EP4627193A1 - 3d gedruckte rotoren mit hohlstruktur - Google Patents

3d gedruckte rotoren mit hohlstruktur

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Publication number
EP4627193A1
EP4627193A1 EP23809184.7A EP23809184A EP4627193A1 EP 4627193 A1 EP4627193 A1 EP 4627193A1 EP 23809184 A EP23809184 A EP 23809184A EP 4627193 A1 EP4627193 A1 EP 4627193A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotors
piston pump
cavities
rotary piston
housing
Prior art date
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Pending
Application number
EP23809184.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Alexander Becker
Stephan Braun
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.)
KSB SE and Co KGaA
Original Assignee
KSB SE and Co KGaA
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 KSB SE and Co KGaA filed Critical KSB SE and Co KGaA
Publication of EP4627193A1 publication Critical patent/EP4627193A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • F04C2/12—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of other than internal-axis type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01C—ROTARY-PISTON OR OSCILLATING-PISTON MACHINES OR ENGINES
    • F01C21/00—Component parts, details or accessories not provided for in groups F01C1/00 - F01C20/00
    • F01C21/08—Rotary pistons
    • 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
    • F04C13/00—Adaptations of machines or pumps for special use, e.g. for extremely high pressures
    • F04C13/005—Removing contaminants, deposits or scale from the pump; Cleaning
    • 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
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/20—Rotors
    • 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
    • F04C2240/00—Components
    • F04C2240/30—Casings or housings

Definitions

  • the innovation relates to a rotary piston pump with a drive unit and a delivery unit, wherein the delivery unit comprises a delivery chamber for a medium, which is formed by a housing and a cover, wherein the delivery unit comprises at least two intermeshing rotors which are arranged in the delivery chamber, wherein each rotor has at least one blade.
  • positive displacement pump is the collective term for all pumps that work according to the displacement principle. It is also known as a volumetric pump and pumps the medium in a self-contained volume. The periodic volume change caused by the displacement bodies in the working spaces, which are separated from the supply and discharge lines by separating elements, supplies energy to the pumped medium.
  • Rotary lobe pumps are self-priming or partially self-priming, valveless, positive displacement pumps with two intermeshed rotary lobes. These are also called rotors and can have one or more blades.
  • the rotation of the pair of rotors creates a negative pressure on the intake side, which sucks in the pumped medium.
  • the pumped medium is driven by the rotors along the pump wall or the housing into the pressure area.
  • DE 10 2019 120 678 A1 describes a dosing machine for dosing a mass, wherein the dosing machine has a rotary piston pump.
  • a first pair of rotary pistons and a second pair of rotary pistons are arranged in a pump chamber of the rotary piston pump.
  • DE 10 2020 134 056 A1 discloses a rotary piston pump with a pump housing in which counter-rotating, rolling rotary pistons are held on parallel, spaced-apart piston shafts in a working chamber, wherein at the end of the shaft sleeve facing away from the working chamber, a driving ring is fixed in a twisted manner on the piston shaft, which is positively coupled to the shaft sleeve and thus forces the shaft sleeve to follow the rotary movement of the piston shaft.
  • a rotary lobe pump can pump both low- and high-viscosity media. It is often used in the food industry to pump jam, yoghurt, honey or chocolate, for example. It is also used in the pharmaceutical industry.
  • the rotary lobe pump can also be used in medical applications, for example to pump blood plasma.
  • Pre-rinsing removes coarse dirt. This is followed by cleaning with an alkaline agent, rinsing out the cleaning agents with water, and acidification to remove limescale and lye. After rinsing The acid is followed by a sterilization process to kill the vegetative microorganisms. The system is heated to 121 °C under pressure with steam for a certain period of time.
  • the limiting factor here is components made of solid material, which require a corresponding period of time until the temperature for sterilization is reached. This results in high costs for the amount of steam and for the downtime during which production cannot take place.
  • On-site cleaning is a process-critical and time-consuming process in which all parts and components that come into contact with the product are cleaned using the cleaning in place and sterilization in place processes. Production is not possible during cleaning.
  • the aim of the innovation is to provide a rotary piston pump in which the duration of the sterilization process is shortened.
  • the rotary piston pump should be suitable for use in pharmaceutical, medical and food production plants.
  • the rotary piston pump should be easy to implement, save materials and be cost-effective.
  • the conveyor unit has cavities to shorten the sterilization cycle.
  • a cavity is a mathematical, physical or technical object that has a volume.
  • a volume enclosed in a structure for example by wall units, can be a cavity.
