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Die Neuerung betrifft eine Drehkolbenpumpe mit einer Antriebseinheit und einer Fördereinheit, wobei die Fördereinheit einen Förderraum für ein Medium umfasst, der von einem Gehäuse und einem Deckel gebildet wird, wobei die Fördereinheit mindestens zwei ineinandergreifende Rotoren umfasst, die in dem Förderraum angeordnet sind, wobei jeder Rotor mindestens einen Flügel aufweist.
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Die Bezeichnung Verdrängerpumpe ist der Sammelbegriff für alle Pumpen, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten. Sie wird auch als volumetrische Pumpe bezeichnet und fördert das Medium in einem in sich geschlossenen Volumen. Dabei führt die durch die Verdrängungskörper hervorgerufene periodische Volumenänderung in den Arbeitsräumen, die durch Trennelemente gegen die Zu- und Ableitung abgegrenzt werden, dem Fördermedium Energie zu.
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Drehkolbenpumpen sind selbstansaugende oder bedingt selbstansaugende, ventillose, positive Verdrängerpumpen mit zwei ineinander verkämmt laufenden Drehkolben. Diese werden auch Rotoren genannt und können einen oder mehrere Flügel aufweisen.
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Durch die Drehung des Rotorenpaares entsteht an der Ansaugseite ein Unterdruck, der das Fördermedium ansaugt. Das Fördermedium wird durch die Rotoren an der Pumpenwand bzw. am Gehäuse entlang in den Druckbereich getrieben.
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Mit einer Umdrehung des Antriebs werden zwei bis sechs Raumfüllungen verdrängt, abhängig von der Anzahl der Rotorflügel. Bei Stillstand der Pumpe dichten gummierte Rotoren den Durchfluss fast vollständig ab. Drehkolben ohne Gummierung haben Untermaß, um die Reibung zu vermindern, so dass eine vollständige Abdichtung nicht möglich ist.
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Die
DE 10 2019 120 678 A1 beschreibt eine Dosiermaschine zum Dosieren einer Masse, wobei die Dosiermaschine eine Drehkolbenpumpe aufweist. In einer Pumpenkammer der Drehkolbenpumpe sind ein erstes Drehkolbenpaar und ein zweites Drehkolbenpaar angeordnet.
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Die
DE 10 2020 134 056 A1 offenbart eine Drehkolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse, in dem gegenläufig rotierende, aufeinander abwälzende Drehkolben auf parallelen, voneinander beabstandeten Kolbenwellen in einem Arbeitsraum gehalten sind, wobei an dem Arbeitsraum abgewandten Ende der Wellenhülse ein Mitnehmerring verdrehfest auf der Kolbenwelle festgesetzt ist, der formschlüssig mit der Wellenhülse gekoppelt ist und so die Wellenhülse dazu zwingt, der Drehbewegung der Kolbenwelle zu folgen.
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Eine Drehkolbenpumpe kann sowohl niedrig- als auch hochviskose Medien fördern. Sie wird häufig in der Lebensmittelindustrie zur Förderung von beispielsweise Marmelade, Joghurt, Honig oder Schokolade eingesetzt. Auch in der pharmazeutischen Industrie findet sie Verwendung. Darüber hinaus kann die Drehkolbenpumpe auch in medizinischen Anwendungen, beispielsweise beim Fördern von Blutplasma, Gebrauch finden.
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Für Anlagen in der Lebensmitteltechnik oder in der pharmazeutischen Produktion wird häufig eine ortsgebundene Reinigung zur Reinigung verfahrenstechnischer Anlagen angewendet. Bei dem Reinigungsverfahren wird die Anlage ohne wesentliche Demontage auf den produktberührten Flächen gereinigt. Durch exakte Definition von Reinigungsmitteln, Drücken, Temperaturen und Zeiten wird ein reproduzierbarer Prozess festgelegt.
