Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Stirnzahnradpumpe mit einem angetriebenen in einem Pumpengehäuse gelagerten Wellenrotor und einem von diesem beim Rotieren über die Zähne mitgenommenen Gegenrotor, wobei die Rotoren mindestens abschnittsweise nach außen und zueinander kugelig ausgebildet sind, die kugeligen Lagerwände sowie die Zähne der Zahnradpumpe die Arbeitsräume begrenzen, welche im Pumpengehäuse einen Zugang und einen Abgang für das zu fördernde Medium aufweisen und wobei die Drehachse des Wellenrotors die Drehachse des Gegenrotors unter Einschluss eines bestimmten Winkels schneidet.

Derartige Stirnzahnradpumpen sind in unterschiedlicher Gestaltung seit langem bekannt und weisen je nach Entwicklung und entsprechender Zielsetzung unterschiedliche Vorteile und Effekte auf, die mit Pumpen anderer Gestaltung nicht erreichbar sind. So wird meistens mit derartigen Stirnzahnradpumpen auch angestrebt, außer einer Förderung von gasförmigen oder flüssigen Medien, solche Maschinen auch als Motoren zu verwenden, indem die zugeförderten Medien über die Pumpenarbeitsräume einen entsprechenden Abtrieb am Wellenrotor erzielen.

Bei einer bekannten Drehkolbenmaschine der gattungsgemäßen Art (DE 42 41 320 C2) besteht der Vorteil darin, dass der Kamm der Zähne des jeweils mit dem anderen Rotor kämmend zusammenwirkenden Rotors einen Radius aufweist, der frei gestaltbar ist. Erst bei näherem Überprüfen des Vorteils dieser Erfindung ist erkennbar, dass durch diese frei gestaltbare Abrundung der Zähne ein dichtender Formschluss zwischen den Zahnkämmen und den diesen zugeordneten Ablaufflächen am Zykloidenteil entsteht, ohne dass deshalb die zykloidische Grundfunktion verlassen wird. Bekannt war vorher lediglich Dichtleisten einzusetzen, um die Vorteile einer Trochoide zu nutzen.

Bei einer anderen gattungsgemäßen Stirnzahnradpumpe (US PS 3,865,440) beanspruchen Wellenrotor und Gegenrotor mit ihrer nahezu kompletten Kugelgestaltung ein entsprechend großes Pumpengehäuse, wobei Wellenrotor und Gegenrotor etwa das gleiche Volumen aufweisen, ohne dass deshalb eine Verbesserung oder Vergrößerung der Arbeitsräume entsteht.

Bei wieder einer anderen bekannten gattungsgemäßen Stirnzahnradpumpe (US PS 3,236,186) erfolgt der Antrieb des Wellenrotors über einen Mitnahmering, der kugelig gelagert ist aber mit dem vollen Förderdruck auf die Kugelebene gepresst wird. Der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Stirnzahnradpumpe der gattungsgemäßen Art weiter zu entwickeln, wobei vor allem aufgrund der Konstruktion die äußeren Abmaße verringert werden und die Drehlagerreibung verringert wird, so dass aufgrund des Prinzips der Stirnzahnradpumpe mit Trochoidenverzahnung eine Pumpe mit hohem Wirkungsgrad erzielt wird.

