DE69726477T2

DE69726477T2 - Seitenkanalpumpe mit speziell geformten Schaufeln und Seitenkanälen

Info

Publication number: DE69726477T2
Application number: DE1997626477
Authority: DE
Inventors: Norman Saint Clair Shores Moss; Robert S. Oxford Czarnowski
Original assignee: BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: BorgWarner Inc
Priority date: 1996-02-05
Filing date: 1997-01-23
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2017-01-24
Also published as: DE69726477D1; EP0787903B1; CA2194209A1; EP0787903A3; EP0787903A2

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine speziell für eine wirtschaftliche Massenherstellung konstruierte Regenerativpumpe, gelegentlich als eine torische Pumpe bezeichnet, die aufgrund von Modifizierungen am Laufrad und/oder Gehäuse höhere Drücke und größere Strömungsmengen bei höheren Wirkungsgraden als andere Pumpen in vergleichbarer Ausführung und mit vergleichbarer Betriebsgeschwindigkeit entwickeln kann.
STAND DER TECHNIK
In einem Kraftfahrzeugabgasreinigungssystem liefert eine Pumpe nach Bedarf Luft an das Abgassystem zwischen dem Krümmer und dem Katalysator. In herkömmlichen Regenerativpumpen, die für eine Verwendung in einem Kraftfahrzeugabgasreinigungssystem vorgesehen sind, ist das Laufrad mit geraden, sich radial erstreckenden Schaufeln an seinem äußeren Umfang ausgestattet und wird in seiner Drehung zwischen einem Pumpengehäuse und einer mit einer Pumpenkammer ausgebildeten Abdeckung angetrieben. Die Pumpenkammer ist im Verhältnis zum drehbaren Laufrad sowie zu den Oberflächen des Gehäuses und der Abdeckung symmetrisch ausgebildet. Weitere Beschreibungen von so ausgeführten torischen Pumpen können den US-Patenten 5,302,081, 5,205,707 und 5,163,810 entnommen werden.
Die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sind aus der US 5,302,081 bekannt.
In der DE 876 285 C wird ein Laufrad beschrieben, bei dem es sich um eine integrale Einheit handelt. Sie besteht aus einem Gehäuse, das eine geschlossene ringförmige Arbeitsfläche mit einem kreisförmigen oder ellipsenähnlichen Querschnitt beinhaltet. Ein Schaufelrad dreht sich innerhalb eines halbkreisförmigen Schaufelradkanals der Arbeitsfläche und transportiert Fluid in axialer Richtung. Für dieses einkanalige geschlossene Flügelsystem ist eine sehr ausgeprägte konische Ausbildung erforderlich.
In der AU 128 026 B wird ein Gebläse beschrieben, in dem eine Kammer mit axial konstanter Breite entlang der radialen Richtung von einem Einlaß zu einem Auslaß hin variiert wird.
In der EP-A-0 602 558 wird eine Kreiselpumpe beschrieben, in der Zentrifugalkraft genutzt wird, um ein Fluid von einem Fluideinlaß zu einem Fluidauslaß hin umzuwälzen.
Im Laufe der Zeit haben sich die Bedürfnisse der Industrie aufgrund geänderter Emissionsvorschriften verändert. Es ist nunmehr erwünscht, einem Kraftfahrzeugabgasreinigungssystem mehr Luft zuzuführen, als es bisher erforderlich war. Zur Zeit ist es erwünscht, mindestens 32 bis 34 m³/h (19 bis 20 Kubikfuß pro Minute [cfm]) vorzusehen. Es ist auch erwünscht, die Mindestanforderungen hinsichtlich der Fluidströmung unter Beibehaltung der gleichen Gehäusegröße zu erfüllen. Um diesen neuen Fluidströmungserfordernissen zu entsprechen, ist es erforderlich, die derzeit existierenden Fluidströmungsmengen einstufiger Regenerativpumpen zu verdoppeln und in einigen Fällen zu vervierfachen. Bis zu diesem Zeitpunkt kann die typische Regenerativpumpe, die in Kraftfahrzeugabgasreinigungssystemen zum Einsatz kommt, Fluidströmungsmengen von lediglich 6,8 m³/h (4 Kubikfuß pro Minute [cfm]) bei etwa 111.000 Pa (40 Zoll Druckhöhe [H₂O]) erzielen, und es ist daher im Rahmen der vorliegenden Erfindung erwünscht, eine höhere Fluidströmungsausgangsleistung bei gleichem oder höherem Druck bei einer Konfiguration mit gegebener Gehäusegröße bereitzustellen.
Die Erfindung stellt eine Regenerativpumpe gemäß Anspruch 1 bereit.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In einer Regenerativpumpe sind die Rotorflügel der am Umfang vorgesehenen Regenerativpumpe, von der Seite aus betrachtet, bogenförmig ausgebildet, wobei die oberen und unteren Abschnitte in der Drehrichtung nach vorne gebogen sind. Vorzugsweise ist eine Abschrägung oder eine ähnliche Aussparung auf der konvexen Seite des inneren Abschnitts aller Flügel ausgebildet. Die gebogene Ausrichtung des Wurzelabschnitts des Flügels nach vorne hin und die Hinzufügung der Abschrägung zielen darauf ab, Druckenergieverluste im Fluideintrittsbereich zu reduzieren. Energieverluste im Fluideintrittsbereich stellen bei dieser Art von Regenerativpumpe den überwiegenden Verlust dar. Prototypen eines Laufrads sind hergestellt und getestet worden. Die Testergebnisse haben bei der gleichen Drehgeschwindigkeit eine Druckerhöhung von nicht weniger als 60% über den gesamten Betriebsbereich und von nicht weniger als 100% über einen wesentlichen Abschnitt des gesamten Betriebsbereichs ergeben. Bei den Tests hat sich auch eine Zunahme der Strömung über den Betriebsbereich ergeben. Solche dramatischen Steigerungen des Drucks und der Strömung waren unerwartet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch doppelkanalige Regenerativpumpen in einer Ausführung, die einen zentralen Rotor mit Flügeln aufweist, die sich allgemein radial, entweder in einer geraden radialen Weise oder in einer gebogenen Weise, erstrecken. Bisher war es schwierig, eine entsprechende Anpassung der Ausgangsleistung einer solchen Regenerativpumpe oder eines Kompressors an die Erfordernisse einer speziellen Anwendung zu erzielen. Obwohl eine gewisse Anpassung durch kritische Wahl der Wellendrehgeschwindigkeit erreicht werden kann, kann der Pumpenwirkungsgrad dabei beeinträchtigt werden. Typischerweise beinhaltet eine so ausgeführte Pumpe ein Gehäusemittel zur Montage eines Antriebsmotors und eines der Seitenkanäle, eines Rotors mit sich allgemein radial erstreckenden Flügeln an seinem äußeren Bereich auf einer oder mehreren axialen Seiten des Rotors sowie einer Abdeckung, die in abdichtender Weise in Eingriff mit dem Gehäuse und einem zweiten Seitenkanal steht. Die vorliegende Erfindung läßt eine Anpassung der Leistung einer Pumpe an die Erfordernisse einer speziellen Anwendung zu, ohne die Wellendrehgeschwindigkeit zu verändern. Bisher wiesen die Kanäle, das Gehäuse und die Abdeckung den gleichen oder einen symmetrischen Querschnitt auf und unterschieden sich lediglich an den Kanalenden mit den dort üblicherweise vorgesehenen Transfereinlaß- und Auslaßdurchgängen vom Gehäusekanal zu den Leitungen in der Abdeckung oder im Gehäuse. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die Kanäle des Gehäuses und der Abdeckung in einer nicht symmetrischen Weise ausgebildet. Die Abdeckung, die frei zugänglich ist, kann durch alternative Abdeckungen mit Kanälen mit verschiedenen Tiefen ersetzt werden, oder die Abdeckung kann vom Laufrad aus durch einsetzbare Abstandselemente mit verschiedenen Tiefen axial nach außen beabstandet sein, um die wirksame Tiefe des Kanals in der Abdeckung zu verändern. Somit kann die spezifische Ausgangsleistung der Pumpe in Anpassung an unterschiedliche Fluidströmungserfordernisse dadurch variiert werden, daß der Kanal in einer entsprechenden asymmetrischen Tiefe bereitgestellt wird. Prototypen asymmetrischer Seitenkanäle sind gebaut und getestet worden. Diese Tests haben gezeigt, daß eine Leistungsänderung von mindestens 20% durch Variation der axialen Tiefe des Kanals erreicht werden kann, ohne daß es zu einem Verlust hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads der Regenerativpumpe kommt. Der Prototyp gemäß der vorliegenden Erfindung, der getestet wurde, beinhaltete eine zwischen dem Gehäuse und der Abdeckung eingesetzte Abstandsplatte. Die Platte vergrößerte einen der Seitenkanäle um eine der Dicke der Platte entsprechende Tiefe. Somit kann ein tieferer Kanal bereitgestellt werden, ohne die zur Herstellung einer neuen Abdeckung erforderliche teure und zeitaufwendige Maßnahme durchführen zu müssen. Die Größenordnung der Steigerung der Pumpenleistung war unerwartet.
