweise auszuführen.

4.) Bei der Spaltrohrmotorpumpe werden aufgrund des Asynchronitäts-Prinzips im zwingend metallischen Rotor selbst ganz erhebliche Wirbelströme erzeugt, die, da Wärmequellen, zu deutlichen Wirkungsgradverlusten führen. Bei der Magnetkupplungspumpe dagegen werden im Inneren des Rotors aufgrund des Synchron-Prinzips keine Wirbelströme erzeugt, es entstehen insofern keine Wirkungsgradverluste, das Synchronitätsprinzip ist also energetisch günstiger.

5.) Eine denkbare Ausführung des Rotors einer Spaltrohrmotorpumpe mit Kunststoffbeschichtung von mindestens 3 mm um die korrosionsgefährdeten Blechpakete würde eine kräftige Isolation der inneren Wärmequelle "Wirbelstrom" darstellen, die dann zu deutlich erhöhten Rotortemperaturen führen würde, die den Kunststoff leicht zerstörten. In der Praxis müssen daher die Blechpakete, mit denen der Rotor bestückt ist, mit einem dünnen Bezug aus hochwertigem Edelstahl umgeben werden. Da im permanentmagnetischen Rotor einer Magnetkupplungspumpe jedoch keinerlei Wirbelströme erzeugt werden, existiert bei diesem Prinzip auch kein thermisches Problem für die Kunststoffummantelung.

6.) Durch eine Kunststoffummantelung des Rotors der Spaltrohrmotorpumpe wie unter 5.) würde der radiale Abstand zwischen metallischem Rotor und äußeren Spulen um 3 mm erhöht, was prinzipbedingt zu einer enormen Einbuße

an übertragbarem Drehmoment führt bzw. bei vorgegebenem Drehmoment zu einer Verteuerung des Antriebes, da dieser nun erheblich größer dimensioniert werden müßte. Bei der Magnetkupplungspumpe dagegen führt eine Kunststoffummantelung des Rotors und damit eine Entfernung der Magnete voneinander zu einem eher moderaten Verlust an übertragbarem Drehmoment, der wirtschaftlich zu vertreten ist.

7.) Ein wünschenswertes Material zur Vermeidung von energetisch und thermisch ungünstigen Wirbelströmen in Spaltrohr oder Spalttopf bei gleichzeitiger Korrosionsbeständigkeit ist nichtleitender Kunststoff, der aus Festigkeitsgründen noch duroplastisch armiert würde. Aufgrund der Mindestdicke von 3 mm treten aber für die Spaltrohrmotorpumpe die bereits unter 6.) beschriebenen Probleme auf, so daß dünnwandige Spaltrohre aus hochwertigem Edelstahl verwendet werden müssen. Bei Magnetkupplungspumpen ist dagegen der Einsatz solcher im Bereich mehrerer Millimeter dicken Spalttöpfe aus Kunststoff oder Industrie-Keramik wirtschaftlich vertretbar, und sie werden auch, neben dünnwandigeren Spalttöpfen aus Edelstahl, in der Praxis so ausgeführt.

8.) Aus dem unter 6.) genannten Grunde muß bei der Spaltrohrmotorpumpe der Spalt zwischen drehendem Rotor und feststehendem Spaltrohr möglichst klein im Bereich von zehntel Millimetern gehalten werden. Dies führt zu hohen Reibungsverlusten in diesem Spalt, wenn Medien höherer Viskosität zu pumpen sind.
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Letztlich stehen beide hermetisch dichten Konstruktionsprinzipien mit ihren obengenannten Vor- und Nachteilen im wirtschaftlichen Wettbewerb und behaupten sich durchaus erfolgreich. Da aus den genannten Gründen der Bau einer Spaltrohrmotorpumpe in Kunststoffbauweise mit diffusionsdichter Beschichtung jedoch unmöglieh ist, blieb dieses Prinzip mit insbesondere starkem Vorteil unter 1.) immer nur den metallischen Pumpen vorbehalten.

