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Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Drehkolben-Verdrängerpumpen
nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Solch eine Pumpe ist aus der
US-A-3164099 bekannt.
Drehkolbenpumpen verschiedener Art sind bekannt, darunter sollen
Zahnradpumpen, Wälzkolbenpumpen
und Schneckenpumpen erwähnt
sein.
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Zahnradpumpen
bestehen allgemein aus zwei Zahnrädern mit geraden Zähnen, von
denen eines, das als Antriebszahnrad bekannt ist, mit einer Antriebswelle
verbunden ist und das andere Zahnrad, das als angetriebenes Zahnrad
bekannt ist, dreht. Ein Nachteil, der insbesondere bei den oben genannten
Zahnradpumpen aufgefallen ist, ist die Gefahr, dass das gepumpte
Fluid in den Räumen zwischen
den Profilen der Zähne
im Eingriffsbereich eingeschlossen und komprimiert wird und so zu
gefährlichen
lokalen Spannungsspitzen führt,
insbesondere, wenn das Fluid nicht komprimierbar ist. Um das Auftreten
des oben genannten Problems zu verhindern, ist es erforderlich,
besondere Konstruktionsausführungen
zu verwenden, die zum Beispiel in der Ausbildung von Aussparungen
in den Seitenwänden oder
Kopfelementen der Pumpe bestehen, die es dem eingeschlossenen Fluid
ermöglichen,
zum Auslass oder Einlass zu entweichen. Das Problem, das unten ausführlicher
besprochen wird und das sich aus dem Phänomen von Unregelmäßigkeiten
oder Pulsationen bei der Übertragung
des Fluids ergibt, ist auch bekannt. Diese Probleme verursachen
Lärm beim
Betrieb bekannter Pumpen. Mit einer Untersuchung der oben genannten
Probleme, die mit der Ausführung
von Zahnradpumpen in Verbindung stehen, befasst sich "C. Bonacini, Sulla
portata delle pompe ad ingranaggie, L'ingegnere, 1961 n. 9" (On the capacity of gear Pumps, The
Engineer, 1961, No. 9).
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Wälzkolbenpumpen
bestehen auch aus mindestens zwei Rotoren mit ineinander greifenden
Profilen, die sich innerhalb eines festgelegten Gehäuses drehen.
Wälzkolbenpumpen
mit ineinander greifenden Außenprofilen
weisen gegenüber
Zahnradpumpen den Vorteil auf, dass sie eine größere Verdrängung für einen eingenommenen gegebenen
Raum aufweisen, jedoch erfordern sie externe Vorrichtungen, zum
Beispiel ein zusätzliches
Paar Zahnräder, um
die Bewegung der Rotoren zu synchronisieren. Obgleich Wälzkolbenpumpen
mit ineinander greifenden Innenprofilen keine externen Synchronisationsvorrichtungen
erfordern, haben sie eine geringe spezifische Verdrängung und
im Allgemeinen ein mittelmäßiges Fördervolumen.
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Schneckenpumpen
implementieren das gleiche Flüssigkeitsübertragungssystem
in Axial- und Umfangsrichtung wie durch die oben genannten Zahnradpumpen
allein in einer Umfangsrichtung implementiert wird. Obgleich sie
gleichmäßige Strömungseigenschaften
aufweisen, sind Schneckenpumpen im Allgemeinen mit ähnlichen
Nachteilen behaftet wie Zahnradpumpen, insbesondere hinsichtlich
der Gefahr des Fluideinschlusses.
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Unter
besonderer Bezugnahme auf das Einschlussproblem wird eine Lösung hinsichtlich
der Anwendung auf dem Gebiet von Wälzkolbenpumpen in der eigenen
Patentschrift
IT-BO95A000095 beschrieben.
Diese Lösung
betrifft insbesondere, aber nicht ausschließlich, eine Konfiguration der
Profile der Rotorzähne
eines Roots-Verdichters,
so dass außer Herstellungsspiel
und -toleranzen in jeder relativen Winkelposition der Rotoren mindestens
eine Erzeugende des ersten Rotors mit nur einer Erzeugenden des
zweiten Rotors im Wesentlichen in Kontakt steht. Diese Konfiguration
der Rotorprofile verhindert die Bildung von eingeschlossenen Räumen zwischen den
Rotoren und die sich daraus ergebenden Nachteile, die davon herrühren. Die
gegenüber
obiger bevorzugte Lösung
löst jedoch
nicht das Hauptproblem von Wälzkolbenpupen,
das heißt
das Erfordernis der Bereitstellung eines externen Systems zum Antrieb und
zur Synchronisation der beiden Rotoren.
