-
Förderaggregat für Flüssigkeiten
-
Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einem Förderaggregat
für Flüssigkeiten nach der Gattung des Hauptanspruchs. Förderaggregate für Flüssigkeiten,
beispielsweise die für eine Kraftstofförderung unter Druck häufig verwendeten Rollenzellenpumpen,
sind in vielfältiger Ausführungsform bekannt. Solche Rollenzellenpumpen bestehen
grundsätzlich aus einer Läufer- oder Nutscheibe mit über ihren Umfang verteilt angeordneten
Aufnahmenuten, in denen sich Verdrängerkörper befinden. Die Verdrängerkörper können
als Rollen ausgebildet sein, die dann in den Nuten geführt sind und an einer äußeren
Rollenlaufbahn anliegen bzw.
-
an dieser abrollen, die von einer sogenannten Zwischenscheibe
gebildet
ist. Die Rollenlaufbahn ist, wie auch der Umfang der Nutscheibe, kreisförmig ausgebildet,
jedoch zum Mittelpunkt der Nutscheibe um einen vorgegebenen Abstand exzentrisch
versetzt, so daß sich sichelförmige Pumpenarbeitsräume ergeben, die um den Umfang
des Systems wandern und eine angesaugte Flüssigkeit, beispielsweise also Kraftstoff
in Umfangsrichtung unter Druck transportieren können. Die solchermaßen geförderte
Flüssigkeit (Kraftstoff) wird einer äußeren und - über das Spiel zwischen Rolle
und Aufnahmeelement - einer inneren Drucknut zugeführt, wobei die zu fördernde Flüssigkeit
durch den Saugraum oder die Saugniere angesaugt wird. Nutscheibe und Zwischenplatte
sind von beiden Seiten umgeben einmal von einer Grundplatte (Saugseite) und zum
anderen von einer StUtzplatte (Druckseite), wodurch sich eine axiale Abdichtung
in den gewünschten Bereichen ergibt. Durch die Exzentrizität der Nutscheibe zur
Rollen laufbahn der Zwischenscheibe ergibt sich zwischen dieser und der Mantelfläche
der Nutscheibe oder Läuferscheibe ein weitester Spalt sowie ein engster Spalt, die
bei der Drehung der Nutscheibe von den in ihr geführten und sich drehenden Rollen
periodisch überlaufen werden. Bei solchen Kraftstofförderpumpen, zu denen auch sogenannte
Flügelzellenpumpen gehören, können sich Beeinträchtigungen des Füllungsvorgangs
durch eine niedrige Siedetemperatur sowie den hohen Dampfdruck des Kraftstoffs ergeben.
Solche Füllungsschwierigkeiten betreffenden Probleme können oberhalb einer Betriebstemperatur
von 300C auftreten, wobei im Bereich von 400C die Förderung des Kraftstoffs ernstlich
beeinträchtigt sein kann. Die Ursachen einer solchen ungenügenden Füllung bei Elektrokraftstoffpumpen
mit Rollenzellen liegen in erster Linie im Vorhandensein von
Bereichen,
die nach dem engsten und vor dem weitesten Spalt liegen und in denen ein Unterdruck
auftreten kann. Tatsächlich wird die Dichtstelle zwischen dem Druckraum und dem
Saugraum, also der engste Spalt, nur durch eine Mantellinie mit einem gewünschten
Radialspiel gebildet, welches wenige um beträgt. Vom engsten Spalt ausgehend vergrößert
sich dann der Abstand zwischen dem Läufer oder der Nutscheibe und der Rolienlaufbahn
mit wachsender Entfernung rasch, so daß es hier zu Unterdruckerscheinungen kommt,
denn der sich expandierenden Zelle mit den Rollen die wie Verdrängerkolben wirken
und eine zusätzliche Expansion des Zellenraums verursachen, wird kein ausreichender
Füllungsquerschnitt und damit bei atmosphärischem Vordruck kein ausreichendes Füllungsmengenanyebot
zur Verfügung gestellt. ist bei niedrigen Betriebstemperaturen auch der Dampfdruck
des Kraftstoffs niedrig, so daß dann, wenn die Zelle in den Bereich großer Saugguerschnitte
kommt, diE-se mit Dampf gefüllten Räume gefüllt werden können, so ist andererseits
bei höheren Temperaturen der Dampfdruck des von der Druck- zur Saugseite zurückströmenden
Kraftstoffs so hoch, daß eine Füllung wegen einer nicht mehr ausreichenden Druckdifferenz
kaum noch stattfindet und die Förderung erheblich beeinträchtigt werden kann. Um
diesem Nachteil zu begegnen, ist es aber auch nicht möglich, den Beginn der Saugseite
näher an den engsten Spalt heranzuführen, da es sonst zu einer direkten Verbindung
zwischen Druck- und Saugseite durch Kurzschluß über die Rollennut in der Läuferscheibe
kommen kann. Abgesehen von diesen, auf die Entwicklung von Unterdrücken vor Ansteuerung
der Saugniere, Kraftstoffrückströmung und Verdampfung zurUckzuführenden Schwierigkeiten
kann die Füllung noch durch eine weitere Erscheinung beeinträchtigt sein, und zwar
durch
das Umströmen der die Verdrängerkörper bildenden Rollen. Die in die Zelle jeweils
axial einströmende'Flüssigkeit bildet beim Beschleunigen auf die Umfangsgeschwindigkeit
der Zelle auf der Vorderseite der Rolle einen Stau und auf der Hinterseite der Rolle
einen Sog. Während der Stau die Füllung vermindern kann, erzeugt der Sog einen zusätzlichen
Mengenbedarf. Bei höheren Temperaturen kann dort der Siededruck unterschritten werden.
-
Es besteht daher Bedarf nach einem Kraftstofförderaggregat, bei welchem
die durch Unterdruckbildung und Verdampfung bewirkte Verringerung des Füllungsquerschnitts
vermieden und die Entstehung von Stau und Sog an den Rollen im wesentlichen verhindert
ist.
-
Vorteile der Erfindung Das erfindungsgemäße Förderaggregat für Flüssigkeiten
mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil,
daß der gefährliche Kavitationsherd nach dem engsten Spalt beseitigt und im Bereich
des Saugquerschnitts die Füllung verbessert ist, so daß sich ein wirkungsvoller
und ungestörter Betrieb auch bei erhöhten Temperaturen des zu fördernden Mediums,
beim bevorzugten Anwendungsfall also des zu fördernden Kraftstoffs ergibt. Insgesamt
wird eine Erhöhung der kritischen Betriebstemperatur erzielt.
-
Die genannten Vorteile ergeben sich durch die alleinige oder kombinatorische
Anwendung der folgenden Merkmale, wobei diese Merkmale jeweils für sich gesehen
auch unabhängig
voneinander Erfindungsqualität aufweisen. Zur
Füllung der Förderzellen ist in der Phase nach dem engsten Spalt eine Umfangsnut
in der Zwischenscheibe vorgesehen; mindestens das saugseitige Profil der Rollenlaufbahn
ist in einem gegebenen Winkel nach dem engsten Spalt und vor dem weitesten Spalt
so beschaffen, daß sich bezüglich der Verdrängerkörper, also der Rollen keine radialen
Verschiebewege ergeben - der ollenweg ist daher durch die Profilgebung der Rollenlaufbahn
gleich Null, steigt dann allerdings zur Kompensation überproportional an; >-
kann ein zusätzlicher Füllungsquerschnitt, also eine weitere Saugnut im Bereich
der Sllennut-Hinterräume vorgesehen sein und schließlich wird die Abdichtung der
Druckseite zur Saugseite beim Pumpenaufbau von der Grundplatte zur druckseitigen
Stützplatte verlegt, die abgedichtet in einer geeigneten Schulter des Pumpenkörpers
sitzt. Hierdurch besteht Gelegenheit, durch Materialwegnahme der Stützplatte im
Saugbereich beidseitig axial wirkende Saugerschnitte zusätzlich zu einem weiteren,
radialen Einlaßschlitz in der Zwischenplatte selbst vorzusehen.