Eine Regenerativpumpe, um einem Fluid Energie hinzuzufügen, beinhaltet ein Laufrad mit einer Drehachse und mit einer axial beabstandeten, sich radial erstreckenden ersten und einer zweiten Oberfläche. Ein radial geteiltes Gehäuse umgibt das Laufrad und weist einen Fluideinlaß und einen Fluidauslaß auf, die durch einen Abscheider getrennt sind. Der Abscheider ist allgemein mit einem engen Zwischenraum zu einem Umfang des Laufrads angeordnet. Das Gehäuse hat eine axial beabstandete, sich radial erstreckende erste und eine zweite Seitenwand, die der ersten bzw. der zweiten Oberfläche zugewandt sind. Ein sich axial und radial erstreckendes Schaufelmittel ist an einem äußeren radialen Umfang der Pumpe ausgebildet, um Fluid vom Einlaß zum Auslaß hin zu befördern, während sich das Laufrad um die Drehachse dreht. Ein in mindestens einer der Seitenwände des Gehäuses ausgebildetes Mittel lenkt Fluid zurück zum Laufrad hin.
Das Schaufelmittel beinhaltet vorzugsweise mehrere Flügel, die am Umfang um den äußeren radialen Umfang des Laufrads herum beabstandet sind. Jeder Flügel hat einen radial inneren Basisabschnitt, der sich im Verhältnis zur Drehung des Laufrads in einer allgemeinen Nachlaufrichtung erstreckt, und einen radial äußeren Spitzenabschnitt, der sich im Verhältnis zur Drehung des Laufrads in einer allgemeinen Vorlaufrichtung erstreckt.
Ein Abschrägungsmittel ist vorzugsweise am Basisabschnitt eines jeden Flügels ausgebildet, um Fluid vom Einlaß aus zu der zwischen zwei angrenzenden Flügeln und dem Gehäuse definierten Tasche zu leiten. Das Abschrägungsmittel ist vorzugsweise an einer Nachlaufkante des Basisabschnitts eines jeden Flügels ausgebildet. Das Abschrägungsmittel kann in einem Winkel, der aus einem Bereich von 10° bis einschließlich 45° ausgewählt ist, im Verhältnis zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads ausgebildet sein. Alternativ kann das Abschrägungsmittel als eine gekrümmte Oberfläche mit einem vorbestimmten Radius ausgebildet sein, die eine sich allgemein radial erstreckende Oberfläche eines jeden Flügels mit einer sich allgemein axial erstreckenden Oberfläche des jeweiligen Flügels entlang einer Nachlauf kante verbindet.
Das Schaufelmittel kann mehrere Flügel beinhalten, die am Umfang um den radialen äußeren Umfang des Laufrads herum beabstandet sind, wobei jeder Flügel in radialer Richtung im Verhältnis zur Drehachse des Laufrads um eine allgemein parallel zur Drehachse des Laufrads verlaufende Achse gebogen ist. Alternativ kann das Schaufelmittel mindestens einen Satz Flügel beinhalten, die im Verhältnis zur Drehachse radial gebogen sind, wobei der Satz Flügel durch mindestens zwei am Umfang beabstandete Flügel definiert ist, die zusammenwirken, um einen einzelnen kreisförmigen Kreisring zu bilden.
Der Basisabschnitt eines jeden Flügels bildet vorzugsweise einen aus einem Bereich von 20° bis einschließlich 30° ausgewählten Eintrittswinkel im Verhältnis zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads. Der Spitzenabschnitt bildet vorzugsweise einen aus einem Bereich von 20° bis einschließlich 45° ausgewählten Austrittswinkel im Verhältnis zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads.
Das Laufrad hat eine allgemein radial verlaufende Ebene oder Rippe senkrecht zur Drehachse, die mit dem Schaufelmittel verbunden ist. Die Rippe erstreckt sich radial in das Schaufelmittel hinein bis zu einer Position, die sich allgemein auf halbem Weg zwischen der Basis und der Spitze eines jeden Flügels befindet. Vorzugsweise werden die rechtwinklig ausgeführten Oberflächen, die durch die Rippe und eine die Basis eines jeden Flügels abstützende ringförmige Nabe des Laufrads gebildet sind, eingesetzt, um einen winkligen, abgestuften oder vorzugsweise radial gekrümmten Übergang zwischen dem sich axial erstreckenden Nabenabschnitt des Laufrads und der sich radial erstreckenden Rippe zwischen jedem angrenzenden Satz Flügel bereitzustellen.
Das Fluidleitmittel beinhaltet vorzugsweise eine feststehende geformte Oberfläche. Das Fluidleitmittel kann mindestens eine der ersten und zweiten Seitenwände mit einem allgemein ringförmigen Seitenkanalabschnitt, der im Gehäuse um die Drehachse herum ausgebildet ist, beinhalten, um Fluid, wenn sich das Laufrad dreht, schneckenförmig zurück in Kontakt mit dem Schaufelmittel zu leiten. Der Seitenkanalabschnitt ist vorzugsweise allgemein senkrecht zu und entlang einem Bogen mit konstantem Radius, auf der Drehachse zentriert, angeordnet. In der bevorzugten Ausführungsform beinhaltet das Fluidleitmittel jede der ersten und zweiten Seitenwände mit einem darin um die Drehachse des Laufrads herum ausgebildeten allgemein ringförmigen Seitenkanalabschnitt, um Fluid, wenn sich das Laufrad dreht, schneckenförmig zurück in Kontakt mit dem Schaufelmittel zu leiten. Der fluidleitende Seitenkanalabschnitt der ersten oder der zweiten Seitenwand ist vorzugsweise im Verhältnis zum anderen fluidleitenden Seitenkanalabschnitt vergrößert. Der vergrößerte der Seitenkanalabschnitte ist vorzugsweise in der axialen Richtung vergrößert. Das Fluidleitmittel ist vorzugsweise asymmetrisch in der ersten und der zweiten Seitenwand des Gehäuses um die Drehachse des Laufrads herum ausgebildet.
Gemäß der Erfindung ist ein Mittel zur Definierung eines Strömungswegs zwischen dem Fluideinlaß und dem Fluidauslaß in mindestens einer der ersten und zweiten Seitenwände des Gehäuses ausgebildet. Das strömungswegdefinierende Mittel ist konisch so ausgeführt, daß die Querschnittsfläche am Fluideinlaß größer als die Querschnittsfläche am Fluidauslaß ist. Das strömungswegdefinierende Mittel kann die Seitenkanalabschnitte beinhalten, wobei sich die Seitenkanalabschnitte vorzugsweise konisch axial innenliegend mit einer konstanten Neigung vom Fluideinlaß zum Fluidauslaß zum Laufrad hin erstrecken.
