EP2063125B1 - Moineau-Pumpe - Google Patents

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EP2063125B1
EP2063125B1 EP07021379A EP07021379A EP2063125B1 EP 2063125 B1 EP2063125 B1 EP 2063125B1 EP 07021379 A EP07021379 A EP 07021379A EP 07021379 A EP07021379 A EP 07021379A EP 2063125 B1 EP2063125 B1 EP 2063125B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
section
parts
inner element
sections
pump
Prior art date
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Active
Application number
EP07021379A
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English (en)
French (fr)
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EP2063125A1 (de
Inventor
Helge Grann
Sébastien D`Antonio
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Grundfos Management AS
Original Assignee
Grundfos Management AS
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Publication date
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Priority to EP07021379A priority patent/EP2063125B1/de
Priority to AT07021379T priority patent/ATE445782T1/de
Priority to CN2008801144084A priority patent/CN101842595B/zh
Priority to US12/740,731 priority patent/US8308459B2/en
Priority to PCT/EP2008/008120 priority patent/WO2009056200A1/de
Publication of EP2063125A1 publication Critical patent/EP2063125A1/de
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Publication of EP2063125B1 publication Critical patent/EP2063125B1/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2/00—Rotary-piston machines or pumps
    • F04C2/08—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C2/10—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member
    • F04C2/107—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth
    • F04C2/1071—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member with helical teeth the inner and outer member having a different number of threads and one of the two being made of elastic materials, e.g. Moineau type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C2250/00—Geometry
    • F04C2250/20—Geometry of the rotor
    • F04C2250/201—Geometry of the rotor conical shape

Definitions

  • the invention relates to a Moineau pump or a progressing cavity pump or eccentric screw compressor.
  • Moineau or progressing cavity pumps are z. B. off US 1,892,217 known as the next state of Tecknik.
  • These pumps have an annular outer member and an inner member disposed inside the outer member. Both the inside of the outer member and the outer side of the inner member have a helical structure, and the structure of the outer member has one more helix or one tooth.
  • the inner element moves in the interior of the outer element relative to this on an eccentric path, for which purpose the inner and / or the outer element can be moved.
  • the Moineau pump according to the invention or the Moineau compressor has a conically formed inner and a conically formed outer element.
  • the inner element has a central conical recess.
  • the outer element is annular in a known manner and has on its inner circumference a helical or helical structure.
  • the inner element is correspondingly formed helically on its outer circumference, wherein the helical structure of the outer element has a tooth or thread more than the structure on the outer circumference of the inner element.
  • the inner and outer members are arranged relative to one another such that their respective longitudinal axes are at an angle to each other and intersect at a point.
  • the pump is divided in the axial direction, ie in the conveying direction into at least two sections.
  • each section has a part of the outer element and a part of the inner element.
  • the parts of the inner element and the parts of the outer element are arranged rotated in the at least two sections against each other. That is, the portion of the inner member located in the second portion is twisted about the longitudinal axis of the inner member by a predetermined angle from the portion of the inner member located in the first portion.
  • the part of the outer element located in the second section is rotated by a certain angle relative to the part of the outer element located in the first section about the longitudinal axis of the outer element.
  • the offset in the rotational direction or twisted arrangement of the several sections or stages of the Moineau pump is achieved in that the axial force peaks do not occur at the same angular position of a drive shaft and the inner and outer element to each other, but rather occur the Axialkraftspitzen in both sections at different angles of rotation. In this way, the maximum occurring axial force is reduced because the axial force peaks do not add to the same angular position. Rather, the course of the axial force over the rotation angle of the drive shaft with twisted arrangement of the sections to each other so that a larger number of Axialkraftspitzen, but with lower amplitude occurs. Overall, a smoothed Axialkraftverlauf is thus achieved over the rotation angle. This reduces the overall load on the pump drive.
  • the pump has more than two sections or steps, wherein in each case in two adjoining sections, the part of the inner element located in a second section is arranged rotated relative to the part of the inner element situated in a first section about the longitudinal axis of the inner element is. Accordingly, the portion of the outer member located in the second portion is opposite the portion of the outer member located in the first portion about the longitudinal axis of the outer member arranged twisted.
  • all adjacent sections are preferably formed such that they form a first and a second section, in which the outer and inner elements are arranged rotated relative to one another as described.
  • the outer and inner members in the second portion opposite the inner and outer members in the first portion and then again in the third portion are the outer and inner members opposite the outer and inner members in the second Section twisted. Accordingly, in turn, in the fourth section, the outer and inner elements are then rotated relative to the outer and inner elements in the third section. In the case of even more sections, this continues accordingly.
  • the rotation from section to section preferably takes place in the same direction of rotation, so that overall all sections are rotated relative to one another and there are no two sections in which the outer or inner elements are arranged in the same angular orientation with respect to their longitudinal axis. This means that the angle by which the parts are rotated relative to each other can be dependent on the number of sections, so that between the first and last section the rotation of the parts is less than 360 °.
  • the parts of the inner element are rotated by a different angle to each other than the parts of the outer element. Due to the different number of threads on the inner and outer element, a particularly uniform running of the pump can be achieved.
  • the helical contour on the outer circumference of the inner element in all sections of the pump on the same slope. Accordingly, it is preferred that the helical contour on the inner circumference of the outer element in all sections of the Pump has the same slope. That is, the pitch of the thread of the inner and outer members is constant over the entire pump. More preferably, the number of revolutions of the threads in each section is the same.
  • n is the number of sections of the pump
  • m is the number of threads or teeth of the inner element.
  • these parts are respectively formed on the abutting front ends such that the largest cross-sectional area of the smaller part is completely within the smallest cross-sectional area of the larger part is located. In this way, it is ensured that the smaller part does not protrude beyond the outer circumference of the adjacent larger part at any point.