-
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch oder in seinen Neben ansprüchen
angegebenen Förderaggregats möglich.
-
Zeichnung Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine erste Ausführungsform
der Erfindung zur Verbesserung
der Ansaugverhältnisse bei einer Rollenzellenpumpe, wobei diese als Teil des gesamten
Pumpenaufbaus im Schnitt dargestellt ist, die Figuren 2a und 2b die die Rollenlaufbahn
bildende Zwischenplatte in Draufsicht bzw. in einer Schnittdarstellung mit zusätzlicher
Umfangsnut, Fig. 3 in schematisierter Darstellung eine Draufsicht auf Zwischenplatte
und Nutscheibe mit Rollenkörpern, aus welcher die Profilgestaltung der saugseitigen
Rollenlaufbahn in der Zwischenplatte hervorgeht, und Fig. 4 ebenfalls in schematisierter
Darstellung die Anordnung eines zusätzlichen Füllungsquerschnitts für den Rollennutraum
in der Grund- und/oder Stützplatte in Draufsicht.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Wie erwähnt, enthält die vorliegende
Erfindung eine Anzahl von die Erfindung bildenden Einzelmerkmalen, die sämtlich
der Beseitigung des gefährlichen Kavitationsherdes nach dem engsten Spalt und damit
der Erhöhung der kritischen Betriebstemperatur dienen, wobei gleichzeitig an den
Rollen Stau- und Sogphänomene verhindert werden. Diese einzelnen Merkmale werden
im folgenden anhand der verschiedenen Darstellungen der Erfindung in den Figuren
1 bis 4 erläutert, wobei jedes in einer einzelnen Figur angegebene erfinderische
Merkmal auch für sich selbst gesehen und unabhängig zu den anderen Erfindungsqualität
aufweist. Bevorzugt ist allerdings die gemeinsame Anwendung dieser Merkmale, soweit
dies sinnvoll ist.
-
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht
das
eigentliche Förderaggregat für Flüssigkeiten aus der Rollenzellenpumpe 1, die bei
Anwendung auf die Förderung von Kraftstoffen vorzugsweise zusammen mit dem antreibenden
Elektromotor unmittelbar in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist, welches mit
2 bezeichnet ist. Der in Fig. 1 nicht dargestellte Elektromotor befindet sich in
der Zeichenebene rechts von der Rollenzellenpumpe 1 und treibt deren Nutscheibe
über eine Mitnehmerkupplung 3 an, wobei die die Nutscheibe 4 tragende Achse 5 gleichzeitig
auch der Lagerung der Drehteile des Elektromotonl Aient, beispielsweise mittels
einer Hohlwelle o. dgl. Von der in Fig. 1 dargestellten Elektrokraftstoffpumpe ist
lediglich die Saugseite des Gehäuses im einzelnen gezeigt mit dem Sauganschluß 6,
auf den beispielsweise ein Kraftstoffschlauch aufgesteckt sein kann. Der unter Druck
von der Rollenzellenpumpe 1 geförderte Kraftstoff durchströmt dann auch den Elektromotor
zu dessen Kühlung und tritt auf der anderen Gehäuseseite durch eine geeiqrsetet
gebenenfalls mit einem Rückschlagventil abgeschlossene tjffnung aus.
-
Die drehangetriebene Nutscheibe 4 befindet sich zwischen einer saugseitigen
Grundplatte 7, in deren Mittelbohrung 8 die Achse 5 gepreßt und auf diese Weise
gelagert ist, während sich auf der anderen Seite der Nutscheibe 4 eine sogenannte
Stützplatte 9 befindet, die über eine zentrale Durchtrittsbohrung für den Mitnehmer
3 verfügt. Schließlich ist die Nutscheibe 4 noch von der ringförmig ausgebildeten
Zwischenplatte 10 umgeben, deren Innendurchmesser die Rollenlaufbahn für die Rollen
bildet. Die Rollen sind Verdrängerkörper, die in über den Umfang der Nutscheibe
gleichmäßig verteilten Rollennuten sitzen und lAnys
der zum Mittelpunkt
der Nutscheibe exzentrisch verlaufenden Rollenlaufbahn unter Bildung sichelförmiger
pumpenarbeitsräume ablaufen.
