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Diese Erfindung betrifft eine volumetrisch arbeitende Rotationspumpe mit einem Gerotor-
oder Trochoid-Innenzahnradsatz und mit einer radialen Zuführung.
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Die Fig. 1 und 2 zeigen ein bekanntes Beispiel einer Gerotor-Pumpe ohne radiale
Zuführung in einer schematischen Darstellung des Ausführungsprinzips.
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In diesem Fall wird das Fluid angesaugt und dann durch Hohlräume, sogenannte Kapseln 1
mit zyklisch variablem Volumen, die zwischen den Zähnen 2 und 3 des Zahnrads 4 und des
Kranzes 5 eines speziellen Innenzahnrads gebildet werden, gedrückt.
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Das Fluid wird allgemein zugeführt und durch den geraden Abschnitt der Kapseln 1 hindurch
in die Endebenen des Zahnrads gedrückt, die senkrecht zu dessen Achse liegen, und zwar
dadurch, daß diese Kapseln 1 an zweckentsprechend geformten Becken oder Einlaßöffnungen 6
vorbeilaufen, die in den feststehenden, ebenen Flächen ausgespart sind, die das Zahnrad
umgeben und zu Teilen gehören, die als Flansche 7 bezeichnet werden.
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Das Ansaugen und das Drücken erfolgen also in einer axialen Richtung, die parallel zur Achse
A des Zahnrads verläuft.
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Diese Anordnung hat mehrere Nachteile, die im folgenden angeführt werden.
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Die reine dem Fluid beim Ansaugen verfügbare Fläche ist streng auf die Fläche des geraden
Abschnitts der Kapseln beschränkt, unabhängig von der axialen Höhe der Pumpe; das
Hubvolumen der Pumpe läßt sich daher nicht durch Vergrößern der axialen Höhe über eine
bestimmte Grenze hinaus steigern, bei der der betreffende Abschnitt im Verhältnis zur
Durchsatzmenge ungenügend wird und eine vorzeitige Kavitation verursacht.
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Ferner müssen die in den Flanschen ausgesparten Becken eine axiale Tiefe aufweisen, die
proportional zur axialen Höhe der Pumpe ist, wodurch sich der Raumbedarf der Pumpe in
axialer Richtung erhöht. Und schließlich sind bei der allgemeinen Bewegung des Fluids durch
die Pumpe zahlreiche Richtungsänderungen enthalten, wodurch Energie- und Druckverluste
bewirkt werden.
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Um diese Nachteile teilweise zu beseitigen, wurden bestimmte Anordnungen vorgeschlagen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen ein Beispiel einer solchen Ausführung, bei der radiale Kanäle 10
von mehr oder weniger komplexer Form in den Außenkranz 15 gebohrt sind, wodurch die
Kapseln 11 in einer radialen Richtung gespeist werden können, und zwar aus Becken 16 von
zweckentsprechender Form, die in der Bohrung ausgespart sind, die den Außenkranz 15
umgibt. Dadurch kann der Zufuhrquerschnitt vergrößert werden.
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Diese Lösung hat jedoch noch immer einige Nachteile. Die Herstellung der radialen Kanäle
ist problematisch. Der Querschnitt dieser Kanäle gerät oft klein im Verhältnis zu der
herkömmlichen axialen Zuführfläche, die weiterhin notwendig ist, und die axiale Höhe der
Pumpe bleibt begrenzt.
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Ferner stellt das Volumen, das diese Kanäle mit sich bringen, ein großes totes Volumen dar,
das die Leistungen der Pumpe stark herabsetzt, insbesondere die Fähigkeit des
Selbstansaugens und die volumetrische Förderleistung mit einem komprimierbaren Fluid.
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Außerdem wird das in diesen Kanälen befindliche Fluid einer großen Zentrifugalkraft
unterzogen, die dem Füllen entgegenwirkt und die Wirksamkeit der radialen Zufuhr stark
einschränkt.
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Aus US-A-2.458.958 ist ferner eine Innenzahnradpumpe bekannt, bei der in einigen
Ausführungen der Durchmesser des Außenkranzes über einen Teil der Höhe bis auf den Wert des
Durchmessers des Zahnkopfs des Innenzahnrads verringert ist, wobei es ein zusätzlicher
Einschnitt ermöglicht, radiale Zufuhrdurchlässe für die Pumpe auszuführen.
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In FR-A-1.504.705 ist eine volumetrisch arbeitende Pumpe mit gekoppelten Zahnrädern, bei
der der Außenkranz aus einer Zusammensetzung von Ringen und Stäben besteht, die die
Zahnung bilden. Der Kranz weist über seine gesamte Höhe den gleichen Durchmesser auf.
Zwischen den Zähnen mit kreisförmigem Profil und den Ringen sind radiale Zufuhröffnungen
ausgeführt.
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Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine volumetrisch arbeitende Rotationspumpe mit Gerotor-
Innenzahnradsatz auszuführen, die einen Bedarf erfüllt, der über die Grenzen hinausgeht, die
durch eine Lösung mit axialer Zuführung gesetzt werden, ohne dabei die Nachteile der bereits
bekannten, vorgeschlagenen Anordnungen zu beinhalten. Eine Pumpe dieses Typs, die diese
Bedingungen erfüllt, ist dergestalt beschaffen, daß der Außenkranz einen geschlossenen
Einfachring aufweist, der die Zähne des Kranzes hält und verbindet, und ein erster
Außendurchmesser des Außenkranzes auf dem Teil der Höhe des Kranzes, der komplementär zu dem
geschlossenen Ring geformt ist, bis auf den Wert des theoretischen Durchmessers am Grund der
Zahnung dieses Kranzes reduziert ist, so daß eine radiale Zuführung zu dieser Pumpe durch
die Zwischenräume hindurch, die zwischen den Zähnen des Außenkranzes ausgeführt sind,
und auf das Profil der Zahnung des Außenkranzes gewährleistet ist, wobei der Radius längs
des Profils variabel ist und an der Hinterflanke eines Zahns einen kleineren Wert und an der
Vorderflanke des Zahns einen größeren Wert aufweist, wobei Vorderflanke und Hinterflanke
mit Bezug auf die Bewegungsrichtung des drehenden Zahnrads definiert sind, wobei das
Zahnungsprofil des Innenzahnrads mit dem genannten Profil des Außenkranzes gekoppelt ist.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen näher aus der folgenden Beschreibung
von Ausführungsformen der Erfindung hervor, die unter Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen erfolgt, wobei
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Fig. 1 wie oben beschrieben eine schematische Ansicht im Schnitt durch eine Ebene zeigt,
die senkrecht zur Drehachse des Zahnradsatzes einer volumetrisch arbeitenden
Rotationspumpe mit Gerotor-Innenzahnradsatz gemäß einer herkömmlichen, bisher bereits
bekannten Ausführungsform verläuft,
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Fig. 2 wie oben beschrieben eine schematische Ansicht im Schnitt durch eine Ebene zeigt,
die gemäß der Linie II-II von Fig. 1 durch die Drehachse der Pumpe von Fig. 1
verläuft,
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Fig. 3 wie oben beschrieben in einer schematischen Ansicht analog zu der von Fig. 1 eine
Gerotor-Pumpe in einem an sich bekannten Anordnungsbeispiel zeigt,
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Fig. 4 wie oben beschrieben in einer Ansicht gemäß Pfeil F von Fig. 3 den Außenkranz der
genannten Pumpe zeigt,
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Fig. 5 eine Vorderansicht des Außenkranzes einer volumetrisch arbeitenden Gerotor-Pumpe
gemäß einer Ausführungsform dieser Erfindung zeigt,
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Fig. 6 den genannten Außenkranz in einer Ansicht im Schnitt durch eine Ebene zeigt, die
gemäß der Linie VI-VI von Fig. 5 verläuft,
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Fig. 7 in einer schematischen Perspektivansicht mit auseinandergezogenen Einzelheiten eine
volumetrisch arbeitende Gerotor-Pumpe gemäß einer Ausführungsform dieser
Erfindung zeigt,
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Fig. 8 in einer Ansicht analog zu der der Fig. 1 und 3 die in Fig. 7 dargestellte Gerotor-
Pumpe im Schnitt durch eine Ebene zeigt, die senkrecht zur Drehachse in einem
mittleren Bereich verläuft,
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Fig. 9 in einer Schnittansicht analog zu der der Fig. 1, 3 oder 8 zwei fiktive Beispiele für
Zahnungsprofile einer Gerotor-Pumpe darstellt, wobei der Einfluß der Kriterien der
Bestimmung eines Zahnungsprofils gezeigt wird,
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Fig. 10 in einer Schnittansicht analog zu der der Fig. 1, 3 oder 8 ein Ausführungsbeispiel
einer Gerotor-Pumpe mit sechs Zähnen mit erfindungsgemäßem Zahnungsprofil zeigt,
und
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Fig. 11 analog zu Fig. 10 ein Ausführungsbeispiel einer Gerotor-Pumpe mit sechs Zähnen mit
erfindungsgemäßem Zahnungsprofil zeigt.
