DE102010000947B4

DE102010000947B4 - Flügelzellenpumpe

Info

Publication number: DE102010000947B4
Application number: DE102010000947.4A
Authority: DE
Inventors: Dirk Ehrenfeld; Torsten Helle; Willi Schneider; Benjamin Pyrdok
Original assignee: Joma Polytec GmbH
Current assignee: Joma Polytec GmbH
Priority date: 2010-01-15
Filing date: 2010-01-15
Publication date: 2015-09-10
Anticipated expiration: 2030-01-16
Also published as: WO2011086013A3; EP2524111A2; DE102010000947A1; KR20120112790A; US20130022487A1; CN102844525A; WO2011086013A2

Abstract

Flügelzellenpumpe (10) mit einem einen hülsenförmigen Gehäusekörper (12), einen Boden (16) und einen Deckel (20) aufweisenden Pumpengehäuse, wobei der Boden (16) und der Deckel (20) den Gehäusekörper (12) axial verschließen, mit einem im Gehäusekörper (12) exzentrisch angeordneten und im Boden (16) und Deckel (20) drehbar gelagerten Rotor (32), sowie einem oder mehreren Flügeln (40), die im Rotor (32) in axialer Richtung verschieblich gelagert sind, wobei jeder Flügel (40) an seinen axialen Stirnseiten Lagerzapfen (56) aufweist, die in den Boden (16) und den Deckel (20) eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der radial äußeren Flügelspitze (68) und der Innenumfangsfläche (44) des Gehäusekörpers (12) ein Spalt existiert, wobei der Rotor (32) axiale Bohrungen (38) aufweist, und wobei die Bohrungen (38) am Grund der Aufnahmeschlitze (34) liegen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem einen hülsenförmigen Gehäusekörper, einen Boden und einen Deckel aufweisenden Pumpengehäuse, wobei der Boden und der Deckel den Gehäusekörper axial verschließen, mit einen im Gehäusekörper exzentrisch angeordneten und im Boden und Deckel drehbar gelagerten Rotor, sowie einem oder mehreren Flügeln, die im Rotor in axialer Richtung verschieblich gelagert sind, wobei jeder Flügel an seinen axialen Stirnseiten Lagerzapfen aufweist, die in den Boden und den Deckel eingreifen.
Flügelzellenpumpen sind in vielfachen Ausgestaltungen bekannt. Sie dienen dazu, um gasförmige Medien zu verdichten, um einen Unterdruck zu erzeugen oder um gasförmige oder flüssige Medien zu fördern. Bei diesen Flügelzellenpumpen sind in einem im Pumpengehäuse exzentrisch angeordneten Rotor mehrere Flügel verschieblich gelagert, so dass zwischen den Flügeln und zwischen dem Rotor und der Innenumfangsfläche des einen Stator bildenden Pumpengehäuses die Arbeitsräume gebildet werden, deren Volumen sich ständig ändert, d. h. vergrößert und verkleinert wird. Die Flügel werden bei sich drehendem Rotor aufgrund der Fliehkraft nach außen geschleudert und streifen an der Innenumfangsfläche des Pumpengehäuses. Dadurch wird der jeweilige Arbeitsraum gegenüber den benachbarten Arbeitsräumen abgedichtet. Die Abdichtung wird dadurch unterstützt, dass die Oberflächen der Bauteile mit Schmieröl benetzt sind. Dieses Schmieröl dient aber auch dazu, die Reibungskräfte zu verringern, wodurch die Verlustleistung der Pumpe verringert wird. Als Nachteil wird aber angesehen, dass zwangsläufig das geförderte Fluid mit Schmiermittel benetzt wird und unter Umständen gereinigt werden muss, bevor es entweder weiterverwendet wird oder ins Freie abgegeben wird. Außerdem wird Schmiermittel verbraucht.
Aus der US 3,294,454 A ist eine Flügelzellenpumpe bekannt, bei der die Flügel axial abragende Zapfen für Lager aufweisen, welche in einer Kufenbahn geführt sind, so dass die Flügel gesteuert von den Innenumfangswand abgehoben und an diese wieder angelegt werden können. Aus der DE 83 13 036 U1 ist eine Rotationskolbenmaschine bekannt, bei der die Flügel ebenfalls axial abragende Zapfen für Lager aufweisen, welche in einer Kufenbahn geführt sind. Durch die Anpress- und Reibungskräfte der Flügelspitzen an der Innenumfangsfläche werden die Lager permanent abgebremst und beschleunigt, da sich ihre Drehrichtung ständig ändert. Hierdurch entsteht starker Verschleiß, der durch geeignete Maßnahmen verringert wird. Dafür werden mehrere Lager oder spezielle Kurvenbahnen verwendet, was sehr aufwändig ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flügelzellenpumpe bereit zu stellen, welche einfach aufgebaut ist, leicht zu warten ist, ressourcensparend betreibbar ist, einen geringeren Schmiermittelverbrauch aufweist und bei der das geförderte Fluid schmiermittelfrei ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Flügelzellenpumpe der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zwischen der radial äußeren Flügelspitze und der Innenumfangsfläche des Gehäusekörpers ein Spalt existiert, wobei der Rotor axiale Bohrungen aufweist, und wobei die Bohrungen am Grund der Aufnahmeschlitze liegen.
