WO2012066483A2 - Magnetisch angetriebene pumpenanordnung mit einer mikropumpe mit zwangsspülung und arbeitsverfahren - Google Patents

Magnetisch angetriebene pumpenanordnung mit einer mikropumpe mit zwangsspülung und arbeitsverfahren Download PDF

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Gerald Voegele
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    • F04C2/102—Rotary-piston machines or pumps of intermeshing-engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing of internal-axis type with the outer member having more teeth or tooth-equivalents, e.g. rollers, than the inner member the two members rotating simultaneously around their respective axes

Definitions

  • the invention relates to a pump arrangement with a micropump, which can be magnetically driven (claim 1). This micropump works for
  • the invention also relates to an associated method of operation of such a magnetically driven micropump, which method flow flow of the
  • the invention relates to a micropump which is adapted to be driven by a magnetic drive, inner magnet and outer magnet being the magnet components (claim 20).
  • inner magnet and outer magnet being the magnet components (claim 20).
  • Micropumps are on the order of magnitude barely larger than a thumbnail. Dimensions of less than 20 mm, in particular less than 10 mm (maximum dimension of a micropump) are specified and such pumping devices called micropumps are to be stored appropriately.
  • the channel is provided in the wall 30i as an inwardly open stepped bore and connects the
  • a pump arrangement with a micropump which can be magnetically driven (claim 1). It promotes a liquid medium.
  • the micropump is held by a bearing carrier called the base part.
  • the magnetic drive is from an outer magnet to an inner magnet, and the latter transmits the torque transmitted to it via the axial shaft to the micropump.
  • the bearing carrier has used three bearing pieces, which are connected by joining with him. These "radial bearings” cause the pivot bearing (also: guide) of the axial shaft and the micropump.
  • the radial bearing pieces are positioned and fixed in the bearing carrier, wherein one of the three bearings rotatably receives the outer rotor of the micropump.
  • This bearing for the outer rotor is arranged eccentrically to the shaft.
  • the inner rotor which is driven with the axial shaft, however, is arranged centrally to the axial shaft.
  • the pump itself includes the inner rotor and the outer rotor, both being intermeshed and rotating together, but at different speeds.
  • the outer rotor is accommodated in the "eccentric bearing” and held in front by a cover there stored.
  • the at least two further bearing pieces are provided for the shaft.
  • One of these bearings is closer to the inner magnet and the other of the bearings (each shaft bearing) is closer to the micropump.
  • both bearings are as far away from each other as possible to give the axial shaft good stability and concentricity.
  • Micropump and this term also includes that it is located near or at the micropump, even directly on the micropump for end support and storage. Claimed is not the term “near”, but a relation of the bearings with respect to the inner magnet and the pump.
  • a channel structure (or channel guide) is provided. This ensures (during operation) for a forced flow.
  • the channel structure has several sections, at least two of which are to be highlighted. A first
  • Channel section is arranged in the lid.
  • a second channel section is arranged in the bearing carrier.
  • Injection molding made of metal or plastic.
  • the bearings are formed integrally in the bearing carrier, so that they are not separate precision components, but arise directly during the manufacture of the bearing carrier. They are made of either metal or plastic. The resulting at least three axially
  • spaced radial bearings can also be called storage areas, which are integrally or integrally formed with the bearing carrier.
  • This micropump is also driven by an external magnet, which transmits a torque to an internal magnet which is axially spaced from the micropump.
  • This can be considered as a “magnetic coupling” or as a magnetic torque transmission (claim 2).
  • the pump is held by a frontally arranged lid in the eccentric bearing.
  • the channel structure as previously described, provides for the forced flow to actively flush the bearings with the fluid (the volume flow conveyed) and / or lubricate.
  • the channel structure is in the foreground (claim 25), which means that the pumped pumped by the pump fluid actively rinses or lubricates, namely the existing bearings, of which the claim calls at least three.
  • Two radial bearings are shaft bearings, one of these bearings is the outer rotor bearing
  • At least one channel section of the channel structure lies in said cover, a further channel section lies in the bearing bracket and is (also) arranged on the pressure side.
  • Joining technique claim 7,10.
  • gluing, welding or soldering is used to achieve the high tolerance requirements with regard to assembly technology.
  • the manufacturing costs of the individual parts can be reduced.
  • the lid which holds the front of the micropump in the eccentric bearing, is such a thrust bearing.
  • Ceramics are preferably used here as a material in order to
  • Shaft is no thrust bearing required. The forces acting on the shaft are adjusted so that such storage is dispensable.
  • the magnetic drive that is, the torque transmission from the outer magnet to the inner magnet, which is rotatably coupled via a bearing support with the shaft, could be an axial
  • Magnetic carrier and inner magnet are concentric and preferably centrally to the inner magnet, the one, pump-distant bearing is provided.
  • the outer magnet is preferably concentric to the inner magnet, outside of the hood-shaped cap, which is also called split pot.
  • Components prone to failure can preferably be dispensed with through the structure (claims 19, 22, 27). These are dynamic seals or shaft seals.
  • cooling of the hood (hood-shaped cap) can additionally take place from the inside.
  • the micropump can also convey hazardous media, crystallizing media or volatile media.
  • the hood-shaped housing part Pumped medium through the containment shell (the hood-shaped housing part), however, with other advantages.
  • the dead volume is minimized and the medium to be pumped (or better: the pumped medium) serves at the same time to cool the containment shell, the bearing surfaces and the magnets, as well as the lubrication of the bearing surfaces.
  • the containment shell may be omitted and an outboard enclosure is used. Through an opening, an electrical connection can be hermetically sealed
  • the inner magnet and outer magnet then both become inner magnets located within the surrounding housing. They differ as stator and rotor.
  • the outer magnet generates a rotating magnetic field and remains static.
  • the inner magnet rotates the shaft and lies inside the outer magnet.
  • the hood-shaped housing part (also: cap) must not be omitted even when the stator is stationary (with a rotating magnetic field), but may additionally be present. Due to the material used (usually metallic nature) are eddy currents in this
  • Heat development is, however, counteracted by the internal cooling on a very large inner surface of the split pot.
  • over 50%, usually much more, of the inner surface of the cap can be cooled (claim 28). A remnant is used to center the cap to the bearing carrier.
  • the first solution is designed so that the bearing carrier is made by injection molding of metal or plastic (claim 8). Nevertheless, the bearing carrier is made by injection molding of metal or plastic (claim 8). Nevertheless, the bearing carrier is made by injection molding of metal or plastic (claim 8). Nevertheless, the bearing carrier is made by injection molding of metal or plastic (claim 8). Nevertheless, the bearing carrier is made by injection molding of metal or plastic (claim 8). Nevertheless, the bearing carrier is made by injection molding of metal or plastic (claim 8).
  • Radial bearing pieces still made separately and formed as a precision bearing parts (claim 10). They are subsequently in the bearing carrier made of injection molding placed and thereby positioned and defined, including a method of joining technology
  • a large inner surface is understood to be at least 50% of an entire inner surface of the cap (claim 28). Preferably, however, more than 70% of the entire inner surface of the cap is coolable.
  • the hood-shaped cap can be omitted and another, hermetically sealed housing can be placed on the bearing carrier. Since no mechanical rotations must be coupled into the housing thus formed, but only electric power is supplied to the inner rotor and outer rotor are together in a - formed by such a type - housing.
  • the bearing carrier is produced by injection molding from, for example, a thermoset.
  • a heating coil - as an example of a heating element
  • (Claim 21) - can be integrated. By heating the pumped medium, the cold start capability of the pump can be improved or even made possible. The heating takes place via the solid / liquid phase transition.
  • Claim 25 meet the requirements for low tolerances for the reliable operation of the micropump and the use in long-term applications.
  • Virtually (or almost) all types of fluid pumped media can be conveyed with the described pumps (claim 5): particularly dangerous media, crystallizing media, for example urea, or volatile media, for example methanol, and also preferably using a heating element Media that are not recoverable when cold, such as urea, water or methanol (as in the automobile).
  • the torque transmission of outer magnet and inner magnet (claim 2) may preferably be designed as a central rotary coupling (claim 3,11).
  • the hood-shaped housing part can be omitted.
  • an internal gear pump can be used (claim 5), cf.
  • the shaft is torsionally rigidly connected to the inner rotor and also torsionally rigid with the magnetic carrier and the inner magnet sitting on it.
  • an internal gear pump with involute toothing is used.
  • the inner magnet can be in one or more parts (claim 13). It is arranged on a support (claim 6). Preferred materials of the inner magnet are hard ferrite or higher quality magnetic materials. In a multi-part inner magnet, a plurality of annularly arranged individual magnets can be put together. If only one inner magnet is used, a ring magnet can preferably be used. Also, "plate-shaped" magnets (as magnet pieces) of higher quality magnetic material, e.g. NdFeB (as an example of a rare earth magnet) or SmCo (samarium cobalt) may be assembled as segments to form an annular inner magnet.
  • NdFeB as an example of a rare earth magnet
  • SmCo sinarium cobalt
  • the channel structure which - branched off from the pressure side of the micropump
  • the further axial channel section in the bearing carrier leads the fluid to the outlet.
  • an even further axial channel section is provided here (claim 17), which extends in the cover and forms the pressure-side outlet.
  • the aforementioned first channel section in the cover is a radially directed channel section from the pressure side of the micropump.
  • the bearing carrier has around the axis a concentrically formed elevation or extension (claim 29), which preferably carries at its end the first bearing, which is opposite to the magnetic carrier and is fixed in a torsionally rigid manner on the shaft.
  • a reduced radial dimension of the increase or extension is circumferentially formed an annular space (claim 30), in the axially a much longer inner magnet can be used, whose axial length is longer than that of the magnetic carrier.
  • Bearings which form the shaft bearing, are chosen as large as possible.
  • suction-side opening in the housing cover is just as the pressure-side outlet.
  • inlet is in alignment of the micropump.
  • the outlet is radially opposite the
  • the axial channel sections in the bearing carrier are circumferentially staggered arranged (claim 31).
  • Figure 1 is a vertical section through a first example of a magnetic
  • the bearing carrier 22 is the center of the structure, above is a dome-shaped housing portion 24 and below a lid 26 which abuts axially on the micropump P with the outer rotor 80.
  • the hood-shaped housing section which is also referred to below as the containment shell, is part of a housing 20, which includes containment shell 24, bearing support 22 and cover 26.
  • FIG. 2 is a view from the lid side (in Figure 1 from below), wherein the
  • FIG. 2 a sectional plane III-III is shown, which is shown in FIG. 3, the cutting guide having three bending lines A, B and C, which are to be taken into consideration when viewing FIG.
  • a section III T - * corresponds to III that does not kink, but just runs centrally.
  • FIG. 2a is a fragmentary enlargement of the center of FIG.
  • FIG. 2 made statements to clarify.
  • the micropump P appears here, which has an outer rotor 80 and an inner rotor 82.
  • the shaft 10 as an axial reference of the arrangement engages positively with a polygonal section 10a in a correspondingly shaped inner opening of the inner rotor 82 in order to drive this.
  • FIG. 3 is the sectional view with the sectional view III-III from FIG. 2 and the bending lines A, B and C to be considered, as shown there.
  • Micropump also drawn as a purge flow F * .
  • the associated channel structure 23 is often used synonymously for the flow guidance of the liquid conveying medium, which follows the channel structure 23.
  • the channel structure 23 consists of several sections to be explained.