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In
jedem Fall weisen, wie oben angedeutet, alle obigen erwähnten Lösungen des
Stands der Technik das gemeinsame Problem von Lärm im Betrieb auf, der durch
momentane Oszillationen des Durchflusses über Zeit entsteht und besser
als Pulsationslärm
bekannt ist. Die oben genannten Oszillationen erzeugen eine pulsierende
Welle, die durch das Fluid auf die umliegende Umgebung und insbesondere
auf die Wände
der Pumpe, auf die Rohre und auf die Förderkanäle übertragen wird. Der erzeugte Lärm kann
sogar unvorhersagbare Pegel erreichen, wenn die oben genannten Glieder
mit der Oszillations- oder Pulsationsfrequenz in Resonanz kommen.
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Eine
Reihe von Untersuchungen und Tests hat gezeigt, dass diese Oszillationen
an sich auf die Konfiguration der Rotoren oder Zahnräder der
oben genannten Pumpen zurückzuführen sind,
die bei aufeinanderfolgenden Stadien ihres Eingriffs eine diskontinuierliche
Volumenänderung
erzeugen, die die Übertragung
von Fluid vom Einlass zum Auslass bewirkt. Mit anderen Worten, die
Pulsation ist auf die diskontinuierliche Änderung dieses Volumens in
Bezug auf Zeit oder eher in Bezug auf die relativen Winkelpositionen
der Rotoren zurückzuführen.
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Eine
zum Lösen
des oben genannten Problems vorgeschlagene Lösung besteht in der Bereitstellung
zweier identischer Drehkolben-Verdrängerpumpen, die parallel geschaltet
sind, so dass die von einer erzeugten Oszillationen in Gegenphase
zu den Oszillationen der anderen sind und diese somit zumindest
teilweise ausgleichen. Natürlich
besteht der Hauptnachteil dieser Lösung in ihrer besonderen strukturellen
Komplexität
und allgemein in ihren höheren
Kosten.
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Drehkolben-Verdrängerpumpe
bereitzustellen, die die Nachteile des Stands der Technik überwindet
und insbesondere Pulsationslärm
reduziert, ohne dass dies zu höheren
Kosten und zu struktureller Komplexität im Vergleich zu herkömmlicheren
Schnecken- oder Zahnradpumpen führt.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung
einer Pumpe, die gute Leckdichtigkeitseigenschaften besitzt, deren
Herstellung und Instandhaltung leicht und kostengünstig ist
und die eine gute Zuverlässigkeit über Zeit
aufweist, während
gleichzeitig Einschlussprobleme beseitigt werden.
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Um
die oben aufgezeigten Aufgaben zu lösen, ist Gegenstand der Erfindung
eine Drehkolben-Verdrängerpumpe
nach Anspruch 1.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden
ausführlichen
Beschreibung hervor, die rein als nicht einschränkendes Beispiel unter Bezugnahme
auf die angehängten Zeichnungen
beschrieben werden, darin zeigen:
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1 perspektivisch
ein Paar miteinander in Eingriff stehender Rotoren oder Zahnräder einer
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildeten Pumpe,
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2 einen
schematischen Längsschnitt durch
das Paar Rotoren von 1, der insbesondere das System
zum Ausgleich von Axialdrücken
des Paars Zahnräder
zeigt,
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3 einen
Querschnitt des Paars Rotoren von 1 in einer
ersten winkelförmigen
Eingriffsposition,
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4 einen
Schnitt ähnlich
dem von 2, der das Paar Rotoren in einer
zweiten winkelförmigen Eingriffsposition
zeigt, und
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5 das
Paar Rotoren von 2 in einer dritten Eingriffsposition.
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Nunmehr
auf die 1 und 2 Bezug nehmend,
umfasst eine Drehkolben-Verdrängerpumpe
ein erstes Zahnrad oder einen ersten Rotor 10 und ein zweites
Zahnrad oder einen zweiten Rotor 11. Das erste Zahnrad 10 ist
integral oder mittels einer in der Technik allgemein bekannten Befestigung
mit einer Antriebswelle 12 verbunden, die von einem (nicht gezeigten)
Antriebsglied angetrieben wird, wenn die Pumpe im Gebrauch ist.
