EP1347178B1 - Leicht zu reinigende Kreiselpumpe - Google Patents

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EP1347178B1
EP1347178B1 EP03005190A EP03005190A EP1347178B1 EP 1347178 B1 EP1347178 B1 EP 1347178B1 EP 03005190 A EP03005190 A EP 03005190A EP 03005190 A EP03005190 A EP 03005190A EP 1347178 B1 EP1347178 B1 EP 1347178B1
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EP
European Patent Office
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rotor
pump
centrifugal pump
pump according
impeller
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03005190A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1347178A1 (de
Inventor
Heinz Rust
Friedemann Seibert
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Hilge GmbH and Co KG
Original Assignee
Philipp Hilge & Co KG GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Philipp Hilge & Co KG GmbH filed Critical Philipp Hilge & Co KG GmbH
Publication of EP1347178A1 publication Critical patent/EP1347178A1/de
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Publication of EP1347178B1 publication Critical patent/EP1347178B1/de
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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
    • F04D29/04—Shafts or bearings, or assemblies thereof
    • F04D29/046—Bearings
    • F04D29/048—Bearings magnetic; electromagnetic
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D13/00—Pumping installations or systems
    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0606—Canned motor pumps
    • F04D13/0633—Details of the bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D13/0606—Canned motor pumps
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
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    • F04D13/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D13/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F04D13/0646—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven the hollow pump or motor shaft being the conduit for the working fluid
    • 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
    • F04D29/60—Mounting; Assembling; Disassembling
    • F04D29/62—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps
    • F04D29/628—Mounting; Assembling; Disassembling of radial or helico-centrifugal pumps especially adapted for liquid pumps

Definitions

  • the present invention relates to centrifugal pump with a pump housing, which has a pump chamber comprising at least one of a suction area and an ejection area Impeller, which is rotatably mounted within the pump space about a wheel axis, and with an impeller drive, wherein the impeller drive consists of two reluctance motors, their stators at or in which the rotor surrounding housing portion of the pump are arranged.
  • centrifugal pump which is very easy to clean and in which e.g. by briefly pumping a flushing medium a previously existing in the pump pumping medium can be completely removed to Contamination of later pumped media to avoid, with the rinsing process as possible quick and easy and without disassembly and without using excessive amounts of Dishwashing agent should take place.
  • centrifugal pumps each with a reluctance motor, wherein the rotor of the motor and the impeller of the pump are integrated and represent a single, specially designed component.
  • Centrifugal pumps have in common that they do not allow the hydraulic components to build the pump in a modular manner and without the specifications of the function of the rotor to construct.
  • the present invention has the object, a To provide centrifugal pump with the features mentioned, which is even easier and is easier to clean and which is therefore particularly suitable for sterile applications or in general for applications where simplified purging and cleaning of a pump is desired is.
  • the impeller drive of Pump consists of at least one reluctance motor whose electrically non-contact rotor in the Recorded by the pumping medium volume of the pump chamber is received, and its stator is arranged on or in a surrounding the rotor housing portion of the pump.
  • Such a reluctance motor has traditionally been used for centrifugal pumps Drives have the advantage that the rotor must have neither permanent magnets nor any contains electrical windings that require a power supply. Furthermore, the rotors contain no permanent magnets.
  • a rotor e.g. can be connected directly to an impeller and the can rotate together with the impeller in the pump room.
  • pump room one Centrifugal pump the entire existing between an inlet port and an outlet and understood space acted upon by the medium to be pumped.
  • This space is insofar conceptual to distinguish from the space of a pumping cell, the volume within a pumping room limited, which is fully or largely acted upon by a rotating impeller.
  • the drive rotor no mechanical or electrical connection to other drive elements needed, you do not need any seals for appropriate transitions.
  • the rotor can be connected directly to the driven impeller and both parts in common can be arranged in the pump room so that easy cleaning and rinsing these parts is easily possible.
  • the rotor is independent of the magnetic drive forces has a magnetic bearing.
  • Such storage ensures that the rotor is in Operation of the pump does not come into contact with the pump housing, so that without appropriate Friction even higher speeds are possible.
  • the invention would also be readily available one or more sliding bearings open on both sides can be realized, which are easy to flush through and to are clean, since such bearings need not have a sealing function.
  • the magnetic storage is only possible or at least considerably facilitated by the fact that the rotor of the reluctance motor contains no permanent magnets for the drive, but only soft magnetic material.
  • the rotor is coupled directly to the impeller, so that no Transmission elements are present, in which parts of the pumping medium could get caught.
  • the rotor is a ring, which with a corresponding Drive shaft is connected, with gaps between radial projections of the Ringes are either filled with non-magnetic material or wrapped around the ring as a whole is, so that the gaps are covered.
  • the rotors of reluctance motors typically have radial projections of the teeth type a gear on, at different times by magnetic induction of a each nearest pole piece are tightened, according to the desired speed the rotor takes place a fast switching between several poles of the stator.
