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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Pumpe und insbesondere
auf eine Pumpe, bei welcher der Pumpbetrieb mit Hilfe von mindestens zwei
ineinander greifenden Schraubengängen
bewerkstelligt wird, d.h. mit einer ineinander greifenden Schraubenpumpe,
wie sie in der US-Patentschrift A-2 693 763 beschrieben wird.
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Pumpen,
bei denen das geförderte
Strömungsmittel
zwischen den Schraubengängen
auf einem oder mehreren Rotoren in der Weise mitgeführt wird,
dass die Flüssigkeit
in einer Richtung verschoben wird, die parallel zur Drehachse des
bzw. jedes Rotors verläuft,
sind bekannt und werden ganz allgemein als Schraubenpumpen bezeichnet.
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In
den Fällen,
in denen mehr als ein Rotor vorgesehen ist, ist diese Pumpe ganz
allgemein als ineinander greifende bzw. kämmende Schraubenpumpe bekannt.
In diesem Fall ist ein Rotor mit einer oder mehreren spiralförmigen Ausnehmungen
und ein weiterer Rotor mit einer oder mehreren entsprechenden schraubenförmigen Kanten
vorgesehen. Im typischen Fall wird einer der Rotoren (der Antriebsrotor)
von einem Elektromotor angetrieben, der bei Aktivierung den Antriebsrotor
zu einer Umlaufbewegung entlang seiner Längsachse veranlasst. Die Rotoren
sind in der Weise in einem Gehäuse
untergebracht, dass ihre spiralförmigen
Schraubengänge
ineinander greifen und die Umlaufbewegung des Antriebsrotors den
anderen Rotor bzw. die anderen Rotoren (den bzw. die Mitläuferrotoren)
zu einer Umlaufbewegung um seine bzw. ihre Längsachse(n) veranlasst.
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Das
Strömungsmittel
wird an einem Einlauf- oder Ansaugende der Pumpe zwischen den gegenläufig umlaufenden
Schraubengängen
eingesaugt. Während
die Rotoren umlaufen, bildet der kämmende Eingriff zwischen den
Schraubengängen
Strömungsmittelkammern,
die von den Schraubengängen
und dem Gehäuse
begrenzt werden. Das Strömungsmittel
fängt sich
in den Strömungsmittelkammern
und die weiterlaufende Umlaufbewegung der Schraubengänge veranlasst
die Strömungsmittelkammern
zur Bewegung vom Einlassende der Pumpe zu dem unter hohem Druck
stehenden Auslassende der Pumpe. Das Strömungsmittel wird am Auslassende
aus den Strömungsmittelkammern
aus der Pumpe ausgeschoben.
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Bekanntlich
wird der Druck des aus einer derartigen Pumpe ausgetragenen Strömungsmittels dadurch
erhöht,
dass die Länge
der Schrauben vergrößert wird,
und infolgedessen besteht bei den bekannten Hochdruck-Schraubenpumpen
die Neigung zu relativ großer
Länge,
weshalb sie für
den Einsatz in Anwendungsbereichen ungeeignet sind, in denen ein
hoher Förderdruck
und eine kompakte Pumpe erforderlich sind, zum Beispiel im Kraftfahrzeugsektor, wo
der freie Platz im Motorraum beschränkt ist.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung sehen wir eine Pumpe vor, die mindestens
drei Rotoren umfasst, welche jeweils mit einem im Allgemeinen spiralförmigen Schraubengang
versehen sind, wobei die Rotoren zur Ausführung einer Drehbewegung in
einem Gehäuse
derart gelagert sind, dass die Schraubengänge der Rotoren kämmen und
die Drehbewegung eines Rotors die Drehbewegung der anderen Rotoren
bewirkt, bei welcher der Abstand der Schraubengänge kleiner als das 1,6-Fache
des Außendurchmessers
der Rotoren ist oder, wenn einer der Rotoren einen größeren Durchmesser
als die anderen Rotoren hat, des Außendurchmessers des durchmessergrößeren Rotors,
und die Gangtiefe der Schraubengänge
kleiner als das 0,2-Fache des Außendurchmessers der Rotoren
oder des durchmessergrößeren Rotors
ist.
