EP1178214B1 - Kreiselpumpe - Google Patents

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Publication number
EP1178214B1
EP1178214B1 EP01116365A EP01116365A EP1178214B1 EP 1178214 B1 EP1178214 B1 EP 1178214B1 EP 01116365 A EP01116365 A EP 01116365A EP 01116365 A EP01116365 A EP 01116365A EP 1178214 B1 EP1178214 B1 EP 1178214B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
centrifugal pump
pot
chamber
pump according
impeller
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP01116365A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1178214A1 (de
Inventor
Heinz Rust
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hilge GmbH and Co KG
Original Assignee
Philipp Hilge & Co KG GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Philipp Hilge & Co KG GmbH filed Critical Philipp Hilge & Co KG GmbH
Priority to DK01116365T priority Critical patent/DK1178214T3/da
Publication of EP1178214A1 publication Critical patent/EP1178214A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1178214B1 publication Critical patent/EP1178214B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/40—Casings; Connections of working fluid
    • F04D29/42—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/426—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for liquid pumps
    • F04D29/4266—Casings; Connections of working fluid for radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for liquid pumps made of sheet metal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D1/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D1/06—Multi-stage pumps
    • F04D1/063—Multi-stage pumps of the vertically split casing type

Definitions

  • the present invention relates to a centrifugal pump for conveying a fluid, consisting of a Housing with an intake and an outlet opening with an impeller in a chamber a drive shaft is rotatably mounted, wherein the chamber is formed from at least two parts, between which at least one sealing element is arranged, which seals the chamber interior.
  • centrifugal pumps are generally used for lifting, emptying, filling, circulation or promotion of liquids.
  • the wheels are generally made of a disk-shaped Main body, on one side of which walls are applied, which usually form spiral-shaped channels.
  • centrifugal pumps the necessary pressure difference under the influence of a continuous flow process reached.
  • the liquid located in the impeller channels by the Zentrifugafkraft displaced to the outside and experiences a pressure and speed increase.
  • resulting negative pressure in the inner area leads to a uniform suction of Delivery fluid through the suction port.
  • the undesirable in pumps speed increase is in general in a downstream system with, for example, gradually expanding channels or converted into pressure energy in a paddle-free annulus.
  • At high pressure levels be several similar stages, each consisting of impeller and shovelless annulus, connected in series, which are flowed through in sequence by the conveyor.
  • the rotating first impeller is the medium now transported radially outwards. All wheels are essentially of a shovelless surrounded annular gap in which forms a higher pressure. This causes the Fluid on the back of the impeller on the bottom wall of the chamber pot radially to is guided inside.
  • the chamber pot has a substantially central bore through which the subsidized medium can leave the first chamber pot and enters the second chamber pot. Also there is again an impeller arranged for a pressure difference between the radially inner Areas and radially outward areas provides.
  • the emanating from the first chamber pot Transfer medium is then in the same way by the second impeller due to the centrifugal force transported to the outside and then runs again on the bottom wall of the second chamber pot radially inward and passes through the central opening of the second chamber pot.
  • the described Course continues for each subsequent stage of the centrifugal pump.
  • the O-ring is "chambered". That is, the O-ring is made of the support ring, the outer wall the inner chamber pot and the inner wall of the outer chamber pot encased.
  • US 5,201,633 describes a cast construction of a centrifugal pump which is completely sealless is executed between the step components. A seal is done only by means of O-rings on Outer sheath.
  • EP 0 492 575 A1 discloses an interstage housing for a metal sheet Pump shown. Two elements are there sealed against each other via an O-ring, where the O-ring is arranged in a corresponding chamber. Because of the chamber arrangement it is it is not possible for the fluid to contact the o-ring during operation of the centrifugal pump.
  • the present invention is therefore based on the object, a cost-effective centrifugal pump for To make available, which allows the use of open wheels and possibly also in the Sterile area can be used.
  • this object is achieved by a centrifugal pump with the features of claim 1 solved.
  • the sealing element no support function, but only sealing function.
  • the distance from chamber to chamber (package size) only defined by the chamber-forming elements, but not by the sealing element.
  • the chamber-forming Elements can be made very accurately, the distance between impeller and adjacent non-rotating chamber walls are very small, without the risk of Collision of the impeller on the chamber walls arises. It can therefore be used open wheels be, without it comes to a reduction of the efficiency.
  • the sealing element is arranged so that it during operation of the centrifugal pump with the fluid in Contact kicks.
  • the sealing element is not chambered, as for example in the case described above Embodiment with an additional support ring was the case.
  • the pumped medium then unhindered to reach the O-ring, but it can also be unhindered again drain from the sealing ring, and a cleaning of the pump can be done without residue.
  • the fluid can not come into contact with the support connection, so that this connection represents no problem for the high requirements of the sterile technology, since it is outside of the Delivery medium volume is.
  • a particularly useful centrifugal pump is designed in multiple stages, each stage a chamber has, in each of which an impeller is arranged.
  • the pumping power of the centrifugal pump can be increased significantly by the multi-level training.
  • At least a part of the wheels is open. It is under open understood that the impeller channels have a substantially U-shaped cross-section.
  • the centrifugal pump can then be used as a sterile centrifugal pump be used.
