Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Überwachen einer Zahnradpumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Zahnradpumpen, insbesondere in Form von Schraubenspindelpumpen, dienen insbesondere zum Fördern von Flüssigkeiten nach Art einer Verdrängerpumpe. Eine Zahnradpumpe weist z.B. mindestens zwei zusammenwirkende Zahnräder auf, wobei das zu fördernde Medium in Förderkammern, die zwischen Verzahnungen der Zahnräder und einem Gehäuse der Zahnradpumpe bestehen, bewegt wird. Eine Schwierigkeit bei dem Betrieb von Zahnradpumpen ist die Ermittlung von Informationen über ihren aktuellen Zustand (zum Beispiel über den Zustand eines Schmierfilms) und/oder des geförderten Mediums (Pumpmediums).

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem besteht daher darin, Informationen bezüg- lieh der Zahnradpumpe und/oder des Pumpmediums während des Betriebes bestimmen zu können. Dieses Problem wird durch die Zahnradpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Danach wird eine Zahnradpumpe bereitgestellt, mit

- mindestens einem ersten und einem zweiten rotierbaren Element, wobei

- das erste rotierbare Element eine Verzahnung aufweist, die mit einer Verzahnung des zweiten rotierbaren Elementes zusammenwirkt; und

- einem Gehäuse in dem das erste und/oder das zweite rotierbare Element zumindest teilweise angeordnet sind; und

- mindestens einem an dem Gehäuse angeordneten Sender zum Anregen von akustischen Wellen in dem Gehäuse sowie mindestens einem an dem Gehäuse angeordneten Empfänger zum Empfang der in dem Gehäuse angeregten akustischen Wellen, wobei durch Auswerten eines bei Empfang der akustischen Wellen von dem Empfänger erzeugten (elektrischen) Signals Informationen über Eigenschaften der Zahnradpumpe und/oder eines Pumpmediums bestimmbar sind.

Bei der erfindungsgemäßen Zahnradpumpe kann es sich im Prinzip um eine beliebige Bauart handeln. Beispielsweise sind die rotierbaren Elemente jeweils in Form eines Zahnrads ausgebildet, wodurch etwa eine Außen- oder Innenzahnradpumpe realisierbar ist.

Denkbar ist auch, dass die Verzahnungen des ersten und des zweiten rotierbaren Elementes schräg zur jeweiligen Rotationsachse verlaufen. Beispielsweise sind das erste und das zweite rotierbare Element hier nach Art einer Schraubenspindel ausgebildet, so dass eine Zahnradpumpe in Form einer Schraubenspindelpumpe realisiert ist. Die Verzahnungen des ersten und/des zweiten rotierbaren Elementes einer derartigen Schraubenspindelpumpe sind dann jeweils nach Art eines Gewindeprofils (insbesondere nach Art eines Außengewindes) ausgebildet. Denkbar ist natürlich insbesondere, dass mehr als zwei rotierbare Elemente vorhanden sind. Zahnradpumpen, insbesondere Schraubenspindelpum- pen, sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, so dass auf Details dieser Pumpen nicht weiter eingegangen wird.

Der Sender ist insbesondere so ausgebildet, dass er akustische Oberflächenwellen (etwa in Form von Lamb-Wellen oder Lamb-Rayleigh-Wellen) in dem Gehäuse anregen kann, die sich von dem Sender zu dem Empfänger ausbreiten. Beispielsweise wird der Sender (und z.B. auch der Empfänger) so an dem Gehäuse angeordnet (z.B. in einer Vertiefung des Gehäuses, etwa jeweils in einer Bohrung), dass Oberflächenschallwellen angeregt werden, die sich an einer dem ersten und/oder zweiten rotierbaren Element zugewandten Innenseite des Gehäuses ausbreiten. Die Frequenz der Oberflächenwellen wird insbesondere abhängig von der Dicke des Gehäuses gewählt; z.B. werden Anregungsfrequenzen im Bereich zwischen 500 kHz und 2 MHz oder im Bereich zwischen 800 kHz und 1 .5 MHz verwendet. Der Sender und/oder der Empfänger ist insbesondere in Form eines Piezo- wandlers oder eines Interdigitaltransducers ausgebildet.