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Bei
bekannten kämmenden
Schraubenpumpen entspricht der Abstand der Schraubengänge, d.h.
der axiale Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf benachbarten
Windungen des Schraubengangs, im typischen Fall dem Doppelten des
Außendurchmessers
der Rotoren oder des durchmessergrößeren Rotors und kann bis zum
2,4-Fachen des Außendurchmessers
der Rotoren oder des durchmessergrößeren Rotors betragen. Somit
werden bei einer vorgegebenen Pumpenlänge gemäß der Erfindung in einer Pumpe
mehr Strömungsmittelkammern
gebildet als bei einer herkömmlichen
Pumpe, was bedeutet, dass bei einer vorgegebenen Anzahl von Strömungsmittelkammern
eine erfindungsgemäße Pumpe
kürzer
ist als eine herkömmliche Pumpe.
Da der Druck des aus einer kämmenden Schraubenpumpe
austretenden Strömungsmittels teilweise
von der Anzahl der Strömungsmittelkammern
abhängig
ist, die von den Schraubengängen der
Rotoren gebildet werden, kann bei einem vorgegebenen Druck eine
erfindungsgemäße Pumpe
kürzer
als eine herkömmliche
Pumpe sein. Somit lässt sich
dank der Erfindung eine Schraubenpumpe herstellen, die in der Lage
ist, ein Strömungsmittel
unter hohem Druck zu fördern,
und die sich für
den Einsatz in be grenzten Räumen
besser eignet, wie sie zum Beispiel im Motorraum eines Kraftfahrzeugs
anzutreffen sind.
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Vorzugsweise
beträgt
der Abstand der Schraubengänge
weniger als das 1,2-Fache des Außendurchmessers der Rotoren
oder des durchmessergrößeren Rotors.
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Der
Abstand zwischen den Schraubengängen
kann kleiner als der Außendurchmesser
des durchmessergrößeren Rotors
sein und zum Beispiel dem 0,75-Fachen des Außendurchmessers der Rotoren
oder des durchmessergrößeren Rotors
betragen.
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Der
Abstand der Schraubengänge
beläuft sich
dabei vorzugsweise mindestens auf das 0,5-Fache des Außendurchmessers
des Rotors oder des durchmessergrößeren Rotors.
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Bei
herkömmlichen
Schraubenpumpen ist die Gangtiefe der Schraubengänge größer als das 0,2-Fache des Durchmessers
des durchmessergrößeren Rotors.
Zwar senkt eine Verringerung der Gangtiefe das Volumen jeder Strömungsmittelkammer
und neigt damit dazu, die volumetrische Förderleistung der Pumpe zu senken,
doch erbringt der Einsatz einer geringeren Gangtiefe spezielle Vorteile.
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Ein
Vorteil der Verringerung der Gangtiefe besteht darin, dass die kleinere
Gangtiefe auch die Fläche
der Leckwege verringert, welche ein Austreten des Strömungsmittels
aus den Strömungsmittelkammern
ermöglichen,
wodurch der Austritt aus den Strömungsmittelkammern
geringer wird und sich damit die volumetrische Leistung der Pumpe
erhöht. Außerdem kann
bei einem vorgegebenen Grunddurchmesser des Rotors (d.h. des Außendurchmessers
des Rotors minus der zweifachen Gangtiefe) der Gesamtdurchmesser
einer erfindungsgemäßen Pumpe
verkleinert werden. Rotoren mit Schraubengängen von geringerer Gangtiefe
lassen sich außerdem
leichter und damit zu geringeren Kosten maschinell bearbeiten. Somit
kann eine kompaktere und leistungsfähigere Pumpe zu geringeren
Herstellungskosten produziert werden.
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Jede
Verringerung im Fördervolumen
lässt sich
durch Erhöhung
der Umlaufgeschwindigkeit der Rotoren ausgleichen.
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Vorzugsweise
beträgt
die Gangtiefe der Schraubengänge
weniger als das 0,175-Fache des Außendurchmessers der Rotoren
oder des durchmessergrößeren Rotors.
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Die
Gangtiefe der Schraubengänge
kann weniger als das 0,15-Fache des Außendurchmessers der Rotoren
oder des durchmessergrößeren Rotors
betragen.
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Vorzugsweise
beläuft
sich die Gangtiefe der Schraubengänge auf wenigstens das 0,1-Fache des Außendurchmessers
der Rotoren oder des durchmessergrößeren Rotors.
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Vorzugsweise
ist jeder Rotor mit zwei im Allgemeinen spiralförmigen Zwischenschraubengängen versehen.
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Vorzugsweise
besitzt einer der Rotoren einen anderen Außendurchmesser als die anderen
Rotoren.