  • the design is as a substantially smooth ring with filled interdental spaces or a continuous enclosure preferred.
  • these support cams are annular Webs, preferably on the outer cylindrical surface of the annular rotor and optionally also on one or both axial end faces of the rotor.
  • the material of these casserole cams or webs is chosen so that it has the lowest possible sliding friction with the inner surface of the pump chamber housing has.
  • the invention in which two reluctance motors are provided for the drive, wherein each one rotor axially in front of an impeller or a group of successively connected wheels, and a rotor behind the impeller or group of cascaded impellers is arranged.
  • the rotors are in the vicinity of the intake and the discharge area of the pump.
  • the Pump is designed as an axial pump, that is as a pump, in which both the intake or intake manifold of the pump as well as the discharge area or discharge nozzle (discharge nozzle) the pump coaxial with the common axis of the rotor or the rotors and the impeller or the wheels are arranged.
  • an embodiment of the invention is preferred in which a plurality of wheels in series Rotate impeller cells.
  • the stator of the drive according to the invention is expediently outside the pump chamber arranged, with a four-pole winding for driving the rotor is preferred.
  • a two- or multi-pole winding for the radial magnetic bearing of the rotor be provided.
  • Other windings may be provided for the axial magnetic bearing of the rotor become.
  • These windings are expedient in which the rotor or rotor ring directly surrounding wall portion of the pump housing arranged.
  • special Recesses may be provided in the wall of the pump housing.
  • the radial clearance of the rotor is at most 1 to 2 mm and the axial play maximum 0.5 to 1 mm.
  • the windings for magnetic bearing should be independent of the stator windings the reluctance motor be switchable, so that the magnetic bearing both at slow running can be guaranteed as well as at standstill of the rotor.
  • any seals that exist between individual components of the pump housing or e.g. also between a hub of the rotor and the corresponding drive shaft for the wheels provided should, if possible, be open to the pump room and well accessible, that is neither before the seals should still between the seals and surrounding wall areas gendwelchen narrow, narrow sealing gaps remain, in which the pumping medium penetrate could and would be bad to clean.
  • the seals to the pump room should be largely open and the gaskets on the inner walls of the pump should be designed so that the transition from sealing surface to adjacent housing surface always relatively abrupt and at an angle of more than 30 °, so that on this Way narrow and narrow sealing gaps are avoided.
  • the rotor is suitably as spoked wheel with a hub and an annular rim as well typically three to a maximum of six spokes formed, which hub and rim or rim ring connect to each other, wherein the actual rotor, made of soft magnetic material with tooth-like radial projections, on the ring or rim area of such Spoked wheel limited.
  • the spokes should have a cross section that allows the passage of the Pump medium hindered as little as possible, since the spokes in the intake and / or in the Exhaust area of the pumping medium are located.
  • the single FIGURE shows an axial longitudinal section through a preferred embodiment of the invention Centrifugal pump.
  • the total designated 10 centrifugal pump consists of a multi-part pump housing, which in detail from a suction cover 1, a pressure lid 2, a first motor housing 3, a second motor housing 3 'as well as pump cell housings 13 is formed.
  • a cooling fins 25 may be provided.
  • the individual housing sections are sealed by means of sealing rings 6 and 7, respectively connected with each other.
  • the pump housing described above thus defines a pumping space 20, which has an intake area 26 and an ejection region or pressure region 27, wherein the actual pumping effect is generated by three successive impeller cells, which are separated by partitions 36 and 35 and housing sections 13 are defined.
  • the intake manifold 16 and the discharge port 17 are arranged coaxially with the common axis 18 of the wheels 4 and the rotors 5.
  • the first Impeller cell has a drive shaft 19 annularly surrounding the inlet opening 29, the pushes Pumping medium radially outward, from where it passes over baffles 21 in the next impeller cell is, which also has a central, annular inlet opening.
  • the pumping medium passes according to the illustrated Arrows in the discharge or pressure area 27 and from there through the discharge port 17 after outside or in a pressure line.
  • the pump medium flows through both in the process Intake region 26 as well as in the pressure region 27, the spoked wheels of the two rotors 5 and 5 '.
  • the spokes 14 of the spoke wheels have a circular shape However, they could just as well have an oblong or oval or flat cross-section have and be employed against the axis 18 propeller-like.
  • the rotors 5 are only very shown schematically.
  • the flat, recessed bars 23, 24 represent soft magnetic Elements or recesses between them.
  • the radially outer circumferential surface of a rotor 5 is formed by a slightly protruding, circumferential Web 9 formed, which could be divided into two or more narrower webs and which serves as an emergency bearing, in the event that there is a contact of the rotor 5 with the inner wall of the surrounding housing 3 comes.
  • a similar web 9 is also on the axial outside of the rotors 5 and 5 'are provided, which also opposite respective inner surfaces of the pump housing, However, under normal operating conditions in a small, but essentially constant distance of the order of 0.5 mm to these surfaces are kept.