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In den Fig. 5 bis 8 ist schematisch eine erfindungsgemäße volumetrisch arbeitende
Gerotor-Pumpe darstellt. Die Pumpenelemente bestehen aus einem Innenzahnradsatz 20, der aus
einem von einer Welle 22 in Drehbewegung angetriebenen Innenzahnrad 21 und einem
Außenkranz 23 mit Innenzahnung 24, die mit diesem Zahnrad 21 zusammenwirkt, besteht und
sich im Inneren eines Gehäuses aus zwei Teilen 25 und 26 befindet, wobei diese
Gesamtanordnung zwischen zwei Flanschen 27 und 28 sitzt. Bemerkenswerterweise und gemäß
dieser Erfindung weist der Außenkranz 23 Zähne 29 auf, die durch Zwischenräume 30
voneinander getrennt sind, die zwischen diesen Zähnen 29 offene Durchlässe bilden und sich über
einen Teil 31 der Höhe dieses Kranzes erstrecken. Gegenüber einem Gerotor-Kranz eines
herkömmlichen, bereits an sich bekannten Typs wird dieses Ergebnis erreicht, indem über den
genannten Teil 31 des Kranzes der Außendurchmesser D1 des Kranzes 23 bis auf einen Wert
reduziert wird, der nur leicht über und nahe an dem theoretischen Minimaldurchmesser am
Grund der Zahnung des Zahnkranzes liegt. Über den Teil 31 des Kranzes 23 erscheinen die
Zähne 29 daher getrennt voneinander. Bei dem in den Figuren dargestellten
Ausführungsbeispiel wird der komplementäre Teil 32 des Zahnkranzes 23 von einem geschlossenen Ring 33
gebildet, dessen Außendurchmesser D2 größer ist als der Außendurchmesser D1 des Teils 31.
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Somit verbindet der Ring 33 die Zähne 29 miteinander und trägt sie. Dieser Ring 33 bildet
auch die wirksamen Führungsflächen für den Einbau des Zahnkranzes 23.
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Gemäß einer Ausführungsvariante kann der einzelne Ring 33, wie er in den Fig. 5, 6 und 7
dargestellt ist, durch zwei oder mehr Ringe ersetzt werden, vorausgesetzt, daß die offenen
Durchlässe 30 zwischen den Zähnen 29 erhalten bleiben. Auch der Durchmesser dieses Rings
oder seine Anordnung an der einen oder der anderen Seite der Zahnung können variieren.
Die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen volumetrisch arbeitenden Gerotor-Pumpe ist aus der
soeben unter Bezugnahme auf die Fig. 7 und 8 erfolgten Beschreibung der
Ausführungsform abzuleiten. Durch eine erste seitliche Eintrittsöffnung 34, die in dem Gehäuse 25
vorgesehen ist, kann die Versorgung mit einem zu transportierenden Fluid gewährleistet werden,
das durch die radialen Durchlässe 30 in die Hohlräume oder Kapseln 35 zwischen den Zähnen
gelangt, um wieder durch die radialen Durchlässe 30 eine zweite seitliche Austrittsöffnung 36
zu erreichen, die an dem Gehäuse 25 gegenüber der ersten Öffnung 34 vorgesehen ist. Auf
diese Weise entsteht ein radialer Zufuhrabschnitt der Pumpe, der größer ist als der gewöhnlich
an einer herkömmlichen Gerotor-Pumpe verwendete axiale Zufuhrabschnitt, ohne dabei die
Nachteile in Kauf nehmen zu müssen, die auf die Schaffung von radialen Kanälen durch
Durchbohren des Außenzahnkranzes zurückgehen.
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Gemäß dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel besteht ferner die Möglichkeit, die
erfindungsgemäße radiale Zufuhr mit einer herkömmlichen axialen Zufuhr durch die Enden
des Innenzahnradsatzes zu verbinden. Der Nebenkreislauf, der in Fig. 7 mit den Pfeilen f2
schematisch dargestellt ist, ergänzt so den mit den Pfeilen f1 schematisch dargestellten
Hauptkreislauf.
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Ferner kann eine bemerkenswerte ergänzende Anordnung gemäß dieser Erfindung, die
insbesondere darauf abzielt, die Wirkungen der Zentrifugalkraft zu verringern, hinzugefügt werden.
