EXZENTERSCHNECKENPUMPE UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES STATORS

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Stator für eine

Exzenterschneckenpumpe, eine Exzenterschneckenpumpe und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes der Ansprüche 1 , 5 und 7.

Stand der Technik

Exzenterschneckenpumpen sind Pumpen zur Förderung einer Vielzahl von Medien, insbesondere von dickflüssigen, hochviskosen und abrasiven Medien wie zum Beispiel Schlämmen, Gülle, Erdöl und Fetten. Aus dem Stand der Technik bekannte Exzenterschneckenpumpen sind aus einem Rotor und einem Stator gebildet, wobei der Rotor im Stator aufgenommen ist und sich im Stator exzentrisch bewegt. Der Stator wird durch ein Gehäuse mit einer schneckenförmig gewendelten Innenseite gebildet. Aus der Bewegung des Rotors und gegenseitiger Anlage werden zwischen Stator und Rotor wandernde Förderräume gebildet, vermittels welchen flüssige Medien entlang des Stators transportiert werden können. Der Rotor vollführt dabei eine exzentrische Drehbewegung um die Statorachse beziehungsweise um die Längsachse der Exzenterschneckenpumpe. Die äußere Schnecke, d.h. der Stator, hat in der gängigsten Ausführung die Form eines zweigängigen Gewindes, während die Rotorschnecke in diesem Fall eingängig ausgebildet ist. Mehrgängige Ausführungen funktionieren nach demselben kinematischen Prinzip. Beispielsweise eignen sich Exzenterschneckenpumpen zum Fördern von Wasser, Erdölen und einer Vielzahl weiterer Flüssigkeiten. Die Form der Förderräume ist bei der Bewegung des Rotors innerhalb des Stators konstant, so dass das Fördermedium nicht gequetscht wird. Bei passender Auslegung können mit Exzenterschneckenpumpen nicht nur Fluide, sondern auch Festkörper gefördert werden. Der Rotor besteht üblicherweise aus einem hoch abriebfesten Material wie zum Beispiel Stahl. Der Stator besteht hingegen für viele Anwendungen aus einem elastischen Material, zum Beispiel Gummi. Für viele Anwendungen ist das Elastomer in einem als Statormantel bezeichneten rohrförmigen Metallgehäuse einvulkanisiert. Derartig ausgebildete Pumpen arbeiten vollständig zufriedenstellend bei

Anwendungen, in denen Temperaturen von 140°C nicht überschritten werden. Bei höheren Temperaturen können Statoren aus Elastomer nicht mehr verwendet werden. Zum einen hält das Elastomermaterial diesen Temperaturen nicht stand. Zum anderen erfordern die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und Elastomer Rotoren mit Untermaß, das heißt der maximale Außendurchmesser des Rotors ist geringer als der Innendurchmesser des Stators. Dadurch wird der Rotor nicht zu fest in dem Stator gehalten und die Pumpe kann somit immer ordentlich arbeiten.

Um diese Nachteile zu überwinden, beschreibt US 6082980 eine

Exzenterschneckenpumpe, bei der Rotor und der Stator jeweils aus Materialien bestehen, die Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, so dass

Temperaturänderungen in einem Temperaturbereich zwischen 5°C und 300 °C jeweils entsprechende Materialausdehnungen an Stator und Rotor bewirken, wobei ein weitgehend konstanter Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator gehalten wird. Für viele Anwendungen werden Statoren bevorzugt, die eine zylindrische

Außenmantelform aufweisen. Eine Herstellung analog zur Herstellung eines

Elastomerkerns mit zylindrischer Außenmantelform, der anschließend in einen

Stahlmantel o.ä. eingeschoben und verklebt oder anderweitig fixiert wird, ist denkbar. Weiterhin beschreibt US 2009/01 10578 A1 einen geteilten Stator, der mindestens zwei radial auftrennbare Statorteile aufweist. Wird einer dieser Statorteile entfernt, dann ist der im Stator angeordnete Rotor und / oder der Innenraum des Stators zumindest teilweise zugänglich.