  • An expedient embodiment of the present invention provides that the chambers of a Housing wall and a chamber pot, from a first chamber pot and the bottom of a second Kammertopfes or from the bottom of a chamber pot, a support element and a housing wall be formed.
  • the chamber of the first stage is generally the pump housing wall and a first chamber pot formed.
  • the following stages have chambers, each formed from a chamber pot and the bottom of the chamber pot of the previous stage become.
  • the last stage can either also be formed from two stacked chamber pots or from the bottom of the chamber pot of the previous stage and a support element and the housing wall.
  • This package design has the advantage that the individual chambers of substantially identical Parts can be produced. Impellers and chamber pots are then simply alternately on the drive shaft mounted within the pump housing.
  • the chamber pot preferably has a substantially circular cross-section and a Pot bottom, wherein the bottom of the pot has a substantially central bore.
  • the central hole serves to guide the fluid to the next chamber pot or to the next stage.
  • the return blading serves, among other things, to the vortexed from the impeller and provided with a twist Collect fluid and direct it towards the central opening. It is by the helical feedback blading the swirl of the pumped medium converted into kinetic energy.
  • the chamber pot an inwardly curved Floor has. This is fluidly of great advantage.
  • the centrifugal pump is designed such that it is at least in a mounting orientation is self-emptying.
  • the pump of the invention is so oriented that the chamber pots are arranged with the bottom up, so flows after the Turn off the centrifugal pump still located in the pump housing fluid to the inclined Surfaces of the chamber pot inwards and can thus reach the previous pump stage. Then it flows on the preferably also inclined side of the impeller, no blading has, again axially outward, until it touches the outer surface of the lower chamber pot and at this again is guided radially inward until it reaches the previous pump stage.
  • the chamber pot wall is preferably designed such that it has a stop on its outer side having. On the inside, however, it preferably has a circumferential groove. This groove serves to seal the sealing element, z. B. an O-ring record.
  • the chamber pot wall is formed such that they increase with increasing axial distance from the bottom wall preferably extended stepwise. This happens in the way that the upper edge of the chamber pot wall has an inner diameter which is approximately the outer diameter the lower portion of the chamber pot wall of the previous section corresponds. Therefore, the chamber pot with its outwardly widening section on the chamber pot bottom another chamber pot to be pushed.
  • the extended section is dimensioned that he meets the stop of the chamber pot below.
  • Fig. 1 is a section through a centrifugal pump according to the invention is shown.
  • the centrifugal pump exists from a housing 9, an intake 1 and an outlet opening 2.
  • the chamber pots 4, 4 ' are made of deep-drawn sheet metal with a thickness of made about 4 mm.
  • the wheels 3, 3 ', 3 have on their one side a spiral wall. 6 on, which form the impeller channels.
  • the chamber pots 4, 4 ' have on the inside of the pot bottom also a spiral wall 7, which serves as a return blading.
  • the rotation of the first impeller 3 is formed in the region of the first impeller 3 a pressure difference between radially inner regions and radially outer regions.
  • the conveying medium via the intake manifold 1 centrally in the centrifugal pump is sucked in.
  • the rotation of the first impeller 3 the conveying medium is due to the centrifugal force transported radially outwards.
  • the agitated fluid leaves in radial Outward direction, the first impeller 3 and reaches the annular portion 14 in which no Shovels are arranged. In this area, the kinetic energy of the pumped medium in a Pressure difference converted.
  • the conveying medium now moves axially in the direction of the arrow in FIG. 1 and thus enters the region of the bottom of the chamber pot 4. Since the fluid through the Rotation of the impeller 3 is provided with a twist, it is by the spiral pollletonschaufelung 7 recorded.
  • the return blading makes use of the swirl of the pumped medium, to guide the fluid along the inner wall of the chamber pot 4 radially inward.
  • Of the Chamber pot 4 has a central bore 12 through which the fluid to the second impeller 3 'can get.
  • the impeller 3 'already belongs to the second stage of the centrifugal pump.
  • the functional Process repeats for each individual level. After the pumped medium all stages has passed through, it is discharged through the outlet port 2 from the pump.
  • the chamber pots 4, 4 ' have an extraordinary Shape, which is made clear in the following with reference to FIGS. 2a and 2b.
  • the chamber pot 4 has been produced from a deep-drawn sheet metal.
  • Kammertopf consists of a bottom and a cylindrical wall.
  • the cylindrical wall of the chamber pot 4 has a step-like extension. On the outside wall thereby forms the stop 10.
  • the inner wall of the chamber pot 4 expands yourself.
  • a circumferential groove 11 is inserted into the wall, the recording of the O-ring 5 is used.
  • This particular form of cylindrical wall ensures in the composite Condition for a defined distance between adjacent chamber pots 4, 4 '.
  • the sealing and support function according to the invention will now be illustrated with reference to FIG. 1.
  • the first chamber pot 4 has a chamber wall which widens.
  • an O-ring 5 is inserted in the Groove 11 of the chamber wall of the first chamber pot 4.
  • the upper one extended Edge of the side wall of the chamber pot is supported on the housing 9.
  • the O-ring 5 is already compressed between the housing wall 9 and chamber pot 4, so that he perceives his sealing function.