Das zweite Zahnrad 11 steht mit dem ersten Zahnrad in Eingriff
und wird im Gebrauch dadurch gedreht. Beide Zahnräder 10, 11 weisen
Schäfte
oder Wellen 13, 14a, 14b auf, die ähnlich wie
die Antriebswelle 12 drehbar leckdicht in Kopfelementen 15 angebracht
sind, von denen der Übersicht
der Darstellung halber nur eines in 1 gezeigt
wird. Wie auf dem Gebiet der Drehkolbenpumpen wohlbekannt ist, sind
die Zahnräder 10, 11 in
einem (nicht gezeigten) Gehäuse
eingeschlossen, das eine Einlassöffnung
und eine Auslassöffnung
für das zu
pumpende Fluid enthält.
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Jedes
Zahnrad
10,
11 weist eine Reihe von Umfangszähnen
16a,
16b mit
identischen Profilen auf, die vorzugsweise gemäß den Lehren der Patentschrift
IT-BO95A000095 und in jedem
Fall so hergestellt sind, dass sie das Fehlen von Fluideinschlussbereichen
für jede
relative Winkelposition der Zahnräder gewährleisten. Obgleich auch andere
Zahnradprofile bekannt sind, die das oben genannte Erfordernis eines
fehlenden Einschlusses erfüllen,
insbesondere jene, die in Wälzkolbenpumpen verwendet
werden, kommt in Betracht, dass das Profil der eigenen oben genannten
Patentschrift die bevorzugte Lösung für die vorliegende
Erfindung für
einen gegebenen eingenommenen Raum darstellt; es ermöglicht die Herstellung
von Zähnen
mit einer größeren Höhe und somit
das Erzielen von größeren Durchflössen. Des Weiteren
ist das vorzugsweise verwendete Profil in dem Teil in der Nähe des Teilkreises
in dem Bereich, in dem der Antrieb von dem Antriebszahnrad
10 auf das
angetriebene Zahnrad
11 übertragen wird, im Querschnitt
ein Evolvententeil, um zum Beispiel das Profil zufriedenstellend
unempfindlich für Änderungen
des interaxialen Abstands zwischen den beiden Zahnrädern
10,
11 zu
gestalten. Schließlich
lässt sich das
vorzugsweise gewählte
Profil leicht herstellen, da es im Gegensatz zu zum Beispiel "Zykloiden"-Profilen insbesondere
in der Nähe
des Teilkreises keine Teile mit auf null gehenden Krümmungsradien
aufweist.
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Die
Anzahl der Zähne 16a, 16b jedes
Zahnrads 10, 11 beträgt sieben, so dass das Ineingriffbringen
und Antreiben des angetriebenen Zahnrads 11 durch das Antriebszahnrad 10 in
jeder beliebigen Winkelposition gewährleistet werden kann, ohne
jedoch den durch die Zähne
innerhalb des Pumpengehäuses
eingenommenen Raum und somit die Leistung der Pumpe zu stark einzuschränken.
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Die
Zähne 16a, 16b erstrecken
sich schraubenförmig
entlang der Höhe
jedes Zahnrads 10, 11 mit einer Flächenüberlappung,
die im Wesentlichen eins oder nahe eins ist, das heißt, mit
anderen Worten, mit einer axialen Teilung zwischen zwei aufeinanderfolgenden
Zähnen
gleich oder nahe der Höhe des
Zahnrads in Richtung seiner Drehachse. Dank dieser Konfiguration
ist der Querschnitt eines Zahns 16a oder 16b in
Höhe einer
Stirnseite 17a, 17b des jeweiligen Zahnrads 10, 11 entlang
einer parallel zur Drehachse des Zahnrads verlaufenden Achse im Wesentlichen
auf den Querschnitt eines benachbarten Zahns 16a, 16b in
Höhe der
anderen Stirnseite 18a, 18b des jeweiligen Zahnrads 10, 11 ausgerichtet.
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2 zeigt
ausführlich
eine Lösung
zum Ausgleich der Axialdrücke,
die bekanntermaßen durch
das Paar Schrägstirnräder 10, 11 und
durch die räumliche
Konfiguration der Zähne,
die Druckschwankungen ausgesetzt sind, erzeugt werden. Insbesondere
liegen die Enden der Wellen oder Schäfte 13, 14a an
einem Paar jeweilige Anlagezapfen 19, 20 an, die
so angebracht sind, dass sie in Axialrichtung leckdicht bezüglich in
einem Flansch 23 ausgebildeten Axialgehäusen 21, 22 verschiebbar
sind. Die von den Wellen oder Schäften 13, 14a entfernten
Enden der Anlagezapfen 19, 20 weisen zu einer
gemeinsamen Kammer 24, die in einer Verschlussplatte 25 ausgebildet
ist und im Gebrauch vorzugsweise mit dem Auslass der Drehkolbenpumpe
in Verbindung steht. Durch Einwirken auf die Anlagezapfen 19, 20 wirkt
das die Kammer 24 einnehmende Druckfluid somit dem durch
die Zahnräder 10, 11 erzeugten
Axialdruck entgegen. Wenn der Druck in der Kammer 24 durch
die Pumpe selbst erzeugt wird, wie bevorzugt wird, wird der Ausgleich
der Axialdrücke
automatisch reguliert und behält
seine Wirksamkeit bei Druckschwankungen.