  • these parts are formed on the abutting end faces such that the maximum radius at the end side of the part located in the second section is smaller than the minimum radius at the front side of the part located in the first section is.
  • a spacer element between e.g. two adjacent parts of the inner element, e.g. arranged a spacer, which keeps the two parts spaced apart in the direction of the longitudinal axis. This ensures that a part of the inner element of a first section does not collide or come into contact with a part of the outer element in a second section. This means that it is ensured that a part of the inner element always only comes into contact exclusively with the associated part of the outer element. This is particularly important when the inner and outer elements are movable in the axial direction to each other.
  • the inner element is integrally formed over at least two sections, preferably over all sections. That is, the parts of the inner element, which are located in these two sections of the pump, are integrally formed, for example, metal or ceramic. This simplifies the production because no assembly and alignment of several items to form the inner member are required.
  • FIG. 2a shows in a side view and FIG. 2b in a perspective view of an inner element of a Moineau pump according to the invention.
  • the pump is divided into four sections, which are arranged one behind the other in the axial direction, ie in the longitudinal direction or conveying direction of the pump. This is in FIG. 3 shown.
  • the inner element 4 is correspondingly divided into four parts 4a, 4b, 4c, and 4d, the part 4a in the section 2a, the part 4b in the section 2b, the part 4c in the section 2c, and the part 4d in the section 2d of the pump is arranged.
  • the shape of the inner element according to Figures 2 and 3 arises starting from an inner element, as in FIGS. 1 a and 1 b is shown. It is in FIGS. 1 a and 1b, the inner element 4 with its four in the axial direction X 1 successively lined-up parts 4a to 4d formed without rotation between these parts. In this state, the outer periphery of the inner member 4 has a continuous helical structure.
  • the one or more screw threads 6 extend as a continuous helical shape over the entire axial length X 1 of the inner element 4, that is continuously over the four parts 4a to 4b.
  • the inner element 4 has a conical shape, ie, tapering from the axial end on the part 4b to the opposite axial end at the end of the part 4a.
  • the parts 4a to 4d are formed, or arranged to each other, that they are each rotated relative to each other about the longitudinal axis X 1 of the inner member 4 to each other. It is based on the state according to FIG. 1 the part 4c relative to the part 4d, the part 4b relative to the part 4c and the part 4c relative to the part 4b each rotated by the same angle in the same direction of rotation about the longitudinal axis X 1 .
  • the parts 4d are each rotated by 90 ° to the adjacent parts, ie, the portion 4c is 90 ° about the longitudinal axis X 1 twisted relative to part 4d.
  • the part 4b is rotated by 90 ° relative to the part 4c and corresponding to the part 4a by 90 ° relative to the part 4b.
  • the parts 4a to 4d need not be manufactured as individual parts and assembled, but rather the entire element 4, as in FIG. 2 is shown, also be made in one piece directly in the form shown there. At the in FIG.
  • the adjacent end faces of the parts 4a to 4d each have the same diameter. That is, for example, the diameter 22 of the part 4d on its side facing the part 4c is equal to the diameter 20 of the part 4c on its side facing the part 4d.
  • the outer element 8 is subdivided into four parts 8a, 8b, 8c and 8d, the part 8a in the section 2a, the part 8b in the section 2b, part 8c is located in section 2c and part 8b is located in section 2d of the pump. That is, in the part 8a of the outer member 8, the part 4a of the inner member 4 rotates. Accordingly, in the part 8b, the part 4b and so forth rotate.
  • the outer element 8 is annular in a known manner and has in its interior a recess 10 into which the inner element 4 is inserted.
  • the recess 10 is correspondingly formed conically with the inner element 4 and has on its inner circumference a helical structure with screw 12 on.
  • a helix is provided more than on the outer circumference of the outer element 4, ie in the case that the inner element 4 has two screw threads, the outer element 8 has on its inner circumference three screw threads.
  • the arrangement of the parts 8a to 8d of the outer member 8 is also formed from an outer member 8 with continuous threads from one axial end to the opposite axial end of the outer member 8.
  • the parts 8a to 8d are each rotated about the longitudinal axis X 2 of the outer element 8 to each other.
  • the longitudinal axis X 2 of the outer element is inclined, ie at an angle to the longitudinal axis X1 of the inner element. Both axes X 1 , X 2 intersect in a known manner in one point.
  • the part 8c of the outer element 8 is also opposite the part 8d by a certain angle about the longitudinal axis X 2 and corresponding part 8b relative to the part 8c by the same angle about the longitudinal axis X 2 and the part 8a relative to the part 8b also the same angle about the longitudinal axis X 2 arranged rotated or formed.
  • the direction of rotation of the rotation between the individual parts is the same.
  • the parts 8a to 8d of the outer element 8 can be manufactured as individual parts, which are then twisted together accordingly. Alternatively, it is also possible to form the parts in one piece directly in the twisted arrangement.
  • FIG. 4 schematically shows an inner element 4 consisting of four parts 4a, 4b, 4c and 4d, wherein in this arrangement different embodiments are combined with each other for explanation only.
  • the parts 4a, 4b, 4c and 4d in the direction of the longitudinal axis X 1 have different heights 14, 16 have. It should be understood that this is not limited to only parts 4a and 4d. Also, the parts 4d and / or 4c may have different heights.
  • the part 4c has, at its axial end facing the part 4d, a diameter 20 which is smaller in each direction than the diameter 22 at the axial end of the part 4d facing the part 4c.
  • the part 4c in the radial direction does not protrude beyond the outer periphery of the part 4d at its front end facing the part 4c.
