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Pumpe
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Pumpe Die Erfindung richtet sich auf eine Pumpe nach dem Oberbegriff
von Anspruch 1.
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Eine bekannte derartige Pumpe wird als Roots-Gebläse bezeichnet und
insbesondere zum Pumpen von Luft herangezogen. Ein derartiges Gebläse weist zwei
untereinander identische, um 900 gegeneinander versetzt umlaufende Läufer auf. Jeder
Läufer ist mit nur zwei Dichtansätzen versehen. Dies hat zur Folge, daß in Förderrichtung
eine verhältnismäßig schlechte Dichtung erzielt wird, so daß mit hoher mechanischer
Präzision unter Verwendung von Gleitmitteln gearbeitet werden muß. Zudem eignen
sich derartige Gebläse nur schlecht zur Förderung von Flüssigkeiten, da aufgrund
der nur zwei Dichtansätze der Flüssigkeitsstrom stark pulsiert. Um hier Abhilfe
zu schaffen, sind auch schon derartige Pumpen zur Förderung von Flüssigkeiten mit
je drei Dichtansätzen an jedem Läufer geschaffen worden. Diese Ausgestaltung weist
aber ein ungünstiges Verhältnis zwischen dem Volumen der Dichtkörper und dem dazwischen
eingeschlossenen Fördervolumen
auf, so daß die Förderleistung bezogen
auf die Pumpengröße unbefriedigend ist.
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Eine allerdings ebenfalls ausschließlich zum Pumpen von Luft konzipierte
abgewandelte Ausführungsform des Roots-Gebläses ist in mot 1/1983, Seite 68 beschrieben.
Bei dieser Ausführungsform sind nicht zwei identische Läufer in identischen Gehäuseteilen
vorgesehen, sondern ein kleinerer Absperrläufer und ein größerer Hauptläufer, welche
je einen Dichtansatz aufweisen. Im Gegensatz zum Roots-Gebläse münden darüber hinaus
Ansaug- und Auslaßkanal nicht radial im Gehäuse, sondern der Ansaugkanal mündet
im hohlen Innenraum des Hauptläufers, wobei das zu pumpende Medium durch Öffnungen
von diesem Innenraum radial nach außen gelangt, um von dem einen Dichtansatz mitgenommen
und radial ausgestoßen zu werden.
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Auch diese Ausführungsform eignet sich schlecht zum Pumpen von Flüssigkeiten,
weist eine vor allem bei niedrigen Drehzahlen ungünstige Pumpenleistung auf und
gewährleistet lediglich eine geringe Rücklaufdichtung im Förderbereich des Pumpengehäuses.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe zu schaffen,
welche gasförmige, insbesondere aber auch flüssige Medien mit hoher Förderleistung
bi niedrigen Drehzahlen und relativ geringer Größe des Pumpengehäuses pumpen kann,
wobei die Kompression des zu pumpenden Mediums während des Pumpvorgangs weitgehend
adiabatisch erfolgen und eine hohe Abdichtung zwischen Aus- und Einlaßöffnung erzielt
werden soll.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch
1. Der erfindungsgemäße Grundgedanke macht es möglich, daß unter Beibehaltung eines
dichtenden Abrollens des Hauptläufers am Absperrläufer die Dichtansätze
des
Hauptläufers verhältnismäßig schlank ausgebildet werden können, so daß das Volumenverhältnis
des vom Körper des Hauptläufers beanspruchten Volumens zu dem zwischen den Dichtansätzen
eingeschlossenen und damit gepumpten Volumen besonders günstig wird.Gleichzeitig
wird mit zunehmender Zahl der Dichtansätze am Hauptläufer eine Vergleichmäßigung
der Strömung des gepumpten Fluids erreicht. Schließlich gewährleistet die Mehrzahl
von Dichtstellen zwischen jedem Dichtansatz und der Gehäusewand längs des tangentialen
Weges zwischen Einlaß und Auslaßöffnung eine besonders gute Abdichtung, so daß mit
der erfindungsgemäßen Konstruktion sehr günstige Verdichtungsverhältnisse erzielt
werden können. Weiterhin ist es durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung möglich,
auf eine Berührung zwischen Hauptläufer und Absperrläufer zu verzichten, ohne hierfür
eine wesentliche Beeinträchtigung der Förderleistung in Kauf nehmen zu müssen. Dies
bedeutet, daß die Herstellung hinsichtlich der zu berücksichtigenden Toleranzen
verhältnismäßig unkritisch ist und damit kostengünstig erfolgen kann, und daß zudem
der Einsatz von Gleitmitteln und dementsprechend auch von der Pumpe nachgeschalteten
ölabscheidern entbehrlich ist. Die erfindungsgemäßen Vorteile werden insbesondere
durch eine Dimensionierung wahrgenommen, wonach gilt n:mz 2.
