WO2009135714A1

WO2009135714A1 - Innenzahnradpumpe

Info

Publication number: WO2009135714A1
Application number: PCT/EP2009/052710
Authority: WO
Inventors: Hubert Pichler; Alexander Fuchs
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2008-05-09
Filing date: 2009-03-09
Publication date: 2009-11-12
Also published as: DE102008001703A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluids mit einem Pumpengehäuse (1), in dem ein innenverzahntes Außenzahnrad (5) und ein außenverzahntes und in Eingriff mit dem Außenzahnrad stehendes Innenzahnrad (6) drehbar gelagert sind, wobei das Innenzahnrad (6) weniger Zähne als das Außenzahnrad (5) aufweist und exzentrisch zum Außenzahnrad (5) angeordnet ist, so dass zwischen Innen- und Außenzahnrad Förderkammern (7) gebildet werden, deren Volumen sich jeweils bei Drehung der beiden Zahnräder (5, 6) verändert. Erfindungsgemäß umfasst das Pumpengehäuse (1) einen eine Ablauföffnung (3) aufweisenden Anschlussdeckel (4), in dem zur Verbesserung der Strömungsführung wenigstens eine als Strömungskanal ausgebildete und in Verbindung mit der Ablauföffnung (3) und wenigstens zwei benachbarten Förderkammern (7) stehende Nut (8) angeordnet ist, wobei die Nut (8) eine sich im Nutverlauf verändernde Querschnittsfläche aufweist, indem die Breite und/oder die Tiefe der Nut (8) zuoder abnimmt.

Description

Innenzahnradpumpe

Die Erfindung betrifft eine Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluids entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Begriff Innenzahnradpumpe umfasst vorliegend auch Zahnringpumpen und Rotorpumpen. Derartige Pumpen werden beispielsweise als Kraftstoff- oder Motorölpumpen bei Kraftfahrzeugmotoren eingesetzt.

Eine derartige Innenzahnradpumpe weist ein feststehendes Pumpengehäuse und zwei hierin drehbar gelagerte Zahnräder auf, nämlich ein innenverzahntes Außenzahnrad und ein außenverzahntes und in Eingriff mit dem Außenzahnrad stehendes Innenzahnrad. Indem das Innenzahnrad zumindest einen Zahn weniger als das Außenzahnrad aufweist und exzentrisch zu diesem angeordnet ist, werden zwischen Innen- und Außenzahnrad unterschiedlich große Zahnzwischenräume ausgebildet, die als Förderkammern für das zu fördernde Fluid dienen. In der Regel ist das Innenzahnrad mit einer Antriebswelle verbunden, so dass die Drehung des Innenzahnrads die Drehung des Außenzahnrads bewirkt.

Bei einer Drehung der Zahnräder verändert sich das Volumen der zwischen Innen- und Außenzahnrad liegenden Förderkammern, das heißt, das Volumen einer Förderkammer wird entweder größer oder kleiner. Bei einer Volumenvergrößerung entsteht in der Förderkammer ein Unterdruck, der bewirkt, dass Fluid über eine mit der Kammer in Verbindung stehende ZulaufÖffnung im Pumpengehäuse angesaugt wird. Mit fortschreitender Drehung verkleinert sich das Volumen wieder, so dass das in der Förderkammer enthaltene Fluid über eine ebenfalls im Pumpengehäuse angeordnete AblaufÖffnung aus der Kammer herausgedrückt wird. Die aufgrund der Volumenvergrößerung der Förderkammern saugseitig erfolgende Druckabsenkung kann beim Fördern von Flüssigkeiten zu einer Blasenbildung führen, wenn beispielsweise der Druck soweit absinkt, dass der statische Druck unter den Dampfdruck fällt. Dies ist insbesondere bei hohen Drehzahlen und damit einhergehenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten der Fall, da bekanntermaßen der statische Druck umso geringer ist, je höher die Strömungsgeschwindigkeit ist. Zumindest zeitweise liegt dann neben der flüssigen Phase auch eine Gasphase vor.

Der Druck in einer mit einem Zweiphasengemisch gefüllten Kammer liegt unterhalb des Förderdrucks. Gelangt eine solche Kammer in Verbindung mit einem gehäuseseitig angeordneten Strömungskanal, der wiederum mit der AblaufÖffnung der Pumpe in Verbindung steht und in dem somit der Förderdruck herrscht, kommt es zu einer Umkehr der Strömungsrichtung. Dabei steigt der Druck in der das Zweiphasengemisch enthaltenden Förderkammer durch das zurückströmende Fluid derart an, dass die Gasblasen durch Implosion zusammenfallen. Dieser Vorgang wird durch die Volumenverkleinerung der Förderkammern in Bewegungsrichtung noch beschleunigt. Ist das ursprüngliche Volumen der Gasphase mit flüssigem Medium aufgefüllt, wird das bewegte Fluid abgebremst. Durch diese Abbremsen steigt der Druck in der Förderkammer schlagartig an. Es entstehen hierdurch Druckspitzen, die deutlich höher sind als der Förderdruck der Pumpe.

Ist die Förderkammer vollständig mit flüssigem Medium gefüllt, kehrt sich die Strömungsrichtung in der Nut wieder um, damit das Fluid aus der sich in Bewegungsrichtung verkleinernden Förderkammer entweichen kann.

Die entstehenden Druckspitzen erhöhen die Belastung der Pumpe sowie die Belastung des gesamten Systems in das die Pumpe eingebaut ist. Des Weiteren können durch das schnelle Zusammenfallen der Gasblasen Kavitationsschäden an den Bauteilen der Pumpe auftreten. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Innenzahnradpumpe bereit zu stellen, deren konkrete Ausgestaltung das Auftreten von Druckspitzen auch bei hohen Drehzahlen gering zu halten vermag. Eine weitere Aufgabe besteht darin, Kavitationsschäden zu vermeiden. Ferner soll die Pumpe einfach und kostengünstig herzustellen sein.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß umfasst das Pumpengehäuse einen eine AblaufÖffnung aufweisenden Anschlussdeckel, in dem zur Verbesserung der Strömungsführung wenigstens eine als Strömungskanal ausgebildete und in Verbindung mit der AblaufÖffnung und wenigstens zwei benachbarten Förderkammern stehende Nut angeordnet ist, wobei die Nut eine sich im Nutverlauf verändernde Querschnittsfläche aufweist, indem die Breite und/oder die Tiefe der Nut zu- oder abnimmt.

Ein Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass die Nut bei ungedrosselter Förderung ein verlustarmes Ausströmen des geförderten Fluids aus den sich in Strömungsrichtung verengenden Förderkammern bewirkt.

Bei einer Saugdrosselung, die sich je nach hydraulischem Widerstand im Zulauf bei höheren Drehzahlen einstellt, besteht der Vorteil der Erfindung darin, dass die zur Implosion führende Umkehr der Strömungsrichtung über die als Strömungskanal ausgebildete Nut verzögert, d.h. gedrosselt erfolgt. Denn wie bereits eingangs beschrieben, sinkt bei einer Saugdrosselung der Druck saugseitig bis auf den Dampfdruck ab und es entstehen Dampf- bzw. Gasblasen. Dieses Zweiphasengemisch wird in den Förderkammern auf die Druckseite der Pumpe transportiert. Bei Verbindung der mit dem Zweiphasengemisch gefüllten und unter Dampfdruck stehenden Förderkammer mit der als Strömungskanal ausgebildeten Nut, die ihrerseits mit der Ablauföffnung verbundenen ist, wird eine Umkehr der Strömungsrichtung in der Weise erreicht, dass das Fluid nur langsam zurückströmt. Die Drosselwirkung ist auf die sich im Nutverlauf verändernde Querschnittsfläche der Nut zurückzuführen. Durch langsam zurückströmendes Fluid steigt der Druck in der Förderkammer auch nur langsam an, so dass die Implosion der Gasphase „sanft" erfolgt. Das sanfte Implodieren der Gasblasen wiederum verhindert einen schlagartigen Druckanstieg in der Förderkammer und damit auch das Auftreten von Kavitationsschäden. Die druckseitig im Anschlussdeckel ausgebildete Nut trägt damit zur Verlängerung der Lebensdauer sowie zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Pumpe bei.

Über die Wahl eines geeigneten Nutquerschnitts sowie einer geeigneten Nutgeometrie kann demnach die Strömungsführung optimiert werden. Zur Erzielung der Drosselwirkung wird eine Nut bevorzugt, deren Querschnittsfläche im Nutverlauf zur

Ablauföffnung hin größer wird, das heißt eine Nut, die zur Ablauföffnung hin breiter und/oder tiefer wird. Erst hierdurch wird der gewünschte Drosseleffekt erzielt, der das Zurückströmen des Fluids kontrolliert erfolgen lässt. Weiterhin vorzugsweise nimmt lediglich die Tiefe der Nut im Nutverlauf zur

AblaufÖffnung hin zu. Ein derartiger Nutverlauf ist unter anderem fertigungstechnisch einfach herzustellen.

