DE3321692A1 - Zahnradpumpe - Google Patents

Description

KÜHNEN & WACKER

PATENTANWALTSBÜRO

REGISTERED REPRESENTATIVES BEFORE THH EUROPEAN PATENT OFFICE

PATENTANWÄLTE

FRESENIUS AG R--A. KÜHNEN*, dipl.-inc.

** W. l.UDERSCHMIDT**, DR. DIPI..-CHHM.

6380 Bad Homburg P.-A. WACKER·, out-iNc... im-

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Zahnradpumpe

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zahnradpumpen, die eine Paarung eines Pumpenrades aus

; 5 Metall und eines Pumpenrades aus einem Kunststoff auf-

weisen, haben den Vorteil, daß sie gegenüber Zahnrad-

j pumpen mit Pumpenrädern aus Metall geringeres Laufge-

s rausch aufweisen und gegenüber Pumpen mit Pumpenrädern

} aus' Kunststoff erheblich erhöhten Verschleißwiderstand

j 10 besitzen und bei Verschleiß schnell und einfach durch

5. Austausch des Pumpenrades aus Kunststoff repariert werden

: können.

Probleme ergeben sich jedoch im Hochtemperaturbereich, 15 beispielsweise bei der Förderung von Flüssigkeiten bis zu Temperaturen von ungefähr 130 ⁰C. Da das Pumpengehäuse aus Metall bestehen soll, ergibt sich eine gute Werkstoffkompatibilität mit dem Pumpenrad aus Metall, führen jedoch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Metall dazu, daß das Pumpenrad aus Kunststoff im Falle enger Toleranzen bei hohen Temperaturen festklemmt oder, wenn die Pumpe auf eine Arbeit bei diesen Temperaturen ausgelegt ist, bei ηJ ;deren Temperaturen einen

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UNDENSTRASSE 10 SCHNEGCSTRASSE 3-5 LUDWIGSTRASSE

TH. 00171-5684·» TEL. OSIöl 62091 TEL. 0851 36616

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großen Verlustspalt aufweist, so daß die Pumpleistung absinkt.

Diesen Nachteil beseitigt die aus der DE-OS 30 45 192 ° bekannte Zahnradpumpe, die ein Pumpengehäuse aus Metall aufweist, in dem wenigstens zwei Pumpenräder angeordnet sind, von denen eines treibt und aus einem harten Werkstoff wie insbesondere Metall besteht und wenigstens ein weiteres angetrieben ist und aus einem Kunststoff besteht, der einen gegenüber seinem axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten geringeren radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt.

Dadurch wird erreicht, daß der radiale Ausdehnungskoeffizient des Kunststoffes an den Ausdehnungskoeffizienten des metallenen Pumpengehäuses angepaßt ist, wie dies im Bereich des treibenden Pumpenrades aus Metall oder einem ähnlichen Werkstoff ohne besondere Zusatzmaßnahmen der Fall ist oder problemlos erreicht werden kann. Dadurch ²^ werden unterschiedliche Wärmeausdehnungen in radialer Richtung zwischen dem Pumpenrad aus Kunststoff und dem Pumpengehäuse sowie dem treibenden Pumpenrad aus hartem Werkstoff nivelliert oder gänzlich ausgeschaltet, was wiederum bedeutet, daß bei niedrigen Temperaturen der ²^ Verlustspalt gering gehalten werden kann und dennoch im Hochtemperaturbereich die Gefahr eines Festklemmens vermieden wird.

Abgesehen von der zuvor geschilderten Problematik ergibt

° sich bei der gattungsgemäßen/ eingangs beschriebenen Zahnradpumpe, die beispielsweise aus der US-PS 29 66 bekannt ist und ein Pumpenrad aus Metall und eines mit diesem kämmendes Pumpenrad aus einem Kunststoff aufweist, das Problem, daß es zwischen den Stirnseiten des aus Metall bestehenden, treibenden Pumpenrades und den benachbarten Gehäusewänden zu Berührungen kommt, die wiederum zu Verschleißerscheinungen an den Stirnseiten des Pum-

