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Patent Searching and Data


Title:
LOBE PUMP
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/158631
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a lobe pump having • a) a housing (10), which has an inlet (11) and an outlet (12) for the medium to be pumped, • b) at least one rotary piston (20), which is mounted driveably and rotatably in the housing (10) and which has at least two transport vanes (22) provided with a contour, which transport the medium to be conveyed from the inlet (11) to the outlet (12), • c) and a sealing element (30) per rotary piston (20), which sealing element is mounted on a sealing body (42) and runs against the contour of the rotary piston (20) as the rotary piston (20) rotates and performs a deployment movement from a minimum diameter of the rotary piston (20) to a maximum diameter of the rotary piston (20) and a retraction movement from the maximum diameter of the rotary piston (20) to the minimum diameter of the rotary piston (20) on different sides of the transport vanes (22), wherein • d) the path covered by the sealing element (30) on the infeed side (221) of the transport vane (22) during the retraction movement is shorter than the path on the outfeed side (222) during the deployment movement.

Inventors:
WESTENDARP, Hans-Heinrich (Riekestraße 3, Braunschweig, 38108, DE)
FOLKER, Aljets (Dr. Wilhelm-Höck-Ring 27, Salzgitter, 38239, DE)
Application Number:
EP2019/053640
Publication Date:
August 22, 2019
Filing Date:
February 14, 2019
Export Citation:
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Assignee:
BMA BRAUNSCHWEIGISCHE MASCHINENBAUANSTALT AG (Am alten Bahnhof 5, Braunschweig, 38122, DE)
International Classes:
F01C21/08; F04C2/332; F04C2/46; F04C15/00
Foreign References:
DE125174C
NL25897C
FR626596A1927-09-14
DE960411C1957-03-21
DE6927594U1971-08-12
DE1709909U1955-11-03
DE6753460U1969-04-30
DE7811068U11979-02-22
Attorney, Agent or Firm:
GRAMM, LINS & PARTNER PATENT- UND RECHTSANWÄLTE PARTGMBB (Theodor-Heuss-Straße 1, Braunschweig, 38122, DE)
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Claims:
Patentansprüche

1 . Drehkolbenpumpe mit

a. einem Gehäuse (10), das einen Einlass (11 ) und einen Auslass (12) für das zu verpumpende Medium aufweist,

b. zumindest einem Drehkolben (20), der antreibbar und drehbar in dem Ge- häuse (10) gelagert ist und der zumindest zwei mit einer Kontur versehene Transportflügel (22) aufweist, der das zu fördernde Medium von dem Ein- lass (11 ) zu dem Auslass (12) transportiert,

c. und einem Dichtelement (30) pro Drehkolben (20), das an einem Dichtkör- per (42) gelagert ist und auf der Kontur des Drehkolbens (20) während der Drehung des Drehkolbens (20) abläuft und eine Ausfahrbewegung von ei- nem minimalen Durchmesser der Drehkolbens (20) zu einem maximalen Durchmesser des Drehkolbens (20) und eine Einfahrbewegung von dem maximalen Durchmesser des Drehkolbens (20) zu dem minimalen Durch- messer des Drehkolbens (20) auf unterschiedlichen Seiten der Transport- flügel (22) ausführt, dadurch gekennzeichnet, dass die Strecke, die das Dichtelement (30) auf der Einfahrseite (221 ) des Transportflügels (22) wäh- rend der Einfahrbewegung ausführt, kleiner als die Strecke auf der Aus- fahrseite (222) während der Ausfahrbewegung ist.

2. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur auf der Ausfahrseite (222) eine Krümmung ohne Wendepunkt und die Kontur auf der Einfahrseite (221 ) zumindest einen Wendepunkt aufweist.

3. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der minimale Drehkolbenradius auf der Einfahrseite (221 ) von dem Dichtelement (30) bei einem Drehwinkel zwischen 20° und 90° von dem maximalen Drehkolbenradius aus erreicht wird.

4. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der maximale Drehkolbenradius von dem Dichtelement (30) nach Verlassen des minimalen Drehkolbenradiusses auf der Ausfahrseite (222) bei einem Drehwinkel zwischen 90° und 160° erreicht wird.

5. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Querschnittsfläche des Transportflügels (22) auf der

Einfahrseite (221 ) geringer als auf der Ausfahrseite (222) ist.

6. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Drehkolben (20) zwei Transportflügel (22) aufweist, de- ren Konturen punktsymmetrisch zu der Drehachse (21 ) sind.

7. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass der Dichtkörper (42) an einem Sperrflügel (40) schwenkbar innerhalb des Gehäuses (10) gelagert oder als verschieblicher, federbelasteter Schieber ausgebildet ist.

8. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ab- stand zwischen dem Lagerpunkt (41 ) des Sperrflügels (40) und dem Berühr- punkt (24) des Dichtelementes (30) mit dem Transportflügel (22) zwischen 1 ,5mal bis 2mal so groß wie der Drehkolbenradius ist.

9. Drehkolbenpumpe nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeich- net, dass der Sperrflügel (40) auslassseitig in dem Gehäuse (10) gelagert ist und einen Schwenkarm (43) mit einem abgerundeten oder ovalen Querschnitt (430) aufweist.

10. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Dichtelement (30) eine ebene Kontaktfläche (31 ) und zumindest einen sich daran anschließenden gerundeten Kontaktabschnitt (32, 33) aufweist.

11. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der gerundete Kontaktabschnitt (32, 33) über einen Kreisbogen mit einem Mittel punktswinkel größer oder gleich 90° erstreckt und sich daran eine Abstreiffläche (34) anschließt.

12. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (a) zwischen der Geraden durch den Lagerpunkt (41 ) des Schwenk- armes (43) und dem Berührpunkt (24) des Dichtelementes (30) und der ebenen Kontaktfläche (31 ) in dem maximalen Drehkolbenradius zwischen 5° und 25°, bevorzugt zwischen 10° und 20°, besonders bevorzugt zwischen 12° und 18° beträgt.

13. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass in dem Berührpunkt (24) von Drehkolben (20) und Dichtele- ment (30) der Winkel (ß) zwischen der Senkrechten (S) auf die Drehkolbenflä- che und der Tangente (T) an die Bewegungsrichtung des Dichtelementes (30) zwischen 0° bis 70° beim Einfahren und zwischen 0° bis 45° beim Ausfahren beträgt. 14. Drehkolbenpumpe nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Wirklinie des Dichtelementes (30) als Verlauf des Ab- standes des Berührpunktes (24) des Dichtelementes (30) zu dessen Lager- punkt (41 ) auf der Ausfahrseite (222) verschieden zu der Wirklinie des Dichtele- mentes (30) auf der Einfahrseite (221 ) ist.

15. Drehkolbenpumpe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkli- nie des Dichtelementes auf der Ausfahrseite (222) einen kleineren Radius als auf der Einfahrseite (221 ) aufweist.

Description:
Drehkolbenpumpe

Die Erfindung betrifft eine Drehkolbenpumpe mit einem Gehäuse, das einen Ein- lass und einen Auslass für das zu verpumpende Medium aufweist, zumindest ei- nem Drehkolben, der antreibbar und drehbar in dem Gehäuse gelagert ist und der zumindest zwei mit einer Kontur versehene Transportflügel aufweist, die das zu fördernde Medium von dem Einlass zu dem Auslass transportieren, und einem

Dichtelement pro Drehkolben, das an einem insbesondere schwenkbar gelagerten Dichtkörper befestigt ist und auf der Kontur des Drehkolbens während der Dre- hung des zumindest einen Drehkolbens abläuft und eine Ausfahrbewegung von einem minimalen Durchmesser des zumindest einen Drehkolbens zu einem maxi- malen Durchmesser des zumindest einen Drehkolbens und eine Einfahrbewegung von dem maximalen Durchmesser des zumindest einen Drehkolbens zu dem mini- malen Durchmesser des zumindest einen Drehkolbens ausführt. Eine solche Drehkolbenpumpe ist insbesondere zum Verpumpen von hochviskosen Medien, beispielsweise Magma bei der Zuckerherstellung geeignet und vorgesehen.

Magma ist eine Mischung aus Kristallzucker und Sirup und entsteht im Kochpro- zess als Zwischenprodukt während der Zuckerproduktion. Eine solche Drehkol- benpumpe ist jedoch, obwohl sie für das Verpumpen von Kristallsuspensionen be- sonders geeignet ist, nicht auf das Verpumpen von Magma beschränkt. Aus der DE 67 53 460 U1 ist eine Drehkolbenpumpe mit einem klappsymmetri- schen Drehkolben bekannt, auf dessen Außenkontur ein Dichtelement abläuft. Der Drehkolben weist eine im Wesentlichen elliptische Kontur auf. Das Dichtelement ist an einem Schwenkhebel befestigt. Aus der DE 78 11 068 U1 ist eine Drehkolbenpumpe mit einem Gehäuse, einem unten liegenden Einlass innerhalb des Gehäuses und einem oberhalb dazu ange- ordneten Auslass vorgesehen. Zwischen Einlass und Auslass ist ein federbelaste- ter Schieber angeordnet, über den ein Dichtelement gegen den Drehkolben ge- drückt wird. Der Drehkolben ist als abgerundete, hinsichtlich der kurzen Achse und der Längsachse klappsymmetrische Raute ausgebildet. Die DE-N 7251 betrifft eine Drehkolbenpumpe zum Fördern dickflüssiger Stoffe, bei der ein zwangsläufig gesteuerter Widerlagerschieber der Umrissform des Drehkolbens folgt. Die Zwangssteuerung wird über Steuernocken erreicht, die eine der Kontur des Transportkolbens folgende Bewegung eines zylindrischen Dich- tungsteils bewirken. Der Drehkolben weist eine S-förmig geschwungene Quer- schnittsform auf.