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Durch Vorspülen werden grobe Verschmutzungen entfernt. Es folgt ein Reinigen mit einem alkalischen Mittel, das Ausspülen der Reinigungsmittel mit Wasser, sowie das Absäuren zur Entfernung von Kalkablagerungen und Laugestein. Nach dem Ausspülen der Säure folgt ein Sterilisationsprozess zur Abtötung der vegetativen Mikroorganismen. Dabei wird die Anlage für eine gewisse Dauer auf 121 °C unter Druck mit Wasserdampf erhitzt. Der limitierende Faktor sind dabei Bauteile aus Vollmaterial, die entsprechend eine Zeitspanne benötigen, bis die Temperatur zum Sterilisieren angenommen ist. Dabei entstehen hohe Kosten für die Menge des Dampfes als auch für die Ausfallzeit, in der nicht produziert werden kann.
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Die ortsgebundene Reinigung ist ein prozesskritischer und zeitintensiver Vorgang, bei dem sämtliche produktberührten Bauteile und Komponenten mit den Verfahren Cleaning in Place und Sterilization in Place gereinigt werden. Während der Reinigung kann nicht produziert werden.
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Aufgabe der Neuerung ist es, eine Drehkolbenpumpe bereitzustellen, bei der die Dauer des Sterilisationsprozesses verkürzt ist. Die Drehkolbenpumpe soll für den Einsatz in pharmazeutischen, medizinischen und lebensmittelproduzierenden Anlagen geeignet sein. Die Drehkolbenpumpe sollte einfach, materialsparend und kostengünstig realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß durch eine Drehkolbenpumpe mit einer Antriebseinheit und einer Fördereinheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Neuerungsgemäß weist die Fördereinheit Hohlräume zur Verkürzung eines Sterilisationszyklus auf.
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Ein Hohlraum ist ein mathematisches, physikalisches bzw. technisches Objekt, das ein Volumen aufweist. Ein in einer Struktur eingeschlossenes Volumen, beispielsweise durch Wandeinheiten, kann ein Hohlraum sein. Dabei verändert die Existenz von Hohlräumen oft die umliegende Struktur hinsichtlich Festigkeit, Masse und Elastizität. Eine Wand in diesem Sinne bezeichnet ein flächenmäßiges Gebilde, das einen Hohlraum abgrenzt.
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Bei einer bevorzugten Variante der Neuerung weisen die Rotoren einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume auf. Dazu kann der ganze Rotor einen einzigen Hohlraum aufweisen, so dass nur die Kontur des Rotors von einer Außenwandung gebildet wird. Idealerweise weist der Rotor eine Vielzahl kleinerer Hohlräume auf.
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Dabei kann beispielsweise jeder Flügel einen Hohlraum aufweisen. Bei einer vorteilhaften Variante weist jeder Flügel eine Vielzahl an Hohlräumen auf.
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Bei einer günstigen Variante der Neuerung weist das Gehäuse, das als Teil der Fördereinheit den Förderraum zumindest teilweise umgibt, einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume auf. Dazu kann die Wandung des Gehäuses einen einzigen Hohlraum umgeben. Vorzugsweise ist das Gehäuse in viele Segmente mit einer Vielzahl an kleineren Hohlräumen unterteilt.
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Idealerweise weist der Deckel, der als Teil der Fördereinheit und als Gegenstück des Gehäuses den Förderraum abschließt, einen Hohlraum oder eine Vielzahl an Hohlräumen auf. Bei einer Variante der Neuerung ist der Deckel in zumindest zwei Segmente unterteilt, die jeweils einen Hohlraum aufweisen.
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Vorteilhafterweise beträgt das Volumen der Hohlräume mehr als 25 %, vorzugsweise mehr als 50 %, insbesondere mehr als 75 % des Gesamtvolumens des jeweiligen Bauteils, insbesondere der Rotoren, des Gehäuses und des Deckels.
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Auf diese Weise wird die Masse des jeweiligen Bauteils um mehr als 20 %, vorzugsweise um mehr als 40 %, insbesondere um mehr als 60 % im Vergleich zu Bauteilen aus Vollmaterial reduziert. Die geringere Masse bei einem hohen Hohlraumanteil führt zu deutlich schnelleren Aufheizraten der Bauteile, wodurch die Dauer eines Sterilisationszyklus enorm verkürzt werden kann.