  • the distance between chamber pot bottom 4 and Housing 9 is not determined by the O-ring 5, but only by the axial length of the side wall portions of the chamber pot 4.
  • the chamber pot 4 ' is dimensioned so that in this state, the O-ring 5 between the first and second chamber pot 4 or 4 'is already loaded, so that he perceives its sealing function. Again, it is essential that the distance between the two chamber pots 4 and 4 'is not of geometric tolerances of the sealing element 5 depends, but clearly by the metallic contact of the outer End of the side wall of a chamber pot at the stop 10 is determined.
  • the last stage has no chamber pot. Instead, a support element 8 provided, but at least on its inside expanded similarly, as the chamber pots 4, 4 'do. As a result, in the third stage, the sealing and supporting function of different parts accepted. While the support function of the defined metallic contact between the Support element 8 and the stop 10 of the second chamber pot 4 'is given, the sealing function fulfilled by the compressed O-ring 5.
  • the medium can under the influence of gravity on this Side of the impeller flow radially outward and then to the bottom of the underlying Chamber pot 4, 4 'meet. The process described is repeated until the medium to be pumped back into the intake 1 passes.
  • 4 ' is the spiral-shaped return blading 7 appropriate.
  • the number of return blades should be be equal to the number of blades of the impeller. Since the spiral-shaped blades welded 7 gap-free However, with each shovel, a corresponding work and cost commitment is required. Extensive tests have surprisingly shown that, even with a large number of Shovels in the impeller, only four return vanes lead to a very good result.
  • the following method is preferably used. First, a sheet metal blank with the final shape is pulled out of 4 mm thick stainless steel sheet. Thereafter, the return blades, preferably four pieces, are welded into the drawn round blank and in the seam area by means of grinding and polishing to the desired surface quality brought. Finally, the thus prepared round blank, together with the welded blades in pulled a second deep-drawing process gear in the final contour.
  • all surfaces can be arranged freely accessible and are therefore gap-free and with a surface roughness of less than or equal to 0.8 to 0.4 microns produced.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe zum Fördern eines Fluids, bestehend aus einem Gehäuse mit einer Einsaug- und einer Auslaßöffnung mit einem Laufrad, das in einer Kammer auf einer Antriebswelle drehbar gelagert ist, wobei die Kammer aus mindestens zwei Teilen gebildet ist, zwischen denen mindestens ein Dichtelement angeordnet ist, das den Kammerinnenraum abdichtet.
Solche Kreiselpumpen dienen im allgemeinen zur Hebung, Entleerung, Füllung, Umwälzung oder Förderung von Flüssigkeiten. Die Laufräder bestehen im allgemeinen aus einem scheibenförmigen Grundkörper, auf dessen einer Seite Wände aufgebracht sind, die meist spiralförmige Kanäle bilden. Bei Kreiselpumpen wird die nötige Druckdifferenz unter dem Einfluß eines kontinuierlichen Strömungsvorganges erreicht. Dabei wird die in den Laufradkanälen befindliche Flüssigkeit durch die Zentrifugafkraft nach außen verdrängt und erfährt dabei eine Druck- und Geschwindigkeitserhöhung. Der gleichzeitig entstehende Unterdruck im inneren Bereich führt zu einem gleichmäßigen Ansaugen des Förderfluids durch die Saugöffnung. Die in Pumpen unerwünschte Geschwindigkeitserhöhung wird im allgemeinen in einem nachgeordneten System mit beispielsweise sich allmählich erweiternden Kanälen oder auch in einem schaufellosen Ringraum in Druckenergie umgewandelt. Bei großen Druckhöhen werden mehrere gleichartige Stufen, bestehend jeweils aus Laufrad und schaufellosem Ringraum, hintereinandergeschaltet, die der Reihe nach vom Fördermittel durchströmt werden.
Es ist bereits bekannt, mehrstufige Kreiselpumpen aus dünnwandigem, tiefgezogenem Cr-Ni-Mo-Walzstahl herzustellen. Dabei werden die einzelnen Stufen in Paketbauweise angeordnet. Jedes Paket besteht dann aus einer Kammer, die wiederum von einem Laufrad und einem Kammertopf gebildet wird. Durch das Aufeinandersetzen mehrerer Kammertöpfe entstehen mehrere Kammern, in denen jeweils ein Laufrad drehbar auf der Antriebswelle befestigt ist. Durch die sich drehende Antriebswelle werden alle Laufräder der Kreiselpumpe gemeinsam angetrieben. Dadurch entsteht im Bereich der Laufräder eine Druckdifferenz zwischen radial innenliegenden Bereichen und radial außenliegenden Bereichen. Dies führt dazu, daß Fördermedium von der Ansaugöffnung in den radial innenliegenden Bereich des ersten Laufrads angesaugt wird. Durch das sich drehende erste Laufrad wird das Fördermedium nun radial nach außen transportiert. Alle Laufräder sind von einem schaufellosen im wesentlichen ringförmigen Spalt umgeben, in dem sich ein höherer Druck ausbildet. Dies führt dazu, daß das Fördermedium auf der Rückseite des Laufrades an der Bodenwand des Kammertopfes radial nach innen geführt wird. Der Kammertopf weist eine im wesentlichen zentrale Bohrung auf, durch die das geförderte Medium den ersten Kammertopf verlassen kann und in den zweiten Kammertopf gelangt. Auch dort ist wieder ein Laufrad angeordnet, das für eine Druckdifferenz zwischen radial innenliegenden Bereichen und radial außenliegenden Bereichen sorgt. Das aus dem ersten Kammertopf austretende Fördermedium wird dann in gleicher Weise durch das zweite Laufrad aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen transportiert und läuft dann erneut an der Bodenwand des zweiten Kammertopfes radial nach innen und tritt durch die zentrale Öffnung des zweiten Kammertopfes. Der beschriebene Verlauf setzt sich für jede folgende Stufe der Kreiselpumpe fort.