Nachteilig an solchen Drehkolbenpumpen sind ein vergleichsweise geringes Pumpvolumen pro Umdrehung sowie ein hoher Verschleiß an dem Drehkolben und dem Dichtelement bei nicht zwangsgeführten Dichtelementen. Die Kolbenkon- tur führt dabei zu einem Wegdrücken des Dichtelementes von dem Kolben und so- mit zu Undichtigkeiten und Förderverlusten. Um dieses zu verhindern, muss ein erhöhter Anpressdruck aufgebracht werden, der zu einem erhöhten Energiebedarf und einem erhöhten Verschleiß führt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Drehkolbenpumpe bereitzustellen, die ein vergrößertes Pumpvolumen pro Umdrehung aufweist, so dass bei einem gleichen Pumpvolumen die Drehkolbenpumpe kleiner und preiswerter gebaut wer- den kann. Diese Aufgabe wird durch eine Drehkolbenpumpe mit den Merkmalen des Haupt- anspruches gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Figuren offen- bart. Die Drehkolbenpumpe mit einem Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass für das zu verpumpende Medium aufweist, mit zumindest einem Drehkolben, der antreibbar und drehbar in dem Gehäuse gelagert ist und der zumindest zwei mit einer Kontur versehene Transportflügel aufweist, die das zu fördernde Medium von dem Einlass zu dem Auslass transportieren, und mit einem Dichtelement pro Drehkolben, das an einem Dichtkörper gelagert oder ausgebildet ist und auf der Kontur des Drehkolbens während der Drehung des Drehkolbens abläuft und eine Ausfahrbewegung von einem minimalen Durchmesser des Drehkolbens zu einem maximalen Durchmesser des Drehkolbens und eine Einfahrbewegung von dem maximalen Durchmesser des Drehkolbens zu dem minimalen Durchmesser des Drehkolbens auf unterschiedlichen Seiten des Transportflügels ausführt, sieht vor, dass die Strecke, die das Dichtelement auf der Einfahrseite des Transportflügels während der Einfahrbewegung ausführt, kürzer oder kleiner als die Strecke auf der Ausfahrseite während der Ausfahrbewegung ist. Die Ausfahrbewegung beginnt dann, wenn das Dichtelement von einem minimalen Durchmesser des Drehkol- bens sich von der Drehachse des Drehkolbens wegbewegt, die Einfahrbewegung beginnt, wenn sich das Dichtelement von dem maximalen Drehkolbenradius wäh- rend der Drehung des Drehkolbens in Richtung auf den minimalen Durchmesser des Drehkolbens bewegt. Das Ende der Einfahrbewegung ist erreicht, wenn der Berührpunkt oder die Berührlinie zwischen der Kontur des Drehkolbens und dem Dichtelement den minimalen Durchmesser des Drehkolbens erreicht hat, die Aus- fahrbewegung endet, wenn der maximale Drehkolbenradius von dem Berührpunkt oder der Berührlinie erreicht wurde. Es besteht die Möglichkeit, dass die Kontur des Drehkolbens so ausgestaltet ist, dass über einen gewissen Winkelbereich der Durchmesser konstant bleibt, insbesondere den minimalen Durchmesser und/oder maximalen Durchmesser des Drehkolbens einnimmt, so dass der Gesamtwinkel, über den eine Einfahrbewegung und eine Ausfahrbewegung ausgeführt wird, klei- ner als 180° beträgt, wenn der Drehkolben als Drehkolben mit zwei Transportflü- geln ausgeführt ist. Die Einfahrgeschwindigkeit des Dichtelementes ebenso wie die Ausfahrgeschwindigkeit wird bei einer gleichbleibenden Drehzahl durch die Kontur des jeweiligen Transportflügels des Drehkolbens bestimmt. Wird es dem Dichtelement ermöglicht, sehr schnell in Richtung auf einen minimalen Drehkol- benradius oder in Richtung auf die Drehachse des Drehkolbens sich zu verlagern, liegt eine hohe Einfahrgeschwindigkeit vor, was durch einen steilen Abfall der Kon- tur über den Drehwinkel erreicht wird. Umgekehrt wird das Dichtelement langsam nach radial außen auf der Kontur des Drehkolbens verlagert, wenn über einen Drehwinkel nur eine geringe Steigung anliegt. Insbesondere bei dem Verpumpen hochviskoser, zähflüssiger Medien ist es problematisch, das Sperrelement, das an einem Dichtkörper gelagert oder ausgebildet ist, innerhalb des Mediums nach au- ßen zu drücken, also von dem minimalen Durchmesser des Drehkolbens zum ma- ximalen Durchmesser des Drehkolbens. Auch bei der Einfahrbewegung müssen das Dichtelement und der Dichtkörper durch das hochviskose Medium bewegt werden. Diese Bewegungen müssen in der Regel gegen den Widerstand des im zu transportierenden Medium gelagerten Dichtkörpers aufgebracht werden. Der Transportflügel selbst, auf dem der Dichtkörper mit dem Dichtelement entlangglei- tet, kann nicht beliebig dünn ausgeführt werden, da einerseits Festigkeitsbedin- gungen erfüllt sein müssen und andererseits Beschleunigungsgrenzen eingehal- ten werden müssen, beispielsweise um ein Abheben des Dichtelementes von der Oberfläche des Drehkolbens zu vermeiden. Es hat sich als vorteilhaft herausge- stellt, das Dichtelement vergleichsweise langsam eine Ausfahrbewegung vorneh- men zu lassen. Im Bereich des maximalen Drehkolbenradius ist in der Regel eine Abrundung ausgebildet, um eine abrupte Bewegungsumkehr des auf dem rotie- renden Drehkolben ablaufenden Dichtelementes zu vermeiden. Insbesondere ist vorgesehen, dass der Transportflügel auf der Einfahrseite schmaler und steiler ausgebildet ist als auf der Ausfahrseite. Durch das in dem Verhältnis zu der Aus- fahrseite verringerte Volumen des Transportflügels auf der Einfahrseite wird das Kammervolumen, das durch das Gehäuse und die Transportflügelkontur gebildet wird, im Vergleich zu einer klappsymmetrischen Kontur beiderseits der Verbin- dungslinie des jeweils maximalen Drehkolbenradius durch die Drehachse vergrö- ßert und gleichzeitig vermieden, dass zu hohe Belastungen auf das Material durch zu hohe Beschleunigungen bei der Ausfahrbewegung auftreten. Bevorzugt findet die geringere Ausfahrgeschwindigkeit im Vergleich zur Einfahrgeschwindigkeit an einer Ausführung des Drehkolbens mit zwei Transportflügeln über einen Drehwin- kel von zumindest größer 90° bis zu einem Drehwinkel bis 160°, insbesondere in einem Bereich von 110° bis 130° statt, wodurch ein schnelles Einfahren des Dich- telementes und dadurch eine Vergrößerung der Pumpkammer erreicht werden kann.

In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Kontur auf der Ausfahrseite des Drehkolbens eine Krümmung ohne Wendepunkte in der Steigung der Kontur auf- weisen, während die Kontur auf der Einfahrseite bevorzugt zumindest einen Wen- depunkt aufweist, wodurch definiert ist, dass auf der Einfahrseite eine maximale Verringerung des Volumens des Transportflügels erfolgt und nach einer Phase mit einer sehr hohen Einfahrgeschwindigkeit, also einer sehr steilen Kontur des Trans- portflügels an der Einfahrseite, diese abgeflacht wird, um einen sanften Übergang bis zum Erreichen des minimalen Durchmessers des Drehkolbens bereitzustellen.