-
Bei dem in Fig. 1 gozzigten bevorzugten Ausführungsheispiel ist es
die Stutzplatte 9, die, unter Zwischenlegung einer Dichtung 11 in einer geeigneten
Abschulterung des Pumpengehäuss 2 gehalten ist. Eine axiale Einspannung erfährt
dabei die Stützplatte von einem lediglich teilweise angedeuteten Halterohr 12, welches
gleichzeitig zur Lagarung der Permanentmagneten für den antreibenden Elektromotor
aus einem magnetisch leitenden Werkstoff bestehen kann. Da das Paket aus Grundplatte
7, Zwischenplatte 10 und Stützplatte 9, wie bei 13 angedeutet, mittels Schrauben
zusammengespannt ist, erfahrt die Grundplatte ihre Lagerung und Halterung von der
Stützplatte 9 aus, die gleichzeitig auch die Abdichtung des Saugraumes 14 zum in
Strömungsrichtung hinter der Rollenzellenpumpe befindlichen Druckraum 15 übernimmt.
Es ist daher entsprechend einem bevorzugten Merkmal vorliegender Erfindung auch
möglich, die Füllungsquerschnitte im Saugbereich der Rollenzellenpumpe großzügiger
zu gestalten, denn durch die Verlegung dieser Dichtstelle zwischen Saugraum und
Druckraum von der Grundplatte zur Stützplatte kann angesaugter Kraftstoff jetzt
an der im Abstand zur Gehäusewandung 2 angeordneten Grundplatte vorbei bis zur Zwischenplatte
10 und über diese hinaus bis zu einer Hinterschneidung auch in der Stützplatte 9
fließen, wie auch die Pfeile zeigen. Daher ergibt sich eine erhebliche Vergrößerung
des Füllungsquerschnitts. Im einzelnen sind bei der Darstellung der Fig. 1 neben
der üblicherwtise vorhandenen, mit 16 bezeichneten, nierenschlitzförmigen Saugöffnung
oder Saugnut
in der Grundplatte 7 noch ein radialer Einschnitt
oder Schlitz 17 in der Zwischenplatte 10 sowie eine Saugöffnung 18 durch die an
dieser Stelle im Abstand zur Zwischenplatte 10 verlaufende Schlitzplatte 9 vorgesehen.
Die Saugöffnung 18 befindet sich auf der der Saugnut 16 in der Grundplatte gegenüberliegenden
Seite und wird von der Stützplatte 9 gebildet.
-
Es versteht sich, daß diese Saugquerschnitte sich längs eines radialen
Umfangssegments erstrecken, wle dies lediglich bezüglich der Saugnut 16 in der Grundplatte
7 in Fig. 3 angedeutet ist, wo das Kreissegment der umfangsmäßigen Erstreckung der
Saugnut auf der Saugseite der Rollenzellenpumpe angedeutet und mit 16' bezeichnet
ist.
-
Ein besonders vorteilhaftes, erfindungsgemäßes Merkmal läßt sich der
Darstellung der Figuren 2a und 2b entnehmen, die lediglich die Zwischenplatte zeigt,
die hir mit 10' bezeichnet ist. Bohrungen, die dem Zusammenspannen des Grundplatten/Zwischenplatten/Stützplatten-Pakets
dienen, sind mit 20 bezeichnet, die die Rollenlaufbahn der Zwischenplatte bildende
Innenbohrung trägt das Bezugszeichen 21; die Nutscheibe ist nicht dargestellt.