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Die konstruktive Maßnahme gemäß Anspruch 2 gewährleistet eine berührungsfreie
Dichtung aufgrund des durch die erzeugten Wirbel entstehenden Strömungswiderstandes
nach Art einer Labyrinthdichtung.
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Anspruch 3 richtet sich auf eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Pumpe, wobei bei dieser Ausgestaltung
gemäß Anspruch 4 sichergestellt
wird, daß in der Bewegungsphase höchster Kompression des geförderten Mediums das
Gehäuseteil des Absperrläufers völlig gegen das Medium abgesperrt werden kann.
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Die Positionierung der Einlaßöffnung gemäß Anspruch 5 ermöglicht es,
daß der Absperrläufer zusätzlich zu seiner Absperrfunktion in gewissem Umfang auch
eine Förderfunktion übernimmt.
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Das Vorsehen eines druckgesteuerten Ventils in der Auslaßöffnung entsprechend
Anspruch 6 ermöglicht einen gesteuerten Druckaufbau und verhindert darüber hinaus
natürlich einen Rücklauf aus der Auslaßleitung.
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Anspruch 7 beschreibt eine Konstruktionsvariante, bei welcher zwar
eine radiale Ansaugung erfolgt, wobei an den tangentialen Transport des zu pumpenden
Mediums sich nach einem radialen Auslaß durch die Auslaßöffnung dann aber ein axialer
Weitertransport durch die Achse des Hauptläufers anschließt.
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Anspruch 8 betrifft eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der
Pumpe, bei welcher die Einlaßöffnungen im Inneren des Hauptläufers angeordnet sind.
Die Ansprüche 9 und 10 geben vorteilhafte Weiterbildungen dieser Ausführungsform
an.
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Weiter Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich
aus der nachfolgenden Beschreibung
zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele.
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Dabei zeigen Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine erste
Ausführungsform längs der Linie I-I in Fig. 5, Fig. 2 bis 5 einen Querschnitt durch
die Ausführungsform in verschiedenen Bewegungsphasen der Läufer mit zwei konstruktiven
Varianten, Fig. 6 bis 9 den Fig. 2 bis 5 entsprechende Darstellungen einer zweiten
Ausführungsform, Fig. 10 einen Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt längs der Linie
X-X in Fig. 11, und Fig. 11 bis 15 einen Querschnitt durch diese Ausführungsform
in verschienden Bewegungsphasen der Läufer.
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Die in den Fig.1 bis 5 dargestellte erste Ausführungsform weist ein
Gehäuse 1 auf, welches zwei Gehäuseteile 2 und 3 umfaßt. Die Gehäuseteile 2 und
3 sind im. Querschnitt mit einer kreisabschnittsförmigen Innenwand versehen, wobei
sich die den beiden Gehäuseteilen 2, 3 zuzuordnenden Kreisbögen überschneiden. Im
Mittelpunkt jedes dieser Kreisbögen ist ein Läufer drehbar um je eine durch je einen
Mittelpunkt gehende Achse 4, 5 gelagert. Der eine Läufer wird als Hauptläufer 6
und der andere Läufer als Absperrläufer 7 bezeichnet. Die Drehung von Hauptläufer
6 und Absperrläufer 7 wird ueber
eine Antriebswelle 8 über ineinandergreifende
Zahnräder 9 und lo korreliert. Die Läufer 6 und 7 sind im Gehäuse 1 in Lagern 11
gelagert.