Die Erfindung und ihre Vorteile

Die erfindungsgemäße Stirnzahnradpumpe der gattungsgemäßen Art, bei der es sich bei der Verzahnung um eine Trochoidenverzahnung handelt, bei der sowohl Wellenrotor als auch Gegenrotor mit ihrer äußeren kugeligen Gestaltung in einer Halbkugelausnehmung des Pumpengehäuses angeordnet sind, deren Achse in die Drehachse des Gegenrotors fällt, bei der die Halbkugelausnehmung zur Aufnahme der Rotoren im Pumpengehäuse durch einen mit dem Gegenrotor achsgleichen Zentrierdeckel verschlossen ist, an dem sich der Gegenrotor mit der den Zähnen abgewandten Seite abstützt und bei der Lagerzapfen zur Drehlagerung der Rotoren gegenüber Pumpengehäuse und Zentrierdeckel vorhanden sind, hat demgegenüber den Vorteil, dass eine Pumpe mit sehr geringen Außenabmessungen konstruierbar ist aber mit einem außerordentlich hohen Wirkungsgrad, wobei zu berücksichtigen ist, dass derartige Pumpen außerordentlich gefragt sind. Schon der konstruktive Unterschied zu dem oben erwähnten Stand der Technik zeigt, wie schwierig derartige Entwicklungen sind und dass hier vor allem eine Voreingenommenheit der Fachwelt überwunden werden musste, da, wie einem Teil des Standes der Technik entnehmbar ist, Konstruktionen der dort gegebenen Art lange zurückliegen, wohingegen das Problem unverändert geblieben ist.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen sowohl Zentrierdeckel als auch Endabschnitt der Halbkugelausnehmung einen ineinander passenden zylindrischen Abschnitt auf. Hierdurch ist es in einfacher Art möglich den Zentrierdeckel in den Endabschnitt der Halbkugelausnehmung, nämlich deren offene Seite, einzuführen und zu befestigen. Bei den bekannten Vorrichtungen ist ein solcher zylindrischer Abschnitt nicht vorgesehen, so dass ein zweiter eine Halbkugelausnehmung aufweisender Teil mit dem ersten Teil verbunden werden muss.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt der Antrieb des Wellenrotors über einen Elektromotor, vorzugsweise Außenläufermotor, der an dem Pumpengehäuse achsgleich befestigt ist und zum Wellenrotor hin eine Drehkupplung aufweist. Es ist zwar eine Pumpe bekannt, bei der die Förderung des Mediums über Flügelzellen erfolgt und der Antrieb über einen Elektromotor gegeben ist (DE 32 21 389 Al), nur handelt es sich hierbei um eine Pumpe völlig anderer Gattung, wobei auch das dort zugrundeliegende Problem ein völlig anderes ist.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung dienen auch zur Axiallagerung von Wellenrotor oder Gegenrotor Wälzlager, die auf den Lagerzapfen von Wellenrotor bzw. Zentrierdeckel angeordnet sind. Durch derartige Wälzlager wird natürlich einerseits die Rotation der Rotoren gefördert, aber es werden außerdem Konuskräfte in axialer Richtung des Lagers aufgenommen, so dass die Reibungsbelastung an den Kugelwänden innerhalb des Gehäuses oder auch des Gegenrotors zum Wellenrotor hin verringert werden kann. Dies trägt vor allem zu einem günstigen Wirkungsgrad bei, wie er meist nicht erwartet wird.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Lagerzapfen des Wellenrotors auf der den Zähnen abgewandten Seite angeordnet und dient als Drehkupplung, wobei er in eine entsprechende Bohrung des Pumpengehäuses ragt auf der den Zähnen abgewandten Seite. Auch hierdurch ist eine vollständige Entlastung des Wellenrotors in axialer Richtung zum Elektromotor hin gegeben, ohne dass deshalb die Mitnahmedrehqualität leidet.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ragt der Lagerzapfen am Zentrierdeckel des Pumpengehäuses als Führungsmittel in eine Bohrung des Gegenrotors und zwar auf der den Zähnen abgewandten Seite des Gegenrotors. Dies hat erst beim zweiten Hinschauen erkennbar den Vorteil, dass der Zentrierdeckel und damit die Außenabmessungen der Pumpe flach gehalten werden können und dass außerdem das Massevolumen des Gegenrotors mit seiner lediglich Pumpenarbeitsraum begrenzenden Funktion stark verringert wird. Auch dies kommt dem Wirkungsgrad der Pumpe zugute.

Nach einer zusätzlichen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Zu- und Abgang der Pumpe in Form von Rohrstutzen ausgebildet, welche zueinander parallel und weitgehend rechtwinklig zur Achse des Wellenrotors verlaufen, wobei innerhalb des Pumpengehäuse entsprechende Verbindungen zu den Arbeitsräumen der Pumpe vorhanden sind. Auch dieses Merkmal dient den günstigen Einsatzmöglichkeiten der Pumpe, wobei normalerweise die Zu- und Abgänge von Pumpen auf unterschiedlichen Seiten liegen und im Falle einer gewünschten Parallelisierung umgeleitet werden müssen.

Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung betreffen den Wirkungsgrad verbessernde Gestaltung der Zähne, beispielsweise deren Querschnitts aber auch in deren Längsausdehnung, die gekrümmt eine besonders gute Wirkung bringt. So ist auch bei der gewählten Gestaltung die erfindungsgemäße Stirnzahnradpumpe besonders im Bereich von gasförmigen Medien, beispielsweise Luft, vorteilhaft.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und im folgenden näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1. einen Längsschnitt durch das gesamte erfinderische

Pumpenaggregat;

Fig. 2 eine Ansicht des Aggregats von der Pumpenseite her;

Fig. 3 den Wellenrotor im Längsschnitt und die Fig. 4 - 7 Volumenstromkurven der erfinderischen Pumpe mit einer Leistung bis zu 200 Liter pro Minute.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist eine Stirnzahnradpumpe 1 mit ihrem Gehäuse 2 mit einem sehr vereinfacht dargestellten Elektromotor 3 verbunden. Dieser Elektromotor 3 ist nicht näher dargestellt, wird aber bevorzugt als Außenläufermotor ausgebildet sein. Jedenfalls wird über eine Welle 4 des Motors und eine Drehkupplung 5 ein Wellenrotor 6 der Pumpe angetrieben, welcher stirnseitig Zähne 7 aufweist, welche in Zähne 8 eines Gegenrotors 9 greifen, so dass beim durch den Elektromotor 3 angetriebenem Rotieren des Wellenrotors 6 dieser den Gegenrotor 9 drehschlüssig mitverdreht. Die Drehachsen der beiden Rotoren 6 und 9 schließen einen bestimmten Winkel ein, so dass ein zwischen den Zähnen 7 und 8 befindlicher Pumpenarbeitsraum beim Rotieren verkleinert bzw. vergrößert wird, um dadurch die Saug- bzw. Druckwirkung der Pumpe zu bewirken.

Beide Rotoren, nämlich Wellenrotor und Gegenrotor, sind in einer Halbkugelausnehmung 10 des Gehäuses 2 angeordnet, so dass sie von der Öffnungsseite 11 in das Gehäuse 2 eingesetzt werden können. Da es sich um eine Halbkugelausnehmung handelt ist es möglich ungehindert von der Öffnungsseite 11 her beide Rotoren einzusetzen. Um die notwendige Pumpwirkung zwischen den Rotoren erzeugen zu können wird diese Halbkugelausnehmung 10 durch einen Zentrierdeckel 12 verschlossen, der dem Gegenrotor 9 zugewandt einen zylindrischen Abschnitt 13 aufweist, der in einen entsprechend gestalteten zylindrischen Endabschnitt 14 der Halbkugelausnehmung gesteckt wird. Wie besonders Fig. 2 entnehmbar ist, wird der Zentrierdeckel 12 am Pumpengehäuse 2 über Schrauben 15 befestigt. Sowohl das Gehäuse 2 als auch der Bereich um die Schrauben 15 wird in Bezug auf Materialanhäufung so stark wie möglich reduziert, um dadurch ein möglichst leichtes Aggregat zu erhalten. Dies gilt natürlich auch für die Verbindung zwischen Pumpengehäuse 2 und Elektromotor 3, wofür Nasen 16 vorgesehen sind - in der Zeichnung allerdings ohne Verbindungsschrauben dargestellt.

Von dem Pumpengehäuse 2 zweigen, wie in Fig. 2 gezeigt, zwei Anschlüsse 17 ab, die für das zu fördernde Medium eine Verbindung zu den zwischen den Zähnen 7 und 8 gebildeten Arbeitsräumen besteht und die aus praktischen Gründen weitgehend parallel verlaufen, um so mehr als eine Stirnzahnradpumpe Saug- und Druckseite nahezu auf der gleichen Gehäusehälfte aufweisen.