-
Es ist weiter vorn schon erwähnt worden, daß unmittelbar nach dem
engsten Spalt ES die Bewegung der Rollenkörper in den Nuten der Nutscheibe erfolgt
und daher die Expansion, ohne daß jedoch die üblicherweise vorhandenen Saugöffnungen
in der Lage sind, dieser "Kraftstoffnachfrage" zu genügen; bei dem in Fig. 2a dargestellten
Ausführungsbeispiel ist nun in der Laufbahn 21 der Zwischenplatte 10' eine Umfangsnut
22 vorgesehen, die, wie die Fig. 2b am
besten zeigt, eine Art Aushöhlung
und Vertiefung der Rollenlaufbahn 21 ist, jedoch im Abstand zu den Rändern der Zwischenscheibe
10', so daß beidseitig im Bereich der Umfangsnut 22 Stege 23a, 23b stehen bleiben,
die der weiteren Führung der von der Nutscheibe längs dieser Umfangsnut 22 transportierten
Rollen dienen, so daß diese nicht in die Umfangsnut 22 einfallen können. Die Breite
der Rollen entspricht ja im wesentlichen der Breite der Zwischenscheibe, so daß
die Rollen im Bereich der Umfangsnut 22 an den Stegen 23a, 23b ablaufen. Da in der
Darstellung der Fig. 2a durch eine strichpunktierte Linienführung auch die allein
an der Zwischenscheibe 10' nicht erkennbare Lage der üblichen nierenförmigen Saugnut
16' angedeutet ist, erkennt man die gegenüber dieser Saugnut 16' entgegen der Drehrichtung
der Rollen in Richtung auf den engsten Spalt ES versetzte Lage der Umfangsnut 22.
Die Tiefe der Umfangsnut, also der Abstand des Bodens der Umfangsnut von der eigentlichen
Rollenlaufbahn ist nicht kritisch; sie ist nur so zu bemessen, daß durch die Umfangsnut
in der Zwischenscheibe jeweils eine ausreichende Menge Kraftstoff oder allgemein
zu fördernde Flüssigkeit in den Bereich praktisch unmittelbar nach dem engsten Spalt
ES transportiert werden kann, wo schon Expansion stattfindet, jedoch über den normalen
Saugschlitz 16' noch keine Menge zugeführt werden kann. Hierdurch verhindert man
das Entstehen eines eine Dampfbildung begünstigenden Unterdrucks in diesem Bereich,
so daß die Füllung nach Eintritt in den Saugschlitzbereich 16' zügig weiter fortgehen
kann und kein Dampfdruck die Förderung behindert.
-
Der verbleibende Abstand zwischen dem engsten Spalt ES und der Stelle,
wo diese Umfangsnut 22 schließlich vor dem engsten Spalt ausläuft, ist unkritisch,
da auf diesem
kleinen Abstand noch keine merkliche Expansion auf
treten kann. Außerdem dient die Umfangsnut 22 in der Zwischenscheibe dem Abbau von
Stau und Sog an den Rollen, wie ohne weiteres erkennbar, da Rollenvorderseite und
Rollenrückseite durch die Umfangsnut praktisch kurzgeschlossen sind.
-
Diese Umfangsnut 22 unterscheidet sich vom Saugschlitz 17 beim Ausführungsbeispiel
der Fig. 1 insofern, als hier kein völliger radialer Durchtritt durch die Wandung
der Zwischenscheibe 10' vorgesehen ist, außerdem bezüglich der Lage, denn die Umfangsnut
22 ist angrenzend an aen Bereich des engsten Spaltes gerückt.
-
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung vorliegender Erfindung, die
ebenfalls unabhängigen Erfindungscharakter besitzt und als Alternative zur Darstellung
der Figuren 2a und 2b angesehen werden kann, ist die in Fig. 3 gezeigte Profilgestaltung
der Rollenlaufbahn der Zwischenplatte auf der Saugseite. Man erkennt in Fig. 3 die
Zwischenplatte 10" mit ihrer die Rollenlaufbahn 21' bildenden Innenbohrung sowie
die Nutscheibe 4' und, in ausschnittsweiser Darstellung zwei angrenzende Nuten 24a,
24b in der Nutscheibe sowie die von den Nuten aufgenommenen Rollen 25a, 25b.
