DE20119278U1 - Selbstansaugende Hybridpumpe - Google Patents

Description

Selbstansaugende Hybridpumpe

Die Erfindung betrifft eine Hybridpumpe gemäß Oberbegriff des Anspruches 1.

Bei der Konstruktion von Pumpen für die Förderung von Fluiden, insbesondere von Flüssigkeiten, besteht das Problem darin, das sich mit bekannten Kreiselpumpen zwar ein hoher Wirkungsgrad und ein geringes Betriebsgeräusch der Pumpe erzielen lassen, diese Pumpen aber nicht selbstansaugend sind, also eine Flüssigkeitssäule aus dem Stillstand heraus nicht selbst ansaugen können, wenn die Kreiselpumpe belüftet ist. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn derartige Pumpen nur kurze Betriebszeiten haben und die geförderte Flüssigkeitssäule im Stillstand aufgrund einer Höhendifferenz wieder aus dem Inneren der Pumpe heraus läuft. Daher weisen Kreiselpumpen oft Zusatzaggregate auf, mit denen vor dem eigentlichen Betrieb der Kreiselpumpe die Flüssigkeitssäule in den Gehäuseinnenraum hinein gefördert werden kann und die Kreiselpumpe somit nicht trocken läuft, sondern der Gehäuseinnenraum von Anfang an mit Flüssigkeit gefüllt ist.

Andere Pumpenbauformen wie etwa Impellerpumpen bekannter Bauart sind zwar selbstansaugend, weisen jedoch nur einen geringen Wirkungsgrad auf, da beispielsweise die innere Reibung der Pumpe überwunden werden muß

Patentanwalt Dipl.-Ing? U*/e"SchneitteT, Urtna

28. November 2001 I...2

Thomas Salomon * &idigr; &idigr; &Idigr; *i "I &iacgr; ! '^Beschreibung Blatt 2

Eine andere Bauform von Pumpen stellt die Flügelzellenpumpe dar, bei der auf einem Rotor angeordnete, radial abstehende Flügel Teilvolumina des Gehäuseinnenraumes abteilen und darin während der Rotation des Rotors jeweils Flüssigkeit gefördert wird. Nachteilig hierbei ist vor allem, daß die Flügel der Flügelzellenpumpen sehr genau gepaßt sein müssen, da sie relativ verschieblich zum Rotor angeordnet sind und bei Flügelzellenpumpen aufgrund der Reibung zwischen den Flügeln und der Gehäuseinnenwandung hoher Verschleiß der Pumpe auftritt. Dafür sind Flügelzellenpumpen auch im belüfteten Zustand selbstansaugend.

Eine derartige, weiter entwickelte Flügelzellenpumpe zeigt die DE 195 45 045 A1, bei der die Flügel der Flügelzellenpumpe auf einem Rotor befestigt und elastisch ausgebildet sind, so daß die strömungsgünstig gekrümmten Flügel des Rotors sich während der ganzen Rotationsbewegung des Rotors entlang der Innenfläche des Gehäuseinnenraumes bewegen und an diesem unter variabler Vorspannung anliegen. Damit trennen die Flügel des Rotors einzelne Volumina innerhalb des Gehäuseinnenraumes voneinander ab, wobei durch die Exzentrizität zwischen Rotor und Gehäuseinnenraum eine entsprechende Förderung eines Fluides und ein Druckaufbau in für Flügelzellenpumpe grundsätzlich bekannter Weise möglich ist. Die Flexibilität der strömungsgünstig geformten Flügel des Rotors hat hierbei den Vorteil, daß nur geringer Verschleiß zwischen der Gehäuseinnenwandung und den Flügeln des Rotors auftritt, da sich die Flügel unter elastischer Vorspannung an die unterschiedlichen Abstände zur Gehäuseinnenwandung anpassen und an die Gehäuseinnenwandung anlegen. Allerdings ist auch der Wirkungsgrad dieser Pumpe bauartbedingt nicht besonders hoch auch ist der Verschleiß gegenüber z.B. Kreiselpumpen wesentlich höher.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Pumpe zu entwickeln, die einerseits selbstansaugend ist und gleichzeitig bei hohen Wirkungsgraden arbeiten kann und darüber hinaus preiswert herzustellen ist.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Patentanwalt Dipl.-lngr UwtrSchneWer, linna 28. November 2001 /...3

