EP0595764B1

EP0595764B1 - Gear pump

Info

Publication number: EP0595764B1
Application number: EP93810658A
Authority: EP
Inventors: Felix Streiff
Original assignee: Sulzer Chemtech AG
Current assignee: Sulzer Chemtech AG
Priority date: 1992-10-29
Filing date: 1993-09-20
Publication date: 1997-10-29
Anticipated expiration: 2013-09-20
Also published as: US5388974A; JPH06200881A; DE59307598D1; ES2110077T3; EP0595764A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich weiter auf Pumpanlagen mit einer solchen Zahnradpumpe sowie auf die Verwendung der Zahnradpumpe, insbesondere zum Austrag hochviskoser Medien aus Vakuum gegen einen hohen Förderdruck.The invention relates to a gear pump according to the preamble of claim 1. The invention further relates to pump systems with such a gear pump and to the use of the gear pump, in particular for discharging highly viscous media from a vacuum against a high delivery pressure.

Beim Austragen hochviskoser Medien aus Vakuum bzw. aus einem niedrigen Druckbereich gegen einen hohen Förderdruck wird die Pumpleistung bisheriger Zahnradpumpen durch Sieden bzw. Gasbildung im Medium und in der Folge durch Kavitation in der Zahnradpumpe sehr stark eingeschränkt. Um Gasbildung und Kavitation zu vermeiden, muss entsprechend der Zulaufdruck durch eine entsprechend hohe Zulaufhöhe, d.h. durch den statischen Druck der darüberliegenden Flüssigkeitssäule des Mediums erzeugt werden. Kavitation in der Pumpe muss unbedingt vermieden werden, denn dies lässt nicht nur die Förderleistung zusammenbrechen, es bewirkt überdies auch Schäden in der Pumpe selber. Um gute Pumpleistungen zu erreichen, wurde bei bisherigen Zahnradpumpen der Einlaufbereich so ausgeführt, dass das Medium direkt auf die Zahnräder geführt wird. Aus der US-PS 4.137.023 ist eine derartige Pumpe bekannt.When discharging highly viscous media from a vacuum or from a low pressure range against a high delivery pressure, the pumping capacity of previous gear pumps is very severely limited by boiling or gas formation in the medium and subsequently by cavitation in the gear pump. In order to avoid gas formation and cavitation, the inlet pressure must be adjusted accordingly by a correspondingly high inlet height, i.e. be generated by the static pressure of the liquid column of the medium above. Cavitation in the pump must be avoided because this not only causes the delivery rate to collapse, it also causes damage to the pump itself. In order to achieve good pumping performance, the inlet area of previous gear pumps was designed so that the medium is fed directly onto the gear wheels. Such a pump is known from US Pat. No. 4,137,023.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe zu schaffen, welche wesentlich höhere Leistungen als bisherige Pumpen zulässt und insbesondere auch den sicheren Austrag hochviskoser Medien mit darin enthaltenen flüchtigen Komponenten aus Vakuum gegen einen hohen Förderdruck von 100 bis 250 bar mit sehr geringer Zulaufhöhe ermöglicht.It is an object of the present invention to provide a pump which has significantly higher performances than allows previous pumps and in particular also enables the safe discharge of highly viscous media with volatile components contained therein from vacuum against a high delivery pressure of 100 to 250 bar with a very low inlet height.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mittels einer Pumpe nach Anspruch 1. In der erfindungsgemässen Pumpe wird eine Erweiterung des Einlaufquerschnitts über die rechteckige Querschnittsfläche der Zahnräder hinaus derart eingeführt, dass der Einlaufquerschnitt bei den Zahnrädern in Richtung der Zahnradachsen breiter als die Zahnräder ist. Dadurch können günstigere Zuströmungsbedingungen geschaffen und damit statt eines Druckabfalls im Einlaufbereich im Gegenteil sogar noch eine leichte Druckerhöhung, infolge des statischen Flüssigkeitsdrucks des Mediums, im Einlaufbereich erreicht werden.This object is achieved according to the invention by means of a pump according to claim 1. In the pump according to the invention, an expansion of the inlet cross section beyond the rectangular cross-sectional area of the gear wheels is introduced such that the inlet cross section of the gear wheels is wider than the gear wheels in the direction of the gear wheel axes. As a result, more favorable inflow conditions can be created and, on the contrary, instead of a pressure drop in the inlet area, a slight pressure increase can be achieved in the inlet area due to the static liquid pressure of the medium.

Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Um besonders gute Pumpeneigenschaften zu erreichen, kann die Erweiterung im Einlauf bis zur Ebene der Zahnradachsen hinein reichen, und es kann die Länge R der Erweiterung mindestens 10 % grösser sein als die Länge D des Zahnradpaares. Die Erweiterung des Einlaufbereichs kann bei den Zahnrädern eine Breite C aufweisen, welche grösser ist als die Zahnbreite T, beispielsweise um mindestens 10 %. Günstige Einlaufgeometrien können weiter erreicht werden durch ein Verhältnis von Einlaufdurchmesser B zu Einlauftiefe L von mindestens 2 und durch ein Verhältnis von Erweiterungslänge R zu Einlauftiefe L, welches grösser ist als 1,85. Ein trichterförmiger Einlaufbereich kann mit Vorteil einen Oeffnungswinkel W von mindestens 55° aufweisen. Mit einem Verhältnis von Breite T zu Achsabstand Z der Zahnräder zwischen 0,9 und 1,3 kann eine günstige Zahngeometrie realisiert werden und mit einem Verhältnis von Auslaufdurchmesser A zu Diagonale D4 der Querschnittsfläche FA zwischen 0,9 und 1,1 kann eine besonders gut abgestimmte Auslaufgeometrie erreicht werden, wobei FA definiert ist durch: Zahnbreite T x Achsabstand Z. Eine kostengünstige Modulbauweise mit erfindungsgemässen Pumpen ist möglich, indem im gleichen Gehäuse z.B. verschiedene Zahngrössen mit angepasstem Einlaufbereich und Auslaufdurchmesser eingesetzt werden. Dazu kann der Auslaufdurchmesser A durch eine Einsatzbüchse passend eingestellt werden. Eine besonders leistungsfähige Pump- und Mischanlage wird gebildet mit einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe kombiniert mit einem nachgeschalteten statischen Mischelement. Und eine einfache und effiziente Pump- und Entgasungsanlage wird mit einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe kombiniert mit einer Entgasungskammer gebildet, zum Austrag von hochviskosen Medien aus der Entgasungskammer mit hohem Förderdruck.The dependent claims relate to advantageous developments of the invention. In order to achieve particularly good pump properties, the enlargement in the inlet can extend as far as the level of the gearwheel axes, and the length R of the enlargement can be at least 10% greater than the length D of the gearwheel pair. The enlargement of the inlet area can have a width C in the gearwheels which is larger than the tooth width T, for example by at least 10%. Favorable inlet geometries can be further achieved by a ratio of inlet diameter B to inlet depth L of at least 2 and by a ratio of extension length R to inlet depth L, which is greater than 1.85. A funnel-shaped inlet area can advantageously have an opening angle W of at least 55 °. With a ratio of width T to center distance Z of the gears between 0.9 and 1.3, a favorable tooth geometry can be realized and with a ratio of outlet diameter A to diagonal D4 Cross-sectional area FA between 0.9 and 1.1, a particularly well-coordinated outlet geometry can be achieved, where FA is defined by: tooth width T x center distance Z. A cost-effective modular design with pumps according to the invention is possible by, for example, different tooth sizes with an adapted inlet area in the same housing and outlet diameter can be used. For this purpose, the outlet diameter A can be set appropriately using an insert sleeve. A particularly powerful pumping and mixing system is formed with a gear pump according to the invention combined with a downstream static mixing element. And a simple and efficient pumping and degassing system is formed with a gear pump according to the invention combined with a degassing chamber for the discharge of highly viscous media from the degassing chamber with high delivery pressure.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren weiter erläutert. Es zeigt:

Fig.1a,1b,2: eine erfindungsgemässe Zahnradpumpe in drei Ansichten mit einer Einlauferweiterung,
Fig.3,4: Beispiele von Querschnittsflächen von Einlauferweiterungen,
Fig.5,6: Beispiele für den Verlauf von Einlauferweiterungen bis zur Ebene der Zahnradachsen,
Fig.7: den Druckverlauf im Einlaufbereich für eine bisherige und eine erfindungsgemässe Zahnradpumpe,
Fig.8: eine Anlage zum Pumpen, Mischen und Entgasen mit einer Entgasungskammer und einem statischen Mischer.

In the following, the invention is further explained with the aid of examples and figures. It shows:

1a, 1b, 2: a gear pump according to the invention in three views with an inlet extension,
Fig. 3.4: Examples of cross-sectional areas of inlet extensions,
Fig. 5.6: Examples of the course of inlet extensions up to the level of the gear axis,
Fig. 7: the pressure curve in the inlet area for a previous gear pump and a gear pump according to the invention,
Fig. 8: a system for pumping, mixing and degassing with a degassing chamber and a static mixer.

Die erfindungsgemässe Zahnradpumpe 1 weist nach Fig.1 einen Einlauf 4, einen Auslauf 6 und ein Zahnradpaar 2 in einem Gehäuse 3 auf. Der Einlauf 4 weist eine Erweiterung 10 auf, welche bis auf die Ebene 11 der Zahnradachsen 12 hinabreicht. In Fig.1c ist die Querschnittsfläche FZ der Zahnräder 2 dargestellt, in Form eines Rechtecks D x T mit Länge D und Breite T des Zahnradpaars. Die Erweiterung 10 mit Querschnittsfläche FE weist eine Länge R und eine Breite C auf. Die Form der Erweiterung ist gebildet aus trichter- oder kegelförmigen und ebenen Begrenzungsflächen. Der trichterförmige Teil des Einlaufs weist einen Oeffnungswinkel W auf, mit einem Einlaufdurchmesser D in der oberen Flanschebene 14. In allen Fällen ist gemäss Anspruch 1 die Querschnittsfläche FE der Erweiterung (im Bereich der Zahnradachsen) grösser als jene der Zahnräder FZ und die Diagonale D3 der Zahnradquerschnittsfläche FZ ist immer kleiner als der Einlaufdurchmesser B. Wobei in diesem Beispiel 1 sowohl die Länge R als auch die Breite C der Erweiterung FE grösser ist als die entsprechende Länge D und die Breite T der Zahnradquerschnittsfläche FZ.According to FIG. 1, the gear pump 1 according to the invention has an inlet 4, an outlet 6 and a pair of gearwheels 2 in a housing 3. The inlet 4 has an extension 10 which extends down to the plane 11 of the gearwheel axes 12. 1c shows the cross-sectional area FZ of the gear wheels 2, in the form of a rectangle D x T with length D and width T of the gear pair. The extension 10 with the cross-sectional area FE has a length R and a width C. The shape of the extension is made up of funnel-shaped or conical and flat boundary surfaces. The funnel-shaped part of the inlet has an opening angle W, with an inlet diameter D in the upper flange plane 14. In all cases, the cross-sectional area FE of the extension (in the region of the gearwheel axes) is larger than that of the gearwheels FZ and the diagonal D3 is in accordance with claim 1 Gear cross-sectional area FZ is always smaller than the inlet diameter B. In this example 1, both the length R and the width C of the extension FE are greater than the corresponding length D and the width T of the gear cross-sectional area FZ.