Dieser Spalt gewährleistet, dass keine Reibungskräfte zwischen Flügel und Gehäusekörper entstehen, wodurch einerseits der Flügel keiner Abnutzung unterliegt, andererseits die Verlustleistung der Pumpe gering ist. Dabei liegt der Spalt in einem Bereich zwischen 5 μm bis 100 μm und insbesondere zwischen 10 μm und 50 μm.
Die Bohrungen reduzieren das Gewicht des Rotors und somit dessen Trägheitsmoment. Weiterhin kann die Größe der Bohrungen derart gewählt werden, dass die Flügel für Wartungsarbeiten oder dergleichen in axialer Richtung aus dem Rotor herausgezogen werden können, wenn der Deckel abgenommen ist.
Bei der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe ist der Flügel nicht nur in radialer Richtung verschieblich im Rotor gelagert, so dass er gemäß der exzentrischen Anordnung des Rotors im Pumpengehäuse bezüglich des Rotors in radialer Richtung oszillieren kann, sondern er weist auch Lagerzapfen auf, die in den Boden und in den Deckel eingreifen, so dass der Flügel über diese Lagerzapfen gezielt angesteuert werden kann. Dies ist möglich, da sowohl der Boden als auch der Deckel stationär sind und somit die Lagerzapfen im Boden und im Deckel umlaufen.
Hierfür weisen der Boden und der Deckel jeweils eine Führungsbahn für die Lagerzapfen auf, wobei die Lagerzapfen spielfrei oder mit geringem Spiel in die Führungsbahnen eingreifen. Bevorzugt sind die Führungsbahnen als Nut ausgebildet, wobei die Führungsbahn insbesondere eine Kreisform aufweist und koaxial zur Innenumfangsfläche des Gehäusekörpers liegt. Auf diese Weise besitzen die Flügel stets eine definierte Position bezüglich der Innenumfangsfläche des Gehäusekörpers, was den Vorteil hat, dass diese Position auch dann eingenommen wird, wenn der Rotor nicht umläuft. Bei geringen Drehzahlen, bei denen die Fliehkraft ebenfalls gering ist, wird dadurch sichergestellt, dass die Flügel dennoch eine definierte Position einnehmen, so dass schon bei geringen Drehzahlen, optimale Förderergebnisse erzielt werden. Dies ist z. B. beim Start eines Verbrennungsmotors von Vorteil, wenn die Flügelzellenpumpe als Schmiermittelpumpe arbeitet. In diesem Fall wird das Schmiermittel bereits beim Start des Motors gefördert und nicht erst bei höheren Drehzahlen.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Lagerzapfen von einem im Flügel gelagerten Bolzen gebildet. Auf diese Weise kann der Flügel wie üblich hergestellt werden, zum Beispiel als Spritzgussteil oder als Druckgussteil, und muss lediglich mit dem Lagerzapfen versehen werden. Dieser kann zum Beispiel direkt in das Spritzgussteil eingespritzt sein.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass das freie, den Flügel axial überragende Ende des Bolzens ein Lager, insbesondere ein Rillenkugellager, trägt. Dieses Rillenkugellager greift in die Führungsbahn ein und läuft im Boden und im Deckel um. Das Rillenkugellager ist bevorzugt selbstschmierend, so dass auf eine zusätzliche Schmierung verzichtet werden kann.
Falls eine vollständige Abdichtung gewünscht oder erforderlich ist, an der radial äußeren Flügelspitze eine Dichtleiste angeordnet sein. Bei einem Ausführungsbeispiel erstreckt sich in der radial äußeren Flügelspitze eine in Längsrichtung des Flügels verlaufende Nut, in welcher eine die Flügelspitze überragende Dichtleiste angeordnet ist. Diese Dichtleiste ist in der Nut schwimmend gelagert, so dass sie Relativbewegungen bezüglich des Flügels ausführen kann. Bei sich drehendem Rotor wird diese Dichtleiste an die Innenumfangsfläche des Gehäusekörpers gedrückt bzw. geschleudert und dichtet dadurch den Arbeitsraum vollständig ab. Da die Dichtleiste im Vergleich zum Flügel ein nahezu vernachlässigbares Gewicht aufweist, sind die Reibungskräfte minimal.
Bevorzugt besteht die Dichtleiste aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall oder einem Kunststoff, welcher zum Beispiel faserverstärkt ist. Derartige Dichtleisten weisen einerseits ein geringes Gewicht auf und sind andererseits ausreichend verschleißfest.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe ohne Schmiermittel, das heißt trocken betrieben. Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass das geförderte Medium nicht verunreinigt wird, und damit Ölabscheider und dergleichen am Ausgang der Flügelzellenpumpe nicht erforderlich sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in der Beschreibung und in den Ansprüchen erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
In der Zeichnung zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;
2 eine Seitenansicht in Richtung des Pfeils II gemäß 1;