Thomas Salomon *'*::: *: *: &Igr; &idigr; "Beschreibung Blatt 3

Die Erfindung geht aus von einer Pumpe mit einem Gehäuse, in das je mindestens ein Sauganschluß und ein Druckanschluß einmündet und in dessen im wesentlichen kreisförmig umschlossenen Gehäuseinnenraum ein Rotor exzentrisch angeordnet ist, der am Umfang eine Anzahl von zueinander beabstandeten, zumindest abschnittsweise radial angeordneten Rotorschaufeln aus einem unter Fliehkrafteinfluß federnd elastisch verformbaren Material aufweist. Eine derartige Pumpe wird dadurch weiterentwickelt, daß die Exzentrizität des Rotors relativ zum Gehäuseinnenraum sowie die Elastizität der Rotorschaufeln derart gewählt sind, daß jede Rotorschaufel in einem ersten Bereich kleiner Drehzahl mit ihrem radial abstehenden Endbereich im Laufe einer Umdrehung des Rotors gar nicht oder nur zeitweise an Umfangsabschnitten des Gehäuseinnenraumes anliegt, wohingegen in einem zweiten Bereich größerer Drehzahl alle Rotorschaufeln mit ihren radial abstehenden Endbereichen unter Fliehkrafteinfluß im wesentlichen während der ganzen Umdrehung des Rotors an der Innenwandung des Gehäuseinnenraums anliegen. Hierdurch ist es möglich, in dem ersten Bereich kleiner Drehzahl die Hybridpumpe so zu betreiben, daß sie überwiegend als reine Strömungspumpe im wesentlichen entsprechend einer Kreiselpumpe arbeitet. Nach Überschreiten eines Schwellwertes für die Drehzahl ändert die Hybridpumpe aber ihr Betriebsverhalten, indem sich die Rotorschaufeln unter dem Fliehkrafteinfluß soweit elastisch verformen, daß sie mit ihren radial abstehenden Endbereichen im wesentlichen während der ganzen Umdrehung des Rotors an der Innenwandung des Gehäuseinnenraumes anliegen und damit Teilvolumina des Gehäuseinneren voneinander flüssigkeitsdicht abtrennen. Damit ist es möglich, mit der hierbei im wesentlichen entsprechend einer konventionellen Flügelzellenpumpe arbeitenden Hybridpumpe ein Selbstansaugen einer Flüssigkeitssäule zu gewährleisten, selbst wenn sich die Hybridpumpe vorher beispielsweise aufgrund eines Stillstandes in belüftetem Zustand befunden hat. Ist die Hybridpumpe beispielsweise aufgrund dieses Stillstandes leer gelaufen, so wird ein Antriebsmotor die ohne Flüssigkeitsinhalt arbeitende Hybridpumpe sehr schnell auf ihre maximale Drehzahl beschleunigen, so daß die Hybridpumpe nahezu unmittelbar in dem zweiten Bereich größerer Drehzahl betrieben wird und in diesem Betriebszustand sozusagen als Flügelzellenpumpe selbstansaugend arbeitet und Flüssigkeit in den Gehäuseinnenraum fördert. Ist die Pumpe dann hierdurch mit Flüssigkeit gefüllt, so wird durch die wirkenden gegenläufigen Drehmomente und den Einfluß der Flüssigkeit die Drehzahl des Antriebsmotors soweit absinken, daß der Betriebszustand der Hy-

Patentanwalt Dipl.-ingr UMfSchnem, Urlna · 28. November 2001 /...4

Thomas Salomon * : &iacgr; &Sgr; &Iacgr; &Iacgr; I I 'Beschreibung Blatt 4

« ft · · *4

bridpumpe in den ersten Bereich kleiner Drehzahl übergeht, in dem die Hybridpumpe quasi entsprechend einer Kreiselpumpe arbeitet und bei hohem Wirkungsgrad die Flüssigkeit fördert. Dieser Übergang zwischen den beiden Betriebszuständen sichert daher den Betrieb der Hybridpumpe auch gegenüber Störungen ab, die sich bei Abreißen der Flüssigkeitssäule etwa bei reinen Kreiselpumpen einstellen können. In diesem Fall geht die Hybridpumpe nach eingetretenem Belüften selbsttätig wieder zu höheren Drehzahlen über, wodurch sich der selbstansaugende Betriebszustand entsprechend einer Flügelzellenpumpe wieder einstellt, mit dem die Flüssigkeit wieder angesaugt werden kann und nach erneuter Füllung der Hybridpumpe der Drehzahlabfall erneut eintritt.

Die erfindungsgemäße Hybridpumpe bietet daher zwei wesentliche Funktionen von Pumpen, nämlich die Selbstansaugung und den Betrieb mit möglichst hohen Wirkungsgraden, in einer einzigen Pumpenbauform an. Damit ist die erfindungsgemäße Hybridpumpe insbesondere für Einsatzbereiche von großem Vorteil, bei denen häufig nur kurzzeitig der Betrieb bei voller Förderleistung gefordert ist, gleichzeitig aber aufgrund häufiger Stillstände ein Absacken der Flüssigkeitssäule aus der Pumpe heraus nicht vermieden werden kann. Bei bekannten Pumpenkonstruktionen müssen hierfür ansonsten aufwendige Konstruktionen mit Rückschlagventilen oder dgl. vorgesehen werden, um die Flüssigkeitssäule in der Pumpe zu halten, die teuer und anfällig sind und darüber hinaus auch noch den Wirkungsgrad der Pumpe negativ beeinflussen, da die Saugleitung durch derartige Einbauten nicht mehr so frei durchgängig gestaltet werden kann. Derartige Vorkehrungen sind ansonsten beispielsweise für Pumpen zur fallweise Füllung von Behältern nicht zu vermeiden, mit denen etwa Kraftstoff in relativ geringen Mengen zur Befüllung von Fahrzeugen aus einem Vorratsbehälter abgezogen wird. Selbstverständlich sind eine Vielzahl von entsprechenden Anwendungen der erfindungsgemäßen Hybridpumpe denkbar.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, daß die elastische Verformbarkeit der Rotorschaufeln derart gewählt ist, daß ab einer bestimmten Drehzahl des Rotors die Verformung der Rotorschaufeln aufgrund der Fliehkraft die Exzentrizität ausgleicht, so daß im wesentlichen alle Enden der Rotorschaufeln an der Innenwandung des Gehäuseinnenraumes anliegen und voneinander abgetrennte Kompressionsräume bilden. Das sich aufgrund der Exzentrizität der Hybridpumpe ergebende Förderver-