Weitere Beispiele von Querschnittsflächen FE zeigen die Fig.3 und 4. Die Querschnittsfläche 32 in Fig.3 ist ebenfalls rechteckförmig wie die Zahnradquerschnittsfläche FZ. Die Querschnittsfläche 33 von Fig.4 zeigt als weiteres vorteilhaftes Beispiel eine gerundete, sichelförmige Erweiterung 33 im Bereich der aussenliegenden Zähne des Zahnradpaares 2. In Fig.4 ist auch die Querschnittsfläche FA dargestellt, welche gebildet ist durch Achsabstand Z und Zahnbreite T. Der Auslaufdurchmesser A sollte dann im wesentlichen der Diagonalen D4 dieser Querschnittsfläche FA entsprechen. Das Verhältnis von Auslaufdurchmesser A zu Diagonale D4 liegt vorzugsweise im Bereich 0,9 bis 1,1. Mit wählbaren Einsatzbüchsen 15 (Fig.1a,b) und mit Variation der Zahnbreite T und Anpassung der Einlauferweiterung 10 können mehrere Leistungsgrössen der Zahnradpumpe im gleichen Gehäuse 2 auf einfache und kostengünstige Art realisiert werden.3 and 4 show further examples of cross-sectional areas FE. The cross-sectional area 32 in FIG. 3 is likewise rectangular like the gearwheel cross-sectional area FZ. The cross-sectional area 33 of FIG. 4 shows, as a further advantageous example, a rounded, crescent-shaped extension 33 in the area of the external teeth of the gear pair 2. The cross-sectional area FA is also shown in FIG. 4, which is formed by the center distance Z and tooth width T. The outlet diameter A should then essentially correspond to the diagonal D4 of this cross-sectional area FA. The ratio of outlet diameter A to Diagonal D4 is preferably in the range 0.9 to 1.1. With selectable insert bushings 15 (FIG. 1a, b) and with variation of the tooth width T and adaptation of the inlet extension 10, several performance sizes of the gear pump can be realized in the same housing 2 in a simple and inexpensive manner.

Die Fig.5 und 6 zeigen weitere Beispiele für den vertikalen Verlauf der Erweiterung 10. In Fig.5 läuft die Erweiterung 10 zuerst senkrecht nach unten und biegt dann mit einer Rundung 34 in die Achsebene 11 ein. In Fig.6 verjüngt sich die Erweiterung 10, begrenzt durch die abgesetzt schrägen Ebenen 35, bis zur Achsebene 11.5 and 6 show further examples of the vertical course of the extension 10. In FIG. 5, the extension 10 first runs vertically downward and then bends into the axis plane 11 with a curve 34. 6, the extension 10 tapers, delimited by the offset oblique planes 35, to the axis plane 11.

Die Fig.7 zeigt für eine bisherige - Kurve 28 - und eine erfindungsgemässe Zahnradpumpe - Kurve 29 - den Druckverlauf im Einlaufbereich (bei gleicher Fördermenge und gleicher Produktviskosität). Hier ist aufgetragen, wie der Druck P, ausgehend von einem Referenzdruck 0 beim Einlaufflansch 14, in Funktion der Tiefe H bis zu den Zahnrädern verläuft. Während bei bisherigen Pumpen gemäss Kurve 28 bis zur Tiefe L ein Druckabfall DP1 von z.B. 10 mbar auftritt, ist bei der erfindungsgemässen Pumpe nach Kurve 29 sogar eine leichte Druckerhöhung DP2 von z.B. 7 mbar möglich. Die Verbesserung besteht also in einer ganz wesentlichen Druckdifferenz DP = DP1 + DP2 von z.B. 17 mbar. Dies bedeutet, dass eine dieser Differenz entsprechend geringere Füllhöhe NPSH (nach Fig.8) erforderlich ist, um Kavitation in der Pumpe zu vermeiden. Fig.8 zeigt eine Anlage zum Pumpen, Mischen und Entgasen von Polymerschmelzen, z.B. von PE, PS oder PMMA mit einem Eingang 21, einer Entgasungskammer 25, einer erfindungsgemässen Pumpe 1, welche in ein statisches Mischelement 20 fördert und mit einem Ausgang 24. Ueber einen Brüdenabzug 22 werden Lösungsmittel und Monomere aus der Entgasungskammer 25 abgezogen. Ueber einen weiteren Zugang 26 können eingangs des Mischers 20 z.B. Additive zugeführt werden. Mit der erfindungsgemässen Zahnradpumpe bzw. mit einer Anlage nach Fig.8 kann vor allem auch die immer wichtigere Hochentgasung in der Kunststoffaufbereitung mit dem relativ einfachen statischen Entgasungsverfahren wirtschaftlich ausgeführt werden.7 shows, for a previous curve 28 and a gear pump according to the invention curve 29, the pressure curve in the inlet area (with the same delivery quantity and the same product viscosity). Here it is plotted how the pressure P, starting from a reference pressure 0 at the inlet flange 14, runs as a function of the depth H up to the gearwheels. While a pressure drop DP1 of, for example, 10 mbar occurs to the depth L in previous pumps according to curve 28, a slight pressure increase DP2 of, for example, 7 mbar is possible in the pump according to the invention according to curve 29. The improvement therefore consists in a very significant pressure difference DP = DP1 + DP2 of, for example, 17 mbar. This means that a lower filling level NPSH (according to Fig. 8) corresponding to this difference is required to avoid cavitation in the pump. 8 shows a system for pumping, mixing and degassing polymer melts, for example of PE, PS or PMMA, with an inlet 21, a degassing chamber 25, a pump 1 according to the invention, which pumps into a static mixing element 20 and with an outlet 24 a vapor outlet 22, solvents and monomers are removed from the degassing chamber 25. Additives 26, for example, can be added to the mixer 20 via a further access be fed. With the gear pump according to the invention or with a system according to FIG. 8, the increasingly important high degassing in plastics processing can be carried out economically with the relatively simple static degassing process.