Die Herstellung mehrstufiger Kreiselpumpen aus Walzstahl ist sehr preisgünstig. Es muß aber für eine Abdichtung der einzelnen Kammertöpfe gegeneinander gesorgt werden. Daher werden im allgemeinen Dichtelemente, z. B. in Form von O-Ringen, zwischen zwei benachbarten Kammertöpfen angeordnet. Die Dichtelemente übernehmen dabei eine Doppelfunktion, nämlich eine Stütz- und Dichtfunktion. Mit anderen Worten, die Blechtöpfe werden aufeinandergesetzt und so lange aufeinandergepreßt, bis der Dichtring seine Dichtfunktion aufnimmt. Dabei kommt es jedoch aufgrund von geometrischen Toleranzen der Dichtelemente und/oder den Kammertöpfen zu kleinen Abweichungen in den Abständen zwischen benachbarten Kammertöpfen. Um einen hohen Wirkungsgrad zu erreichen, ist es jedoch erforderlich, daß zumindest die mit Schaufeln versehene Seite des Laufrades zu der benachbarten Gehäusewand bzw. dem benachbarten Kammertopfboden einen sehr geringen Abstand aufweist. Auf der anderen Seite ist eine Kollision des Laufrades mit der Gehäusewand oder einem benachbar ten Abdichttopf unbedingt zu vermeiden, da dies irreversible Schäden nach sich ziehen kann. Um eine solche Kollision zu verhindern, ist es daher bei den bekannten Kreiselpumpen in Paketklemmweise notwendig, den Spalt zwischen Laufrad und benachbarten nichtrotierenden Teilen größer zu wählen, um eventuelle geometrische Toleranzen aufzufangen. Dies führt jedoch zu einer nicht unerheblichen Herabsetzung des Wirkungsgrades.
Um den Wirkungsgrad zu erhöhen, sind daher bereits Kreiselpumpen mit geschlossenen Laufrädern sowie abgedeckter Rückführstufenbeschaufelung eingesetzt worden. Zwar kann durch diese Maßnahme der Wirkungsgrad in einen akzeptablen Bereich gebracht werden, die Herstellung von geschlossenen Laufrädem sowie einer abgedeckten Rückführstufenbeschaufelung ist jedoch sehr kosten- und zeitaufwendig.
Eine andere Ausführungsform einer bekannten Kreiselpumpe sieht einen Stützring vor, der zwischen benachbarten Kammertöpfen angeordnet ist und eine zusätzliche Stützfunktion übernimmt. Bei dieser Ausführungsform ist der O-Ring "gekammert". Das heißt, der O-Ring wird von dem Stützring, der Außenwand des inneren Kammertopfes und der Innenwand des äußeren Kammertopfes ummantelt. Durch diese Maßnahme kann der Einfluß von geometrischen Toleranzen des Dichtelementes reduziert, aber nicht völlig unterbunden werden.
Je nach zu fördemdem Fluid, insbesondere aber in der Steriltechnik, kann es notwendig sein, lediglich vollständig geschlossene Oberflächen innerhalb der Kreiselpumpe vorzusehen, so daß eine gründliche rückstandslose Reinigung der Kreiselpumpe möglich ist. Insbesondere in der Steriltechnik werden vollständig geschlossene Oberflächen mit einer maximalen Oberflächenrauhigkeit zwischen 0,8 und 0,4 µm verlangt. Geschlossene Laufräder sowie abgedeckte Rückführstufenbeschaufelungen können jedoch nicht ohne erheblichen wirtschaftlichen Aufwand mit geschlossenen Flächen hergestellt werden. Auch die Ausführungsform mit gekammerten O-Ringen ist für den Sterilbereich nicht einsetzbar, da funktionsbedingt Förderfluid bis zu dem O-Ring und damit in die Kammer eindringen kann.
Daher werden im Hochsterilbereich Pumpen nicht aus Walzstahl hergestellt, sondern in wesentlichen Teilen aus dem Vollen gedreht, so daß offene Laufräder eingesetzt werden können. Diese Herstellungsweise ist jedoch sehr aufwendig und vor allem kostspielig.