DE 3902740 C2 beschreibt die Herstellung eines Stators mittels zerspanender Bearbeitung. Hierbei werden an stangenartigen Rohlingen jeweils Teilsegmente des zu bildenden Innenlochprofils des Stators als äu ßere Bearbeitungsflächen mittels üblicher spangebender Bearbeitung erzeugt. Die Rohlinge werden sodann in Richtung ihrer Längsachsen jeweils in eine vorgegebene Anzahl von Teilstücken in der Weise zerteilt, dass jedes Teilstück ein Teilsegment des Innenlochprofils aufweist, und diese Teilstücke werden anschließend so miteinander zusammengesetzt, dass sich die Teilsegmente zu dem kompletten Innenlochprofil des Stators ergänzen.

Aufgabe der Erfindung ist, einen Stator für eine Exzenterschneckenpumpe beziehungsweise eine Exzenterschneckenpumpe mit einem Stator bereitzustellen, wobei der Stator aus einem Statorkern aus einem ersten temperaturbeständigen Material besteht und in einem Statormantel fixiert ist. Die obige Aufgabe wird durch einen Stator für eine Exzenterschneckenpumpe, eine Exzenterschneckenpumpe und ein Verfahren zur Herstellung eines Stators gelöst, die die Merkmale in den Patentansprüchen 1 , 5 und 7 umfassen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden durch die Unteransprüche beschrieben.

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Stator für eine Exzenterschneckenpumpe beziehungsweise eine Exzenterschneckenpumpe mit einem entsprechenden Stator. Der Stator weist einen inneren Hohlraum mit einer schneckenförmig gewendelten Innenkontur zur Aufnahme eines Rotors auf. Im Betrieb der

Exzenterschneckenpumpe werden durch die Bewegung des Rotors im inneren Hohlraum des Stators zwischen dem Rotor und der Innenkontur des Stators wandernde Förderräume zum Transport von Fördergut ausgebildet.

Der Stator umfasst einen in einem Statormantel angeordneten Statorkern. Der Statorkern besteht aus mindestens zwei radial trennbaren Kernteilen. Erfindungsgemäß bestehen die mindestens zwei radial trennbaren Kernteile jeweils aus einem metallischen Werkstoff oder einem technischen Keramikwerkstoff, d.h aus einem Werkstoff, der auch in einem höheren Temperaturbereich,

beispielsweise bei Temperaturen um 300 °C materialbeständig ist und ein zuverlässiges Arbeiten einer Exzenterschneckenpumpe mit einem solchen Stator ermöglicht. Als technische Keramik werden Keramikwerkstoffe bezeichnet, die in ihren Eigenschaften auf technische Anwendungen hin optimiert wurden. Sie unterscheidet sich von den dekorativ eingesetzten Keramiken oder Geschirr, Fliesen oder

Sanitärobjekten u.a. durch die Reinheit und die enger tolerierte Korngröße ihrer Ausgangsstoffe sowie oft durch spezielle Brennverfahren. Abhängig vom

Herstellungsverfahren kann technische Keramik recht unterschiedliche

Materialeigenschaften aufweisen.

Der Statormantel wird durch ein Statorrohr aus einem metallischen Werkstoff gebildet und ist auf den Statorkern aufgeschrumpft. Insbesondere erfolgt eine

Fixierung des Statormantels am Statorkern ohne Verwendung eines Klebemittels oder Ähnlichem.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Kernteile jeweils eine Teilinnenkontur auf. Im zusammengesetzten Statorkern bilden die

Teilinnenkonturen der mindestens zwei Kernteile die Innenkontur des Statorkerns aus. Die entsprechend ausgebildete Teilinnenkontur wird in den jeweiligen Kernteil vorzugsweise durch mehrachsiges Formfräsen oder ein anderes geeignetes