  • the radial distance 24, 26 between the outer periphery of the part 4c at the end face thereof having the larger cross-sectional area and the outer periphery of the part 4d at the end face thereof having the smaller cross-sectional area is over the whole Scope greater than or equal to 0, but not less than 0. It is understood that the transition between the parts 4c and 4b and / or the part 4d and the part 4a can be designed accordingly. These embodiments ensure that the parts of the inner element 4 at the interfaces between the individual parts do not undesirably collide with the wrong, ie non-associated, parts of the outer element 8.
  • the inner part 4 c does not come into contact with the part 8 d of the outer element 8 and correspondingly the part 4 d of the inner element 4 can not come into contact with the part 8 c of the outer element 8.
  • FIG. 5 shows first the axial force which acts between the inner member 4 and the outer member 8, when the parts 4a to 4d and correspondingly the parts 8a to 8d are not rotated against each other, ie the pump according to an embodiment FIG. 1 having.
  • the axial force is plotted over the angle of rotation ⁇ .
  • individual curves 28a to 28d are shown which correspond to the forces acting on the individual parts 4a, 4b, 4c and 4d of the inner element 4.
  • the curve 30 shows the total force which acts on the inner element 4 or between inner 4 and outer 8 element. It can be seen that in the sawtooth course of the Force curves 28a to 28d the peaks, ie the maximum forces occurring all at the same angle, here at about 180 ° occur. This leads to a high total force 30 occurring at this angle.
  • FIG. 6 now shows a corresponding diagram for the arrangement according to FIG. 3 in which the parts 4a to 4d of the inner element and correspondingly the parts 8a to 8d of the outer element 8 are twisted against each other in the manner described above. It can be seen that, as a result, the courses 28a to 28d of the axial forces acting on the individual parts 4a to 4d are also shifted relative to each other by corresponding angles. This means that the force peaks or maximum forces, which act on the individual parts of the inner Eiementes 4, no longer occur all at the same angle of rotation ⁇ , but offset by corresponding angle.
  • Said axial forces are those axial forces which act through the fluid pressure in the interior of the pump between the inner element 4 and the outer element 8. That is, corresponding external forces must be applied to hold the inner member 4 against the outer member 8. By reducing the force peaks and reducing the total force, this pressure force can be reduced, thereby reducing friction and wear inside the pump.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Moineau-Pumpe bzw. eine Exzenterschneckenpumpe oder Exzenterschnecken-Kompressor. Derartige Moineau- oder Exzenterschneckenpumpen sind z. B. aus US 1,892,217 bekannt, die als nächster Stand der Tecknik angesehen wird. Diese Pumpen weisen ein ringförmiges äußeres Element und ein inneres Element auf, welches im Inneren des äußeren Elementes angeordnet ist. Sowohl die Innenseite des äußeren Elements als auch die äußere Seite des inneren Elementes haben eine schraubenförmige Struktur, wobei die Struktur des äußeren Elementes einen Schraubengang bzw. eine Windung bzw. einen Zahn mehr aufweist. Das innere Element bewegt sich im Inneren des äußeren Elementes relativ zu diesem auf einem exzentrischen Pfad, wobei dazu das innere und/oder das äußere Element bewegt werden können.
  • Ein grundsätzliches Problem bei konisch ausgebildeten Moineau-Pumpen sind die pulsierend auftretenden Axialkräfte. Hier können insbesondere bei Pumpen für große Förderhöhen hohe Spitzenkräfte auftreten, welche es erforderlich machen, das innere und das äußere Element der Pumpe mit entsprechend großen Axialkräften zusammenzudrücken. Hierdurch erhöht sich zum einen der Verschleiß zum anderen aber auch das Startmoment zum Antrieb der Pumpe aufgrund der höheren Reibung.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Moineau-Pumpe oder einen verbesserten Moineau-Kompressor bereitzustellen, bei welcher die auftretenden Axialkräfte verringert und entsprechend Reibung und Verschleiß der Pumpe vermindert werden können. Diese Aufgabe wird durch eine Moineau-Pumpe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.
  • Die erfindungsgemäße Moineau-Pumpe bzw. der Moineau-Kompressor weist ein konisch ausgebildetes inneres und ein konisch ausgebildetes äußeres Element auf. Dabei weist das innere Element eine zentrale konische Ausnehmung auf. Das äußere Element ist dabei in bekannter Weise ringförmig ausgebildet und weist an seinem Innenumfang eine schrauben- bzw. wendelförmige Struktur auf. Das innere Element ist korrespondierend an seinem Außenumfang wendel- bzw. schraubenförmig ausgebildet, wobei die schraubenförmige Struktur des äußeren Elementes einen Zahn bzw. Gewindegang mehr aufweist als die Struktur am Außenumfang des inneren Elementes. Das innere und das äußere Element sind so zueinander angeordnet, dass ihre jeweiligen Längsachsen im Winkel zueinander verlaufen und sich in einem Punkt schneiden.
  • Erfindungsgemäß ist die Pumpe in axialer Richtung, d. h. in der Förderrichtung in zumindest zwei Abschnitte geteilt. Dabei weist jeder Abschnitt einen Teil des äußeren Elementes und einen Teil des inneren Elementes auf. Die Teile des inneren Elementes und die Teile des äußeren Elementes sind in den zumindest zwei Abschnitten gegeneinander verdreht angeordnet. Das heißt, der in dem zweiten Abschnitt gelegene Teil des inneren Elementes ist gegenüber dem in dem ersten Abschnitt gelegenen Teil des inneren Elementes um die Längsachse des inneren Elementes um einen bestimmten Winkelbetrag verdreht. Entsprechend ist der in dem zweiten Abschnitt gelegene Teil des äußeren Elementes gegenüber dem in dem ersten Abschnitt gelegene Teil des äußeren Elementes um die Längsachse des äußeren Elementes um einen bestimmten Winkelbetrag verdreht.