Patentanwalt Dipl.-ing: U*B"SchneiöW, ürtna 28. November 2001 /...5

Thomas balOmon *&idiagr;;&iacgr; &Iacgr; ** Jl ''Beschreibung Blatt 5

halten kann dabei abhängig von der Elastizität der Rotorschaufeln so eingestellt werden, daß ab einer Grenzdrehzahl die Rotorschaufeln nicht nur an Teilen der Umfangsfläche des Gehäuseinnenraumes anliegen, sondern während der gesamten Rotation mit dieser in Berührung stehen und damit die Teilvolumina des Gehäuseinnenraumes voneinander abtrennen, wie dies bei konventionellen Flügelzellenpumpen grundsätzlich bekannt ist. Somit ist während des Betriebes der Hybridpumpe als reine Strömungspumpe entsprechend einer Kreiselpumpe unterhalb der Grenzdrehzahl der Verschleiß aufgrund der weitgehend fehlenden Reibung zwischen den Rotorschaufeln und der Gehäuseinnenwandung nicht vorhanden oder nur sehr gering, nur zur Füllung des Gehäuseinnenraumes mit der Flüssigkeit durch die Selbstansaugung im Betrieb entsprechend einer Flügelzellenpumpe legen sich die Rotorschaufel an die Gehäuseinnenwandung an. Damit ist der Verschleiß der Rotorschaufeln im Betrieb minimiert. Zusätzlich kann die Hybridpumpe auch mit Partikeln verschmutzte Medien fördern, da die Verformbarkeit der Rotorschaufeln entsprechende

is Verformungen bei Durchtritt auch größerer Partikel zuläßt, bei der starre Rotorschaufeln zu Bruch gehen würden.

Von Vorteil ist es, wenn jede Rotorschaufel eine strömungsgünstig gekrümmte Querschnittsform aufweist, bei der jede Rotorschaufel auch bei langsamer Drehung des Rotors zumindest an einer Stelle die Innenwandung des Gehäuseinnenraumes unter elastischer Vorspannung berührt. Hierdurch wird das Innere der Hybridpumpe in zwei voneinander getrennte Bereiche unterteilt, gleichzeitig kann durch die Querschnittsform sowohl die Elastizität der Rotorschaufeln als auch deren Anlage an der Gehäuseinnenwandung unter Vorspannung in weiten Grenzen an verschiedene Betriebsbedingungen angepaßt werden. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Rotorschaufeln eine schaufeiförmige Krümmung aufweisen und in Umfangsrichtung federnd elastisch verformbar sind.

Eine verbesserte Wirkung hinsichtlich der elastischen Verformung der Rotorschaufeln läßt sich erreichen, wenn beim Betrieb der Hybridpumpe im ersten Bereich der kleinen Drehzahl tribologische Kräfte des zu fördernden Fluides auf jede Rotorschaufel einwirken, die die Rotorschaufeln in Richtung auf die Drehachse des Rotors hin verformen. Hierdurch wird trotz relativ elastischer Materialien der Rotorschaufeln verhindert, daß diese sich schon bei relativ geringer Drehzahl an die Gehäuseinnen-

Patentanwalt Dipl.-Incr UwpSchneWer, Unna 28. November 2001 /...6

Thomas Salomon **':;"&idigr; *&idigr; *&iacgr; &idigr;". ".Beschreibung Blatt 6

wandung anlegen, da die tribologischen Kräfte des zu fördernden Fluides der elastischen Verformung unter den Zentrifugalkräften aufgrund der Rotation des Rotors entgegenwirken. Daher kann die Grenzdrehzahl relativ hoch liegen, so daß im Betriebszustand der Hybridpumpe entsprechend einer Kreiselpumpe auch adäquate Förderleistungen realisiert werden können. Darüber hinaus hängt das Betriebsverhalten der Hybridpumpe wegen der Verformbarkeit der Rotorschaufeln auch vom geförderten Medium ab. Bei niedrigviskosen Fluiden wird sich aufgrund unterschiedlicher Zähigkeit eine andere Verformung der Rotorschaufeln bei gleicher Drehzahl einstellen als bei hochviskosen Fluiden oder auch bei Gasen, wobei auch die Fliehkrafteffekte eine Rolle spielen.