penrades oder an der dem Pumpenrad gegenüberliegenden Lagerfläche führen. Dies ist deshalb problematisch, da es für eine hohe Pumpenleistung erforderlich ist, daß der Spalt zwischen den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades und dem Gehäuse eine maximal zulässige Spaltbreite, die beispielsweise zwischen 30 und 50 μπι beträgt, nicht überschreitet. Der zuvor beschriebene Verschleiß an den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades jedoch vergrößert gerade diese Spaltbreite, was die Pumpenleistung absinken läßt. Zwar ist es generell möglich, die Verschleißfestigkeit des aus Metall bestehenden treibenden Pumpenrades durch Verwendung von sehr verschleißfesten Materialien, wie beispielsweise den Sonderstahl Waukesha 88, zu erhöhen, jedoch reicht diese Erhöhung der Verschleißfestigkeit beim Langzeitbetrieb nicht aus, um eine Ausschaltung eines die Pumpenleistung herabsetzenden Verschleißes zu gewährleisten. Darüber hinaus ergibt sich bei Verwendung von hochverschleißfesten Materialien der Nachteil, daß diese sehr teuer sind.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Zahnradpumpe der im Oberbegriff des Anspruchs 1 umrissenen Gattung zu schaffen, bei der eine Minimierung des stirnseitigen Verschleißes des treibenden Pumpenrades möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die Anordnung der Zahnradscheiben an den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades wird erreicht, daß das aus einem harten Werkstoff wie insbesondere Metall bestehende treibende Pumpenrad nicht mehr mit dem ebenfalls aus einem harten Werkstoff wie insbesondere Metall bestehende Pumpengehäuse in Berührung kommt, so daß es nicht mehr zu verschleißfördernden Berührungen zwischen dem treibenden Pumpenrad und dem Gehäuse kommen kann. Vielmehr sind gerade in diesem Bereich die Zahnradscheiben angeordnet, die aus einem Kunststoff hergestellt

werden können, der günstige Verschleißeigenschaften aufweist. Dadurch wird auf sehr einfache und vor allem auf kostengünstige Weise erreicht, daß der maximal zulässige axiale Spalt zwischen dem treibenden Pumpenrad und ° dem Gehäuse aufrecht erhalten werden kann und somit die Pumpenleistung erhalten bleibt.

Im Gegensatz zu einer nicht erfindungsgemäßen Ausbildung, bei der die den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades

benachbarten Gehäusewände mit einer gehäusefesten verschleißmindernden Beschichtung versehen sind, ergibt sich bei der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe der Vorteil, daß gar keine verschleißfördernde Relativbewegung zwischen dem Kunststoff und dem treibenden Pumpenrad

auftritt, da die Zahnradscheiben mit dem Gegenrad kämmen undvon diesem angetrieben werden, das wiederum von dem treibenden Pumpenrad angetrieben wird.

Die erfindungsgemäße Zahnradpumpe weist den weiteren ^O Vorteil auf, daß keine Verluste an Pumpleistung aufgrund einer verminderten Pumpenradlänge hingenommen werden müssen, da die Zahnradscheiben mit dem angetriebenen Pumpenrad in Eingriff stehen und somit mit dem treibenden Pumpenrad eine Einheit bilden, die die gleiche Länge aufweist, wie das angetriebene Pumpenrad, wobei eine Ausbildung des Gehäuses mit glatten Gehäusewänden möglich ist. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß aufgrund der Verhinderung eines Verschleißes der Stirnseiten des treibenden Pumpenrades durch die Anordnung der Zahnradscheiben, das treibende Pumpenrad aus einem weniger verschleißfesten, jedoch wesentlich billigeren Werkstoff hergestellt werden kann, ohne daß dabei Einbußen hinsichtlich der Gesamtlebensdauer der

erfindungsgemäßen Zahnradpumpe hingenommen werden müssen. 35

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe besteht darin, daß es für den FaI]

eines Verschleißes der Zahnradscheiben auf äußerst einfache Weise möglich ist, die Zahnradpumpe durch Austausch der Zahnradscheiben zu reparieren. Dieses ist insbesondere deshalb vorteilhaft, da die Zahnradscheiben aus bil- ° ligen Werkstoffen hergestellt werden können.

Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.

Bei der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 2 werden vor allem Vorteile hinsichtlich der Herstellung, Montage- und Reparaturmöglichkeiten erzielt, da keine Maßnahmen für eine verdrehfeste Anordnung der Zahnradscheiben auf der das treibende Pumpenrad lagernden Welle

¹^ vorgesehen werden müssen, die Zahnradscheiben bei der Montage lediglich auf diese Welle aufgeschoben werden müssen und im Falle einer Reparatur ohne besondere Werkzeuge entfernt und wieder montiert werden können.