Claims

Gear pump, in particular for the delivery of high viscosity media out of a vacuum against a high delivery pressure, comprising a gear wheel pair (2) and an inlet region and also an outlet region in a housing, with the inlet (4) having a broadened portion (10) which extends at least up to the plane (11) of the axes (12) of the gearwheels, with the length R of this broadened portion parallel to the plane of the gearwheel axes and perpendicular to the gearwheel axes being greater than the length D of the gearwheel pair, characterised in that the broadened portion (10) has a width C at the gearwheels (2) in the direction of the gearwheel axes (12) which is greater than the tooth width T.
Gear pump in accordance with claim 1, characterised in that the cross-sectional area of the inlet region reduces in the flow direction, with the diameter (B) at the entry of the inlet being greater than the diagonal (D3) of the rectangular cross-sectional area (FZ) of the gearwheels.
Gear pump in accordance with claim 1 or claim 2, characterised in that the length R of the broadened portion (10) is at least 10 % greater than the length D of the gearwheel pair.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised in that inlet width C is at least 10 % greater than the tooth width T.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the ratio of the inlet diameter (B) to the inlet depth (L) amounts to at least 2.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the ratio of the length of the broadened portion (R) to the depth of the inlet (L) is greater than 1.85.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised by a funnel-like entry region (4) having an opening angle (W) of the funnel of at least 55°.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the ratio of the width (T) to the axial spacing (Z) of the gearwheels (2) lies between 0.9 and 1.3.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the ratio of the outlet diameter A to the diagonal D4 of the cross-sectional area FA lies between 0.9 and 1.1, with the cross-sectional area FA being defined by the tooth width T and the axial spacing Z.
Gear pump in accordance with one of the preceding claims, characterised in that the outlet diameter A is determined by an insert sleeve (15).
Pump and mixing plant having a gear pump (1) in accordance with one of the preceding claims, with a static mixing element (20) being connected after the gear pump.
Pump and degasification plant having a gear pump (1) in accordance with one of the claims 1 to 10 for the delivery of highly viscous media from a degasification chamber (25) with a high delivery pressure.
Use of a gear pump (1) in accordance with one of the claims 1 to 10 for the delivery of highly viscous media from a vacuum against a high delivery pressure.
Use of a gear pump (1) in accordance with one of the claims 1 to 10 for the delivery and degasification of polymer melts, for example of PE, PS, PMMA, out of a degasification chamber (25) into a static mixing element (20).