  • Durch die in Drehrichtung versetzte bzw. verdrehte Anordnung der mehreren Abschnitte bzw. Stufen der Moineau-Pumpe wird erreicht, dass in den Abschnitten die Axialkraft-Spitzen nicht an derselben Winkelstellung einer Antriebswelle bzw. des inneren und äußeren Elementes zueinander auftreten, vielmehr treten die Axialkraftspitzen in beiden Abschnitten bei unterschiedlichen Drehwinkeln auf. Auf diese Weise wird die maximal auftretende Axialkraft verringert, da sich die Axialkraftspitzen nicht an derselben Winkelposition addieren. Vielmehr ist der Verlauf der Axialkraft über den Drehwinkel der Antriebswelle bei verdrehter Anordnung der Abschnitte zueinander so, dass eine größere Zahl von Axialkraftspitzen, jedoch mit geringerer Amplitude auftritt. Insgesamt wird somit ein geglätteter Axialkraftverlauf über den Drehwinkel erreicht. Hierdurch wird die Gesamtbelastung des Pumpenantriebs reduziert.
  • Darüber hinaus wird dadurch, dass die maximal auftretende Axialkraft verringert ist, auch nur eine geringere axiale Andruckkraft benötigt, um die äußeren und inneren Elemente in Anlage zu halten. Dadurch verringert sich wiederum die Reibung zwischen innerem und äußerem Element, wodurch zum einen der Verschleiß und zum anderen auch das erforderliche Startmoment verringert wird. Hierdurch kann insgesamt der Wirkungsgrad verbessert werden.
  • Bevorzugt weist die Pumpe mehr als zwei Abschnitte bzw. Stufen auf, wobei dann jeweils in zwei aneinander angrenzenden Abschnitten der in einem zweiten Abschnitt gelegene Teil des inneren Elementes gegenüber dem in einem ersten Abschnitt gelegenen Teil des inneren Elementes um die Längsachse des inneren Elementes verdreht angeordnet ist. Entsprechend ist der in dem zweiten Abschnitt gelegene Teil des äußeren Elementes gegenüber dem in dem ersten Abschnitt gelegene Teil des äußeren Elementes um die Längsachse des äußeren Elementes verdreht angeordnet. Bevorzugt sind somit bei mehreren Abschnitten bzw. Stufen alle jeweils aneinander grenzenden Abschnitte so ausgebildet, dass diese einen ersten und einen zweiten Abschnitt bilden, in dem äußeres und inneres Element wie beschrieben zueinander verdreht angeordnet sind. Das heißt, bei einer Pumpe mit vier Abschnitten sind das äußere und innere Element in dem zweiten Abschnitt gegenüber dem innerem und äußerem Element in dem ersten Abschnitt und dann wiederum in dem dritten Abschnitt das äußere und innere Element gegenüber dem äußeren und inneren Element in dem zweiten Abschnitt verdreht. Entsprechend ist dann in dem vierten Abschnitt wiederum das äußere und innere Element gegenüber dem äußeren und inneren Element in dem dritten Abschnitt verdreht. Im Fall von noch mehr Abschnitten setzt sich dies entsprechend fort. Dabei erfolgt die Verdrehung von Abschnitt zu Abschnitt vorzugsweise in derselben Drehrichtung, sodass insgesamt alle Abschnitte zueinander verdreht sind und keine zwei Abschnitte vorhanden sind, in denen die äußere bzw. inneren Elemente in derselben Winkelausrichtung bezüglich ihrer Längsachse angeordnet sind. Das bedeutet, dass der Winkel, um den die Teile zueinander verdreht werden abhängig von der Zahl der Abschnitte sein kann, so dass zwischen erstem und letztem Abschnitt die Verdrehung der Teile kleiner als 360° ist.
  • Weiter bevorzugt sind die Teile des inneren Elementes um einen anderen Winkelbetrag zueinander verdreht als die Teile des äußeren Elementes. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahl von, Gewindegängen an innerem und äußerem Element kann hierdurch ein besonders gleichmäßiger Lauf der Pumpe erreicht werden.
  • Bevorzugt weist die schraubenförmige Kontur am Außenumfang des inneren Elementes in allen Abschnitten der Pumpe dieselbe Steigung auf. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die schraubenförmige Kontur am Innenumfang des äußeren Elementes in allen Abschnitten der Pumpe dieselbe Steigung aufweist. Das heißt, die Steigung des Gewindes von innerem und äußerem Element ist jeweils über die gessamte Pumpe konstant. Weiter bevorzugt ist die Anzahl der Umdrehungen der Gewindegänge in jedem Abschnitt gleich.
  • Zweckmäßigerweise ist der in dem zweiten Abschnitt gelegene Teil des inneren Elementes relativ zu dem in dem ersten Abschnitt gelegenen Teil des inneren Elementes um einen Winkel α = ⋅ 360 n × m
    Figure imgb0001
     verdreht. Entsprechend ist der in dem zweiten Abschnitt gelegene Teil des äußeren Elementes zweckmäßigerweise relativ zu dem in dem ersten Abschnitt gelegenen Teil des äußeren Elementes um einen Winkel α = 360 n × m + 1
    Figure imgb0002
     verdreht. Dabei ist n die Anzahl der Abschnitte der Pumpe und m die Anzahl der Gewindegänge bzw. Zähne des inneren Elementes. Durch Wahl des Verdrehwinkels gemäß diesen Formeln wird sichergestellt, dass in Abhängigkeit von der Anzahl der Abschnitte bzw. Stufen der Pumpe ein möglichst gleichmäßiger Kraftverlauf erreicht werden kann. Ferner ist dabei berücksichtigt, dass die Gewindestruktur des äußeren Elementes einen Gewindegang bzw. Zahn mehr aufweist als die Gewindestruktur des inneren Elementes. Aus diesem Grunde sind die Verdrehwinkel von äußeren und inneren Element entsprechend unterschiedlich.