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Der Absperrläufer 7 ist axial-symmetrisch zur Achse 12 bzw. zur Achse
13 ausgebildet. Er weist zwei Dichtansätze 14, 15 auf. Jeder Dichtansatz 14, 15
ist im Bereich um die Achse 13 mit einer zylinderabschnittsförmigen Dichtfläche
16, 17 versehen. Die Dichtflächen 16, 17 sind beiderseits durch Dichtkanten 18,
19 bzw. 20, 21 begrenzt. Von den Dichtkanten erstreckt sich bis zur kürzerep Symmetrieachse
12 des Absperrläufers 7 ein konvex gekrümmter Bereich, dessen Formgebung nach Maßgabe
der Ausbildung der Dichtansätze 22 des Hauptläufers 6 so ausgebildet ist, daß eine
dichtende Abrollung der Flächen 23 des Absperrkörpers an den Dichtansätzen 22 des
Hauptläufers 6 gewährleistet ist. Die Flächen 23 gehen über in einen konkaven Bereich
24, welcher zylinderabschnittsförmig ausgebildet ist. Der Absperrläufer 7 bewegt
sich im Gehäuseteil 2 in Drehrichtung des Pfeiles 25, wobei die Dichtfläche 16 den
gleichen Krümmungsradius wie das Gehäuseteil 2 aufweist und gegenüber diesem mit
einem nur äußerst geringen Abstand gelagert ist, so daß einerseits keine Reibung
auftritt, welche die Verwendung eines Gleitmittels erforderlich machen würde, und
andererseits praktisch doch eine Dichtung erfolgt. Die Dichtung kann noch dadurch
erhöht werden, daß in der Dichtfläche 16 Nuten ausgebildet sind, welche eine Verwirbelung
hervorrufen. Derartige Nuten sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in der Zeichnung
allerdings nicht dargestellt.
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Der Hauptläufer 6 umfaßt an einem Grundkörper 26 angeordnet sechs
Dichtansätze 22. Die Zahl n der Dichtansätze 22 am Hauptläufer 6 steht damit zur
Zahl m der Dichtansätze 14, 15 am Absperrläufer 7 im Verhältnis
n:m
= 6:2. Entsprechend ist das Übersetzungsverhältnis der antreibenden Zahnräder 9
bzw. 10 gewählt, d. h. der Absperrläufer 7 läuft dreimal so schnell wie der Hauptläufer
6.
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Die Dichtansätze des Hauptläufers 6 umfassen einen längsgestreckten
Bereich 27 mit geraden, zueinander parallelen Flanken, d. h. sie weisen eine im
Querschnitt rechteckige Grundform auf.
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Der Grundkörper 26 des Hauptläufers 6 weist eine innere Längsausnehmung
29 auf, welche nach außen geführt ist.
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Diese Längsausnehmung 29 ist über Auslaßöffnungen 30 jeweils mit dem
Zwischenraum 31 zwischen zwei Dichtansätzen 22 verbunden.
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Bei de£ in Fig. 2.bis 5 jeweils in der oberen Hälfte des Hauptläurers
6 dargestellten Ausführungsform ist in jeder Auslaßöffnung 30 ein druckanhängiges
Ventil 32 schematisch eingezeichnet.
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Im Gegensatz zu dieser druckabhängigen Steuerung ist bei der in der
unteren Zeichnungshälfte eingezeichneten Variante eine wegabhängige Steuerung vorgesehen.