  • the existence of cavities often changes the surrounding structure in terms of strength, mass and elasticity.
  • a wall in this sense refers to a planar structure that delimits a cavity.
  • the rotors have one or more cavities.
  • the entire rotor can have a single cavity, so that only the contour of the rotor is formed by an outer wall. Ideally, the rotor has a large number of smaller cavities.
  • each wing can have a hollow space.
  • each wing has a large number of hollow spaces.
  • the housing which as part of the conveying unit at least partially surrounds the conveying chamber, has one or more cavities.
  • the wall of the housing can surround a single cavity.
  • the housing is divided into many segments with a large number of smaller cavities.
  • the cover which closes off the conveying chamber as part of the conveying unit and as a counterpart to the housing, has a hollow space or a plurality of hollow spaces.
  • the cover is divided into at least two segments, each of which has a hollow space.
  • the volume of the cavities is more than 25%, preferably more than 50%, in particular more than 75% of the total volume of the respective component, in particular the rotors, the housing and the cover.
  • the rotors of the rotary piston pump can have one, two, three or four blades.
  • the rotors can also be sickle-shaped or designed as a gear.
  • a blade is the bulge of, for example, a first rotor, which engages precisely in the recess between, for example, two blades of a second rotor, which, in conjunction with the housing, forms defined and closed volumes that are supplied with energy by the drive unit.
  • Each of the possible shapes of the blade or rotor can have one or more cavities.
  • the blades of the rotors can have one or more cavities.
  • This means that the mass of a rotor is significantly reduced compared to a rotor made of solid material, for example by up to 60% less, which means that an increased heating rate can be achieved during the cleaning and sterilization process.
  • support structures are arranged within the cavities.
  • the support structures extend within the cavity, for example from one wall to the opposite wall of the rotor and/or housing and/or cover component.
  • the internal structure or support structure is determined and designed according to a force analysis of the reciprocating piston pump for pumping the corresponding medium, depending also on the viscosity of the medium.
  • a honeycomb structure consists of solid cells in a pattern of hexagonal cavities arranged in a flat manner.
  • hexagonal ones have an ideal ratio of wall material to volume and are an optimal shape in this respect.
  • An octahedral structure forms a structural pattern of regular polyhedra, with the side walls being formed by solid sheet material that encloses the cavity of an octahedron.
  • the solid structure is extremely stable and offers a large cavity volume.
  • the rotors and the housing and the cover are manufactured using a process in which a layer of powdered particles is first applied to a substrate.
  • the application-specific mixture of powdered particles from a metallic matrix is applied in powder form in a thin layer to a plate.
  • the powdered material is then completely melted locally at the desired locations using radiation and a solid layer of material forms after solidification.
  • the base is then lowered by the amount of one layer thickness and powder is applied again and melted using radiation, whereupon the new layer thickness solidifies again.
  • the generative production of the rotors and the housing and the cover saves a large number of possible post-treatment steps compared to production from cast iron, which are necessary due to the non-ideal microstructure during casting.
  • a rotary lobe pump with rotors, a housing and a cover having cavities is used in the production of food and/or pharmaceutical products to shorten the sterilization cycle.
  • steam at a minimum of 120 °C heats the surfaces of the rotors as well as the housing and the lid with a high proportion of voids particularly quickly compared to components made of solid material and thus significantly shortens the sterilization time, which can result in an enormous economic advantage.
  • Fig. 1 is a perspective side view of a rotary piston pump
  • Fig. 2 a sectional view of a rotary piston pump
  • Fig. 3 is a perspective view of intermeshing rotors
  • Fig. 4 is a plan view of a sectioned rotor.
  • Fig. 1 shows a rotary piston pump 1 in a perspective side view.
  • the rotary piston pump 1 comprises a delivery unit 11 and a drive unit 10.
  • the housing 3 and the cover 4 enclose the delivery chamber 2 and form the core of the delivery unit 11.
  • the robust rotary piston pump 1 is designed in the horizontal version shown in a hygienic design and can be operated bidirectionally.
  • Fig. 2 shows a sectional view of the rotary lobe pump 1.
  • the rotors 5 are mounted on the shafts 9 and 14 without a gap between the housing 3 and the cover 4.
  • the shaft 9 is driven by a motor (not shown), with the gears 16 transferring the drive energy of the shaft 9 to the shaft 14.
  • Both shafts 9 and 14 are supported twice by tapered roller bearings 15.
  • the conveyor unit 2, in particular the housing 3, is structurally separated from the drive unit 10.