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Die
Pumpe kann drei Rotoren umfassen, die jeweils mit einem im Allgemeinen
spiralförmig
verlaufenden Schraubengang versehen sind, wobei die Rotoren derart
angeordnet sind, dass ein zentraler Rotor zwischen den beiden anderen äußeren Rotoren liegt
und die Schraubengänge
derart mit einander kämmen,
dass die Umlaufbewegung eines Rotors die Drehbewegung der anderen
Rotoren veranlasst, wobei der Schraubengang des zentralen Rotors
eine im Allgemeinen spiralförmige
Ausnehmung ist, die sich radial zu dem zentralen Rotor erstreckt,
und wobei der Schraubengang der äußeren Rotoren
eine im Allgemeinen spiralförmige
Kante darstellt, welche von dem Rotor radial nach außen verläuft, und
wobei der Außendurchmesser
des zentralen Rotors kleiner ist als der Außendurchmesser der äußeren Rotoren.
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Bei
einer derartigen Pumpe werden zwischen dem Schraubengang bzw. den
Schraubengängen
der äußeren Rotoren
und dem Pumpengehäuse die
hauptsächlichen
Strömungsmittelkammern
gebildet; da außerdem
zwei derartige Rotoren vorgesehen sind, sind doppelt so viele Hauptkammern
zur Strömungsmittelförderung
wie bei einer herkömmlichen
Schraubenpumpe vorhanden. Somit kann dank der Ausbildung von äußeren Rotoren
mit größerem Durchmesser
die volumetrische Förderleistung
der Pumpe erhöht
werden.
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Auch
wenn die volumetrische Förderleistung der
Pumpe dadurch gesteigert werden kann, dass die Gangtiefe vergrößert wird,
da sich auf diese Weise auch das Volumen der Hauptkammern zur Strömungsmittelförderung
vergrößert, wurde
doch festge stellt, dass sich dies nachteilig auf die volumetrische
Förderleistung
der Pumpe auswirkt. Dank dieser Ausführungsform der Erfindung kann
bei einer vorgegebenen Fördergeschwindigkeit
die das Fördervolumen
der Pumpe gesteigert werden, während immer
noch eine zufrieden stellende volumetrische Leistungsfähigkeit
beibehalten wird.
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Da
außerdem
die Rotoren neben einander angeordnet sind, lässt sich die Anzahl der Hauptkammern
zur Strömungsmittelförderung
verdoppeln und somit kann das Fördervolumen
der Pumpe erhöht werden,
ohne die Länge
der Pumpe zu vergrößern. Eine
Verringerung des Außendurchmessers
des zentralen Rotors relativ zum Außendurchmesser der äußeren Rotoren
verringert den Gesamtdurchmesser der Pumpe und somit wird eine Pumpenbaugruppe gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung besonders kompakt.
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Die
Pumpe kann drei Rotoren umfassen, von denen jeder mit einem im Allgemeinen
spiralförmigen Schraubengang
versehen ist, wobei die Rotoren in der Weise angeordnet sind, dass
zwischen den anderen beiden äußeren Rotoren
ein zentraler Rotor liegt und dass die Schraubengänge derart
mit einander kämmen,
dass die Umlaufbewegung eines Rotors die Drehbewegung der anderen
Rotoren veranlasst, wobei der Schraubengang auf dem zentralen Rotor
eine im Allgemeinen spiralförmige
Kante darstellt, die sich vom zentralen Rotor aus radial nach außen erstreckt,
und der Schraubengang auf den äußeren Rotoren
eine im Allgemeinen spiralförmig
verlaufende Ausnehmung ist, welche sich von dem Rotor radial nach
innen erstreckt, und wobei der Außendurchmesser des zentralen
Rotors größer als
der Außendurchmesser
der äußeren Rotoren
ist.
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Nachstehend
werden nun Ausführungsbeispiele
der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen
beschrieben, in denen:
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1 eine
Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Pumpe im Schnitt zeigt;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
der Rotoren der Pumpe aus 1 zeigt,
wobei die Rotoren in einer Position außer Betrieb neben einander
angeordnet sind;
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3 einen
Endquerschnitt durch die Rotoren der in 1 dargestellten
Pumpe zeigt;
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4 die
Rotoren bei einem zweiten Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Pumpe
darstellt, und
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5 einen
Endquerschnitt durch die Rotoren bei dem zweiten Ausführungsbeispiel
der Pumpe zeigt.
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Es
wird nun auf die 1, 2 und 3 verwiesen,
in denen eine Pumpe 10 mit einem zentralen Antriebsrotor 12 und
zwei Mitläuferrotoren 14a, 14b dargestellt
ist, die alle zur Ausführung
einer Umlaufbewegung um ihre Längsachse
in einem Gehäuse 16 gelagert
sind. Der Antriebsrotor 12 ist mittels einer Antriebswelle 18 mit
einer Antriebseinrichtung – in
diesem Fall einem (hier nicht dargestellten) Elektromotor – verbunden,
die dann, wenn sie in Betrieb gesetzt wird, den Antriebsrotor 12 zur
Umlaufbewegung um seine Längsachse
A veranlasst. Die Antriebswelle 18 ist in einer Lagerbaugruppe 28 gelagert.