Die Erfindung geht also von der Problemstellung aus, eine vollständig mit Kunststoff oder Industrie-Keramik gegen Korrosion geschützte Pumpe zu schaffen, die hermetisch dicht ist und sowohl die unter 1.) bis 3.) genannten Vorteile der Spaltrohrmotorpumpe als auch die unter 4.) bis 8.) genannten Vorteile der Magnetkupplungspumpe, hier auch insbesondere für Kunststoff-Ummantelungen, auf sich vereinigt.

Die sich hieraus ergebende Aufgabenstellung wird durch ein neues Antriebsprinzip für eine Kreiselpumpe entsprechend der in Anspruch 1 wiedergegebenen Erfindung gelöst.
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Durch die Integrierung des Antriebs in die Pumpe entfallen einerseits die bei der Magnetkreiselpumpe notwendige aufwendige Lagerung des äußeren Antriebsrotors sowie der durch den äußeren Motor bedingte zusätzliche Bedarf an Grundfläche.

Das Antriebsdrehmoment wird nicht durch eine Art Asynchron-Kurzschlußmotor erzeugt, der bei entsprechender Beanspruchung wegen der schlechten Kühlungsmöglichkeiten zu unzuträglichen Temperatursteigerungen im Rotor neigt, sondern durch das Zusammenwirken eines äußeren feststehenden Statorspulensystems, in dem ein Drehfeld erzeugt wird, mit den Permanentmagneten auf dem Antriebsläufer, die anstelle des durch ein Blechpaket gebildeten Rotors des Asynchron-Kurzschlußmotors der Spaltrohrmotorpumpe vorhanden sind und zum Aufbau eines mit dem äußeren Magnetfeld zusammenwirkenden Magnetfeldes keiner Wirbelströme bedürfen, die die entsprechenden thermischen Folgen haben.

Bei der Erfindung wird also das Synchronitätsprinzip der Magnetkupplungspumpe beibehalten, jedoch der äußere permanentmagnetische Treiber durch ein in geeigneter Weise ausgeführtes Statorspulensystem ersetzt, das vermittels elektrischer Spannungen ein den inneren permanentmagnetischen Rotor antreibendes, vorlaufendes Magnetfeld erzeugt.

Die Spannungen für das Statorspulensystem werden dabei durch einen industrieüblichen, jedoch speziell abgestimmten Frequenzumrichter erzeugt. Aufgrund der ohnehin bestehenden Notwendigkeit eines zusätzlichen Frequenzumformers können

Pumpen dieser Bauart ohne mechanische Bearbeitung (Abdrehen des Laufrades) und damit verbundene Demontage über die Variation der Drehzahl an gegebene Anlagenverhältnisse angepaßt werden und auch für schwankende Abnahmemengen in einer Anlage über die energetisch günstige Form der Drehzahlregelung betrieben werden.

Es ist durch die Erfindung eine Pumpe geschaffen, bei der der Antrieb mit dem Pumpenteil integriert ist, und die einen entsprechend geringen Grundflächenbedarf aufweist, die mit einem geringeren baulichen Aufwand unter Einsparung der äußeren Lagerung eines Treibers auskommt und bei der schließlich durch die Vermeidung von Wirbelstromverlusten die innere Temperaturentwicklung und die entsprechenden Energieverluste verringert sind.

Das Antriebsprinzip ist von der Ausbildung des Pumpenteils der Kreiselpumpe an . sich unabhängig. Nichtsdestoweniger ist der angesichts der geschilderten Problematik bevorzugte Anwendungsfall der einer sogenannten Spaltrohrpumpe entsprechend Anspruch 2, insbesondere in der Ausführung mit Spalttopf nach Anspruch 3 bzw. mit an beiden Enden offenem Spaltrohr nach Anspruch 4. In der Kombination dieser Merkmale kommen die erheblichen Vorteile des neuen Antriebsprinzips besonders zur Geltung.

Das Spaltrohr schützt die radial außerhalb desselben gelegene Spulenanordnung mit dem Eisenkern vor dem Angriff des Fördermediums.

Es versteht sich jedoch, daß auch der Anriebsläufer mit den Permanentmagneten, die sich in dem mit dem Fördermedium gefüllten Innern des Spaltrohrs befinden, dem Fördermedium nicht ungeschützt ausgesetzt sein darf.

Gemäß Anspruch 5 kann der Antriebsläufer von einer chemisch und thermisch ausreichend beständigen Umhüllung dicht umgeben sein, damit kein Angriff auf das Fördermedium stattfindet.

Während die Umhüllung sich der Gestalt des Antriebsläufers mit im wesentlichen überall gleicher Wanddicke anschmiegt, besteht eine alternative Ausführungsform des Schutzes für den Antriebsläufer in einem diesen wenigstens im Bereich der Permanentmagneten dicht umgebenden Hüllrohr (Anspruch 6).
5

Im einzelnen kann die Ausführungsform mit dem Hüllrohr gemäß Anspruch 7 gestaltet sein.

Ein wichtiger Anwendungsfall der Erfindung ist eine sogenannte Kunststoff- oder Keramikpumpe gemäß Anspruch 8, bei der alle mit dem Fördermedium in Berührung kommenden Teile aus einem chemisch und thermisch ausreichend beständigen Kunststoff oder einer Industriekeramik bestehen.

Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform einer Pumpe nach Anspruch 8 weist mit dem Fördermedium in Berührung kommende Teile, insbesondere ein Spaltrohr und ein Hüllrohr auf, die aus SiC bestehen oder SiC umfassen (Anspruch 9).

Es kann sich dabei um gesintertes SiC oder um ein kunststoffgebundenes SiC-Material handeln.
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Gemäß den Ansprüchen 10 und 11 kann die Lagerung des Motorläufers einseitig oder an beiden Enden desselben vorgesehen sein.

Es wird innerhalb des Spaltrohrs durch die Lagerung des Antriebsläufers eine gewisse Menge an Fördermedium zu dem der Pumpenkammer abgelegenen Ende des Spaltrohrs bzw. des Antriebsläufers hin übertreten.

Gemäß Anspruch 12 ist in dem Motorläufer eine Kanalanordnung zweckmäßig, die eine Rückführung dieser Menge an Fördermedium in den Niederdruckbereich der Laufradanordnung ermöglicht, so daß die betreffenden Anteile des Fördermediums gewissermaßen umgewälzt werden und zur Kühlung der Lagerung beitragen können.

Eine Anordnung von sechs über den Umfang gleichmäßig verteilten gleichgroßen Permanentmagneten gemäß Anspruch 13 hat sich hinsichtlich der wirtschaftlichen Herstellung der Permanentmagneten und insbesondere hinsichtlich der erzielten Antriebseigenschaften als besonders vorteilhaft erwiesen.
5

Gemäß Anspruch 14 können die Permanentmagnete auch in Längsrichtung in mehrere kürzere Permanentmagnete unterteilt sein.

In der Zeichnung sind drei Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt einen durch die Achse gehenden Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe;

Fig. 2 zeigt eine Ansicht einer zum Stand der Technik gehörenden Chemie-Normpumpe in Kunststoff-Bauweise mit Magnetkupplung in verklei

nertem Maßstab;

Fig. 3 zeigt eine Ansicht gemäß Fig. 2 von links;

Fig. 4 zeigt einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungs

gemäßen Kreiselpumpe;

Fig. 5 zeigt einen Schnitt nach der Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt entsprechend Fig. 1 bzw. Fig. 4 einer dritten Ausfüh

rungsform.

Die in Fig. 1 als Ganzes mit 100 bezeichnete Ausführungsform der Erfindung ist einer Chemie-Normpumpe in den Fig. 2 und 3 gegenübergestellt, die die gleichen Abmessungen des eigentlichen Pumpenteils 10 und die gleichen Anschlußmaße für

die Einlaßleitung und die Auslaßleitung aufweist. Es ist - wenn in Fig. 1 und 2 der gleiche Maßstab unterstellt wird - auf den ersten Blick zu erkennen, daß die von der Kreiselpumpe 100 benötigte Grundfläche wesentlich geringer ist als die der Chemie- :·.:··· .··..·..·. ."."·: :"::"::**: : : ·:

Normpumpe 50 und nur den in Fig. 2 links von der Linie 36 gelegenen Bereich einnimmt.

Die in den Fig. 2 und 3 als Ganzes mit 50 bezeichnete Kreiselpumpe ist auf einer Grundplatte 1 montiert und weist¹ einen Antriebsmotor 2 auf, der über eine Anschlußbüchse 3 (mit Flanschen versehene Ausbaukupplung) mit der Welle 4 verbunden ist, die in einem Pumpenlagerträger 5 gelagert und mit einem darin umlaufenden, mit Permanentmagneten besetzten Antriebsrotor (Treiber) verbunden ist. Der Pumpenlagerträger 5 ist an den Ringgehäusedeckel 6 angeflanscht, der ein topfförmiges, gemäß Fig. 2 nach rechts, also zum Pumpenlagerträger 5 hin offenes Ringgehäuse 7 verschließt, welches mit einem Fuß 8 auf der Grundplatte 1 montiert ist. Das Ringgehäuse 7 weist einen axial gerichteten, zu der Achse A der Laufradwelle 4 und des Antriebsmotors 2 koaxialen Einlaß 9 und einen radial gerichteten Auslaß 10 auf, der in dem Ausführungsbeispiel mittig, also nicht tangential angeordnet ist. Das Ringgehäuse 7 umschließt ein aus einem chemisch resistenten Kunststoff bestehendes Pumpengehäuse, von welchem in Fig. 2 nur die Lage des Einlaßstutzens 12 angedeutet ist. Das Pumpengehäuse besitzt außerdem einen in Richtung des Auslasses sich erstreckenden, in Fig. 2 nicht sichtbaren Druckstutzen. Der Anschluß an eine in Fig. 2 gestrichelt angedeutete Druckleitung 13 erfolgt an einem Anschlußflansch 30, der mit einem Gegenflansch 14 der Druckleitung 13 verschraubt wird.

Soweit bei der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe 100 der Fig. 1 funktionell entsprechende Teile vorhanden sind, sind gleiche Bezugszahlen verwendet.

In dem Ringgehäuse 7, welches aus Eisenguß besteht und nur die Funktion der Kraftaufnahme hat, ist das bereits erwähnte Pumpengehäuse 15 aus einem chemisch resistenten Kunststoff, angeordnet, welches eine topfförmige, d.h. flach zylindrische, gemäß Fig. 1 nach rechts hin offene Pumpenkammer 16 umschließt. Die Pumpenkammer 16 ist zur Achse A der Laufradwelle 17 konzentrisch und nimmt das auf dem gemäß Fig. 1 linken Ende der Laufradwelle 17 befestigte umlaufende Laufrad 18 auf. Konzentrisch zu der Achse A hat die Pumpenkammer 16 im Boden einen Durchbruch 19, der von den Einlaßstutzen 12 umgeben ist.

Von der Pumpenkammer 16 geht ein in der Zeichnung der Fig. 1 nicht erkennbarer spiraliger Kanal mit der Achse A aus, der in den radialen Druckstutzen 20 mündet, der eine Achse B aufweist. Das Ringgehäuse 7 umgibt den Druckstutzen 20. An der Außenseite des Ringgehäuses ist am oberen Ende des Druckstutzens 20 der als Ganzes mit 30 bezeichnete Anschlußflansch für die Auslaßleitung 13 vorgesehen.