  • the double-acting mechanical seal 13 and the structural separation as well as the gap-free design enable very good, location-based cleaning (CIP/SIP cleaning).
  • the housing 3, the lid 4 and the rotors 5 have cavities 7 which are not visible in this version.
  • the volume of the cavities 7 in this version is 60% of the volume of the housing 3, the lid 4 and the rotors 5. This means that the heating phase of the sterilization cycle can be significantly shortened, since both the housing 3 and the lid 4 and the rotors 5 reach the prescribed 121 °C much more quickly.
  • Fig. 3 shows a perspective view of intermeshing rotors 5, which are arranged on the shafts 9 and 14.
  • the rotors 5 each have two sickle-shaped blades 6 and are made of stainless steel 1.4435.
  • the shaft 9 drives the shaft 14 with the help of the gears 16.
  • the blades 6 of the rotors 5 have cavities 7, which are not shown in this perspective view.
  • the volume of the cavities 7 is 55% of the volume of the rotors 5.
  • the much faster heating of the rotors 5 compared to rotors made of solid material means that the sterilization time can be halved.
  • Fig. 4 shows a top view of a sectioned rotor 5 with three blades 6.
  • the connecting webs 17 between the blades 6 are made of solid material.
  • the rotor 5 is made of stainless steel 1 .4404.
  • the three blades 6 of the rotor 5 have cavities 7.
  • the outer contour 18 of the blade is made of a 3 mm thick wall.
  • Support structures 8 are arranged within the cavities 7 in order to be able to withstand the enormous forces during operation of the rotary piston pump when pumping highly viscous media.
  • the support structures 8 are designed differently in the three wings 6 for demonstration purposes.
  • the walls 19 form a skeleton-like structure of the support structures 8, which extend from the outer contour 18 through the cavities 7 to the connecting webs 17.
  • the support structures 8 can be adapted to the load situation and the desired proportion of voids.
  • a honeycomb-shaped support structure 8 is shown at the top left, while in the top view of the lower wing 6, a polyhedral support structure 8 and an octahedral support structure 8 are shown at the top right.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Details And Applications Of Rotary Liquid Pumps (AREA)

Abstract

Drehkolbenpumpe mit einer Antriebseinheit und einer Fördereinheit wobei die Fördereinheit einen Förderraum für ein Medium umfasst, der von einem Gehäuse und einem Deckel gebildet wird, wobei die Fördereinheit mindestens zwei ineinandergreifende Rotoren umfasst, die in dem Förderraum angeordnet sind, wobei jeder Rotor mindestens einen Flügel (6) aufweist, wobei die Fördereinheit Hohlräume zur Verkürzung eines Sterilisationszyklus aufweist.

Description

Beschreibung
3D gedruckte Rotoren mit Hohlstruktur
Die Neuerung betrifft eine Drehkolbenpumpe mit einer Antriebseinheit und einer Fördereinheit, wobei die Fördereinheit einen Förderraum für ein Medium umfasst, der von einem Gehäuse und einem Deckel gebildet wird, wobei die Fördereinheit mindestens zwei ineinandergreifende Rotoren umfasst, die in dem Förderraum angeordnet sind, wobei jeder Rotor mindestens einen Flügel aufweist.
Die Bezeichnung Verdrängerpumpe ist der Sammelbegriff für alle Pumpen, die nach dem Verdrängungsprinzip arbeiten. Sie wird auch als volumetrische Pumpe bezeichnet und fördert das Medium in einem in sich geschlossenen Volumen. Dabei führt die durch die Verdrängungskörper hervorgerufene periodische Volumenänderung in den Arbeitsräumen, die durch Trennelemente gegen die Zu- und Ableitung abgegrenzt werden, dem Fördermedium Energie zu.
Drehkolbenpumpen sind selbstansaugende oder bedingt selbstansaugende, ventillose, positive Verdrängerpumpen mit zwei ineinander verkämmt laufenden Drehkolben. Diese werden auch Rotoren genannt und können einen oder mehrere Flügel aufweisen.
Durch die Drehung des Rotorenpaares entsteht an der Ansaugseite ein Unterdrück, der das Fördermedium ansaugt. Das Fördermedium wird durch die Rotoren an der Pumpenwand bzw. am Gehäuse entlang in den Druckbereich getrieben.
