WO2007033726A1 - Tauchpumpenaggregat - Google Patents

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WO2007033726A1
WO2007033726A1 PCT/EP2006/007671 EP2006007671W WO2007033726A1 WO 2007033726 A1 WO2007033726 A1 WO 2007033726A1 EP 2006007671 W EP2006007671 W EP 2006007671W WO 2007033726 A1 WO2007033726 A1 WO 2007033726A1
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WO
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impeller
pump unit
submersible pump
unit according
axial
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/007671
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kjeld Appel
Eigil D. Andersen
Jan Harding Gliemann
Christian Rasmussen
Original Assignee
Grundfos Management A/S
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Publication date
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Priority to CN2006800350899A priority patent/CN101273202B/zh
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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
    • 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
    • F04D13/08—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use
    • F04D13/10—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven for submerged use adapted for use in mining bore holes
    • 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
    • F04D13/0626—Details of the can
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
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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
    • F04D13/0606—Canned motor pumps
    • F04D13/0633—Details of the bearings

Definitions

  • the invention relates to a T ⁇ uchpumpen ⁇ ggreg ⁇ t with a n ⁇ ssl ⁇ u- fenden electric motor.
  • Stages, d. H. a plurality of successively connected wheels are provided.
  • a disadvantage of these units is that the size is increased by the number of stages. Furthermore, the increased
  • the submersible pump unit according to the invention is equipped only with a single impeller, that is, it has only one step.
  • This single impeller is driven by the wet-running electric motor at a speed greater than 20,000 rev / min, preferably greater than 25,000 or 30,000 rev / min.
  • This high speed can be achieved with only one stage, a large flow rate.
  • the electric motor according to the invention is designed so that the rotor has a diameter smaller than 25 mm, preferably smaller than 20 mm.
  • This rotor with a small diameter reduces the friction between the rotor and the can, so that the efficiency of the motor and thus of the entire pump unit can be further increased. At the same time, a compact design can be achieved. The smaller the rotor diameter, the lower the friction that occurs.
  • the diameter-reduced electric motor can be made longer in the axial direction.
  • a very stiff rotor shaft is preferably provided.
  • Such a very rigid rotor shaft can be achieved by integrally forming the rotor shaft, including the axial end on which the impeller is mounted, ideally in one piece with the entire rotor.
  • the impeller has a small diameter, whereby the size of the pump unit can be reduced and at the same time due to lower friction, the efficiency of the pump can be increased, in particular in connection with the high speed.
  • an impeller is axially sealed in the region of the suction mouth.
  • the axial sealing of the suction mouth has the advantage that the axial surface of the impeller can simultaneously serve as a sealing surface, so that the number of required sealing elements is reduced, and a simple seal can be formed in the area of the suction mouth. This further enables the friction in the pump unit and thus to minimize the power loss.
  • at least one axial end face of the impeller particularly preferably forms an axial bearing surface. In this way, the number of required components for supporting the rotor is reduced, since the impeller itself may be part of the thrust bearing. This allows for a simplified and compact design of the entire pump unit and on the other to further minimize the power loss and thus to increase the efficiency.
  • the bearing surface simultaneously serves as an axial sealing surface.
  • This has the further advantage that no additional pressure elements are required to hold the seal in abutment.
  • the thrust bearing which forms a sliding bearing, automatically sets a sufficiently small gap, which ensures a reliable seal and at the same time ensures a sufficient lubricating film on the bearing surface.
  • the gap is preferably in the range of a few micrometers. This ensures a particularly good seal at the suction mouth, which further contributes to increasing the efficiency of the pump unit.
  • the impeller is open on its axial side, on which the impeller blades are arranged, and form the axial end faces of the impeller blades, a thrust bearing surface of the impeller.
  • the axial free end faces of the impeller blades serve for the axial bearing of the impeller and thus the rotor shaft and at the same time the sealing of the impeller on its open end.
  • a particularly good seal is very simply achieved, since the impeller blades are pressed against an opposing axial bearing surface, for example a counter-rotating disk, by the axial force which is to be absorbed by the axial bearing.
  • the impeller is fixed on the rotor shaft in the axial direction, so that the impeller can take over the axial bearing of the entire rotor. That is, the axial bearing of the entire rotor takes place on the impeller, preferably in a plain bearing, whose an axial bearing surface of the axial end face of the impeller, preferably formed by the axial end faces of the impeller blades.
  • the electric motor facing the axial end face of the impeller is designed as a sealing surface for sealing the rotor space of the electric motor. That is, an axial sealing surface is preferably also provided here, against which a stationary sealing element, for example a sealing ring, rests. This sealing ring can be pressed by spring preload or elastic residual stress against the sealing surface.
  • the sealing of the rotor space is preferred in order to prevent impurities from the fluid to be delivered by the pump unit, which is preferably water, from penetrating into the rotor space where it may lead to undesired friction or possibly even damage to the rotor.
  • the rotor space can be pre-filled with fluid at the factory.
  • the fluid it is possible for the fluid to enter the rotor space when the pump unit is first started up.
  • This can be ensured by the fact that the seal between impeller and rotor space is not formed completely fluid-tight, but only designed so that no contamination or only small amounts of fluid can enter the rotor space.
  • the fluid exchange between the pump chamber, in which the impeller rotates, and the rotor space in the interior of the split tube is minimized or prevented.
  • the fact that the sealing surface is provided directly on the impeller, a very simple seal with a minimized number of components can be ensured.
  • it can be ensured by the sufficient sealing that it does not cause friction losses Contaminants occur, whereby a high efficiency of the pump unit can be permanently ensured.
  • the impeller particularly preferably has at least one surface made of hard metal or ceramic and is preferably made entirely of hard metal or ceramic. This configuration allows the wear of the impeller blades due to contamination in the fluid, such as sand particles to minimize or prevent.
  • the particularly hard and wear-resistant design of the impeller surfaces allows the use as sliding bearing or thrust bearing surfaces, so that it is possible to dispense with additional bearing shells or bearing elements.
  • the wear-resistant design of the impeller also allows to further increase the speed of the impeller without causing excessive wear. This makes it possible to increase the efficiency of the pump unit without having to provide further stages. At the same time, the impeller can be made very small. A small impeller diameter leads to the reduction of friction losses, whereby the efficiency of the pump unit can be further increased.
  • cemented carbide or ceramic or for surface coating with cemented carbide or ceramic it is also possible to use other processes or coatings for surface hardening of the impeller, provided that adequate wear resistance of the surfaces is achieved.
  • a hardness of the impeller surface is preferably greater than 1000 HV.
  • the design of the impeller completely made of hard metal or ceramic can be carried out, for example, in the sintering process, wherein the impeller blades are then preferably ground to form the end faces of the impeller blades as defined Axiallager- and sealing surface. If the opposite end face of the impeller is also to be formed as a sealing surface, this is also preferably ground to create a defined contact surface.
  • the rotor of the electric motor is designed as a permanent magnet rotor.
  • This allows a simple construction of the electric motor. Nevertheless, in order to be able to achieve high efficiency with a small rotor diameter, particularly strong permanent magnets are preferably arranged in the rotor, for example neodynium magnets.
  • a counter-rotating disc facing the impeller is provided, which abuts on an axial side of the impeller, preferably the axial side facing away from the electric motor, in such a way that it forms an axial bearing surface.
  • a sliding bearing is formed between the axial end face of the impeller or the impeller blades and the mating disk, which can serve as a thrust bearing of the impeller and the entire rotor.
  • the counter-rotating disk also preferably has at least one surface made of hard metal or ceramic material in order to be able to ensure the wear properties required for a sliding bearing and sealing surface even at high rotational speeds. It is also possible to form the counter-rotating disc completely made of hard metal or ceramic material. Particularly preferred only the impeller facing part of the counter-rotating disk is formed from such a material. The part facing away from the impeller may be formed from another material or metal and may be glued to the part facing the impeller, for example. Alternative methods or designs which ensure a sufficient hardness or wear resistance of the surface of the counter-rotating disc can also be used here.
  • the impeller facing away from the axial side of the mating disk is preferably spherical, ie preferably formed hemispherical. This allows the Gegenl ⁇ ufrace to store in a corresponding spherical or H ⁇ lbgugelförmigen recording, so that a self-centering or self-alignment of the mating disk is achieved parallel to the impeller or the axial end face of the impeller. This simplifies assembly on the one hand and ensures wear-free and safe operation of the pump unit even at high speeds on the other hand.
  • the impeller is surrounded by a spiral housing or diffuser, whereby the radially discharged from the impeller funded fluid is deflected so that it can be preferably forwarded in the axial direction and out of the pump unit in a connecting line.
  • the impeller is particularly preferably surrounded by a spiral housing, which extends helically in such a way that the outlet opening of the spiral housing in the axial direction to the impeller, d. H. aligned parallel to its axis of rotation.
  • This has the effect that the fluid which exits the impeller in a tangential radial direction is deflected by the volute as loss-less as possible to an axially directed outlet opening of the pump unit.
  • the wet-running electric motor of the submersible pump unit to a split tube, which is made of a non-metallic material, wherein the non-metallic material is provided with at least one additional hermetically sealing layer.
  • the canned tube according to the invention thus consists of a non-metallic material, ie of a material which the magnetic field between see rotor and stator as little as possible or not affected.
  • a non-metallic material ie of a material which the magnetic field between see rotor and stator as little as possible or not affected.
  • the hermetically sealing layer which is preferably applied to the outer or the inner circumferential surface or to both peripheral surfaces, makes it possible to use a material for the split tube which does not in itself have sufficient diffusion tightness. That is, it can be a material to be selected, which ensures primarily a sufficient stability of the can.
  • the diffusion tightness in such a way that inside the can, that is in the rotor space fluid can not penetrate through the can through into the stator, is achieved by the additional, preferably applied to the surface of the non-metallic material layer.
  • multiple layers of different materials may be used in combination to achieve the desired hermetic seal between the interior of the can and the outer peripheral portion of the can.
  • the Spaltrohrwandung can be constructed of multi-layer of non-metallic material and one or more layers of other materials that ensure the diffusion-tightness.
  • the diffusion-tight layer which ensures the hermetic seal, be formed of a special plastic or paint.
  • the diffusion-proof layer may also be formed, for example, as a tube, foil or foil pot, in particular of metal.
  • the non-metallic material can be applied after the production or shaping of the non-metallic material on this.
  • a foil or a tube into the non-metallic material even during the shaping thereof so that the hermetically sealing layer covers the tube or the foil on one or both sides or peripheral sides.
  • the tube or foil may be disposed inside the non-metallic material. This can be done, for example, during the injection molding of the non-metallic material.
  • the at least one layer is formed as a coating on the inner and / or outer peripheral surface of the non-metallic material. Such a coating can be applied after the production or molding of the part of non-metallic material on the surface, for example by spraying or vapor deposition.
  • the coating is formed as a metallization of the non-metallic material. That is, on the inner and / or outer peripheral surface of the can, a metal layer is applied, for example vapor-deposited. This metal layer then ensures the hermetic seal.
  • the coating of the non-metallic material for example by metallization with a suitable metal, is advantageously carried out so that the entire peripheral surface, which forms the separation between the rotor space in the interior of the can and the surrounding stator space, is coated accordingly, so that no fluid in this area For example, water from the interior of the can through the Spaltrohrwandung can penetrate into the surrounding stator space. In this way it is possible to use stators without potting compound.
  • the can is made of plastic and preferably a fiber-reinforced plastic.
  • Plastic allows a cost-effective production of the can, for example by injection molding.
  • plastic has no magnetic properties and therefore does not interfere with the magnetic field between the stator and the rotor.
  • plastic can be suitably coated or provided with further surrounding and internal plastic layers, in the manner of coextrusion. Even a metallization of plastic is easily possible.
  • the fiber-reinforced construction can improve the stability or pressure resistance of the can.
  • the split tube is made of a tubular member and a bottom member which closes the tubular member at a first axial end. This allows a simplified production of the can, which, for example, also allows the production of thin-walled plastic split tubes by injection molding.
  • a core forming the cavity in the interior of the can is held at both axial ends of the can in order to achieve a very thin-walled design of the can.
  • the tubular component is manufactured and then later the bottom element is inserted into this tubular component in order to close an axial opening of the tubular component and to form a canned pot.
  • the opposite axial side of the can is open, so that the rotor shaft can extend to the pump space through this axial side.
  • the base element can be inserted into the tubular component in a force, positive and / or cohesive manner, so that a firm, stable and preferably tight connection is created between the tubular component and the base element.
  • the bottom element is potted with the tubular component.
  • the bottom element in a second manufacturing step by injection molding on the tubular member molded or molded or poured into the tubular member, so that a permanent tight connection between the two elements is created.
  • the tubular component and the bottom element are more preferably both made of a non-metallic material, preferably plastic and provided together with the additional layer or coating after assembly.
  • the additional layer or coating by means of the additional layer or coating, the area of the floor element and in particular the transition area between see tubular component and bottom element hermetically sealed.
  • the tubular component and the bottom element can be metallized together.
  • the additional layer can also be attached to the floor element separately or integrated into it.
  • a radially outwardly extending, preferably metallic, collar is formed on the outer circumference at an axial end of the can, preferably on the end facing the pump space and the impeller of the pump.
  • This metallic collar is used for.
  • B. the frontal closure of the stator housing, in which the stator winding is arranged.
  • the stator housing is preferably hermetically encapsulated, in particular when used in a submersible pump, so that no fluid can penetrate into the interior of the stator housing. Thus, the coils are protected inside the stator housing in particular from moisture.
  • the metallic collar which is mounted on the outer circumference of the can, serves to connect to the outer parts of the stator housing and allows the can to be welded to the rest of the stator housing.
  • the collar is preferably positively and / or materially connected to the non-metallic material and provided together with this with the additional layer or coating.
  • a non-positive connection is conceivable, provided sufficient strength and tightness is ensured.
  • the common coating of the non-metallic material of the can and of the collar has the advantage that in particular the transition region between the non-metallic material and the collar is hermetically sealed by the coating. To ensure a permanent seal in this area is a particularly strong connection between the metallic collar and the non-metallic material ri ⁇ l the Sp ⁇ ltrohres preferred, so that movements between the two elements, which could lead to cracking of the coating can be avoided.
  • the metallic collar is preferably connected directly to the non-metallic material during manufacture of the can.
  • the metallic collars can be inserted into the mold prior to injection molding and the plastic molded on the collar or a part of the collar are molded with plastic, so that directly in the injection molding a form and substance-liquid connection between both elements is achieved.
  • a surface of the collar is preferably patterned or roughened prior to bonding to the non-metallic material of the can. This can be done, for example, by laser irradiation, wherein small recesses and / or crater-shaped elevations are introduced into the surface of the collar by means of a laser beam into which flows the non-metallic material, for example plastic during casting and thus on the one hand over a larger surface and other makes a tight connection with the collar via a positive connection.
  • FIG. 1 is a sectional view of a Pumpenag- gregates invention
  • FIG. 2 is a sectional view of the can of the electric motor, 3 is an enlarged detail of Fig. 2,
  • Fig. 6 is a view of the impeller blades facing away
  • Fig. 1 shows a sectional view of the upper end of a submersible pump.
  • the lower end in which the electronics for controlling the pump is mounted, is not shown in the figure.
  • the pump unit has at its upper end a connecting piece 2 with a non-return valve 4 arranged therein.
  • a spiral housing 6, which surrounds the impeller 8, adjoins the inside of the pump assembly upstream.
  • the impeller 8 is arranged at the axial end of the integral rotor shaft 10 of the electric motor 11 or its permanent magnet rotor 12.
  • the impeller 8 is fixedly fixed to the rotor shaft 10, in particular in the axial direction X firmly connected.
  • the permanent magnet rotor 12 runs in the interior of a split tube 14 which is surrounded annularly by the stator 16 on its outer circumference.
  • the stator 16 is formed in a known manner as a laminated core with coil windings.
  • the stator 16 is hermetically encapsulated overall in a stator housing 18.
  • the rotor shaft 10 is mounted in two radial bearings 20 in the radial direction. These radial bearings 20 are preferably self-centering, so that easy assembly and safe operation is ensured even at high speeds.
  • the split tube 14 is. as shown in detail in Figures 2 and 3, formed in the example shown from plastic.
  • the canned pipe is made of a tube shaped component 22 is formed which is made of fiber-reinforced plastic by injection molding.
  • the tubular component 22 is initially formed with open axial ends 24 and 26. This allows a core, which forms the interior 28 of the can 14, which later forms the rotor space, to be fixed at both axial ends in the tool. After the injection molding of the tubular member 22, this is then closed at the axial end 24 by a bottom member 30, so that a canned pot is formed.
  • the bottom element 30 may preferably also be made of plastic and cast into the previously molded tubular component 2.
  • the bottom member 30 may be manufactured separately and later inserted into the tubular member 22. As shown, a positive connection between bottom element 30 and tubular component 22 is produced in that the inwardly bent axial peripheral edge of the tubular component 22 engages in a circumferential groove 32 of the bottom element 30.
  • a collar 34 is attached to the outer circumference of the tubular member 22.
  • the collar 34 is formed of metal, preferably stainless steel and annular, with its inner diameter is matched to the outer diameter of the tubular member 22 at the axial end 26.
  • the ring of the collar 34 has a U-shaped cross-section, wherein the transverse leg faces the axial end 26.
  • the inner wall 36 of the collar 34 abuts parallel to the peripheral wall of the tubular member 22 and is connected thereto.
  • connection between the inner wall 36 of the collar 34 and the tubular member 22 takes place already during the manufacturing, d. H. Casting process of the tubular member 22 by previously the collar 34 is inserted into the tool, so that the tubular member 22 is molded directly to the inner wall 36 of the collar 34.
  • a solid positive and / or cohesive connection between the plastic of the tubular member 22 and the inner wall 36 of the collar 34 is provided.
  • the inner wall 36 is previously roughened or structured on its inner circumference. This can preferably be done by laser machining, by means of which in the metal or the sheet of the collar 34 on the O- ber Design small recesses are introduced, in which then the plastic of the tubular member 22 flows during injection molding.
  • These depressions may particularly preferably also have undercuts, by means of which an even stronger connection is created between the two elements.
  • the gap tube 14 thus created is metallized.
  • a thin metal layer 38 is applied to the outer surface of the can 14, as shown in FIG.
  • the metal layer 38 covers the entire outer surface of the tubular component 22 and the bottom element 30 and the collar 34.
  • the metal layer 38 ensures that a hermetic seal of the can 14 and in particular the peripheral wall of the tubular member 22 is provided.
  • This hermetic seal through the metal layer 38 causes fluid, which is located in the rotor chamber 28, can not penetrate through the split tube 14 into the interior of the stator housing 18, in which the stator 16 is arranged.
  • the metallization or coating Device 38 allows the use of a plastic for the tubular member 22 and the bottom member 30, which is not diffusion-tight per se. Thus, here the plastic can be selected purely according to the requirements of the stability for the can 14 as well as manufacturing aspects.
  • split tube 14 has been described, which is provided on its outside with the metal layer 38.
  • metal layer 38 it is also possible to provide the split tube 14 both on its outer side and on the inner surfaces of the inner space 28 with a metal layer by metallization.
  • the metallic collar 34 serves to connect the split tube 14 with the remaining part of the stator housing 18. This can be done in particular by a weld 39 on the outer circumference of the metallic collar 34.
  • the collar 34 thus provides the connection to other metallic components from which the stator housing 18 is formed, as shown in Fig.4.
  • the use of the can 14 of plastic, d. H. a non-metallic material without magnetic properties has the advantage that the gap 14, the magnetic field between stator 16 and permanent magnet rotor 12 only slightly or not affected, whereby the efficiency of the electric motor 1 1 is increased.
  • the diameter of the permanent magnet rotor 12 and the impeller 8 is kept small in order to minimize the friction in the system and thus the power loss as much as possible ren.
  • the permanent magnet rotor 12 is particularly strong permanent magnets, such as neodymium magnets equipped. In the example shown, the rotor diameter is 19 mm.
  • the electric motor 11 shown is designed for very high speeds> 20,000, in particular between 25,000 and 30,000 rpm. Thus, with only one impeller 8 with a relatively small diameter, a sufficiently high flow rate can be achieved.
  • the impeller 8 which is shown in Figures 5 and 6 as a single part, is made of hard metal to ensure high wear resistance.
  • the impeller 8 is open, d. H. the impeller blades project from the axial side 40 of the impeller 8 and are not closed at their end faces 44 by a cover.
  • the end faces or end edges 44 of the impeller blades 42 are ground and thus form a thrust bearing and sealing surface of the impeller 8.
  • the end faces 44 are in the installed state on a Gegenläufscnei- be 46, which annularly surrounds the suction port 48 of the pump. Due to the fixed connection of the impeller 8 with the rotor shaft 10, the entire rotor 12 is supported via the impeller 8 in the axial direction on the counter-rotating disk 46. Ie. the end face of the mating disk 46, which faces the impeller 8, and the end faces 44 of the impeller blades 42 form an axial sliding bearing.
  • the end faces 44 of the impeller wheel 42 are pressed against the counter-rotating disk 46 in such a way that a particularly good seal is achieved between the impeller blades 42 and the counter-rotating disk 46.
  • losses in the pump are minimized and the delivery rate of the pump unit is further increased, especially at the high engine speed described above.
  • the impeller 8 assumes the a- xi ⁇ l workede seal against the Jacobl ⁇ ufin 46 at the suction port 48 and at the same time the thrust bearing function, so that here also the number of components and the friction occurring are minimized.
  • the rear side 50 of the impeller 8 facing away from the impeller blades 42 has a further annular sealing surface 52, which annularly surrounds the opening 54 for receiving the rotor shaft.
  • the sealing surface 52 bears against a seal 56, which surrounds the rotor shaft 10 in a fixed manner and seals off the rotor chamber 28 in the interior of the can 14 for the pump chamber, in which the impeller 8 is arranged.
  • This seal 56 is held by spring action on the sealing surface 52 in abutment.
  • the seal 56 ensures that impurities in the fluid, which is conveyed by the impeller 8, penetrate into the rotor space 28 in the interior of the can 14, where they can lead to undesired friction or damage.
  • the counter-rotating disc 46 is also preferably made of hard metal or ceramic.
  • the side facing away from the impeller 8 58 is spherically formed (not shown in Fig. 1) and mounted in a spherical receptacle in the pump housing, so that the mating disk 46 can align automatically parallel to the impeller 8.
  • This part of the counter-rotating disc, which forms the back 58 may be formed of a material other than cemented carbide or ceramic and connected to the part of the counter-rotating disc 46, which faces the impeller 8, for example by gluing.
  • the impeller 8 is circumferentially surrounded by the spiral housing 6.
  • the spiral housing 6 extends, starting from the peripheral region of the impeller 8, helically to the connecting piece 2, so that a flow deflection takes place in the axial direction. Ie. the flow, which exits in the radial / tangential direction on the outer circumference of the impeller 8, is initially captured by the volute casing 6 in purely ti ⁇ ler deflected direction or Umf ⁇ ngsraum the impeller 8 and then steered as veiiustriti due to the helical winding of the spiral housing 6 in the axial direction, so that the flow can escape at the connecting piece 2 in the axial direction of the pump unit.
  • the spiral housing 6 is preferably also made of plastic as an injection molded part.
  • the spiral housing 6 includes at its lower, the impeller 8 end facing also the also spherical receptacle for the mating disk 6 and centrally forms the suction port 48 of the pump, through which the fluid is sucked by rotation of the impeller 8.
  • the outer housing of the pump unit has in the region in which the spiral housing 6 is disposed in its outer peripheral wall inlet opening 62, through which the fluid enters from the outside, flows around the spiral housing 6 from the outside and then enters the suction mouth 48 ,

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Tauchpumpenaggregat mit einem nasslaufenden Elektromotor (11), wobei lediglich ein einziges Laufrad (8) vorgesehen ist, welches von dem Elektromotor (11) mit einer Drehzahl größer 20000 U/min antreibbar ist, wobei der Rotor (12) des Elektromotors einen Durchmesser kleiner 25 mm aufweist.

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Tαuchpumpenαggregαt mit einem nαsslαu- fenden Elektromotor.
Es sind Tαuchpumpenαggregαte mit nαsslαufenden Elektromotoren be- kannt bei welchen zum Erreichen einer höheren Förderleistung mehrere
Stufen, d. h. mehrere hintereinander geschaltete Laufräder vorgesehen sind. Nachteilig bei diesen Aggregaten ist, dass durch die Anzahl der mehreren Stufen die Baugröße vergrößert wird. Ferner erhöht sich die
Reibung im gesamten Aggregat, so dass sich auch die Verlustleistung erhöht.
Im Hinblick darauf ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Tauchpumpenaggregat mit einem nasslaufenden Elektromotor zu schaffen, welches eine kleinere Baugröße aufweist und einen höheren Wirkungs- grad bietet. Diese Aufgabe wird durch ein Tauchpumpenaggregat mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Tauchpumpenaggregat ist lediglich mit einem einzigen Laufrad ausgestattet, d. h. es weist lediglich eine Stufe auf. Dieses einzige Laufrad wird von dem nasslaufenden Elektromotor mit einer Drehzahl größer 20.000 U/min, vorzugsweise größer 25.000 oder 30.000 U/min angetrieben. Durch diese hohe Drehzahl kann auch mit nur einer Stufe eine große Förderleistung erzielt werden. Auf diese Weise werden weitere Stufen des Tauchpumpenaggregates eingespart, wodurch eine kompakte Baugröße erreicht werden kann und gleichzeitig aufgrund reduzierter Reibung die Verlustleistung des Tauchpumpenaggregates minimiert werden kann. Ferner ist der Elektromotor erfindungsgemäß so ausgebildet, dass der Rotor einen Durchmesser kleiner 25 mm, vorzugsweise kleiner 20 mm aufweist. Durch diesen Rotor mit klei- nem Durchmesser wird die Reibung zwischen Rotor und Spaltrohr verringert, so dass der Wirkungsgrad des Motors und damit des gesamten Pumpenaggregates weiter erhöht werden kann. Gleichzeitig kann eine kompakte Bauform erzielt werden. Je kleiner der Rotordurchmesser ist, umso geringer ist die auftretende Reibung.
Um bei kleinem Rotordurchmesser eine ausreichende Leistung des E- lektromotors bereitstellen zu können, kann der im Durchmesser verkleinerte Elektromotor in axialer Richtung länger ausgebildet werden. Um dies zu ermöglichen, wird vorzugsweise eine sehr steife Rotorwelle vor- gesehen. Eine solche sehr steife Rotorwelle kann dadurch erreicht werden, dass die Rotorwelle einschließlich des axialen Endes, an welchem das Laufrad angebracht wird einstückig, idealerweise einstückig mit dem gesamten Rotor ausgebildet wird.
Vorzugsweise weist auch das Laufrad einen kleinen Durchmesser auf, wodurch die Baugröße des Pumpenaggregates verringert und gleichzeitig aufgrund geringerer Reibung der Wirkungsgrad der Pumpe insbesondere in Verbindung mit der hohen Drehzahl erhöht werden kann.
Weiter bevorzugt ist ein Laufrad im Bereich des Saugmundes axial abgedichtet. Die axiale Abdichtung des Saugmundes hat den Vorteil, dass die axiale Fläche des Laufrades gleichzeitig als Dichtfläche dienen kann, so dass die Anzahl der erforderlichen Dichtelemente verringert wird, und eine einfache Dichtung im Bereich des Saugmundes ausge- bildet werden kann. Dies ermöglicht weiter die Reibung im Pumpenaggregat und damit die Verlustleistung zu minimieren. Besonders bevorzugt bildet darüber hinaus zumindest eine axiale Stirnseite des Laufrades eine Axiallagerflöche. Auf diese Weise wird die Anzahl der erforderlichen Bauteile zur Lagerung des Rotors verringert, da das Laufrad selber Teil des Axiallagers sein kann. Dies ermöglicht zum einen einen vereinfachten und kompakten Aufbau des gesamten Pumpenaggregates und zum anderen, die Verlustleistung weiter zu minimieren und somit den Wirkungsgrad zu steigern. Besonders bevorzugt dient die Lagerfläche gleichzeitig als axiale Dichtfläche. Dies hat den weiteren Vorteil, dass keine zusätzlichen Andruckelemente erforderlich sind, um die Dichtung in Anlage zu halten. In dem Axiallager, welches ein Gleitlager bildet, stellt sich selbsttätig ein ausreichend kleiner Spalt ein, welcher für eine zuverlässige Dichtung sorgt und gleichzeitig einen ausreichenden Schmierfilm an der Lagerfläche gewährleistet. Der Spalt liegt vorzugsweise im Bereich von einigen Mikrometern. Dies gewährleis- tet eine besonders gute Abdichtung am Saugmund, welche weiter dazu beiträgt, den Wirkungsgrad des Pumpenaggregates zu steigern.
Weiter bevorzugt ist das Laufrad an seiner Axialseite, an welcher die Laufradschaufeln angeordnet sind, offen ausgebildet und bilden die axialen Stirnseiten der Laufradschaufeln eine Axiallagerfläche des Laufrades. Das bedeutet, die axialen freien Stirnseiten der Laufradschaufeln dienen der Axiallagerung des Laufrades und damit der Rotorwelle und gleichzeitig der Abdichtung des Laufrades an seiner offenen Stirnseite. Auf diese Weise wird sehr einfach eine besonders gute Abdichtung er- reicht, da die Laufradschaufeln durch die auftretende Axialkraft, welche von dem Axiallager aufgenommen werden soll, gegen eine gegenüberliegende Axiallagerfläche, beispielsweise einer Gegenlaufschei- be, gedrückt werden. Dadurch wird ein sehr geringer Spalt zwischen den axialen Stirnseiten der Schaufeln und der Gegenlaufscheibe ge- schaffen, welcher gleichzeitig eine gute Abdichtung und einen ausreichenden Schmierfilm im Axialengleitlager sicherstellt. Zweckmäßigerweise ist das Laufrad auf der Rotorwelle in axialer Richtung fixiert, so dass das Laufrad die Axiallagerung des gesamten Rotors übernehmen kann. Das heißt die axiale Lagerung des ganzen Rotors erfolgt am Laufrad, vorzugsweise in einem Gleitlager, dessen eine Axial- lagerfläche von der axialen Stirnseite des Laufrades, vorzugsweise von den axialen Stirnseiten der Laufradschaufeln gebildet wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die dem Elektromotor zugewandte axiale Stirnseite des Laufrades als Dichtfläche zur Abdichtung des Rotorraumes des Elektromotors ausgebildet. Das heißt hier wird vorzugsweise auch eine axiale Dichtfläche bereitgestellt, an welcher ein feststehendes Dichtungselement, beispielsweise ein Dichtring anliegt. Dieser Dichtring kann durch Federvorspannung oder elastische Eigenspannung gegen die Dichtfläche gedrückt werden. Die Ab- dichtung des Rotorraumes ist bevorzugt, um zu verhindern, dass Verunreinigungen aus dem von dem Pumpenaggregat zu fördernden Fluid, welches vorzugsweise Wasser ist, in den Rotorraum eindringen und dort zu unerwünschter Reibung oder möglicherweise sogar zur Beschädigung des Rotors führen kann. Der Rotorraum kann werksseitig mit Fluid vorgefüllt werden. Alternativ ist es möglich, dass das Fluid bei Erstinbetriebnahme des Pumpenaggregates in den Rotorraum eindringt. Dies kann dadurch gewährleistet werden, dass die Dichtung zwischen Laufrad und Rotorraum nicht völlig fluiddicht ausgebildet ist, sondern lediglich so gestaltet ist, dass keine Verunreinigung oder nur geringe Mengen von Fluid in den Rotorraum eintreten können. So wird der Flui- daustausch zwischen Pumpenraum, in welchem das Laufrad rotiert, und Rotorraum im Inneren des Spaltrohrs minimiert oder unterbunden. Dadurch dass die Dichtfläche direkt am Laufrad bereitgestellt wird, kann eine sehr einfache Abdichtung mit einer minimierten Anzahl von Bauteilen gewährleistet werden. Ferner kann durch die ausreichende Abdichtung sichergestellt werden, dass es nicht zu Reibungsverlusten durch Verunreinigungen kommt, wodurch ein hoher Wirkungsgrad des Pumpenaggregates dauerhaft sichergestellt werden kann.
Das Laufrad weist besonders bevorzugt zumindest eine Oberfläche aus Hartmetall oder Keramik auf und ist vorzugsweise vollständig aus Hartmetall oder Keramik gefertigt. Diese Ausgestaltung ermöglicht den Verschleiß der Laufradschaufeln aufgrund von Verunreinigungen im Fluid, beispielsweise Sandpartikeln, zu minimieren oder zu verhindern. Darüber hinaus ermöglicht die besonders harte und verschleißfeste Ausgestal- tung der Laufradoberflächen die Verwendung als Gleitlager- bzw. Axiallagerflächen, so dass auf zusätzliche Lagerschalen bzw. Lagerelemente verzichtet werden kann. Die verschleißfeste Ausgestaltung des Laufrades ermöglicht darüber hinaus die Drehzahl des Laufrades weiter zu steigern, ohne dass es zu übermäßigem Verschleiß kommt. Dies er- möglicht den Wirkungsgrad des Pumpenaggregates zu steigern, ohne das weitere Stufen vorgesehen werden müssen. Gleichzeitig kann das Laufrad sehr klein ausgebildet werden. Ein kleiner Laufraddurchmesser führt zur Verringerung von Reibungsverlusten, wodurch der Wirkungsgrad des Pumpenaggregates weiter gesteigert werden kann. Alternativ zur Ausbildung aus Hartmetall oder Keramik bzw. zur Oberflächenbe- schichtung mit Hartmetall oder Keramik können auch andere Verfahren oder Beschichtungen zur Oberflächenhärtung des Laufrades verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine ausreichende Verschleißfestigkeit der Oberflächen erreicht wird. Bevorzugt ist beispielsweise eine Härte der Laufradoberfläche größer 1000 HV. Die Ausbildung des Laufrades vollständig aus Hartmetall oder Keramik kann beispielsweise im Sinterverfahren erfolgen, wobei die Laufradschaufeln anschließend vorzugsweise geschliffen werden, um die Stirnseiten der Laufradschaufeln als definierte Axiallager- und Dichtfläche auszubilden. Falls die entgegen- gesetzte Stirnseite des Laufrades ebenfalls als Dichtfläche ausgebildet werden soll, wird auch diese vorzugsweise geschliffen, um eine definierte Anlagefläche zu schaffen. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Rotor des Elektromotors als Permanentmagnetrotor ausgebildet. Dies ermöglicht einen einfachen Aufbau des Elektromotors. Um bei kleinem Rotor- durchmesser dennoch einen hohen Wirkungsgrad erzielen zu können, werden bevorzugt besonders starke Permanentmagneten in dem Rotor angeordnet, beispielsweise Neodyniummagneten.
Weiter bevorzugt ist eine dem Laufrad zugewandte Gegenlaufscheibe vorgesehen, welche an einer Axialseite des Laufrades, vorzugsweise der dem Elektromotor abgewandten Axialseite, derart anliegt, dass sie eine Axiallagerfläche bildet. So wird zwischen der axialen Stirnseite des Laufrades bzw. den Laufradschaufeln und der Gegenlaufscheibe ein Gleitlager gebildet, welches als Axiallager des Laufrades und des gesamten Rotors dienen kann.
Die Gegenlaufscheibe weist vorzugsweise ebenfalls zumindest eine Oberfläche aus Hartmetall oder keramischen Material auf, um die für eine Gleitlager- und Dichtfläche erforderlichen Verschleißeigenschaf- ten auch bei hohen Drehzahlen sicherstellen zu können. Es ist auch möglich, die Gegenlaufscheibe vollständig aus Hartmetall oder keramischen Material auszubilden. Besonders bevorzugt wird nur der dem Laufrad zugewandte Teil der Gegenlaufscheibe aus einem solchem Material ausgebildet. Der dem Laufrad abgewandte Teil kann aus ei- nem anderen Material oder Metall ausgebildet sein und mit dem dem Laufrad zugewandten Teil beispielsweise verklebt sein. Auch alternative Verfahren oder Ausgestaltungen, welche eine ausreichende Härte bzw. Verschleißfestigkeit der Oberfläche der Gegenlaufscheibe sicherstellen, können hier zum Einsatz kommen.
Die dem Laufrad abgewandte Axialseite der Gegenlaufscheibe ist vorzugsweise sphärisch, d. h. bevorzugt halbkugelförmig ausgebildet. Dies ermöglicht die Gegenlαufscheibe in einer korrespondierenden kugel- bzw. hαlbkugelförmigen Aufnahme zu lagern, so dass eine Selbstzentrierung bzw. Selbstausrichtung der Gegenlaufscheibe parallel zu dem Laufrad bzw. der axialen Stirnseite des Laufrades erreicht wird. Dies ver- einfacht zum einen die Montage und stellt zum anderen einen verschleißfreien und sicheren Betrieb des Pumpenaggregates auch bei hohen Drehzahlen sicher.
Bevorzugt ist das Laufrad von einem Spiralgehäuse oder Leitapparat umgeben, wodurch das radial aus dem Laufrad austretende geförderte Fluid so umgelenkt wird, dass es vorzugsweise in axialer Richtung weitergeleitet und aus dem Pumpenaggregat in eine Anschlussleitung geführt werden kann.
Besonders bevorzugt ist das Laufrad dazu von einem Spiralgehäuse umgeben, welches sich derart schraubenförmig erstreckt, dass die Austrittsöffnung des Spiralgehäuses in axialer Richtung zu dem Laufrad, d. h. parallel zu dessen Rotationsachse ausgerichtet ist. Dies bewirkt, dass das Fluid, welches in tangentialer radialer Richtung aus dem Laufrad austritt, von dem Spiralgehäuse möglichst verlustfrei zu einer axial gerichteten Austrittsöffnung des Pumpenaggregates umgelenkt wird.
Weiter bevorzugt weist der nasslaufende Elektromotor des Tauchpumpenaggregates ein Spaltrohr auf, welches aus einem nicht-metallischen Material gefertigt ist, wobei das nicht-metallische Material mit zumindest einer zusätzlichen hermetisch dichtenden Schicht versehen ist.
Das erfindungsgemäße Spaltrohr besteht somit aus einem nicht metallischen Material, d. h. aus einem Material, welches das Magnetfeld zwi- sehen Rotor und Stator möglichst wenig oder nicht beeinflusst. Dadurch, dass das Magnetfeld durch das Spaltrohrmaterial unbeeinflusst bleibt, werden Wirkungsgradverschlechterungen aufgrund der Anord- nung des Spαltrohres zwischen Stator und Rotor vermieden. Die hermetisch dichtende Schicht, welche vorzugsweise an der äußeren oder der inneren Umfangsfläche oder an beiden Umfangsflächen aufgebracht wird, ermöglicht es, für das Spaltrohr einen Werkstoff einzusetzen, wel- eher für sich allein die ausreichende Diffusionsdichtigkeit nicht aufweist. Das heißt, es kann ein Werkstoff gewählt werden, welcher vorrangig eine ausreichende Stabilität des Spaltrohres gewährleistet.
Die Diffusionsdichtigkeit in der Weise, dass im Inneren des Spaltrohrs, d. h. im Rotorraum befindliches Fluid nicht durch das Spaltrohr hindurch in den Statorraum eindringen kann, wird durch die zusätzliche, vorzugsweise auf der Oberfläche des nicht metallischen Materials aufgebrachte Schicht erreicht. Es können auch mehrere Schichten verschiedener Materialien in Kombination Verwendung finden, um die gewünschte hermetische Abdichtung zwischen dem Innenraum des Spaltrohres und dem äußeren Umfangsbereich des Spaltrohres zu erzielen. So kann die Spaltrohrwandung mehrschichtig aus dem nicht metallischen Material und einer oder mehreren Schichten weiterer Materialien aufgebaut werden, welche die Diffusionsdichtigkeit gewährleisten. Beispielsweise kann die diffusionsdichte Schicht, welche die hermetische Abdichtung sicherstellt, aus einem speziellen Kunststoff oder Lack gebildet werden. Die diffusionsdichte Schicht kann ferner beispielsweise als Rohr, Folie oder Folientopf, insbesondere aus Metall ausgebildet werden. Diese können nach der Fertigung bzw. Formgebung des nicht metallischen Materials auf dieses aufgebracht werden. Ferner ist es möglich eine Folie oder ein Rohr schon bei der Formgebung des nicht metallischen Materials in dieses einzuarbeiten, so dass die hermetisch dichtende Schicht an einer oder beiden Seiten bzw. Umfangsseiten das Rohr bzw. die Folie überdeckt. So kann das Rohr oder die Folie im Inneren des nicht metallischen Materials angeordnet sein. Dies kann beispielsweise während des Spritzgießens des nicht metallischen Materials erfolgen. Weiter bevorzugt ist die zumindest eine Schicht als Beschichtung an der inneren und/oder äußeren Umfangsfläche des nicht metallischen Materials ausgebildet. Eine solche Beschichtung kann nach der Fertigung bzw. Formgebung des Teils aus nicht metallischem Material auf dessen Oberfläche aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufsprühen o- der Aufdampfen.
Vorzugsweise wird die Beschichtung als Metallisierung des nicht metallischen Materials ausgebildet. Das heißt auf die innere und/oder äußere Umfangsfläche des Spaltrohrs wird eine Metallschicht aufgebracht, beispielsweise aufgedampft. Diese Metallschicht sorgt dann für die hermetische Abdichtung. Die Beschichtung des nicht metallischen Materials, beispielsweise durch Metallisierung mit einem geeigneten Metall, erfolgt zweckmäßigerweise so, dass die gesamte Umfangsfläche, welche die Trennung zwischen Rotorraum im Inneren des Spaltrohrs und dem umgebenden Statorraum bildet, entsprechend beschichtet ist, so dass in diesem Bereich kein Fluid, beispielsweise Wasser vom Inneren des Spaltrohrs durch die Spaltrohrwandung hindurch in den umgebenden Statorraum eindringen kann. Auf diese Weise ist es möglich, Statoren ohne Vergussmasse einzusetzen.
Besonders bevorzugt ist das Spaltrohr aus Kunststoff und vorzugsweise einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt. Kunststoff ermöglicht eine kostengünstige Herstellung des Spaltrohrs, beispielsweise im Spritzguss- verfahren. Ferner weist Kunststoff keinerlei magnetische Eigenschaften auf und beeinfiusst daher nicht das Magnetfeld zwischen Stator und Rotor. Ferner lässt sich Kunststoff geeignet beschichten bzw. mit weiteren umgebenden und innenliegenden Kunststoffschichten versehen, nach Art des Koexdrudierens. Auch eine Metallisierung von Kunststoff ist problemlos möglich. Der faserverstärkte Aufbau kann die Stabilität bzw. die Druckfestigkeit des Spaltrohres verbessern. Bevorzugt ist das Spaltrohr aus einem rohrförmigen Bauteil und einem Bodenelement gefertigt, welches das rohrförmige Bauteil an einem ersten axialen Ende verschließt. Dies ermöglicht eine vereinfachte Fertigung des Spaltrohres, welche beispielsweise auch die Fertigung dϋnn- wandiger Kunststoffspaltrohre im Spritzgussverfahren ermöglicht. Beim Spritzgießen des Spaltrohres kann es zweckmäßig sein, dass ein den Hohlraum im Inneren des Spaltrohrs bildender Kern an beiden axialen Enden des Spaltrohrs gehalten wird, um eine sehr dünnwandige Ausbildung des Spaltrohres zu erzielen. So wird zunächst das rohrförmige Bau- teil gefertigt und dann später das Bodenelement in dieses rohrförmige Bauteil eingesetzt, um eine axiale Öffnung des rohrförmigen Bauteiles zu schließen und einen Spaltrohr-Topf zu bilden. Die entgegengesetzte Axialseite des Spaltrohres ist offen ausgebildet, so dass sich durch diese Axialseite die Rotorwelle zum Pumpenraum erstrecken kann. Das Bo- denelement kann in das rohrförmige Bauteil kraft-, form- und/oder stoffschlüssig eingesetzt sein, so dass eine feste stabile und vorzugsweise dichte Verbindung zwischen dem rohrförmigen Bauteil und dem Bodenelement geschaffen wird.