Dort ist zwischen dem Grundkörper 26' des Hauptläufers 6 und der Längsausnehmung
29 ein Sperrkörper 33 mit Durchlaßöffnungen 34 vorgesehen. In Fig. 2 ist eine bestimmte
Durchlaßöffnung 34 a eingezeichnet. Die Durchlaßqffnungen 34 sind relativ zum Grundkörper
26' so angeordnet, daß sie entsprechend dem durch die Drehzahl n bzw. m von Hauptläufer
6 und Absperrläufer 7 vorgegebenen Pumprhythmus durch den Grundkörper 26' geöffnet
und geschlossen werden.
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Der Hauptläufer 6 dreht sich im Gehäuseteil 3 in Richtung der Pfeile
35, wobei wiederum zwischen den Enden 28
der Dichtansätze 22 und
der Innenwand des Gehäuseteils 3 ein minimales Spiel besteht. Auch im Bereich der
Enden 28 können Wirbelnuten zur Erhöhung der Dichtwirkung vorgesehen sein.
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In den Schnittbereich der Gehäuseteile 2 und 3 mündet die Einlaßöffnung
36 der Ausaugleitung 37.
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Die Arbeitsweise dieser Ausführungsform ist wie folgt: Ausgehend von
der in Fig. 2 dargestellten Position wurde durch die Einlaßöffnung 36 gerade das
zu pumpende Medium angesaugt und im Zwischenraum 31a eingeschlossen. Gleichzeitig
ist in dieser Position die Auslaßöffnung 30a in Deckung mit der Durchlaßöffnung
34a, so daß durch das Aufeinanderzubewegen des Dichtansatzes 15 und des Dichtansatzes
22a das Volumen im Zwischenraum 31a komprimiert und doppelkolbenähnlich in die Längsausnehmung
29 gedrückt wird.
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Bei der in Fig. 3 dargestellten Bewegungsphase ist der Zwischenraum
31a nun gegenüber der Einlaßöffnung 36 abgedichtet. Der Kreisradius des Endes 28
eines Dichtansatzes 22 liegt konzentrisch zum zylinderabschnittsflächenartigen Bereich
24 des Absperrläufers 7. Die Auslaßöffnung 30 des Zwischenraumes 31a' ist geschlossen.
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Das im Zwischenraum 31a befindliche Medium wird im Gehäuseteil 3 in
tangentialer Richtung transportiert.
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Bei der in Fig. 4 dargestellten Position verläßt gerade die Dichtfläche
16 des Absperrläufers 7 mit ihrer Dichtkante 20 das dichtende Verhältnis zum Gehäuseteil
2.
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Bei der in Fig. 5 dargestellten Position beginnt gerade die Auslaßphase,
d. h. die Auslaßöffnung 30a öffnet, sei es, weil der Grundkörper 26 die Durchlaßöffnung
34
des Sperrkörpers 33 freigibt, sei es, weil der Druckaufbau so
vorangeschritten ist, daß das entsprechende druckabhängig durchlassende Ventil 32
öffnet.
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Hinsichtlich des Bewegungsablaufes ist also festzustellen, daß die
Dichtkanten 18, 19 bzw. 20, 21 des Absperrläufers 7 abwechselnd dichtend eingreifen,
und daß jeweils ein Druckausgleich insbesondere der durch den Absperrläufer 7 eingeschlossenen
Volumina ermöglicht wird, bevor Toträume eingeschlossen werden, was der Förderkapazität
zuträglich ist.
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Zur Förderkapazität und zu dem erzielbaren Verdichtungsverhältnis
ist anzumerken, daß insoweit deshalb besonders günstige Werte erreicht werden können,
weil während der tangentialen Förderung eine Mehrfachdichtung durch die n Dichtabschnitte
22 gegenüber dem Gehäuseteil 3 bewerkstelligt wird, und weil die Zwischenräume 31
bzw.