Weiterhin bevorzugt ist die Nut entlang einer Kreisbahn ausgebildet und verläuft dabei vorzugsweise konzentrisch zum

Außenzahnrad. Dadurch ist sichergestellt, dass die Nut zumindest druckseitig in steter Verbindung mit den Förderkammern steht, denn die Innenverzahnung des Außenzahnrads definiert die außenumfangseitige Begrenzung der Förderkammern. Vorzugsweise beschreibt die Nut keinen vollständigen Kreis, sondern einen Kreisbogen, dessen Länge derart bemessen ist, dass die Anordnung der Nut ausschließlich druckseitig erfolgt.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist der Anschlussdeckel im Bereich der ZulaufÖffnung eine weitere als Strömungskanal ausgebildete Nut auf. Diese Nut unterscheidet sich jedoch von der druckseitig angeordneten Nut dadurch, dass deren Querschnittsfläche im Nutverlauf vorzugsweise gleich bleibt und/oder größer als die Querschnittsfläche der druckseitigen Nut ist. Auf diese Weise wird eine auf der Saugseite unerwünschte zusätzliche Drosselwirkung unterbunden, die zu einem weiteren Absinken des Drucks im Bereich der Zulauföffnung führen würde und damit kavitationsfordernd wäre.

Ferner kann das Pumpengehäuse an der dem Anschlussdeckel gegenüber liegenden Stirnwandseite im Hinblick auf die Ausbildung von Nuten spiegelverkehrt zur Innenseite des Anschlussdeckels ausgebildet sein. Das heißt, die dem Anschlussdeckel gegenüber liegende Stirnwandseite kann ebenfalls mit wenigstens einer Nut versehen sein. Die gespiegelte Ausbildung im Hinblick auf die Ausbildung von Nuten gewährleistet eine Verstärkung der bereits im Zusammenhang mit den Nuten im Anschlussdeckel beschriebenen vorteilhaften Effekte. Somit wird vermieden, dass sich die Wirkungen der Nuten gegenseitig aufheben.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die dem Anschlussdeckel gegenüber liegende Stirnwandseite des Pumpengehäuses Bestandteil eines separaten Lagerdeckels, so dass hier die Innenseite des Lagerdeckels im Hinblick auf die Ausbildung von Nuten spiegelverkehrt zur Innenseite des Anschlussdeckels ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher beschreiben. Es zeigen: Fig. 1 eine Explosionsansicht einer Innenzahnradpumpe in Blickrichtung des Anschlussdeckels,

Fig. 2 eine Explosionsansicht der Pumpe der Fig. 1 in

Blickrichtung des Lagerdeckels,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch den

Anschlussdeckel der Pumpe der Fig. 1, wobei der Schnitt entlang der Kreisbahn der Nut geführt ist und

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Druckspitzen über

Drehzahl bei einer Innenzahnradpumpe nach dem Stand der Technik und einer erfindungsgemäßen Pumpe.

Die Explosionsansicht der Fig. 1 zeigt im Anschnitt das Pumpengehäuse 1, das mittels Schrauben 13 mit einem Anschlussdeckel 4 verbindbar ist. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist der Anschlussdeckel 4 eine ZulaufÖffnung 2 und eine Ablauföffnung 3 in Form von Bohrungen auf, welche dem Anschluss von Leitungen dienen, mittels derer eine zu fördernde Flüssigkeit, wie beispielsweise Kraftstoff oder Motoröl, der Pumpe zu- und abgeführt werden kann. Die Lage der ZulaufÖffnung 2 und der Ablauföffnung 3 ist auf die Lage und

Größe der weiteren Komponenten im Inneren der Pumpe abgestimmt. Der Anschlussdeckel weist im Umfangsbereich weitere Bohrungen 14 auf, die der Aufnahme der Schrauben 13 dienen und mit Bohrungen 15 im Pumpengehäuse 1 korrespondieren.

Im Inneren des Pumpengehäuses 1 sind ein Außenzahnrad 5 und ein Innenzahnrad 6 drehbar gelagert. Das Außenzahnrad 5 weist eine Innenverzahnung und das Innenzahnrad 6 eine Außenverzahnung auf, wobei das in Eingriff mit dem Außenzahnrad 5 stehende Innenzahnrad 6 weniger Zähne aufweist als das Außenzahnrad 5. Zwischen Außen- und Innenzahnrad 5, 6 werden auf diese Weise Förderkammern 7 gebildet, deren Volumen sich mit Drehung der Zahnräder 5, 6 aufgrund der exzentrischen Lagerung des Innenzahnrads 6 verändert. Das Innenzahnrad 6 ist zudem mit einer zentralen Öffnung 16 zur Aufnahme einer Antriebswelle versehen (nicht dargestellt) .