Die US 5,201,633 beschreibt eine Gußkonstruktion einer Kreiselpumpe, die vollständig dichtungslos zwischen den Stufenbauteilen ausgeführt ist. Eine Abdichtung erfolgt lediglich mittels O-Ringen am Außenmantel. In der EP 0 492 575 A1 ist ein Zwischenstufengehäuse für eine aus Metallblech hergestellte Pumpe gezeigt. Zwei Elemente sind dort über einen O-Ring gegeneinander abgedichtet, wobei der O-Ring in einer entsprechenden Kammer angeordnet ist. Aufgrund der Kammeranordnung ist es nicht möglich, daß das Fluid während des Betriebs der Kreiselpumpe mit dem O-Ring in Kontakt tritt.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Kreiselpumpe zur Verfügung zu stellen, die die Verwendung von offenen Laufrädern erlaubt und gegebenenfalls auch im Sterilbereich eingesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Mit anderen Worten übernimmt bei der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe das Dichtelement keine Stützfunktion, sondern lediglich Dichtfunktion. Im zusammengesetzten Zustand wird der Abstand von Kammer zu Kammer (Paketmaß) lediglich durch die kammerbildenden Elemente, jedoch nicht durch das Dichtelement definiert. Da die kammerbildenden Elemente sehr exakt gefertigt werden können, kann der Abstand zwischen Laufrad und benachbarten nichtrotierenden Kammerwänden sehr klein gewählt werden, ohne daß die Gefahr einer Kollision des Laufrades an den Kammerwänden entsteht. Es können daher offene Laufräder eingesetzt werden, ohne daß es zu einer Herabsetzung des Wirkungsgrades kommt. Bei der Montage der einzelnen Kammern bzw. Pakete ist auf den sicheren Sitz des Dichtelementes zu achten, da dieses keinesfalls seine Dichtfunktion verlieren darf.
Das Dichtelement ist so angeordnet, daß es während des Betriebes der Kreiselpumpe mit dem Fluid in Kontakt tritt. Dabei ist das Dichtelement nicht gekammert, wie es beispielsweise bei der oben beschriebenen Ausführungsform mit einem zusätzlichen Stützring der Fall war. Zwar kann das Fördermedium dann ungehindert bis zu dem O-Ring heranreichen, es kann jedoch auch wieder ungehindert von dem Dichtring abfließen, und eine Reinigung der Pumpe kann rückstandsfrei erfolgen.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Anschlag außerhalb des durch das Dichtelement abgedichteten Volumens angeordnet ist.
Das Fördermedium kann daher nicht mit der Abstützverbindung in Kontakt treten, so daß diese Verbindung für die hohen Anforderungen der Steriltechnik kein Problem darstellt, da sie außerhalb des Fördermediumvolumens ist.
Eine besonders zweckmäßige Kreiselpumpe ist mehrstufig ausgebildet, wobei jede Stufe eine Kammer aufweist, in der jeweils ein Laufrad angeordnet ist. Die Pumpleistung der Kreiselpumpe kann durch die mehrstufige Ausbildung deutlich erhöht werden.
Besonders bevorzugt ist zumindest ein Teil der Laufräder offen ausgebildet. Dabei wird unter offen verstanden, daß die Laufradkanäle einen im wesentlichen U-förmigen Querschnitt haben. Durch die offene Ausführung der Laufräder können geschlossene Oberflächen mit einer sehr geringen Oberflächenrauhigkeit erreicht werden, da Schweißnähte geschliffen und poliert werden können, so daß den hohen Anforderungen der Steriltechnik genügt werden kann. Die Kreiselpumpe kann dann als Sterilkreiselpumpe eingesetzt werden.
Eine zweckmäßige Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sieht vor, daß die Kammern aus einer Gehäusewand und einem Kammertopf, aus einem ersten Kammertopf und dem Boden eines zweiten Kammertopfes oder aus dem Boden eines Kammertopfes, einem Stützelement sowie einer Gehäusewand gebildet werden. Dabei wird im allgemeinen die Kammer der ersten Stufe aus der Pumpengehäusewand und einem ersten Kammertopf gebildet. Die folgenden Stufen weisen Kammern auf, die jeweils aus einem Kammertopf und dem Boden des Kammertopfes der vorherigen Stufe gebildet werden. Die letzte Stufe kann entweder ebenfalls aus zwei aneinandergesetzten Kammertöpfen gebildet werden oder aus dem Boden des Kammertopfes der vorhergehenden Stufe sowie einem Stützelement und der Gehäusewand.
Diese Paketbauweise hat den Vorteil, daß die einzelnen Kammern aus im wesentlichen identischen Teilen hergestellt werden können. Laufräder und Kammertöpfe werden dann einfach alternierend auf der Antriebswelle innerhalb des Pumpengehäuses montiert.
Besonders zweckmäßig ist eine Ausführungsform, bei der die Kammertöpfe aus tiefgezogenem Blech hergestellt sind.
Dabei hat der Kammertopf vorzugsweise einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und einen Topfboden, wobei der Topfboden eine im wesentlichen zentrale Bohrung aufweist. Die zentrale Bohrung dient dazu, das Fördermedium in den nächsten Kammertopf bzw. die nächste Stufe zu leiten.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn an der Innenseite des Kammertopfbodens eine vorzugsweise offene Rückführbeschaufelung angeordnet ist; denn nur mit einer Rückführbeschaufelung kann ein hoher Wirkungsgrad einer mehrstufigen Kreiselpumpe erzielt werden. Die Rückführbeschaufelung dient unter anderem dazu, das von dem Laufrad nach außen gewirbelte und mit einem Drall versehene Fördermedium aufzufangen und in Richtung der zentralen Öffnung zu leiten. Dabei wird durch die spiralförmige Rückführbeschaufelung der Drall des Fördermediums in kinetische Energie umgewandelt.
Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der der Kammertopf einen nach innen gewölbten Boden aufweist. Dies ist strömungstechnisch von großem Vorteil. Insbesondere in der Steriltechnik ist es sehr vorteilhaft, wenn die Kreiselpumpe derart ausgebildet ist, daß sie zumindest in einer Montageorientierung selbstentleerend ist.
Hierbei ist die Wölbung des Kammertopfes hilfreich. Wird nämlich die erfindungsgemäße Pumpe derart orientiert, daß die Kammertöpfe mit dem Boden nach oben angeordnet sind, so fließt nach dem Ausschalten der Kreiselpumpe sich noch im Pumpengehäuse befindliches Fördermedium an den geneigten Flächen des Kammertopfes nach innen und kann so in die vorherige Pumpenstufe gelangen. Dann fließt es auf der vorzugsweise ebenfalls geneigten Seite des Laufrades, die keine Beschaufelung aufweist, wieder axial nach außen, bis es auf die Außenfläche des darunterliegenden Kammertopfes trifft und an dieser wieder radial nach innen geführt wird, bis es die vorherige Pumpenstufe erreicht.
Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis das Fördermedium den Ansaugstutzen erreicht und die Pumpe völlig verlassen kann.
Die Kammertopfwand ist vorzugsweise derart ausgebildet, daß sie an ihrer Außenseite einen Anschlag aufweist. An ihrer Innenseite weist sie hingegen vorzugsweise eine umlaufende Nut auf. Diese Nut dient dazu, das Dichtelement, z. B. einen O-Ring, aufzunehmen.
Besonders bevorzugt ist die Kammertopfwand derart ausgebildet, daß sie sich mit zunehmendem axialen Abstand von der Bodenwand vorzugsweise stufenartig erweitert. Dies geschieht in der Weise, daß der obere Rand der Kammertopfwand einen Innendurchmesser hat, der in etwa dem Außendurchmesser des unteren Abschnittes der Kammertopfwand des vorhergehenden Abschnittes entspricht. Daher kann der Kammertopf mit seinem nach außen erweiternden Abschnitt über den Kammertopfboden eines anderen Kammertopfes geschoben werden. Der erweiterte Abschnitt ist so dimensioniert, daß er auf den Anschlag des darunterliegenden Kammertopfes trifft.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform sowie der dazugehörigen Figuren. Es zeigen
Fig. 1
eine Schnittansicht durch eine erfindungsgemäße dreistufige Kreiselpumpe und
Fig. 2a und Fig. 2b
eine Schnittansicht und eine Draufsicht des Blechtopfes von Fig. 1.
In Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kreiselpumpe gezeigt. Die Kreiselpumpe besteht aus einem Gehäuse 9, einem Ansaugstutzen 1 und einer Auslauföffnung 2. Innerhalb des Gehäuses 9 sind drei Laufräder 3, 3', 3" auf einer Welle 13 montiert. Zwischen den Laufrädern 3, 3', 3" sind Kammertöpfe 4, 4' angeordnet. Die Kammertöpfe 4, 4' sind aus tiefgezogenem Blech mit einer Dicke von etwa 4 mm hergestellt. Die Laufräder 3, 3', 3" weisen auf ihrer einen Seite eine spiralförmige Wand 6 auf, die die Laufradkanäle bilden. Die Kammertöpfe 4, 4' besitzen an der Innenseite des Topfbodens ebenfalls eine spiralförmige Wand 7, die als Rückführbeschaufelung dient.
Während des Fördervorganges wird die Antriebswelle 13, auf der die Laufräder 3, 3', 3" montiert sind, in Rotation versetzt. Durch die Rotation des ersten Laufrades 3 entsteht im Bereich des ersten Laufrades 3 eine Druckdifferenz zwischen radial innenliegenden Bereichen und radial außenliegenden Bereichen. Dies führt dazu, daß Fördermedium über den Ansaugstutzen 1 zentral in die Kreiselpumpe eingesaugt wird. Durch die Rotation des ersten Laufrades 3 wird das Fördermedium aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach außen befördert. Das in Bewegung versetzte Fördermedium verläßt in radialer Richtung nach außen das erste Laufrad 3 und erreicht den ringförmigen Bereich 14, in dem keine Schaufeln angeordnet sind. In diesem Bereich wird die kinetische Energie des Fördermediums in eine Druckdifferenz umgewandelt. Das Fördermedium bewegt sich nun axial in Richtung des Pfeils in Fig. 1 und gelangt so in den Bereich des Bodens des Kammertopfes 4. Da das Fördermedium durch die Rotation des Laufrades 3 mit einem Drall versehen ist, wird es durch die spiralförmige Rückführbeschaufelung 7 aufgenommen. Die Rückführbeschaufelung nutzt den Drall des Fördermediums aus, um das Fördermedium entlang der Innenwand des Kammertopfes 4 radial nach innen zu führen. Der Kammertopf 4 weist eine zentrale Bohrung 12 auf, durch die das Fördermedium zu dem zweiten Laufrad 3' gelangen kann. Das Laufrad 3' gehört bereits zur zweiten Stufe der Kreiselpumpe. Der funktionelle Ablauf wiederholt sich für jede einzelne Stufe. Nachdem das Fördermedium sämtliche Stufen durchlaufen hat, wird es durch die Auslaßöffnung 2 aus der Pumpe abgegeben.
Zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Gedankens haben die Kammertöpfe 4, 4' eine außergewöhnliche Form, die im Zusammenhang mit den Fig. 2a und 2b im Folgenden deutlich gemacht wird.
Wie bereits erwähnt, ist der Kammertopf 4 aus einem tiefgezogenen Blech hergestellt worden. Der Kammertopf besteht aus einem Boden und einer zylindrischen Wand. Wie deutlich in Fig. 2 zu sehen ist, weist die zylindrische Wand des Kammertopfes 4 eine stufenartige Erweiterung auf. An der Außenwand bildet sich dadurch der Anschlag 10. Auch die Innenwand des Kammertopfes 4 erweitert sich. Im Bereich der Erweiterung ist eine umlaufende Nut 11 in die Wand eingebracht, die der Aufnahme des O-Ringes 5 dient. Diese besondere Form der zylindrischen Wand sorgt im zusammengesetzten Zustand für einen definierten Abstand zwischen benachbarten Kammertöpfen 4, 4'.
Die erfindungsgemäße Dicht- und Stützfunktion soll nun anhand von Fig. 1 verdeutlicht werden. Deutlich zu erkennen ist, daß der erste Kammertopf 4 eine Kammerwand aufweist, die sich erweitert. In die Nut 11 der Kammerwand des ersten Kammertopfes 4 ist ein O-Ring 5 eingesetzt. Der obere erweiterte Rand der Seitenwand des Kammertopfes stützt sich auf dem Gehäuse 9 ab. In dem gezeigten Zustand wird der O-Ring 5 zwischen Gehäusewand 9 und Kammertopf 4 bereits zusammengedrückt, so daß er seine Dichtfunktion wahrnimmt. Dennoch wird der Abstand zwischen Kammertopfboden 4 und Gehäuse 9 nicht durch den O-Ring 5 bestimmt, sondern lediglich durch die axiale Länge der Seitenwandabschnitte des Kammertopfes 4. An der Außenwand des Kammertopfes 4 ist aufgrund der Erweiterung der Seitenwand ein Vorsprung 10 entstanden, der als Anschlag für das obere Ende des nächsten Kammertopfes 4' dient. Auch dessen Seitenwand weist eine Erweiterung auf, so daß die Seitenwand des zweiten Kammertopfes 4' im oberen Bereich einen Innendurchmesser hat, der in etwa dem Außendurchmesser des unteren Bereiches der Seitenwand des ersten Kammertopfes entspricht. Daher kann die Seitenwand des zweiten Kammertopfes 4' hülsenartig über die Seitenwand des ersten Kammertopfes 4 geschoben werden, bis sich der äußere Rand 15 der Seitenwand des zweiten Kammertopfes 4' auf dem Anschlag 10 der Seitenwand des ersten Kammertopfes 4 abstützt. Der Kammertopf 4' ist so dimensioniert, daß in diesem Zustand der O-Ring 5 zwischen erstem und zweitem Kammertopf 4 bzw. 4' bereits belastet ist, so daß er seine Dichtfunktion wahrnimmt. Auch hier ist wesentlich, daß der Abstand zwischen den beiden Kammertöpfen 4 und 4' nicht von geometrischen Toleranzen des Dichtelementes 5 abhängt, sondern eindeutig durch den metallischen Kontakt des äußeren Endes der Seitenwand des einen Kammertopfes am Anschlag 10 bestimmt wird. Bei der hier gezeigten Ausführungsform weist die letzte Stufe keinen Kammertopf auf. Statt dessen ist ein Stützelement 8 vorgesehen, das sich aber zumindest an seiner Innenseite ähnlich erweitert, wie dies die Kammertöpfe 4, 4' tun. Dadurch wird auch bei der dritten Stufe die Dicht- und Stützfunktion von verschiedenen Teilen übernommen. Während die Stützfunktion von dem definierten metallischen Kontakt zwischen dem Stützelement 8 und dem Anschlag 10 des zweiten Kammertopfes 4' gegeben ist, wird die Dichtfunktion durch den zusammengepreßten O-Ring 5 erfüllt.
In der Stützvorrichtung von Fig. 2 ist besonders gut zu erkennen, daß der Boden des Kammertopfes 4, 4' leicht nach innen gewölbt ist. Dies hat zum einen strömungstechnische Vorteile, zum anderen bewirkt diese Maßnahme zusammen mit anderen konstruktiven Merkmalen, daß die Kreiselpumpe, wenn sie so aufgestellt wird, daß die Antriebswelle vertikal ausgerichtet ist, so daß der in Fig. 1 eingezeichnete Pfeil nach oben zeigt, selbstentleerend ist. Nach dem Ausschalten der Kreiselpumpe kann nämlich im Innenraum der Kreiselpumpe verbliebenes Fördermedium an den nach innen gewölbten Außenflächen der Böden der Kammertöpfe 4, 4' radial nach innen fließen und in die darunterliegende Stufe abfließen. Da auch die Seite des Laufrades 3, 3', 3", die keine Schaufeln aufweist, leicht gegenüber der Horizontalen geneigt ist, kann das Fördermedium unter dem Einfluß der Schwerkraft auf dieser Seite des Laufrades radial nach außen fließen und dann auf den Boden des darunterliegenden Kammertopfes 4, 4' treffen. Der beschriebene Ablauf wiederholt sich so lange, bis das Fördermedium zurück in den Ansaugstutzen 1 gelangt.