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Der
Antriebsrotor 12 besitzt dabei einen größeren Außendurchmesser als die beiden
mitlaufenden Rotoren 14a, 14b.
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Jeder
Rotor 12, 14a, 14b ist dabei mit einem im
Allgemeinen spiralförmigen
Schraubengang versehen und die Rotoren 12, 14a, 14b sind
in dem Gehäuse 16 angeordnet,
wobei der Antriebsrotor 12 zwischen den beiden mitlaufenden
Rotoren 14a, 14b in der Weise liegt, dass die
Schraubengänge
mit einander kämmen.
Die Längsachsen
A, B und C der Rotoren 12, 14a verlaufen im Allgemeinen
parallel und damit veranlasst die Umlaufbewegung der Antriebsschraube
um die Achse A die mitlaufenden Rotoren 14a, 14b zur
Umdrehung um ihre jeweilige Längsachse
B bzw. C.
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Bei
diesem Beispiel sind alle Rotoren 12, 14a, 14b mit
zwei im Allgemeinen spiralförmigen Schraubengängen bzw.
Schneckengängen
versehen, die sich jeweils im Wesentlichen entlang der gesamten
Länge des
Rotors 12, 14a, 14b erstrecken und so
dazwischen gesetzt sind, dass bei Blickrichtung auf den Rotor 12, 14a, 14b im
Querschnitt, wie in 3 dargestellt, ein Schraubengang
diametral dem anderen gegenüber
liegt. Der Antriebsrotor 12 hat die Form einer im Allgemeinen
zylinderförmigen Welle 22 mit
den Schraubengängen 20, 20', nämlich zwei
im Allgemeinen spiralförmigen
Kanten, die um die Welle 22 radial nach außen verlaufen.
Die mitlaufenden Rotoren 14a, 14b besitzen jeweils
die Form einer im Allgemeinen zylinderförmigen Welle 24a, 24b mit
den Schraubengängen 26a, 26a', 26b, 26b', und zwar in
Form von zwei im Allgemeinen spiralförmigen Ausnehmungen, die radial
nach innen in jede Welle 24a, 24b verlaufen.
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Im
Pumpengehäuse 16 ist
nahe einem ersten Ende der Rotoren 12, 14a, 14b eine
(hier nicht dargestellte) Einlassöffnung vorgesehen, und nahe einem
zweiten gegenüber
liegenden Ende der Rotoren 12, 14a, 14b ist
eine Auslassöffnung 16 im
Pumpengehäuse 16 ausgebildet.
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Die
Pumpe arbeitet nun folgendermaßen:
Der
Motor wird in Betrieb genommen, um die Umlaufbewegung des Antriebsrotors 12 um
die Achse A herbeizuführen,
die ihrerseits eine Drehung der mitlaufenden Rotoren 14a, 14b im
Gehäuse 16 um
die Achse B bzw. die Achse C veranlasst. Das Strömungsmittel wird in den Einlass 28 zwischen
den Schraubengängen 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b' an den ersten
Enden der Rotoren angesaugt. Während
sich die Rotoren drehen, bildet der kämmende Eingriff zwischen den
Schraubengängen
Strömungsmittelkammern,
die von dem jeweiligen Schraubengrund R, den Schraubengangflanken
F und dem Pumpengehäuse 6 begrenzt
werden. Das Strömungsmittel
fängt sich
in den Strömungsmittelkammern
und eine fortlaufende Umlaufbewegung der Schrauben veranlasst die
Strömungsmittelkammern
zu einer Bewegung vom ersten Ende der Rotoren 12, 14a, 14b zum zweiten
Ende der Rotoren 12, 14a, 14b. Über die Auslassöffnung 30 wird
infolge der Verlagerung des Strömungsmittels
aus der Strömungsmittelkammer das
Strömungsmittel
aus der Pumpe 10 ausgeschoben, da die Schraubengänge am zweiten
Ende der Rotoren 12, 14a, 14b ineinander
greifen.