  • the medium is passed through the impeller blades 4 guided radially outward into the pressure region 39 of the impeller cell in question and is from there About baffles 21 again the next, annular intake of a next impeller cell fed, etc., until the pumping medium finally from the last impeller cell in the pressure chamber 27 is ejected.
  • each rotor 5, 5 ' has only three or four corresponding spokes.
  • the wheels 4 and the rotors 5, 5 ' are fixedly connected to each other via the shaft 19, wherein individual Shaft sections in each case via seals 8 with the hubs 15 of the rotors 5, 5 'and the hubs the wheels 4 are connected.
  • These seals 8 are, as it is with the seals 6 and 7 recognizes sealing rings, which with a considerable part of their peripheral surface to the inner Pump room are exposed and thus well washed by the pumping medium.
  • the pump is constructed so that it consists of as many similar parts.
  • the suction cover 1 and the pressure cover 2 are identical components, which are only mirror images are arranged to each other.
  • the pump housing sections 3, 3 ' the same time the stator form the reluctance motors are identically constructed and only mirror images of each other arranged. The same applies to the rotors 5 including the associated spokes 14 and Hubs 22.
  • the individual pump cell housing or pressure cover 13 of the various Pump cells formed identical, that is, they each have a cylindrical housing portion 13 and a radially inwardly extending partition 35, which the suction cover the next impeller cell forms.
  • On the pressure side of each of the impeller cells are corresponding Guiding plates 21 provided on the partition wall 35.
  • a third cell consists of only one impeller 4.
  • the housing sections 3, 3 ' which form the stators to the reluctance, also have still cooling fins 25 on.
  • the axial arrangement of the suction nozzle 16 and the pressure port 17 causes the wheels experience no effective load in a radial direction, so that it is easier, the rotors 5, 5 'in the radial direction to store magnetically.
  • the axial magnetic bearing is independent of the radial bearing.
  • the shaft no longer needs any connection to an outside of the pump Drive and there are no sliding seals or other types of seals provided to which could be part of the pumping medium. Regardless, instead of one could magnetic bearing and one or two stationary Gleitdichtlager for the shaft 19 is provided become.

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Kreiselpumpe mit einem Pumpengehäuse, welches einen Pumpraum umfaßt, der einen Ansaugbereich und einen Ausstoßbereich aufweist, mit mindestens einem Laufrad, welches innerhalb des Pumpraumes um eine Laufradachse drehbar gelagert ist, und mit einem Laufradantrieb, wobei der Laufradantrieb aus zwei Reluktanzmotoren besteht, deren Statoren an oder in dem den Rotor umgebenden Gehäuseabschnitt der Pumpe angeordnet sind.
Entsprechende Kreiselpumpen sind in zahlreichen Varianten schon seit langem bekannt. Diese Pumpen finden häufig Verwendung für das Pumpen von Flüssigkeiten in der chemischen Industrie und auch in der Lebensmittelindustrie. Bei diesen Anwendungen kommt es häufig darauf an, eine Kontamination des Pumpmediums zu vermeiden. Eine solche Kontamination kann entweder dadurch auftreten, daß mit der Pumpe wechselweise unterschiedliche Medien gepumpt werden, so daß beim Pumpen eines neuen Mediums noch Reste von dem alten Medium in der Pumpe vorhanden waren, obwohl möglicherweise zwischenzeitlich ein Spülmedium gepumpt wurde, oder aber dadurch, daß ein Pumpvorgang für längere Zeit unterbrochen wurde und das in der Pumpe bzw. den Zuleitungen noch verbliebene Medium einem Alterungsprozeß unterliegt, beispielsweise durch Kontakt mit Luftsauerstoff oder einfach aufgrund einer inhärenten Unbeständigkeit. Dies gilt beispielsweise im Falle von Lebensmitteln, die in frischem Zustand nur eine geringe Keimzahl enthalten, bei denen sich jedoch die Keimzahl drastisch erhöhen kann, wenn das Medium für längere Zeit bei einer Temperatur oberhalb von 0°C sich selbst überlassen wird.
Auch wenn eine Kontamination nicht in allen Fällen gefährlich ist oder zu einer nennenswerten Verschlechterung der gepumpten Medien führt, ist es dennoch wünschenswert, eine Kreiselpumpe zu haben, die sehr leicht zu reinigen ist und bei welcher z.B. durch kurzzeitiges Pumpen eines Spülmediums ein zuvor in der Pumpe vorhandenes Pumpmedium vollständig entfernt werden kann, um Kontaminationen von später gepumpten Medien zu vermeiden, wobei auch der Spülvorgang möglichst schnell und einfach und ohne Demontage und ohne Verwendung übermäßiger Mengen von Spülmittel erfolgen soll.