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die entsprechenden Volumina im Verhältnis zu den Außenabmessungen
der Pumpe sehr groß dimensioniert werden können.
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Bei der in den Fig. 6 bis 9 dargestellten Ausführungsform ist der
grundsätzliche Aufbau des Gehäuses 1, der Ge-Gehäuseteile 2 und 3 und des Absperrläufers
7 der gleiche, wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform.
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Allerdings weist hier der Hauptläufer lediglich vier Dichtansätze
22 auf und der Grundkörper 26" ist nicht mit Auslaßöffnungen versehen, sondern eine
Auslaßöffnung 41 ist in das Gehäuseteil 3 mündend vorgesehen.
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In der Auslaßöffnung 41 ist ein druckabhängiges Ventil 37 angeordnet.
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Der Grundkörper 26"des Hauptläufers 6 weist in den Bereichen zwischen
zwei Dichtansätzen 22' Ausbuchtungen 38 auf, welche das Totvolumen zwischen Hauptläufer
6 und Absperrläufer 7 minimieren.
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Die Arbeitsweise ist grundsätzlich dieselbe, wie vorstehend bereits
beschrieben, so daß die Beschreibung relativ kurz gefaßt werden kann: In der in
Fig. 6 dargestellten Position wird gerade der Zwischenraum 39 zwischen zwei Dichtansätzen
22 im Bereich der Einlaßöffnung 36 eingeschlossen und das darin befindliche zu pumpende
Medium tangential transportiert. Auslaßseitig beginnt die Kompressionsphase, wobei
nach Erreichen des Öffnungsdruckes des Ventils 37 das gepumpte Medium nach außen
gefördert wird.
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Bei der in Fig. 7 dargestellten Position ist der Zwischenraum 39 bereits
vollständig abgeschlossen. Der eine Dichtansatz 22' liegt mit seinem runden Ende
28 konzentrisch zu der entsprechenden runden Ausbuchtung 24 des Absperrläufers 7.
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Bei der in Fig. 8 dargestellten Position beginnt gerade eine neue
Ansaugphase. Die Kompression am auslaßseitigen Ende ist maximal. Kurz nach dieser
Bewegungsphase erfolgt der Druckausgleich zwischen dem durch den Absperrläufer 7
eingeschlossenen Raum 40 und dem Auslaßbereich.
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Bei der Position gemäß Fig. 9 findet gerade ein Übergang zu einer
neuen Auslaßphase statt. Durch die Dimensionierung der Auslaßöffnung 41 können die
auslaßseitigen
Druckverhältnisse eingestellt werden, insbesondere
wenn kein Ventil 37 vorgesehen ist.
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Bei einer dritten, in den Fig. 10 bis 15 dargestellten Ausführungsform
ist vorgesehen, daß der Einlaß durch einen innen hohlen Hauptläufer 6" erfolgt.
Wie die Darstellung in Fig. 10 zeigt, sind bei dieser Ausführungsform ein Hauptläufer
6" und ein Absperrläufer 7 in einem gemeinsamen Pumpengehäuse 45 untergebracht.
Der Absperrläufer 7 ist entsprechend ausgebildet, wie in den vorhergehend beschriebenen
Ausführungsbeispielen.
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Er ist über eine-Welle 46 und eine Nabe 47 über jeweils zugeordnete
Lager 48 und 49 gelagert. Der Hauptläufer 6" ist über eine Welle 50, eine Nabe 51
über Lager 52, 53,54 und 55 gelagert. Die Welle 50 ist mit einem Zahnrad 56 und
die Welle 46 mit einem Zahnrad 57 versehen, welche ineinandergreifen und ein übersetzungsverhältnis
von 6:2 aufweisen. Der Grundkörper 58 des Hauptläufers 6" weist Durchlaßöffnungen
59 auf.