Die gemäß Fig. 1 nach rechts offene Seite der topfförmigen Pumpenkammer 16 wird durch einen Pumpenkammerdeckel 41 geschlossen, der ebenfalls aus dem chemisch resistenten Kunststoff besteht, z.B. aus PTFE oder PFA. Auf diese Weise kommt das Fördermedium in der Pumpenkammer 16, zum Beispiel eine aggressive chemische Flüssigkeit, ausschließlich mit dem genannten Werkstoff in Verbindung, der eine ausreichende chemische Beständigkeit aufweist. Der Pumpenkammerdeckel 41 ist von der Laufradwelle 17 durchgriffen und trägt auf seiner Außenseite einen axial von dem Laufrad 18 hinweg nach außen vorkragenden Lagerkörper 21, in welchem die Laufradwelle 17 in zwei axialen Abstand voneinander aufweisenden Gleitlagern 22,23 drehbar gelagert ist. Auf dem aus dem Lagerkörper 21 hervorstehenden Ende der Laufradwelle 17 ist ein Antriebsläufer 24 angebracht, der an seinem Außenumfang über den Außenumfang sechs gleichmäßig verteilte längliehe achsparallel angeordnete Permanentmagnete 25 trägt, von denen in dem Ausführungsbeispiel jeweils zwei hintereinander angeordnet sind. Die Permanentmagnete 25 sind in achsparallelen Bahnen vorgesehen, wobei auch andere Zahlen als zwei pro Bahn in Betracht kommen. Der Antriebsläufer 24 hat einen Außendurchmesser, der dem Außendurchmesser des dem Pumpenlagerdeckel 41 benachbarten Teils des Lagerkörpers 21 entspricht. Der Antriebsläufer 24 ist ganz von einer Beschichtung 26 umhüllt, die aus einem chemisch resistenten Kunststoff besteht und verhindert, daß der Antriebsläufer 24 in direkten Kontakt mit dem Fördermedium tritt, welches aus der Pumpenkammer 16 durch die Gleitlager 22,23 in den Bereich des Antriebsläufers 24 gelangt.

Der Lagerkörper 21 und der Antriebsläufer 24 sind von einem Spaltrohr 28 umgeben, welches mit seinem linken Ende 27 an dem Pumpenkammerdeckel 41 dicht angeschlossen ist und sich zylindrisch von dort nach rechts erstreckt, wobei es mit

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seinem Innenumfang dem Außenumfang des Antriebsläufers 24 radial so dicht wie möglich gegenübersteht. Das Spaltrohr 28 ist und an seinem gemäß Fig. 1 rechten Ende dicht vor der Stirnseite des Antriebsläufers 24 durch einen zu der Achse A senkrechten Boden 31 verschlossen. Das Spaltrohr 28 bildet also einen Spalttopf, der mit dem Fördermedium, welches durch die Gleitlager 22,23 axial hindurchtritt, gefüllt ist, aber den Übertritt dieses Fördermediums zu seiner Außenseite unterbindet. Das gemäß Fig. 1 nach rechts gegen den Boden 31 des Spaltrohrs 28 übergetretene Fördermedium wird durch einen Kanal 35 in der Laufradwelle 17 in den zentralen Bereich des Laufrades 18 zurückgeführt und tritt dort in den Niederdruckbereich der Pumpenkammer 16 aus.

Radial unmittelbar außerhalb des Spaltrohrs 28 ist eine feststehende Spulenanordnung 32 vorgesehen, deren Eisenkern 33 mit seinem zylindrischen Innenumfang auf der Außenseite des Spaltrohrs 28 sitzt. Auf diese Weise kann die radiale Spalthöhe zwischen dem Innenumfang des Eisenkerns 33 und dem Außenumfang des Antriebsläufers 24 minimiert werden. Nur auf der Innenseite des Spaltrohrs 28 muß eine gewisse radiale Distanz verbleiben, die die freie Drehung des Antriebsläufers 24 auch bei den zu erwartenden Wärmedehnungen des Kunststoffs ermöglicht. Der Eisenkern 33 kann aber ohne Abstand bis unmittelbar an die Außenseite des Spaltrohrs 28 reichen. Dadurch wird die übertragbare Leistung erhöht, die sehr stark auf den radialen Abstand reagiert.

Die Spulenanordnung 32 und der Eisenkern 33 sind in einem topfförmigen Antriebsgehäuse 34 untergebracht, welches die Teile aufnimmt und an seinem offenen Rand an dem Pumpenkammerdeckel 41 angeflanscht und abgedichtet ist.