3 eine perspektivische Ansicht gemäß 1 mit abgenommenem Gehäusedeckel;
4 einen Schnitt IV-IV gemäß 2;
5 einen Schnitt V-V gemäß 4;
6 einen Schnitt VI-VI gemäß 4; und
7 eine perspektivische Ansicht eines Flügels, teilweise aufgeschnitten.
In der 1 ist eine Flügelzellenpumpe 10 dargestellt, die im Wesentlichen einen Gehäusekörper 12 mit Kühlrippen 14, einen Boden 16 mit Befestigungslaschen 18 und einen Deckel 20 mit einer Befestigungslasche 22 aufweist. Außerdem sind Auslass- und Einlassöffnungen 24 und 26 im Deckel 20 sowie ein Flansch 28 erkennbar, an welchem ein (nicht dargestellter) Antrieb befestigbar ist, welcher an einer Antriebswelle 30 angreift.
In der 3 ist erkennbar, dass der Gehäusekörper 12 im Wesentlichen hülsenartig aufgebaut ist und einen Rotor 32 umgreift, welcher exzentrisch im Gehäusekörper 12 gelagert ist und von welchem die Antriebswelle 30 abragt. Der Rotor 32 besitzt eine im Wesentlichen zylindrische Form und ist mit Aufnahmeschlitzen 34 versehen, welche sich in axialer Richtung erstrecken und sowohl am Umfang des Rotors 32 als auch an dessen Stirnseiten randoffen sind. Außerdem ist der Rotor 32 mit einer Vielzahl von axialen Bohrungen 36 und 38 versehen, wobei die Bohrungen 38 am Grund der Aufnahmeschlitze 34 und die Bohrungen 36 zwischen den Aufnahmeschlitzen 34 liegen. Diese Bohrungen 36 und 38 reduzieren das Gewicht und des Rotors 32 somit dessen Trägheitsmoment. In den Aufnahmeschlitzen 34 liegen Flügel 40, die derart gelagert sind, dass sie sich in radialer Richtung bewegen können. Zwei benachbarte Flügel 40, die Umfangsfläche 42 des Rotors 32 sowie die Innenumfangsfläche 44 des Gehäusekörpers 12 bilden jeweils einen Arbeitsraum 46, in welchem das eingeschlossene Fluid von der Einlassöffnung 26 zur Auslassöffnung 24 transportiert wird.
Aus 4 ist erkennbar, dass die Einlassöffnung 26 und die Auslassöffnung 24 über Überströmkanäle 48 im Gehäusekörper 12 mit in die Arbeitsräume 46 einmündenden, sichelförmigen Einlässen und Auslässen 50 und 52 verbunden sind.
Die 5 zeigt deutlich, dass sich die Arbeitsräume 46 permanent vergrößern und verkleinern und dass die Flügel 40 mehr oder weniger weit in die Aufnahmeschlitze 34 des Rotors 32 hineinragen.
Die 7 zeigt einen derartigen Flügel 40, der an seinen beiden Stirnseiten 54 mit Lagerzapfen 56 versehen ist, welche von Bolzen 58 gebildet werden, die in den Flügel 40 eingreifen und über die Stirnseite 54 hervorstehen und ein Lager 60, zum Beispiel ein Rillenkugellager 62, tragen.
Wie aus 6 erkennbar, weist der Deckel 20 eine als Nut 64 ausgebildete Führungsbahn 66 auf, in welcher die Rillenkugellager 62 geführt sind. Die Nut 64 bildet demnach eine Zwangssteuerung für die Flügel 40, da die Nut 64 koaxial zur Innenumfangsfläche des Gehäusekörpers 12 und somit exzentrisch zum Rotor 32 und seiner Antriebswelle 30 liegt. Die Lage der Führungsbahn 66 und die radiale Abmessung der Flügel 40 sowie deren Lage im Rotor 32 sind so bemessen, dass die Flügelspitze 68 (7) permanent einen Abstand zur Innenumfangsfläche 44 des Gehäusekörpers 12 besitzt, der im Bereich von 5 μm bis 100 μm liegt. Die Führungsbahn 66 weist demnach eine diesen Spalt oder Abstand zur Innenumfangsfläche 44 gewährleistende Lage auf, wobei berücksichtigt ist, dass die Flügel 40 zwar im Rotor 32 radial angeordnet sind, bezüglich des Gehäusekörpers 12, insbesondere dessen Innenumfangsfläche 44, zur Orthogonalen aber geneigt sind. Dies bedeutet, dass bei einem gleichbleibend großen Spalt die Innenumfangsfläche 44 und/oder die Führungsbahn 66 eine von der Kreisform abweichende Form aufweist beziehungsweise aufweisen. Der Spalt kann in gewissen Grenzen aber auch schwanken.
Aus 7 ist noch erkennbar, dass die Flügelspitze 68 eine in Längsrichtung des Flügels 40 verlaufende Nut 70 aufweist, in welche eine Dichtleiste 72 eingesetzt ist, die ihrerseits die Flügelspitze 68 geringfügig überragt. Die Dichtleiste 72 liegt schwimmend in der Nut 70 und kann sich insbesondere in Richtung auf die Innenumfangsfläche 44 des Gehäusekörpers 12 bewegen. Die Dichtleiste 72 besitzt die Aufgabe, dass sie den zwischen dem Flügel 40 und der Innenumfangsfläche 44 des Gehäusekörpers 12 bestehenden Spalt überbrückt und abdichtet. Insbesondere bei einem sich permanent ändernden Spalt wird dieser effektiv geschlossen, wobei gewährleistet bleibt, dass die Flügelspitze 68 die Innenumfangsfläche 44 des Gehäusekörpers 12 nicht berührt. Da die Dichtleiste 72 insbesondere aus Kunststoff besteht, weist sie ein geringes Gewicht auf, so dass die Reibungskräfte vernachlässigbar klein sind. Außerdem ist die Dichtleiste 72 ohne Weiteres und leicht auswechselbar.