Herkömmliche Kreiselpumpen können diese Anforderungen nur unter erheblichem technischem Aufwand erfüllen. Lösungsansätze zur Ausgestaltung von Pumpen, die eine einfache und schnelle Reinigung ermöglichen und die deshalb z.B. auch als sogenannte "Sterilpumpen" geeignet sind und somit die im Lebensmittel- und Medizinbereich geforderten Sterilitätsbedingungen erfüllen, sind bekannt aus den deutschen Patentanmeldungen Nr. 100 33 402.4 und 102 00 579.6.
Auch wenn bei diesen bekannten Pumpen bereits versucht wurde, den konstruktiven Aufwand so gering wie möglich zu halten und dabei Toträume zu vermeiden und so die Sterilitätsbedingungen zu erfüllen, haben auch diese Pumpen grundsätzlich das Problem, daß die Antriebswelle für eines oder mehrere Laufräder der Pumpe in irgendeiner Weise abgedichtet mit einem Motorantrieb verbunden werden muß. Zwar kann man entsprechende Dichtungen z.B. als Gleitdichtungen ausbilden, was wegen der gegeneinander bewegten Flächen einer Gleitdichtung dazu führt, daß zwischen die Dichtflächen eintretendes Pumpmedium auch sehr schnell und sehr leicht ausgetauscht wird, jedoch ist die Herstellung und Wartung entsprechender Dichtungen relativ aufwendig und sie haben überdies nur eine begrenzte Lebensdauer.
Die Dokumente WO 96/31 934, US-6,053,705 und EP-1 114 648 A2 zeigen Kreiselpumpen mit jeweils einem Reluktanzmotor, wobei der Rotor des Motors und das Laufrad der Pumpe integriert sind und ein einziges, speziell konstruiertes Bauteil darstellen. Diesen aus dem Stand der Technik bekannten Kreiselpumpen ist gemeinsam, daß sie es nicht ermöglichen, die hydraulischen Komponenten der Pumpe in modularer Weise aufzubauen und ohne die Vorgaben der Funktion des Rotors zu konstruieren.
Gegenüber diesem Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Kreiselpumpe mit den eingangs genannten Merkmalen zu schaffen, welche noch einfacher und leichter zu reinigen ist und welche daher insbesondere für Sterilanwendungen geeignet ist oder allgemein für Anwendungen, bei welchen ein vereinfachtes Spülen und Reinigen einer Pumpe erwünscht ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Laufradantrieb der Pumpe aus mindestens einem Reluktanzmotor besteht, dessen elektrisch kontaktloser Rotor in dem vom Pumpmedium beaufschlagten Volumen des Pumpraumes aufgenommen ist, und dessen Stator an oder in einem den Rotor umgebenden Gehäuseabschnitt der Pumpe angeordnet ist.
Ein solcher Reluktanzmotor hat gegenüber herkömmlicherweise für Kreiselpumpen verwendeten Antrieben den Vorteil, daß der Rotor weder Permanentmagnete aufweisen muß noch irgendwelche elektrischen Wicklungen enthält, die eine Stromversorgung benötigen. Weiterhin enthalten die Rotoren keinerlei Permanentmagnete.
Damit erhält man einen Rotor, der z.B. direkt mit einem Laufrad verbunden werden kann und der gemeinsam mit dem Laufrad in dem Pumpraum rotieren kann. Dabei wird unter "Pumpraum" einer Kreiselpumpe der gesamte zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung vorhandene und von dem zu pumpenden Medium beaufschlagte Raum verstanden. Dieser Raum ist insofern begrifflich zu unterscheiden von dem Raum einer Pumpzelle, die innerhalb eines Pumpraumes das Volumen begrenzt, welches ganz oder weitgehend von einem rotierenden Laufrad beaufschlagt wird.
Dadurch, daß der Antriebsrotor keinerlei mechanische oder elektrische Verbindung zu anderen Antriebselementen benötigt, benötigt man auch keinerlei Dichtungen für entsprechende Übergänge. Der Rotor kann direkt mit dem angetriebenen Laufrad verbunden werden und beide Teile gemeinsam können in dem Pumpenraum so angeordnet werden, daß ein einfaches Reinigen und Spülen dieser Teile problemlos möglich ist.
Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn der Rotor unabhängig von den magnetischen Antriebskräften eine magnetische Lagerung aufweist. Eine solche Lagerung stellt sicher, daß der Rotor im Betrieb der Pumpe nicht mit dem Pumpengehäuse in Berührung tritt, so daß ohne entsprechende Reibung auch höhere Drehzahlen möglich sind. Die Erfindung wäre jedoch auch ohne weiteres mit einem oder mehreren beidseitig offenen Gleitlagem realisierbar, die leicht zu durchspülen und zu reinigen sind, da derartige Lager keine Abdichtfunktion zu haben brauchen. Die magnetische Lagerung wird erst dadurch möglich oder zumindest beträchtlich erleichtert, daß der Rotor des Reluktanzmotors für den Antrieb keine Permanentmagnete enthält, sondern nur weichmagnetisches Material.