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Die
Steighöhe
jedes Schraubenganges 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b', d.h. der Abstand
zwischen einander entsprechenden Punkten auf benachbarten Gängen jedes
der Schraubengänge 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b', die mit P
in 2 eingezeichnet ist, beträgt weniger als das 1,6-Fache
des Außendurchmessers
des Antriebsrotors, der mit OD in 3 gekennzeichnet
ist, und beläuft
sich vorzugsweise auf weniger als den Außendurchmesser OD des Antriebsrotors,
aber entsprich wenigstens dem 0,5-Fachen des Außendurchmessers OD des Antriebsrotors 12.
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Bei
einem Antriebsrotor mit einem Außendurchmesser OD von 10 mm
bis 12 mm und einem Außendurchmesser
OD der mitlaufenden Rotoren von rund 7,2 mm liegt der Abstand P
der Schraubengänge 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b' im typischen
Fall im Bereich zwischen 6 und 9 mm.
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Die
Tiefe jedes Schraubengangs 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b', die in 3 mit
TD bezeichnet ist, beträgt
weniger als das 0,2-Fache des Außendurchmessers des Antriebsrotors 12.
Bei diesem Beispiel liegt der Außendurchmesser OD des Antriebsrotors 12 zwischen
10 mm und 12 mm und die Gangtiefe TD zwischen 1,4 und 1,7 mm einschließlich.
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Bei
bekannten kämmenden
Schraubenpumpen entspricht der Abstand P zwischen den Schraubengängen 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b' im typischen Fall
dem Doppelten des Außendurchmessers
OD des Antriebsrotors 12 und kann sich auf bis zum 2,4-Fachen des Außendurchmessers
OD des Antriebsrotors 12 belaufen, wohingegen die Gangtiefe TD
das 0,2-Fache des Außendurchmessers
OD des Antriebsrotors beträgt.
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Somit
werden bei einer vorgegebenen Pumpenlänge in der erfindungsgemäßen Pumpe 10 mehr Strömungsmittelkammern
als bei einer herkömmlichen
Pumpe gebildet, oder anders ausgedrückt: bei einer vorgegebenen
Anzahl von Strömungsmittelkammern
ist die Pumpe 10 kürzer
als eine herkömmliche
Pumpe. Da der Druck des aus einer kämmenden Schraubenpumpe 10 austretenden
Strömungsmittels
von der Anzahl der Strömungsmittelkammern abhängig ist,
die von den Schraubengängen 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b' der Rotoren 12, 14a, 14b bei
einer Förderung
unter einem vorgegebenen Druck gebildet werden, kann die Pumpe 10 kürzer als
eine herkömmliche
Pumpe sein.
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Da
außerdem
die Gangtiefe TD geringer ist als bei einer herkömmlichen Pumpe, kann bei einem vorgegebenen
Grunddurchmesser RD des Antriebsrotors 12 der Gesamtdurchmesser
der Pumpe kleiner als bei einer herkömmlichen Pumpe sein.
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Somit
lässt sich
die Pumpe 10 dort einsetzen, wo der freie Raum beschränkt ist,
wie bei Einsatzbereichen in Kraftfahrzeugen, zum Beispiel bei einem
elektrisch betriebenen Antriebsaggregat, bei dem die Pumpe in Betrieb
gesetzt wird, um ein Strömungsmittel
unter Druck zu erzeugen und das unter Druck stehende Strömungsmittel
dazu verwendet wird, ein Betätigungsteil
in Bewegung zu versetzen. Ein derartiges elektrisch angetriebenes
Antriebsaggregat ist unter Umständen
für Einsatzzwecke
wie in einer Servolenkung erforderlich.
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Die
Verwendung einer Schraubenpumpe ist bei solchen Einsatzgebieten
von Vorteil, da im Vergleich zu beispielsweise Flügel- und
Getriebepumpen Schraubenpumpen vergleichsweise leise sind und nur
einen relativ kleinen Elektromotor benötigen, um mit den hohen Geschwindigkeiten,
z.B. mit 7.500 UpM, umzulaufen, die erforderlich sind, um das für diese
Einsatzgebiete benötigte
Fördervolumen
an Strömungsmittel
zu erzeugen.
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Die
vorstehend beschriebene Verringerung der Gangtiefe TD führt zu der
Konsequenz, dass das Volumen jeder Strömungsmittelkammer in der Pumpe 10 verringert
wird, was wiederum das Fördervolumen
der Pumpe verringert, wenn diese mit einer bestimmten Geschwindigkeit
arbeitet; dies lässt
sich jedoch durch Erhöhung
der Umlaufgeschwindigkeit der Pumpe wieder ausgleichen.