Claims

Flügelzellenpumpe (10) mit einem einen hülsenförmigen Gehäusekörper (12), einen Boden (16) und einen Deckel (20) aufweisenden Pumpengehäuse, wobei der Boden (16) und der Deckel (20) den Gehäusekörper (12) axial verschließen, mit einem im Gehäusekörper (12) exzentrisch angeordneten und im Boden (16) und Deckel (20) drehbar gelagerten Rotor (32), sowie einem oder mehreren Flügeln (40), die im Rotor (32) in axialer Richtung verschieblich gelagert sind, wobei jeder Flügel (40) an seinen axialen Stirnseiten Lagerzapfen (56) aufweist, die in den Boden (16) und den Deckel (20) eingreifen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der radial äußeren Flügelspitze (68) und der Innenumfangsfläche (44) des Gehäusekörpers (12) ein Spalt existiert, wobei der Rotor (32) axiale Bohrungen (38) aufweist, und wobei die Bohrungen (38) am Grund der Aufnahmeschlitze (34) liegen.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (56) von einem im Flügel (40) gebildeten Bolzen (58) gebildet wird.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das freie, den Flügel (40) axial überragende Ende des Bolzens (58) ein Lager (60), insbesondere ein Rillenkugellager (62), trägt.
Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (16) und der Deckel (20) eine Führungsbahn (66) für den Lagerzapfen (56) aufweisen.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn (66) eine Nut (64) ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn (66) eine Kreisbahn ist.
Flügelzellenpumpe nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsbahn (66) koaxial zur Innenumfangsfläche (44) des Gehäusekörpers (12) liegt.
Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der Spalt eine Größe von 5 μm bis 100 μm, insbesondere von 10 μm bis 50 μm aufweist.
Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich in der radial äußeren Flügelspitze (68) eine in Längsrichtung des Flügels (40) verlaufende Nut (70) erstreckt.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Nut (70) eine die Flügelspitze (68) überragende Dichtleiste (72) angeordnet ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleiste (72) schwimmend in der Nut (70) gelagert ist.
Flügelzellenpumpe nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtleiste (72) aus Metall, insbesondere aus Leichtmetall, oder aus Kunststoff besteht.
Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine trocken laufende Pumpe (10) ist.