Der Sender und der Empfänger sind darüber hinaus beispielsweise entlang einer zur Rotationsachse des ersten oder des zweiten rotierbaren Elementes verlaufenden Linie ange- ordnet, d.h. Sender und Empfänger sind in axialer Richtung in Bezug auf das rotierbare Element positioniert. Insbesondere sind der Sender und der Empfänger demselben der mindestens zwei rotierbaren Elemente zugeordnet, wobei der Sender und der Empfänger zum Beispiel parallel zueinander (z.B. in einer radialen Richtung) in Bezug auf dieses rotierbare Element ausgerichtet sein können. Denkbar ist, dass Sender und Empfänger ho- rizontal, d.h. entlang einer Ebene, in der sowohl die Rotationsachse des ersten rotierbaren Elementes als auch die Rotationsachse des zweiten rotierbaren Elementes liegt, oder vertikal, d.h. senkrecht zu dieser Ebene, ausgerichtet sind.

Der Sender und der Empfänger sind insbesondere mit einem axialen Abstand voneinander angeordnet, der mindestens die Hälfte der Steigung des Profils (d.h. des Abstandes zweier Profilmaxima voneinander) des ersten oder des zweiten rotierbaren Elementes beträgt. Möglich ist allerdings auch, dass Sender und Empfänger mit einem geringeren Abstand voneinander angeordnet sind. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind der Sender und der Empfänger nicht axial zueinander angeordnet, sondern radial. Beispielsweise ist der Sender in einer ersten radialen Richtung und der Empfänger in einer von der ersten radialen Richtung verschiedenen zweiten radialen Richtung in Bezug auf das erste oder das zweite rotierbare Element orientiert, d.h. der Sender und der Empfänger sind demselben rotierbaren Ele- ment zugeordnet, jedoch in einem Winkel zueinander ausgerichtet.

Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Überwachen einer Zahnradpumpe, insbesondere einer wie oben beschriebenen Zahnradpumpe, mit den Schritten:

- Bereitstellen mindestens eines ersten und eines zweiten rotierbaren Elementes, wobei das erste rotierbare Element eine Verzahnung aufweist, die mit einer Verzahnung des zweiten rotierbaren Elementes zusammenwirkt, und wobei das erste und/oder das zweite rotierbare Element zumindest teilweise in einem Gehäuse angeordnet sind; und - Anregen von akustischen Wellen in dem Gehäuse mit mindestens einem an dem Gehäuse angeordneten Sender und Empfangen der in dem Gehäuse angeregten akustischen Wellen mit einem an dem Gehäuse angeordneten Empfänger sowie Bestimmen von Informationen über Eigenschaften der Zahnradpumpe und/oder eines Pumpmedi- ums durch Auswerten eines beim Empfang der akustischen Wellen von dem Empfänger erzeugten Signals.

Beispielsweise werden durch das Auswerten des Signals des Empfängers während des Betriebes der Zahnradpumpe Informationen bezüglich eines Schmierfilms (bzw. dem Schmierspalt zwischen rotierendem Element und Gehäuse), einer auf das erste und/oder zweite rotierbare Element wirkenden Last und/oder einer Bewegung des ersten oder des zweiten rotierbaren Elementes bestimmt und/oder es wird ein Defekt des ersten oder des zweiten rotierbaren Elementes detektiert. Möglich ist, dass das Auswerten des Signals des Empfängers ein Auswerten einer Amplitude, eines Frequenzspektrums und/oder einer Hüllkurve des Signals und/oder eines zeitlichen Abstandes von Strukturen in dem Signal umfasst. Beispielsweise umfasst das Auswerten des Empfängersignals auch ein Erkennen von Mustern in dem Verlauf des Empfängersignals.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden in dem Gehäuse gepulste akustische Wellen angeregt, wobei das Auswerten des Empfängersignals ein Ermitteln von Laufzeiten und/oder Amplituden der gepulsten akustischen Wellen während des Betriebes der Zahnradpumpe umfasst. Die Laufzeiten schwanken beispielsweise während des Betriebes der Zahnradpumpe periodisch, wobei anhand der Amplitude und/oder der Frequenz der Schwankungen der Laufzeiten Informationen über Eigenschaften der Zahnradpumpe und/oder des Pumpmediums ermittelt werden können.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer Schraubenspindelpumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; Figuren 2A, 2B Zustände der Schraubenspindelpumpe aus Figur 1 während ihres