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Die
Verwendung der vorstehend beschriebenen Form der Schraubengänge verbessert
außerdem
die Leistung der Pumpe 10. Eine Schraubenpumpe, bei der
eine herkömmliche
Form der Schraubengänge
zum Einsatz kommt, die zur Bildung einer Pumpe mit den gleichen
Abmessungen wie eine Pumpe 10 gemäß der Erfindung verkleinert
wurde, arbeitete mit einer Leistungsfähigkeit von unter 20 %, wohingegen
bei Verwendung der vorstehend beschriebenen Form der Schraubengänge eine
vergleichsweise hohe Leistungsfähigkeit
(über 60
%) erreicht wurde.
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Während des
Betriebs der Pumpe 10 kommt es entlang der Austrittspfade
zwischen den Flanken F der ineinander kämmenden Strömungsmittelkammern und zwischen
den außen
liegenden Flächen der
Rotoren 20, 14a, 14b und dem Gehäuse 16 oder den
Gewindegründen
R zum Austreten von Strömungsmittel
aus den Strömungsmittelkammern 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b'. Ein derartiges
Austreten verringert die Leistung der Pumpe 10.
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Durch
eine Verringerung der Gangtiefe TD verringert sich die Größe des Austrittspfads
zwischen den Flanken F der ineinander kämmenden Schraubengänge 20, 20', 26a, 26a', 26b, 26b' und durch die Verringerung
des Abstands verringert sich die Größe der Austrittspfade zwischen
den Außenflächen und den
Grundflächen
R der Rotoren 12, 14a, 14b; es versteht
sich von selbst, dass dies zu einer verbesserten Leistung der Pumpe 10 beiträgt.
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Die
Verwendung der vorstehend beschriebenen Form der Schraubengänge werden
außerdem die
Kosten für
die Herstellung der Pumpe 10 gesenkt.
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Im
typischen Fall werden die Rotoren 12, 14a, 14b durch
maschinelle Bearbeitung der Schraubengangformen zu einem zylinderförmigen Metallstab
hergestellt; dabei müssen
die Toleranzen eng sein, um sicherzustellen, dass die Schraubengänge korrekt
ineinander greifen, ohne dass dabei große Austrittspfade für das Strömungsmittel
belassen werden und ohne dass sich die ineinander greifenden Schraubengänge während der
Umlaufbewegung der Rotoren 12, 14a, 14b verkeilen.
Je länger
der Rotor ist, desto schwieriger wird es, eine Werkzeugmaschine
präzise
so zu steuern, dass sie über
die gesamte Rotorlänge
einen Schraubengang innerhalb eines engen Toleranzbereichs erzeugt.
Damit ist es bei einer vorgegebenen Anzahl von Schraubengangwindungen
einfacher – und
somit auch weniger kostspielig – auf
den Rotoren 12, 14a, 14b gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Schraubengang mit knapper Toleranz herzustellen,
als dies bei der Herstellung eines längeren Rotors mit einem Schraubengang
in herkömmlicher
Form möglich
wäre.
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Außerdem nehmen
die Komplexität
und damit auch die Kosten für
die maschinelle Bearbeitung einer Schraubengangform innerhalb eines
engen Toleranzbereichs bei verringerter Gangtiefe ab. Dies ist zumindest
teilweise darauf zurückzuführen, dass eine
Verringerung des Grunddurchmessers RD die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass
sich der Rotor 12, 14a, 14b während der
Bearbeitung durchbiegt; somit muss noch stärker darauf geachtet werden,
eine Schraubengangform mit der nötigen
geringen Toleranz herzustellen. Bei einem vorgegebenen Außendurchmesser
OD des Rotors ist der Grunddurchmesser RD der Rotoren 12, 14a, 14b gemäß der vorliegenden
Erfindung entsprechend größer als
der Grunddurchmesser RD bei Rotoren mit der herkömmlichen Konstruktion.
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Es
wird nun auf die 4 und 5 verwiesen,
in welchen Rotoren 112, 114a und 114b gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
einer Pumpe dargestellt sind. Diese Rotoren 112, 114a und 114b sind
für den
Einsatz bei einer Pumpe in der gleichen Weise wie die zuvor beschriebenen
Rotoren 12, 14a, 14b ausgelegt.
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Hier
weist der Antriebsrotor 112 die Form einer im Allgemeinen
zylinderförmigen
Welle 122 mit den Schraubengängen 120, 120' auf, die in
Form von zwei im Allgemeinen spiralförmigen Ausnehmungen vorgesehen
sind, welche sich radial nach innen in die Welle 122 erstrecken.
Die mitlaufenden Rotoren 114a, 114b haben jeweils
die Form einer im Allgemeinen zylinderförmigen Welle 124a, 124b mit
den Schraubengängen 126a, 126a', 126b, 126' in Form von
zwei im Allgemeinen spiralförmigen
Kanten, die sich von jeder Welle 124a, 124b aus
radial nach außen
erstrecken.