Eine Variante der Erfindung sieht vor, dass der minimale Drehkolbenradius auf der Einfahrseite von dem Dichtelement bei einem Drehwinkel zwischen 30° und 90°, gemessen von dem maximalen Drehkolbenradius erreicht wird. Dadurch wird si- chergestellt, dass der minimale Drehkolbenradius sehr schnell erreicht wird. Auf der Ausfahrseite kann die Ausfahrbewegung zwischen 90° und 150° vor Erreichen des maximalen Drehkolbenradius beginnen, wobei die Kontur auf der Ausfahrseite bevorzugt eine Krümmung ohne Wendepunkt oder Unstetigkeitsstellen aufweist, um eine gleichmäßige, vergleichsweise langsame Ausfahrbewegung des Dichtele- mentes und damit des Dichtkörpers zu erreichen. Durch die im Vergleich zur Ein- fahrseite massivere und mit mehr Material versehene Ausfahrseite bleibt es wei- terhin möglich, die hohen Kräfte und Momente aufzubringen, die zum Transport des zähflüssigen Produktes durch die Pumpe aufgebracht werden müssen.

Der maximale Drehkolbenradius kann von dem Dichtelement nach Verlassen des minimalen Drehkolbenradius auf der Ausfahrseite bei einem Drehwinkel zwischen 90° und 150° erreicht werden, so dass bei einer korrespondierenden Ausgestal- tung auf der Einfahrseite bei einem vergleichsweisen frühen Erreichen der Kontur am minimalen Drehkolbenradius das Volumen des Transportflügels auf der Ein- fahrseite geringer als auf der Ausfahrseite ausgebildet sein muss.

Besonders bevorzugt weist der Drehkolben zwei Transportflügel auf, deren Kontu- ren punktsymmetrisch zu der Drehachse des Drehkolbens ausgebildet sind. Durch die zweiflügelige Ausgestaltung wird ein großes Kammervolumen bereitgestellt. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Dichtkörper an ei- nem Schwenkarm schwenkbar innerhalb des Gehäuses gelagert ist. Damit ist es möglich, eine robuste Lagerung bei einer vergleichsweise kompakten Bauweise ohne komplexe Feder- und/oder Lagermechanismen zu erreichen. Grundsätzlich ist es auch möglich, das Dichtelement an einem linear gelagerten, federbelasteten Dichtkörper anzuordnen. Über die Position der Lagerstelle der schwenkbaren La- gerung in dem Gehäuse ist es möglich, den innerhalb des Pumpengehäuses vor- liegenden Druck, insbesondere die Druckdifferenz zwischen dem Einlass und dem Auslass, auszunutzen, indem eine Kraft auf das Dichtelement ausgeübt wird, die bei höherer Druckdifferenz das Dichtelement stärker an die Kolbenkontur presst und damit die Verluste reduziert und die Betriebssicherheit erhöht. Ebenfalls ist die Breite des Dichtelementes ein Faktor, der zusammen mit der Druckdifferenz den Anpressdruck auf die Kontur des Transportflügels beeinflusst. Der Abstand zwischen dem Lagerpunkt des schwenkbar gelagerten Schwenkar- mes und dem Berührpunkt des Dichtelementes an dem Transportflügel ist bevor- zugt groß im Vergleich zu dem Drehkolbenradius. Eine angenähert lineare Bewe- gung des Dichtelementes in Ausfahrrichtung oder Einfahrrichtung ist anzustreben. Dies wird dadurch erreicht, dass der Schwenkarm möglichst lang gewählt ist. Be- vorzugt beträgt der Abstand zwischen dem Lagerpunkt des Schwenkarmes und dem Berührpunkt des Dichtelementes mit dem Transportflügel das 1 ,5-fache bis 2- fache des Radius des Drehkolbens. Die Länge des Schwenkarmes steht dabei in Konkurrenz zu möglichst kompakten Gehäuseabmessungen. Je länger der Schwenkarm ausgebildet ist und in dem Gehäuse gelagert werden muss, desto größer muss das Gehäuse ausgebildet sein. Daher hat sich ein Radius von 1 ,5 bis 2-mal des Radius des Drehkolbens, vorzugsweise 1 ,65 bis 1 ,85-fache des Radius als ein guter Kompromiss herausgestellt, um eine möglichst lineare Ein- und Aus- fahrbewegung des Dichtelementes zu realisieren. Bevorzugt ist der Schwenkarm auslassseitig in dem Gehäuse gelagert, um das

Pumpvolumen pro Umdrehung nicht zu verringern und das Dichtelement über den Differenzdruck zwischen Einlass und Auslass an den Transportflügel zu pressen. Zur Verringerung des Strömungswiderstandes ist der Schwenkarm abgerundet o- der weist einen ovalen Querschnitt auf, um eine strömungsoptimierte Anordnung des Schwenkarmes innerhalb des verpumpten Mediums zu gewährleisten.

Das Dichtelement weist in einer Weiterbildung der Erfindung eine breite, ggf.

ebene Kontaktfläche und zumindest einen sich daran anschließenden, gerundeten Kontaktabschnitt auf. Der Kontaktabschnitt oder die Kontaktabschnitte können die beiden Enden des Dichtelementes ausbilden. Durch die Breite der Kontaktfläche ist es möglich, mehrere Wirklinien zwischen dem Dichtelement und der Kontur des Drehkolbens auszugestalten, insbesondere auch den Berührpunkt oder die Be- rührlinie des Dichtelementes auf der Kontaktfläche mit dem Dichtkörper wandern zu lassen, um den Verschleiß zu verringern. Das Wandern der Wirklinie entlang der Kontaktfläche ergibt sich durch die unterschiedlichen Steigungen in der Kontur der Transportflügel. Über die gerundeten Kontaktabschnitte an dem vorderen oder hinteren Ende des Dichtelementes kann eine sichere Anlage auch bei sich än- dernden Krümmungen erreicht werden. Die Wirklinie hat vorteilhafterweise auf der Einfahrseite einen größeren Radius als auf der Ausfahrseite. Der Berührpunkt o- der die Berührlinie wandert damit auf dem Dichtelement nach außen, wenn das Dichtelement einfährt, und dann zurück zur Mitte des Dichtelementes. Der Berühr- punkt oder die Berührlinie wandert auf dem Dichtelement nach innen oder in Rich- tung auf den Drehpunkt des Schwenkarmes, wenn das Dichtelement ausfährt und dann zurück zur Mitte des Dichtelementes. Die Form des Dichtelementes und des- sen Zuordnung zu der Kontur des Drehkolbens kann so ausgebildet sein, dass bei einem minimalen Drehkolbenradius und einem maximalen Drehkolbenradius der Berührpunkt oder die Berührlinie des Dichtelementes ungefähr in dessen Mitte liegt.