Die Vorteile der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 zeigen sich im Hochtemperaturbereich, wenn also beispielsweise Flüssigkeiten mit Temperaturen bis zu 130 ⁰C gefördert werden. In diesem Falle ergibt sich eine Anpassung der Wärmeausdehnung der Zahnradscheiben an diejenige des Gehäuses, so daß es in radialer Richtung bei hohen Temperaturen nicht zu einem Festklemmen kommen kann und bei niedrigen Temperaturen die optimale Spaltbreite aufrechterhalten wird.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in vergrößerter Darstellung einen Längsschnitt <
erfindungsgemäßen Zahnradpumpe.

Darstellung einen Längsschnitt durch einen Teil einer

3321632

Die erfindungsgemäße Zahnradpumpe weist ein Pumpengehäuse 1 auf, das vorzugsweise als metallenes Gußgehäuse ausgebildet ist. Das Pumpengehäuse 1 weist eine Pumpenkammer 2 auf, in der zwei Pumpenräder 3 und 4 angeord-" net sind. Hierbei handelt es sich bei dem Pumpenrad 3 um das treibende Pumpenrad, während es sich bei dem Pumpenrad 4 um das angetriebene Pumpenrad handelt. Das Pumpenrad 3 ist auf einer Antriebswelle 5 verdrehfest angeordnet, wozu jegliche Art von verdrehfester Befesti-

¹^ gung des Pumpenrades 3 auf der Antriebswelle 5 möglich ist. Die Antriebswelle 5 ist im Pumpengehäuse mittels einer schmierungsfreien Lagerung gelagert, um Probleme mit einer Schmierflüssigkeit zu vermeiden. Hierzu können beispielsweise zumindest die Lageroberflächen der Antriebswelle des treibenden Pumpenrades und deren Lager aus Hartmetall bestehen, was eine Schmierung aufgrund der hohen Verschleißfestigkeit der genannten Werkstoffe entbehrlich macht.

^O Das angetriebene Pumpenrad 4 ist auf einem Lagerzapfen 6 frei drehbeweglich angeordnet, wobei der Lagerzapfen 6 im Pumpengehäuse 1 befestigt ist. Aufgrund des Werkstoffes des Pumpenrades 4 kann dieses ebenfalls schmierungsfrei unmittelbar auf dem Lagerzapfen 6 umlaufen.

Das angetriebene Pumpenrad 4 besteht aus einem Kunststoff, wohingegen das treibende Pumpenrad 3 aus einem harten Werkstoff, vorzugsweise aus Metall, besteht. Aus dieser Paarung resultiert der Vorteil, daß das Lauf-

"^ geräusch der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe niedrig gehalten werden kann. Für erfindungsgemäße Zahnradpumpen, die auch Flüssigkeiten mit hohen Temperaturen bis zu beispielsweise 130 ⁰C fördern sollen, ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen, das angetriebene

^ΰ5 Pumpenrad 4 aus einem Kunststoff zu fertigen, der gegenüber seinem axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten einen geringeren radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten be-

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sitzt. Dadurch wird erreicht, daß der radiale Ausdehnungskoeffizient des Kunststoffes des Pumpenrades 4 an den Ausdehnungskoeffizienten des metallenen Pumpengehäuses 1 besser angepaßt werden kann, so daß über einen ° weiten Temperaturbereich mit geringem Verlustspalt und dennoch ohne Gefahr eines Festklemmens bei hohen Temperaturen gearbeitet werden kann. Daher weist die erfindungsgemäße Zahnradpumpe auch alle Vorteile der aus der DE-OS 30 45 192 bekannten Zahnradpumpe auf, auf die bc-¹^ züglich aller weiteren Einzelheiten vollinhaltlich Bezug genommen wird.