Mit einer Umdrehung des Antriebs werden zwei bis sechs Raumfüllungen verdrängt, abhängig von der Anzahl der Rotorflügel. Bei Stillstand der Pumpe dichten gummierte Ro- toren den Durchfluss fast vollständig ab. Drehkolben ohne Gummierung haben Untermaß, um die Reibung zu vermindern, so dass eine vollständige Abdichtung nicht möglich ist.
Die DE 10 2019 120 678 A1 beschreibt eine Dosiermaschine zum Dosieren einer Masse, wobei die Dosiermaschine eine Drehkolbenpumpe aufweist. In einer Pumpenkammer der Drehkolbenpumpe sind ein erstes Drehkolbenpaar und ein zweites Drehkolbenpaar angeordnet.
Die DE 10 2020 134 056 A1 offenbart eine Drehkolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse, in dem gegenläufig rotierende, aufeinander abwälzende Drehkolben auf parallelen, voneinander beabstandeten Kolbenwellen in einem Arbeitsraum gehalten sind, wobei an dem Arbeitsraum abgewandten Ende der Wellenhülse ein Mitnehmerring verdrehtest auf der Kolbenwelle festgesetzt ist, der formschlüssig mit der Wellenhülse gekoppelt ist und so die Wellenhülse dazu zwingt, der Drehbewegung der Kolbenwelle zu folgen.
Eine Drehkolbenpumpe kann sowohl niedrig- als auch hochviskose Medien fördern. Sie wird häufig in der Lebensmittelindustrie zur Förderung von beispielsweise Marmelade, Joghurt, Honig oder Schokolade eingesetzt. Auch in der pharmazeutischen Industrie findet sie Verwendung. Darüber hinaus kann die Drehkolbenpumpe auch in medizinischen Anwendungen, beispielsweise beim Fördern von Blutplasma, Gebrauch finden.
Für Anlagen in der Lebensmitteltechnik oder in der pharmazeutischen Produktion wird häufig eine ortsgebundene Reinigung zur Reinigung verfahrenstechnischer Anlagen angewendet. Bei dem Reinigungsverfahren wird die Anlage ohne wesentliche Demontage auf den produktberührten Flächen gereinigt. Durch exakte Definition von Reinigungsmitteln, Drücken, Temperaturen und Zeiten wird ein reproduzierbarer Prozess festgelegt.
Durch Vorspülen werden grobe Verschmutzungen entfernt. Es folgt ein Reinigen mit einem alkalischen Mittel, das Ausspülen der Reinigungsmittel mit Wasser, sowie das Absäuren zur Entfernung von Kalkablagerungen und Laugestein. Nach dem Ausspülen der Säure folgt ein Sterilisationsprozess zur Abtötung der vegetativen Mikroorganismen. Dabei wird die Anlage für eine gewisse Dauer auf 121 °C unter Druck mit Wasserdampf erhitzt. Der limitierende Faktor sind dabei Bauteile aus Vollmaterial, die entsprechend eine Zeitspanne benötigen, bis die Temperatur zum Sterilisieren angenommen ist. Dabei entstehen hohe Kosten für die Menge des Dampfes als auch für die Ausfallzeit, in der nicht produziert werden kann.
Die ortsgebundene Reinigung ist ein prozesskritischer und zeitintensiver Vorgang, bei dem sämtliche produktberührten Bauteile und Komponenten mit den Verfahren Cleaning in Place und Sterilization in Place gereinigt werden. Während der Reinigung kann nicht produziert werden.
Aufgabe der Neuerung ist es, eine Drehkolbenpumpe bereitzustellen, bei der die Dauer des Sterilisationsprozesses verkürzt ist. Die Drehkolbenpumpe soll für den Einsatz in pharmazeutischen, medizinischen und lebensmittelproduzierenden Anlagen geeignet sein. Die Drehkolbenpumpe sollte einfach, materialsparend und kostengünstig realisiert werden können.
Diese Aufgabe wird neuerungsgemäß durch eine Drehkolbenpumpe mit einer Antriebseinheit und einer Fördereinheit gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Varianten sind den nebengeordneten Hauptansprüchen, den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
Neuerungsgemäß weist die Fördereinheit Hohlräume zur Verkürzung eines Sterilisationszyklus auf.