Zweckmäßigerweise ist außerdem der Rotor direkt mit dem Laufrad gekoppelt, so daß auch keinerlei Getriebeelemente vorhanden sind, in welchen sich Teile des Pumpmediums verfangen könnten.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rotor ein Ring, welcher mit einer entsprechenden Antriebswelle verbunden ist, wobei Zwischenräume zwischen radialen Vorsprüngen des Ringes entweder mit nicht magnetischem Material ausgefüllt sind oder aber der Ring insgesamt umhüllt ist, so daß die Zwischenräume abgedeckt sind.
Die Rotoren von Reluktanzmotoren weisen typischerweise radiale Vorsprünge nach Art der Zähne eines Zahnrades auf, die zu unterschiedlichen Zeitpunkten durch magnetische Induktion von einem jeweils nächstliegenden Polschuh angezogen werden, wobei entsprechend der gewünschten Drehzahl des Rotors eine schnelle Umschaltung zwischen mehreren Polen des Stators stattfindet. Um trotz der hierfür erforderlichen radialen Vorsprünge des Rotors eine möglichst glatte Oberfläche zu erhalten, ist die Ausgestaltung als im wesentlichen glatter Ring mit ausgefüllten Zahnzwischenräumen bzw. einer durchgehenden Umhüllung bevorzugt.
Weiterhin sind entlang der Umfangsoberfläche des Rotors, und zwar entlang derjenigen Flächen, die einer inneren Gehäuseoberfläche gegenüberliegen, Auflagenocken vorgesehen, die im Falle eines Rotorstillstandes auf entsprechenden Gehäuseoberflächen aufliegen und die auch im Falle einer Berührung mit dem Gehäuse während der Rotation die Funktion von Gleitelementen übernehmen. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind diese Auflagenocken ringförmig umlaufende Stege, und zwar vorzugsweise an der äußeren Zylindermantelfläche des ringförmigen Rotors und gegebenenfalls auch an einer oder beiden axialen Stirnflächen des Rotors. Zweckmäßigerweise wird das Material dieser Auflaufnocken bzw. -stege so gewählt, daß es eine möglichst geringe Gleitreibung mit der inneren Oberfläche des Pumpraumgehäuses hat. Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher zwei Reluktanzmotoren für den Antrieb vorgesehen sind, wobei jeweils ein Rotor axial vor einem Laufrad oder einer Gruppe hintereinandergeschalteter Laufräder, und ein Rotor hinter dem Laufrad bzw. der Gruppe von hintereinandergeschalteten Laufrädem angeordnet ist. Zweckmäßigerweise befinden sich die Rotoren in der Nähe des Ansaugbereiches und des Ausstoßbereiches der Pumpe. Um möglichst ausgeglichene radiale Kräfte zu haben, so daß die Rotoren und Laufräder im wesentlichen in dem Pumpengehäuse zentriert bleiben und nach Möglichkeit nicht mit dem Pumpengehäuse in Berührung treten, ist es zweckmäßig, wenn die Pumpe als Axialpumpe ausgebildet ist, das heißt als eine Pumpe, bei welcher sowohl der Ansaugbereich bzw. Ansaugstutzen der Pumpe als auch der Ausstoßbereich oder Ausstoßstutzen (Druckstutzen) der Pumpe koaxial zu der gemeinsamen Achse des Rotors bzw. der Rotoren und des Laufrades bzw. der Laufräder angeordnet sind.
Weiterhin ist eine Ausführungsform der Erfindung bevorzugt, bei welcher mehrere Laufräder in hintereinandergeschalteten Laufradzellen umlaufen.
Der Stator des erfindungsgemäßen Antriebs wird zweckmäßigerweise außerhalb des Pumpraumes angeordnet, wobei eine Vierpolwicklung für den Antrieb des Rotors bevorzugt ist. Zusätzlich kann auch noch eine zwei- oder mehrpolige Wicklung für die radiale magnetische Lagerung des Rotors vorgesehen sein. Weitere Wicklungen können für die axiale magnetische Lagerung des Rotors vorgesehen werden. Diese Wicklungen sind zweckmäßigerweise in dem den Rotor bzw. Rotorring unmittelbar umgebenden Wandbereich des Pumpengehäuses angeordnet. Hierfür können z.B. besondere Aussparungen in der Wand des Pumpengehäuses vorgesehen sein.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beträgt das radiale Spiel des Rotors maximal 1 bis 2 mm und das axiale Spiel maximal 0,5 bis 1 mm. Dabei ist zu bedenken, daß aufgrund der zweckmäßigerweise starren und drehfesten Verbindung des Rotors bzw. der Rotornabe mit der Antriebswelle der Laufräder jede radiale und axiale Bewegung des Rotors in gleicher Weise auch auf das bzw. die Laufräder übertragen wird, so daß auch die Laufräder in ihren Laufradzellen, das heißt gegenüber den im Pumpenraum vorgesehenen Trennwänden, welche die einzelnen Pumpzellen bzw. Laufradzellen definieren, ein entsprechendes radiales und axiales Spiel haben müssen. Aus diesem Grunde ist es für eine hohe Effizienz der Pumpe selbstverständlich bevorzugt, wenn das radiale und axiale Spiel möglichst klein gehalten wird, ohne dabei jedoch Gefahr zu laufen, daß es zu häufigen oder gar regelmäßigen Berührungen des Rotors mit den umgebenden Wandbereichen des Pumpengehäuses kommt.