Eine denkbare Ausgestaltung sieht vor, daß die Rotorschaufeln aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus thermoplatischen Materialien oder Polyurethan oder EPDM oder Nitril oder Neopren gebildet sind. Derartige Materialien bieten eine ausreichende Verformbarkeit bei gleichzeitig hoher Formbeständigkeit auch über dauerhafte Belastung. Gleichzeitig sind derartige Materialien etwa im Wege von Spritzgießverfahren kostengünstig zu verarbeiten und damit die Rotorschaufeln bzw. auch der ganze Rotor kostengünstig herzustellen. Auch ist das Laufverhalten der Hybridpumpe sehr geräuscharm.

Dies kann in einer ersten Ausgestaltung dadurch erreicht werden, daß Rotor und Rotorschaufeln einstückig ausgebildet sind. Hier können etwa der Rotor und die Rotorschaufeln in einem Verarbeitungsgang etwa mittels Spritzgießen oder sonstiger Herstellverfahren gleichzeitig und einstückig geformt werden. Hierdurch wird die Teilezahl der Pumpe drastisch reduziert, wodurch zudem die Montagekosten gesenkt und die Betriebssicherheit erhöht wird. Auch ist es in einer anderen Ausgestaltung denkbar, daß die Rotorschaufeln aus dem federnd elastischen Material in zugeordnete Ausnehmungen des Rotors eingesetzt und an diesem festgelegt sind. Dies ermöglicht es, daß der Rotor selbst aus einem anderen Material als die Rotorschaufeln bestehen kann, etwa im Hinblick auf Festigkeitseigenschaften oder sonstige Randbedingungen.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn an den radial vom Rotor abstehenden Enden der Rotorschaufeln im wesentlichen zylindrische Verdickungen angeordnet sind, die sich an die Innenwandung des Gehäuseinnenraums abdichtend anlegen und im Be-

Patentanwalt Pipl.-lSigitlwe^Schneiiier, linna ·· · 28. November2001 /...

Thomas Salomon '**':&Ggr;*&iacgr; &Iacgr; *i &iacgr;": '&idiagr;Beschreibung Blatt 7

triebszustand entsprechend einer Flügelzellenpumpe einzelne Zellen der Hybridpumpe voneinander trennen. Diese Verdickungen, die im Betriebszustand entsprechend einer Flügelzellenpumpe einem entsprechenden Verschleiß aufgrund der Reibung an der Gehäuseinnenwandung unterliegen, verlängern damit aufgrund ihrer umfangreichen Massen im Verhältnis zu den Rotorschaufeln selbst die Standzeit des Rotors, gleichzeitig bilden sie für die angreifenden Zentrifugalkräfte eine entsprechende Massenverteilung und eine vergrößerte Anlagefläche der Rotorschaufeln an der Innenwandung des Gehäuseinnenraumes.

Von Vorteil ist es, wenn die Exzentrizität der Anordnung des Rotors im Bereich bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 2 % des Außendurchmessers des Rotors einschließlich der Rotorschaufeln liegt. Ein derartiger Wert für die Exzentrizität läßt sich mit der Verformung der Rotorschaufeln unproblematisch und ohne Gefährdung der Festigkeitseigenschaften der Rotorschaufeln überbrücken.

Einen besonders einfachen Aufbau der Hybridpumpe kann man dann realisieren, wenn der Rotor und das Gehäuse aus im wesentlichen scheibenförmigen Grundformen besteht, die fluidisch abdichtend miteinander verbindbar sind. Hierdurch können vorgefertigte Bauteile vereinfacht montiert werden, auch ist die fluidische Abdichtung der einzelnen Teile zueinander über die großen Anlageflächen der einzelnen scheibenförmigen Grundformen einfach zu realisieren.

Weiterhin ist es denkbar, der Eintritt und/oder der Austritt des Fluides in den Gehäuseinnenraum senkrecht zur Drehachse des Rotors der Hybridpumpe erfolgt. Hierbei strömt das Fluid im wesentlichen tangential an den Umfang der Rotorschaufeln an. In einer anderen Ausgestaltung ist es auch denkbar, daß der Eintritt und/oder der Austritt des Fluides in den Gehäuseinnenraum zumindest mit einer Komponente parallel zur Drehachse des Rotors der Hybridpumpe erfolgt.

Weiterhin ist es denkbar, daß als Antrieb der Hybridpumpe ein Universalmotor einsetzbar ist.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hybridpumpe zeigt die Zeichnung.