  • Vorzugsweise sind bei zwei aneinander angrenzenden Teilen des inneren Elementes diese Teile an den aneinander angrenzenden Stirnenden jeweils derart ausgebildet, dass die größte Querschnittsfläche des kleineren Teils vollständig innerhalb der kleinsten Querschnittsfläche des größeren Teils gelegen ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der kleinere Teil an keiner Stelle über den Außenumfang des angrenzenden größeren Teils auskragt.
  • Weiter bevorzugt sind bei zwei aneinander angrenzenden Teilen des inneren Elementes diese Teile an den aneinander angrenzenden Stirnseiten derart ausgebildet, dass der maximale Radius an der Stirnseite des in dem zweiten Abschnitt gelegenen Teils kleiner als der minimale Radius an der Stirnseite des in dem ersten Abschnitt gelegenen Teils ist. Durch diese Ausgestaltung wird sichergestellt, dass, egal um welchen Winkel die beiden Teile bezüglich ihrer Längsachse gegeneinander verdreht werden, die Stirnseite des in dem ersten Abschnitt gelegenen Teils sich nicht über den Umfang der angrenzenden Stirnseite des in dem zweiten Abschnitt gelegenen Teils hinaus erstreckt. So wird es möglich, die beiden Teile um beliebige Winkel gegeneinander zu verdrehen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen zwei einander angrenzenden Teilen des inneren Elementes ein Distanzelement, z.B. eine Distanzscheibe angeordnet, welche die beiden Teile in Richtung der Längsachse voneinander beabstandet hält. Dadurch wird sichergestellt, dass ein Teil des inneren Elementes eines ersten Abschnittes nicht mit einem Teil des äußeren Elementes in einem zweiten Abschnitt kollidiert, bzw. in Kontakt kommt. Das bedeutet, es wird sichergestellt, dass ein Teil des inneren Elementes immer nur ausschließlich mit dem zugehörigen Teil des äußeren Elementes in Kontakt kommt. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn inneres und äußeres Element in axialer Richtung zueinander bewegbar sind.
  • Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das innere Element über zumindest zwei Abschnitte, vorzugsweise über alle Abschnitte einstückig ausgebildet. Das heißt, die Teile des inneren Elementes, welche in diesen beiden Abschnitten der Pumpe gelegen sind, sind einstückig, beispielsweise aus Metall oder Keramik geformt. Dies vereinfacht die Herstellung, da keine Montage und Ausrichtung mehrerer Einzelteile zur Ausbildung des inneren Elementes erforderlich sind.
  • Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
    • Fig. 1a
    eine Seitenansicht und
    Fig. 1b
    eine perspektivische Ansicht eines inneren Elementes mit vier Abschnitten, welche nicht gegeneinander verdreht sind,
    Fig. 2a
    eine Seitenansicht sowie
    Fig. 2b
    eine perspektivische Ansicht eines inneren Elementes mit vier Abschnitten, welche erfindungsgemäß gegeneinan- der verdreht sind,
    Fig. 3
    eine schematische Schnittansicht eines inneren Elementes gemäß Figur 2 eingesetzt in ein äußeres Element,
    Fig. 4
    eine schematische Seitenansicht eines inneren Elementes gemäß der Erfindung,
    Fig. 5
    den Axialkraftverlauf für das innere Element gemäß Figur 1
    Fig. 6
    den Axialkraftverlauf einer erfindungsgemäßen Pumpe.
  • Figur 2a zeigt in einer Seitenansicht und Figur 2b in einer perspektivischen Ansicht ein inneres Element einer erfindungsgemäßen Moineau-Pumpe. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Pumpe in vier Abschnitte geteilt, welche in axialer Richtung, d. h. in Längsrichtung bzw. Förderrichtung der Pumpe hintereinander angeordnet sind. Dies ist in Figur 3 gezeigt.
  • Das innere Element 4 ist entsprechend in vier Teile 4a, 4b, 4c, und 4d geteilt, wobei der Teil 4a in dem Abschnitt 2a, der Teil 4b in dem Abschnitt 2b, der Teil 4c in dem Abschnitt 2c und der Teil 4d in dem Abschnitt 2d der Pumpe angeordnet ist. Die Form des inneren Elementes gemäß Figuren 2 und 3 ergibt sich ausgehend von einem inneren Element, wie es in Figuren 1 a und 1 b gezeigt ist. Dabei ist in Figuren 1 a und 1b das innere Element 4 mit seinen vier in Axialrichtung X1 hintereinander gereihten Teilen 4a bis 4d ohne Verdrehung zwischen diesen Teilen ausgebildet. In diesem Zustand weist der Außenumfang des inneren Elementes 4 eine durchgehende Schrauben- bzw. Wendelstruktur auf. Der oder die Schraubengänge 6 verlaufen als durchgehende Schraubenform über die gesamte Axiallänge X1 des inneren Elementes 4, d. h. durchgehend über die vier Teile 4a bis 4b. Darüber hinaus ist zu erkennen, dass das innere Element 4 eine konische Form hat, d. h. sich ausgehend von dem Axialende an dem Teil 4b zu dem entgegengesetzten Axialende am Ende des Teils 4a verjüngt.