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Der
Außendurchmesser
OD des Antriebsrotors 112 ist kleiner als der Außendurchmesser
OD der mitlaufenden Rotoren 114a, 114b. Im typischen Fall
beträgt
der Außendurchmesser
OD der mitlaufenden Rotoren 114a, 114b das 1,2-Fache
des Außendurchmessers
OD des Antriebsrotors 112. Zum Beispiel liegt der jeweilige
Außendurchmesser
der mitlaufenden Rotoren 114a, 114b im Großenbereich von
10 mm und liegt der Außendurchmesser
OD des Antriebsrotors 112 in der Größenordnung von 7 mm.
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Diese
Pumpe arbeitet nun folgendermaßen:
Wenn
die Rotoren 112, 114a, 114b in einer
Pumpe montiert sind und die Pumpe in Betrieb genommen wird, dann
wird der Antriebsrotor 112 zur Drehbewegung um die Achse
A veranlasst, wodurch wiederum die Drehbewegung der mitlaufenden
Rotoren 114a, 114b im Gehäuse um die jeweilige Achse
B bzw. die Achse C herbeigeführt
wird. In den Einlass zwischen den Schraubengängen 120, 120', 126a, 126a', 126b, 126b' an den ersten
Enden der Rotoren wird ein Strömungsmittel
angesaugt. Während
der Umlaufbewegung der Rotoren bildet der ineinander greifende Eingriff
der Schraubengänge
Hauptkammern für
das Strömungsmittel,
die von den Schraubenganggründen
R' und den Schraubengangflanken
F' der beiden mitlaufenden
Rotoren 114a, 114b und vom Pumpengehäuse 116 begrenzt
werden. Das Strömungsmittel fängt sich
in den Strömungsmittelkammern
und die fortgesetzte Drehbewegung der Schrauben veranlasst die Strömungsmittelkammern
zur Bewegung vom ersten Ende der Rotoren 112, 114a, 114b zum zweiten
Ende der Rotoren 112, 114a, 114b. Infolge der
Förderung
des Strömungsmittels
aus den Strömungsmittelkammern
wird bei dem Eingriff der Schraubengänge am zweiten Ende der Rotoren 112, 114a, 114b in
einander das Strömungsmittel über die Auslassöffnung aus
der Pumpe ausgespritzt.
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Damit
wird zu jedem Zeitpunkt Strömungsmittel über zwei
Strömungsmittelkammern
angesaugt und ausgeschoben.
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Im
Gegensatz hierzu werden bei einer herkömmlichen Schraubenpumpe die
Schraubengänge 120, 120' des Antriebsrotors 112 von
zwei spiralförmigen
Kanten gebildet, wohingegen die Schraubengänge 126a, 126a', 126b, 126b' der mitlaufenden Rotoren 114a, 114b von
zwei spiralförmigen
Ausnehmungen gebildet werden. In diesem Fall wird die Hauptkammer
für das
Strömungsmittel
zwischen den Schraubenganggründen
und den Schraubengangflanken des Antriebsrotors 112 und
dem Pumpengehäuse 116 gebildet,
und damit steht nur eine Hauptkammer für das Strömungsmittel zu einem Zeitpunkt zur
Verfügung,
um Strömungsmittel
in die Pumpe anzusaugen und aus dieser zu fördern.
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Der
Druck des aus der Pumpe geförderten Strömungsmittels
steigt mit der höheren
Anzahl von Hauptströmungsmittelkammern;
die Anordnung von mitlaufenden Rotoren 114a, 114b mit
großem
Durchmesser vergrößert das
Volumen der Strömungsmittelkammern
noch weiter, wodurch auch das Fördervolumen
der Pumpe vergrößert wird.
Deshalb ist es möglich,
unter Anwendung dieses Ausführungsbeispiels
der Erfindung eine Pumpe herzustellen, die mit gleichem Druck und
gleichem Fördervolumen
wie eine herkömmliche
Pumpe arbeitet, aber kürzere
Rotoren aufweist. Damit wird der von der Pumpe beanspruchte Platz
verringert.
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Auf
diese Weise ist dieses Ausführungsbeispiel
der Pumpe dort besonders nützlich,
wo ein hoher Förderdruck
benötigt
wird und der Einbauraum beschränkt
ist, wie zum Beispiel in Kraftfahrzeugen – zum Beispiel in einem elektrisch
betriebenen Antriebsaggregat, bei dem die Pumpe betätigt wird,
um ein unter Druck stehendes Strömungsmittel
zu erzeugen und dieses unter Druck stehende Strömungsmittel dazu eingesetzt
wird, ein Betätigungsteil
zu bewegen. Ein derartiges Antriebsaggregat mit e lektrischem Antrieb
ist gegebenenfalls bei Anwendungszwecken wie einer Servolenkung
erforderlich.