Betriebes; Figur 3 Laufzeiten von akustischen Pulsen während des Betriebes der Schraubenspindelpumpe aus Figur 1 ; die Veränderung der Pulslaufzeiten über die Messdauer; eine perspektivische Ansicht einer Schraubenspindelpumpe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und eine Schnittdarstellung einer Schraubenspindelpumpe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in Figur 1 gezeigte Zahnradpumpe in Form einer Schraubenspindelpumpe 1 weist drei rotierbare Elemente in Form von drei gegenläufig rotierenden Gewindespindeln 1 1 -13 auf, wobei die Schraubenspindelpumpe 1 im Bereich einer (der Spindel 13) der beiden äu ßeren Spindeln geschnitten dargestellt ist, um Details des Inneren der Schraubenspindelpumpe 1 sichtbar zu machen. Die Spindeln 1 1 -13 weisen jeweils eine Verzahnung in Form eines äu ßeren gewindeartigen Profils 1 1 1 , 121 , 131 auf, wobei die Profile 1 1 1 , 131 der äußeren Spindeln 1 1 , 13 jeweils mit dem Profil 121 der mittleren Spindel 12 zusammenwirken. Zwischen den Profilen 1 1 1 , 131 der äu ßeren Spindeln 1 1 , 13 und dem Profil 121 der mittleren Spindel 12 entstehen Hohlräume (Förderkammern), in denen das Pumpmedium transportiert wird. Die Spindeln 1 1 -13 (zumindest die mittlere Spindel 12) werden z.B. mit einem Elektromotor 3 angetrieben. Das Prinzip einer derartigen Schraubenspindelpumpe ist an sich jedoch bekannt. Die Spindeln 1 1 -13 sind in einem Gehäuse 2 der Schraubenspindelpumpe 1 untergebracht, wobei eine Innenseite 21 des Gehäuses 2 die zwischen den Profilen 1 1 1 , 121 , 131 der Spindeln 1 1 -13 gebildeten Förderkammern begrenzt. In Bohrungen 22, 23 (vgl. auch Fig. 2A und 2B) in dem Gehäuse 2 sind ein Sender 31 zum Anregen von akustischen Schallwellen in dem Gehäuse 2 und ein Empfänger 32 zum Empfangen der im Gehäuse 2 angeregten Schallwellen angeordnet.

Gemäß Figur 1 sind der Empfänger 31 und der Sender 32 der äußeren Spindel 13 zugeordnet, wobei sie entlang der Rotationsachse der Spindel 13 hintereinander angeordnet sind. Dabei sind der Sender und der Empfänger 31 , 32 in der gleichen vertikalen radialen Richtung in Bezug auf die Spindel 13 orientiert, d.h. ihre Hauptabstrahl- bzw. Empfangsrichtung verläuft senkrecht zu einer Ebene, in der die Rotationsachsen der Spindeln 1 1 -13 liegen. Denkbar ist natürlich auch eine andere Ausrichtung des Senders und des Empfängers 31 , 32, z.B. horizontal.

Möglich ist natürlich auch, dass der Sender der Empfänger 31 , 32 einer der beiden anderen Spindeln 1 1 , 12 zugeordnet ist. Denkbar ist zudem, dass mehrere Sender und Empfänger vorhanden sind, wobei jeweils ein Sender-Empfänger-Paar (ein Sensor) einer Spindel zugeordnet ist. Beispielsweise sind drei Sender-Empfänger-Paare vorhanden, von denen jeweils ein Paar einer der Spindeln 1 1 bis 13 zugeordnet ist. Denkbar ist z.B. auch, dass nur ein Sender, jedoch mehrere Empfänger verwendet werden.

Anhand des vom Empfänger 31 bei Empfang der sich in dem Gehäuse 2 ausbreitenden Schallwellen erzeugten Signals können Informationen über Eigenschaften der Schrauben- spindelpumpe 1 und/oder über das geförderte Pumpmedium bestimmt werden. Insbesondere werden Oberflächenschallwellen (zum Beispiel in Form von Lamb-Wellen) in dem Gehäuse 2 angeregt, die sich zumindest teilweise an der den Spindeln 1 1 -13 zugewandten Innenseite 21 des Gehäuses 2 ausbreiten.