  • Ausgehend von dieser in Figur. 1 gezeigten Grundkonfiguration sind nun erfindungsgemäß die Teile 4a bis 4d so ausgebildet, bzw. zueinander angeordnet, dass sie jeweils relativ zueinander um die Längsachse X1 des inneren Elementes 4 zueinander verdreht sind. Dabei ist ausgehend von dem Zustand gemäß Figur 1 der Teil 4c relativ gegenüber dem Teil 4d, der Teil 4b relativ zu dem Teil 4c und der Teil 4c relativ zu dem Teil 4b jeweils um denselben Winkel in derselben Drehrichtung um die Längsachse X1 verdreht. Der Drehwinkel α zwischen jeweils zwei Teilen 4a, 4b, 4c, 4d beträgt dabei α = 360 4 × m
    Figure imgb0003
     wobei m die Anzahl der Gewindegänge bzw. Zähne ist. Das heißt, im Fall, dass das innere Element 4 an seinem Außenumfang einen Gewindegang aufweist würden die Teile 4a, 4b, 4c, 4d jeweils um 90 ° zu den angrenzenden Teilen verdreht, d. h. der Teil 4c ist um 90 ° um die Längsachse X1 relativ zu dem Teil 4d verdreht. Der Teil 4b, ist wiederum um 90 ° relativ zu dem Teil 4c verdreht und entsprechend der Teil 4a um 90 ° relativ zu dem Teil 4b. So ergibt sich die Form des inneren Elementes 4, welche in Figur 2 gezeigt ist. Dabei ist zu verstehen, dass die Teile 4a bis 4d nicht als Einzelteile gefertigt und zusammengesetzt werden müssen, vielmehr das gesamte Element 4, wie es in Figur 2 gezeigt ist, auch einstückig direkt in der dort gezeigten Form gefertigt werden. Bei der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform weisen die einander angrenzenden Stirnseiten der Teile 4a bis 4d jeweils gleiche Durchmesser auf. Das heißt beispielsweise ist der Durchmesser 22 des Teiles 4d an seiner dem Teil 4c zugewandten Seite gleich dem Durchmesser 20 des Teils 4c an seiner dem Teil 4d zugewandten Seite.
  • Entsprechend der Teilung des inneren Elementes 4 gemäß den Abschnitten 2a bis 2d der Pumpe ist auch das äußere Element 8 in vier Teile 8a, 8b, 8c und 8d untergliedert, wobei der Teil 8a in dem Abschnitt 2a, der Teil 8b in dem Abschnitt 2b, der Teil 8c in dem Abschnitt 2c und der Teil 8b in dem Abschnitt 2d der Pumpe gelegen ist. Das bedeutet, in dem Teil 8a des äußeren Elementes 8 rotiert der Teil 4a des inneren Elementes 4. Entsprechend rotiert in dem Teil 8b der Teil 4b und so weiter.
  • Das äußere Element 8 ist in bekannter Weise ringförmig ausgebildet und weist in seinem Inneren eine Ausnehmung 10 auf, in welche das innere Element 4 eingesetzt ist. Die Ausnehmung 10 ist entsprechend konisch zu dem inneren Element 4 geformt und weist an ihrem Innenumfang eine schraubenförmige Struktur mit Schraubengängen 12 auf. Dabei ist am Innenumfang der Ausnehmung 10 ein Schraubengang mehr als am Außenumfang des äußeren Elementes 4 vorgesehen, d. h. in dem Fall, dass das innere Element 4 zwei Schraubengänge aufweist, weist das äußere Element 8 an seinem Innenumfang drei Schraubengänge auf.
  • Die Anordnung der Teile 8a bis 8d des äußeren Elementes 8 ist ebenfalls ausgehend von einem äußeren Element 8 mit durchgehenden Gewindegängen von einem Axialende zum entgegengesetzten Axialende des äußeren Elementes 8 gebildet. Dabei sind die Teile 8a bis 8d jeweils um die Längsachse X2 des äußeren Elementes 8 zueinander verdreht. Die Längsachse X2 des äußeren Elementes verläuft geneigt, d. h. im Winkel zu der Längsachse X1 des inneren Elementes. Beide Achsen X1, X2 schneiden sich in bekannter Weise in einem Punkt.
  • Der Teil 8c des äußeren Elementes 8 ist gegenüber dem Teil 8d um einen bestimmten Winkel um die Längsachse X2 und entsprechend der Teil 8b relativ zu dem Teil 8c um denselben Winkel um die Längsachse X2 sowie der Teil 8a relativ zu dem Teil 8b ebenfalls um denselben Winkel um die Längsachse X2 verdreht angeordnet bzw. ausgebildet. Dabei ist die Drehrichtung der Verdrehung zwischen den einzelnen Teilen jeweils gleich. Der Winkel, um welchen jeweils zwei aneinander angrenzenden Teile des äußeren Elementes 8 jeweils zueinander verdreht sind, beträgt α = 360 4 × m + 1
    Figure imgb0004
     wobei m die Zahl der Schraubengänge bzw. Zähne des inneren Elementes ist. Das heißt, ausgehend von dem Beispiel, dass das innere Element 4 einen Schraubengang aufweist, wäre bei der hier gezeigten Pumpe mit vier Abschnitten der Verdrehwinkel zwischen den einander angrenzenden Teile des äußeren Elementes 8 jeweils 45 °.
  • Wie auch die Teile des inneren Elementes 4 können die Teile 8a bis 8d des äußeren Elementes 8 als Einzelteile gefertigt werden, welche dann entsprechend verdreht zueinander zusammengesetzt werden. Alternativ ist es auch möglich, die Teile einstückig direkt in der verdrehten Anordnung auszubilden.
  • Figur 4 zeigt schematisch ein inneres Element 4 bestehend aus vier Teilen 4a, 4b, 4c und 4d, wobei an dieser Anordnung unterschiedliche Ausführungsbeispiele allein zur Erläuterung miteinander kombiniert sind. So ist es wie hier gezeigt möglich, dass die Teile 4a, 4b, 4c und 4d in Richtung der Längsachse X1 unterschiedliche Höhen 14, 16 aufweisen. Es ist zu verstehen, dass dies nicht nur auf die Teile 4a und 4d beschränkt ist. Auch können die Teile 4d und/oder 4c verschiedene Höhen aufweisen.