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Die Rotoren der Drehkolbenpumpe können ein-, zwei-, drei- oder vierflügelig ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Rotoren auch sichelförmig oder als Zahnrad ausgeführt sein. Ein Flügel ist die Ausbuchtung beispielsweise eines ersten Rotors, der exakt in die Vertiefung zwischen beispielsweise zwei Flügeln eines zweiten Rotors eingreift, wodurch sich im Zusammenspiel mit dem Gehäuse definierte und abgeschlossene Volumina bilden, die durch die Antriebseinheit mit Energie beaufschlagt werden. Jede der möglichen Formen des Flügels bzw. des Rotors kann einen oder mehrere Hohlräume aufweisen.
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Insbesondere die Flügel der Rotoren können einen oder mehrere Hohlräume aufweisen. Dadurch ist die Masse eines Rotors im Vergleich zu einem Rotor aus Vollmaterial deutlich reduziert, beispielsweise um bis zu 60 % geringer, wodurch eine gesteigerte Aufheizrate während des Reinigungs- und Sterilisationsprozesses erzielt werden kann. Dies ermöglicht gleichzeitig die Reduktion der Sterilisationszeit, da hierfür eine festgelegte Zeitspanne bei einer konstanten Temperatur definiert ist, wobei die Zieltemperatur schneller erreicht werden kann. Hierdurch ergeben sich kürzere Reinigungszeiten, wodurch längere Produktionszeiten realisiert werden können, was einen erheblichen ökonomischen Vorteil darstellt.
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Bei einer bevorzugten Variante sind innerhalb der Hohlräume Stützstrukturen angeordnet. Die Stützstrukturen erstrecken sich innerhalb des Hohlraums, beispielsweise von einer Wandung zur gegenüberliegenden Wandung des Bauteils Rotor und/oder Gehäuse und/oder Deckel.
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Idealerweise wird die innere Struktur bzw. Stützstruktur gemäß einer Kräfteanalyse der Hubkolbenpumpe zum Fördern des entsprechenden Mediums in Abhängigkeit auch von der Viskosität des Mediums ermittelt und designt.
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Bei einer vorteilhaften Variante werden die Stützstrukturen von inneren Wänden und/oder Stegen und/oder einem inneren Skelett gebildet, die sich innerhalb der Hohlräume erstrecken.
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Bei einer stirnseitigen Draufsicht auf einen geschnittenen Querschnitt weisen die Stützstrukturen vorzugsweise polyedrische und/oder tetraedrische und/oder oktaedrische und/oder wabenförmige Formen auf. Diese Ausbildung der Formen realisiert eine enorme Stabilität bei gleichzeitig maximalem Hohlraumvolumen innerhalb des Bauteils Rotor und/oder Gehäuse und/oder Deckel.
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Eine wabenförmige Struktur besteht aus festen Zellen eines Musters aus flächig angeordneten sechseckigen Hohlräumen. Von den lückenlos anreihbaren Stützstrukturformen haben sechseckige ein ideales Verhältnis von Wandmaterial zu Volumen und stellen diesbezüglich eine optimale Form dar.
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Eine oktaedrische Struktur bildet ein Strukturmuster aus regelmäßigen Polyedern, wobei die Seitenwände von festem flächigen Material gebildet werden, die den Hohlraum eines Oktaeders umschließen. Die feste Struktur ist enorm stabil und bietet ein großes Hohlraumvolumen.
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Eine tetraedrische Struktur weist ein Muster aus festen Wänden eines Vierflächners auf, das einen Hohlraum mit vier dreieckigen Seitenflächen umschließt. Die feste Struktur ist sehr stabil und bietet ein günstiges Hohlraumvolumen.
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Idealerweise weist die Antriebseinheit ein Getriebe auf. Die Rotoren sind jeweils mit einer separaten Welle verbunden, wobei die Getriebe-Zahnräder ebenfalls auf den Wellen sitzen. Das Getriebe der Pumpe synchronisiert die Drehbewegung der Rotoren.
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Neuerungsgemäß werden die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel mit einem Verfahren zur Herstellung einer Drehkolbenpumpe erzeugt, bei dem die Rotoren und/oder das Gehäuse und/oder der Deckel generativ gefertigt werden.