Es zeigen:

Patentanwalt Dipl.-&idiagr;&iacgr;&phgr;T_lwe>Schneider,%nna ·&iacgr;· · ·· ··· 28. November 2001 /...8

Thomas Salomon ^v* &Pgr; *&idigr; *i *&iacgr; &iacgr;* · ^Beschreibung Blatt 8 &egr; » * « « « « » s a

Figur 1 - einen ersten Schnitt durch eine erfindungsgemäße Hybridpumpe in

schematischer Darstellung bei geringer Drehzahl im Betriebszustand entsprechend einer Kreislpumpe,

Figur 2 - einen Schnitt entlang der Linie AB durch die Hybridpumpe gemäß Figur 1,

Figur 3 - einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Hybridpumpe gemäß Figur 1 bei höherer Drehzahl im Betriebszustand entsprechend einer Flügelzellenpumpe,

Figur 4 - eine Variation der erfindungsgemäßen Hybridpumpe gemäß Figur 1 mit schräg zur Rotationsachse des Rotors geneigtem Einlaß,

Figur 5 - eine Ansicht der Hybridpumpe gemäß Figur 4 mit zwei denkbaren Anordnungen des Saugkanals.

In der Figur 1 ist in einer schematischen Darstellung ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Hybridpumpe 1 dargestellt, wobei der Schnitt etwa in der Teilungsebene des plattenförmig ausgebildeten Gehäuses 2 der Hybridpumpe 1 verläuft. Hierdurch sind der Ansaugkanal 10 und der Auslaßkanal 11 sowie der Gehäuseinnenraum 3 zu erkennen, in dem ein Rotor 5 mit daran angeordneten Rotorschaufeln 6 um eine Drehachse 8 drehbar gelagert ist. Die Drehachse 8 weist hierbei eine exzentrische Anordnung zur Symmetrieachse 9 des Gehäuseinnenraumes 3 auf, wobei die Größe der Exzentrizität unter der Sachnummer 14 dargestellt ist. Die Anordnung der Drehachse 8 bzw. der Symmetrieachse 9 sowie der wesentliche Aufbau einer derartigen Hybridpumpe 1 ist etwa aus der DE 195 45 045 A1 grundsätzlich bekannt und soll daher hier nur soweit erläutert werden, wie dies für die vorliegende Erfindung von Belang ist.

Unterschiedlich zu den bekannten Flügelzellenpumpen ist bei der erfindungsgemäßen Hybridpumpe 1 jedoch, das die Rotorschaufeln 6 des Rotors 5 im Ruhezustand der Hybridpumpe 1 bzw. unterhalb einer Grenzdrehzahl sich nicht oder nur partiell an die Innenwandung 4 des Gehäuseinnenraumes 3 anlegen. Die Rotorschaufeln 6 sind hierbei aus einem elastisch verformbaren Material gebildet, das sich aus der schaufelartigen Konfiguration gemäß der Figur 1 unter der Wirkung der Fliehkraft bei

Patentanwalt Dipl.-fog'lAve.SchneSsier.'lJrrna.;. .!. ..* ·&iacgr;·. I *..* *..' .1. 28. November2001 /...9

Thomas Salomon ***:*"** ^€i *i &idigr;". "iBeschreibung Blatt 9

der Rotation des Rotors 5 entlang der Drehrichtung 17 derart verformen kann, daß die zylindrische Verdickungen 7 an den Enden der Rotorschaufeln 6 sich bei Erhöhung der Drehzahl mehr und mehr radial nach außen bewegen und sich während der Rotation über eine immer längere Umfangslänge an die Innenwandung 4 des Gehäuseinnenraumes 3 anlegen. Nach Überschreiten der Grenzdrehzahl stehen die Verdickungen 7 der Rotorschaufeln 6 dann in einem dauernden Kontakt mit der Innenwandung 4 des Gehäuseinnenraumes 3, wie dies in der Figur 3 näher zu erkennen ist.

Unter dem Einfluß der Zentrifugalkraft spreizen sich bildlich gesprochen die Rotorschaufeln 6 radial nach außen von der Drehachse 8 ab und legen sich dabei immer mehr an die Innenwandung 4 an. Hierbei verändern die Rotorschaufeln 6 auch ihre gekrümmte Querschnittsform ein wenig, indem in den Bereichen entlang der Umfangsrichtung der Gehäuseinnenwandung 4, die weiter von der Drehachse 8 des Rotors 5 entfernt sind, die Rotorschaufeln 6 in eine gestreckte Konfiguration übergehen. In den Bereichen entlang der Umfangsrichtung der Gehäuseinnenwandung 4, die wieder näher zur Drehachse 8 des Rotors 5 angeordnet sind, wird diese gestreckte Konfiguration dann wieder einfedern und in die Konfiguration zurückgehen, die in diesem Bereich in der Figur 1 bzw. in der Figur 3 zu erkennen ist.

Das Material der Rotorschaufeln 6 kann beispielsweise aus thermoplastischen Materialien, Polyurethanen, EPDM, Nitril oder Neopren bestehen, wobei derartige Materialien sowohl eine relativ große elastische Verformbarkeit aufweisen als auch hohe Festigkeiten und geringen Abrieb bei Belastung durch reibungsbehafteten Kontakt.