  • Figure 4 is another embodiment, as the arrangement of Figures 1 and
  • FIG. 5 is a further exemplary embodiment with a stationary housing
  • Stator magnet 48 which is capable of generating a magnetic rotating field and the inner magnet 40 drives upon transmission of torque.
  • the electrical generation of the rotating field is the access to the
  • Embodiment is.
  • liquid conveying medium which may have different material compositions, but is suitable for conveying with a micropump.
  • this is for example urea, water or methanol.
  • Dangerous media for example in chemistry, crystallizing media, for example the mentioned urea in the automotive industry, or volatile media, for example methanol in fuel cell technology, can equally be promoted with the exemplary embodiments described below.
  • FIG. 1 shows as a central component a shaft 10 which is arranged in the axis of the structure.
  • All three mentioned bearings 1, 2 and 3 are designed as bearing pieces, which are precision bearing parts. They are used separately in the bearing carrier 22 and fixed there by means of a joining technique after positioning.
  • the joining technique is gluing, soldering or welding.
  • the materials used for the precision bearings are oxide ceramics, non-oxide ceramics, metal or even plastic. Examples of
  • Oxide ceramics are alumina or zirconia. In a particular embodiment, be expected at high wear or desired long life
  • the construction of the housing 20 in FIG. 1 initially comprises the three components:
  • the bearing carrier is designed so that it receives the three radial bearings 1, 2 and 3 mentioned and represents the core of the magnetically driven micropump, respectively the associated housing structure.
  • the bearing carrier can be tolerated relatively coarse and be made of less solid materials, such as aluminum or plastic. The precision and accuracy to be obtained is achieved by installing the bearing pieces, which are connected to the bearing bracket 22 by joining.
  • the bearing carrier 22 also serves as a receptacle of all static seals in the
  • FIGS are not named separately, but are immediately apparent to the skilled person. These are O-rings and seals for fixing the lid 26, the dome-shaped cap 24 (also called gap sheath) and the magnetic drive unit, which can be seen for example in Figure 4 with its lower portion and a rotatable outer magnet 44.
  • the magnetic drive system is placed within the dome-shaped cap 24 about the shaft 10 at its upper end.
  • the wave here has a "pump distant” or “rotorfernes”
  • the drive is from the outside (not shown in Figure 1) and acts as a coupling torque, in particular as a central rotary coupling, wherein the inner magnet 40 and an illustrated in Figures 4 and 5 outer magnet 44 or 48 concentric with each other are arranged.
  • a central rotary coupling is used when the outer magnet and the inner magnet rotate together. They are then arranged concentrically with each other.
  • the inner magnet 40 is formed axially longer than a carrier 42 for this inner magnet, which is rotatably connected to the shaft 10 and which is also rotatably connected to the inner magnet 40.
  • This inner magnet carrier is made axially shorter and is at the upper end, but not touching, but leaving a gap near the top
  • the placement of the pump remote bearing 2 takes place at a concentric with the hood-shaped cap arranged increase or extension 22a. At its (upper) end it carries said bearing piece 2 and leaves an annular gap with respect to the inner magnet carrier 42.
  • the elevation or extension is geometrically also formed so that it forms a cylindrical annular gap relative to the inner magnet 40.
  • the inner magnet 40 in turn has an axial distance for the retention of an annular space 23 d, which is a portion of a
  • Channel structure 23 forms, which will be described later.
  • Hood-shaped cap can be traversed by a fluid, as far as no geometric parts, which are described above, take place there.
  • a fluid as far as no geometric parts, which are described above, take place there.
  • dome-shaped cap 24 which can be cooled by a fluid flow to be described, including said cylindrical annular gap outside the
  • Inner magnet 40 is provided.
  • the shaft 10 has between the two bearing pieces 1,2 an annular space 22b, which is dimensioned radially larger than a diameter of the shaft 10th
  • the shaft 10 is arranged centrally relative to the hood-shaped cap 24, the
  • FIGS 2,2a show the pump P with inner rotor and outer rotor 80,82 and also the characteristic for a gerotor pump extension and taper of the rotating
  • Internal gear pump can be used, which is not shown separately in the figures.
  • the outlet of the pump P opens into a pressure kidney, which can be seen in FIG. 2a, which leads into a radial channel section 23b.
  • Said sections 23a, 23b are sections of the channel structure 23, which leads the fluid guide from the inlet F u (suction side) to the outlet F D (pressure side).
  • the pressure side F D ' At the outlet of the pump P in the radial channel section 23b is the pressure side F D '. Between F D 'and F D is another section of the channel guide 23, which extends through the bearing bracket 22 and - in the example - two axial channel sections 23c and 23e. These two
  • Channel sections are clearly visible in FIG. 2a. They are circumferentially offset from each other, but both extend in the axial direction in the bearing carrier 22nd
  • the axial section of Figure 3 is explained with reference to FIG 2.
  • the sectional plane III-III has three kinks or lines A, B and C.
  • A lies in the center of the axis, respectively the shaft 10.
  • the second bending line B is located in the center of the first axial portion 23c of the fluid guide (the channel structure 23).
  • the second crease line lies in the second axial section 23e of the channel structure 23.
  • the lid 26 further axial portions of the channel structure 23 can be seen. On the
  • the portion 23 a is provided on the pressure side of the arrangement of FIG. 3, an additional axial section 23 f is provided in the cover 26.
  • Another radial portion of the channel guide 23 is the transfer of the immediate pressure outlet of the pump P along the portion 23 b of the channel structure 23, toward the first axial portion 23 c in the bearing bracket 22nd
  • the described bearings 1, 2 and 3 are lubricated or rinsed. Both.
  • the containment shell 24 (as a hood-shaped cap of the housing 20) is cooled from the inside, wherein the cooling surface is at least 50% of the entire inner surface of the hood 24, but preferably above 70%. This is evident at a first elevation 22c of the bearing carrier 22, which rejuvenates into the elevation or extension 22a previously described.
  • the hood 24 touches on a piece of contact and is fastened to the bearing carrier 22 with the circumferential hold-down 21 and correspondingly positioned screws, of which a screw 22 "can be seen in FIG. Circumferential, not separately numbered, but to be recognized by the hatch, static seals can be seen in all figures.
  • the fluid F on the pressure side is supplied as pressurized fluid F D 'not equal to the outlet in the lid 26, but only the aforementioned annular space 23d which is interposed between an upper surface of the bearing carrier (between the shoulders 22c and 22a, and a downwardly facing surface of the
  • This section 23d is flat and belongs to
  • the axial portion 23c leads to this flat annular space 23d pressurized fluid, which is distributed in the remaining free spaces within the "hood" 24 and flows through it. It can flow off again via the second axial channel section 23e and via the axial channel section 23f in the cover 26 on the outlet side or pressure side of the outlet side
  • Micropump assembly to be supplied with bearings according to the figures.
  • Much of the inner surface of the cylindrical wall 24a of the dome-shaped cap 24 can be cooled in this way.
  • the liquid conveying medium is sucked in through the housing cover 26 on the suction side and fed to the axial channel section 23a in the micropump P with rotors 82, 80, respectively drawn in by it. It follows the rotating delivery chambers according to Figure 2a of the micropump (also called “pump” for short) and is the pressure-side section of
  • an aligned channel portion 23f which is the continuation of the axial channel portion (or channel segment) 23e.
  • Shaft end of the shaft 10 ensures a forced flushing F 'and, consequently, a lubrication of the bearings 1, 2 by the liquid conveying medium.
  • flushing flow F ' follows the pressure gradient between a delivery pressure in the can (within the hood 24) and the low pressure in the region of the rotor bearing (the intake side).
  • the medium flowing through the containment shell 24 simultaneously serves to cool the containment shell and the inner magnet 40.
  • the split pot can also be omitted.
  • the hood-shaped cap is still shown, but is unnecessary due to the drive shown there and could be omitted.
  • This embodiment, not shown, is possible in that an outer housing 20 'is formed, which arises outside the outer magnet 48 and is sealingly connected to the bearing carrier. This can be done by a screw, of the two Screws 22 "'are visible, the hold-down 21 and the hood-shaped cap 24 fall away.
  • Both the outer magnet 48, the current carrying windings 49 carries (which is not shown), as well as the inner magnet 40 are then arranged in the same space and with their
  • a heating coil 72 is disposed around the shaft in the bearing bracket 22.
  • Another heating coil 71 may be located closer to the lid 26 and surround the pump P.
  • the heating coils 71, 22 are electrically conductive resistance windings, which with
  • Electricity is applied. This can also be supplied via the connection cover 91.
  • this example corresponds to the embodiment of that of FIGS. 1 and 2.
  • the integrated heaters 71 and / or 72 which may be present individually or in combination, improve the cold start capability of the pump when thick or viscous
  • the heater can be used in conjunction with a bearing support 22, which is produced by injection molding, for example. Of metal or plastic.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment which shows the structure of FIGS
  • a motor 95 can be seen as a drive on a superordinate housing structure 20 *, which with a motor shaft 94 mechanically into a cover plate 29 of this
  • Housing structure 20 * engages and over a radially widening
  • Outside magnetic carrier 45 can rotate a rotating outer magnet 44.
  • the motor 95 is actuated by an electric control 96, which can be seen in the detail in FIG. 2 and is preferably placed at the upper end of the motor 95.
  • inner magnet 40 and outer magnet 44 are concentric with each other and in the axial
  • the superordinate housing structure 20 * is mechanically sealingly connected to the bearing carrier 22. This can be done again by a screw, of the two
  • the lower surface of the bearing bracket 22 is 22d.
  • the lid 26 is placed to achieve both the axial guidance of the channel sections 23e and 23b, as well as the axial
  • Section 23 a lead to the suction side of the pump P and also to guide the radial channel portion 23 b to the pressure-side outlet side of the pump P.
  • the inner magnet 40 arranged above the magnet carrier 42 is preferably made in one piece (made from one piece). It can consist of hard ferrite. Another structure is the use of the encapsulation of a plastic-bonded magnetic material around the shaft end (in the region of the outer magnet 44) and without shaft-side magnet carrier. Further alternatively, the inner magnet 40 may be made of several parts. These several parts are held on the magnetic carrier 42. For this purpose, a plurality of ring-shaped individual magnets (as segments or
  • the assembly of the plurality of individual magnetic pieces (in the form of "plate-shaped" magnets), which are made of higher-value magnetic material, can be carried out on the magnetic carrier 42.
  • Rare earth magnets are examples of such platelet magnets.
  • the individual magnets can additionally be coated or encapsulated. Such magnets would only be considered as too
  • the inner magnet 40 is the case in all embodiments.
  • the outer magnet 44 this is the case only when it flows around as a stator 48 and without hood-shaped cap 24 from the conveying fluid.
  • bearings can be integrated into the bearing carrier, without the need for additional bearing components (previously called “bearing pieces”).