An der Innenseite des Bodens des Kammertopfes 4, 4' ist die spiralförmige Rückführbeschaufelung 7 angebracht. Um eine optimale Beschaufelung zu erreichen, sollte die Anzahl der Rückführschaufeln gleich der Schaufelzahl des Laufrades sein. Da die spiralförmigen Schaufeln 7 spaltfrei eingeschweißt werden müssen, ist mit jeder Schaufel jedoch ein entsprechender Arbeits- und Kosteneinsatz verbunden. Umfangreiche Tests haben überraschenderweise gezeigt, daß, auch bei einer großen Anzahl von Schaufeln im Laufrad, nur vier Rückführschaufeln zu einem sehr guten Ergebnis führen.
Bei der Herstellung des Kammertopfes 4, 4' wird vorzugsweise das folgende Verfahren verwendet. Zunächst wird aus 4 mm dickem Edelstahlblech eine Blechronde mit der endgültigen Form vorgezogen. Danach werden in die vorgezogene Ronde die Rückführschaufeln, vorzugsweise vier Stück, eingeschweißt und im Nahtbereich mittels Schleifen und Polieren auf die gewünschte Oberflächenqualität gebracht. Schließlich wird die so vorbereitete Ronde zusammen mit den aufgeschweißten Schaufeln in einem zweiten Tiefziehbearbeitungsgang in die endgültige Kontur gezogen.
Bei der erfindungsgemäßen Ausführungsform können alle Flächen frei zugänglich angeordnet werden und sind daher spaltfrei und mit einer Oberflächenrauhigkeit von kleiner oder gleich 0,8 bis 0,4 µm herstellbar.

Claims (15)

  1. Kreiselpumpe zum Befördern eines Fluids bestehend aus einem Gehäuse (9) mit einer Eingangs- und einer Ausgangsöffnung (1, 2) mit einem Laufrad (3, 3', 3"), das in einer Kammer auf einer Antriebswelle (13) drehbar gelagert ist, wobei die Kammer aus mindestens zwei Teilen gebildet wird, zwischen denen ein Dichtelement (5) angeordnet ist, das den Kammerinnenraum abdichtet, wobei ein kammerbildendes Teil einen Anschlag (10) aufweist, an dem sich das andere kammerbildende Teil abstützt, so daß der Abstand der beiden kammerbildenden Teile durch die Abstützverbindung definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Dichtelement (5) offen liegt, d.h. nicht gekammert ist, und so angeordnet ist, daß es während des Betriebs der Kreiselpumpe mit dem Fluid in Kontakt tritt.
  2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlag (10) außerhalb des durch das Dichtelement (5) abgedichteten Volumens angeordnet ist.
  3. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselpumpe mehrstufig ist, wobei jede Stufe eine Kammer aufweist, in der jeweils ein Laufrad (3, 3', 3") angeordnet ist.
  4. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laufrad (3, 3', 3") ein offenes Laufrad (3, 3', 3") ist.
  5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselpumpe eine Sterilkreiselpumpe ist.
  6. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammem aus einer Gehäusewand (9) und einem Kammertopf (4, 4'), aus einem ersten Kammertopf (4') und dem Boden eines zweiten Kammertopfes (4) oder aus dem Boden eines Kammertopfes (4'), einem Stützelement (8) sowie einer Gehäusewand (9) gebildet werden.
  7. Kreiselpumpe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Kammertopf (4, 4') aus tiefgezogenem Blech hergestellt ist.
  8. Kreiselpumpe nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammertopf (4, 4') einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt und einen Topfboden aufweist, wobei der Topfboden eine im wesentlichen zentrale Bohrung (12) hat.
  9. Kreiselpumpe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenseite des Kammertopfbodens eine vorzugsweise offene Rückführbeschaufelung (7) angeordnet ist.
  10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kammertopf (4, 4') einen nach innen gewölbten Boden aufweist.
  11. Kreiselpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Kreiselpumpe selbstentleerend ist.
  12. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die die Seitenwand des Kammertopfes an ihrer Außenseite den Anschlag (10) aufweist.
  13. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammertopfwand an ihrer Innenseite eine umlaufende Nut (11) aufweist.
  14. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich die im wesentlichen zylindrische Seitenwand des Kammertopfes ausgehend vom Kammertopfboden und etwa auf halber axialer Höhe stufenartig erweitert.
  15. Kreiselpumpe einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Erweiterung etwa der Wandstärke der Kammertopfwand entspricht, so daß der erweiterte Abschnitt hülsenartig auf den nicht erweiterten Abschnitt eines benachbarten Kammertopfes aufschiebbar ist.
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