Ein Hohlraum ist ein mathematisches, physikalisches bzw. technisches Objekt, das ein Volumen aufweist. Ein in einer Struktur eingeschlossenes Volumen, beispielsweise durch Wandeinheiten, kann ein Hohlraum sein. Dabei verändert die Existenz von Hohlräumen oft die umliegende Struktur hinsichtlich Festigkeit, Masse und Elastizität. Eine Wand in diesem Sinne bezeichnet ein flächenmäßiges Gebilde, das einen Hohlraum abgrenzt. Bei einer bevorzugten Variante der Neuerung weisen die Rotoren einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume auf. Dazu kann der ganze Rotor einen einzigen Hohlraum aufweisen, so dass nur die Kontur des Rotors von einer Außenwandung gebildet wird. Idealerweise weist der Rotor eine Vielzahl kleinerer Hohlräume auf.
Dabei kann beispielsweise jeder Flügel einen Hohlraum aufweisen. Bei einer vorteilhaften Variante weist jeder Flügel eine Vielzahl an Hohlräumen auf.
Bei einer günstigen Variante der Neuerung weist das Gehäuse, das als Teil der Fördereinheit den Förderraum zumindest teilweise umgibt, einen Hohlraum oder mehrere Hohlräume auf. Dazu kann die Wandung des Gehäuses einen einzigen Hohlraum umgeben. Vorzugsweise ist das Gehäuse in viele Segmente mit einer Vielzahl an kleineren Hohlräumen unterteilt.
Idealerweise weist der Deckel, der als Teil der Fördereinheit und als Gegenstück des Gehäuses den Förderraum abschließt, einen Hohlraum oder eine Vielzahl an Hohlräumen auf. Bei einer Variante der Neuerung ist der Deckel in zumindest zwei Segmente unterteilt, die jeweils einen Hohlraum aufweisen.
Vorteilhafterweise beträgt das Volumen der Hohlräume mehr als 25 %, vorzugsweise mehr als 50 %, insbesondere mehr als 75 % des Gesamtvolumens des jeweiligen Bauteils, insbesondere der Rotoren, des Gehäuses und des Deckels.
Auf diese Weise wird die Masse des jeweiligen Bauteils um mehr als 20 %, vorzugsweise um mehr als 40 %, insbesondere um mehr als 60 % im Vergleich zu Bauteilen aus Vollmaterial reduziert. Die geringere Masse bei einem hohen Hohlraumanteil führt zu deutlich schnelleren Aufheizraten der Bauteile, wodurch die Dauer eines Sterilisationszyklus enorm verkürzt werden kann. Die Rotoren der Drehkolbenpumpe können ein-, zwei-, drei- oder vierflügelig ausgebildet sein. Darüber hinaus können die Rotoren auch sichelförmig oder als Zahnrad ausgeführt sein. Ein Flügel ist die Ausbuchtung beispielsweise eines ersten Rotors, der exakt in die Vertiefung zwischen beispielsweise zwei Flügeln eines zweiten Rotors eingreift, wodurch sich im Zusammenspiel mit dem Gehäuse definierte und abgeschlossene Volumina bilden, die durch die Antriebseinheit mit Energie beaufschlagt werden. Jede der möglichen Formen des Flügels bzw. des Rotors kann einen oder mehrere Hohlräume aufweisen.
Insbesondere die Flügel der Rotoren können einen oder mehrere Hohlräume aufweisen. Dadurch ist die Masse eines Rotors im Vergleich zu einem Rotor aus Vollmaterial deutlich reduziert, beispielsweise um bis zu 60 % geringer, wodurch eine gesteigerte Aufheizrate während des Reinigungs- und Sterilisationsprozesses erzielt werden kann. Dies ermöglicht gleichzeitig die Reduktion der Sterilisationszeit, da hierfür eine festgelegte Zeitspanne bei einer konstanten Temperatur definiert ist, wobei die Zieltemperatur schneller erreicht werden kann. Hierdurch ergeben sich kürzere Reinigungszeiten, wodurch längere Produktionszeiten realisiert werden können, was einen erheblichen ökonomischen Vorteil darstellt.
Bei einer bevorzugten Variante sind innerhalb der Hohlräume Stützstrukturen angeordnet. Die Stützstrukturen erstrecken sich innerhalb des Hohlraums, beispielsweise von einer Wandung zur gegenüberliegenden Wandung des Bauteils Rotor und/oder Gehäuse und/oder Deckel.
Idealerweise wird die innere Struktur bzw. Stützstruktur gemäß einer Kräfteanalyse der Hubkolbenpumpe zum Fördern des entsprechenden Mediums in Abhängigkeit auch von der Viskosität des Mediums ermittelt und designt.