  • bearing pieces previously called “bearing pieces”

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Abstract

Es isteinetechnische Problemstellung (Aufgabe)der Erfindung, einen kostengünstigen Aufbau einer Pumpenanordnung mit der Mikropumpe zu erreichenund mit einer minimalen Anzahl von Komponenten auszukommen, die fertigungstechnisch möglichst einfach ausgeführt sind und montagetechnisch präzise zusammengefügt werden können. In einem besonderen Aspekt der Aufgabenstellung soll Fertigungsaufwand durch Montageaufwand zumindest teilweise substituiert werden, wodurch notwendige enge Toleranzen auch erreicht werden. Diese sind für Mikrosysteme und Mikropumpen ein sine-qua-non. In einem weiteren Aspekt dieser Aufgabenstellung ist die Mikropumpe im Lagerbereich auch zu spülen oder zu schmieren, was bei Drehzahlen oberhalb von 5.000U/min ein durchaus beachtenswertes Problem darstellt. Vorgeschlagen wird dazu eine Pumpenanordnung mit einer magnetisch antreibbaren Mikropumpe (P) zur Förderung eines liquiden Fördermediums und mit einem Lagerträger (22) als Basisteil, wobei ein Außenmagnet (44) und ein Innenmagnet (40) vorgesehen sind, die eine Drehbewegung auf die Mikropumpe (P) über eine axiale Welle (10) übertragen. Im Lagerträger (22) sind drei Radiallagerstücke(1,2,3) zur Drehlagerung (Führung) der Welle (10) und der Mikropumpe (P) positioniert und festgelegt, wobei eines der Lager (3) den Außenrotor (80) der Mikropumpe drehfähig aufnimmt und exzentrisch zur Welle (10) angeordnet ist. Die Mikropumpe (P) wird von einem stirnseitig angeordneten Deckel (26) im exzentrischen Lager (3) gehalten. Eine Kanalstruktur(23) für eine Zwangsströmungist vorgesehen, welche druckseitig zumindest einen radialen Kanalabschnitt (23b) im Deckel (26) und einen axialen Kanalabschnitt (23c,23e) im Lagerträger (22) aufweist, um die Lager (1,2,3) aktiv mit dem Fördermedium zu spülen und/oder zu schmieren. Eines der Lager (2) ist näher dem Innenmagneten (40) angeordnet und/oder ein anderes der Lager ist näher der Mikropumpe (P) angeordnet.

Description

Magnetisch angetriebene Pumpenanordnung mit einer Mikropumpe
mit Zwangsspülung und Arbeitsverfahren.
Die Erfindung befasst sich mit einer Pumpenanordnung mit einer Mikropumpe, die magnetisch angetrieben werden kann (Anspruch 1). Diese Mikropumpe arbeitet zur
Förderung eines Volumenstroms eines liquiden Fördermediums, das mehr oder weniger viskos sein kann. Die Erfindung betrifft auch ein zugehöriges Arbeitsverfahren einer solchen magnetisch angetriebenen Mikropumpe, welches Verfahren den Ström ungsfluss der
Zwangsströmung beanspruchen kann, da dieser nur im Betrieb der Mikropumpe auftritt (Anspruch 32). Mit der Zwangsströmung ist der Fluss des mehr oder weniger viskosen Fördermediums gemeint. Schließlich betrifft die Erfindung eine Mikropumpe, die angepasst ist, mit einem Magnetantrieb angetrieben zu werden, wobei Innenmagnet und Außenmagnet die Magnetbauteile sind (Anspruch 20). Eine besonders hervorgehobene Kanalstruktur für die genannte Zwangsströmung des fluiden Fördermediums ist ebenfalls herausgestellt
(Anspruch 25).
Im Stand der Technik stellt sich die Lagerung der genannten Mikropumpen als problematisch dar. Mikropumpen sind in einer Größenordnung, die kaum grösser als ein Daumennagel ist. Abmessungen unter 20 mm, insbesondere unter 10 mm (Höchstmaß einer Abmessung der Mikropumpe) sind vorgegeben und solche Mikropumpen genannten Pumpeneinrichtungen sind passend zu lagern.
Zugehörig sind Vorschläge im Stand der Technik unterbreitet worden, vgl. WO 02/057631 A2 (HNP Mikrosysteme). Dort sind Präzisions-Lagerbauteile gesondert gefertigt und in einen weniger präzisen Träger oder Halter eingesetzt. Die dortige Erfindung, vgl. dort Seite 2, die ersten vier Absätze, spricht von ungenau gefertigtem Stator und von einfachen, präzisen Hülsen, die mechanisch präzise gefertigt sind. Letztere werden in Ersteren eingesetzt und durch Fügen mit ihm verbunden (Löten, Kleben, Einpressen). Dadurch kann erreicht werden, dass höchste Genauigkeit mit überschaubaren Kosten und geringe Fertigungstiefe oder Fertigungskomplexität geschaffen werden. In den dortigen Figuren 2, 5 wird eher beiläufig ein axialer Kanalabschnitt, dort 22b, gezeigt, der eine Rückströmung von Fluid von einer
Zwischenkammer (dort Figur 2, zwischen 10 und 24) zur Saugseite ermöglicht. Der Kanal ist in der Wand 30i als nach innen offene Stufenbohrung vorgesehen und verbindet die
Zwischenkammer mit der Saugseite zur Rückführung von Fluid in das Mikrosystem, vgl. dort auch Absatz [74]. Es ist eine technische Problemstellung (Aufgabe) der Erfindung, einen kostengünstigen Aufbau einer Pumpenanordnung mit der Mikropumpe zu erreichen und mit einer minimalen Anzahl von Komponenten auszukommen, die fertigungstechnisch möglichst einfach ausgeführt sind und montagetechnisch präzise zusammengefügt werden können. In einem besonderen Aspekt der Aufgabenstellung soll Fertigungsaufwand durch Montageaufwand zumindest teilweise substituiert werden, wodurch notwendige enge Toleranzen auch erreicht werden. Diese sind für Mikrosysteme und Mikropumpen ein sine-qua-non. In einem weiteren Aspekt dieser Aufgabenstellung ist die Mikropumpe im Lagerbereich auch zu spülen oder zu schmieren, was bei Drehzahlen oberhalb von 5.000 U/min ein durchaus beachtenswertes Problem darstellt.
Als (erste) Lösung wird eine Pumpenanordnung mit einer Mikropumpe vorgeschlagen, die magnetisch angetrieben werden kann (Anspruch 1). Sie fördert ein liquides Fördermedium. Die Mikropumpe wird von einem Lagerträger gehalten, der Basisteil genannt wird. Der magnetische Antrieb erfolgt von einem Außenmagneten auf einen Innenmagneten, und Letzterer überträgt das auf ihn übertragene Drehmoment über die axiale Welle auf die Mikropumpe. Der Lagerträger hat drei Lagerstücke eingesetzt, die durch Fügen mit ihm verbunden sind. Diese "Radiallagerstücke" bewirken die Drehlagerung (auch: Führung) der axialen Welle und auch der Mikropumpe. Die Radiallagerstücke sind positioniert und im Lagerträger festgelegt, wobei eines der drei Lager den Außenrotor der Mikropumpe drehfähig aufnimmt. Dieses Lager für den Außenrotor ist exzentrisch zur Welle angeordnet. Der Innenrotor, der mit der axialen Welle angetrieben wird, ist dagegen zentrisch zur axialen Welle angeordnet. Die Pumpe selbst beinhaltet den Innenrotor und den Außenrotor, wobei beide miteinander verzahnt sind und miteinander drehen, indes mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten.
Der Außenrotor wird im "exzentrischen Lager" aufgenommen und stirnseitig von einem Deckel dort lagernd gehalten. Die zumindest zwei weiteren Lagerstücke sind für die Welle vorgesehen. Eines dieser Lager ist dem Innenmagnet näher und das andere der Lager (jeweils Wellenlager) ist der Mikropumpe näher. Bevorzugt sind beide Lager möglichst weit voneinander entfernt, um der axialen Welle eine gute Stabilität und Konzentrizität zu geben.
Mit den Begriffen, dass sich ein Lager näher am Magneten und ein anderes Lager näher der Mikropumpe jeweils befindet, wird eine Relativbeziehung zum Ausdruck gebracht. Natürlich kann dabei das eine Lager "nahe" dem Innenmagneten sein, oder aber von einem
ringförmigen Magneten umgeben sein (dann hat das Radiallager ein geringes radiales Maß). Das ist vom Begriff der Relation durchaus umfasst. Das andere Lager ist näher der
Mikropumpe und dieser Begriff umfasst auch, dass es nahe oder bei der Mikropumpe, sogar unmittelbar an der Mikropumpe zur stirnseitigen Stützung und Lagerung angeordnet ist. Beansprucht ist indes nicht der Begriff "nahe", sondern eine Relation der Lager zueinander mit Blick auf den Innenmagneten und die Pumpe.
Zur Ermöglichung einer Spülung oder Schmierung ist eine Kanalstruktur (oder: Kanalführung) vorgesehen. Diese sorgt (im Betrieb) für eine Zwangsströmung. Die Kanalstruktur hat mehrere Abschnitte, von denen zumindest zwei hervorgehoben werden sollen. Ein erster
Kanalabschnitt ist im Deckel angeordnet. Ein zweiter Kanalabschnitt ist im Lagerträger angeordnet. Damit ermöglicht die Kanalführung im Sinne der Kanalstruktur ein Ableiten des fluiden Fördermediums auf der Druckseite über den Deckel und den Lagerträger zur
Ermöglichung einer Spülung und/oder Schmierung aller drei genannten Lager.
Mit einer weiteren, unabhängigen Lösung (Anspruch 20) werden dieselben Probleme gelöst, nur mit einer anderen Art von Lagern und Lagerträgern. Der Lagerträger ist durch ein
Spritzgießen aus Metall oder Kunststoff hergestellt. Während des Spritzgießens werden die Lager im Lagerträger integriert gebildet, sodass sie keine gesonderten Präzisionsbauteile sind, sondern unmittelbar bei der Herstellung des Lagerträgers entstehen. Sie werden dabei aus entweder Metall oder Kunststoff gebildet. Die entstehenden zumindest drei axial
beabstandeten Radiallager können hierbei auch Lagerbereiche benannt werden, die einstückig oder integriert mit dem Lagerträger ausgebildet sind.
Sie sind an zwei Stellen für die Lagerung der Welle und an einer Stelle für die Lagerung des Außenrotors und der Mikropumpe ausgebildet und angepasst. Diese ist drehfähig in dem exzentrischen Lager (bezogen zur Welle) angeordnet.
Angetrieben wird auch diese Mikropumpe von einem Außenmagnet, der ein Drehmoment auf einen von der Mikropumpe axial beabstandeten Innenmagnet überträgt. Dies kann als "magnetische Kupplung" angesehen werden, oder aber als eine magnetische Drehmoment- Übertragung (Anspruch 2).
Auch bei dieser Variante der Erfindung wird die Pumpe von einem stirnseitig angeordneten Deckel im exzentrischen Lager gehalten. Auch hier sorgt die Kanalstruktur, wie zuvor umschrieben, für die Zwangsströmung, um die Lager aktiv mit dem Fördermedium (dem geförderten Volumenstrom) zu spülen und/oder zu schmieren.
Die beiden Lager für die Welle sind deutlich beabstandet. Ein Lager ist nahe, insbesondere sogar innerhalb des Innenmagneten, und Bestandteil des Lagerträgers. Das andere Lager ist nahe oder unmittelbar bei der Mikropumpe und Bestandteil des Lagerträgers. In einem dritten Aspekt der Erfindung steht die Kanalstruktur im Vordergrund (Anspruch 25), die dazu führt, dass das von der Pumpe geförderte Fördermedium aktiv spült oder schmiert, und zwar die vorhandenen Lager, von denen der Anspruch zumindest drei nennt. Zwei Radiallager sind Wellenlager, eines dieser Lager ist das Lager für den Außenrotor der
Mikropumpe. Zumindest ein Kanalabschnitt der Kanalstruktur liegt im genannten Deckel, ein weiterer Kanalabschnitt liegt in dem Lagerträger und ist (auch) druckseitig angeordnet.
Weitere Kanalabschnitte können hinzutreten.