Die Ausbreitung derartiger Oberflächenschallwellen hängt von der Beschaffenheit der Innenseite 21 des Gehäuses 2 und der Umgebung der Innenseite 21 ab. So werden die sich entlang der Innenseite 21 ausbreitenden Schallwellen von dem an die Innenseite 21 des Gehäuses 2 angrenzenden Material beeinflusst. Beispielsweise hängen die Geschwindigkeit und die Amplitude, mit der sich die Schallwellen ausbreiten, von der Art des Materials, das an die Innenseite 21 angrenzt, ab. Insbesondere werden sich die Oberflächenschallwellen schneller ausbreiten, wenn eine Erhebung 131 1 (z.B. eine Spitze) des Gewindepro- fils 131 der Spindel 13 an den von den Oberflächenschallwellen passierten Bereich der Innenseite 21 (d.h. an die Messstrecke) angrenzt (Fig. 2A), als in dem Fall, dass überwiegend eine Förderkammer 132 (d.h. das Pumpmedium) dort angrenzt (Fig. 2B). Somit wird sich die Laufzeit der akustischen Wellen abhängig von der Stellung der Spindel 13 verändern, so dass sich die Laufzeiten während des Betriebs der Schraubenspindelpumpe 1 periodisch verändern (s. Fig. 3).

Darüber hinaus kann ein größerer Anteil der Oberflächenschallwellen aus dem Gehäuse 2 auskoppeln, wenn das Pumpmedium an die Innenseite 21 (an den von den Schallwellen durchquerten Bereich der Innenseite 21 ) angrenzt. Daher kann auch die Amplitude des Empfängersignals von dem an der Innenseite 21 vorliegenden Material abhängen. Entsprechend kann auch die Amplitude des Empfängersignals beim Betrieb der Schraubenspindelpumpe 1 periodisch schwanken. Die akustische Messstrecke (der Bereich zwischen dem Sender 31 und dem Empfänger 32) kann als Mehrschichtsystem betrachtet werden, welches sich aus einem Bereich des Gehäuses 2 (insbesondere umfassend die Innenseite 21 ), einem Schmierfilm zwischen der Spindel 13 und dem Gehäuse 2 sowie einem Abschnitt der Spindel 13 zusammensetzt. Die Geschwindigkeit der akustischen Oberflächenwellen, die sich in diesem Mehrschichtsystem ausbreitet, hängt wie oben erläutert von der Zusammensetzung des Schichtsystems ab; vgl. die bereits erwähnten Fig. 2A und 2B, die die beiden Extremfälle darstellt, nämlich, dass das Schichtsystem eine dicke Metallschicht (Bereich 131 1 der Spindel 13) aufweist (Fig. 2A) oder eine dicke, aus dem Pumpmedium gebildete Schicht umfasst (Fig. 2B).

Figur 3 illustriert den Einfluss der Rotation der Spindel 13 auf die Laufdauer und die Amplitude von akustischen Pulsen AP, die mit Hilfe des Senders 31 in dem Gehäuse 2 und insbesondere dessen Innenseite 21 angeregt wurden. Danach läuft ein akustischer Puls schneller vom Sender 31 zum Empfänger 32, wenn eine Erhebung 131 1 des Gewindeprofils 131 der Spindel 13 an die Innenseite 21 angrenzt (Empfängersignal EP1 ), als in dem Fall, dass sich eine der Förderkammern 132 (d.h. das Pumpmedium) dort befindet (Empfängersignal EP2). Bei Betrieb der Schraubenspindelpumpe 1 entstehen daher periodische Schwankungen der Laufzeiten.

Zur Erfassung dieser periodischen Schwankungen der Laufzeiten werden z.B. kontinuierlich akustische Pulse ausgesandt und jeweils die Laufzeiten der Pulse vom Sender 31 zum Empfänger 32 bestimmt. Diese ermittelten Laufzeiten (Signallaufzeiten) werden über der Zeit (Messdauer) aufgetragen (vgl. Figur 4) und ausgewertet. Insbesondere können aus dem periodischen Verlauf der Laufzeiten Informationen über den Zustand der Schraubenspindelpumpe 1 und/oder über den Zustand des Pumpmediums gewonnen werden. Analog können auch die Amplituden der Pulse ermittelt und der (ebenfalls periodische) Verlauf der Pulsamplituden zum Bestimmen von Informationen über den Zustand der Schrauben- spindelpumpe 1 und/oder über das Pumpmedium ausgewertet werden.

Beispielsweise kann aus der Frequenz des in Figur 4 gezeigten Verlaufs der Laufzeiten („Laufzeit-Messsignal") die Spindelfrequenz bestimmt werden. Zudem korreliert der Mittelwert des Laufzeit-Messsignals mit der Schallgeschwindigkeit des Pumpmediums. Darüber hinaus kann auch eine Information über die Menge des Pumpmediums abgeleitet werden, da die Amplitude des Laufzeit-Messsignals von der Menge des Pumpmediums abhängt. Beispielsweise werden sich die Laufzeiten nur wenig verändern (d.h. die Amplitude des Laufzeit-Messsignals nimmt ab), wenn nur eine geringe Menge des Pumpmediums gefördert wird. Entsprechend kann ein Trockenlaufen oder ein drohendes Trockenlaufen der Pumpe erkannt werden. Denkbar ist auch, dass detektiert werden kann, wenn der tragende Schmierfilm zwischen den Profilen der Spindel und dem Gehäuse so dünn ist, dass es zumindest gelegentlich zu einem Kontakt zwischen dem (metallischen) Profil der Spindel und der Innenseite des Gehäuses kommt. In diesem Fall würde an die Innenseite des Gehäuses ein weiterer metallischer Bereich (des Profils der Spindel) angrenzen, wodurch sich die Geschwindigkeit der Oberflächenschallwellen verändert, was einen Einbruch in dem Laufzeit-Messsignal hervorruft. Derartige Einbrüche werden umso zahlreicher auftreten, je geringer und inhomogener der Schmierfilm ist.

Des Weiteren können sich auch Einschlüsse (zum Beispiel Gasblasen) in dem Pumpme- dium oder sonstige Inhomogenitäten des Pumpmediums in dem Messsignal bemerkbar machen und sind somit mit dem obigen Verfahren detektierbar.

Figur 5 betrifft eine Abwandlung der Schraubenspindelpumpe der Figur 1 . Der Sender 31 und der Empfänger 32 sind hier zwar ebenfalls der Spindel 13 zugeordnet und axial hin- tereinander entlang der Rotationsachse der Spindel 13 angeordnet. Allerdings sind Sender und Empfänger 31 , 32 in einem größeren Abstand zueinander positioniert. Beispielsweise beträgt der Abstand mindestens eine halbe Steigung des Außenprofils der Spindel 13.

Denkbar ist auch, dass Sender und Empfänger 31 , 32 nicht axial angeordnet sind, sondern radial. In diesem Fall sind der Sender 31 und der Empfänger 32 ebenfalls einer der Spindeln 1 1 -13 zugeordnet, wobei sie jedoch jeweils entlang unterschiedlicher radialer Richtungen in Bezug auf die Spindel orientiert sind. Dies ist in Figur 6 gezeigt. Dort ist der Sender 31 entlang einer ersten radialen Richtung in Bezug auf die Spindel 13 und der Empfänger 32 entlang einer zweiten radialen Richtung, die von der ersten radialen Rich- tung verschieden ist, ausgerichtet. Des Weiteren ist auch der anderen äu ßeren Spindel 1 1 ein Sender 310 und ein Empfänger 320 zugeordnet, die ebenfalls jeweils radial orientiert sind.

Es wird darauf hingewiesen, dass Elemente der vorstehend beschriebenen Ausführungs- beispiele natürlich auch in Kombination miteinander verwendet werden können. So kann durchaus eine Kombination aus einer axialen und einer radialen Anordnung von Sender und Empfänger an ein und derselben Spindel realisiert sein. Beispielsweise kann ein erstes, axial angeordnetes Sender-Empfänger-Paar der äu ßeren Spindel 13 und ein zweites, radial ausgerichtetes Sender-Empfänger-Paar der anderen äu ßeren Spindel 1 1 zugeordnet sein.