-
Angedeutet sind in der Darstellung der Fig. 3 schließlich noch die
Lage der Saugöffnung 16" sowie der bisher noch nicht erwähnten Drucköffnung 26 in
gestrichelter Linienführung.
-
In Abweichung von der bisherigen Kreis form der Rollenlaufbahn 21'
verfügt der saugseitige Halbkreis der Rollenlaufbahn beim Ausführungsbeispiel der
Fig. 3 über eine unterschiedliche Profilgestaltung dahingehend, daß beginnend vom
engsten Spalt ES, wie die dick durchgezogene Linienführung
der
Rollenlaufbahn zeigt, diese praktisch anarenzend bis zum unteren Beginn der Saugöffnung
16' so verläuft, daß über diesen Winkelbereich fe der Rollenweg praktisch Null ist,
mit anderen Worten die Rollenbewec3en sich in den Nuträumen der Nutscheibe über
den Winkel Ye der Rollenlaufbahn 21' der Zwischenscheibe 10' nicht, so daß auch
kein Zellenexpansior. in diesem Bereich auftreten kann. Erst in dem Moment, in welchem
die Rollen in den Bereich der Saugöffnung 16' gelangen, erweitert sich die Profilbahn
erheblich und kompensiert jetzt auch durch eie in Abweichung von der Kreisbahn stärker
nach außen gedrängte Linienführung den bisherigen Wegverlust der Rollen. In der
Darstellung der Fig. 3 ist dieNormalausfilhrung der (kreisförmigen) Rollenlaufbahn
strichpunktiert dargestellt und mit 27 bezeichnet. Ein gleicher Rollenweg 0 ergibt
sich im übrigen vor dem weitesten Spalt WS im oberen Bereich der Zwischenplatte
über einen Winkel Sw . Da die Unterschiede der neuen Profilw gestaltung in Abweichung
zur Kreisbahn nur gering sind, ergeben sich keine ins Gewicht fallenden Beeinflussungen
des Rollenweges und kein ungewöhnlicher Verschleiß; man beseitigt aber den Kavitationsherd
nach dem engsten Spalt und erzielt mindestens eine gleichbleibende Füllung im Bereich
des Saugquerschnitts.
-
Schließlich läßt sich die in Fig. 4 gezeigte Ausgestaltung der Erfindung
mit Vorteil in Verbindung mit den Merkmalen der Figuren 1, 2 und/oder 3 verwenden,
wobei auch hier der Entstehung von Druckdifferenzen entgegengearbeitet wird und
ein zusätzlicher Füllungsquerschnitt ftir den Rollennutraum zur Verfügung gestellt
wird.
-
Beim Ablauf der Rollen in der t3utscheibe längs der saugzeitigen Rollenlaufbahn
schieben sich die Rollen wagen der beiderseitigen Exzentrizität immer stärker aus
ihren Nuträumen heraus, so daß hinter den Rollen, also in den Nutgründen ein zunehrnend
freier Raum gebildet wird, der zur Aufrechterhaltung eines einwandfreien Betriebs
gefüllt worden muß. Um diese Räume in der Rollennut zu versorgen, ist, wie in Fig.
4 lediglich sehr schematisch angedeutet, etwa in der Grundplatte 7 eine zusätzliche
Saugöffnung 28 vorgesehen, die sich beispielweise über einen Winkel von 700 nach
dem engsten Spalt ES bis zu einem Winkel von 40° vor dem weitesten Spalt WS erstrekken
kann. Dieser nierenförmige Saugschlitz, der bevorzugt eine Breite von 1,5 mm bei
ilblicher Ausführung aufweisen kann, befindet sich etwa auf der lIuhe der Nutgründe
und ermöglicht ein ungehindertes Einströmen von Kraftstoff in diesen Bereich in
den Rollennutraum. Dadurch wird dem Zellenraum keine Füllungsinenge entzogen und
der Füllun<;svorgang wird insgesamt optimiert.