Der Rotor 5 mit dem daran angeordneten Rotorschaufeln 6 ist dabei, wie in der Figur 2 besser zu erkennen, auf einer Antriebswelle 13 festgelegt, an der ein nicht dargestellter Antriebsmotor angeflanscht sein kann.

Die Funktion der erfindungsgemäßen Hybridpumpe 1 läßt sich dabei im Vergleich mit den in der Hybridpumpe 1 kombinierten Prinzipien von Kreiselpumpe und Flügelzellenpumpe wie folgt beschreiben.

Eine konventionelle Kreiselpumpe ist nicht selbstansaugend, so daß vor Inbetriebnähme einer derartigen Kreiselpumpe ein Fluid in die Saugseite 10 und durch den Einlaß 12 in die Kreiselpumpe eingebracht werden muß. Wird dann die Kreiselpum-

Patentanwalt Dipl.-hrfj. Uw?Schneider, Hnna · 28. November 2001 /...10

Thomas Salomon ^ \X* I '] *\ &iacgr;"; Beschreibung Blatt 10

• » * -I

pe in Betrieb genommen, so wird über den Rotor 5 und die Rotorschaufeln 6 durch die Saugseite 10 in Einströmrichtung 15 ein Volumenstrom des Fluides nachgefördert, so daß die Kreiselpumpe nicht mehr trocken fällt. Dieser Volumenstrom tritt nach dem Durchlaufen des Gehäuseinnenraumes durch die Druckseite 11 in Aus-Strömrichtung 16 wieder aus der Kreiselpumpe aus. Bei relativ geringen Drehzahlen unterhalb der Grenzdrehzahl zeigt die erfindungsgemäße Hybridpumpe im wesentlichen diese Eigenschaften, da die Rotorschaufeln 6 wie bei einer Kreiselpumpe keine oder nur eine zeitweise Berührung zur Gehäuseinnenwandung 4 aufweisen.

Durch die exzentrische Anordnung des Rotors 5 bei der erfindungsgemäßen Hybridpumpe 1 bilden sich aber bei höherer Drehzahl, wie in der Figur 3 besser zu erkennen, durch die Verformung der Rotorschaufeln 6 die Kompressionsräume 18, wobei das kleinste Volumen in dem Kompressionsraum V1 vorliegt, die Volumina der Kompressionsräume V2, V3 und V4 jeweils immer größer werden, bis sich ab dem Kompressionsraum V5 bis hin zum Kompressionsraum V8 das Volumen wieder verkleinert. Hierdurch ergibt sich durch die Formänderung der Rotorschaufeln 6 aufgrund der Fliehkraftwirkung ein Aufbau und ein Betriebszustand der Hybridpumpe wie bei einer Flügelzellenpumpe, wenn die Drehzahl der Rotors 5 eine Grenzdrehzahl überschreitet, bei sich alle Rotorschaufeln 6 an die Innenwandung 4 des Gehäuseinnenraumes 3 über den ganzen Umfang einer Umdrehung anlegen. Hierdurch ist die erfindungsgemäße Hybridpumpe 1 in diesem Betriebzustand selbstansaugend, d. h. es wird das Fluid in Einströmrichtung 15 in gewissen Grenzen von alleine angesaugt, so daß sich der Innenraum 3 des Gehäuses 2 von alleine mit Fluid füllen kann.

Ein derartiges, von konventionellen Flügelzellenpumpen grundsätzlich bekanntes Verhalten stellt sich auch bei der erfindungsgemäßen Hybridpumpe ein, allerdings erst dann, wenn die Drehzahl des Rotors 5 über einen Grenzwert hinaus steigt. Vorher ist durch die relativ große Exzentrizität 14 und die Ausgangskonfiguration der Rotorschaufeln 6 im unbelasteten Zustand der Aufbau der Kompressionsräume 18 nicht gewährleistet, da die Verdickungen 7 an den Enden der Rotorschaufeln 6 sich nicht dichtend an die Innenwandung 4 des Gehäuseinnenraumes 3 anlegen, wie dies in der Figur 1 deutlich zu erkennen ist. Hierdurch ist in diesem Betriebzustand, von dem die Figur 1 nur einen von der Drehzahl abhängigen Zustand darstellt, eine Förderung des Fluides wie bei einer herkömmlichen Flügelzellenpumpe nicht ge-

s—&igr;

PatentanwaltDipl.-ÄgiUiy»8chneiter,^«na ·&iacgr; · * ··· 28. November 2001 /...11

Thomas Salomon

♦" &igr; ^Schreibung Blatt 11

• *

währleistet. In diesem Betriebzustand arbeiten der Rotor 5 und die Rotorschaufel 6 jedoch wie bei einer herkömmlichen Strömungspumpe entsprechend einer Kreiselpumpe.