Bei der erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe weist der Anschlussdeckel 4 innenseitig wenigstens eine mit der AblaufÖffnung 3 in Verbindung stehende, kreisbogenförmig verlaufende Nut 8 auf. Aufgrund des kreisbogenförmigen Verlaufs der Nut 8 wird sichergestellt, dass die druckseitig liegenden Förderkammern in steter Verbindung mit der Nut 8 stehen. Vorliegend verläuft die Nut 8 konzentrisch zum Außenzahnrad 5. Die Länge des Kreisbogens ist ferner derart bemessen, dass sich die Nut 8 lediglich über den druckseitigen Bereich des Anschlussdeckels 4 erstreckt. Im Nutverlauf verändert sich die Querschnittsfläche der Nut 8. Zur Ablauföffnung 3 hin nimmt die Nuttiefe zu, so dass sich zur AblaufÖffnung 4 hin die Querschnittsfläche der Nut und damit der Strömungsquerschnitt vergrößert. Die Breite der Nut bleibt bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dagegen unverändert. Der gewählte Nutverlauf und die gewählte Nutgeometrie ermöglichen, dass im Falle einer durch die Saugdrosselung bewirkten Rückströmung eine Drosselwirkung und damit verbunden ein langsames Auffüllen der zusammenfallenden Gasblasen erfolgt. Durch dieses sanfte Implodieren der Gasblasen wird ein schlagartiger Druckanstieg vermieden und damit Druckspitzen gedämpft. Ferner werden Kavitationsschäden verhindert. Dadurch kann nicht nur die Lebensdauer der Pumpe erhöht werden, sondern die Pumpe weist auch eine größere Laufruhe auf.

Fig. 1 ist zu entnehmen, dass saugseitig auf der Innenseite des Anschlussdeckels 3 eine weitere ebenfalls kreisbogenförmig verlaufende Nut 9 angeordnet ist. Die Breite und Länge der Nut 9 entsprechen der Breite und Länge der Nut 8, jedoch weist die Nut 9 eine größere Tiefe als die Nut 8 auf, wenn man die durchschnittliche Tiefe der Nut 8 zugrunde legt. Nut 8 und Nut 9 sind nicht verbunden. Vielmehr weist der Anschlussdeckel jeweils zwischen den Nuten 8, 9 eben ausgebildete Dichtbereiche auf.

Fig. 2 gewährt einen Blick auf die rückwärtige Stirnwandseite 10 des Pumpeninnenraums . Sie zeigt, dass die dem Anschlussdeckel 4 gegenüber liegende Stirnwandseite ebenfalls mit zwei Nuten versehen ist, wobei die Ausbildung der Nuten gespiegelt ist.

Dadurch kann die vorteilhafte Wirkung der im Anschlussdeckel 4 ausgebildeten Nuten 8, 9 noch verstärkt werden. Weiterhin ist die Stirnwandseite 10 - anders als die Innenseite 11 des Anschlussdeckels 4 - mit einer Bohrung 17 zur Durchführung der Antriebswelle (nicht dargestellt) ausgestattet.

Der Querschnitt der Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt des innenseitigen Oberflächenprofils eines Anschlussdeckels 4 einer erfindungsgemäßen Innenzahnradpumpe . Saugseitig, d.h. in dem mit dem Buchstaben A gekennzeichneten Bereich, wobei der zugehörige Pfeil die Förderrichtung angibt, weist die Innenseite des Anschlussdeckels 4 eine Nut 9 auf. Druckseitig, d.h. in dem mit dem Buchstaben B gekennzeichneten Bereich, weist der Anschlussdeckel 4 eine weitere Nut 8 auf, deren Ausbildung sich jedoch von der der Nut 9 unterscheidet. Während die Nut 9 durchgehend die gleiche Nuttiefe aufweist, verändert sich die Nuttiefe und damit auch die Querschnittsfläche der Nut 8. Und zwar nimmt die Nuttiefe der Nut 8 in Förderrichtung zu. Der Nutboden verläuft somit schräg zur Innenseite 11 des Anschlussdeckels 4. In einem Dichtbereich C zwischen der Nut 9 und der Nut 8 ist der Anschlussdeckel 4 eben ausgebildet.