Die Wicklungen für die magnetische Lagerung sollten selbstverständlich unabhängig von den Statorwicklungen des Reluktanzmotors schaltbar sein, so daß die magnetische Lagerung sowohl bei langsamem Lauf als auch bei Stillstand des Rotors gewährleistet werden kann.
Jegliche Dichtungen, die zwischen einzelnen Bauteilen des Pumpengehäuses oder z.B. auch zwischen einer Nabe des Rotors und der entsprechenden Antriebswelle für die Laufräder vorgesehen sind, sollten nach Möglichkeit zum Pumpraum hin offen und gut zugänglich sein, das heißt weder vor den Dichtungen noch zwischen den Dichtungen und umgebenden Wandbereichen sollten gendwelchen schmalen, engen Dichtungsspalte verbleiben, in welche das Pumpmedium eindringen könnte und die dann schlecht zu reinigen wären. Stattdessen sollen die Dichtungen zum Pumpraum hin weitgehend offen liegen und die Dichtungsaufnahmen an den Innenwänden der Pumpen sollten so ausgestaltet sein, daß der Übergang von Dichtungsoberfläche zu benachbarter Gehäuseoberfläche immer relativ abrupt und unter einem Winkel von möglichst mehr als 30° erfolgt, so daß auf diese Weise schmale und enge Dichtspalte vermieden werden.
Wegen weiteren Einzelheiten zur Anordnung und Ausgestaltung der Dichtungen wird auf die oben zitierte DE 102 00 579.6 verwiesen.
Der Rotor ist zweckmäßigerweise als Speichenrad mit einer Nabe und einer ringförmigen Felge sowie typischerweise drei bis maximal sechs Speichen ausgebildet, welche Nabe und Felge bzw. Felgenring miteinander verbinden, wobei der eigentliche Rotor, der aus weichmagnetischem Material mit zahnartigen radialen Vorsprüngen besteht, sich auf den Ring- bzw. Felgenbereich eines solchen Speichenrades beschränkt. Die Speichen sollten einen Querschnitt haben, der den Durchtritt des Pumpmediums so wenig wie möglich behindert, da sich die Speichen im Ansaugbereich und/oder im Ausstoßbereich des Pumpmediums befinden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der dazugehörigen Figur.
Die einzige Figur zeigt einen axialen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kreiselpumpe. Die insgesamt mit 10 bezeichnete Kreiselpumpe besteht aus einem mehrteiligen Pumpengehäuse, welches im einzelnen aus einem Saugdeckel 1, einem Druckdeckel 2, einem ersten Motorgehäuse 3, einem zweiten Motorgehäuse 3' sowie aus Pumpzellengehäusen 13 gebildet wird. Vor allem an den Motorgehäuseabschnitten 3 und 3' können zusätzlich Kühlrippen 25 vorgesehen sein. Die einzelnen Gehäuseabschnitte sind über Dichtringe 6 bzw. 7 abgedichtet miteinander verbunden.
Das vorstehend beschriebene Pumpengehäuse definiert so einen Pumpraum 20, der einen Ansaugbereich 26 und einen Ausstoßbereich bzw. Druckbereich 27 umfaßt, wobei der eigentliche Pumpeffekt durch drei hintereinandergeschaltete Laufradzellen erzeugt wird, die durch Trennwände 36 bzw. 35 und Gehäuseabschnitte 13 definiert werden. Der Ansaugstutzen 16 und der Druckstutzen 17 sind koaxial zu der gemeinsamen Achse 18 der Laufräder 4 und der Rotoren 5 angeordnet. Die erste Laufradzelle weist eine die Antriebswelle 19 ringförmig umgebende Einlaßöffnung 29 auf, stößt das Pumpmedium radial nach außen aus, von wo es über Leitbleche 21 in die nächste Laufradzelle geleitet wird, welche ebenfalls eine zentrale, ringförmige Einlaßöffnung aufweist.