Besonders bevorzugt ist das Bodenelement mit dem rohrförmigen Bauteil vergossen. Dabei kann nach Fertigung des rohrförmigen Bauteils das Bodenelement in einem zweiten Fertigungsschritt im Spritzgussverfahren an das rohrförmige Bauteil angespritzt bzw. angegossen bzw. in das rohrförmige Bauteil eingegossen werden, so dass eine dauerhafte dichte Verbindung zwischen beiden Elementen geschaffen wird.
Das rohrförmige Bauteil und das Bodenelement sind weiter bevorzugt beide aus einem nicht metallischen Material, vorzugsweise Kunststoff gefertigt und nach dem Zusammensetzen gemeinsam mit der zusätzli- chen Schicht oder Beschichtung versehen. Auf diese Weise wird durch die zusätzliche Schicht oder Beschichtung zusätzlich auch der Bereich des Bodenelementes und insbesondere der Übergangsbereich zwi- sehen rohrförmigen Bauteil und Bodenelement hermetisch gedichtet. Beispielsweise können das rohrförmige Bauteil und das Bodenelement gemeinsam metallisiert werden. Alternativ kann die zusätzliche Schicht an dem Bodenelement auch separat angebracht oder in dieses integ- riert werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist an einem axialen Ende des Spaltrohres, vorzugsweise an dem dem Pumpenraum und dem Laufrad der Pumpe zugewandten Ende, am Außenumfang ein sich radial nach außen erstreckender, vorzugsweise metallischer Kragen ausgebildet. Dieser metallische Kragen dient z. B. dem stirnseitigen Verschluss des Statorgehäuses, in welchem die Statorwicklung angeordnet ist. Das Statorgehäuse ist insbesondere bei Anwendung in einer Tauchpumpe vorzugsweise hermetisch gekapselt, so dass kein Fluid in das Innere des Statorgehäuses eindringen kann. So werden die Spulen im Inneren des Statorgehäuses insbesondere vor Feuchtigkeit geschützt. Der metallische Kragen, welcher am Außenumfang des Spaltrohres angebracht ist, dient der Verbindung mit den äußeren Teilen des Statorgehäuse und ermöglicht das Spaltrohr mit dem übrigen Statorgehäuse zu verschweißen.
Der Kragen ist vorzugsweise mit dem nicht metallischen Material form- und/oder stoffschlüssig verbunden und gemeinsam mit diesem mit der zusätzlichen Schicht oder Beschichtung versehen. Alternativ ist auch eine kraftschlüssige Verbindung denkbar, sofern eine ausreichende Festigkeit und Dichtigkeit gewährleistet wird. Die gemeinsame Beschichtung des nicht metallischen Materials des Spaltrohrs und des Kragens hat den Vorteil, dass durch die Beschichtung insbesondere auch der Übergangsbereich zwischen dem nicht metallischen Material und dem Kragen hermetisch gedichtet wird. Um in diesem Bereich eine dauerhafte Dichtung zu gewährleisten ist eine besonders feste Verbindung zwischen dem metallischen Kragen und dem nicht metallischen Mate- riαl des Spαltrohres bevorzugt, so dass Bewegungen zwischen beiden Elementen, welche zum Reißen der Beschichtung führen könnten, vermieden werden.
Um eine besonders feste Verbindung zwischen dem metallischen Kragen und dem nicht metallischen Material zu erreichen, wird der metallische Kragen vorzugsweise direkt bei der Fertigung des Spaltrohres mit dem nicht metallischen Material verbunden. Im Falle des Spritzgießen des Spaltrohres aus Kunststoff kann beispielsweise der metallische Kra- gen vor dem Spritzgießen in das Werkzeug eingesetzt werden und der Kunststoff an den Kragen angespritzt bzw. ein Teil des Kragens mit Kunststoff umspritzt werden, so dass direkt beim Spritzgießen eine form- und stoffflüssige Verbindung zwischen beiden Elementen erzielt wird.
Um die Verbindung zwischen dem Kragen und dem nicht metallischen Material weiter zu verbessern, wird eine Oberfläche des Kragens vorzugsweise vor der Verbindung mit dem nicht metallischen Material des Spaltrohres strukturiert bzw. aufgeraut. Dies kann beispielsweise durch Laserbestrahlung geschehen, wobei mittels eines Laserstrahls kleine Ver- tiefungen und/oder kraterförmigen Erhöhungen in die Oberfläche des Kragens eingebracht werden, in welche das nicht metallische Material, beispielsweise Kunststoff beim Gießen fließt und somit zum einen über eine größere Oberfläche und zum anderen über einen Formschluss eine feste Verbindung mit dem Kragen herstellt.
Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren beschrieben. In diesen zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Pumpenag- gregates,
Fig. 2 eine Schnittansicht des Spaltrohrs des Elektromotors, Fig. 3 eine Ausschnittsvergrößerung von Fig. 2,
Fig. 4 eine Schnittαnsicht des Elektromotors,
Fig.5 eine Ansicht des Laufrades mit den Laufradschaufeln und
Fig. 6 eine Ansicht der den Laufradschaufeln abgewandten
Stirnseite des Laufrades.
Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht des oberen Endes einer Tauchpumpe. Das untere Ende, in welchem die Elektronik zur Steuerung bzw. Regelung der Pumpe angebracht ist, ist in der Figur nicht gezeigt. Das Pumpenaggregat weist an seinem oberen Ende einen Anschlussstutzen 2 mit einem darin angeordneten Rückschlagventil 4 auf. An den Anschlussstutzen 2 schließt sich im Inneren des Pumpenaggregats stromaufwärts ein Spiralgehäuse 6 an, welches das Laufrad 8 umgibt. Das Laufrad 8 ist am axialen Ende der einstückigen Rotorwelle 10 des Elektromotors 11 bzw. dessen Permanentmagnetrotors 12 angeordnet. Das Laufrad 8 ist fest an der Rotorwelle 10 fixiert, insbesondere auch in axialer Richtung X fest verbunden. Der Permanentmagnetrotor 12 läuft im Inneren eines Spaltrohres 14, welches an seinem Außenumfang ringförmig von dem Stator 16 umgeben ist. Der Stator 16 ist in bekannter Weise als Blechpaket mit Spulenwicklungen ausgebildet. Der Stator 16 ist ins- gesamt in einem Statorgehäuse 18 hermetisch gekapselt. Die Rotorwelle 10 ist in zwei Radiallagern 20 in radialer Richtung gelagert. Diese Radiallager 20 sind vorzugsweise selbstzentrierend ausgebildet, so dass eine leichte Montage und ein sicherer Betrieb auch bei hohen Drehzahlen gewährleistet ist.
Das Spaltrohr 14 ist. wie in Figuren 2 und 3 im Detail gezeigt, im gezeigten Beispiel aus Kunststoff ausgebildet. Das Spaltrohr ist aus einem röhr- förmigen Bauteil 22 gebildet welches aus faserverstärktem Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt wird. Um das rohrförmige Bauteil 22 besonders dünnwandig mit der geforderten Präzision fertigen zu können, wird das rohrförmige Bauteil 22 zunächst mit offenen axialen Enden 24 und 26 ausgebildet. Dies ermöglicht, dass ein Kern, welcher den Innenraum 28 des Spaltrohres 14, welcher später den Rotorraum bildet, formt, an beiden axialen Enden im Werkzeug fixiert werden kann. Nach dem Spritzgießen des rohrförmigen Bauteiles 22 wird dieses dann an dem axialen Ende 24 durch ein Bodenelement 30 verschlossen, so dass ein Spaltrohrtopf gebildet wird. Das Bodenelement 30 kann vorzugsweise ebenfalls aus Kunststoff ausgebildet sein und in das zuvor gespritzte rohrförmige Bauteil 2 eingegossen werden. Alternativ kann das Bodenelement 30 separat gefertigt und später in das rohrförmige Bauteil 22 eingesteckt werden. Wie gezeigt wird eine formschlüssige Verbindung zwischen Bodenelement 30 und rohrförmigem Bauteil 22 dadurch hergestellt, dass die nach innen gebogene axiale Umfangskante des rohrförmigen Bauteils 22 in eine umfängliche Nut 32 des Bodenelementes 30 eingreift.