Im Dichtbereich C liegt das Fluid als Zweiphasengemisch vor, das eine flüssige Phase 18 und eine Gasphase 19 enthält (siehe Position I), wobei die Bildung der Gasphase 19 bereits saugseitig erfolgte. Das durch die Gasphase 19 vergrößerte Volumen des Fluids wird andeutungsweise durch die gestrichelte Linie 20 wiedergegeben. Kommt es zu einer Verbindung der mit dem Zweiphasengemisch gefüllten und unter Dampfdruck stehenden Förderkammer und dem Strömungskanal 8 (siehe Position II) , der mit der Ablaufbohrung 3 verbunden ist und in welchem der Förderdruck der Pumpe herrscht, so kommt es zu einer dem Druckunterschied entsprechenden Umkehr der Strömungsrichtung (siehe Pfeil Z) des Fluids in Richtung der unter Dampfdruck stehenden Förderkammer (Positionen I, II) . Dadurch übersteigt der Druck in der Förderkammer den Dampfdruck und die Gasblasen fallen durch Implosion zusammen. Diese Umkehr der Strömungsrichtung dauert an, bis die Gasblasen vollständig gefüllt sind (siehe Position III) . Die mit Drehung der Zahnräder 5, 6 einhergehende Volumenverkleinerung der

Förderkammer in Förderrichtung beschleunigt diesen Vorgang. Die Nutgeometrie im Nutverlauf trägt dazu bei, dass die Rückbefüllung der Kammern sanft erfolgt.

Die vorteilhaften Wirkungen der erfindungsgemäßen Ausgestaltung einer Innenzahnradpumpe lassen sich mithilfe des Diagramms der Fig. 4 belegen, in dem die Druckspitzen über Drehzahl angegeben sind. Die Linie 21 zeigt den mit steigender Drehzahl einhergehenden Anstieg der Druckspitzen in den Förderkammern einer Innenzahnradpumpe nach dem Stand der Technik. Die Linie 22 dagegen gibt den Verlauf der Druckspitzen bei einer Innenzahnradpumpe entsprechend der vorliegenden Erfindung wieder, wobei deutlich wird, dass das Auftreten von Druckspitzen erheblich verringert wird.

Claims

Patentansprüche :

1. Innenzahnradpumpe zum Fördern eines Fluids mit einem Pumpengehäuse (1), in dem ein innenverzahntes Außenzahnrad (5) und ein außenverzahntes und in Eingriff mit dem Außenzahnrad stehendes Innenzahnrad (6) drehbar gelagert sind, wobei das Innenzahnrad (6) weniger Zähne als das Außenzahnrad (5) aufweist und exzentrisch zum Außenzahnrad (5) angeordnet ist, so dass zwischen Innen- und Außenzahnrad Förderkammern (7) gebildet werden, deren Volumen sich jeweils bei Drehung der beiden

Zahnräder (5, 6) verändert, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (1) einen eine AblaufÖffnung (3) aufweisenden Anschlussdeckel (4) umfasst, in dem zur Verbesserung der Strömungsführung wenigstens eine als Strömungskanal ausgebildete und in Verbindung mit der Ablauföffnung (3) und wenigstens zwei benachbarten Förderkammern (7) stehende Nut (8) angeordnet ist, wobei die Nut (8) eine sich im Nutverlauf verändernde Querschnittsfläche aufweist, indem die Breite und/oder die Tiefe der Nut (8) zu- oder abnimmt.

2. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche der Nut (8) im Nutverlauf zur AblaufÖffnung (3) hin größer wird, indem vorzugsweise die Tiefe der Nut (8) zunimmt.

3. Innenzahnradpumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (8) entlang einer Kreisbahn ausgebildet ist, die vorzugsweise konzentrisch zum Außenzahnrad (5) verläuft.

4. Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlussdeckel (4) ferner eine Zulauföffnung (2) und im Bereich der ZulaufÖffnung (2) eine weitere als Strömungskanal ausgebildete Nut (9) aufweist, wobei vorzugsweise die Querschnittsfläche der Nut (9) im Nutverlauf gleich bleibt und/oder größer als die Querschnittsfläche der Nut (8) ist.

5. Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (1) an der dem Anschlussdeckel (4) gegenüber liegenden Stirnwandseite (10) im Hinblick auf die Anordnung von Nuten spiegelverkehrt zur Innenseite (11) des Anschlussdeckels (4) ausgebildet ist.

6. Innenzahnradpumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpengehäuse (1) einen dem Anschlussdeckel (4) gegenüber liegenden Lagerdeckel (12) aufweist, dessen Innenseite im Hinblick auf die Anordnung von Nuten spiegelverkehrt zur Innenseite (11) des Anschlussdeckels (4) ausgebildet ist.