Nach Durchlaufen einer dritten Laufradzelle gelangt das Pumpmedium entsprechend den dargestellten Pfeilen in den Ausstoß- bzw. Druckbereich 27 und von dort durch den Druckstutzen 17 nach außen bzw. in eine Druckleitung. Wie man erkennt, durchströmt das Pumpmedium dabei sowohl im Ansaugbereich 26 als auch im Druckbereich 27 die Speichenräder der beiden Rotoren 5 bzw. 5'. In der dargestellten Ausführungsform haben die Speichen 14 der Speichenräder einen kreisförmigen Querschnitt, sie könnten jedoch ebensogut einen länglichen bzw. ovalen oder flachen Querschnitt haben und gegenüber der Achse 18 propellerartig angestellt sein. Die Rotoren 5 sind hier nur sehr schematisch wiedergegeben. Die flachen, ausgesparten Balken 23, 24 repräsentieren weichmagnetische Elemente bzw. Aussparungen zwischen diesen. Die in dem umgebenden Pumpengehäuse 3 dargestellten, flachen, balkenförmigen Elemente 12, 22 repräsentieren den Raum für Statorwicklungen bzw. für Magnetlagerungswicklungen.
Die radial äußere Umfangsfläche eines Rotors 5 wird durch einen etwas hervorstehenden, umlaufenden Steg 9 gebildet, der auch in zwei oder mehrere schmalere Stege aufgeteilt sein könnte und der als Notlager dient, für den Fall, daß es zu einer Berührung des Rotors 5 mit der Innenwand des umgebenden Gehäuses 3 kommt. Ein ähnlicher Steg 9 ist auch auf der axialen Außenseite der Rotoren 5 bzw. 5' vorgesehen, die ebenfalls entsprechenden Innenflächen des Pumpgehäuses gegenüberliegen, jedoch unter normalen Betriebsbedingungen in einem kleinen, aber im wesentlichen konstanten Abstand in der Größenordnung von 0,5 mm zu diesen Flächen gehalten werden.
Das radiale Spiel der Stege bzw. Nocken 9 an den Rotoren 5 bzw. 5' beträgt maximal 1 bis 2 mm. Ein entsprechendes radiales Spiel haben damit auch die Laufräder bzw. Laufradschaufeln 4, die fest auf einer Welle 19 montiert sind, die ihrerseits fest und starr mit der Nabe 15 des Rotors 5 verbunden ist. Der Rotor 5 und die Laufräder 4 drehen sich daher um eine gemeinsame Achse 18. Die Pumpzellen werden gebildet durch Trennwände 35, 36, welche dazwischen ein von den Laufradschaufeln 4 überstrichenes Volumen einschließen. Zentral um die Welle 19 herum weist die erste Laufradzelle eine ringförmige Ansaugöffnung 29 auf. Das Medium wird durch die Laufradschaufeln 4 radial nach außen in den Druckbereich 39 der betreffenden Laufradzelle geführt und wird von dort über Leitbleche 21 wieder der nächstfolgenden, ringförmigen Ansaugöffnung einer nächsten Laufradzelle zugeführt, etc., bis das Pumpmedium schließlich aus der letzten Laufradzelle in den Druckraum 27 ausgestoßen wird.
Sowohl das durch den Ansaugstutzen 16 in den Ansaugbereich 20 eintretende Pumpmedium als auch das im Druckbereich 27 und den entsprechenden Druckstutzen 17 austretende Pumpmedium müssen jeweils zwischen den Speichen 14 der Rotoren 5 bzw. 5' hindurchtreten.
Der Querschnitt der Speichen ist hier als kreisrunder Querschnitt dargestellt, jedoch kann dieser Querschnitt auch oval oder länglich-flach sein und generell so ausgestaltet werden, daß er dem hindurchströmende Pumpmedium möglichst wenig Widerstand entgegensetzt oder die Pumpströmung noch unterstützt. Zweckmäßigerweise hat jeder Rotor 5, 5' nur drei oder vier entsprechende Speichen.
Die Laufräder 4 und die Rotoren 5, 5' sind über die Welle 19 fest miteinander verbunden, wobei einzelne Wellenabschnitte jeweils über Dichtungen 8 mit den Naben 15 der Rotoren 5, 5' bzw. den Naben der Laufräder 4 verbunden sind. Diese Dichtungen 8 sind, ebenso wie man es bei den Dichtungen 6 und 7 erkennt, Dichtringe, die mit einem erheblichen Teil ihrer Umfangsfläche zum inneren Pumpraum hin offenliegen und somit gut von dem Pumpmedium überspült werden.
Die Pumpe ist so aufgebaut, daß sie aus möglichst vielen gleichartigen Teilen besteht. Beispielsweise sind der Saugdeckel 1 und der Druckdeckel 2 identische Bauteile, die lediglich spiegelbildlich zueinander angeordnet sind. Auch die Pumpgehäuseabschnitte 3, 3', die gleichzeitig den Statorbereich der Reluktanzmotoren bilden, sind identisch aufgebaut und lediglich spiegelbildlich zueinander angeordnet. Das gleiche gilt auch für die Rotoren 5 einschließlich der zugehörigen Speichen 14 und Naben 22. Schließlich sind auch die einzelnen Pumpzellengehäuse bzw. Druckdeckel 13 der verschiedenen Pumpzellen identisch ausgebildet, das heißt sie weisen jeweils einen zylindrischen Gehäuseabschnitt 13 und eine sich radial nach innen erstreckende Trennwand 35 auf, die den Saugdeckel der nächstfolgenden Laufradzelle bildet. Auf der Druckseite jeder der Laufradzellen sind entsprechende Leitbleche 21 an der Trennwand 35 vorgesehen. Wie man erkennt, sind bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel zwei identische Laufradzellen mit entsprechenden identischen Gehäuseabschnitten 13 hintereinander angeordnet. Eine dritte Zelle besteht nur noch aus einem Laufrad 4.