Regenerativpumpen mit zwei Kanälen werden traditionell mit Seitenkanälen gebaut, die den gleichen Querschnitt aufweisen. Die vorliegende Erfindung belegt, daß ungleiche Kanäle keinen bedeutsamen Wirkungsgradverlust oder andere nachteilige Auswirkungen zur Folge haben. Die Option, ungleiche Kanäle zu verwenden, erleichtert die praktische Realisierung von Leistungsmodifizierungen, so daß mit einer einzelnen Pumpenausführung die Leistungsdaten der Pumpe modifiziert werden können, um die Erfordernisse von mehr als einer spezifischen Anwendung in zufriedenstellender Weise zu erfüllen. Die asymmetrischen Kanäle gemäß der vorliegenden Erfindung können mit einem Laufrad in Standardkonfiguration für eine Regenerativpumpe oder in Kombination mit der bogenförmigen Flügellaufradkonfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung zur weiteren Leistungssteigerung verwendet werden. Der nachlaufende untere oder Eintritts- oder Basisabschnitt des Flügels mit der etwa auf halbem Weg nach oben von der Wurzel des Flügels aus befindlichen Vorlaufspitze, wie bereits im Rahmen der vorliegenden Erfindung beschrieben, kann vorteilhaft in Kombination mit den asymmetrischen Kanälen verwendet werden. Die bogenförmige Flügelkonfiguration, wie vorstehend beschrieben, kann auch die Modifizierung eines Abschrägungsmittels zum leichteren Fluideintritt beinhalten, insbesondere wenn der Eintrittswinkel im Verhältnis zur Laufradachse groß ist. Bei reduzierter Strömungsmenge und ansteigendem Druck ist der leichte Fluideintritt in das Laufrad ein Merkmal, das mit Ergebnissen in Zusammenhang steht, die einen verbesserten Maximaldruck für eine gegebene Wellengeschwindigkeit und einen höheren Wirkungsgrad offenbaren. Wie vorstehend beschrieben, kann das Abschrägungsmittel auch ein alternatives krummliniges Profil aufweisen.
Andere Aufgaben, Vorteile und Anwendungen der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann auf diesem Gebiet aus der nachstehenden Beschreibung der besten Realisierungsform der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin vorgenommene Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Zeichnungen, in denen durchgängig in allen Darstellungen gleiche Bezugszahlen gleiche Teile bezeichnen; dabei sind:
1 eine Vorderansicht, mit gewissen weggebrochen dargestellten Teilen, einer herkömmlichen torischen Pumpe;
2 eine detaillierte Querschnittsansicht der Pumpe der 1 entlang der Linie 2-2 der 1;
3 eine Vorderansicht des Laufradgehäuses der Pumpe der 1;
4 eine detaillierte Querschnittsansicht des Laufradgehäuses entlang der Linie 4-4 der 3;
5 eine detaillierte Querschnittsansicht des Laufradgehäuses entlang der Linie 5-5 der 3;
6 eine Vorderansicht der Laufradabdeckung der Pumpe der 1;
7 eine Rückansicht der Laufradabdeckung;
8 eine detaillierte Querschnittsansicht entlang der Linie 8-8 der 6;
9 eine detaillierte Querschnittsansicht der Laufradabdeckung entlang der Linie 9-9 der 6;
10 eine detaillierte Querschnittsansicht der Laufradabdeckung entlang der Linie 10-10 der 6;
11 eine perspektivische Ansicht eines Laufrads gemäß der vorliegenden Erfindung;
12 eine detaillierte Ansicht eines Abschnitts eines Laufrads gemäß der vorliegenden Erfindung;
13 eine detaillierte Querschnittsansicht des Laufrads entlang der Linie 13-13 der 12;
14 eine detaillierte Querschnittsansicht des Laufrads entlang der Linie 14-14 der 13;
15 eine detaillierte Querschnittsansicht einer mit einem Abstandselement ausgebildeten asymmetrischen Pumpenkammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
16 eine detaillierte Querschnittsansicht einer integral in der Laufradabdeckung ausgebildeten asymmetrischen Pumpenkammer gemäß der vorliegenden Erfindung;
17 eine grafische Darstellung des Gesamtwirkungsgrads im Verhältnis zur Strömungsmenge in Kubikfuß pro Minute bei 40 Zoll Wassergegendruck, in der verschiedene Kurven für Abstandselemente unterschiedlicher Größe dargestellt sind;
18 eine grafische Darstellung der Strömungsmenge in Kubikfuß pro Minute im Verhältnis zum Gegendruck in Zoll Wasser, mit Strömungslinien zum Vergleich von Pumpenkammern mit und ohne Abstandselemente sowie mit entsprechenden elektrischen Stromlinien der Pumpe mit und ohne ein Abstandselement;
19 eine grafische Darstellung des Gesamtwirkungsgrads im Verhältnis zur Strömung in Standardkubikfuß pro Minute, mit Kurven zum Vergleich von Pumpenkammern mit und ohne ein Abstandselement;
20 eine Rückansicht der Laufradabdeckung mit den konisch ausgeführten Seitenwandkanälen;
21 eine detaillierte Querschnittsansicht der Laufradabdeckung entlang der Linie 21-21 der 20, die die konisch ausgeführten Seitenwandkanäle der Laufradabdeckung zeigt;
22 eine grafische Darstellung der Luftströmung in Kilogramm pro Stunde im Verhältnis zum Austragsdruck in Millibar, mit Kurven zum Vergleich der konischen Ausführung der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses mit der nicht konischen Ausführung der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses; und
23 eine grafische Darstellung des Pumpengesamtwirkungsgrads im Verhältnis zum Austragsdruck in Millibar, mit Kurven zum Vergleich der konischen Ausführung der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses mit der nicht konischen Ausführung der Laufradabdeckung und des Laufradgehäuses.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die Wechselbeziehung zwischen den verschiedenen Teilen einer herkömmlichen torischen Pumpe oder Regenerativpumpe ist am besten aus den Zusammenbauansichten der 1 und 2 ersichtlich, während Details der einzelnen Teile in den 3–10 dargestellt sind.
Wie aus den 1 und 2, auf die zunächst Bezug genommen wird, ersichtlich, beinhaltet eine Pumpe ein allgemein mit 20 bezeichnetes Laufradgehäuse, eine allgemein mit 22 bezeichnete Laufradabdeckung, die an der Vorderseite des Gehäuses 20 montiert ist, sowie eine allgemein mit 24 bezeichnete Filterabdeckung, die an der Vorderseite der Laufradabdeckung 22 montiert ist. Ein Pumpenlaufrad 26 ist in einem betriebswirksamen Verhältnis zu einer allgemein mit 28 bezeichneten Pumpenkammer montiert, die in zusammenwirkender Weise durch das Laufradgehäuse 20 und die Laufradabdeckung 22 in zusammengebautem Zustand definiert ist, wobei das Laufrad 26 feststehend auf der Antriebswelle 30 (2) eines Elektromotors 32 befestigt ist, der auf der Rückseite des Laufradgehäuses montiert oder integral damit ausgeführt ist. Eine Einlaßöffnung oder ein Fitting 34 verläuft durch die Filterabdeckung 24 in eine Filterkammer 36 hinein, die durch die Laufradabdeckung und die Filterabdeckung in zusammengebautem Zustand definiert ist. Ein Durchgang oder eine Öffnung in der Laufradabdeckung 22 verbindet die Filterkammer 36 mit der Pumpenkammer 20, wobei sich ein schwammähnlicher Block aus Filtermedium 40 in der Filterkammer 36 zwischen der Einlaßöffnung 34 und dem Durchgang 38 befindet, um Luft, die durch die Einlaßöffnung 34 in die Pumpe gelangt, zu filtern, bevor die Luft durch den Durchgang 38 in die Pumpenkammer 28 eintritt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann davon ausgegangen werden, daß das herkömmliche Pumpenlaufrad 26 und die Konfiguration der Pumpenkammer 28 mit dem Laufrad und der Pumpenkammer, wie sie in den US-Patenten 5,302,081, 5,205,707 und/oder 5,163,810 beschrieben werden, identisch sind, und diesen Patenten, deren Beschreibung hierin zu Bezugszwecken aufgenommen wird, können weitere Details des Laufrads und des Pumpenbetriebs einer herkömmlichen Pumpe entnommen werden. Die Erfindung der vorliegenden Anmeldung betrifft speziell Modifizierungen der Konfiguration und die Wechselbeziehung zwischen dem Laufrad und dem Seitenkanal im Gehäuse, wobei Details dazu nachstehend unter Bezugnahme auf die 11–19 ausführlich beschrieben werden.
Die Konstruktion des Laufradgehäuses 20 ist am besten aus den 3, 4 und 5 ersichtlich. Das Gehäuse 20 wird zunächst als ein Metallgußteil mit einem Abschnitt der Pumpenkammer 28 und einem im Gußteil ausgebildeten Rücksprung für die Aufnahme des Laufrads gebildet. Wenn das Laufradgehäuse 20 aus einem geeigneten Material, beispielsweise Aluminium nach SAE 413, druckgegossen wird, müssen lediglich zwei Oberflächen maschinell endbearbeitet und die Bohr- und Gewindeschneidarbeiten für vier Löcher zur Aufnahme der Montageschrauben durchgeführt werden.
Wie aus 4 ersichtlich, handelt es sich bei zwei Oberflächen, die eine maschinelle Feinbearbeitung erfordern, um die Vorderfläche 50 des Gehäuses 20 und eine parallele Fläche 52, die den Boden eines laufradaufnehmenden Rücksprungs im Laufradgehäuse 20 definiert. Die Oberflächen 50 und 52 sind exakt flach und parallel zueinander endbearbeitet und um eine Distanz, die nur geringfügig größer als die axiale Dicke des verwendeten Laufrads 26 ist, axial voneinander beabstandet. Das Maß, um die der Abstand zwischen den Oberflächen 50 und 52 die Laufraddicke überschreitet, bestimmt den Zwischenraum zwischen der Oberfläche 52 und einer Seite 26A (2) des Laufrads und zwischen der gegenüberliegenden Seite 26B des Laufrads und einer gegenüberliegenden Oberfläche 56 der Laufradabdeckung, wenn das Laufrad, das Laufradgehäuse und die Laufradabdeckung zusammengebaut sind, wie in 2 dargestellt. Diese Zwischenräume müssen ausreichend groß sein, um ein Aneinanderreiben der Laufradseiten und der Gehäuseelemente während der Drehung des Laufrads zu verhindern, müssen gleichzeitig aber klein genug sein, um eine Luftströmung zwischen den letztgenannten gegenüberliegenden Oberflächen zu minimieren.
Eine zentrale Bohrung 58 durch das Laufradgehäuse dient dazu, den Frontmotoransatz 32a des Motors 32 zu führen, der ein (nicht dargestelltes) Wellenlager trägt, um die Achse der Motorwelle im Verhältnis zum Laufradgehäuse auszurichten. Der Ort und der Durchmesser der Bohrung 58 und der Radius der Abscheideroberfläche 74a sind (neben den Oberflächen 50 und 52) die anderen Abmessungen des Gehäuses 20, die mit engen Toleranzen maschinell bearbeitet werden müssen. Die radiale äußere Oberfläche 28a des Pumpenkammerabschnitts des Rücksprungs kann im Rahmen des Druckgußverfahrens mit ausreichender Präzision gefertigt werden. Anstelle einer Nabe am Motorgehäuse, in dem das Wellenlager angeordnet ist, kann die Bohrung 58 alternativ ein Wellenlager auch direkt aufnehmen. Die Bohrung 58 legt den Ort der Motorwellenachse im Verhältnis zum Gehäuse fest, und die Abscheideroberfläche 74a ist maschinell so bearbeitet, daß sie in einem präzisen Abstand von und konzentrisch mit dieser Achse angeordnet ist, um einen radialen Zwischenraum zwischen dem Laufrad und dem Gehäuse am Abscheider festzulegen. Der Durchmesser der Bohrung 58 ist so ausgeführt, daß die Motornabe (oder das Wellenlager) mit einer Übergangspassung oder einer örtlichen Preßsitzpassung aufgenommen werden kann. Das Motorgehäuse ist feststehend an der Rückseite des Laufradgehäuses befestigt, beispielsweise durch Schrauben 60 (2), die durch Bohrungen 62 am Boden eines zentralen Rücksprungs 64 verlaufen. Montageösen 66 können integral am Gehäuse 20 ausgebildet sein, um eine Montage der Pumpe an einer geeigneten Montagekonsole zu ermöglichen. Gewindebohrungen 68 (3 und 5) sind im Gehäuse 20 zur Aufnahme von Montageschrauben ausgebildet, die verwendet werden, um die Laufradabdeckung 22 am Laufradgehäuse 20 zu montieren.
Die Pumpenkammer 28 erstreckt sich, wie bei torischen Pumpen üblich, am Umfang um die Achse des Laufrads herum von einem Einlaßende 70 (3) zu einem Auslaßende 72. Die mit Rücksprung versehenen Einlaß- und Auslaßenden 70, 72 sind voneinander durch einen Abscheiderabschnitt 74 der Oberfläche 52 getrennt, der, wenn das Laufrad eingebaut ist, mit der angrenzenden Seitenfläche des Laufrads zusammenwirkt, um eine Strömungseinschränkung zwischen den beiden Oberflächen zu bilden, die in ihrer Funktion einer Dichtung zwischen dem Einlaß und dem Auslaß entspricht. Dadurch wird verhindert, daß Hochdruckluft am Auslaß 72 über den Abscheiderabschnitt 74 zum Niederdruckbereich am Einlaßende 70 hin strömt.
Der Aufbau der Laufradabdeckung 22 ist am besten aus 6 ersichtlich. Die Laufradabdeckung 22 ist ein einteiliges Formteil aus einem geeigneten thermoplastischen Material. Die vorstehend erwähnte flache Oberfläche 56 ist auf der Rückseite der Laufradabdeckung 22 so ausgebildet, daß sie mit der maschinell bearbeiteten Oberfläche 50 des Laufradgehäuses 20 in einander zugewandtem Eingriff steht. Ein ringförmiger Rücksprung 28c in der flachen Rückseitenfläche 56 bildet einen Pumpenkammerabschnitt in der Rückseitenfläche des Laufradgehäuses 20, das eine Verlängerung der Pumpenkammer 28 des Gehäuses 20 bildet und passend dazu ausgeführt ist. Wie am besten aus den 9 und 10 ersichtlich, ist die flache Rückseitenfläche 56 der Laufradabdeckung mit einem geringfügigen Rücksprung ausgeführt, um einen axial vorspringenden Umfangsflansch 76 zu bilden, der sich über die Vorderseite des Laufradgehäuses 20 erstreckt, um das Gehäuse und die Abdeckung bei der Montage im Verhältnis zueinander auszurichten. Wie am besten aus 2 ersichtlich, werden Schrauben 78, die durch Bohrungen 80 in der Laufradabdeckung 22 verlaufen, von der Gewindebohrung 68 im Laufradgehäuse 20 aufgenommen, um das Gehäuse 20 und die Abdeckung 22 im Verhältnis zueinander fest und sicher zu montieren. Wie am besten aus den 7 und 9 ersichtlich, steht das Auslaßende 72a des Pumpenkammerabschnitts 28C mit einem Durchgang 82 in Verbindung, der sich durch einen Nippel 84 an der Laufradabdeckung 22 erstreckt, um eine Auslaßöffnung für die Pumpenkammer 28, 28A, 28C der Pumpe zu definieren.
An der Vorderseite der Laufradabdeckung 22 ist ein tellerförmiger Rücksprung 86, wie am besten aus den 9 und 10 ersichtlich, ausgebildet. Ein Strömungsdurchgang 88 führt vom Boden des Rücksprungs 86 aus nach hinten, um sich durch die flache Rückseitenfläche 56 der Laufradabdeckung zu öffnen. Der Durchgang 88 öffnet sich in das Einlaßende 70a des Pumpenkammerabschnitts 28C in der Laufradabdeckung 22 und bildet den Einlaß zur kombinierten Pumpenkammer 28, 28A, 28C der Pumpe, die durch das Gehäuse 20 und die Abdeckung 22 in zusammengebautem Zustand definiert ist. Ein zentraler Ständer 90 ist an der Abdeckung 22 innerhalb des Rücksprungs 86 integral ausgebildet und ragt nach vorne zu einem flachen vorderen Ende 92, das sich koplanar zur Vorderkante 94 der Abdeckung 22 erstreckt. Eine Bohrung 96 zur Aufnahme einer selbstschneidenden Montageschraube erstreckt sich nach hinten in den Ständer 90 hinein, wobei ein quadratischer Rücksprung 98 am vorderen Ende der Bohrung 96 ausgebildet ist. Eine sich radial erstreckende Rippe 100 (6 und 8) ragt vom zentralen Ständer 100 aus radial über den gesamten Rücksprung 86 hinaus, um sich integral mit der Seitenwand 102 des Rücksprungs zu verbinden. Die Vorderkante 104 (8) der Rippe 100 verläuft koplanar mit der Vorderkante 94 der Laufradabdeckung. Andere Versteifungsrippen, wie beispielsweise 106, können an entsprechenden Stellen im Rücksprung 86 ausgebildet sein, diese anderen Rippen 106 haben aber, wie am besten aus 8 ersichtlich, Kanten, die von der Vorderkante 94 aus nach hinten ausreichend beabstandet sind. Der Rücksprung 86 bildet einen Abschnitt einer Filterkammer, die so ausgeführt ist, daß sie den Filter 40 (siehe 2) aufnehmen kann. Die Abdeckung 24 ist von allgemein tellerförmiger Konfiguration, wobei sich der Rücksprung 110 des Tellers nach hinten öffnet. Der Rücksprung 110 in der Filterabdeckung 24 ist so ausgebildet, daß er eine Verlängerung des filteraufnehmenden Rücksprungs 86 der Laufradabdeckung 22 bildet und passend dazu ausgeführt ist, wie aus 2 ersichtlich. Ein zentraler Ständer 112 ist, wie die Laufradabdeckung 22, im filteraufnehmenden Rücksprung 110 ausgebildet. Eine Bohrung durch den Ständer 112 nimmt eine in die Bohrung 96 in der Laufradabdeckung eingeschraubte Montageschraube 118 auf, um die an der Laufradabdeckung 22 sitzende Filterabdeckung zu halten. Das allgemein mit 40 bezeichnete Filterelement ist aus einem Block eines schwammähnlichen Materials, beispielsweise aus einem retikulierten Polyesterschaum, gebildet. Die axiale Dicke des Filterelements 40 ist so gewählt, daß sie geringfügig größer als die axiale Abmessung der Filterkammer ist, die durch die passend ausgeführten filteraufnehmenden Rücksprünge 86, 110 der Laufradabdeckung 22 und der Filterabdeckung 24 definiert ist, wenn die beiden Abdeckungen zusammengebaut sind. Das Filterelement 40 ist mit einer zentralen Bohrung 130 ausgebildet, die so ausgeführt ist, daß sie die zentralen Ständer 90 und 112 aufnehmen kann, wie aus 2 ersichtlich.
Das Pumpenlaufrad 26 kann gegenüber der herkömmlichen Ausführung mit geraden, sich radial erstreckenden Flügeln so modifiziert werden, daß eine gebogene Flügelausführung, wie in 11 dargestellt, oder eine krummlinige Form, wie in den 12–14 dargestellt, bereitgestellt wird. In jedem Fall beinhaltet das Pumpenlaufrad 26 ein sich axial und radial erstreckendes Schaufelmittel 140, das an einem äußeren radialen Umfang 142 des Laufrads 26 ausgebildet ist, um Fluid vom Einlaßende 70 zum Auslaßende 72 hin zu befördern, wenn sich das Laufrad 26 um die Drehachse dreht. Das Schaufelmittel 140 beinhaltet mehrere Flügel 144, die am Umfang um den äußeren radialen Umfang 142 des Laufrads 26 herum beabstandet sind. Jeder Flügel 144 besitzt einen radial inneren Basisabschnitt 146, der mit einer sich axial erstreckenden zylindrischen Seitenwand oder Nabe 148 des Laufrads 26 verbunden ist. Der Basisabschnitt 146 erstreckt sich im Verhältnis zur Drehung des Laufrads 26 in einer allgemeinen Nachlaufrichtung. Wie in 11 dargestellt, dreht sich das Laufrad in einer dem Uhrzeigersinn entgegengesetzten Richtung. Ein radial äußerer Spitzenabschnitt 150 eines jeden Flügels 144 erstreckt sich im Verhältnis zur Drehung des Laufrads 26 in einer allgemeinen Vorlaufrichtung. Der Basisabschnitt 146 bildet einen Eintrittswinkel ɸ₁ im Verhältnis zu einer radial verlaufenden Ebene, wobei die Drehachse des Laufrads 26 in einem aus 20° bis einschließlich 30° ausgewählten Bereich und in einem bevorzugten Bereich zwischen 26° bis einschließlich 30° liegt und ein besonders bevorzugter Winkel 26° beträgt. Der Spitzenabschnitt 150 bildet einen Austrittswinkel ɸ₂ im Verhältnis zu einer radial verlaufenden Ebene, wobei die Drehachse des Laufrads 26 in einem aus 20° bis einschließlich 45° ausgewählten Bereich und in einem bevorzugten Bereich zwischen 20° bis einschließlich 30° liegt und ein besonders bevorzugter Winkel 20° beträgt. Das Schaufelmittel 140 beinhaltet vorzugsweise mehrere Flügel, die am Umfang um den äußeren radialen Umfang 142 des Laufrads 26 herum beabstandet sind, wobei jeder Flügel 144 in einer radialen Richtung im Verhältnis zur Drehachse des Laufrads 26 um eine allgemein parallel zur Drehachse verlaufende Achse gebogen oder gekrümmt ausgeführt ist. Das Schaufelmittel 140 kann mindestens einen Satz Flügel 144 beinhalten, die im Verhältnis zur Drehachse radial gebogen ausgeführt sind, wobei der Satz Flügel 144 durch mindestens zwei am Umfang beabstandete Flügel 144 definiert ist, die zusammenwirken, um einen einzelnen kreisförmigen Kreisring zu bilden. Wie am besten aus den 11–14 ersichtlich, beinhaltet das Laufrad 26 vorzugsweise eine sich allgemein radial erstreckende planare Rippe 152, die senkrecht zur Drehachse angeordnet und mit dem Schaufelmittel 140 verbunden ist. Die Rippe 152 erstreckt sich von der sich axial erstreckenden zylindrischen Seitenwand oder Nabe 148 des Laufrads 26 aus mindestens radial nach außen. Vorzugsweise wird die zwischen der Rippe 152 und der ringförmigen Nabe 148 des Laufrads 26 ausgebildete Übergangsfläche 154 eingefügt, um eine winklige, abgestufte oder, besonders bevorzugt, eine radial gekrümmte Übergangsfläche 154 zwischen der sich axial erstreckenden Nabe 148 des Laufrads 26 und der sich radial erstreckenden Rippe 152 zwischen jedem angrenzenden Satz Flügel 144 bereitzustellen. Die Rippe 152 erstreckt sich vorzugsweise radial in das Schaufelmittel 140 hinein bis zu einer Position, die allgemein auf halbem Weg zwischen dem Basisabschnitt 146 und dem Spitzenabschnitt 150 eines jeden Flügels 144 liegt. Wenn sich die Rippe 152 radial nach außen zum äußeren radialen Umfang 142 des Laufrads 26 (nicht dargestellt) hin erstreckt, können die Flügel 144, falls dies für eine besondere Anwendung erwünscht ist, jeweils voneinander getrennt oder isoliert ausgeführt werden. Es wurde festgestellt, daß optimale Leistungsmerkmale erzielt werden, wenn die Rippe 152 an einer Position, die sich zwischen dem Basisabschnitt 146 und einem Spitzenabschnitt 150 eines jeden Flügels befindet, und vorzugsweise an einer Position verbleibt, die sich allgemein auf halbem Weg zwischen dem Basisabschnitt 146 und dem Spitzenabschnitt 150 befindet. Es sei darauf hingewiesen, daß der Basisabschnitt 146 im Verhältnis zum Spitzenabschnitt 150 eines jeden Flügels 144 die gleiche oder eine unterschiedliche Länge aufweisen kann. Der Basisabschnitt 146 bildet vorzugsweise einen Prozentsatz der radialen Gesamtlänge eines jeden Flügels 144 in einem zwischen 30% bis einschließlich 70% ausgewählten Bereich, wobei ein bevorzugter Bereich zwischen 40% bis einschließlich 60% liegt und ein besonders bevorzugter Wert etwa 50% beträgt. Jeder Flügel 144 ist vorzugsweise mit den anderen entsprechenden Flügeln 144 identisch, die am äußeren radialen Umfang 142 des Laufrads 26 ausgebildet sind.