Am entgegengesetzten axialen Ende 26, welches dem Laufrad 8 zugewandt ist, ist am Außenumfang des rohrförmigen Bauteils 22 ein Kragen 34 angesetzt. Der Kragen 34 ist aus Metall, vorzugsweise rostfreiem Edelstahl ausgebildet und ringförmig, wobei sein Innendurchmesser auf den Außendurchmesser des rohrförmigen Bauteils 22 am axialen Ende 26 abgestimmt ist. Der Ring des Kragens 34 weist einen u-förmigen Querschnitt auf, wobei der Querschenkel dem axialen Ende 26 zugewandt ist. Die Innenwandung 36 des Kragens 34 liegt parallel an der Umfangswandung des rohrförmigen Bauteils 22 an und ist mit dieser verbunden.
Die Verbindung zwischen der Innenwandung 36 des Kragens 34 und dem rohrförmigen Bauteil 22 erfolgt schon während des Fertigungs-, d. h. Gießprozesses des rohrförmigen Bauteils 22, indem zuvor der Kragen 34 in das Werkzeug eingelegt wird, so dass das rohrförmige Bauteil 22 direkt an die Innenwandung 36 des Kragens 34 angegossen wird. So wird eine feste form- und/oder stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Kunststoff des rohrförmigen Bauteils 22 und der Innenwandung 36 des Kragens 34 geschaffen. Um diese Verbindung zu verbessern, wird die Innenwandung 36 an ihrem Innenumfang zuvor aufgeraut bzw. strukturiert. Dies kann vorzugsweise durch Laserbearbeitung geschehen, mittels welcher in das Metall bzw. das Blech des Kragens 34 an der O- berfläche kleine Vertiefungen eingebracht werden, in welche dann der Kunststoff des rohrförmigen Bauteils 22 beim Spritzgießen fließt. Diese Vertiefungen können besonders bevorzugt auch noch Hinterschnei- dungen aufweisen, durch welche eine noch festere Verbindung zwischen beiden Elementen geschaffen wird.
Nach dem Spritzgießen des rohrförmigen Bauteils 22, bei welchen gleich der Kragen 34 fest mit dem rohrförmigen Bauteil 22 verbunden wird, und dem anschließenden Einsetzen des Bodenelementes 30 wird das so geschaffene Spaltrohr 14 metallisiert. Dabei wird auf der Außen- fläche des Spaltrohres 14 ein dünne Metallschicht 38 aufgebracht, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Metallschicht 38 überzieht die gesamte Außenfläche des rohrförmigen Bauteils 22 und des Bodenelementes 30 sowie den Kragen 34. Dadurch werden insbesondere auch die Übergangsbereiche zwischen dem Kragen 34 und dem rohrförmigen Bauteil 22 sowie zwischen dem Bodenelement 30 und dem rohrförmigen Bauteil 22 durch die Metallschicht 38 überdeckt. Die Metallschicht 38 sorgt dafür, dass eine hermetische Abdichtung des Spaltrohres 14 und insbesondere der Umfangswandung des rohrförmigen Bauteils 22 geschaffen wird. Diese hermetische Abdichtung durch die Metallschicht 38 bewirkt, dass Fluid, welches sich im Rotorraum 28 befindet, nicht durch das Spaltrohr 14 hindurch in das Innere des Statorgehäuses 18, in welchem der Stator 16 angeordnet ist, eindringen kann. Die Metallisierung bzw. Beschich- tung 38 ermöglicht dabei die Verwendung eines Kunststoffes für das rohrförmige Bauteil 22 und das Bodenelement 30, welcher an sich nicht diffusionsdicht ist. So kann hier der Kunststoff rein nach den Erfordernissen der Stabilität für das Spaltrohr 14 sowie nach Fertigungsgesichts- punkten ausgewählt werden.
Vorangehend wurde ein Spaltrohr 14 beschrieben, welches an seiner Außenseite mit der Metallschicht 38 versehen ist. Alternativ ist es auch möglich, das Spaltrohr 14 sowohl an seiner Außenseite als auch an den Innenflächen des Innenraums 28 mit einer Metallschicht durch Metallisierung zu versehen. Ferner ist es alternativ auch möglich, das Spaltrohr nur an den Innenwandungen des Innenraumes 28 zu metallisieren.
Der metallische Kragen 34 dient dazu, das Spaltrohr 14 mit dem übrigen Teil des Statorgehäuses 18 zu verbinden. Dies kann insbesondere durch eine Schweißnaht 39 am Außenumfang des metallischen Kragens 34 geschehen. Der Kragen 34 stellt somit die Verbindung zu anderen metallischen Bauelementen, aus denen das Statorgehäuse 18 gebildet ist, her, wie in Fig.4 gezeigt.
Die Verwendung des Spaltrohres 14 aus Kunststoff, d. h. einem nichtmetallischen Material ohne magnetische Eigenschaften hat den Vorteil, dass das Spaltrohr 14 das Magnetfeld zwischen Stator 16 und Permanentmagnetrotor 12 nur wenig oder gar nicht beeinflusst, wodurch der Wirkungsgrad des Elektromotors 1 1 erhöht wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Pumpenaggregat ist der Durchmesser des Permanentmagnetrotors 12 und des Laufrades 8 klein gehalten, um die Reibung im System und somit die Verlustleistung möglichst zu minimie- ren. Um dennoch einen hohen Wirkungsgrad des Elektromotors 1 1 zu gewährleisten, ist der Permanentmagnetrotor 12 mit besonders starken Permanentmagneten, beispielsweise Neodyniummagneten bestückt. Im gezeigten Beispiel beträgt der Rotordurchmesser 19 mm. Der gezeigte Elektromotor 11 ist für sehr hohe Drehzahlen > 20.000, insbesondere zwischen 25.000 und 30.000 U/min ausgelegt. So kann mit nur einem Laufrad 8 mit vergleichsweise kleinem Durchmesser eine ausreichend hohe Förderleistung erreicht werden.
Das Laufrad 8, welches in Figuren 5 und 6 als Einzelteil gezeigt ist, ist, um eine hohe Verschleißfestigkeit zu gewährleisten, aus Hartmetall gefertigt. An einer Axialseite 40, welche im eingebauten Zustand dem Elekt- romotor 1 1 abgewandt ist, sind die Laufradschaufeln 42 ausgebildet. Das Laufrad 8 ist offen ausgebildet, d. h. die Laufradschaufeln stehen von der Axialseite 40 des Laufrades 8 vor und sind an ihren Stirnseiten 44 nicht durch eine Abdeckscheibe geschlossen.
Die Stirnseiten bzw. Stirnkanten 44 der Laufradschaufeln 42 sind geschliffen und bilden so eine Axiallager- und Dichtfläche des Laufrades 8. Die Stirnseiten 44 liegen im eingebauten Zustand an einer Gegenläufscnei- be 46 an, welche den Saugmund 48 der Pumpe ringförmig umgibt. Durch die feste Verbindung des Laufrades 8 mit der Rotorwelle 10 stützt sich der gesamte Rotor 12 über das Laufrad 8 in axialer Richtung an der Gegenlaufscheibe 46 ab. D. h. die Stirnfläche der Gegenlaufscheibe 46, welche dem Laufrad 8 zugewandt ist, und die Stirnseiten 44 der Laufradschaufeln 42 bilden ein axiales Gleitlager. Durch die axiale An- druckkraft des Laufrades 8 werden die Stirnseiten 44 der Laufradschau- fein 42 so gegen die Gegenlaufscheibe 46 gedrückt, dass es zu einer besonders guten Abdichtung zwischen den Laufradschaufeln 42 und der Gegenlaufscheibe 46 kommt. Dadurch werden Verluste in der Pumpe minimiert und die Förderleistung des Pumpenaggregates gerade bei der oben beschriebenen hohen Motordrehzahl weiter gestei- gert. Auf diese Weise kann mit dem beschriebenen sehr kleinen Laufrad auch bei einstufiger Ausgestaltung des Pumpenaggregates eine hohe Förderleistung erreicht werden. Das Laufrad 8 übernimmt dabei die a- xiαlseitige Abdichtung gegenüber der Gegenlαufscheibe 46 am Saugmund 48 und gleichzeitig die Axiallagerfunktion, so dass hier auch die Zahl der Bauteile und die auftretende Reibung minimiert werden.
Die den Laufradschaufeln 42 abgewandte Rückseite 50 des Laufrades 8 weist eine weitere ringförmige Dichtfläche 52 auf, welche die Öffnung 54 zur Aufnahme der Rotorwelle ringförmig umgibt. Die Dichtfläche 52 liegt an einer Dichtung 56 an, welche die Rotorwelle 10 feststehend umgibt und den Rotorraum 28 im Inneren des Spaltrohres 14 zum Pum- penraum, in welchem das Laufrad 8 angeordnet ist, hin abdichtet. Diese Dichtung 56 wird durch Federwirkung an der Dichtfläche 52 in Anlage gehalten. Die Dichtung 56 gewährleistet, dass Verunreinigungen im Fluid, welches vom Laufrad 8 gefördert wird, in den Rotorraum 28 im Inneren des Spaltrohrs 14 eindringen und dort zu unerwünschter Rei- bung oder Beschädigung führen können.