Anstatt wie in den bisherigen, bekannten Lösungen, die als Beispiel in den Fig. 1 und 3
dargestellt sind, an dem Außenkranz ein kreisbogenförmiges Zahnungsprofil mit einem
einzigen und gleichbleibenden Radius vorzusehen, sieht die Erfindung ein asymmetrisches
Zahnungsprofil vor. Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit sechs Zähnen, und Fig. 11 zeigt ein
Ausführungsbeispiel mit vier Zähnen. Die fiktive Ausführung in Fig. 9, die Beispiele für
Zahnungen eines Innenzahnrads 40 und eines Außenkranzes 41 mit Innenzahnung darstellt, zeigt
die Kriterien zur Bestimmung eines asymmetrischen Zahnungsprofils gemäß dieser
Erfindung. An diesen Beispielen ist festzustellen, daß zwischen zwei Zähnen 43 und 44 ein großer
verfügbarer Zwischenraum 42 erzielt werden kann, wenn der Radius R1 des dem
Zahnungsprofil entsprechenden Kreisbogens klein ist. Gleichzeitig verringert sich, wenn dieser Radius
kleiner wird, der Wirkwinkel der Zahnung, und in dem dargestellten Beispiel ist der
Wirkwinkel a1 negativ. Wenn hingegen der Radius R2 des dem Zahnungsprofil entsprechenden
Kreisbogens groß wird, wird zwischen den Zähnen 46 und 47 ein kleinerer Zwischenraum 45
für die radiale Zufuhr verfügbar, jedoch wird der Wirkwinkel a2 positiv und größer, was für
die radiale Zufuhr günstiger ist.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, ein asymmetrisches Zahnungsprofil
auszuführen, wie in den Fig. 10 und 11 dargestellt, bei dem der Kreisbogenradius entlang des
Profils variabel ist. An der Hinterflanke des Zahns wie z. B. 48 oder 49 ist der Radius R1 des dem
Profil entsprechenden Kreisbogens sehr klein, und an der Vorderflanke des Zahns ist der
Radius R2 des dem Profil entsprechenden Kreisbogens sehr groß, wobei Vorderflanke und
Hinterflanke in Bezug auf die Bewegungsrichtung des sich drehenden Zahnkranzes definiert sind.
Auf diese Weise ist zwischen zwei Zähnen ein ausreichender Zwischenraum offen, um einen
geeigneten Querschnitt für die radiale Zufuhr zu gewährleisten, und es wird auch ein
ausreichender Wirkwinkel a der Zahnung erzielt, der insbesondere zwischen 20 und 30 Grad
beträgt, so daß die durchschnittliche Strömungsbahn im Verhältnis zu einem Radius stark
geneigt werden kann und damit eine Abschwächung der Zentrifugalkraftwirkung erreicht
werden kann. In allen Fällen werden entsprechende Profile sowohl an der Außenzahnung des
Innenzahnrads als auch an der Innenzahnung des Außenkranzes ausgeführt, so daß diese Profile
gekoppelt werden und der Kontakt zwischen den Zähnen bei den Bewegungen über den
gesamten Gang bestehen bleibt.
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Auf diese Weise werden gute Bedingungen für die radiale Zufuhr gewährleistet, und bei einer
Bemessung der Pumpen in der gleichen Größenordnung sind diese Bedingungen im Vergleich
zu einer ausschließlich axialen Zufuhr, wie sie zuvor bestand, verbessert. Zusammenfassend
beruhen die Vorteile, die mit der Ausführung einer Gerotor-Pumpe gemäß dieser Erfindung
erzielt werden, auf der Minimierung des toten Volumens und der Minimierung der
Zentripetalbahn und der der Zentrifugalkraft ausgesetzten Fluidmasse, indem der Außendurchmesser
des Außenkranzes verkleinert wird, um den radialen Durchlaß zwischen den Zähnen dieses
Kranzes zu schaffen. Ergänzend ermöglicht es der Einsatz eines asymmetrischen
Zahnungsprofils mit variablem Kreisbögenradius, die Durchlaßfläche für die radiale Zufuhr zu
maximieren, wobei gleichzeitig ein vorteilhafter Wirkwinkel der Zahnung gewahrt wird, sowie
eine allgemeine Füllrichtung zu gewährleisten, bei der die ungünstige Wirkung der
Zentrifugalkraft minimiert wird.