Das Dichtelement kann eine ebene Kontaktfläche und zumindest einen sich daran anschließenden gerundeten Kontaktabschnitt aufweisen, wobei sich zumindest ei- ner der gerundeten Kontaktabschnitte über einen Kreisbogen mit einem Mittel punktswinkel größer oder gleich 90° erstreckt, so dass sich daran eine Abstreifflä- che anschließt. Der Winkel zwischen der Abstreiffläche und der Kontaktfläche ist somit kleiner oder gleich 90°.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Winkel zwischen der Geraden durch den Drehpunkt des Schwenkarmes und dem Berührpunkt oder der Berührlinie des Dichtelementes und einer ebenen Kontaktfläche des Dichtele- mentes bei Stellung in dem maximalen Drehkolbenradius zwischen 5° und 25°, bevorzugt zwischen 10° und 20°, besonders bevorzugt zwischen 12° und 18° be- trägt, um nur einen Berührpunkt im Querschnitt oder eine Berührlinie und damit eine einzige Dichtlinie bei dem Kontakt des Dichtelementes mit der Kontur des Transportflügels oder des Drehkolbens zu haben. Anderenfalls würden Quet- schungen oder Undichtigkeiten auftreten, wenn keine einfache Linienberührung, sondern eine Doppellinienberührung vorliegen würde. Die Konturen des Drehkolbens und des Dichtelementes können so aufeinander abgestimmt sein, dass in dem Berührpunkt von dem Drehkolben und dem Dich- telement der Winkel zwischen der Senkrechten auf die Drehkolbenoberfläche und der Tangente an die Bewegungsrichtung des Dichtelementes zwischen 0° und 70°, bei besonderen Bauformen zwischen 0° und 50°, beim Einfahren und zwi- sehen 0° und maximal 45° beim Ausfahren beträgt, wodurch beim Herausdrücken der Dichtkörper mit weniger Reibungsverlusten bewegt wird und für das Einfahren ein leichtes Hingleiten ermöglicht wird. Beim Einfahren deuten große Winkel auf ein schnelles Einfahren hin, beim Ausfahren ist ein möglichst kleiner Wert anzu- streben, um die Reibung zu reduzieren.

Wenn die Wirklinien des Dichtelementes, die als Radius um den Drehpunkt des Sperrflügels durch den Berührpunkt von Drehkolben und Dichtelement definiert ist, auf der Ausfahrseite verschieden zu der Wirklinie auf der Einfahrseite ist, wird es ermöglicht, ein vergleichsweise großes Dichtelement mit einer vergleichsweise großen Breite bereitzustellen, da aufgrund der unterschiedlichen Radien der Wir- klinien der Reibungspunkt oder die Dichtlinie zwischen dem Dichtelement und der Oberfläche des Drehkolbens auf dem Dichtelement wandern muss. Bevorzugt ist der Radius der Wirklinie auf der Ausfahrseite geringer als auf der Einfahrseite. Durch die Möglichkeit der Breitenvergrößerung reduziert sich der Verschleiß, da die insgesamt zur Verfügung stehende Dichtfläche, die abrasiv beansprucht wird, vergrößert wird.

Durch den vergleichsweise langen Schwenkarm ist es möglich, einen möglichst li- nearen Verschwenkweg des Dichtelementes während der Ausfahrbewegung und der Einfahrbewegung durchzuführen. Durch die Verkürzung der Strecke von dem maximalen Drehkolbenradius zu dem minimalen Drehkolbenradius und die nicht klappsymmetrische Ausgestaltung der Drehkolbenkontur zu einer Verbindungslinie zweier maximaler, einander gegenüberliegenden Drehkolbenradien durch die Drehachse wird der Weg minimiert, den das Dichtelement auf dem Drehkolben zu rücklegen muss. Ebenfalls muss das Dichtelement einen geringeren Weg in dem zu pumpenden Medium zurücklegen. Durch eine im Vergleich zur Einfahrbewe- gung verlangsamte Ausfahrbewegung werden die Geschwindigkeiten und Be- schleunigungen des Dichtkörpers und des Schwenkarmes in dem Medium auf der Druckseite so klein wie möglich gehalten, was eine weitere Energieeinsparung beim Betrieb der Drehkolbenpumpe bewirkt. Eine Energieeinsparung wird insbe- sondere dann beim Ausfahren erreicht, wenn der Winkel in dem Berührpunkt des Dichtelementes so gewählt wird, dass das Dichtelement möglichst senkrecht her- ausgedrückt wird, so dass möglichst geringe Reibungsverluste entstehen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele für die Erfindung anhand der beigefüg- ten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine Schnittdarstellung einer Pumpe in Gesamtansicht;

Figur 2 - eine Detaildarstellung eines Drehkolbens mit Dichtelement ohne

Gehäuse;

Figur 3 - eine Schnittdarstellung durch eine Kolbenkontur;

Figur 4 - eine Kolbenkontur gemäß Figur 3 mit Bereichsangaben;

Figur 5 - eine Teildarstellung eines Dichtelementes; Figur 6 - eine exemplarische Darstellung der Abfolge der Berührpunkte über eine halbe Umdrehung eines Drehkolbens mit zwei Trans- portflügeln und eine Verdeutlichung der Wirklinien; und

Figur 7 - eine Prinzipskizze einer Wechselwirkung von Dichtelement und

Drehkolben.