In diesem Zustand wird auch durch die tribologischen Kräfte des geförderten Fluides eine zusätzliche Kraft auf die Rotorschaufeln 6 ausgeübt, die die Rotorschaufeln 6 in Richtung auf die Drehachse 8 hin zurück drückt.

Erst bei Überschreiten der Grenzdrehzahl, bei der die Zentrifugalkräfte auf die Rotorschaufeln 6 so groß werden, daß sich die Enden 7 der Rotorschaufeln 6 über die ganze Umdrehung an die Innenwandung 4 des Gehäuseinnenraumes 3 anlegen, wird dann der selbstansaugende Betrieb der Hybridpumpe 1 entsprechend einer Flügelzellenpumpe aufgenommen.

Diese selbstansaugende Eigenschaft der erfindungsgemäßen Hybridpumpe 1 hat den wesentlichen Vorteil, daß die Benutzung der Hybridpumpe 1 kein vorhergehendes Befüllen des Pumpeninnenraumes erfordert, das sonst entweder manuell oder durch zusätzliche Einrichtungen vorgenommen werden muß. Ohne daß ein Benutzer einer derartigen Hybridpumpe 1 dies bemerkt, wird im belüfteten Zustand der Hybridpumpe 1 Fluid im Betriebszustand der Hybridpumpe 1 entsprechend einer Flügelzellenpumpe eingesaugt, da der Antriebsmotor quasi leer läuft und damit eine hohe Drehzahl oberhalb der Grenzdrehzahl erreicht, und dann geht die Hybridpumpe 1 nach erfolgtem Ansaugen automatisch in den Förderbetrieb entsprechend einer Kreiselpumpe über, der einen hohen Wirkungsgrad bei geringem Verschleiß ermöglicht. Dies ist immer dann besonders praktisch, wenn derartige Pumpen nur kurze Zeit in Betrieb sind und dann nach längerem Stillstand erneut in Betrieb genommen werden. Herkömmliche Pumpen laufen in dieser Zeit häufig leer, so daß die entsprechenden Vorkehrungen für die Befüllung der Pumpe vorab getroffen werden müssen. Derartige Einsatzfelder ergeben sich beispielsweise beim Umfüllen von Behältern, beispielsweise bei der Betankung von Fahrzeugen aus entsprechenden Kanistern oder Tonnen, aber auch in einer Vielzahl anderer denkbarer Anwendungsgebiete.

In der Figur 4 ist in einer Schnittdarstellung und in der zugehörigen Figur 5 in einer Seitenansicht eine entsprechende erfindungsgemäße Hybridpumpe 1 dargestellt, bei

Patentanwalt Dipl.-Intjr UwcSchneiiter, Unna

28. November 2001 /...12

Thomas Salomon ⁱ"ji**i *i *&iacgr; «**. ^Schreibung Blatt 12

der der Saugkanal 10 nicht innerhalb der Ebene senkrecht zur Drehachse des Rotors 5 verläuft. Hierdurch ist es möglich, die Einströmung des Fluides durch den Saugkanal 10 in Einströmrichtung 15 entweder wie in der Figur 5 mit ausgezogenen Linien dargestellt unter einem Winkel von z.B. 45 Grad vorzunehmen, wobei selbstverständlich auch möglich ist, eine Einströmrichtung 15' durch einen gestrichelt dargestellten Ansaugkanal 10' im wesentlichen parallel zur Drehachse 8 des Rotors 5 zu realisieren. Dies kann strömungstechnisch für bestimmte Anwendungen interessant sein.

Patentanwalt Dipl.-lSg»tJw€.Schnei«i«r, Untia .I. .J. .·* .!.. I '..' '..* .:. 28. November 2001 /...13

ThOmaS Salomon *"::**: "&Igr; *&iacgr; ·*"; Beschreibung Blatt

Sachnummernliste

1 - Hybridpumpe

2 - Gehäuse

3 - Gehäuseinnenraum

4 - Gehäuseinnenwandung

5 - Rotor

6 - Rotorschaufel

7 - Verdickungen

8 - Drehachse Rotor

9 - Symmetrieachse Gehäuseinnenraum

10 - Saugkanal

11 - Druckkanal

12 - Einlaß

13 - Antriebswelle 14 - Exzentrizität

15 - Einströmrichtung

16 - Ausströmrichtung

17 - Drehrichtung Rotor

18 - Kompressionsräume

Patentanwalt Dipl.-liig.'Üweechneilei», tWa ·&iacgr;· ·&idigr;· ··* ·!·. &iacgr; *♦·" *··* ·&iacgr;· 28. November 2001

Claims (19)

1. Hybridpumpe (1) mit einem Gehäuse (2), in das je mindestens ein Sauganschluß (10) und ein Druckanschluß (11) einmündet und in dessen im wesentlichen kreisförmig umschlossenen Gehäuseinnenraum (3) ein Rotor (5) exzentrisch angeordnet ist, der am Umfang eine Anzahl von zueinander beabstandeten, zumindest abschnittsweise radial angeordneten Rotorschaufeln (6) aus einem federnd elastisch verformbaren Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität (14) des Rotors (5) relativ zum Gehäuseinnenraum (3) sowie die Elastizität der Rotorschaufeln (6) derart gewählt sind, daß jede Rotorschaufel (6) in einem ersten Bereich kleiner Drehzahl mit ihrem radial abstehenden Endbereich (7) im Laufe einer Umdrehung des Rotors (5) gar nicht oder nur zeitweise an Umfangsabschnitten (4) des Gehäuseinnenraumes (3) anliegt, wohingegen in einem zweiten Bereich größerer Drehzahl alle Rotorschaufeln (6) mit ihren radial abstehenden Endbereichen (7) unter Fliehkrafteinfluß im wesentlichen während der ganzen Umdrehung des Rotors (5) an der Innenwandung (4) des Gehäuseinnenraums (3) anliegen.

2. Hybridpumpe (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verformbarkeit der Rotorschaufeln (6) derart gewählt ist, daß ab einer bestimmten Drehzahl des Rotors (5) die Verformung der Rotorschaufeln (6) aufgrund der Fliehkraft die Exzentrizität (14) ausgleicht, so daß im wesentlichen alle Enden (7) der Rotorschaufeln (6) gleichzeitig an der Innenwandung (4) des Gehäuseinnenraumes (3) anliegen und voneinander abgetrennt Kompressionsräume (18) entsprechend einer Flügelzellenpumpe bilden.

3. Hybridpumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Rotorschaufel (6) eine strömungsgünstig gekrümmte Querschnittsform aufweist, bei der jede Rotorschaufel (6) auch bei langsamer Drehung des Rotors (5) zumindest an einer Stelle die Innenwandung (4) des Gehäuseinnenraumes (3) unter elastischer Vorspannung berührt.

4. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridpumpe (1) im ersten Bereich der kleinen Drehzahl ausschließlich oder überwiegend als Strömungspumpe ähnlich wie eine Kreiselpumpe arbeitet.

5. Hybridpumpe (1) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Hybridpumpe (1) im ersten Bereich der kleinen Drehzahl keine Selbstansaugung eines flüssigen Mediums erlaubt.

6. Hybridpumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb der Hybridpumpe (1) im ersten Bereich der kleinen Drehzahl tribologische Kräfte des zu fördernden Fluides auf jede Rotorschaufel (6) einwirken, die die Rotorschaufel (6) in Richtung auf die Drehachse (8) des Rotors (5) hin verformen.

7. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hybridpumpe (1) im zweiten Bereich der höheren Drehzahl ausschließlich oder überwiegend als Verdrängerpumpe ähnlich einer Flügelzellenpumpe arbeitet.

8. Hybridpumpe (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Betrieb der Hybridpumpe (1) im ersten Bereich der kleinen Drehzahl einen hohen Wirkungsgrad erlaubt.

9. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (6) eine schaufelförmige Krümmung aufweisen und in Umfangsrichtung (17) federnd elastisch verformbar sind.

10. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (6) aus einem Kunststoffmaterial, vorzugsweise aus thermoplastischen Materialien oder Polyurethan oder EPDM oder Nitril oder Neopren gebildet sind.

11. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Rotor (5) und Rotorschaufeln (6) einstückig ausgebildet sind.

12. Hybridpumpe (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorschaufeln (6) aus dem federnd elastischen Material in zugeordnete Ausnehmungen des Rotors (5) eingesetzt und an diesem festgelegt sind.

13. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den radial vom Rotor (5) abstehenden Enden der Rotorschaufeln (6) im wesentlichen zylindrische Verdickungen (7) angeordnet sind, die sich an die Innenwandung (4) des Gehäuseinnenraums (3) abdichtend anlegen und einzelne Zellen (18) voneinander trennen.

14. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Exzentrizität (14) der Anordnung des Rotors (5) im Bereich bis zu 20%, vorzugsweise bis zu 2% des Durchmessers des Rotors (5) liegt.

15. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Volumina der Kompressionsräume (18) ausgehend von einem Minimum im Bereich der Saugseite (10) über ein Maximum zu einem Minimum im Bereich der Druckseite (11) der Hybridpumpe (1) variiert.

16. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) und das Gehäuse l21 aus im wesentlichen scheibenförmigen Grundformen besteht, die fluidisch abdichtend miteinander verbindbar sind.

17. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (10) und/oder der Austritt (11) des Fluides in den Gehäuseinnenraum (3) senkrecht zur Drehachse (8) des Rotors (5) der Hybridpumpe (1) erfolgt.

18. Hybridpumpe (1) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritt (10) und/oder der Austritt (11) des Fluides in den Gehäuseinnenraum (3) zumindest mit einer Komponente parallel zur Drehachse (8) des Rotors (5) der Hybridpumpe (1) erfolgt.

19. Hybridpumpe (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb der Hybridpumpe (1) ein Universalmotor einsetzbar ist.