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Bei der generativen Fertigung, insbesondere dem selektiven Laserschmelzen, werden die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht pulverförmiger Teilchen auf eine Unterlage aufgebracht wird. Die anwendungsbezogene Mischung von pulverförmigen Teilchen aus metallischer Matrix wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen und mittels Strahlung aufgeschmolzen, worauf die neue Schichtdicke wieder erstarrt.
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Beim Pulverbettverfahren bzw. beim selektiven Laserschmelzen wird das Pulver auf die Bauplattform mit Hilfe des Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch punktgenaue Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur eines Bauteils schrittweise in das Pulverbett eingeschmolzen und wachsen beim Wiedererstarren mit den darunter liegenden und benachbarten Strukturen zusammen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind und das Bauteil entstanden ist.
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Die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel werden mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren festen, pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt.
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Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Rotoren und das Gehäuse und den Deckel aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD-Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
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In einer besonders vorteilhaften Variante der Neuerung werden die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel aus pulverförmigen Partikeln durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Unterschiedliche Eigenschaften der Rotoren und des Gehäuses und des Deckels können dabei durch Variationen der Strahlung generiert werden. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau des Bauteils eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es, in einem Bereich des Bauteils Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.
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Bei einer besonders vorteilhaften Variante besteht das metallische Pulver aus einem Edelstahlpulver, insbesondere aus einem Pulver mit der Werkstoffbezeichnung 1.4435. Die Partikel weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 15 bis 45 µm auf. Die generativ erzeugten Rotoren und das Gehäuse und der Deckel weisen ein besonders dichtes und im Vergleich zu Bauteilen aus Guss, lunkerfreies Werkstoffgefüge auf.
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Bei Varianten der Neuerung kann das metallische Pulver auch aus Sonderstählen wie beispielsweise Nickelbasislegierungen, Duplexstählen, Superduplexstählen und/oder Titan bestehen.
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Die generativ erzeugten Rotoren und das Gehäuse und der Deckel lassen sich besonders leicht nachbearbeiten und erreichen bereits nach einmaligem Überfräsen eine Oberflächenrauigkeit Ra von weniger als 0,04 µm, insbesondere von weniger als 0,02 µm. Solch geringe Oberflächenrauigkeiten sind von nicht generativ erzeugten Rotoren bisher nicht bekannt.
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Darüber hinaus erspart die generative Herstellung der Rotoren und des Gehäuses und des Deckels im Vergleich zur Herstellung aus Guss eine Vielzahl möglicher Nachbehandlungsschritte, die aufgrund des nicht idealen Gefüges beim Gießen nötig sind.
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Zudem ist die generative Herstellung der Rotoren im Vergleich zu zerspanenden Verfahren gerade bei Sonderstählen wie Nickelbasislegierungen, Duplexstählen oder Superduplexstählen maschinenschonend und ressourcensparend.
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Neuerungsgemäß wird eine Drehkolbenpumpe mit Rotoren, einem Gehäuse und einem Deckel, die Hohlräume aufweisen, bei der Herstellung von Lebensmitteln und/oder pharmazeutischen Produkten zur Verkürzung des Sterilisationszyklus verwendet.
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Vorteilhafterweise erhitzt Dampf mit mindestens 120 °C die Oberflächen der Rotoren sowie des Gehäuses und des Deckels mit hohem Hohlraumanteil im Vergleich zu Bauteilen aus Vollmaterial besonders schnell und verkürzt somit die Sterilisationszeit deutlich, wodurch ein enormer ökonomischer Vorteil entstehen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Neuerung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 eine perspektivische Seitenansicht einer Drehkolbenpumpe,
- 2 eine Schnittdarstellung einer Drehkolbenpumpe,
- 3 eine perspektivische Darstellung ineinandergreifender Rotoren,
- 4 eine Draufsicht auf einen geschnittenen Rotor.
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1 zeigt eine Drehkolbenpumpe 1 in einer perspektivischen Seitenansicht. Die Drehkolbenpumpe 1 umfasst eine Fördereinheit 11 und eine Antriebseinheit 10. Das Gehäuse 3 und der Deckel 4 umschließen den Förderraum 2 und bilden den Kern der Fördereinheit 11. Die robuste Drehkolbenpumpe 1 ist in der gezeigten, horizontalen Ausführungsvariante in hygienischer Konstruktion und bidirektional betreibbar, ausgeführt.