Die funktionsbestimmenden Toleranzen sind bei zwei der drei Aspekte der Erfindung
(Anspruch 1, Anspruch 25) auf drei Präzisionslager vereint. Wichtige Maße werden durch eine präzise Montage dieser Präzisionslager zueinander hergestellt. Nach Positionierung erfolgt die Verbindung der Präzisionslager mit dem Lagerträger durch ein Fügeverfahren (eine
Fügetechnik, Anspruch 7,10). Beispielsweise wird eine Klebung, ein Schweißen oder ein Löten angewendet, um die hohen Anforderungen an die Toleranz montagetechnisch zu erreichen. Die Fertigungskosten der Einzelteile können dabei gesenkt werden.
Es kann bei dem genannten Aufbau auch eine Reduzierung der Anzahl notwendiger Axiallager stattfinden. Der Deckel, der stirnseitig die Mikropumpe in dem exzentrischen Lager hält, ist ein solches Axiallager. Bevorzugt kommt hier Keramik als Werkstoff zum Einsatz, um
Verschleiß zu minimieren. Auf der Wellenseite am rotorfernen (pumpenfernen) Ende der
Welle ist kein Axiallager erforderlich. Die auf die Welle wirkenden Kräfte werden so eingestellt, dass eine solche Lagerung entbehrlich ist.
Es kommen folgende Kräfte in Betracht, die auf die Welle wirken können. Eine axiale
Kraftkomponente des Innenrotors der Pumpe. Durch den Schiebesitz (Polygon) werden bei der Drehung der Pumpe indes keine axialen Kräfte auf die Welle übertragen. Der magnetische Antrieb (also die Drehmoment-Übertragung vom Außenmagnet auf den Innenmagnet, der über einen Lagerträger mit der Welle drehfest gekoppelt ist), könnte eine axiale
Kraftkomponente entstehen lassen. Wenn die axialen Positionen von Innenmagnet und Außenmagnet aber so abgestimmt werden, dass keine axiale Kraftkomponente entsteht, fehlt auch hier die Notwendigkeit, eine solche Kraftkomponente von einem Axiallager
aufzunehmen. Stützend für das Fehlen eines solchen weiteren Axiallagers ist das entstehende Druckgefälle des Fördermediums innerhalb der Gehäuseanordnung, die aus dem Lagerträger, einem darauf aufgesetzten, haubenförmigen Kappenteil und einem gegenüberliegenden Deckel gebildet wird (Ansprüche 19,21,26).
Es ergeben sich eine hermetische Abdichtung und ein sich aufbauender Druck innerhalb des Gehäuses, der durch die Arbeit der Pumpe und die vorhandenen Kanalabschnitte zur
Zwangsströmung entsteht. Am pumpenfernen Ende der Welle, dies ist das antriebs- oder magnetseitige Ende der Welle, wird ein sich aufbauender Druck ein Druckgefälle zum rotorseitigen Ende der Welle erzeugen, wodurch die Welle im Betrieb durch das sich dabei aufbauende Druckgefälle in Richtung zur Pumpe gedrückt wird. Dort ist für die Pumpe und für das pumpenseitige Ende der Welle ein Axiallager durch den Deckel gegeben. Ein weiteres Axiallager am anderen Ende der Welle kann entfallen.
Zu erwähnen wäre, dass die Welle naturgemäß drehstarr oder drehfest mit dem
Innenmagneten gekoppelt sein muss, was über einen Magnetträger geschieht (Anspruch 6). Magnetträger und Innenmagnet sind konzentrisch aufgebaut und bevorzugt mittig zum Innenmagneten ist das eine, pumpenferne Lager vorgesehen. Der Außenmagnet ist bevorzugt konzentrisch zum Innenmagneten, außerhalb der haubenförmigen Kappe, der auch Spalttopf genannt wird.
Störanfällige Bauteile können durch den Aufbau bevorzugt entbehrlich werden (Ansprüche 19, 22, 27). Es sind dies dynamische Dichtungen oder Wellendichtungen. Dadurch, dass die Pumpe einerseits von dem Deckel hermetisch abgedichtet ist und ihren Sitz im Lagerträger hat, der Lagerträger andererseits gegenüber dem Deckel und konzentrisch zur Welle eine haubenförmige Kappe als Spalttopf besitzt, der ebenfalls über statische Dichtungen mit dem Lagerträger verbunden ist, kann der Haubenbereich den Innenmagneten aufnehmen und vollständig von dem fluiden Fördermedium durchströmt werden, das auf der Druckseite der rotierenden Pumpe über die genannten Kanalabschnitte austritt. Hierdurch kann zusätzlich eine Kühlung der Haube (haubenförmigen Kappe) von innen her erfolgen.
Durch den hermetischen Aufbau mit ausschließlich statischen Dichtungen (Spalttopf zum Lagerträger und Deckel zum Lagerträger) kann die Mikropumpe auch gefährliche Medien, kristallisierende Medien oder leicht flüchtige Medien fördern.
Auch Langzeitanwendungen werden möglich, wenn die genannten verschleißanfälligen dynamischen Dichtungen wegfallen. Die Folge davon ist das aktive Durchströmen des
Fördermediums durch den Spalttopf (das haubenförmige Gehäuseteil), indes mit weiteren Vorteilen. Das Totvolumen wird minimiert und das zu fördernde Medium (oder besser: das geförderte Medium) dient gleichzeitig der Kühlung des Spalttopfes, der Lagerflächen und der Magnete, wie auch der Schmierung der Lagerflächen.
Die zuvor umschriebene Kraftauswirkung durch Druckunterschied (Druckgefälle) ist ein weiterer sich ergebenden Vorteil. Entlang der Welle kann durch den gegebenen
Druckunterschied zwischen dem Bereich des Spalttopfes (oder besser: Dem Bereich des Innenmagneten) und dem rotorseitigen Wellenende ein Spülstrom entstehen, der durch die Lagerbauteile der Welle führt. Die Welle ist dabei dennoch in den Lagerbauteilen gelagert, dreht sich aber in einem
Hohlraum zwischen den Lagerbauteilen, durch den der axiale Spülstrom verläuft.
Bei der Lösung der Erfindung, die mit integrierten Lagern im Lagerträger arbeitet
(Anspruch 20), wird zumindest die Kanalstruktur und die Zwangsströmung zur Kühlung, Spülung und Schmierung der Lagerstellen ermöglicht.
Durch Einsatz eines statischen Antriebes mit einem Stator, der ein rotierendes Magnetfeld erzeugt, ohne rotierende Bauteile zu haben, wird ein minimaler Bauraum erzielt. In einer solchen Anwendung kann der Spalttopf entfallen und es wird ein außenliegendes Gehäuse verwendet. Durch eine Öffnung kann ein elektrischer Anschluss hermetisch dicht
hineingeführt werden, der den Stator mit Strom versorgt zur Ausbildung des rotierenden Magnetfeldes und zur Übertragung auf den Innenmagneten, der über den Magnetträger mit der Welle drehstarr gekoppelt ist.
Der Innenmagnet und der Außenmagnet werden dann beide zu Innenmagneten, die innerhalb des umliegenden Gehäuses gelegen sind. Sie unterscheiden sich als Stator und Rotor. Der Außenmagnet erzeugt ein drehendes Magnetfeld und bleibt statisch. Der Innenmagnet dreht die Welle und liegt innerhalb des Außenmagneten.
Bei dieser Art des Antriebs wird ein minimaler Bauraum erzielt, allerdings sollte bei Wegfall des haubenförmigen Gehäuseteils (des Spalttopfes) eine Beschichtung der Antriebswicklung des Außenmagneten erfolgen, um gegenüber den Fördermedien Resistenz zu haben und Langzeitanwendungen zu ermöglichen.
Das haubenförmige Gehäuseteil (auch: Kappe) muss auch bei stehendem Stator (mit rotierendem Magnetfeld) nicht entfallen, sondern kann zusätzlich anwesend sein. Aufgrund des verwendeten Werkstoffs (meist metallischer Natur) sind Wirbelströme in diesem
Spalttopf nicht zu vermeiden, die zu Wärmeentwicklung führen. Einer solchen
Wärmeentwicklung wird indes durch die Innenkühlung auf einer sehr großen Innenfläche des Spalttopfes entgegengewirkt. In bevorzugter Ausführung kann über 50%, meist wesentlich mehr, der Innenfläche der Kappe gekühlt werden (Anspruch 28). Ein Reststück wird dazu verwendet, die Kappe mit dem Lagerträger zentrierend zu verbinden.
In einer Option wird die erste Lösung so gestaltet, dass der Lagerträger durch ein Spritzgießen aus Metall oder Kunststoff hergestellt wird (Anspruch 8). Gleichwohl werden die
Radiallagerstücke noch immer gesondert hergestellt und als Präzisionslagerteile ausgebildet (Anspruch 10). Sie werden nachträglich in dem aus Spritzguss hergestellten Lagerträger platziert und dabei positioniert und festgelegt, wozu ein Verfahren der Fügetechnik
Anwendung finden kann, die Radiallagerstücke zuverlässig und genau in den Lagerträger anzuordnen.
Auch eine Option und bevorzugte Gestaltung ist bei der ersten Lösung die Anwesenheit eines Heizelementes, das indes in einem spritzgegossenen Lagerträger anzuordnen ist (Anspruch 9). Mit ihm wird eine Erwärmung des noch wenig liquiden oder kaum liquiden Fördermediums erreicht, um die Kaltstartfähigkeit der Mikropumpe zu verbessern.
Zur Umschreibung des begrifflichen Inhalts der Mikropumpe wird auf Anspruch 14 verwiesen. Dieser ist mit Bezug auf die Erfindungen (Anspruch 1, 20, 25) hier stützend einbezogen, und zwar auf jede der Erfindungen gesondert. Mit Bezug auf die Kühlfähigkeit der haubenförmigen Kappe ist eine große Innenfläche so zu verstehen, dass sie zumindest 50% einer gesamten Innenfläche der Kappe beträgt (Anspruch 28). Bevorzugt ist aber mehr als 70% der gesamten Innenfläche der Kappe kühlfähig. Bei der Ausführungsform mit einem stehenden Stator, der ein Drehfeld erzeugt, kann die haubenförmige Kappe wegfallen und ein anderes, hermetisch dichtes Gehäuse auf den Lagerträger aufgesetzt werden. Da keine mechanischen Drehungen in das so gebildete Gehäuse eingekoppelt werden müssen, sondern nur über elektrische Leitungen Strom zugeführt wird, befinden sich Innenrotor und Außenrotor gemeinsam in einem - von solcher Art gebildeten - Gehäuse.
Im Rahmen einer zweiten Lösung (Anspruch 20) ist der Lagerträger im Spritzgussverfahren aus bspw. einem Duromer hergestellt. Eine Heizspule - als Beispiel eines Heizelements
(Anspruch 21) - kann integriert werden. Durch Erwärmung des Fördermediums kann die Kaltstartfähigkeit der Pumpe verbessert oder sogar ermöglicht werden. Die Erwärmung erfolgt über den Fest/Flüssig-Phasenübergang.
Der kompakte Aufbau bei allen drei Aspekten der Erfindung (drei Lösungen) schafft kurze Toleranzketten und kurze Kraftschlusswege. Die präzisen Lagerstücke (Anspruch 1,
Anspruch 25) erfüllen die Anforderungen an geringe Toleranzen für die zuverlässige Funktion der Mikropumpe und den Einsatz in Langzeitanwendungen.