Der Vergleich der Fig. 1 und 2 läßt erkennen, daß die Kreiselpumpe 100 der Fig. 1 eine wesentlich gedrungenere Bauweise aufweist und der gesamte für den Motor 2 der Chemie-Normpumpe 50 der Fig. 2 erforderliche Grundflächenbedarf rechts von der Linie 36 entfällt.

Die integrierte Bauweise, bei der also der Antriebsmotor und die eigentliche Pumpe eine Baueinheit bilden, beeinträchtigt auch die Prozeßbauweise nicht. Es ist möglich,

das ganze "Laufwerk" einschließlich Antrieb gemäß Fig. 1 nach rechts aus dem Pumpengehäuse 15 herauszuziehen, ohne die bei 12 angeschlossene Einlaßleitung und die Auslaßleitung 13 demontieren zu müssen.

.5 Die Bauweise mit einer Spulenanordnung 32 mit Eisenkern 33 als Stator und Permanentmagneten 25 im Antriebsläufer 24 entwickelt im Betrieb weniger Wärme als eine Konstruktion, bei welchem der Rotor durch ein Blechpaket gebildet ist (wie bei einem Asynchron-Kurzschlußläufermotor), so daß das aus einem geeigneten Kunststoff oder aus einem mehrschichtigen Kunststoffkörper bestehende Spaltrohr 28 thermisch nur in erträglichem Maße beansprucht wird.

In den Fig. 4 und 5 ist eine leicht abgewandelte Bauform einer Kreiselpumpe 200 dargestellt, bei der funktionell der Kreiselpumpe 100 entsprechende Teile gleiche Bezugszahlen aufweisen.

Von baulichen Einzelheiten abgesehen, besteht ein Unterschied zu der Kreiselpumpe 100 darin, daß der Antriebsläufer 24' an seinen beiden Enden Gleitlager 22',23' aufweist, während er bei der Kreiselpumpe 100 aus einem Lagerkörper 21 frei vorkragt, der bei der Kreiselpumpe 200 nicht vorhanden ist. Die Permanentmagnete 25' gehen bei der Kreiselpumpe 200 einstückig über die Länge des Eisenkerns 33 durch. Es sind in dem Ausführungsbeispiel ebenso wie bei der Kreiselpumpe 100 sechs über den Umfang gleichmäßig verteilte Permanentmagnete 25' vorgesehen, die, wie aus Fig. 5 erkennbar ist, jeweils einen Umfangswinkel von 40° einnehmen und entsprechende Abstände in Umfangsrichtung voneinander belassen. Auch hier ist ein Kanal 35 für die Rückführung durch die Gleitlager 22',23' hindurchgetretenen Fördermediums in den zentralen Bereich des Laufrades 18 bzw. in den Niederdruckbereich der Pumpenkammer 16 vorgesehen. Das Spaltrohr 28' ist auch hier als Spalttopf mit einem Boden 31 ausgebildet.

Auch bei der dritten Ausführungsform 300 einer Kreiselpumpe nach Fig. 6 sind der Kreiselpumpe 100 funktionell entsprechende Teile mit gleichen Bezugszahlen gekennzeichnet. Der Antriebsläufer 24" ist an seinen beiden Enden axial außerhalb des Bereichs der Permanentmagnete 25" in Lagern 22,23 im Antriebsgehäuse 34" dreh-