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Die 3 bis 5 zeigen
im Querschnitt bezüglich
der Drehachse der Zahnräder 10, 11 die durch
die Zähne 16a, 16b in
aufeinanderfolgenden Eingriffsmomenten eingenommenen Positionen.
Es ist deutlich zu sehen, dass zwischen den Zahnsätzen der
Zahnräder 10, 11 zu
keinem Zeitpunkt geschlossene Räume
gebildet werden, insbesondere in der in 4 gezeigten
Position, die hingegen bei Pumpen mit herkömmlichen Zahnrädern zu
der problematischen Erzeugung solch eines geschlossenen Raums führt, der
durch die Seiten der Zähne
definiert wird, die entlang zwei Teillinien in Kontakt kommen.
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Dank
der Konfiguration der Zahnräder 10, 11,
die insgesamt ein Paar Schrägstirnräder mit
einer Flächenüberlappung
von eins oder nahe eins definiert, stellen die 3 bis 5 auch
die Konfigurationen dar, die durch die Zähne 16a, 16b zum
gleichen Zeitpunkt, aber in verschiedenen entlang der Höhe der Zahnräder 10, 11 identifizierten
Querebenen eingenommen werden. Mit anderen Worten, wenn Querschnitte
nach und nach entlang der gesamten Flächenhöhe des Zahnradpaars genommen werden,
werden alle möglichen
Eingriffskonfigurationen zwischen den Zahnrädern gefunden, und alle diese
Konfigurationen können
deshalb verwendet werden, weil es in dem Eingriff an den Füßen der Zähne keine
Diskontinuität
gibt, das heißt
es gibt keinen Einschluss. Diese Tatsache, die für die vorliegende Erfindung
von entscheidender Bedeutung ist, führt dazu, dass es in der Volumenänderung,
die die Fluidübertragung
von dem Einlass zum Auslass bewirkt, zu keinen Diskontinuitäten kommt,
wenn die Pumpe in Betrieb ist, was dazu führt, dass außer Arbeitstoleranzen
und Herstellungsimperfektionen der Zahnräder 10, 11 die
Oszillationen des Fluiddurchflusses aufgehoben oder im Vergleich
zu dem, was bei herkömmlichen
Pumpen erreicht werden kann, zumindest bedeutend reduziert werden.
Ein solches Ergebnis kann nicht einfach durch die Verwendung von Schrägverzahnung
bei herkömmlichen
Zahnradpumpen erreicht werden, da die Herstellung eines Paars Schrägstirnräder mit
einer Flächenüberlappung,
die gleich eins oder in jedem Fall ziemlich übertrieben ist, die Gefahr
mit sich brächte,
dass zwischen dem Einlass und dem Auslass für bestimmte Winkelpositionen
der Zähne
ein Durchgang geöffnet
werden würde,
was zu einem nicht akzeptablen Abfall des Fördervolumens und der Leistung
der Pumpe führen würde. Des
Weiteren gibt es bei herkömmlichen Zahnradpumpen
einen Zahnteil mit Eingriffsdiskontinuität, bei dem der Kopf eines Zahns
von dem Fuß des
damit in Eingriff stehenden Zahns gelöst ist, so dass sich eine Pulsation
ergeben würde, selbst
wenn eine Flächenüberlappung
nahe eins erreicht werden könnte,
um das Problem des Durchgangs zwischen dem Auslass und dem Einlass
zu lösen.
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Die
besondere Kombination der vorliegenden Erfindung, die aus der kombinierten
Verwendung von Schrägverzahnung
und einschlussfreien Zahnprofilen besteht, gestattet die Herstellung
von Drehkolben-Verdrängerpumpen,
die im Vergleich zu zuvor bekannten Pumpen entscheidend verbessert
sind, und zwar insbesondere hinsichtlich der sich ergebenden Verringerung
von Pulsation und Lärm.