Mit den beschriebenen Pumpen (Anspruch 5) können praktisch (oder nahezu) alle Arten von fluiden Fördermedien gefördert werden: Besonders gefährliche Medien, kristallisierende Medien, bspw. Harnstoff, oder leicht flüchtige Medien, bspw. Methanol, und bei bevorzugtem Einsatz eines Heizelementes auch solche Medien, die in kaltem Zustand nicht förderbar sind, bspw. Harnstoff, Wasser oder Methanol (wie im Automobil). Die Drehmoment-Übertragung von Außenmagnet und Innenmagnet (Anspruch 2) kann bevorzugt als Zentraldrehkupplung ausgebildet sein (Anspruch 3,11).
Das erzeugte Magnetfeld des Außenmagnets kann von einem Stator erzeugt werden
(Anspruch 4). Hierbei kann der haubenförmige Gehäuseteil wegfallen.
Als Mikropumpe kann eine Innenzahnringpumpe Verwendung finden (Anspruch 5), vgl.
WO 97/12147 A. Die Welle ist drehstarr mit dem Innenrotor verbunden und ebenso drehstarr mit dem Magnetträger und dem auf ihm sitzenden Innenmagnet. Alternativ findet eine Innenzahnradpumpe mit Evolventen-Verzahnung Einsatz.
Der Innenmagnet kann einteilig oder mehrteilig sein (Anspruch 13). Er ist auf einem Träger angeordnet (Anspruch 6). Bevorzugte Materialien des Innenmagnets sind Hart-Ferrit oder höherwertige Magnetwerkstoffe. Bei einem mehrteiligen Innenmagnet können mehrere ringförmig angeordnete Einzelmagnete aneinandergesetzt werden. Wird nur ein Innenmagnet verwendet, kann bevorzugt ein Ringmagnet Anwendung finden. Auch "plättchenförmige" Magnete (als Magnetstücke) aus höherwertigem Magnetwerkstoff, z.B. NdFeB (als Beispiel eines Seltene-Erden-Magnets) oder SmCo (Samarium-Cobalt) können als Segmente zur Bildung eines ringförmigen Innenmagneten zusammengesetzt werden.
Beispiele für solche Segmente sind die genannten Ringsegmente, die gemeinsam
(aneinandergesetzt) den Ringmagnet als Innenmagneten ergeben. Im Beispiel sind
Größenordnungen von 2mm Stärke (Dicke, radial gemessen) und bis zu 10mm Höhe (axial gemessen) möglich.
Eine Kapselung oder die Beschichtung dieses Magnets (ein- oder mehrteilig) empfiehlt sich für die Förderung von aggressiven Fördermedien (Anspruch 13).
Die Kanalstruktur, die - abgezweigt von der Druckseite der Mikropumpe
(Anspruch 1, 20, 25) - für die Zwangsströmung sorgt, hat zumindest zwei Kanalabschnitte.
Einer liegt im Deckel (bevorzugt mit radialer Richtungskomponente) und ein weiterer liegt im Lagerträger (bevorzugt mit axialer Richtung). In diesem Lagerträger kann noch ein weiterer Kanalabschnitt liegen (Anspruch 15), der ebenfalls axial verläuft aber in entgegengesetzter Richtung von den Fördermedien durchströmt wird (Anspruch 16). Am Punkt des Wechsels der Strömungsrichtung, also zwischen den beiden axialen Kanalabschnitten findet sich ein flächiger, bevorzugt ringförmiger Aufnahmeraum, der sich axial zwischen einem unteren Ende des Innenmagneten und einer oberen Oberfläche des Lagerträgers ausbildet (Anspruch 18). Gespeist von der Druckseite der Mikropumpe füllt sich das Gehäuse von diesem Kanalabschnitt ausgehend praktisch vollständig mit dem Druckniveau der Ausgangsseite der Mikropumpe. Als Begrenzungswand dient der Spalttopf.
Der weitere axiale Kanalabschnitt im Lagerträger führt das Fördermedium dem Auslass zu. Bevorzugt ist hier ein noch weiterer axialer Kanalabschnitt vorgesehen (Anspruch 17), der im Deckel verläuft und den druckseitigen Auslass bildet. Der vorgenannte erste Kanalabschnitt im Deckel ist ein radial gerichteter Kanalabschnitt von der Druckseite der Mikropumpe.
Entsprechend der haubenförmigen Ausbildung des Spalttopfes hat der Lagerträger um die Achse herum eine konzentrisch ausgebildete Erhöhung oder Verlängerung (Anspruch 29), die bevorzugt an ihrem Ende das erste Lager trägt, dem gegenüber der Magnetträger liegt und an der Welle drehstarr befestigt ist. Durch ein reduziertes Radialmaß der Erhöhung oder Verlängerung bildet sich umlaufend ein Ringraum (Anspruch 30), in den axial ein deutlich längerer Innenmagnet eingesetzt werden kann, dessen axiale Länge länger ist, als diejenige des Magnetträgers.
Durch Verwendung der Erhöhung oder Verlängerung kann der Abstand der beiden
Lagerstücke, welche die Wellenlagerung bilden, größtmöglich gewählt werden.
Zum Verlauf der Zwangsströmung des Fördermediums kann angemerkt werden, dass die saugseitige Öffnung im Gehäusedeckel ebenso liegt, wie der druckseitige Auslass. Nur der Einlass ist indes in Fluchtung der Mikropumpe. Der Auslass ist radial gegenüber der
Mikropumpe versetzt. Bevorzugt sind auch die axialen Kanalabschnitte im Lagerträger zueinander umfänglich versetzt angeordnet (Anspruch 31).
Durch eine solche Fluidführung können alle Bereiche der Pumpe aktiv durchflössen werden und das Totvolumen der Pumpe ist begrenzt. Der sich ausbildende Druckunterschied im Spalttopf gegenüber der Mikropumpe im Ansaugbereich sorgt für einen axialen Spülstrom entlang der Welle. Diese "Zwangsspülung" sorgt auch für eine Schmierung der Wellenlager und des exzentrischen Pumpenlagers und bei Anwesenheit eines Spalttopfes für dessen Kühlung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden an den folgenden Figuren erläutert. Das
Verständnis der Erfindung(en) wird mit ihnen vertieft und ergänzt.
Figur 1 ist ein vertikaler Schnitt durch ein erstes Beispiel einer magnetisch
antreibbaren Pumpenanordnung mit Mikropumpe. Der Lagerträger 22 ist Zentrum des Aufbaus, oberhalb ist ein haubenförmiger Gehäuseabschnitt 24 und unten ein Deckel 26, der axial-lagernd an der Mikropumpe P mit dem Außenrotor 80 anliegt. Der haubenförmige Gehäuseabschnitt, der im Folgenden auch Spalttopf genannt wird, ist Teil eines Gehäuses 20, welches Spalttopf 24, Lagerträger 22 und Deckel 26 umfasst.
Figur 2 ist eine Ansicht von der Deckelseite (in Figur 1 von unten), wobei die
Richtungen oben, unten lediglich auf die Darstellung in den Figuren Bezug nehmen und den Aufbau als solches nicht hinsichtlich seiner Einbaurichtung präjudizieren. In Figur 2 ist eine Schnittebene III-III eingezeichnet, die in Figur 3 dargestellt ist, wobei die Schnittführung drei Knicklinien A, B und C aufweist, die bei der Betrachtung der Figur 3 zu berücksichtigen sind.
Dadurch wird die Kanalführung 23, die im Folgenden näher erläutert wird, in Figur 3 deutlicher, als sie in Figur 1 gezeigt werden kann, welche einem Schnitt lllT— III* entspricht, der keine Knickstellen hat, sondern mittig eben verläuft.
Figur 2a ist eine Ausschnitts-Vergrößerung des Zentrums der Figur 2, um die zur
Figur 2 gemachten Aussagen zu verdeutlichen. Besonders tritt hier die Mikropumpe P hervor, die einen Außenrotor 80 und einen Innenrotor 82 aufweist. Die Welle 10 als Axialbezug der Anordnung greift formschlüssig mit einem Mehrkant-Abschnitt 10a in eine entsprechend geformte Innenöffnung des Innenrotors 82, um diesen anzutreiben.
Figur 3 ist die Schnittansicht mit der Schnittführung III-III aus Figur 2 und den zu berücksichtigenden Knicklinien A, B und C, wie dort dargestellt. Zusätzlich ist in Figur 3 eine Fluidführung F von der Saugseite zur Druckseite der
Mikropumpe ebenso eingezeichnet, wie eine Spülströmung F*. Die zugehörige Kanalstruktur 23 wird oft synonym für die Strömungsführung des liquiden Fördermediums verwendet, das der Kanalstruktur 23 folgt. Die Kanalstruktur 23 besteht aus mehreren zu erläuternden Abschnitten.
Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel, wie die Anordnung nach Figuren 1 und
2 in ein Gehäuse 20* eingesetzt ist und von einem Antriebsmotor 95 über einen drehbaren Außenmagneten 44 angetrieben wird. Als Referenz dienen die Welle 10 und der haubenförmige Abschnitt 24 des hier innen liegenden Gehäuses 20. Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem stehenden
Statormagneten 48, der ein magnetisches Drehfeld zu erzeugen vermag und den Innenmagneten 40 bei Übertragung eines Drehmoments antreibt. Durch die elektrische Erzeugung des Drehfeldes ist der Zugang zu dem
modifizierten Gehäuse 20' über einen Anschlussstecker 91 erreicht, der von außen keine drehbare Welle in das Gehäuse 20' überführen muss. Zusätzlich ist eine integrierte Heizung 71,72 dargestellt, die eine besondere
Ausführungsart ist.
Zu fördern ist ein physisch nicht dargestelltes liquides Fördermedium, welches verschiedene stoffliche Zusammensetzungen haben kann, aber zum Fördern mit einer Mikropumpe geeignet ist. Für den Automobilbau ist das beispielsweise Harnstoff, Wasser oder Methanol. Gefährliche Medien, beispielsweise in der Chemie, kristallisierende Medien, beispielsweise der genannte Harnstoff im Automobilbau, oder leicht flüchtige Medien, beispielsweise Methanol in der Brennstoffzellentechnik, können gleichermaßen mit den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen gefördert werden.
Die Förderung ist eine kontinuierliche Förderung, während die Mikropumpe P läuft, die in einem Lager 3 eingesetzt ist, das Rotorenaufnahme in Figur 1 genannt wird. Figur 1 zeigt als zentrales Bauteil eine Welle 10, die in der Achse des Aufbaus angeordnet ist.
Sie ist in zwei weiteren Lagern 1 und 2 drehbar gelagert, wobei die beiden Lager einen Abstand 'a' voneinander besitzen.
Alle drei genannten Lager 1, 2 und 3 sind als Lagerstücke ausgebildet, die Präzisionslagerteile sind. Sie sind gesondert in den Lagerträger 22 eingesetzt und dort mittels einer Fügetechnik nach der Positionierung festgelegt. Als Fügetechnik eignet sich ein Kleben, ein Löten oder ein Schweißen.
Als Werkstoff für die Präzisionslager, die gesondert auf Präzision gefertigt sind, kommen Oxidkeramiken, Nicht-Oxidkeramiken, Metall oder sogar Kunststoff in Betracht. Beispiele von
Oxidkeramiken sind Aluminiumoxid oder Zirkonoxid. In besonderer Ausgestaltung, bei einem zu erwartenden hohen Verschleiß oder bei erwünschter langer Lebensdauer werden
Keramiken eingesetzt. In normalen, verschleißärmeren Anwendungen kann indes auf Metall zurückgegriffen werden. Auch Kunststoff ist für die Lager möglich, die bevorzugt bei einer einstückigen Ausbildung des Lagerträgers 22 durch Spritzguss unmittelbar mit der Herstellung des Lagerträgers 22 als Kunststoff-Lagerbereiche hergestellt werden, aber dabei keine gesonderte Lagerstücke sind, sondern eben nur Lagerbereiche, oder - funktionell
betrachtet - "Lager".