Figur 1 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung eine Drehkolbenpumpe 1 mit einem Gehäuse 10, das einen obenseitigen Einlass 11 und einen im Wesentli- chen senkrecht zum Einlass 11 orientierten, in der Figur 1 auf der rechten Seite angeordneten Auslass 12 aufweist. Innerhalb des Gehäuses 10 ist ein Drehkolben 20 drehbar um eine Drehachse 21 gelagert. Über den Drehkolben 20, der zwei Transportflügel 22 aufeinander gegenüberliegenden Seiten aufweist, wird das ins- besondere zähflüssige Medium, insbesondere Magma bei der Zuckerherstellung, von dem Einlass 11 zu dem Auslass 12 gefördert. Die Drehrichtung des Drehkol- bens 20 ist dabei entgegen dem Uhrzeigersinn, wie durch den Pfeil angedeutet.

Der Drehkolben 20 mit den beiden Transportflügeln 22 läuft teilweise an einer zy- lindrischen Gehäusewand ab und bildet zusammen mit einem Dichtelement 30, das auf der Außenkontur des Drehkolbens 20 während dessen Rotation abläuft, und einem Dichtkörper 42 eines Sperrflügels 40 die Trennung zwischen der Ein- lassseite und der Auslassseite aus.

Das Dichtelement 30 ist an dem Dichtkörper 42 des Sperrflügels 40 gelagert oder ausgebildet, der wiederrum über einen Schwenkarm 43 in einer Lagerung 41 ge- lagert ist. Der Sperrflügel 40 ist innerhalb des Gehäuses 10 auf der Auslassseite um eine Schwenkachse verschwenkbar gelagert und bewegt sich in Abhängigkeit von der Stellung des Drehkolbens 20 in Richtung auf die Drehachse 21 des Dreh- kolbens oder von der Drehachse 21 weg in Richtung auf einen maximalen Dreh- kolbenradius.

Das Dichtelement 30 liegt in der Schnittdarstellung an einem Berührpunkt 24, in der dreidimensionalen Ausgestaltung entlang einer Berührlinie 24 an der Kontur des Drehkolbens 20 an. In der dargestellten Stellung gemäß Figur 1 liegt das Dichtelement 30 an dem maximalen Drehkolbenradius an und ist somit maximal in Uhrzeigerrichtung um den Lagerpunkt 41 oder die Schwenkachse durch den La- gerpunkt 41 verschwenkt. Wird der Drehkolben 20 zum Transport des zu verpum- penden Mediums entgegen dem Uhrzeigersinn verdreht, gleitet das Dichtelement auf der Oberfläche des Drehkolbens 20 in Richtung auf die Schwenkachse 21 und fährt somit von einem maximalen Drehkolbenradius in Richtung auf einen minima- len Drehkolbenradius entlang einer Einfahrseite 221. Nach Erreichen eines mini- malen Drehkolbenradius gleitet das Dichtelement 30 auf der Kontur des Drehkol- bens entlang und wird im Uhrzeigersinn wieder in Richtung der dargestellten Stel lung gemäß Figur 1 nach außen gedrückt, gegebenenfalls gegen eine Federkraft, die das Dichtelement 30 zusammen mit dem Dichtkörper 42 des Sperrflügels 40 in Richtung auf den Drehkolben 20 drückt. Das Dichtelement 30 führt somit eine Be- wegung nach außen oder eine Ausfahrbewegung aus, wenn das Dichtelement 30 auf der Ausfahrseite 222 entlanggleitet. Der Schwenkarm 43 kann im Bereich des Lagerpunktes 41 oder Schwenkachse durch den Lagerpunkt 41 mit einer entsprechenden Federkraft belastet werden, die eine Vorspannung gegen eine Bewegung im Uhrzeigersinn bewirkt. Der Dicht körper 42 und insbesondere die Dichtfläche des Sperrflügels 40 erstreckt sich über die gesamte Tiefe des Gehäuses, so dass über den Drehkolben 20 zusam- men mit dem Dichtelement 30 und dem Dichtkörper 42 stets eine wirksame Tren- nung von der Einlassseite und der Auslassseite bewirkt wird. Figur 2 zeigt eine Einzeldarstellung von Drehkolben und Abdichteinrichtung ge- mäß Figur 1 in einer spiegelverkehrten Darstellung. Die Drehrichtung des Drehkol- bens 20 ist durch den Pfeil angedeutet. Der Drehkolben 20 weist neben der Dreh- achse 21 zwei Transportflügel 22 auf, die punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt, der durch den Drehpunkt 21 oder durch die Drehachse 21 definiert wird, ausgebil- det ist. Das Dichtelement 30 ist auf der Einfahrseite 21 auf der Außenkontur des ersten Transportflügels 22 entlanggeglitten, wobei aufgrund der Kontur des Dreh- kolbens 20 sowie der Kontur des Dichtelementes 30 stets eine Linienberührung zwischen dem Dichtelement 30 und dem Drehkolben 20 realisiert wurde. Der Be- rührpunkt 24 in der Zeichnung 2 oder Berührlinie 24 wandert im Verlauf der Dre- hung des Drehkolbens 20 auf der Oberfläche des Dichtelementes 30 entlang. So- mit ändert sich der Radius RF des Abstandes des Berührpunktes 24 von dem La- gerpunkt 41 oder der Berührlinie 24 von der Drehachse des Schwenkarmes 43 durch den Lagerpunkt 41 während der Bewegung des Drehkolbens 20. Um Rei- bungsverluste zu minimieren, ist die Orientierung der Oberfläche des Dichtele- mentes 30 zu der Kontur des Drehkolbens 20 so gewählt, dass der Winkel ß zwi- schen der Senkrechten S auf der Drehkolbenoberfläche und der Tangente T an die Bewegungsrichtung des Dichtelementes 30 auf der Ausfahrseite 222 zwischen 0° Grad bis maximal 45° liegt und dass beim Einfahren der Winkel ß zwischen der Senkrechten S und der Tangente T bei besonderen Bauformen zwischen 0° und 70° und ansonsten zwischen 0° und maximal 50° beträgt.