Die Gegenlaufscheibe 46 ist vorzugsweise ebenfalls aus Hartmetall oder aus Keramik ausgebildet. Die dem Laufrad 8 abgewandte Seite 58 ist sphärisch ausgebildet (in Fig. 1 nicht gezeigt) und in einer sphärischen Aufnahme im Pumpengehäuse gelagert, so dass sich die Gegenlaufscheibe 46 selbsttätig parallel zum Laufrad 8 ausrichten kann. Dieser Teil der Gegenlaufscheibe, welcher die Rückseite 58 bildet, kann aus einem anderen Material als Hartmetall oder Keramik ausgebildet sein und mit dem Teil der Gegenlaufscheibe 46, welcher dem Laufrad 8 zugewandt ist, beispielsweise durch Verkleben verbunden sein.
Das Laufrad 8 ist umfänglich von dem Spiralgehäuse 6 umgeben. Das Spiralgehäuse 6 erstreckt sich ausgehend vom Umfangsbereich des Laufrades 8 schraubenförmig zu dem Anschlussstutzen 2, so dass eine Strömungsumlenkung in axialer Richtung erfolgt. D. h. die Strömung, welche in radialer/tangentialer Richtung am Außenumfang des Laufrades 8 austritt, wird durch das Spiralgehäuse 6 zunächst in rein fangen- tiαler Richtung bzw. Umfαngsrichtung des Laufrades 8 umgelenkt und dann aufgrund der schraubenförmigen Windung des Spiralgehäuses 6 möglichst veiiustfrei in axiale Richtung gelenkt, so dass die Strömung am Anschlussstutzen 2 in axialer Richtung aus dem Pumpenaggregat austreten kann. Das Spiralgehäuse 6 ist vorzugsweise ebenfalls als Spritzgussteil aus Kunststoff gefertigt. Das Spiralgehäuse 6 beinhaltet an seinem unteren, dem Laufrad 8 zugewandten Ende ferner die ebenfalls sphärische Aufnahme für die Gegenlaufscheibe 6 und bildet zentral den Saugmund 48 der Pumpe, durch welchen das Fluid durch Rotation des Laufrades 8 angesaugt wird. Das äußere Gehäuse des Pumpenaggregats weist in dem Bereich, in welchem in seinem Inneren das Spiralgehäuse 6 angeordnet ist, in seiner äußeren Umfangswandung Eintrittsöffnung 62 auf, durch welche das Fluid von außen eintritt, das Spiralgehäuse 6 von außen umströmt und dann in den Saugmund 48 eintritt.
Mit allen den vorangehend beschriebenen Elementen, d. h. einem Spaltrohr 14 aus Kunststoff mit Metallisierung, kleinem Drucksensor des Rotors 12 mit einem Laufrad 8 mit kleinem Durchmesser aus Hartmetall, welches gleichzeitig Abdichtung und Axiallagerung übernimmt, kann ein sehr leistungsfähiges kompaktes Tauchpumpenaggregat geschaffen werden, welches bei nur einer Stufe mit hoher Betriebsdrehzahl eine große Förderleistung erreicht.
Bezυgszeichenliste
2 Anschlussstutzen
4 Rückschlagventil
6 Spiralgehäuse
8 Laufrad
10 Rotorwelle
1 1 Elektromotor
12 Permanentmagnetrotor
14 Spaltrohr
16 Stator
18 Statorgehäuse
20 Radiallager
22 rohrförmiges Bauteil
24, 26 - axiale Enden
28 Innenraum, Rotorraum
30 Bodenelement
32 Nut
34 Kragen
36 Innenwandung
38 Metallschicht
39 Schweißnaht
40 Axialseite
42 Laufradschaufeln
44 Stirnseiten
46 Gegenlaufscheibe
48 Saugmund
50 Rückseite des Laufrades
52 Dichtfläche
54 Öffnung
56 Dichtung - Rückseite der Gegenlαufscheibe - Pumpengehäuse - Eintrittsöffnungen
axiale Richtung, Rotationsachse

Claims

Ansprüche
1. Tαuchpumpenαggregαt mit einem nαsslαufenden Elektromotor (1 1), dadurch gekennzeichnet, dass lediglich ein einziges Laufrad (8) vorgesehen ist, welches von dem Elektromotor (1 1 ) mit einer Drehzahl größer 20000 U/min antreibbar ist, wobei der Rotor (12) des Elektromotors einen Durchmesser kleiner 25 mm, weiter bevorzugt kleiner 20mm, aufweist.
2. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) im Bereich des Saugmundes (48) axial abgedichtet ist.
3. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine axiale Stirnseite (44) des Laufrades (8) eine Axiallagerfläche bildet, welche vorzugsweise gleichzeitig als axiale Dichtfläche dient.
4. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad an seiner Axialseite (40), an welcher Laufradschaufeln (42) angeordnet sind, offen ausgebildet ist und die axialen Stirnseiten (44) der Laufradschaufeln (42) eine Axiallagerfläche des Laufrades (8) bilden.
5. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) auf einer Rotorwelle (10) in axialer Richtung (X) fixiert ist.
6. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Elektromotor (1 1) zugewandte axiale Stirnseite (50) des Laufrades (8) als Dichtfläche (52) zur Abdichtung des Rotorraumes (28) des Elektromotors (11) ausgebildet ist.
7. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden An- Sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) zumindest eine Oberfläche aus Hartmetall oder Keramik aufweist und vorzugsweise vollständig aus Hartmetall oder Keramik gefertigt ist.
8. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Elektromotor (1 1 ) mit einem Permanentmagnetrotor (12) aufweist.
9. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Laufrad (8) zugewandte Gegenlaufscheibe (46) vorgesehen ist, welche an einer Axialseite (40) des Laufrades (8) derart anliegt, dass sie eine Axial- lagerfläche bildet.
10. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenlaufscheibe (46) zumindest eine Oberfläche aus Hartmetall oder keramischen Material aufweist.
1 1. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 9 oder 10, dadurch ge- kennzeichnet, dass die dem Laufrad (8) abgewandte Axialseite der Gegenlaufscheibe (58) sphärisch ausgebildet ist.
12. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) von einem Spiralgehäuse (6) oder einem Leitapparat umgeben ist.
13. Tαuchpumpenαggregαt nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Laufrad (8) von einem Spiralgehäuse (6) umgeben ist, welches sich derart schraubenförmig erstreckt, dass die Austrittsöffnung des Spiralgehäuses (6) in axialer Richtung (X) zu dem Laufrad (8) ausgerichtet ist.
14. Tauchpumpenaggregat nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Spaltrohr (14) aufweist, welches aus einem nicht metallischen Material gefertigt ist, wobei das nicht metallische Material mit zumindest einer zusätzli- chen hermetisch dichtenden Schicht (38) versehen ist.
15. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine zusätzliche Schicht als Beschich- tung (38) an der inneren und/oder äußeren Umfangsfläche des nicht metallischen Materials (22) ausgebildet ist.
16. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (38) als Metallisierung des nicht metallischen Materials ausgebildet ist.
17. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (14) aus Kunststoff und vorzugsweise einem faserverstärkten Kunststoff gefertigt ist.
18. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Spaltrohr (14) aus einem rohrför- migen Bauteil (22) und einem Bodenelement (30) gefertigt ist, welches das rohrförmigen Bauteil (22) an einem ersten axialen En- de (34) verschließt.
19. Tαuchpumpenαggregαt nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Bodenelement (30) mit dem rohrförmigen Bauteil (22) vergossen ist.
20. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 18 oder 19, dadurch ge- kennzeichnet, dass das rohrförmige Bauteil (22) und das Bodenelement (30) aus einem nicht metallischen Material, vorzugsweise Kunststoff gefertigt und nach dem Zusammensetzen gemeinsam mit der zusätzlichen Schicht oder Beschichtung (38) versehen sind.
21. Tauchpumpenaggregat nach einem der Ansprüche 14 bis 20, da- durch gekennzeichnet, dass an einem axialen Ende (26) des Spaltrohres (14) am Außenumfang ein sich radial nach außen erstreckender, vorzugsweise metallischer Kragen (34) ausgebildet ist.
22. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Kragen (34) mit dem nicht metallischen Material form- und/oder stoffschlüssig verbunden ist und gemeinsam mit diesem mit zusätzlicher Schicht oder der Beschichtung (38) versehen ist.
23. Tauchpumpenaggregat nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberfläche (36) des Kragens (34) vor der Verbindung mit dem nicht metallischen Material des Spaltrohres
(14), vorzugsweise durch Laserbestrahlung, strukturiert ist.
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