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Die
Anordnung einer kleineren Pumpe bietet auch insofern einen weiteren
Vorteil, als weniger Werkstoff zur Herstellung der Pumpe benötigt wird und
damit die Kosten für
die Einheit verringert werden.
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Die
Anordnung eines Antriebsrotors 112 mit kleinerem Durchmesser
bietet auch noch den weiteren Vorteil, dass Kräfte, die der Antriebsrotor 112 infolge
eines Strömungsmitteldrucks
im Inneren der Pumpe 110 auf das Lager ausübt, verringert
werden. Eine Verringerung der auf das Lager einwirkenden Kräfte ist
wünschenswert,
da auf diese Weise Energieverluste infolge von Reibungskräften zwischen dem
Lager und dem Antriebsrotor 112 verringert werden und der
Abrieb am Lager abnimmt, wodurch sich die Lebensdauer des Lagers
verlängert.
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Der
Abstand jedes Schraubengangs 120, 120', 126a, 1236a', 126b, 126b', d.h. der Abstand zwischen
einander entsprechenden Punkten auf benachbarten Touren eines der
Schraubengänge 120, 120', 126a, 1236a', 126b, 126b,
der mit P in 4 bezeichnet ist, beträgt weniger
als das 1,6-Fache des Außendurchmessers
der äußeren Rotoren 14a, 14b, der
mit OD in 5 eingezeichnet ist, und ist
vorzugsweise geringer als der Außendurchmesser OD der äußeren Rotoren 14a, 14b,
beläuft
sich aber mindestens auf das 0,5-Fache des Außendurchmessers OD der äußeren Rotoren 14a, 14b.
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Bei
einem Außendurchmesser
OD des äußeren Rotors
von 9 mm liegt beispielsweise der Abstand P zwischen den Schraubengängen 120, 120', 126a, 1236a', 126b, 126b' im typischen
Fall zwischen 7 und 9 mm.
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Die
Tiefe jedes Schraubenganges 120, 120', 126a, 1236a', 126b, 126b', die in 5 mit
TD angegeben ist, beträgt
weniger als das 0,2-Fache des Außendurchmessers der äußeren Rotoren 14a, 14b. Bei
diesem Beispiel beträgt
der Außendurchmesser OD
der äußeren Rotoren 114a, 114b 9
mm und liegt die Gangtiefe TD zwischen 1,4 und 1,7 mm einschließlich.
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An
der Pumpe 10 können
im Rahmen der Erfindung verschiedene Modifizierungen vorgenommen
werden.
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Zum
Beispiel können
die Rotoren 12, 14a, 14b mit weniger
oder mehr als zwei Gewindegängen bzw.
Schneckengängen
pro Rotor versehen sein. Es wäre
beispielsweise möglich,
auf jedem Rotor 12, 14a, 14b drei zwischengeschaltete
Schraubengänge vorzusehen,
von denen jeder einen Abstand und eine Gangtiefe aufweist, wie sie
vorstehend beschrieben wurden.
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Es
ist auch möglich,
nur einen einzigen mitlaufenden Rotor vorzusehen oder mehr als zwei
Mitläuferrotoren
einzubauen. In den Fällen,
in denen zwei oder mehr mitlaufende Rotoren vorgesehen sind, ist
es außerdem
nicht nötig,
dass der zentrale Rotor mit der Antriebseinrichtung verbunden ist – es kann
auch einer der äußeren Rotoren
mit der Antriebseinrichtung verbunden sein oder man kann sowohl
den zentralen Rotor als auch mindestens einen der äußeren Rotoren
mit der Antriebseinrichtung verbinden.
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Es
ist auch möglich,
dass der zentrale Rotor relativ zur Antriebseinrichtung befestigt
sein kann und dass die Drehbewegung der Rotoren durch den Umlauf
des Pumpengehäuses
um die Längsachse des
zentralen Rotors erreicht wird, zum Beispiel dadurch, dass das Pumpengehäuse in den
Rotor eines Elektromotors einbezogen wird.
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Zwar
weist bei den vorstehenden Beispielen einer der Rotoren einen anderen
Außendurchmesser als
die anderen Rotoren auf doch können
alle Rotoren auch den gleichen Außendurchmesser besitzen.