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In 2 ist eine Schnittdarstellung der Drehkolbenpumpe 1 dargestellt. Die Rotoren 5 sind spaltfrei zwischen Gehäuse 3 und Deckel 4 auf den Wellen 9 und 14 montiert.
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Innerhalb der Antriebseinheit 10 wird die Welle 9 von einem nicht dargestellten Motor angetrieben, wobei die Zahnräder 16 die Antriebsenergie der Welle 9 auf die Welle 14 übertragen. Beide Wellen 9 und 14 sind zweifach mit Kegelrollenlagern 15 gelagert. Die Fördereinheit 2, insbesondere das Gehäuse 3, ist baulich vom Lagerträger 12 getrennt. Die doppeltwirkende Gleitringdichtung 13 und die bauliche Trennung sowie die spaltfreie Konstruktion ermöglichen eine sehr gute, ortsgebundene Reinigung (CIP/SIP Reinigung).
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Das Gehäuse 3, der Deckel 4 und die Rotoren 5 weisen Hohlräume 7 auf, die in dieser Darstellungsvariante nicht sichtbar sind. Das Volumen der Hohlräume 7 beträgt bei dieser Ausführungsvariante 60 % des Volumens des Gehäuses 3, des Deckels 4 und der Rotoren 5. Dadurch kann die Aufheizphase des Sterilisationszyklus deutlich verkürzt werden, da sowohl das Gehäuse 3, als auch der Deckel 4 und die Rotoren 5 sehr viel schneller die vorgeschriebenen 121 °C erreichen.
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3 zeigt eine perspektivische Darstellung ineinandergreifender Rotoren 5, die auf den Wellen 9 und 14 angeordnet sind. Die Rotoren 5 weisen in dieser Ausgestaltungsvariante je zwei sichelförmige Flügel 6 auf und sind aus dem Edelstrahl 1.4435 gebildet. Die Welle 9 treibt mithilfe der Zahnräder 16 die Welle 14 an. Die Flügel 6 der Rotoren 5 weisen Hohlräume 7 auf, die in dieser perspektivischen Darstellung nicht dargestellt sind. Das Volumen der Hohlräume 7 beträgt 55 % des Volumens der Rotoren 5. Durch die viel schnellere Aufheizung der Rotoren 5 im Vergleich zu Rotoren aus Vollmaterial kann die Sterilisationszeit halbiert werden.
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In 4 ist eine Draufsicht auf einen geschnittenen Rotor 5 mit drei Flügeln 6 dargestellt. Die Verbindungsstege 17 zwischen den Flügeln 6 sind aus Vollmaterial ausgebildet. In dieser Ausführungsvariante ist der Rotor 5 aus einem Edelstahl 1.4404 ausgeführt. Die drei Flügel 6 des Rotors 5 weisen Hohlräume 7 auf. Die Außenkontur 18 des Flügels ist aus einer 3 mm dicken Wandstärke ausgebildet. Innerhalb der Hohlräume 7 sind Stützstrukturen 8 angeordnet, um den enormen Kräften im Betrieb der Drehkolbenpumpe beim Fördern hochviskoser Medien standhalten zu können.
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Die Stützstrukturen 8 sind zur Demonstration in den drei Flügeln 6 unterschiedlich ausgebildet. Die Wände 19 bilden eine skelettartige Struktur der Stützstrukturen 8, die sich von der Außenkontur 18 durch die Hohlräume 7 bis zu den Verbindungsstegen 17 erstrecken. Die Stützstrukturen 8 können dabei an die Belastungssituation und den erwünschten Hohlraumanteil angepasst werden. In der dargestellten Draufsicht ist oben links eine wabenförmige Stützstruktur 8 dargestellt, während in der Draufsicht des unteren Flügels 6 eine polyedrische Stützstruktur 8 und oben rechts eine oktaedrische Stützstruktur 8 gezeigt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019120678 A1 [0006]
- DE 102020134056 A1 [0007]