  • Zwischen den Teilen 4b und 4c ist beispielsweise die Anordnung einer zylindrischen Distanzscheibe 18 gezeigt. Eine solche könnte auch zwischen den Abschnitten 4a und 4b sowie den Teilen 4c und 4d angeordnet werden.
  • Ferner ist in dieser Figur zwischen den Teilen 4c und 4d eine weitere bevorzugte Ausgestaltung schematisch dargestellt. Und zwar weist der Teil 4c an seinem dem Teil 4d zugewandten Axialende einen Durchmesser 20 auf, welcher in jeder Richtung kleiner als der Durchmesser 22 an dem dem Teil 4c zugewandten Axialende des Teils 4d ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass, egal um welchen Winkel der Teil 4c gegenüber dem Teil 4d um die Längsachse X1 verdreht wird, der Teil 4c in radialer Richtung nicht über den Außenumfang des Teils 4d an dessen dem Teil 4c zugewandten Stirnende auskragt. Das heißt, der radiale Abstand 24, 26 zwischen dem Außenumfang des Teils 4c an dessen Stirnseite mit der größeren Querschnittsfläche und dem Außenumfang des Teils 4d an dessen Stirnfläche mit der kleineren Querschnittsfläche ist über den gesamten Umfang größer oder gleich 0, jedoch nicht kleiner als 0. Es ist zu verstehen, dass auch der Übergang zwischen den Teilen 4c und 4b und/oder dem Teil 4d und dem Teil 4a entsprechend ausgestaltet werden kann. Durch diese Ausgestaltungen wird sichergestellt, dass die Teile des inneren Elementes 4 an den Schnittstellen zwischen den einzelnen Teilen nicht in unerwünschter Weise mit den falschen, d. h. nicht zugehörigen Teilen des äußeren Elementes 8 kollidieren. Beispielsweise wird sichergestellt, dass das innere Teil 4c nicht mit dem Teil 8d des äußeren Elementes 8 in Kontakt kommt und entsprechend der Teil 4d des inneren Elementes 4 nicht mit dem Teil 8c des äußeren Elementes 8 in Kontakt kommen kann. Dies ist insbesondere deshalb wichtig, da das innere Element 4 in axialer Richtung X1 in dem äußeren Element 8 um ein gewisses Spiel bewegbar sein kann, um die Andruckkraft zwischen innerem Element und äußerem Element 8 zu variieren.
  • Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit den zueinander verdrehten Abschnitten 2a bis 2d der der Pumpe bzw. Teilen 4a bis 4d des inneren Elementes 4 und Teilen 8a bis 8d der äußeren Elementes 8 wird ein optimierter Verlauf der Axialkraft über die Umdrehung zwischen innerem Element 4 und äußerem Element 8 erreicht. Dies wird anhand der Figuren 5 und 6 erläutert.
  • Figur 5 zeigt zunächst die Axialkraft, welche zwischen inneren Element 4 und äußeren Element 8 wirkt, wenn die Teile 4a bis 4d und entsprechend die Teile 8a bis 8d nicht gegeneinander verdreht sind, d. h. die Pumpe eine Ausgestaltung gemäß Figur 1 aufweist. In dem Diagramm gemäß Figur 5 ist die Axialkraft über den Drehwinkel ω aufgetragen. Dabei sind einzelne Kurven 28a bis 28d gezeigt, welche den auf die einzelnen Teile 4a, 4b, 4c und 4d des inneren Elementes 4 wirkenden Kräften entsprechen. Die Kurve 30 zeigt die Gesamtkraft welche auf das innere Element 4 bzw. zwischen inneren 4 und äußerem 8 Element wirkt. Es ist zu erkennen, dass bei dem sägezahnartigen Verlauf der Kraftkurven 28a bis 28d die Spitzen, d. h. die auftretenden Maximalkräfte alle bei demselben Winkel, hier bei etwa 180° auftreten. Dies führt dazu, dass hier bei diesem Winkel eine hohe Gesamtkraft 30 auftritt.
  • Figur. 6 zeigt nun ein entsprechendes Diagramm für die Anordnung gemäß Figur 3, bei welcher die Teile 4a bis 4d des inneren Elementes und entsprechend die Teile 8a bis 8d des äußeren Elementes 8 in der vorangehend beschriebenen Weise gegeneinander verdreht sind. Es ist zu erkennen, dass hierdurch auch die Verläufe 28a bis 28d der auf die einzelnen Teile 4a bis 4d wirkenden Axialkräfte um entsprechende Winkel zueinander verschoben sind. Dies bedeutet, die Kraftspitzen bzw. Maximalkräfte, welche auf die einzelnen Teile des inneren Eiementes 4 wirken, treten nicht mehr alle bei demselben Drehwinkel ω auf, sondern um entsprechende Winkel versetzt. Dies bewirkt, dass eine Gesamtkraft 30 erreicht wird, welche zwar eine größere Anzahl von Amplituden, d. h. eine höhere Frequenz der Ausschläge aufweist, die einzelnen Amplituden sind jedoch deutlich geringer als bei der nicht verdrehten Anordnung der Abschnitte der Pumpe. Auch ist die auftretende Gesamtaxialkraft, d. h. die maximale Axialkraft deutlich geringer.
  • Die genannten Axialkräfte sind diejenigen Axialkräfte, welche durch den Fluiddruck im Inneren der Pumpe zwischen innerem Element 4 und äußerem Element 8 wirken. Das heißt, es müssen von außen entsprechende Kräfte aufgebracht werden, um das innere Element 4 an dem äußeren Element 8 in Anlage zu halten. Dadurch, dass die Kraftspitzen verringert werden und die Gesamtkraft verringert wird, kann diese Andruckkraft verringert werden, wodurch Reibung und Verschleiß im Inneren der Pumpe verringert werden.