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Der Hauptläufer 6" ist an der Innenseite hohl ausgebildet, wobei dieser
Hohlraum von der Nabe 51 durchsetzt wird. Die Nabe 51 ist ihrerseits zylinderförmig
ausgebildet und mit einer einzelnen nicht dargestellten Einlaßleitung an der Eintrittsöffnung
60 verbunden. Aus dem Inneren 61 der Nabe 51 mündet eine Einlaßöffnung 62 in das
Innere des Pumpengehäuses 3. Da die Nabe 51 fest mit dem Gehäuse verbunden ist und
der Hauptläufer 6" sich um die Nabe 51 dreht, ist die Nabe 51 relativ zu dem Absperrläufer
7 bewegt und kann dementsprechend als Sperrkörper wirken, indem je nach Drehwinkel
dieE1aßöffnung 62 durch den Grundkörper 58 des Hauptläufers 6" versperrt ist oder
mit den Durchlaßöffnungen 59 zu Deckung kommt.
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Aus den Fig. 11 bis 15 ist ersichtlich, daß die Auslaßöffnung 63 im
Schnittbereich der Gehäuseteile 2, 3 angeordnet ist. Der Auslaßkanal 64 erstreckt
sich etwa senkrecht zur Verbindungsachse der Drehmittelpunkte von Hauptläufer 6"
und Absperrläufer 7. Der Auslaßkanal 64 erweitert sich strömungsgünstig nach außen.
Im Bereich der Auslaßöffnung 63 ist ein nur schematisch dargestelltes druckgesteuertes
Ventil 65 angeordnet, welches lediglich in Richtung des Pfeiles 66 durchläßt.
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Der Hauptläufer 6" und der Absperrläufer 7 sind von außen, wie im
einzelnen nicht dargestellt, sich gegenläufig drehend angetrieben. Die Drehrichtung
ist dabei umgekehrt wie in dem Ausführungsbeispiel, welches in den Fig.2 bis 5 dargestellt
ist. Sie wird durch die Pfeile 67 und 68 angegeben.
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Zur Arbeitsweise der Pumpe gemäß dieser Ausführungsform ist festzuhalten,
daß der grundsätzliche Abröllmechanismus und das Prinzip des wechselweisen Öffens
und Schließens der Auslaßöffnung genau denjenigen entsprechen, wie sie im Zusammenhang
mit der Ausführungsform gemäß Fig. 2 bis 5 genau beschrieben wurden. Der wesentliche
Unterschied besteht lediglich darin, daß das Innere 61 der Nabe 51 nicht als Auslaß,
sondern als Einlaß dient., wobei durch die beschriebene Lagerung des Hauptläufers
6" auf der Nabe 51 diese als Sperrkörper fungieren kann.
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Durch diese Ausgestaltung ergibt sich ein besonders günstiges Strömungsverhalten
im Auslaßbereich.
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In den Fig. 11 bis 15 sind verschiedene Bewegungsphasen festgehalten,
wobei sich die Längsachse 69 des Absperrläufers 7 in unterschiedlichen Winkelstellungen
befindet.
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Ausgehend von Fig. 11 erkennt man, wie das abgeschlossene Volumen
70 mit zunehmender Drehbewegung von Hauptläufer 6" und Absperrläufer 7 in Richtung
der Pfeile 67 bzw. 68 komprimiert wird, bis in der in Fig. 15 dargestellten Position
der maxiamale Druck auf das Volumen 70 ausgeübt wird und die darin enthaltene Flüssigkeit
unter Überwindung des druckgesteuerten Ventils65 in Richtung des Pfeiles 66 ausgestoßen
wird. Gleichzeitg erkennt man, daß ausgehend von der in Fig. 15 dargestellten Position
die Einlaßöffnung 62 in Deckung mit einer Durchtrittsöffnung 59 ist, so daß durch
die bei der Drehbewegung stattfindende Vergrößerung des Volumens 70 eine Saugwirkung
eintritt und Flüssigkeit durch die Einlaßöffnung 62 in das Innere des Gehäuses 2
gesaugt wird.