In der Figur 2 ist ebenfalls der ovale oder elliptische Querschnitt 430 des

Schwenkarmes 43 angedeutet. Durch die strömungsgünstige, tropfenförmige oder ovale Ausgestaltung des Schwenkarmes 43 kann bei einer hohen Steifigkeit ge- genüber den aufgebrachten Kräften und Momenten durch das Verpumpen ein mi- nimaler Strömungswiederstand gegen den Massenstrom des verpumpten Medi- ums im Auslassbereich bereitgestellt werden. Da der Schwenkarm 43 sowie die gesamte Dichtanordnung auslassseitig angeordnet ist, kann der Differenzdruck zwischen der Auslassseite und der Einlassseite dazu genutzt werden, die An- presskraft des Dichtelementes 30 auf die Kontur des Drehkolbens 20 zu vergrö- ßern. Der Abstand der Berührlinie 24 von der Schwenkachse 41 des Schwenkarmes 43 verändert sich je nach Drehwinkel und Stellung des Dichtelementes 30 auf der Kontur des Drehkolbens 20. Der maximale Wirklinienradius Rwmax wird erreicht, wenn der gerundete Kontaktabschnitt 32 [hijmit seinem entferntesten Punkt an der Drehkolbenoberfläche anliegt, der minimale Wirklinienradius Rwmin wird erreicht, wenn das dem gerundeten Kontaktabschnitt 32 abgewendete Ende in Berührung mit der Drehkolbenoberfläche kommt.

Figur 3 zeigt in einer schematischen Schnittdarstellung einen Drehkolben 20, der um die Schwenkachse 21 drehbar gelagert ist. Der Drehkolben 20 weist eine Ein- fahrseite 221 und eine Ausfahrseite 222 auf. Der zweiflüglige Drehkolben 20 weist eine Kontur auf, die punktsymmetrisch zu dem Mittelpunkt 21 ist, der den Dreh- punkt ausbildet. Der maximale Drehkolbenradius Rpmax ergibt sich aus dem maxi- malen Abstand von der Drehachse 21 zur äußeren Kontur des Drehkolbens 20. Rechts und links der Verbindungslinie der beiden maximalen Drehkolbenradien Rpmax ist zu erkennen, dass die Kontur des Transportflügels 22 auf der Ausfahr- seite 222 weiter beabstandet zu der Verbindungslinie liegt als die Kontur des Transportflügels 22 auf der Einfahrseite 221. In dem der Ausfahrseite 222 zuge- ordneten Bereich ist somit mehr Material angeordnet. Nach Erreichen des maxi- malen Drehkolbenradius Rpmax fährt das Dichtelement 30 bei einer Weiterdrehung des Drehkolbens 20 sehr schnell in Richtung auf einen minimalen Drehkolbenra- dius, wohingegen eine Ausfahrbewegung auf der Ausfahrseite 222 wesentlich langsamer stattfindet.

In Figur 4 sind die geometrischen Beziehungen und die Kontur des Drehkolbens 20 detaillierter dargestellt. Die dargestellte Kontur des Drehkolbens 20 ist punkt- symmetrisch zum Mittelpunkt 21 des Minimaldrehkolbenradius Rpmin ausgebildet. Von dem maximalen Drehkolbenradius Rpmax verläuft die Kontur auf der Einfahr- seite 221 steil abfallend in Richtung auf den minimalen Drehkolbenradius Rpmin. Die Konturkurve hat auf der Einfahrseite einen Wendepunkt in der Krümmung, un- gefähr auf der Höhe des halben maximalen Drehkolbenradius. Die Kontur läuft dann in den minimalen Drehkolbenradius Rpmin über, folgt dieser und geht dann in die Ausfahrseite 222 über, auf der die Kontur eine Krümmung ohne Wendepunkt bis zum maximalen Drehkolbenradius Rpmax durchführt.

Betrachtet man die Kontur des Drehkolbens über den Drehwinkel, erstreckt sich die Einfahrseite 221 in diesem Ausführungsbeispiel über einen Drehwinkel von ca. 40°, wenn die dargestellte Position die Ausgangsstellung ist. Über einen Winkelbe- reich von ca. 20° folgt die Kontur dem minimalen Drehkolbenradius Rpmin, um dann für einen Drehwinkelbereich von ca. 1 20° die Ausfahrseite 222 zu bilden.

Durch die nicht klappsymmetrische Ausgestaltung der Kolbenkontur zu der Verbin- dungslinie der beiden maximalen Drehkolbenradien Rpmax werden unterschiedliche Einfahrgeschwindigkeiten und Ausfahrgeschwindigkeiten bei konstanter Drehzahl des Drehkolbens 20 realisiert. Aufgrund der geringen Steigung der Kontur auf der Ausfahrseite wird das Dichtelement 30 und damit auch der Dichtkörper 42 wesent- lich langsamer nach außen gedrückt als sie nach innen einfahren können. Neben den Verbesserungen hinsichtlich des Energieverbrauches führt die Ausgestaltung des Drehkolbens 20 mit einem steileren Abfall auf der Einfahrseite 221 im Ver- gleich zu dem Steigungsverhalten auf der Ausfahrseite 220 zu einem vergrößerten Pumpkammervolumen, da Material des Drehkolbens und Volumen des Drehkol- bens 20 auf der Einfahrseite reduziert wurde. Die vergleichsweise größere Materi- almenge auf der Ausfahrseite stellt die ausreichende Stabilität des Drehkolbens 20 sicher. Somit kann eine Vergrößerung des Pumpvolumens pro Umdrehung des Drehkolbens 20 bei gleichbleibender Stabilität und einem verbesserten Pumpver- halten erreicht werden.

Figur 5 zeigt eine Einzeldarstellung eines Dichtelementes 30, das auswechselbar an dem Dichtkörper 42 angeordnet werden kann. Das Dichtelement 30 weist eine ebene Kontaktfläche 31 und einen sich daran anschließenden gerundeten, dista- len Kontaktabschnitt 32 auf, der entfernt zu dem Lagerpunkt 41 orientiert ist.

Ebenfalls weist das Dichtelement 30 einen proximalen, zum Lagerpunkt 41 hin ori entierten, gerundeten Kontaktabschnitt 33 auf, der ebenfalls mit der Kontur des Drehkolbens 20 in Kontakt treten kann. Wie in den Figuren 1 und 2 zu erkennen, gleitet der gerundete Kontaktabschnitt 32 im Wesentlichen während der Einfahrbe- wegung auf der Kontur des Drehkolbens 20 ab, während die Berührlinie 24 oder der Berührpunkt 24 zwischen dem Dichtelement 30 und dem Drehkolben 20 nach Erreichen des minimalen Drehkolbenradius auf der ebenen Kontaktfläche 31 ver- läuft und in Richtung auf das dem gerundeten Kontaktabschnitt 32 gegenüberlie- gende Ende 33 des Dichtelementes 30, das gerundet ausgebildet ist, wandert. Die Berührlinie 24 oder der Berührpunkt 24 wandert somit über den Drehwinkel des Drehkolbens auf dem Dichtelement 30 entlang. Als besonders vorteilhaft hat sich erwiesen, den kleinen Radius 33 über einen Winkel größer 90° auszuführen, bevor die Fläche 34 anschließt. Flierdurch wirkt die Fläche 34 wie ein Abstreifer für das zu fördernde Medium vom Drehkolben.

Die Abfolge der Berührpunkte über eine halbe Umdrehung eines Drehkolbens mit zwei Transportflügeln und damit eine Verdeutlichung der Wirklinie zwischen den Extremwerten Rwmax und Rwmin ist in der Figur 6 dargestellt. Die Wirklinie für das Ausfahren auf der Ausfahrseite 222 sieht zunächst vor, dass der Schwenkarm 43 von der Drehachse 21 weg nach außen in Richtung auf den maximalen Drehkol- benradius bewegt wird. Dies ist durch den aufsteigenden rechten Abschnitts des Diagramms in Figur 6 gezeigt. Ist der maximale Drehkolbenradius erreicht, wan- dert die Wirklinie in den linken Diagrammbereich, was durch den Pfeil an dem oberen, schräg nach links reichenden Abschnitt des Diagramms verdeutlicht wird. Anschließend wandert auf einem vergrößerten Wirklinienradius der Berührpunkt oder die Berührlinie auf der Einfahrseite 221 nach unten, also in Richtung auf die Drehachse 21. Wenn der minimale Drehkolbenradius erreicht ist, wandert die Be- rührlinie oder der Berührpunkt wieder auf einen kleineren Radius, was durch den halben unteren und rechten Bereich des Diagramms dargestellt ist.

In der Figur 7 ist in einer prinzipiellen Darstellung gezeigt, wie der Berührpunkt 24 oder die Berührlinie 24 zwischen dem Dichtelement 30 und der Kontur des Dreh- kolbens 20 zwischen einem maximalen Wirklinienradius Rwmax und einem minima- len Wirklinienradius Rwmin wandert. Um sicherzustellen, dass keine Doppelberüh- rung zwischen Dichtelement 30 und dem Drehkolben 20 vorliegt, ist die Dichtleiste in einem Winkel a zwischen der Geraden durch den Drehpunkt des Schwenkar- mes 43 und dem Berührpunkt des Dichtelementes 30 und der ebenen Kontaktflä- che 31 in der Stellung in dem maximalen Drehkolbenradius zwischen 5° und 25°, insbesondere zwischen 12° und 18° geneigt.

Mit einer wie oben beschriebenen Drehkolbenpumpe ist es möglich, das Dichtele- ment auf einem möglichst kurzen Weg von einem maximalen Drehkolbenradius zu einem minimalen Drehkolbenradius zu bewegen, ohne dass ein Ablösen des Dich- telementes von der Drehkolbenoberfläche erfolgt. Durch die Einwölbung des Transportflügels auf der Einfahrseite ist es möglich, einerseits unterschiedliche Wirklinien beim Einfahren und beim Ausfahren des Dichtelementes und anderer- seits eine maximale Einfahrgeschwindigkeit des Dichtelementes und eine redu- zierte Ausfahrgeschwindigkeit des Dichtelementes zu realisieren. Weiterhin wird durch die besondere Formgestaltung die Reibung zwischen dem Dichtelement und dem Kolben, insbesondere bei der Ausfahrbewegung durch die Begrenzung des Winkels zwischen der Senkrechten auf den Drehkolben und der Tangente an die Bewegungsrichtung des Dichtelementes, verringert.

Eine quasi-Linearbewegung des Dichtelementes wird durch den vergleichsweise großen Radius bei einer schwenkbaren Lagerung des Dichtkörpers an einem Schwenkarm erreicht, der 1 ,5 bis zweimal so groß wie der Radius des Drehkol- bens ist.

Bezugszeichenliste

I - Drehkolbenpumpe

10 - Gehäuse

I I - Einlass

12 - Auslass

20 - Drehkolben

21 - Drehachse des Drehkolbens 22 - Transportflügel

221 -Einfahrseite

222 -Ausfahrseite

24 - Berührpunkt/Berührlinie

30 - Dichtelement

31 - Kontaktfläche

32 - Kontaktabschnitt

33 - Kontaktabschnitt

34 - Abstreiffläche

35 - Dichtleiste

36 - Oberseite

37 - Gewinde

38 - Unterseite

39 - Absatz

40 - Dichtkörper

41 - Lagerpunkt

42 - Sperrflügel

43 - Schwenkarm

44 - Hohlraum

45 - Bohrung

430 -Schwenkarmquerschnitt

BD - Breite des Dichtelements

Rpmin - minimaler Drehkolbenradius

Rpmax - maximaler Drehkolbenradius

Rwmin - minimaler Wirklinienradius Rwmax - maximaler Wirklinienradius

S - Senkrechte auf die Drehkolbenfläche

T - Tangente an die Bewegungsrichtung des Dichtelementes

a - Winkel zwischen Kontaktfläche und Verbindungslinie Lagerpunkt-Berühr- punkt

ß - Winkel zwischen S und T