Die Gehäuseabschnitte 3, 3', welche die Statoren zu den Reluktanzmotoren bilden, weisen außerdem noch Kühlrippen 25 auf.
Die axiale Anordnung des Saugstutzens 16 und des Druckstutzens 17 führt dazu, daß die Laufräder keine effektive Belastung in einer radialen Richtung erfahren, so daß es einfacher wird, die Rotoren 5, 5' in radialer Richtung magnetisch zu lagern.
Die axiale magnetische Lagerung ist von der radialen Lagerung unabhängig.
Wie man sieht, benötigt die Welle keinerlei Verbindung mehr zu einem außerhalb der Pumpe liegenden Antrieb und es sind keinerlei Gleitdichtungen oder andere Dichtungstypen vorgesehen, an denen sich ein Teil des Pumpmediums festsetzen könnte. Unabhängig hiervon könnten statt einer magnetischen Lagerung auch ein oder zwei stationäre Gleitdichtlager für die Welle 19 vorgesehen werden.

Claims (16)

  1. Kreiselpumpe (10) mit einem Pumpengehäuse, welches einen Pumpraum (20) umfaßt, der einen Ansaugbereich (26) und einen Ausstoßbereich (27) aufweist, mit mindestens einem Laufrad (4), welches innerhalb des Pumpraumes (20) um eine Laufradachse (18) drehbar gelagert ist, und mit einem Laufradantrieb, wobei der Laufradantrieb aus mindestens einem Reluktanzmotor (3, 5) besteht, wobei der elektrisch kontaktlose Rotor (5) im Inneren des Pumpraumes (20) magnetisch gelagert ist und dessen Stator an oder in dem den Rotor umgebenden Gehäuseabschnitt (3) der Pumpe (10) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei axial beabstandete Reluktanzmotoren mit je einem Rotor vorgesehen sind, die axial jeweils vor und hinter einem Laufrad oder einer Laufradgruppe angeordnet sind.
  2. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (5) sowohl in radialer als auch in axialer Richtung in dem Pumpraum berührungsfrei magnetisch gelagert ist.
  3. Kreiselpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine Laufrad (4) direkt mit dem Rotor (5) gekoppelt ist.
  4. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor im wesentlichen aus einem glatten und mit einer zentralen Antriebswelle verbundenen Ring besteht, wobei Zwischenräume zwischen radialen Rotorvorsprüngen durch nicht magnetisches Material ausgefüllt oder durch eine Rotorumhüllung abgedeckt sind.
  5. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor auf seinen den Innenwänden des Pumpengehäuses zugewandten Flächen geringfügig über die Rotoroberfläche vorstehende Gleitnocken aufweist.
  6. Kreiselpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitnocken als ringförmig umlaufende Stege entlang der äußeren Umfangsoberfläche und/oder entlang einer axialen Stirnfläche des Rotors vorgesehen sind.
  7. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor als Speichenrad ausgebildet ist.
  8. Kreiselpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Rotor im Ansaugbereich und im Auslaßbereich des Pumpenraumes vorgesehen ist.
  9. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Laufräder in axial hintereinandergeschalteten Pumpzellen innerhalb des Pumpraumes angeordnet sind.
  10. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Reluktanzmotor ein Vierpolmotor ist und von den Polwicklungen unabhängige Wicklungen für eine magnetische Lagerung aufweist.
  11. Kreiselpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in dem den bzw. die Rotoren unmittelbar umgebenden Wandbereichen des Pumpengehäuses vorgesehen sind.
  12. Kreiselpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen in Aussparungen in der Wand des Pumpengehäuses vorgesehen sind.
  13. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotoroberfläche oder zumindest die auf der Rotoroberfläche vorgesehenen Gleitnocken aus einem Material bestehen, welches mit der Innenwand des Pumpengehäuses eine geringe Gleitreibung aufweist.
  14. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor in dem Pumpengehäuse ein maximales radiales Spiel von 1 bis 2 mm und ein maximales axiales Spiel von 0,5 bis 1 mm aufweist.
  15. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe zum Pumpenraum hin offene und gut zugängliche Dichtungen ohne enge Dichtspalte aufweist.
  16. Kreiselpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Axialpumpe mit einem koaxial angeordneten Pumpeneinlaß und einem ebenfalls koaxial angeordneten Pumpenauslaß ausgebildet ist.
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