bar gelagert. Die Permanentmagnete 25" sind jeweils zu zweit in Achsrichtung hintereinander angeordnet, was ihre Herstellung verbilligt. Die Spulenanordnung und der Eisenkern sind nicht im einzelnen wiedergegeben, sondern nur durch die Raumbereiche 32" und 33" angedeutet, in denen sie sich befinden. Die Anordnung entspricht insoweit der Fig. 4. Der Bereich 33" des Eisenkerns ist nach innen durch das Spaltrohr 28" begrenzt, welches in diesem Fall im Gegensatz zu den Kreiselpumpen 100 und 200 nicht topfförmig, sondern als an den beiden Enden senkrecht zur Achse abgeschnittenes offenes Rohr ausgebildet, welches an den Enden axial zwischen den Lagern 22,23 eingespannt und abgedichtet ist. Die Begrenzung des Innenraums des Spaltrohrs 28" in axialer Richtung nach außen ist unter anderem durch ein feststehendes Formteil 40 gegeben, welches ebenso wie alle anderen mit dem Fördermedium in Berührung kommenden Teile aus einem chemisch und thermisch ausreichend beständigen Material besteht.

Der die Permanentmagnete 25" tragende Teil des Antriebsläufers 24" ist von einem Hüllrohr 26" aus einem chemisch und thermisch beständigen Material umgeben, welches an den Enden offen ist und dort mit seinem Innenumfang auf zylindrischen Außenumfangsflächen 37,37 des Antriebsläufers 24" aufliegt, die sich in beiden Achsrichtungen an die Permantmagnete 25" anschließen. In den Außenumfangsflächen 37,37 sind Umfangsnuten 29,29 angebracht, in denen elastische Dichtringe 38,38 untergebracht sind, die gegen den Innenumfang des Hüllrohrs 26" abdichten.

Das Spaltrohr 28" und das Hüllrohr 26" können bei geringer thermischer Belastung aus einem geeigneten Kunststoff bestehen. Bei höherer Leistungskonzentration im Bereich des Eisenkerns 33" besteht jedoch ein wichtiges Merkmal darin, daß sowohl das Spaltrohr 28" als auch das Hüllrohr 26" aus einem keramischen Material bestehen, also zum Beispiel AI2O3 oder aber aus SiC, welches gesintert oder in einer Matrix gebunden sein kann, insbesondere mit Kunstharz. Auf diese Weise stehen sich in dem temperaturmäßig am höchsten belasteten Bereich zwei dünnwandige Rohre gegenüber, die hohe thermische und chemische Belastungen aushalten.

Der Antriebsläufer 24 umfaßt im übrigen einen metallischen Kern 41, der sich rohrförmig unter dem Bereich der Permanentmagnete 25" entlang erstreckt und

von einer Ummantelung 42 aus einem chemisch und thermisch beständigen Material dort umgeben ist, wo das Fördermedium Zutritt hat. Die Ummantelung kann aus einem geeigneten Kunststoff bestehen, da die Temperaturbelastung an den Stellen der Ummantelung nicht mehr so hoch ist. Es kann aber auch eine keramisehe Ummantelung vorliegen. Auch bei dieser Ausführungsform 300 ist ein Kanal 35 von dem in Fig. 6 rechten Ende des Antriebsläufers 24" durch dessen Zentrum bis zum achsnahen Bereich des Laufrades 18 vorgesehen, durch den übergetretenes Fördermedium in den Bereich des Laufrades 18 zurückbefördert wird.

Die Spulenanordnung 32 wird bei allen Ausführungsformen 100,200,300 mit einem elektrischen Drehfeld beaufschlagt, welches über einen nicht dargestellten entsprechenden Generator erzeugt wird, wobei die Drehzahlsteuerung über einen Frequenzumrichter erfolgen kann.

Claims

1. Kreiselpumpe (100, 200, 300)
mit einer in einem Pumpengehäuse (15) um eine Achse (A) umlaufenden Laufradanordnung (18),
mit einem an dem Pumpengehäuse (15) ausgebildeten, zu der Achse (A) koaxialen Einlaß (9) und einem zu der Achse (A) radialen Auslaß (10), an denen die Einlaß- bzw. Auslaßleitungen angeflanscht sind,
mit einem unmittelbar mit dem Pumpengehäuse (15) dicht verbundenen Antriebsgehäuse (34, 34', 34"),
mit einem in dem Antriebsgehäuse (34, 34', 34") um die Achse (A) umlaufenden, starr mit der Laufradanordnung (18) verbundenen Antriebsläufer (24, 24', 24"), der an mindestens einem Ende in dem Antriebsgehäuse (34, 34', 34") drehbar gelagert ist,
mit am Umfang des Antriebsläufers (24, 24', 24") angeordneten, über den Umfang gleichmäßig verteilten länglichen achsparallelen Permanentmagneten (25, 25', 25"),
mit einer im Antriebsgehäuse (34, 34', 34") feststehend angeordneten Spulenanordnung (32) mit einem Eisenkern (33), der die Permanentmagnete (25, 25', 25") mit geringem radialen Abstand umgibt,
und mit einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfeldes mittels der Spulenanordnung (32).