Der Aufbau des Gehäuses 20 in Figur 1 umfasst zunächst die drei Komponenten:
Haubenförmige Kappe 24, Lagerträger 22 und Deckel 26. Der Lagerträger ist so gestaltet, dass er die drei genannten Radiallager 1, 2 und 3 aufnimmt und das Kernstück der magnetisch angetriebenen Mikropumpe, respektive des zugehörigen Gehäuseaufbaus darstellt. Der Lagerträger kann dabei relativ grob toleriert sein und aus weniger festen Werkstoffen gefertigt sein, beispielsweise Aluminium oder Kunststoff. Die zu erhaltende Präzision und Genauigkeit wird durch Einbau der Lagerstücke erreicht, die mit dem Lagerträger 22 durch Fügen verbunden werden. Der Lagerträger 22 dient darüber hinaus als Aufnahme aller statischen Dichtungen, die in den
Figuren nicht gesondert benannt, sondern für den Fachmann unmittelbar ersichtlich sind. Diese sind O-Ringe und Dichtungen zur Befestigung des Deckels 26, der haubenförmigen Kappe 24 (auch: Spalttopf genannt) und der magnetischen Antriebseinheit, die beispielsweise in Figur 4 mit ihrem unteren Abschnitt und einem drehbaren Außenmagnet 44 zu ersehen ist.
Die Montage des Deckels 26 von der Unterseite des Lagerträgers 22 ist in Figur 1 symbolisch mit einer eingreifenden Schraubvorrichtung 22' gezeigt. Diese Montage kann indes auch so erfolgen, wie zur Montage der haubenförmigen Kappe 24 auf der anderen Seite des
Lagerträgers 22 gezeigt, und zwar mittels Niederhalter 21, über den eine Montagekraft einer weiteren Schraubvorrichtung 22" gleichmäßig auf den Umfang des unteren Montageflansches der Haube 24 übertragen wird. Ist der Deckel 26 beispielsweise aus Keramik, empfiehlt sich eine solche Anordnung mit Niederhalter, die in Figur 1 nicht gesondert dargestellt ist.
Das magnetische Antriebssystem ist innerhalb der haubenförmigen Kappe 24 um die Welle 10 an deren oberen Ende platziert. Die Welle hat hier ein "pumpenfernes" oder "rotorfernes"
Ende, das auch "antriebs- oder magnetseitiges" Ende der Welle 10 genannt wird. Das andere Ende 10a der Welle 10 greift formschlüssig in den Innenrotor 82 ein, wie an Figur 2a ersehen werden kann. Hier ist das pumpenseitige Ende der Welle 10, welches gegen den Deckel 26 axial gelagert ist.
Der Antrieb erfolgt von außen (in Figur 1 nicht dargestellt) und wirkt als Einkopplung eines Drehmoments, insbesondere als Zentraldrehkupplung, wobei der Innenmagnet 40 und ein in den Figuren 4 und 5 dargestellter Außenmagnet 44 oder 48 konzentrisch zueinander angeordnet sind. Von einer Zentraldrehkupplung spricht man, wenn der Außenmagnet und der Innenmagnet gemeinsam rotieren. Sie sind dann zueinander konzentrisch angeordnet.
Der Innenmagnet 40 ist axial länger ausgebildet, als ein Träger 42 für diesen Innenmagnet, der drehfest mit der Welle 10 verbunden ist und der ebenfalls drehfest mit dem Innenmagnet 40 verbunden ist. Dieser Innenmagnetträger ist axial kürzer ausgestaltet und liegt am oberen Ende, aber nicht berührend, sondern unter Belassung eines Spaltes nahe der oberen
Wand 24b der haubenförmigen Kappe 24.
Zu erwähnen ist ein erreichbarer "relativ großer" Abstand, den die beiden ersten Lager 1 und 2, welche zur Drehlagerung der Welle 10 vorgesehen sind, voneinander haben. Das untere Lager liegt nahe der Mikropumpe P, eigentlich unmittelbar an der Mikropumpe P und dient als ein gegenüberliegendes Axiallager für die beiden Rotoren 80,82. Das diesen Rotoren gegenüberliegende axiale Lager ist der Deckel 26 mit seinem Innenbereich. Ein erreichbarer Abstand 'a' ist mehr als dreimal grösser als die axiale Höhe eines der beiden Wellenlager 1,2.
Die Platzierung des pumpenfernen Lagers 2 erfolgt an einer konzentrisch zur haubenförmigen Kappe angeordneten Erhöhung oder Verlängerung 22a. An ihrem (oberen) Ende trägt sie das genannte Lagerstück 2 und belässt einen Ringspalt gegenüber dem Innenmagnetträger 42. Die Erhöhung oder Verlängerung ist geometrisch auch so ausgebildet, dass sie einen zylindrischen Ringspalt gegenüber dem Innenmagnet 40 bildet. Der Innenmagnet 40 wiederum hat einen axialen Abstand zur Belassung eines Ringraums 23d, der einen Abschnitt einer
Kanalstruktur 23 bildet, die noch zu beschreiben sein wird.
Nachdem der Innenmagnet 40 auch einen zylindrischen Ringspalt zur Innenfläche der haubenförmigen Kappe 24 (Spalttopf) belässt, ist der gesamte Innenraum dieser
haubenförmigen Kappe von einem Fluid durchströmbar, soweit keine geometrischen Teile, die oben beschrieben sind, dort Platz nehmen. Insbesondere ist eine Innenwand der
haubenförmigen Kappe 24 zu erwähnen, die durch eine zu beschreibende Fluidströmung gekühlt werden kann, wozu der genannte zylindrische Ringspalt außerhalb des
Innenmagneten 40 vorgesehen ist.
Die Welle 10 hat zwischen den beiden Lagerstücken 1,2 einen Ringraum 22b, der radial grösser dimensioniert ist, als ein Durchmesser der Welle 10.
Die Welle 10 ist zentrisch gegenüber der haubenförmigen Kappe 24 angeordnet, die
Rotoraufnahme als Lagerstück 3 dagegen exzentrisch. Dieses Lagerstück 3 nimmt den
Außenrotor 80 exzentrisch gelagert gegenüber dem zentrisch gedrehten Innenrotor 82 auf. Figuren 2,2a zeigen die Pumpe P mit Innenrotor und Außenrotor 80,82 und auch die für eine Zahnringpumpe charakteristische Erweiterung und Verjüngung der sich drehenden
Förderkammern. Alternativ kann statt der Zahnringpumpe gemäß Figur 2a auch eine
Innenzahnradpumpe verwendet werden, die in den Figuren nicht gesondert dargestellt ist.
Die Zufuhr des Fluids (auf der Saugseite) erfolgt über einen Kanalabschnitt 23a (Saugseite). Der Auslass der Pumpe P mündet in einer in Figur 2a ersichtlichen Druckniere, die in einen radialen Kanalabschnitt 23b überleitet. Die genannten Abschnitte 23a, 23b sind Abschnitte der Kanalstruktur 23, welche die Fluidführung vom Einlass Fu (Saugseite) bis zum Auslass FD führt (Druckseite).
Am Auslass der Pumpe P im radialen Kanalabschnitt 23b liegt die Druckseite FD'. Zwischen FD' und FD liegt ein weiterer Abschnitt der Kanalführung 23, die durch den Lagerträger 22 reicht und - im Beispiel - zwei axiale Kanalabschnitte 23c und 23e aufweist. Diese beiden
Kanalabschnitte sind in Figur 2a deutlich ersichtlich. Sie sind umfänglich gegeneinander versetzt, erstrecken sich aber beide in Axialrichtung im Lagerträger 22.
Der Axialschnitt der Figur 3 ist anhand der Figur 2 zu erläutern. Die Schnittebene III-III hat drei Knickstellen oder Linien A, B und C. A liegt im Zentrum der Achse, respektive der Welle 10. Die zweite Knicklinie B liegt im Zentrum des ersten axialen Abschnitts 23c der Fluidführung (der Kanalstruktur 23). Die zweite Knicklinie liegt in dem zweiten axialen Abschnitt 23e der Kanalstruktur 23.
Im Deckel 26 sind weitere axiale Abschnitte der Kanalstruktur 23 zu ersehen. Auf der
Einlassseite (Saugseite) des Fluids F ist der Abschnitt 23a vorgesehen. Auf der Druckseite der Anordnung der Figur 3 ist ein zusätzlicher axialer Abschnitt 23f im Deckel 26 vorgesehen.
Ein weiterer radialer Abschnitt der Kanalführung 23 ist die Überleitung des unmittelbaren Druckauslasses der Pumpe P entlang des Abschnitts 23b der Kanalstruktur 23, hin zum ersten axialen Abschnitt 23c im Lagerträger 22.
Mit der Kanalstruktur 23 wird eine Zwangsströmung erzeugt, die bei Betrieb der Pumpe P eintritt und nicht nur für eine Nutzförderung des Fluids F sorgt, sondern begleitend mehrere Aufgaben erfüllt.
Die beschriebenen Lager 1, 2 und 3 werden geschmiert oder gespült. Auch beides. Der Spalttopf 24 (als haubenförmige Kappe des Gehäuses 20) wird von der Innenseite gekühlt, wobei die Kühlfläche zumindest 50 % der gesamten Innenfläche der Haube 24 ist, bevorzugt aber oberhalb von 70 % liegt. Ersichtlich ist dies an einer ersten Erhöhung 22c des Lagerträgers 22, die verjüngend in die Erhöhung oder Verlängerung 22a überleitet, die zuvor beschrieben war. An der randseitigen Oberfläche liegt die Haube 24 ein Stück weit berührend an und wird mit dem umfänglichen Niederhalter 21 und entsprechend positionierten Schrauben, von denen in Figur 1 eine Schraube 22" ersichtlich ist, am Lagerträger 22 befestigt. Bevorzugt können drei solcher Montageschrauben vorgesehen sein (nicht dargestellt). Umlaufende, nicht gesondert bezifferte, aber an der Schraffur zu erkennende, statische Dichtungen sind in allen Figuren zu erkennen.
Mit dem axialen Kanalabschnitt 23c wird das Fluid F auf der Druckseite als unter Druck stehendes Fluid FD' nicht gleich dem Auslass im Deckel 26, zugeführt, sondern erst dem vorerwähnten Ringraum 23d, der zwischen einer oberen Fläche des Lagerträgers (zwischen den Absätzen 22c und 22a verläuft, und einer nach unten weisenden Fläche des
Innenmagneten 40 gebildet wird. Dieser Abschnitt 23d ist flächig und gehört zur
Kanalstruktur 23.
Der axiale Abschnitt 23c führt diesem flächigen Ringraum 23d unter Druck stehendes Fluid zu, das sich in die übrigen freien Räume innerhalb der "Haube" 24 verteilt und dort durchströmt. Es kann über den zweiten axialen Kanalabschnitt 23e wieder abfließen und über den axialen Kanalabschnitt 23f im Deckel 26 der Auslassseite oder Druckseite der
Mikropumpenanordnung mit Lager nach den Figuren zugeführt werden.
Ein Großteil der Innenfläche der zylindrischen Wand 24a der haubenförmigen Kappe 24 kann so gekühlt werden.