Bei einer vorteilhaften Variante werden die Stützstrukturen von inneren Wänden und/oder Stegen und/oder einem inneren Skelett gebildet, die sich innerhalb der Hohlräume erstrecken. Bei einer stirnseitigen Draufsicht auf einen geschnittenen Querschnitt weisen die Stützstrukturen vorzugsweise polyedrische und/oder tetraedrische und/oder oktaedrische und/oder wabenförmige Formen auf. Diese Ausbildung der Formen realisiert eine enorme Stabilität bei gleichzeitig maximalem Hohlraumvolumen innerhalb des Bauteils Rotor und/oder Gehäuse und/oder Deckel.
Eine wabenförmige Struktur besteht aus festen Zellen eines Musters aus flächig angeordneten sechseckigen Hohlräumen. Von den lückenlos anreihbaren Stützstrukturformen haben sechseckige ein ideales Verhältnis von Wandmaterial zu Volumen und stellen diesbezüglich eine optimale Form dar.
Eine oktaedrische Struktur bildet ein Strukturmuster aus regelmäßigen Polyedern, wobei die Seitenwände von festem flächigen Material gebildet werden, die den Hohlraum eines Oktaeders umschließen. Die feste Struktur ist enorm stabil und bietet ein großes Hohlraumvolumen.
Eine tetraedrische Struktur weist ein Muster aus festen Wänden eines Vierflächners auf, das einen Hohlraum mit vier dreieckigen Seitenflächen umschließt. Die feste Struktur ist sehr stabil und bietet ein günstiges Hohlraumvolumen.
Idealerweise weist die Antriebseinheit ein Getriebe auf. Die Rotoren sind jeweils mit einer separaten Welle verbunden, wobei die Getriebe-Zahnräder ebenfalls auf den Wellen sitzen. Das Getriebe der Pumpe synchronisiert die Drehbewegung der Rotoren.
Neuerungsgemäß werden die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel mit einem Verfahren zur Herstellung einer Drehkolbenpumpe erzeugt, bei dem die Rotoren und/oder das Gehäuse und/oder der Deckel generativ gefertigt werden.
Bei der generativen Fertigung, insbesondere dem selektiven Laserschmelzen, werden die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel nach einem Verfahren hergestellt, bei dem zunächst eine Schicht pulverförmiger Teilchen auf eine Unterlage aufgebracht wird. Die anwendungsbezogene Mischung von pulverförmigen Teilchen aus metallischer Matrix wird in Pulverform in einer dünnen Schicht auf eine Platte aufgebracht. Dann wird der pulverförmige Werkstoff mittels einer Strahlung an den jeweils gewünschten Stellen lokal vollständig aufgeschmolzen und es bildet sich nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Unterlage um den Betrag einer Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut Pulver aufgetragen und mittels Strahlung aufgeschmolzen, worauf die neue Schichtdicke wieder erstarrt.
Beim Pulverbettverfahren bzw. beim selektiven Laserschmelzen wird das Pulver auf die Bauplattform mit Hilfe des Beschichters flächig in einer dünnen Schicht aufgebracht. Die Schichten werden durch punktgenaue Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur eines Bauteils schrittweise in das Pulverbett eingeschmolzen und wachsen beim Wiedererstarren mit den darunter liegenden und benachbarten Strukturen zusammen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Dieser Zyklus wird so lange wiederholt, bis alle Schichten hergestellt sind und das Bauteil entstanden ist.
Die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel werden mit einem additiven Fertigungsverfahren erzeugt. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren festen, pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen. Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt.
Als Strahlung kann beispielsweise ein Laserstrahl zum Einsatz kommen, welcher die Rotoren und das Gehäuse und den Deckel aus den einzelnen Pulverschichten generiert. Die Daten zur Führung des Laserstrahls werden auf der Grundlage eines 3D-CAD- Körpers mittels einer Software erzeugt. Alternativ zu einem selektiven Laserschmelzen kann auch ein Elektronenstrahl (EBN) zum Einsatz kommen.
In einer besonders vorteilhaften Variante der Neuerung werden die Rotoren und das Gehäuse und der Deckel aus pulverförmigen Partikeln durch aufeinanderfolgendes Schmelzen und Erstarren von Schichten mittels Strahlung hergestellt. Unterschiedliche Eigenschaften der Rotoren und des Gehäuses und des Deckels können dabei durch Variationen der Strahlung generiert werden. Durch gezielte Steuerung der lokalen Wärmeeinbringung wird bereits beim Bau des Bauteils eine Modifizierung der Werkstoffeigenschaften vorgenommen. Dadurch gelingt es, in einem Bereich des Bauteils Zonen und Gefüge unterschiedlicher Werkstoffzustände und damit unterschiedlicher Eigenschaften zu erzeugen.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante besteht das metallische Pulver aus einem Edelstahlpulver, insbesondere aus einem Pulver mit der Werkstoffbezeichnung 1.4435. Die Partikel weisen vorzugsweise einen Durchmesser von 15 bis 45 pm auf. Die generativ erzeugten Rotoren und das Gehäuse und der Deckel weisen ein besonders dichtes und im Vergleich zu Bauteilen aus Guss, lunkerfreies Werkstoffgefüge auf.