In Axialrichtung der Antriebswelle 5 zu beiden Seiten des Pumpenrades 3 ist im Beispielsfalle jeweils eine

Zahnradscheibe 7 und 8 angeordnet. Die Zahnradscheiben 7 und 8 sind hierzu frei drehbeweglich auf der Antriebswelle 5 gelagert und stehen wie das treibende Pumpenrad 3 mit dem angetriebenen Pumpenrad 4 in Eingriff. Durch die Anordnung der Zahnradscheiben 7 und 8 zu beiden Seiten des treibenden Pumpenrades 3 wird eine Berührung des Pumpenrades 3, das aus einem harten Material wie insbesondere Metall besteht, mit dem ebenfalls metallenen Pumpengehäuse 1 vermieden, weswegen es nicht zu einem Verschleiß des treibenden Pumpenrades kommen kann. Damit

wird wiederum eine Vergrößerung der axialen Spaltbreite vermieden. Darüber hinaus kann das treibende Pumpenrad 3 aus einem weniger verschleißfesten und damit billigen Werkstoff hergestellt werden, so daß die erfindungsgemäße Zahnradpumpe sehr kostengünstig hergestellt werden

kann.

Die axialen Spalte werden bei nicht vorhandenen Zahnradscheiben 7 und 8 zwischen den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades 3 und den jeweils benachbarten Flächen des Pumpengehäuses 1 gemessen und sollten zwischen 30 und 50 iim Spaltbreite betragen. Bei nicht vorhandenen Zahnradscheiben 7 und 8 kann es aufgrund von Berührungen

zwischen den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades 3 und dem Pumpengehäuse 1 zu Verschleiß kommen, was die Spaltbreite der Spalte erhöht und damit die Pumpenleistung vermindert wird. Dies wird bei der erfindungsgemässen Zahnradpumpe durch das Vorsehen der Zahnradscheiben 7 und 8 vermieden, die aus einem verschleißfesten Material bestehen und eine Berührung zwischen den Stirnseiten des treibenden Pumpenrades 3 und den benachbarten Gehäusewänden vermeiden. Damit kann stets die gewünschte optimale Spaltbreite aufrechterhalten werden und somit auch die Pumpenleistung.

Dadurch, daß die Zahnradscheiben 7 und 8 ebenso wie das treibende Pumpenrad 3 mit dem angetriebenen Pumpenrad !5 4 in Eingriff stehen and die axiale Länge der Anordnung bestehend aus den Zahnradscheiben 7 und 8 und dem treibenden Pumpenrad 3 gleich der axialen Länge des angetriebenen Pumpenrades 4 ist, bilden die Zahnradscheiben

7 und 8 und das treibende Pumpenrad 3 im Betrieb eine Einheit, wobei das treibende Pumpenrad 3 das Pumpenrad 4 antreibt und dieses wiederum die Zahnradscheiben 7 und 8. Damit ist auch eine Aufrechterhaltung der radialen Spaltbreite im Bereich des treibenden Pumpenrades 3 und der zu beiden Seiten des Pumpenrades 3 angeordneten Zahnradscheiben 7 und 8 stets gegeben, so daß auch von daher keine Minderung der Pumpenleistung zu befürchten ist. Dies auch dann, wenn sich die Zahnradscheiben 7 und

8 im Hochtemperaturbereich in axialer Richtung ausdehnen, da eine Auslegung des axialen Spaltes mit einer Spaltbreite problemlos möglich ist, die eine Aufnahme der axialen Längung der Zahnradscheiben 7 und 8 ermöglicht, ohne daß die maximal zulässige Spaltbreite überschritten werden muß. Der Grund dafür ist darin zu sehen, daß die Zahnradscheiben 7 und 8 eine nur geringe axiale Erstrekkung aufweisen, so daß bei einer axialen Wärmeausdehnung das Absolutmaß der Längung der Zahnradscheiben 7 und 8 sehr gering ist.

Zur Montage der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe müssen die Zahnradscheiben 7 und 8 lediglich zu beiden Seiten des Pumpenrades 3 auf der Antriebswelle 5 aufgeschoben werden, was ohne Verwendung spezieller Werkzeuge möglich ist, da die Zahnradscheiben 7 und 8 lediglich lose auf der Antriebswelle 5 angeordnet werden müssen.

Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemässen Zahnradpumpe, die beispielsweise bei einer Umdrehungszahl von 3000/min eine druckunabhängige Förderleistung von 3 l/min hat, weist das treibende Pumpenrad 3 beispielsweise 13 Zähne bei einem Modul 1 und eine axiale Länge L von 9 mm auf. Bei dieser Ausführungsform weist das angetriebene Pumpenrad 4 ebenfalls 13 Zähne bei einem Modul 1 auf, wobei es jedoch eine axiale Länge von L' von 13 mm aufweist. Die Zahnradscheiben 7 und 8 dieser Ausführung weisen bei gleicher Zähnezahl und gleichem Modul wie das Pumpenrad 3 eine axiale Länge 1 von jeweils 2 mm. auf, so daß die Summe der axialen Längen 1 und L der Zahnradscheiben 7 und 8 und des Pumpenrades 3 gleich der Länge L' des angetriebenen Pumpenrades 4 ist. Somit sind auch keine Einbußen bei der Förderleistung der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe aufgrund des Vorsehens der Zahnradscheiben 7 und 8 zu befürchten, da die axiale Länge der Einheit bestehend aus den Zahnradscheiben 7 und 8 und dem treibenden Pumpenrad 3 gleich der Länge L' des angetriebenen Pumpenrades 4 ist, wobei trotzdem eine glattflächige Ausbildung der Wände des Pumpengehäuses T möglich ist. Bei der o.g. Ausführungsform beträgt der Außendurchmesser sämtlicher Zahnräder 14 mm. Die zulässige axiale Spaltbreite beträgt 30 bis 50 μΐη, während die radiale Spaltbreite ungefähr 50 um beträgt.

Für das Pumpenrad 4 kann für den Fall, daß die erfindungsgemäße Zahnradpumpe auch für ein Arbeiten im Hochtemperaturbereich vorgesehen ist, ein Kunststoff verwen-

det werden, der einen gegenüber seinem axialen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleineren radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt- Hierzu kann beispielsweise ein Kunststoff verwendet werden, der aus 65 % Polytetrab fluoräthylen (Teflon) und 35 % Kohle besteht. Für Zahnradpumpen, die im Hochtemperaturbereich zum Einsatz kommen sollen, werden vorzugsweise auch die Zahnradscheiben 7 und 8 aus diesem Kunststoff hergestellt, da er hohe Verschleißfestigkeit zeigt und deshalb besonders geeignet ist für die Funktion der Zahnradscheiben 7 und 8. Darüber hinaus behält dieser Kunststoff unabhängig von den Medien, die mit der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe gefördert werden sollen, seine Eigenschaften, so daß auch problemlos aggressive Medien,wie beispielsweise Dialysierflüssigkeit, gefördert werden können.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe ist darin zu sehen, daß mittels des aus einem harten Werkstoff bestehenden treibenden Pumpenrades 3 hohe Drehmomente übertragen werden können und daß das vorzugsweise aus einem Metall bestehende Pumpenrad 3 sehr gute wärmeableitende Eigenschaften aufweist. Eine Wärmeableitung ist hierbei sowohl in radialer als auch in axialer Richtung über die Antriebswelle 5 möglich, die

2b bei der o.g. Ausführungsform in einem Abstand von 13 mm von dem Lagerzapfen 6 im Pumpengehäuse 1 angeordnet ist.

Um weiterhin die Geräuschentwicklung der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe im Betrieb vermindern zu können, sind bei einer bevorzugten Ausführungsform sämtliche Zahnräder mit einer Schrägverzahnung versehen, obwohl selbstverständlich auch eine Geradverzahnung zur Anwendung kommen kann, ohne daß dadurch die erfindungsgemäße Funktionsweise beeinträchtigt würde.

Claims (1)

1. Patentansprüche

   1 .1

   Zahnradpumpe mit einem Pumpengehäuse aus Metall und mit wenigstens zwei Pumpenrädern, von denen eines treibt und aus einem harten Werkstoff wie insbesondere Metall besteht, und wenigstens ein weiteres angetrieben ist und aus Kunststoff besteht, dadurch gekennzeichnet, daß in Axialrichtung zu beiden Seiten des treibenden Pumpenrades (3) wenigstens je eine Zahnradscheibe (7, 8) aus Kunststoff angeordnet ist und daß die Zahnradscheiben (7, 8) mit dem angetriebenen Pumpenrad (4) in Eingriff stehen und durch dieses antreibbar sind.

   Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradscheiben (7, 8) frei drehbeweglich auf der das treibende Pumpenrad (3) lagernden Antriebswelle (5) angeordnet sind.

   Zahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoff der Zahnradscheiben (7, 8) besonders verschleißgünstige Eigenschaften aufweist.

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   Zahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zahnradscheiben (7, 8) aus Kunststoff einen gegenüber ihrem axialen

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   Wärmeausdehnungskoeffizienten geringeren radialen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen.