-
Hintergrund
der Erfindung
-
1. Gebiet
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Spiralgehäuse und
insbesondere ein kompaktes Spiralgehäuse, das speziell zur Verwendung
in Umgebungen, die niedrige Massenströme benötigen, entworfen wurden und
das in einer kostengünstigen Art
und Weise zur Einmal- bzw. Einwegverwendung hergestellt werden kann.
-
2. Diskussion
des Standes der Technik
-
Der
Begriff "Spiralgehäuse" wird für eine Anordnung
von vernetzten evolventen Spiralhüllen verwendet, bei denen zumindest
eine der Hüllen
veranlasst wird, entlang eines kreisförmigen Weges relativ zu der
anderen Hülle
zu kreisen. Diese Kreisbewegung ruft eine oder mehrere Fluidtransportkammern zwischen
den Hüllen
hervor, die sich radial zwischen Einlass- und Auslasszonen der Vorrichtung
bewegen. Die Spiralhüllen
sind typischerweise durch eine Synchronisieranordnung verbunden,
die relative Bewegung zwischen den Hüllen vermeidet, während sie die
relative kreisförmige
Bewegung der Hüllen
aufnimmt bzw. in Einklang bringt. Solche Spiralgehäuse können abhängig von
ihrer Ausgestaltung, dem angewendeten Antriebssystem und der Natur
der zwischen den Spiralhüllen
und dem sich durch die Vorrichtung bewegenden Fluid transferierten
Energie als Pumpen, Kompressoren, Motoren oder Expander verwendet
werden.
-
Die
DE-A-35 25 616 offenbart ein Spiralgehäuse mit einer Synchronisieranordnung.
-
Ein
wesentlicher Vorteil im Betrieb eines Spiralgehäuses kann durch Minimierung
seiner Gesamtgröße für einen
gegebenen Fluiddurchsatz erreicht werden. Die Minimierung der Größe eines
Spiralgehäuses
kann offensichtlich ebenfalls die damit verbundenen Herstellungskosten
reduzieren. In der Vergangenheit wurden in diesem Gebiet viele bedeutsame
Verbesserungen erreicht, um eine Gesamtgrößenreduzierung bei Spiralgehäusen zu
erlangen. Diese Verbesserungen haben sich hauptsächlich auf Rekonfiguration
und Repositionierung der Synchronisieranordnung konzentriert, um
entweder die radialen oder axialen Dimensionen der Vorrichtung zu
reduzieren. Im allgemeinen neigen diese Neuentwürfe dazu, entweder die axialen
Dimensionen der Spiralhülle
auf Kosten der radialen Dimensionen zu reduzieren oder umgekehrt.
Von weiterem Interesse ist, dass die Synchronisieranordnung selbst
ein Problem in Bezug auf den Fluss des Fluids, das entweder in die
Spiralhülle
eintritt oder aus ihr austritt, erzeugen kann. Falls die Synchronisieranordnung
z. B. zwischen den Spiralhüllen
und entweder der Einlass- oder der Auslasszone angeordnet ist, wird
das durch die Vorrichtung fließende
Fluid eigentlich gezwungen sein, durch die Synchronisieranordnung
zu gelangen, woraus Systemverluste resultieren können.
-
In
manchen Umgebungen werden Pumpvorrichtungen benötigt, die nur relativ kleine
Durchsätze erzeugen
brauchen bzw. sollen, aber die nicht ohne gründliches Reinigen zwischen
den Verwendungen wiederbenutzt werden können. Beispielsweise könnten während einer
chirurgischen oder anderen medizinischen Prozedur verschiedene Körperflüssigkeiten
zu einem Patienten gebracht und von einem Patienten entnommen werden
müssen.
Eine zu diesem Zweck verwendete Pumpe wird offen sichtlich diesen Fluiden
ausgesetzt sein. Nach dem Arbeitsverfahren müssen die Pumpe und andere ausgesetzte
Systemkomponenten entweder weggeworfen oder in einigen Fällen vor
einer Weiterverwendung desinfiziert werden. Obwohl die betreffenden
Pumpraten für
diese Systeme eher niedrig sind, so dass diese Pumpen ziemlich klein
hergestellt werden können,
sind die mit der Herstellung dieser Pumpvorrichtungen verbundenen
Kosten immer noch ziemlich hoch und deswegen ist die Bereitstellung
einer solchen Vorrichtung mit nachfolgender Einmal- bzw. Einwegverwendung
sehr kostspielig. Natürlich
kann das Reinigen und Sterilisieren einer solchen Vorrichtung zur
späteren
Verwendung ebenfalls kostspielig genauso wie zeitaufwendig sein.
-
Deswegen
existiert hier ein Bedürfnis
in dem Gebiet für
ein Spiralgehäuse,
das in seiner Beschaffenheit kompakt, effizient zu verwenden und ökonomisch
vorteilhaft zu produzieren ist, speziell wenn es zur Erzeugung ziemlich
niedriger Durchsätze
in Einmal- bzw. Einwegverwendungen verwendet wird.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Erfindungsgemäß wird ein
wie in Anspruch 1 beanspruchtes Spiralgehäuse vorgeschlagen. Die offenbarte
Vorrichtung ist insbesondere zur Verwendung bei der Erzeugung eines
niedrigen Volumenstroms angepasst. Das Spiralgehäuse hat minimale axiale und
radiale Dimensionen und umfasst eine Synchronisieranordnung, die
derart positioniert ist, um den Durchsatz von Fluid durch das Spiralgehäuse nicht
nachteilig zu beeinflussen. Das Spiralgehäuse kann wirtschaftlich hergestellt
werden, um der Vorrichtung zu ermöglichen, nach Einmal- bzw.
Einwegverwendung entsorgt zu werden.
-
Um
diese Funktionen zu erfüllen,
ist das Spiralgehäuse
der Erfindung vorzugsweise vollständig aus Kunststoff hergestellt
und umfasst ein Paar von vernetzten evoluten Spiralhüllen, die
mit äußeren Hüllenstützelementen
in der Form von Platten verbunden sind. Eine der Hüllen ist
durch ein Spiralhüllenelement
definiert, das von einer Innenfläche
der entsprechenden der Stützplatten
absteht. Die andere Hülle
ist durch Wände
einer spiralförmigen
Ausnehmung definiert, die in der Innenfläche der anderen Stützplatte
ausgebildet sind.
-
In
einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung wird die Spiralhülle
zur Erzeugung eines ziemlich niedrigen Austrittsdurchsatzes mittels
eines Saugeffekts verwendet, im allgemeinen im Bereich von einem
Milliliter pro Minute (1 ml/min) bis 60 Millilitern pro Minute (60
ml/min) und mit einem maximalen Vakuumdruck in der Größenordnung
von 550 mm Hg. Mit dieser Kapazität als Vorgabe braucht sich
die axial abstehende Hülle
nur um 360° zu
verwinden und die durch eine Ausnehmung definierte Hülle erstreckt sich
vorzugsweise um mehr als 360°,
um die Einlass- und Auslasszonen aufzunehmen. Insbesondere sind die
Einlass- und Auslasszonen des Spiralgehäuses vorzugsweise in der spiralförmigen Ausnehmung
von inneren und äußeren Endteilen
der sich axial erstreckenden Hülle
versetzt ausgebildet, und diese Zonen haben angeschlossene Öffnungen,
die sich durch die Platte, in der die Ausnehmung ausgebildet ist,
erstrecken.
-
Die
Synchronisieranordnung für
das Spiralgehäuse
der Erfindung ist vorzugsweise axial zwischen den Hüllenstützplatten
und radial einwärts
von jeder der Spiralhüllen
angeordnet, genauso wie sowohl die Einlasszone als auch die Auslasszone.
In der bevorzugten Ausführung
ist die Synchronisieranordnung durch eine Mehrzahl von entlang des
Umfangs beabstandet angeordneten Zähnen definiert, die an einer
der Stützplatten
ausgebildet sind und in entsprechenden in der anderen Stützplatte
ausgebildeten Nuten aufgenommen werden. Mit dieser Anordnung ist
die Synchronisieranordnung radial einwärts von dem in der Vorrichtung
eingerichteten Fluidflussweg abgesetzt und beeinflusst deswegen
den Durchsatz von Fluid durch die Vorrichtung nicht nachteilig.
-
Sowohl
die spiralförmige
Ausnehmung als auch die Synchronisiernuten weisen vorzugsweise entsprechende
Tiefen auf, die es ihnen erlauben, die axial abstehende Hülle bzw.
die Synchronisierzähne vollständig aufzunehmen.
Deswegen hat das Spiralgehäuse
eine gesamte axiale Abmessung, die im wesentlichen durch die kombinierten
Dicken der Stützplatten
definiert ist. Angesichts der Tatsache, dass sich die Hüllen nur
um einen begrenzten Betrag radial nach innen erstrecken, wodurch
sie ermöglichen, dass
die Synchronisieranordnung radial einwärts von ihnen angeordnet ist,
weist das Spiralgehäuse
des weiteren eine minimale radiale Abmessung auf. Angesichts dieser
Abmessungseigenschaften ist ein im Ganzen kompaktes Spiralgehäuse bereitgestellt, das,
wenn es aus Kunststoff ist, zur Verwendung als wegwerfbare Einwegpumpe
oder wegwerfbares Einwegmotorprodukt wirtschaftlich hergestellt
werden kann.
-
Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende
detaillierte Beschreibung einer bevorzugten Ausführung einfacher ersichtlich
werden, wenn sie in Verbindung mit den Zeichnungen betrachtet werden,
in denen sich gleiche Referenznummern auf die entsprechenden Teile in
den verschiedenen Ansichten beziehen.
-
Kurze Erläuterung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Spiralgehäuses, das in Übereinstimmung
mit der Erfindung konstruiert wurde,
-
2 ist
eine aus einer ersten Richtung erstellte Explosionsansicht des Spiralgehäuses der 1,
-
3 ist
eine entgegengesetzt der Richtung der 2 erstellte
Explosionsansicht des Spiralgehäuses
der 1, und
-
4 ist
eine Teilquerschnittsansicht des Spiralgehäuses der 1.
-
Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführung
-
Mit
Bezug zunächst
auf 1 ist das gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierte Spiralgehäuse
vorzugsweise aus Kunststoff hergestellt und ist allgemein mit 2 bezeichnet.
Das Spiralgehäuse 2 umfasst
ein erstes Drehelement 5 und ein zweites Drehelement 7.
In der bevorzugten Ausführung
wird das erste Drehelement 5 mittels eines exzentrischen
Antriebsschaftes (nicht dargestellt) angetrieben, der sich innerhalb
einer Bohrung 11 erstreckt, die in einem zentralen aufrechten
Nabenteil 12 des ersten Drehelements 5 ausgebildet
ist, und das zweite Drehelement 7 ist vorzugsweise in einer
gewünschten Position
fixiert. Da die Art und Weise, in der Spiralgehäuse im allgemeinen angetrieben
sind, um relative kreisförmige
Bewegungen zwischen den in Eingriff befindlichen Drehelementen zu
ermöglichen,
in der Technik weitgehend bekannt ist, wird diese Betriebsweise
hier nicht wiederholt werden. Es sollte jedoch verstanden werden,
dass, obwohl das zweite Drehelement 7 in der bevorzugten
Ausführung
gegen Rotation fixiert ist, das Spiralgehäuse 2 eine mitrotierende Drehanordnung
darstellen könnte,
ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen. Aus Gründen, die
nachstehend ausführlicher
diskutiert werden, ist ein O-Ring 14 zur Anordnung innerhalb
der Bohrung 11 eingerichtet.
-
Beim
Beschreiben der bevorzugten Konstruktion des ersten und zweiten
Drehelements 5 und 7 wird nun vor allem auf die 2 und 3 Bezug genommen
werden. Das erste Drehelement 5 umfasst ein erstes Hüllenstützelement 32,
das die Form einer Platte einnimmt, die eine äußere axiale Seite 34 und
eine innere axiale Seite 36 aufweist. Die äußere axiale
Seite 34 ist mit einem äußeren kreisförmig aufrechten
Flansch 38 und einem inneren kreisförmig aufrechten Flansch 40 vorgesehen.
Zwischen den inneren und äußeren aufrechten
Flanschen 40 und 38 ist ein ausgenommener bzw.
vertiefter Bereich 42 definiert, der zur Aufnahme eines
Dichtungsringes (nicht dargestellt) eingerichtet ist, wenn das Spiralgehäuse 2 zum
Gebrauch montiert wird.
-
Die
zweite axiale Seite 36 der ersten Hüllenstützplatte 32 ist am
besten in 3 dargestellt und weist ein
davon abstehendes und sich axial erstreckendes evolventes Spiralhüllenelement 44 auf.
Das Hüllenelement 44 weist
einen ersten Endbereich 46 und einen zweiten Endbereich 48 auf.
Radial einwärts
von dem Spiralhüllenelement 44 sind
eine Mehrzahl von entlang des Umfangs beabstandet angeordneten Zähnen 50 angeordnet,
die einen Teil einer Synchronisieranordnung 51 des Spiralgehäuses 2 ausbilden.
Wie sowohl in 3 als auch 4 dargestellt,
weist jeder der Zähne 50 einen
radial äußeren Abschnitt 52 auf,
der breiter ist als dessen radial innerer Abschnitt 53,
so dass jeder der Zähne
sich radial einwärts
verjüngt.
Einwärts
von den Zähnen 50 ist
auf der zweiten axialen Seite 36 eine kreisförmige Muldenzone 56 und
ein erhobener Zentralkörper
angeordnet, die zusammen den zentralen aufrechten Nabenbereich 12 definieren.
-
Das
zweite Drehelement 7 umfasst in ähnlicher Weise ein zweites
Hüllenstützelement 61 in
der Form einer Platte, die eine äußere axiale
Seite 63 und eine innere axiale Seite 65 aufweist.
Wie am besten in 2 und 4 dargestellt
ist, umfasst die zweite Hüllenstützplatte
ein zweites spiralförmiges Hüllenelement 69,
das durch einen aufrechten äußeren Wandbereich 72 und
einen aufrechten inneren Wandbereich 74, die durch Endwände 76 und 77 miteinander
verbunden sind, ausgebildet wird. Die aufrechten Wandbereiche 72 und 74 genauso
wie die Endwände 76 und 77 definieren
zusammen eine spiralförmige
Ausnehmung 79. Beabstandet von der Endwand 76 ist
die spiralförmige
Ausnehmung 79 mit einer ersten Öffnung 81 vorgesehen
und benachbart zu der Endwand 77, ist die spiralförmige Ausnehmung 79 mit
einer zweiten Öffnung 83 ausgebildet. Wie
des weiteren nachfolgend noch diskutiert werden wird, definiert
jede der Öffnungen 81 und 83 entweder
eine Einlass- oder Auslasszone, abhängig von der Art der Verwendung
des Spiralgehäuses 2.
-
Aufgrund
der Verwindung bzw. Schneckenform des zweiten Hüllenelements 69, ist
die zweite axiale Seite 65 der zweiten Hüllenstützplatte 61 mit einem äußeren radial
verdickten Wandbereich 86 und einem inneren radial verdickten
Wandbereich 88 ausgebildet. Um die Menge des zur Herstellung
des Spiralgehäuses 2 benötigten Materials
zu minimieren und dadurch die damit verbundenen Herstellungskosten
zu reduzieren, sind die bogenförmigen
Ausnehmungen 90 und 91 vorzugsweise jeweils in
den äußeren und
inneren verdickten Wandbereichen 88 und 86 vorgesehen.
Die zweite axiale Seite 65 ist ebenfalls mit einer zentralen
Muldenzone 94 und einer Mehrzahl von genuteten radialen Überständen 96 ausgebildet,
die einen anderen Bereich der Synchronisieranordnung 51 darstellen,
wie nachfolgend ausführlicher
diskutiert werden wird.
-
Die
erste axiale Seite 63 der zweiten Hüllenstützplatte 61 ist mit
einem Paar von beabstandeten Öffnungsanschlüssen 103 und 104 ausgebildet.
Beide Öffnungsanschlüsse 103 und 104 weisen
jeweils einen zentralen rohrförmigen
Zylinderbereich 107 auf, der darum herum einen ringförmigen Zwischenraum 109 aufweist.
Jeder der rohrförmigen
Zylinderbereiche 107 steht in Fluidverbindung mit einer
entsprechenden Anschluss 81 bzw. 83 durch die
zweite Hüllenstützplatte 61.
Mit dieser Konstruktion können Fließkanäle oder
-passagen (nicht dargestellt) leicht in Fluidverbindung mit jedem
rohrförmigen
Zylinderbereich 107 des Spiralgehäuses 2 angeordnet
werden. Wie in diesen Figuren deutlich dargestellt, umfasst die
zweite Hüllenstützplatte 61 einen äußeren Umfang 113,
der mit einer radial herausragenden Kante 116 ausgebildet
ist, die eine zentrale Nut bzw. Kerbe 118 aufweist. Diese
Struktur ist in Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführung
der Erfindung vorgesehen und stellt eine Anordnungs- und Montagehilfe
für die
zweite Hüllenstützplatte 61 des Spiralgehäuses 2 dar.
-
Das
sich axial erstreckende Spiralhüllenelement 44 des
ersten Drehelements 5 steht in Eingriff mit dem zweiten
Spiralhüllenelement 69 des
zweiten Drehelements 7, wenn sie zusammengebaut werden.
Insbesondere wird das Spiralhüllenelement 44 in
der spiralförmigen
Ausnehmung 79 aufgenommen, wie in 4 deutlich
dargestellt ist. Um bei der genauen Positionierung des Spiralhüllenelements 44 in der
spiralförmigen
Ausnehmung 79 zu helfen, ist das erste Drehelement 5 mit
einem Überstand 120 an dem
Nabenbereich 12 versehen, der nach der Nut bzw. Kerbe 118 auszurichten
ist. Anhand dessen, dass die spiralförmige Ausnehmung 79 das
Spiralhüllenelement 74 vollständig aufnimmt,
ist die gesamte axiale Abmessung des Spiralgehäuses 2 im wesentlichen
gleich der kombinierten Dicke der ersten und zweiten Hüllenstützplatten 32 und 61,
d. h. weniger als 1 cm in der kompakten dar gestellten Ausführungsform,
obwohl die Wände 72 und 74 etwas von
der inneren axialen Seite 65 erhoben sind wie in 2 dargestellt.
Zusätzlich
weist dieses kompakte Spiralgehäuse 2 einen äußeren Durchmesser
auf, der kleiner als ca. 7,5 cm ist.
-
In
der bevorzugten Ausführung,
in der das zweite Drehelement 7 fixiert ist, wird das erste
Drehelement 5 angetrieben, um um eine geometrische Mitte 125 relativ
zu dem zweiten Drehelement 7 zu kreisen. In dieser Ausführung ist
der Antrieb zu dem ersten Drehelement 5 durch Einfügen eines
exzentrischen Antriebsschaftes (nicht dargestellt) in die Bohrung 11 mit
einem O-Ring 14, der zwischen dem Antriebsschacht und einem
zentral hervorstehenden Nabenbereich 12 angeordnet ist,
ausgeführt.
Mit dieser Anordnung stellt der O-Ring 14, der entweder
in den Nabenbereich 12 montiert werden kann oder durch
den Antriebsschaft getragen werden kann, dem Spiralgehäuse einen
gewissen Grad von radialem Spiel zur Verfügung. Durch diese kreisförmige Bewegung
wird zumindest eine sich radial und noch mehr tangential bewegende
Fluidkammer zwischen dem ersten und zweiten Hüllenelement 44 und 69 erzeugt.
Wenn es in einer ersten Richtung gedreht wird, wird das Fluid in
die erste Öffnung 81 gezogen und
durch die zweite Öffnung 83 entlassen.
Wenn es in eine Gegenrichtung gedreht wird, wird das Fluid in eine
zweite Öffnung 83 gezogen
und durch die erste Öffnung 81 entlassen.
-
Wie
voranstehend angedeutet ist das dargestellte Spiralgehäuse 2 speziell
zum Betrieb bei ziemlich kleinen Volumenströmen entworfen, vorzugsweise
durch Erschaffung eines Vakuums zur Erzeugung eines Durchsatzes
in dem Bereich von 1 ml/min bis 60 ml/min und einem maximalen Vakuumdruck
von ungefähr
550 mm Hg. Die begrenzte Gradzahl der Verwindung bzw. Schneckenform
der Hüllenelemente 44 und 69 ermöglicht der
Synchronisieranordnung 51 radial einwärts von den Öffnungen 81 und 83 angeordnet
zu sein, dabei dennoch genügend
weit auswärts
der geometrischen Mitte 125 des Hüllenelements 44, um
Betriebsstabilität
bereitzustellen. Da die vorliegende Verwendung der Synchronisieranordnung 51 zusammen
mit den verschiedenen anderen möglichen
Verwendungsarten des Spiralgehäuses 2 im
Stand der Technik weithin bekannt ist, werden diese Aspekte der
Vorrichtung nicht weiter vertieft werden.
-
Da
das Spiralgehäuse 2 zumindest
gemäß der hier
dargestellten und beschriebenen bevorzugten Ausführung aus Kunststoff ausgebildet
und extrem kompakt ist, kann das Spiralgehäuse 2 mit minimalen
Kosten hergestellt werden und stellt deswegen eine wirtschaftlich
realisierbare Einwegeinheit dar, die in verschiedenen Gebieten genutzt
werden kann. Zusätzlich
kann das Spiralgehäuse 2,
unter Voraussetzung des Vorhandenseins der externen Öffnungsanschlüsse 103 und 104,
einfach mit einem Regelungssystem für den gesamten Fluidfluss verbunden
und von diesem getrennt werden.
-
Obwohl
mit Bezug auf eine bevorzugte Ausführung der Erfindung beschrieben,
sollte erkannt werden, dass verschiedene Änderungen und/oder Modifikationen
an der Erfindung vorgenommen werden können, ohne das Gebiet der Erfindung
zu verlassen. Obwohl ein extrem kompaktes Spiralgehäuse gezeigt
und beschrieben wurde, sollte es beispielsweise offensichtlich sein,
dass verschiedene Vorzüge der
Erfindung vorteilhaft in Spiralgehäuse eingebunden werden können, die
große
Kapazitäten
aufweisen, aber die selbst kompakter und ökonomisch attraktiver hergestellt
werden können.
Im allgemeinen soll die Erfindung nur durch den Umfang der folgenden
Ansprüche
beschränkt
sein.