Der Gegenrotor 9 hat zum Wellenrotor 6 hin eine kugelige Erhebung 18, die in eine entsprechende kugelige Vertiefung 19 des Wellenrotors 6 ragt. Hierdurch wird die aufgrund der einen bestimmten Winkel einschließenden Drehachsen von Wellenrotor und Gegenrotor sich zueinander ergebende Lageänderung gelöst, allerdings üblicherweise mit dem Nachteil der starken Materialanhäufung durch diese kugelige Erhebung. Um dieses Volumen der kugeligen Erhebung 18 zu verringern, ist in der kugeligen Erhebung 18 von der Seite des Zentrierdeckels 12 her eine zentrale Bohrung 20 vorgesehen, in die ein Zentrierzapfen 21 des Zentrierdeckels 12 ragt. Über ein zwischen dem Zentrierzapfen 21 und der zentralen Bohrung 20 angeordnetes Wälzlager 22 wird einerseits die Leichtläufigkeit des Gegenrotors gefördert, aber andererseits auch Reibkräfte zwischen Gegenrotor 9 und Zentrierdeckel 12 verringert bzw. ganz abgebaut, da ein solches Wälzlager 22 auch entsprechende Axialkräfte aufnehmen kann, die am Gegenrotor entstehen durch die Druckkräfte in den Pumpenarbeitsräumen zwischen den Zähnen 7 und 8. Zur Aufnahme der Axialkräfte sind natürlich entsprechende Schultern durch Abdrehungen im Lagerbereich vorgesehen.

Diese den Wirkungsgrad aufgrund Herabsetzung der Reibung verbessernde Effekt ist besonders auch bei Betrachtung von Fig. 3 in Verbindung mit Fig. 1 erkennbar. Der in Fig. 3 vergrößert dargestellte Wellenrotor 6 hat, im Unterschied zum Gegenrotor 9, einen Unterschied von einem Zahn, um die gewünschte Pumpwirkung zu erzielen. Das Wälzlager 23 ist hier auf einem Zapfen 24 des Wellenrotors 6 angeordnet, wobei sich axial dieses Wälzlager 23 an einer Querschulter 25 des Wellenrotors 6 abstützt und andererseits an einem Abstützring 26 des Gehäuses 2, bei dem es sich beispielsweise um einen Segerring handeln kann. Maßgebend ist, dass durch die Wälzlager 22 und 23 die Radialkräfte auf die kugelförmige Wandung mit ihrer konischen Klemmwirkung verringert oder gar aufgehoben werden. Die Drehkupplung 5 zwischen Drehwelle 4 und Wellenrotor 6 kann eine einfache einen Axialhub zulassende Zahnkupplung sein mit einer Keilverzahnung 27 odgl.

Aus den Diagrammen ist der Vorteil der Erfindung herleitbar, wobei eine grundsätzliche Verbesserung gegenüber bekannten Pumpen von mindestens 20% erzielt ist.

In Fig. 4 ist der Volumenstrom über der Drehzahl aufgetragen, in Fig. 5 der volumetrische Wirkungsgrad über dem Volumenstrom, in Fig. 6 der Druckaufbau über dem Volumenstrom und in Fig. 7 der Verdichterwirkungsgrad über dem Volumenstrom. Wie deutlich erkennbar ist sind bei allen grundsätzlichen Untersuchungen ähnliche Ergebnisse erzielt worden, wobei besonders für die Praxis der Wirkungsgrad gemäß Fig. 7 bedeutungsvoll ist.

Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.

Bezugszahlenliste

1 Stirnzahnradpumpe

2 Gehäuse von 1

3 Elektromotor

4 Welle von 3

5 Drehkupplung

6 Wellenrotor

7 Zähne

8 Zähne

9 Gegenrotor

10 Halbkugelausnehmung

11 Öffnungsseite

12 Zentrierdeckel

13 zylindrischer Abschnitt von 12

14 zylindrischer Abschnitt von 10

15 Schrauben

16 Nasen

17 Anschlüsse

18 kugelige Erhebung von 9

19 kugelige Vertiefung in 6

20 zentrale Bohrung

21 Zentrierzapfen

22 Wälzlager

23 Wälzlager

24 Zapfen von 6

25 Querschulter

26 Abstützring

27 Keilverzahnung