Bei Varianten der Neuerung kann das metallische Pulver auch aus Sonderstählen wie beispielsweise Nickelbasislegierungen, Duplexstählen, Superduplexstählen und/oder Titan bestehen.
Die generativ erzeugten Rotoren und das Gehäuse und der Deckel lassen sich besonders leicht nachbearbeiten und erreichen bereits nach einmaligem Überfräsen eine Oberflächenrauigkeit Ra von weniger als 0,04 pm, insbesondere von weniger als 0,02 pm. Solch geringe Oberflächenrauigkeiten sind von nicht generativ erzeugten Rotoren bisher nicht bekannt.
Darüber hinaus erspart die generative Herstellung der Rotoren und des Gehäuses und des Deckels im Vergleich zur Herstellung aus Guss eine Vielzahl möglicher Nachbehandlungsschritte, die aufgrund des nicht idealen Gefüges beim Gießen nötig sind.
Zudem ist die generative Herstellung der Rotoren im Vergleich zu zerspanenden Verfahren gerade bei Sonderstählen wie Nickelbasislegierungen, Duplexstählen oder Superduplexstählen maschinenschonend und ressourcensparend. Neuerungsgemäß wird eine Drehkolbenpumpe mit Rotoren, einem Gehäuse und einem Deckel, die Hohlräume aufweisen, bei der Herstellung von Lebensmitteln und/oder pharmazeutischen Produkten zur Verkürzung des Sterilisationszyklus verwendet.
Vorteilhafterweise erhitzt Dampf mit mindestens 120 °C die Oberflächen der Rotoren sowie des Gehäuses und des Deckels mit hohem Hohlraumanteil im Vergleich zu Bauteilen aus Vollmaterial besonders schnell und verkürzt somit die Sterilisationszeit deutlich, wodurch ein enormer ökonomischer Vorteil entstehen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der Neuerung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Seitenansicht einer Drehkolbenpumpe,
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer Drehkolbenpumpe,
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung ineinandergreifender Rotoren,
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen geschnittenen Rotor.
Fig. 1 zeigt eine Drehkolbenpumpe 1 in einer perspektivischen Seitenansicht. Die Drehkolbenpumpe 1 umfasst eine Fördereinheit 11 und eine Antriebseinheit 10. Das Gehäuse 3 und der Deckel 4 umschließen den Förderraum 2 und bilden den Kem der Fördereinheit 11 . Die robuste Drehkolbenpumpe 1 ist in der gezeigten, horizontalen Ausführungsvariante in hygienischer Konstruktion und bidirektional betreibbar, ausgeführt.
In Fig. 2 ist eine Schnittdarstellung der Drehkolbenpumpe 1 dargestellt. Die Rotoren 5 sind spaltfrei zwischen Gehäuse 3 und Deckel 4 auf den Wellen 9 und 14 montiert. Innerhalb der Antriebseinheit 10 wird die Welle 9 von einem nicht dargestellten Motor angetrieben, wobei die Zahnräder 16 die Antriebsenergie der Welle 9 auf die Welle 14 übertragen. Beide Wellen 9 und 14 sind zweifach mit Kegelrollenlagern 15 gelagert. Die Fördereinheit 2, insbesondere das Gehäuse 3, ist baulich von der Antriebseinheit 10 getrennt. Die doppeltwirkende Gleitringdichtung 13 und die bauliche Trennung sowie die spaltfreie Konstruktion ermöglichen eine sehr gute, ortsgebundene Reinigung (CIP/SIP Reinigung).
Das Gehäuse 3, der Deckel 4 und die Rotoren 5 weisen Hohlräume 7 auf, die in dieser Darstellungsvariante nicht sichtbar sind. Das Volumen der Hohlräume 7 beträgt bei dieser Ausführungsvariante 60 % des Volumens des Gehäuses 3, des Deckels 4 und der Rotoren 5. Dadurch kann die Aufheizphase des Sterilisationszyklus deutlich verkürzt werden, da sowohl das Gehäuse 3, als auch der Deckel 4 und die Rotoren 5 sehr viel schneller die vorgeschriebenen 121 °C erreichen.
Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung ineinandergreifender Rotoren 5, die auf den Wellen 9 und 14 angeordnet sind. Die Rotoren 5 weisen in dieser Ausgestaltungsvariante je zwei sichelförmige Flügel 6 auf und sind aus dem Edelstrahl 1.4435 gebildet. Die Welle 9 treibt mithilfe der Zahnräder 16 die Welle 14 an. Die Flügel 6 der Rotoren 5 weisen Hohlräume 7 auf, die in dieser perspektivischen Darstellung nicht dargestellt sind. Das Volumen der Hohlräume 7 beträgt 55 % des Volumens der Rotoren 5. Durch die viel schnellere Aufheizung der Rotoren 5 im Vergleich zu Rotoren aus Vollmaterial kann die Sterilisationszeit halbiert werden.
In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf einen geschnittenen Rotor 5 mit drei Flügeln 6 dargestellt. Die Verbindungsstege 17 zwischen den Flügeln 6 sind aus Vollmaterial ausgebildet. In dieser Ausführungsvariante ist der Rotor 5 aus einem Edelstahl 1 .4404 ausgeführt. Die drei Flügel 6 des Rotors 5 weisen Hohlräume 7 auf. Die Außenkontur 18 des Flügels ist aus einer 3 mm dicken Wandstärke ausgebildet. Innerhalb der Hohlräume 7 sind Stützstrukturen 8 angeordnet, um den enormen Kräften im Betrieb der Drehkolbenpumpe beim Fördern hochviskoser Medien standhalten zu können. Die Stützstrukturen 8 sind zur Demonstration in den drei Flügeln 6 unterschiedlich ausgebildet. Die Wände 19 bilden eine skelettartige Struktur der Stützstrukturen 8, die sich von der Außenkontur 18 durch die Hohlräume 7 bis zu den Verbindungsstegen 17 erstrecken. Die Stützstrukturen 8 können dabei an die Belastungssituation und den er- wünschten Hohlraumanteil angepasst werden. In der dargestellten Draufsicht ist oben links eine wabenförmige Stützstruktur 8 dargestellt, während in der Draufsicht des unteren Flügels 6 eine polyedrische Stützstruktur 8 und oben rechts eine oktaedrische Stützstruktur 8 gezeigt sind.

Claims

Schutzansprüche
1 . Drehkolbenpumpe (1 ) mit einer Antriebseinheit (10) und einer Fördereinheit (11 ), wobei die Fördereinheit (11 ) einen Förderraum (2) für ein Medium umfasst, der von einem Gehäuse (3) und einem Deckel (4) gebildet wird, wobei die Fördereinheit (11 ) mindestens zwei ineinandergreifende Rotoren (5) umfasst, die in dem Förderraum (2) angeordnet sind, wobei jeder Rotor (5) mindestens einen Flügel (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinheit (11 ) Hohlräume (7) zur Verkürzung eines Sterilisationszyklus aufweist.
2. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (5) und/oder das Gehäuse (3) und/oder der Deckel (4) Hohlräume (7) aufweisen.
3. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügel (6) der Rotoren (5) Hohlräume (7) aufweisen.
4. Drehkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Hohlräume (7) mehr als 25 %, vorzugsweise mehr als
50 %, insbesondere mehr als 75 %, des Gesamtvolumens des jeweiligen Bauteils (3, 4, 5) beträgt.
5. Drehkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Hohlräume (7) Stützstrukturen (8) angeordnet sind.
6. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstrukturen (8) von Wänden und/oder Stegen gebildet werden, die sich innerhalb der Hohlräume (7) erstrecken. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstrukturen (8) bei einer stirnseitigen Draufsicht auf einen Querschnitt der Stützstrukturen (8) tetraedische und/oder oktaedrische und/oder wabenförmige Formen aufweisen. Drehkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinheit (10) ein Getriebe aufweist. Verfahren zur Herstellung einer Drehkolbenpumpe (1 ) mit Rotoren (5) und einem Gehäuse (3) mit einem Deckel (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoren (5) und/oder das Gehäuse (3) und/oder der Deckel (4) generativ gefertigt werden. Verwendung einer Drehkolbenpumpe (1 ) mit Rotoren (5), die Hohlräume (7) aufweisen, bei der Herstellung von Lebensmitteln und/oder pharmazeutischen Pro- dukten zur Verkürzung des Sterilisationszyklus.
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