2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein sich zwischen den Permanentmagneten (25, 25', 25") des Antriebsläufers (24, 24', 24") und der Spulenanordnung (32) hindurcherstreckendes, den Antriebsläufer (24, 24', 24") mit geringem radialen Abstand umgebendes dünnwandiges Spaltrohr (28, 28', 28") vorgesehen ist, welches an den Enden gegen den Übertritt von Fördermedium in dem Bereich der Spulenanordnung (25, 25', 25") abgedichtet ist.

3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltrohr (28, 28') mit dem Pumpengehäuse (15) bzw. dem Antriebsgehäuse (34, 34') dicht verbunden und an dem anderen Ende axial außerhalb des Antriebsläufers (24, 24') durch einen Boden (31) verschlossen ist.

4. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Spaltrohr (28") an beiden Enden offen und mit dem Pumpengehäuse (15) bzw. dem Antriebsgehäuse (34") dicht verbunden ist und vom Spaltrohr (28") getrennte Teile den axialen Abschluß des den Antriebsläufer (24") aufnehmenden Raumbereichs bilden.

5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anriebsläufer (24, 24') von einer Umhüllung (26, 26') dicht umgeben ist.

6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsläufer (24") wenigstens im Bereich der Permanentmagnete (25") von einem geringen Abstand zum Innenumfang des Spaltrohrs (28") belassenden dünnwandigen chemisch und thermisch ausreichend beständigen Hüllrohr (26") umgeben ist.

7. Kreiselpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit geringem Abstand in Achsrichtung vor bzw. hinter dem Permanentmagneten (25") am Antriebsläufer (24") zylindrische Außenumfangsflächen (37, 37) gleichen Durchmessers mit einer Umfangsnut (29, 29) ausgebildet sind, daß das Hüllrohr (28") einen den Außenumfangsflächen (37, 37) entsprechenden Innendurchmesser aufweist und daß in den Umfangsnuten (29, 29) elastische Dichtungsringe (38, 38) angeordnet sind, die gegen den Innenumfang des Hüllrohrs (28") abdichten.

8. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine sogenannte Kunststoff- oder Keramikpumpe ist, in der alle mit dem Fördermedium in Berührung kommenden Teile aus einem chemisch und thermisch ausreichend beständigen Kunststoff oder einer Industriekeramik bestehen.

9. Kreiselpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Teile, insbesondere das Spaltrohr (28, 28', 28") und das Hüllrohr (26") aus SiC bestehen oder SiC umfassen.

10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsläufer (24) fliegend gelagert und die Lagerung (22, 23) nur auf der Seite des Laufrades (18) ausgebildet ist.

11. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerung (22', 23'; 22", 23") des Antriebsläufers (24, 24") an beiden Enden des Antriebsläufers (24', 24") ausgebildet ist.

12. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Antriebsläufer (24, 24', 24") eine Kanalanordnung (35) zur Rückführung des durch die Lagerung des Antriebsläufers (24, 24', 24") zwischen diesem und dem Innenumfang des Spaltrohrs (28, 28', 28") durchdringenden Fördermediums in den Niederdruckbereich der Laufradanordnung (18) vorgesehen ist.

13. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß über den Umfang des Antriebsläufers (24, 24, 24") sechs gleichgroße Permanentmagnete gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

14. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Permanentmagnete (25, 25") in Achsrichtung hintereinander angeordnet sind.