Verfahren derart eingebracht, dass die zu dem Statorkern zusammengesetzten Kernteile die Innenkontur des Statorkerns ausbilden. Vorzugsweise ist der Statorkern in einer die zentrale Statorlängsachse umfassenden Ebene geteilt, das hei ßt der Statorkern wird durch zwei gleich große Kernteile gebildet.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist mindestens ein erster Kernteil auf einer Kontaktfläche zu dem mindestens einen zweiten Kernteil mindestens einen Positionierstift auf. Weiterhin weist der mindestens eine zweite

Kernteil an einer korrespondierenden Position einer Kontaktfläche zu dem mindestens einen ersten Kernteil mindestens eine korrespondierende Vertiefung zur Aufnahme des Positionierstifts auf. Diese Positioniermittel dienen insbesondere dazu, dass die Teilinnenkonturen der Kernteile derart einander zugeordnet werden, dass die

Innenkontur des Statorkerns ausgebildet wird. Wichtig ist hierbei, dass an den Kontaktbereichen die Teilinnenkonturen derart aneinandergrenzen, dass kein Versatz der Teilinnenkonturen gegeneinander ausgebildet ist, der die Bewegung des Rotors stören würde. Insbesondere werden die mindestens zwei Kernteile derart

zusammengefügt, dass der mindestens eine Positionierstift des mindestens einen ersten Kernteils in die mindestens eine korrespondierende Vertiefung des mindestens einen zweiten Kernteils formschlüssig möglichst spielfrei eingreift.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist der aus mindestens zwei Kernteilen zusammengesetzte Statorkern vor dem Aufschrumpfen des Statormantels bei einer Umgebungstemperatur in einem Temperaturbereich zwischen 5 °C bis 25 °C in einem Bereich einer Au ßenmantelfläche einen Außenumfang auf, der zumindest geringfügig größer ist als der Innenumfang des Statormantels bei der genannten Umgebungstemperatur.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebenen Stators. Dieser wird aus einem Statorkern aus einem metallischen Werkstoff oder einem technischen Keramikwerkstoff und einem Statormantel aus einem metallischen Werkstoff gefertigt. Ein den Statormantel bildendes Statorrohr wird auf den Statorkern aufgeschrumpft, das hei ßt die Fixierung des Statorkerns im Statormantel benötigt keine zusätzlichen Verbindungs- und / oder Klebemittel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der aus mindestens zwei Kernteilen zusammengesetzte und verstiftete Statorkern auf eine erste Temperatur abgekühlt. Durch das Abkühlen des Statorkerns zieht sich das Material, aus dem der Statorkern gebildet wird zusammen, so dass der Au ßenumfang des abgekühlten Statorkerns geringer ist als der Au ßenumfang des Statorkerns bei normaler Umgebungstemperatur von ca. 5 °C bis 25 °C. Insbesondere ist der

Außenumfang des abgekühlten Statorkerns geringer als der Innenumfang des

Statormantels bei einer Umgebungstemperatur in dem genannten Temperaturbereich. Der abgekühlte Statorkern wird in den Statormantel eingeschoben, wobei darauf geachtet wird, dass der Radialabstand zwischen Statorkern und Statormantel überall gleich ist. Durch den Temperaturausgleich zwischen dem Statorkern und dem Statormantel und / oder durch das Anpassen von Statorkern und Statormantel an die Umgebungstemperatur wird der Statorkern in den Statormantel einschrumpft.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird der aus mindestens zwei zusammengesetzten Kernteilen bestehende Statorkern auf eine erste Temperatur abgekühlt. Parallel dazu wird der Statormantel auf eine zweite Temperatur erwärmt. Durch das Erwärmen dehnt sich der Statormantel aus.

Insbesondere ist das Material des Statormantels derart gewählt, dass sich der Innenumfang des Statormantels durch das Erwärmen vergrößert. Der zweite

Außenumfang des abgekühlten Statorkern ist zumindest geringfügig geringer als der Innenumfang des erwärmten Statormantels. Der abgekühlte Statorkern wird in den erwärmten Statormantel eingeschoben, wobei darauf geachtet wird, dass der

Radialabstand zwischen dem abgekühlten Statorkern und dem erwärmten

Statormantel überall gleich ist. Durch den Temperaturausgleich zwischen dem abgekühlten Statorkern und dem erwärmten Statormantel und / oder durch das Anpassen von Statorkern und Statormantel an die Umgebungstemperatur wird der Statormantel auf den Statorkern aufgeschrumpft.

Vorzugsweise wird der Statorkern auf eine erste Temperatur in einem ersten Temperaturbereich zwischen -50 °C und -250 °C abgekühlt. Beispielsweise wird der Statorkern in flüssigem Stickstoff auf eine erste Temperatur von ca. -200 °C abgekühlt. Der Statormantel wird beispielsweise auf eine zweite Temperatur in einem zweiten Temperaturbereich zwischen 35 °C und 150°C erwärmt.

Das Verfahren kann alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen

Merkmalen ein oder mehrere Merkmale und / oder Eigenschaften der zuvor beschriebenen Vorrichtung umfassen. Ebenfalls kann die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich einzelne oder mehrere Merkmale und / oder Eigenschaften des

beschriebenen Verfahrens aufweisen.

Der erfindungsgemäße Stator ist insbesondere für die Verwendung in

Exzenterschneckenpumpen zur Förderung von Öl- Gas- Wasser- Gemischen bei Umgebungs- und Fördermediumtemperaturen von mehr als 150°C, beispielsweise in Bohrlöchern oder Ähnlichem geeignet. Durch die geteilte Ausführung des Statorkerns ist eine präzisere Fertigung möglich. Zudem können mit entsprechenden Exzenterschneckenpumpen bessere Wirkungsgrade erzielt werden, da ein engerer und gleichmäßigerer Spalt zwischen Stator und Rotor möglich ist. Zudem haben Statoren aus einem metallischen

Werkstoff oder einer technischen Keramik geringere Verschlei ßprobleme im Vergleich zu Statoren mit einem Elastomerkern.

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Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse der einzelnen Elemente zueinander in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind.

Figuren 1 zeigen schematische Ansichten der wesentlichen Bestandteile eines erfindungsgemäßen Stators vor dem Zusammenbau des Stators.

Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Stators.

Figuren 3 zeigen schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators. Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische

Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie die erfindungsgemäße Vorrichtung oder das erfindungsgemäße Verfahren ausgestaltet sein können und stellen keine abschließende Begrenzung dar.

Figuren 1 A und B zeigen schematische Ansichten der wesentlichen

Bestandteile eines erfindungsgemäßen Stators 1 vor dem Zusammenbau des Stators 1 (vergleiche Figur 2) und Figur 2 zeigt eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäß hergestellten Stators 1 . Figur 1 A zeigt zwei Kernteile 3a, 3b, die zusammen einen Statorkern 2 bilden. Der Statorkern 2 hat einen im Wesentlichen zylindrischen Au ßenmantel 6 ausgebildet. Die Kernteile 3a, 3b haben jeweils eine Teilkontur 8a, 8b ausgebildet, die nach dem Zusammenfassen der Kernteile 3a, 3b die Innenkontur 7 des Stators 1 ausbilden (vergleiche Figur 2). Die Teilkonturen 8a, 8b werden durch mehrachsiges Formfräsen mit hoher Präzision gefertigt. Wichtig ist hierbei dass die beiden Kernteile 3a, 3b einen gemeinsamen Bezugspunkt haben. Das eine Kernteil 3a umfasst an seinen Kontaktflächen 5a zum zweiten Kernteil 3b zwei Passstifte 9-1 , 9-2 und das zweite Kernteil 3b weist an korrespondierenden

Positionen seiner Kontaktflächen 5b zum ersten Kernteil 3a zwei Stiftaufnahmen 10-1 , 10-2 auf. Die beiden Kernteile 3a, 3b werden zusammengefügt und mit Hilfe der Passstifte 9-1 , 9-2 und Stiftaufnahmen 10-1 , 10-2 miteinander auf Position verstiftet.

Figur 1 B zeigt einen Statormantel 4, beispielsweise ein Stahlrohr.

Vorzugsweise werden die Kernteile 3a, 3b auf Übermaß gefertigt, das hei ßt die verstifteten Kernteile 3a, 3b bilden einen Statorkern 2, der im unverbauten Zustand einen Außenumfang aufweist, der größer ist als der Innenumfang des rohrförmigen Statormantels 4.

Figuren 3 zeigen schematisch die Verfahrensschritte zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stators 1 . Zu Beginn weisen die Bestandteile des Stators, insbesondere der aus mindestens zwei Kernteilen 3 zusammengesetzte und verstiftete Statorkern 2 und der Statormantel 4, die Umgebungstemperatur T(U) auf (vergleiche Figur 3A).

In einem ersten Verfahrensschritt I wird der verstiftete Statorkern 2 abgekühlt, indem diesem Wärme Q1 entzogen wird, wodurch der Statorkern auf eine erste

Temperatur T(1 ), die unterhalb der Umgebungstemperatur T(U) liegt, abgekühlt wird.

Beispielsweise wird der verstiftete Statorkern 2 mittels flüssigen Stickstoffs auf ca.

-200 °C abgekühlt. Durch das Abkühlen des Statorkerns 2 zieht sich das Material, aus dem die Kernteile 3 des Statorkern 2 gebildet sind, zusammen, so dass der

Außenumfang des auf die erste Temperatur T(1 ) abgekühlten Statorkerns 2T(1 ) geringer ist als der Außenumfang des Statorkerns 2 bei normaler

Umgebungstemperatur T(U).

Parallel dazu wird der Statormantel 4 durch Zuführung von Wärme Q2 auf eine zweite Temperatur T(2) erwärmt. Durch das Erwärmen dehnt sich der Statormantel 4 aus. Insbesondere ist das Material des Statormantels 4 derart gewählt, dass sich der Innenumfang des Statormantels 4 durch das Erwärmen erhöht.

Insbesondere ist der Au ßenumfang des auf die erste Temperatur T(1 ) abgekühlten Statorkerns 2T(1 ) geringer als der Innenumfang des erwärmten

Statormantels 4τ(2). In einem zweiten Verfahrensschritt I I wird der abgekühlte Statorkern 2T(1 ) in den Statormantel 4τ(2) eingeschoben (vergleiche Figur 4C) und positioniert, wobei darauf geachtet wird, dass der Radialabstand zwischen Statorkern 2T(1 ) und

Statormantel 4τ(2) überall gleich ist

In einem dritten Verfahrensschritt I II führt ein kontinuierlicher Wärmeaustausch zwischen Statorkern 2 und Statormantel 4 zu einem Temperaturausgleich zwischen dem Statorkern 2 und dem Statormantel 4, wodurch der Statormantel 4 auf den Statorkern 2 aufschrumpft. In dem dadurch hergestellten Stator 1 ist damit eine dauerhaft feste Verbindung zwischen Statorkern 2 und dem Statormantel 4 hergestellt. Diese dauerhaft feste Verbindung ist insbesondere bei den

Temperaturschwankungen zwischen 15°C bis 300 °C im laufenden Betrieb einer Exzenterschneckenpumpe mit einem Stator 1 beständig, da keine Klebemittel verwendet werden, die bei hohen Temperaturen Probleme bereiten können.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Es ist jedoch für einen Fachmann vorstellbar, dass Abwandlungen oder Änderungen der Erfindung gemacht werden können, ohne dabei den Schutzbereich der nachstehenden Ansprüche zu verlassen. Bezuqszeichenliste

1 Stator

2 Statorkern

3 Kernteil

4 Statormantel

5 Kontaktfläche

6 Außenmantel

7 Innenkontur

8 Teilkontur

9 Passstift

10 Stiftaufnahme

I.I I. III Verfahrensschritte