Ist in Figur 1 aufgrund der Lage des Schnittes nur der axiale Kanalabschnitt 23e der
Kanalstruktur 23 im Lagerträger (auf der Druckseite) ersichtlich und ist im Deckel 26 kein wirklich radial reichendes Kanalsegment 23b erkennbar, so wird bei geänderter
Schnittführung nach Figur 2a der radiale Abschnitt 23b und der erste axiale Abschnitt 23c ersichtlich.
Zu erwähnen ist neben der Hauptströmung des Fluids F auch eine Spülströmung F'. Sie dringt durch die Lagerflächen der Präzisionslager entlang des Weges F' von Figur 3. Sie spült dabei beide Lager 1, 2 und erreicht aufgrund des Druckunterschieds die Pumpe P auf deren
Saugseite. Auch eine Schmierung der Lager wird erreicht. Die Spülströmung F' führt entlang der Welle und in den zentralen Hohlraum 22b, durch den die Welle 10 hindurchgreift, respektive in dem sie dreht, während sie von den beiden - um 'a' beabstandeten - Lagerstücken 1, 2 drehgelagert ist.
Der Weg entlang der Fluidführung 23 soll nochmals übersichtlich zusammengefasst und dargestellt werden.
Das liquide Fördermedium wird auf der Saugseite durch den Gehäusedeckel 26 angesaugt und dem axialen Kanalabschnitt 23a in der Mikropumpe P mit Rotoren 82, 80 zugeleitet, respektive von diesem angesaugt. Es folgt den drehenden Förderkammern gemäß Figur 2a der Mikropumpe (auch kurz "Pumpe" genannt) und wird dem druckseitigen Abschnitt der
Fluidführung zugeleitet. Der druckseitige Auslass der Pumpe P endet im radialen
Kanalabschnitt 23b. An dessen Ende wird er dem internen Kanal 23c im Lagerträger 22 zugeführt und in den Spalttopf 24 geleitet. Das Fluid durchflutet diesen Spalttopf (die haubenförmige Kappe 24) und gelangt über einen weiteren axialen Kanalabschnitt 23e zur druckseitigen Öffnung im Gehäusedeckel 26.
In dem Deckel 26 ist ein fluchtender Kanalabschnitt 23f vorgesehen, der die Fortführung des axialen Kanalabschnitts (oder Kanalsegments) 23e ist. Durch diese Fluidführung werden alle Bereiche der Pumpe aktiv durchflössen. Das Totvolumen der Pumpe ist dagegen begrenzt. Der Druckunterschied zwischen dem rotorseitigen Wellenende und dem antriebsseitigen
Wellenende der Welle 10 sorgt für eine Zwangsspülung F' und damit einhergehend eine Schmierung der Lager 1, 2 durch das liquide Fördermedium.
Die beschriebene Bypass-Strömung, welche Spülstrom F' genannt wird, folgt dem Druckgefälle zwischen einem Förderdruck im Spalttopfbereich (innerhalb der Haube 24) und dem niederen Druck im Bereich der Rotorlagerung (der Saugseite). Das den Spalttopf 24 durchfließende Medium dient gleichzeitig der Kühlung des Spalttopfs und des Innenmagneten 40.
Aufgrund des magnetischen Drehfeldes und der meist metallischen Ausbildung der haubenförmigen Kappe 24 wird über Wirbelströme eine Wärme erzeugt, deren Abführung der Fluidstrom dient.
In einer anderen Ausführungsform, die sich aus Figur 5 ergibt, kann der Spalttopf auch weggelassen werden. In Figur 5 ist die haubenförmige Kappe noch dargestellt, ist aber aufgrund des dort dargestellten Antriebs entbehrlich und könnte weggelassen werden. Diese nicht dargestellte Ausführungsform wird dadurch möglich, dass ein Außengehäuse 20' gebildet ist, welches außerhalb des Außenmagneten 48 entsteht und mit dem Lagerträger dichtend verbunden ist. Dies kann durch eine Schraubvorrichtung geschehen, von der zwei Schrauben 22"' sichtbar sind. Der Niederhalter 21 und die haubenförmige Kappe 24 fallen weg.
Sowohl der Außenmagnet 48, der Strom führende Wicklungen 49 trägt (die nicht dargestellt ist), wie auch der Innenmagnet 40 sind dann im gleichen Raum angeordnet und mit ihrer
Benennung als außenliegend und innenliegend charakterisiert. Aufgrund der fehlenden Drehbewegung des Außenmagneten 48 wird das Drehmoment über das Drehfeld auf dem Innenmagneten 40 übertragen. Die elektrische Energie wird über den Anschlussstecker 91 zugeführt, der eine Durchbrechung im Motorgehäuse 28 darstellt, welches Teil des modifizierten Gehäuseaufbaus 20' ist. Eine integrierte Steuerung 90 auf einer Platine ist dargestellt und erzeugt die Stromflüsse in den räumlich verteilten Wicklungen 49 zur Erzeugung des Drehfeldes. In einer besonderen Ausführungsart, die aber nicht verbindlich nur für dieses Beispiel gilt, sondern auch für die anderen Beispiele verwendet werden kann, ist eine Heizwicklung 72 um die Welle herum im Lagerträger 22 angeordnet. Eine weitere Heizwicklung 71 kann näher zum Deckel 26 gelegen sein und die Pumpe P umgeben. Die Heizwicklungen 71, 22 sind elektrisch leitfähige Widerstands-Wicklungen, welche mit
Strom beaufschlagt werden. Dieser kann auch über den Anschlussdeckel 91 zugeführt werden.
In weiteren Bereichen der Figur 5 entspricht dieses Beispiel der Ausführung demjenigen der Figuren 1 und 2.
Die integrierten Heizungen 71 und/oder 72, die einzeln oder kombiniert vorhanden sein können, verbessern die Kaltstartfähigkeit der Pumpe, wenn dick- oder zähflüssige
Fördermedien zu fördern sind, die aufgrund herabgesetzter Umgebungstemperatur noch nicht förderbar sind, bspw. in dem Automobilbau.
Besonders vorteilhaft kann die Heizung in Verbindung mit einem Lagerträger 22 verwendet werden, der im Spritzgussverfahren hergestellt wird, bspw. aus Metall oder Kunststoff.
Figur 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, welches den Aufbau der Figuren 1/3
verwendet. Hier ist ein Motor 95 als Antrieb auf einem übergeordneten Gehäuseaufbau 20* zu sehen, der mit einer Motorwelle 94 mechanisch in eine Deckelplatte 29 dieses
Gehäuseaufbaus 20* eingreift und über einen sich radial aufweitenden
Außenmagnetträger 45 einen drehenden Außenmagneten 44 rotieren lässt. Dieser nimmt, gekoppelt über ein magnetisches Feld und durch die haubenförmige Kappe 24, den Innenmagnet 40 drehend mit und bildet eine Zentraldrehkupplung. Der Motor 95 wird von einer elektrischen Steuerung 96 angesteuert, die in Figur 2 im Ausschnitt zu sehen ist und bevorzugt am oberen Ende des Motors 95 platziert ist. Vorteilhaft sind Innenmagnet 40 und Außenmagnet 44 konzentrisch zueinander und in axialer
Richtung nicht gegeneinander versetzt. Dadurch minimieren sich axiale Kräfte, die auf die Welle 10 durch das Magnetfeld wirken könn(t)en.
Der übergeordnete Gehäuseaufbau 20* ist mit dem Lagerträger 22 mechanisch abdichtend verbunden. Dies kann erneut durch eine Schraubvorrichtung geschehen, von der zwei
Schrauben 22"' sichtbar sind, wie auch in Figur 5 dargestellt.
Bemerkenswert, auch an dieser Ausführung, ist die Verwendung nur eines Axiallagers der Welle 10, namentlich am Deckel 26 und das freie Wellenende nahe der oberen horizontalen Wand 24b der haubenförmigen Kappe 24. Ebenfalls bemerkenswert, nicht nur an dieser
Ausführungsform, sondern auch bei den anderen Ausführungsformen, ist die Verwendung keiner dynamischen Dichtung, also keiner vorzusehenden Wellendichtung, die gegenüber einem rotierenden Teil abzudichten hat. Die Unterseite des Deckels 26 ist 26d und an ihr sind Einlass und Auslass vorgesehen, die hier mit O-Ring Dichtungen versehen sind und einen gegenüber dem Durchmesser der
abgehenden Kanalabschnitte vergrößerten Durchmesser besitzen.
Die untere Oberfläche des Lagerträgers 22 ist 22d. Auf ihr wird der Deckel 26 aufgesetzt, um sowohl die Axialführung der Kanalabschnitte 23e und 23b zu erreichen, wie auch den axialen
Abschnitt 23a zur Saugseite der Pumpe P führen und auch den radialen Kanalabschnitt 23b zur druckseitigen Auslassseite der Pumpe P zu führen.
Zu den antriebsseitigen Magnetkonstruktionen aus Außenmagnet 44 und Innenmagnet 40 ist folgendes zu sagen, was auch für die Beispiele der Figur 1 bis 3 Geltung beansprucht.
Am antriebsseitigen Ende der Welle 10 ist der dort über den Magnetträger 42 angeordnete Innenmagnet 40 bevorzugt einstückig (aus einem Stück gefertigt). Er kann aus Hartferrit bestehen. Eine andere Aufbauweise ist die Verwendung der Umspritzung eines kunststoff- gebundenen Magnetwerkstoffs um das Wellenende (im Bereich des Außenmagneten 44) und ohne wellenseitigen Magnetträger. Weiter alternativ kann der Innenmagnet 40 aus mehreren Teilen ausgeführt sein. Diese mehreren Teile werden auf dem Magnetträger 42 gehalten. Dazu können mehrere - ringförmig angeordnete - Einzelmagnete (als Segmente oder
Sektoren) verwendet werden, die auf dem Magnetträger 42 zusammengesetzt werden. Ist nur ein Stück eines Magneten vorgesehen, so sitzt er als Ringmagnet auf dem Magnetträger 42 und ist mit ihm drehfest gefügt.
Die Assemblierung der mehreren Einzelmagnetstücke (in Form "plättchenförmiger" Magnete), die aus höherwertigem Magnetstoff gefertigt sind, kann auf dem Magnetträger 42 erfolgen. Seltene-Erden-Magnete sind Beispiele für solche plättchenförmige Magnete.
Sind aggressive Medien zu fördern, können die Einzelmagnete (als Magnetstücke) zusätzlich beschichtet oder gekapselt sein. Solche Magnete würden sich aber nur dann als zu
beschichten oder zu kapseln herausstellen, wenn sie mit dem geförderten aggressiven Fluid physisch in Berührung kommen. Für den Innenmagnet 40 ist das in allen Ausführungsbeispielen der Fall. Für den Außenmagnet 44 ist das nur dann der Fall, wenn er als Stator 48 und ohne haubenförmige Kappe 24 von dem Förderfluid umströmt wird.
Das anhand der Figur 5 erläuterte Ausführungsbeispiel der Herstellung des Lagerträgers 22 im Spritzgussverfahren bringt mit sich, dass gesondert zu fügende Lagerstücke wegfallen und Lagerbereiche als "funktionelle Lager" vorgesehen sind. Drei dieser Lager (einstückig oder integriert als Lager hergestellt), sind vorgesehen. Zwei dieser Lagerbereiche führen und lagern die Welle 10. Ein weiterer lagert den Außenrotor 80 der Mikropumpe P.
Schon bei der Herstellung durch Spritzguss können die Lager im Lagerträger integriert entstehen, ohne dass zusätzliche Lagerbauteile (zuvor "Lagerstücke" genannt) hinzutreten müssen. Diese Ausführungsform ist nicht gesondert dargestellt, sondern sinngemäß mitzulesen.

Claims

Ansprüche.
1. Pumpenanordnung mit einer magnetisch antreibbaren Mikropumpe (P) zur Förderung eines liquiden Fördermediums und mit einem Lagerträger (22) als Basisteil, wobei ein Außenmagnet (44) und ein Innenmagnet (40) vorgesehen sind, die eine Drehbewegung auf die Mikropumpe (P) über eine axiale Welle (10) übertragen, und wobei
im Lagerträger (22) drei Radiallagerstücke (1,2,3) zur Drehlagerung
(Führung) der Welle (10) und der Mikropumpe (P) positioniert und festgelegt sind, wobei eines der Lager (3) den Außenrotor (80) der Mikropumpe
drehfähig aufnimmt und exzentrisch zur Welle (10) angeordnet ist;
die Mikropumpe (P) von einem stirnseitig angeordneten Deckel (26) im
exzentrischen Lager (3) gehalten wird;
eine Kanalstruktur (23) für eine Zwangsströmung vorgesehen ist, welche Kanalstruktur zumindest einen ersten Kanalabschnitt (23b) im Deckel (26) und zumindest einen ersten zweiten Kanalabschnitt (23c,23e) im
Lagerträger (22) aufweist, um die Lager (1,2,3) aktiv mit dem Fördermedium zu spülen und/oder zu schmieren;
eines der Lager (2) näher dem Innenmagneten (40) angeordnet ist und/oder ein anderes der Lager näher der Mikropumpe (P) angeordnet ist.
2. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Außenmagnet (44) und der
Innenmagnet (40) eine magnetische Drehmomentübertragung bilden und damit ein magnetischer Antrieb auf die Welle (10) und einen Innenrotor (82) der Mikropumpe (P) erfolgt.
3. Pumpenanordnung nach Anspruch 2, wobei die Bewegung des Innenmagnets (40) über ein Magnetfeld erfolgt, das von einem rotierenden Außenmagneten (44) erzeugt wird, der radial weiter außen angeordnet ist.
4. Pumpenanordnung nach Anspruch 2, wobei der Innenmagnet von einem rotierenden Magnetfeld gedreht wird, das durch einen mechanisch nicht drehenden Stator in Gestalt eines Drehfeldes erzeugbar ist, der radial weiter außen angeordnet ist.
5. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Außenrotor (80) ein Außenrotor einer Zahnringpumpe (P) oder ein Außenrotor einer Innenzahnradpumpe ist.
6. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei der Innenmagnet (40) auf einem
Innenmagnetträger (42) angebracht ist.
7. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine Fügeverbindung der Lagerstücke (1,2,3) mit dem Lagerträger (22) durch Kleben, Löten oder Schweißen erfolgt ist.
8. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, bei der der Lagerträger (22) durch Spritzgießen aus Metall oder Kunststoff hergestellt ist.
9. Pumpenanordnung nach Anspruch 8, bei der zumindest ein Heizelement (71,72) in einem spritzgegossenen Lagerträger (22) integriert ist.
10. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, bei der die Lagerstücke (1,2,3) gesonderte
Päzisionsbauteile sind, die mit einer Fügetechnik in dem Lagerträger (22) positioniert und festgelegt werden oder worden sind.
11. Pumpenanordnung nach Anspruch 3, wobei die Drehmomentübertragung eine
Zentraldrehkupplung ist.
12. Pumpenanordnung nach Anspruch 4, wobei Innen- und Außenmagnet (44,40)
konzentrisch angeordnet sind.
13. Pumpenanordnung nach Anspruch 6, wobei der Innenmagnet (40) einteilig oder
mehrteilig ist, insbesondere mittels einer Kapselung oder Beschichtung gekapselt ist.
14. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei die maximalen Abmessungen (radial, axial) der Mikropumpe (P) nicht grösser sind als 20 mm, insbesondere 10 mm.
15. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kanalstruktur (23) für die
Zwangsströmung einen weiteren zweiten Kanalabschnitt (23e) im Lagerträger (22) aufweist.
16. Pumpenanordnung nach Anspruch 15, wobei die zumindest zwei zweiten
Abschnitte (23c,23e) im Lagerträger (22) im Wesentlichen in einer Axialrichtung verlaufen.
17. Pumpenanordnung nach Anspruch 1 oder 16, wobei ein noch weiterer Abschnitt (23f) der Kanalstruktur (23) durch den Deckel (26) verläuft und auch auf einer Druckseite der Mikropumpe (P) angeordnet ist.
18. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei die Kanalstruktur (23) einen flächigen
Abschnitt (23d) aufweist, der sich in einer Radialrichtung erstreckt.
19. Pumpenanordnung nach Anspruch 1, wobei eine hermetisch dichte
Gehäuseanordnung (20) aus dem Lagerträger (22), einer haubenförmigen Kappe (24) sowie dem Deckel (26) gebildet ist, um das geförderte liquide Fördermedium von der Druckseite der Mikropumpe über die Kanalstruktur (23) die haubenförmige Kappe (24) von innen zu kühlen vermag.
20. Pumpenanordnung mit einer magnetisch antreibbaren Mikropumpe (P) zur Förderung eines fluiden Fördermediums und mit einem Lagerträger (22) als Basisteil, wobei ein Außenmagnet (44) und ein Innenmagnet (40) vorgesehen sind, die eine Drehbewegung auf die Mikropumpe (P) über eine axiale Welle (10) übertragen, und wobei
im Lagerträger (22) drei axial beabstandete Radiallager (1,2,3) zur
Drehlagerung der Welle (10) und der Mikropumpe (P) vorgesehen sind,
wobei eines der Lager (3) den Außenrotor (80) der Mikropumpe drehfähig aufnimmt und exzentrisch zur Welle (10) angeordnet ist;
der Lagerträger (22) durch ein Spritzgießen aus Metall oder Kunststoff
hergestellt ist und dabei die Lager (1,2,3) im Lagerträger (22) integriert
entstehen;
die Mikropumpe (P) von einem stirnseitig angeordneten Deckel (26) im
exzentrischen Lager (3) gehalten wird;
eine Kanalstruktur für eine Zwangsströmung (23) vorgesehen ist, welche
zumindest einen ersten Kanalabschnitt (23b) im Deckel (26) und einen
zweiten Kanalabschnitt (23c,23e) im Lagerträger (22) aufweist, um die
Lager (1,2,3) aktiv mit dem Fördermedium zu spülen und/oder zu schmieren;
eines der Lager (2) näher dem Innenmagneten (40) angeordnet ist und/oder ein anderes der Lager näher der Mikropumpe (P) angeordnet ist.
21. Pumpenanordnung nach Anspruch 20, wobei eine hermetisch dichte
Gehäuseanordnung (20) aus dem Lagerträger (22) und einer haubenförmigen Kappe (24) einerseits sowie dem Deckel (26) andererseits gebildet wird, wobei das geförderte liquide Fördermedium durch die Kanalstruktur (23) die haubenförmige Kappe (24) von innen zu kühlen vermag.
22. Pumpenanordnung nach Anspruch 20, wobei die Kanalstruktur (23) für die
Zwangsströmung einen weiteren Abschnitt (23e) im Lagerträger (22) aufweist und die zumindest zwei Abschnitte im Lagerträger (22) im Wesentlichen in einer Axialrichtung verlaufen.
23. Pumpenanordnung nach Anspruch 20, wobei ein noch weiterer Abschnitt (23b) der Kanalstruktur (23) durch den Deckel (26) verläuft und auf einer Druckseite der
Mikropumpe (P) gelegen ist.
24. Pumpenanordnung nach Anspruch 20, wobei die Kanalstruktur (23) einen flächigen
Abschnitt (23d) aufweist, der sich in einer Radialrichtung erstreckt.
25. Pumpenanordnung mit einer magnetisch antreibbaren Mikropumpe (P) zur Förderung eines fluiden Fördermediums und mit einem Lagerträger (22) als Basisteil, wobei ein Außenmagnet (44) und ein Innenmagnet (40) vorgesehen sind, die eine Drehbewegung auf die Mikropumpe (P) über eine axiale Welle (10) übertragen, und wobei
im Lagerträger (22) drei axial beanstandete Radiallager (1,2,3) zur
Drehlagerung der Welle (10) und der Mikropumpe (P) vorgesehen sind,
wobei eines der Lager (3) den Außenrotor (80) der Mikropumpe drehfähig aufnimmt und exzentrisch zur Welle (10) angeordnet ist;
die Mikropumpe (P) von einem stirnseitig angeordneten Deckel (26) im
exzentrischen Lager (3) gehalten wird;
eine Kanalstruktur für eine Zwangsströmung (23) vorgesehen ist, welche auf einer Druckseite zumindest einen ersten Kanalabschnitt (23b) im Deckel (26) und einen zweiten Kanalabschnitt (23c,23e) im Lagerträger (22) aufweist, um die Lager (1,2,3) mit dem Fördermedium aktiv zu spülen und/oder zu
schmieren.
26. Pumpenanordnung nach Anspruch 25, wobei eine hermetisch dichte
Gehäuseanordnung (20) aus dem Lagerträger (22) und einer haubenförmigen Kappe (24) einerseits sowie dem Deckel (26) andererseits gebildet wird, wobei das geförderte liquide Fördermedium (F) durch die Kanalstruktur (23) die haubenförmige Kappe (24) von innen zu kühlen vermag.
27. Pumpenanordnung nach Anspruch 25, wobei die haubenförmige Kappe (24) und der Lagerträger (22) so ausgebildet sind, dass die Kappe (24) an ihrer Innenfläche von dem geförderten liquiden Fördermedium (F) anströmbar ist und damit flächig kühlfähig ist.
28. Pumpenanordnung nach Anspruch 27, wobei über 50 % der Innenfläche der
haubenförmigen Kappe (24) kühlfähig sind.
29. Pumpenanordnung nach Anspruch 25, wobei der Lagerträger um die Welle (10) herum eine konzentrisch ausgebildete Erhöhung oder Verlängerung aufweist, die bevorzugt an ihrem Ende das erste Lager (2) trägt, dem axial gegenüber ein Magnetträger liegt und an der Welle (10) drehstarr befestigt ist.
30. Pumpenanordnung nach Anspruch 29, wobei entsprechend einer haubenförmigen Ausbildung eines Spalttopfs (24) die Erhöhung oder Verlängerung gebildet ist und umlaufend ein Ringraum verbleibt, in den axial ein deutlich längerer Innenmagnet (40) eingreift, dessen axiale Länge größer ist, als diejenige des Magnetträgers.
31. Pumpenanordnung nach Anspruch 25, wobei die Kanalstruktur (23) für die
Zwangsströmung einen weiteren Abschnitt (23e) im Lagerträger (22) aufweist und diese zumindest zwei Abschnitte im Lagerträger (22) im Wesentlichen in einer Axialrichtung verlaufen und umfänglich gegeneinander versetzt angeordnet sind.
32. Verfahren zum Fördern eines fluiden Fördermediums, wobei eine Drehbewegung auf eine Mikropumpe (P) über eine axiale Welle (10) übertragen wird und mit einer Pumpenanordnung nach einem der vorigen Ansprüche.
PCT/IB2011/055108 2010-11-15 2011-11-15 Magnetisch angetriebene pumpenanordnung mit einer mikropumpe mit zwangsspülung und arbeitsverfahren WO2012066483A2 (de)

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US13/884,088 US10012220B2 (en) 2010-11-15 2011-11-15 Magnetically driven pump arrangement having a micropump with forced flushing, and operating method
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