  • Wenn vorangehend die Erfindung anhand einer vierstufigen Pumpe, das heißt einer Pumpe mit vier Abschnitten 2a bis 2d beschrieben wurde, so ist jedoch zu verstehen, dass die Erfindung auch mit anderen Anzahlen von Abschnitten bzw. Stufen, beispielsweise weniger oder mehr als vier Stufen realisiert werden kann.
    • Bezugszeichenliste
    • 2a bis 2d -
    Abschnitte der Pumpe
    4 -
    inneres Element
    4a bis 4d -
    Teile des inneren Elementes
    6 -
    Schraubengänge
    8 -
    äußeres Element
    8a bis 8d -
    Teile des äußeren Elementes
    10 -
    Ausnehmung
    12 -
    Schraubengänge
    14, 16 -
    Höhen
    18 -
    Distanzscheibe
    20, 22 -
    Durchmesser
    24, 26 -
    radialer Abstand
    28a bis 28d -
    Axialkraftkurven
    30 -
    Kurve der Gesamtaxialkraft
    X1 -
    Längsachse des inneren Elementes
    X2 -
    Längsachse des äußeren Elementes
    ω -
    Drehwinkel
    α -
    Winkel der Verdrehung zwischen aneinander angrenzenden Teilen des inneren und äußeren Elementes

Claims (10)

  1. Moineau-Pumpe oder -Kompressor mit einem konisch ausgebildeten inneren (4) und einem konisch ausgebildeten äußeren (8) Element, deren Längsachsen (X1, X2) im Winkel zueinander verlaufen und sich in einem Punkt schneiden,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Pumpe in axialer Richtung zumindest zwei Abschnitte (2a, 2b, 2c, 2d) aufweist, wobei
    der in dem zweiten Abschnitt (2b) gelegene Teil (4b) des inneren Elementes (4) gegenüber dem in dem ersten Abschnitt (2a) gelegenen Teil (4a) des inneren Elementes um die Längsachse (X1) des inneren Elementes (4) verdreht angeordnet ist
    und
    der in dem zweiten Abschnitt (2b) gelegene Teil (8b) des äußeren Elementes (8) gegenüber dem in dem ersten Abschnitt (2a) gelegenen Teil (8a) des äußeren Elementes (8) um die Längsachse (X2) des äußeren Elementes (8) verdreht angeordnet ist.
  2. Moineau-Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe mehr als zwei Abschnitte (2a-2d) aufweist, wobei in zwei aneinander angrenzenden Abschnitten (2a, 2b) der in dem zweiten Abschnitt (2b) gelegene Teil (4b) des inneren Elementes (4) gegenüber dem in dem ersten Abschnitt (2a) gelegenen Teil (4a) des inneren Elementes (4) um die Längsachse (X1) des inneren Elementes (4) verdreht angeordnet ist und der in dem zweiten Abschnitt (2b) gelegene Teil (8b) des äußeren Elementes (8) gegenüber dem in dem ersten Abschnitt (2a) gelegenen Teil (8a) des äußeren Elementes (8) um die Längsachse (X2) des äußeren Elementes (8) verdreht angeordnet ist.
  3. Moineau-Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile (4a-4d) des inneren Elementes (4) um einen anderen Winkelbetrag zueinander verdreht sind als die Teile (8a-8d) des äußeren Elementes (8).
  4. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine schraubenförmige Kontur (6) am Außenumfang des inneren Elementes (4) in allen Abschnitten (2a-2d) der Pumpe dieselbe Steigung aufweist.
  5. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine schraubenförmige Kontur (12) am Innenumfang des äußeren Elementes (8) in allen Abschnitten (2a-2d) der Pumpe dieselbe Steigung aufweist.
  6. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in dem zweiten Abschnitt (2b) gelegenen Teil (4b) des inneren Elementes (4) relativ zu dem in dem ersten Abschnitt (2a) gelegenen Teil (4a) des inneren Elementes (4) um einen Winkel α = 360 n × m
    Figure imgb0005
     verdreht ist, und
    der in dem zweiten Abschnitt (2b) gelegene Teil (8b) des äußeren Elementes (8) relativ zu dem in dem ersten Abschnitt (2a) gelegenen Teil (8a) des äußeren Elementes (8) um einen Winkel α = 360 n × m + 1
    Figure imgb0006
     verdreht ist,
    wobei n die Anzahl der Abschnitte (2a-2d) der Pumpe ist und m die Anzahl der Gewindegänge (6) des inneren Elementes ist.
  7. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei aneinander angrenzenden Teilen (4c - 4d) des inneren Elementes (4) diese Teile an den aneinander angrenzenden Enden derart ausgebildet sind, dass die größte Querschnittsfläche des kleineren Teils vollständig innerhalb der kleinsten Querschnittsfläche des größeren Teils gelegen ist.
  8. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei aneinander angrenzenden Teilen (4c-4d) des inneren Elementes (4) diese Teile an den aneinander angrenzenden Stirnseiten derart ausgebildet sind, dass der maximale Radius (20) an der Stirnseite des in dem zweiten Abschnitt (2c) gelegenen Teils (4c) kleiner als der minimale Radius (22) an der Stirnseite des in dem ersten Abschnitt (2d) gelegenen Teils (4d) ist.
  9. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei aneinander angrenzenden Teilen (4b, 4c) des inneren Elementes (4) ein Distanzelement (18) angeordnet ist, welche die beiden Teile (4b, 4c) in Richtung der Längsachse (X1) beabstandet hält.
  10. Moineau-Pumpe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Element (4) über die zumindest zwei Abschnitte (2a-2d) einstückig ausgebildet ist.
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