Ein Abschrägungsmittel 158 ist vorzugsweise am Basisabschnitt 146 eines jeden Flügels 144 ausgebildet, um Fluid vom Einlaß zu einer Tasche 160 hin umzuleiten, die zwischen zwei angrenzenden Flügeln 144 und den die Pumpenkammer 28 definierenden Gehäuseseitenwänden definiert ist. Das Abschrägungsmittel 158 ist vorzugsweise an einer Nachlauf kante des Basisabschnitts 146 ausgebildet. Das Abschrägungsmittel 158 kann mit einem Winkel ɸ₃ im Verhältnis zu einer radial verlaufenden Ebene senkrecht zur Drehachse des Laufrads in einem zwischen 10° bis einschließlich 45° ausgewählten Bereich liegen, wobei ein bevorzugter Wert etwa 45° beträgt. Das Abschrägungsmittel 158 kann auch als eine gekrümmte oder radiale Oberfläche (nicht dargestellt) mit einem vorbestimmten Radius ausgebildet sein, der eine sich allgemein radial erstreckende Oberfläche 162 des Flügels 144 mit einer sich allgemein axial erstreckenden Oberfläche 164 des Flügels 144 entlang einer Nachlauf kante verbindet.
Das Fluidleitmittel 166 ist vorzugsweise in mindestens einer Seitenwand des Gehäuses ausgebildet, das die Pumpenkammer 28 definiert, um Fluid zurück zum Laufrad 26 zu leiten. Das Fluidleitmittel 166 weist vorzugsweise die Form einer feststehenden Oberfläche 168 auf, die einen Abschnitt der Pumpenkammer 28 definiert. Das Fluidleitmittel 166 kann mindestens die erste oder die zweite Seitenwand 52 bzw. 56 mit einem allgemein ringförmigen Seitenkanalabschnitt 28A, 28C beinhalten, der im Gehäuse um die Drehachse herum ausgebildet ist, um, wenn sich das Laufrad 26 dreht, Fluid schneckenförmig zurück in Kontakt mit dem Schaufelmittel 140 zu leiten. Der Seitenkanalabschnitt 28A oder 28C ist allgemein senkrecht zur Drehachse angeordnet und erstreckt sich entlang einem auf der Drehachse zentrierten Bogen mit konstantem Radius. Das Fluidleitmittel 166 kann auch jede der ersten und zweiten Seitenwände 52, 56 beinhalten, die einen allgemein ringförmigen Seitenkanalabschnitt 28A, 28C besitzen, der jeweils darin um die Drehachse herum ausgebildet ist, um, wenn sich das Laufrad 26 dreht, Fluid schneckenförmig zurück in Kontakt mit dem Schaufelmittel 140 zu leiten. In der bevorzugten Konfiguration, wie am besten aus den 15 und 16 ersichtlich, ist der fluidleitende Seitenkanalabschnitt 28C der ersten oder der zweiten Seitenwand 52 bzw. 56 im Verhältnis zum anderen fluidleitenden Seitenkanalabschnitt 28A vergrößert. Der vergrößerte fluidleitende Seitenkanalabschnitt 28C ist vorzugsweise in der axialen Richtung vergrößert. Die axiale Vergrößerung kann dadurch erzielt werden, daß ein Abstandselement 170 zwischen dem Laufradgehäuse 20 und der Laufradabdeckung 22 eingesetzt wird, wie am besten aus 15 ersichtlich. Das Abstandselement 170 ist so ausgebildet, daß es die den Seitenkanalabschnitt 28C definierende Wand in axialer Richtung zur Seitenwandverlängerung 172 verlängert. Die Seitenwandverlängerung 172 ist so ausgebildet, daß sie der Kontur des Seitenkanalabschnitts 28C der Pumpenkammer 28, die in der Laufradabdeckung 22 ausgebildet ist, in enger Passung folgt. Es sei darauf hingewiesen, daß die Kombination aus dem Abstandselement 170 und der Laufradabdeckung 22 natürlich durch eine Laufradabdeckungseinheit 22 ersetzt werden kann, die mit dem entsprechenden vergrößerten Seitenkanalabschnitt 28C, wie in 16 dargestellt, ausgebildet ist. Das Fluidleitmittel 166 ist vorzugsweise in der ersten und der zweiten Seitenwand 52 bzw. 56 des Gehäuses asymmetrisch ausgebildet.
17 ist eine grafische Darstellung einer elektrischen Luftpumpe mit erweitertem Bereich gemäß der vorliegenden Erfindung, die den Gesamtwirkungsgrad der Pumpe im Verhältnis zur Strömungsmenge in 0,028 m³/Min. (Standardkubikfuß pro Minute) bei einem Gegendruck von 111.000 Pa (40 Zoll H₂O) mit einem einen Durchmesser von 85 mm aufweisenden Laufrad, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle zeigt. Die verschiedenen Kurven veranschaulichen Betriebsmerkmale für unterschiedlich große Abstandselemente, die zwischen dem Laufradgehäuse 20 und der Laufradabdeckung 22 vorgesehen sind. Die erste Kurve 174 veranschaulicht die Vorrichtung ohne Abstandselement zwischen dem Laufradgehäuse 20 und der Laufradabdeckung 22. Die zweite Kurve 176 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der modifizierten Pumpe mit einem 1,0 mm dicken Abstandselement. Die dritte Kurve 178 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der Pumpe mit einem 1,5 mm dicken Abstandselement, das sich zwischen dem Gehäuse 20 und der Abdeckung 22, wie in 15 dargestellt, befindet. Die vierte Kurve 180 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der Pumpe mit einem 2,5 mm dicken Abstandselement zwischen dem Laufradgehäuse 20 und der Laufradabdeckung 22. Jede dieser Kurven wurde unter Verwendung einer Prototypkonfiguration mit den bogenförmigen Flügeln 144, wie vorstehend mit einem Eintrittswinkel von 26°, einem Austrittswinkel von 30° und einer 45°-Abschrägung an der Nachlauf kante des Basisabschnitts des Flügels ausführlicher beschrieben, erhalten. Die Testergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.
18 ist eine grafische Darstellung der Strömung in 0,028 m³/Min. (Kubikfuß pro Minute) im Verhältnis zum Gegendruck in 250 Pa (Zoll Wasser), die weiterhin den elektrischen Strom in Ampere im Verhältnis zum Gegendruck in 250 Pa (Zoll Wasser) veranschaulicht. Die erste Linie 182 veranschaulicht die Strömungsmerkmale einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ohne ein Abstandelement, während die zweite Linie 184 die Strömungsmerkmale der Pumpe mit einem 2,5 mm großen Abstandselement veranschaulicht. Die dritte Linie 186 veranschaulicht den Strom, der von der Pumpe bei einem Betrieb ohne ein Abstandselement entsprechend der Fluidströmung der ersten Linie 182 verbraucht wird, während die vierte Linie 188 dem elektrischen Strom entspricht, der durch die Pumpe mit einem Abstandselement entsprechend den Fluidströmungsmerkmalen der zweiten Linie 184 fließt. Der für einen Gegendruck von 104.000 Pa (10 Zoll Wasser) erhaltene Wert betrug 15.337 Umdrehungen pro Minute (UPM), während die Datenpunkte für einen Gegendruck von etwa 107.600 Pa (25 Zoll) bei 15.075 Umdrehungen pro Minute (UPM) lagen. Die Datenpunkte entsprechend einem Gegendruck von 111.000 Pa (40 Zoll) und einem Gegendruck von 116.500 Pa (60 Zoll) wurden bei 14.860 Umdrehungen pro Minute (UPM) bzw. 14.319 Umdrehungen pro Minute (UPM) erhalten. Jede dieser Kurven wurde unter Verwendung einer Prototypkonfiguration mit den bogenförmigen Flügeln 144, wie vorstehend ausführlicher beschrieben, mit einem Eintrittswinkel von 26°, einem Austrittswinkel von 30° und einer 45°-Abschrägung an der Nachlauf kante des Basisabschnitts des Flügels mit einem Laufrad mit einem Durchmesser von 85 mm, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle erhalten.
19 ist eine grafische Darstellung, die den Gesamtwirkungsgrad in Prozent im Verhältnis zur Strömung in 0, 028 m³/Min. (Standardkubikfuß pro Minute) veranschaulicht. Die erste oder untere Kurve 190 veranschaulicht die Pumpenmerkmale ohne ein Abstandselement, während die obere oder zweite Kurve 192 die Pumpenmerkmale mit einem 2,5 mm großen Abstandselement veranschaulicht. Die aufgetragenen Datenpunkte entlang jeder Kurve, die mit der rechten oder höchsten Strömungsmenge beginnt und sich zur niedrigeren Strömungsmenge hin fortsetzt, entsprechen einem Gegendruck von 104.000 Pa (10 Zoll), 107.600 Pa (25 Zoll) bzw. 111.000 Pa (40 Zoll [H₂O]) entlang einer jeden der beiden Kurven 190 und 192. Jede dieser Kurven wurde unter Verwendung einer Prototypkonfiguration mit den bogenförmigen Flügeln 144, wie vorstehend ausführlicher beschrieben, mit einem Eintrittswinkel von 26°, einem Austrittswinkel von 30° und einer 45°-Abschrägung an der Nachlauf kante des Basisabschnitts des Flügels mit einem Laufrad mit einem Durchmesser von 85 mm, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle erhalten.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Luftströmung der Pumpe gesteigert, während der Gesamtwirkungsgrad der Pumpe durch konische Ausführung der Querschnittsfläche der Pumpenkammer 28 von einer maximalen Fläche am Einlaßende 70A hin zu einer kleineren Fläche am Auslaßende 72A, wie aus den 20–21 ersichtlich, nicht nachteilig beeinflußt wird. Die in 20 dargestellte Laufradabdeckung 22 ist ähnlich wie die vorstehend beschriebene ausgeführt. Die auf der Rückseite der Laufradabdeckung 22 ausgebildete flache Oberfläche 56 steht in einander zugewandtem Eingriff mit der maschinell bearbeiteten Oberfläche 50 des Laufradgehäuses 20. Der ringförmige Rücksprung oder Seitenkanalabschnitt 28C in der flachen Rückseitenfläche 56 der Laufradabdeckung 22 bildet einen Abschnitt der Pumpenkammer 28, der eine Verlängerung des Abschnitts der Pumpenkammer 28 im Laufradgehäuse 20 bildet und passend dazu ausgeführt ist. Die Laufradabdeckung 22 stellt den Umfangsflansch 76, der sich über das vordere Ende des Laufradgehäuses 20 erstreckt, sowie Bohrungen 80 in der Laufradabdeckung 22 zur Aufnahme von Schrauben bereit, um die Laufradabdeckung 22 mit dem Laufradgehäuse 20 zu verbinden. Die Laufradabdeckung 22 stellt auch einen Fluideinlaß 200 bereit, dessen Einlaßende 70A sich in den Seitenkanalabschnitt 28C hinein öffnet, der wiederum mit dem Auslaßende 72A in Verbindung steht, das sich in einen Fluidauslaß 202 der Laufradabdeckung 22 hinein öffnet.
Ein strömungswegdefinierendes Mittel ist vorzugsweise in mindestens einer der Seitenwände 52, 56 des die Pumpenkammer 28 definierenden Gehäuses ausgebildet, um einen Strömungsweg 204 zwischen dem Fluideinlaß 200 und dem Fluidauslaß 202 zu definieren. Wie vorstehend beschrieben, kann das strömungswegdefinierende Mittel mindestens die erste oder die zweite Seitenwand 52 bzw. 56 beinhalten, wobei ein allgemein ringförmiger Seitenkanalabschnitt 28C im Gehäuse um die Drehachse herum ausgebildet ist, um Fluid, wenn sich das Laufrad 26 dreht, zurück in Kontakt mit dem Laufrad 26 zu leiten. Der Seitenkanalabschnitt 28C ist allgemein senkrecht zur Drehachse angeordnet und erstreckt sich entlang einem auf der Drehachse zentrierten Bogen mit konstantem Radius.
Das strömungswegdefinierende Mittel stellt eine Querschnittsfläche der Pumpenkammer 28 bereit, wobei die Querschnittsfläche der Pumpenkammer 28 am Fluideinlaß 200 größer als die Querschnittsfläche der Pumpenkammer 28 am Fluidauslaß 202 ist. Die Reduzierung der Querschnittsfläche der Pumpenkammer 28 wird durch die konische Ausführung der Seitenkanalabschnitte 28C der Seitenwände 52, 56 bereitgestellt, die den Strömungsweg 204 zwischen dem Fluideinlaß 200 und dem Fluidauslaß 202 definieren. Vorzugsweise sind die Seitenkanalabschnitte 28C axial nach innen zum Laufrad 26 hin konisch ausgeführt, wobei eine konstante radiale Breite oder ein konstanter radialer Abstand der Seitenkanalabschnitte 28C aufrechterhalten wird. Die konische Ausbildung verläuft vorzugsweise mit einer konstanten Neigung, wie in 21 dargestellt. Zusätzlich kann die Reduzierung der durch die konische Ausbildung bereitgestellten Querschnittsfläche um zehn bis fünfzig Prozent zwischen der Querschnittsfläche am Fluideinlaß 200 und der Querschnittsfläche am Fluidauslaß 202 verringert werden. Vorzugsweise kann die konische Ausbildung die Querschnittsfläche des Strömungswegs 204 zwischen dem Fluideinlaß 200 und dem Fluidauslaß 202 um fünfundzwanzig Prozent reduzieren. Es sei darauf hingewiesen, daß das strömungswegdefinierende Mittel zwischen der ersten und der zweiten Seitenwand 52 bzw. 56 nicht symmetrisch zu sein braucht, sondern asymmetrisch so ausgeführt sein kann, daß die vorstehend beschriebenen Abstandselemente 170 oder die größeren eingegliederten Seitenkanalabschnitte 28C für diese Ausführungsform verwendet werden können.
22 ist eine grafische Darstellung einer elektrischen Luftpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Luftströmung in Kilogramm pro Stunde der Pumpe im Verhältnis zum Austragsdruck in Millibar veranschaulicht, wobei die zusammengetragenen Daten unter Verwendung einer Prototyppumpe mit einem Laufrad mit einem Durchmesser von 85 Millimeter, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle ermittelt wurden. Die verschiedenen Kurven veranschaulichen Betriebsmerkmale für konische Ausbildungen des Laufradgehäuses 20 und der Laufradabdeckung 22 sowie ohne konische Ausbildungen des Laufradgehäuses 20 und der Laufradabdeckung 22. Die erste Kurve 206 veranschaulicht die Vorrichtung ohne konische Ausbildung des Laufradgehäuses 20 oder der Laufradabdeckung 22. Das Laufradgehäuse 20 hat eine konstante Tiefe von 6,0 mm, und die Laufradabdeckung 22 hat über den gesamten Seitenkanalabschnitt 28C eine konstante Tiefe von 6,9 mm. Die zweite Kurve 208 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der modifizierten Pumpe mit einer konischen Ausbildung des Laufradgehäuses 20 und ohne konische Ausbildung der Laufradabdeckung 22. Die konische Ausbildung des Laufradgehäuses 20 erstreckt sich von einer Tiefe von 8,4 mm am Einlaßende 70A bis zu einer Tiefe von 6,0 mm am Auslaßende 72A. Die Tiefe des Seitenkanalabschnitts 28C wird bei einer konstanten Tiefe von 6,9 mm in der Laufradabdeckung 22 beibehalten. Die dritte Kurve 210 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der Pumpe, wobei die Laufradabdeckung 22 von 8,4 mm am Einlaßende 70A bis zu einer Tiefe von 6,0 mm am Auslaßende 72A konisch ausgeführt ist. Der Seitenkanalabschnitt 28C des Laufradgehäuses 20 weist eine konstante Tiefe von 7,6 mm auf.
23 ist eine grafische Darstellung des Gesamtwirkungsgrads in Prozent im Verhältnis zum Austragsdruck in Millibar, wobei die Daten unter Verwendung einer Prototyppumpe mit einem Laufrad mit einem Durchmesser von 85 mm, ohne Filter und mit einer 13,5-Volt-Kraftquelle ermittelt wurden. Die verschiedenen Kurven veranschaulichen wiederum die Betriebsmerkmale der Pumpe mit einer konischen Ausbildung des Laufradgehäuses 20 und der Laufradabdeckung 22 sowie ohne konische Ausbildung des Laufradgehäuses 20 und der Laufradabdeckung 22. Die erste Kurve 212 veranschaulicht die Vorrichtung ohne konische Ausbildung des Seitenkanalabschnitts 28C des Laufradgehäuses 20 sowie des Seitenkanalabschnitts 28C der Laufradabdeckung 22. Der Seitenkanalabschnitt 28C des Laufradgehäuses 20 weist eine konstante Tiefe von 6,0 mm und der Seitenkanalabschnitt 28C der Laufradabdeckung 22 eine konstante Tiefe von 6,9 mm auf. Die zweite Kurve 214 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der modifizierten Pumpe, wobei die Tiefe des Seitenkanalabschnitts 28C des Laufradgehäuses 20 8,4 mm am Einlaßende 70A und 6,0 mm am Auslaßende 72A beträgt. Der Seitenkanalabschnitt 28C der Laufradabdeckung 22 weist eine konstante Tiefe von 6,9 mm auf. Die dritte Kurve 216 veranschaulicht die Leistungsmerkmale der Pumpe mit einer konischen Ausbildung des Seitenkanalabschnitts 28C der Laufradabdeckung 22, wobei das Einlaßende 70A der Laufradabdeckung 22 eine Tiefe von 8,4 mm und das Auslaßende 72A eine Tiefe von 6,0 mm aufweist. Die Tiefe des Seitenkanalabschnitts 28C des Laufradgehäuses 20 stellt eine konstante Tiefe von 7,6 mm bereit.

Claims

Regenerativpumpe, um einem Fluid Energie hinzuzufügen, die folgendes umfaßt: ein Gehäuse (20, 22) mit einem Fluideinlaß (70) und einem einzelnen Fluidauslaß (72), die durch einen Abscheider (74) getrennt sind, wobei das Gehäuse (20, 22) ein Laufradgehäuse (20) und eine Laufradabdeckung (22) beinhaltet und eine erste (56) und eine zweite (52) axial beabstandete, sich radial erstreckende Seitenwand besitzt; ein Laufrad (26) mit einer Reihe von Laufradschaufeln (140), die vom Gehäuse (20, 22) umgeben sind, wobei das Laufrad (26) eine Drehachse sowie eine erste (26A) und eine zweite (26B) axial beabstandete, sich radial erstreckende Oberfläche besitzt, die der ersten (56) bzw. der zweiten (52) Seitenwand des Gehäuses (20, 22) zugewandt sind; und ein Paar Strömungskammern (28A, 28C), wobei eine Strömungskammer (28A, 28C) jeweils in der Laufradabdeckung (22) und dem Laufradgehäuse (20) ausgebildet und axial auf jeder Seite des Laufrads (26) angeordnet ist, um einen Strömungsweg (166) zwischen dem Fluideinlaß (70) und dem einzelnen Fluidauslaß (72) zu definieren, wobei das Gehäuse (20, 22) eine Umfangsfläche definiert, die das Laufrad (26) eng umgibt, jedoch ausreichenden Zwischenraum zuläßt, so daß das Fluid radial aus dem Laufrad (26) austreten und sich dann vorwärts oder rückwärts in die Strömungskammern (28A, 28C) hineindrehen kann, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (166), der mindestens eine der Kammern (28A, 28C) definiert, im wesentlichen entlang seiner gesamten Länge zwischen dem Fluideinlaß (70) und dem Fluidauslaß (72) in Axialrichtung konisch so ausgeführt ist, daß eine erste Querschnittsfläche (70A) am Fluideinlaß (70) größer als eine zweite Querschnittsfläche (72A) am einzelnen Fluidauslaß (72) ist.
Regenerativpumpe nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes umfaßt: das strömungswegdefinierende Mittel, das axial nach innen zum Laufrad (26) hin in einer konstanten Neigung vom Fluideinlaß (70) zum Fluidauslaß (72) hin konisch ausgeführt ist.
Regenerativpumpe nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes umfaßt: das strömungswegdefinierende Mittel, das in der ersten (50) und der zweiten (52) Seitenwand des Gehäuses (20) um die Drehachse herum asymmetrisch ausgebildet ist, um Fluid, während sich das Laufrad (26) dreht, zurück zum Laufrad (26) zu leiten.
Regenerativpumpe nach Anspruch 1, bei der das strömungswegdefinierende Mittel (166) weiterhin folgendes umfaßt: mindestens die erste (50) oder die zweite (52) Seitenwand, die einen allgemein ringförmigen Seitenkanalabschnitt (28A oder 28C) aufweist, der im Gehäuse um die Drehachse herum ausgebildet ist, um Fluid, während sich das Laufrad (26) dreht, hin zum Laufrad (26) zu leiten.
Regenerativpumpe nach Anspruch 4, die weiterhin folgendes umfaßt: den Seitenkanalabschnitt (28A oder 28B), der allgemein senkrecht zu und entlang einem Bogen mit konstantem Radius, auf der Drehachse zentriert, angeordnet ist.
Regenerativpumpe nach Anspruch 1, die weiterhin folgendes umfaßt: die zweite Querschnittsfläche (72A) am Fluidauslaß (72), die 10% bis 50% kleiner als die erste Querschnittsfläche (70A) am Fluideinlaß (70) ist.