WO2010063765A2 - Vorrichtung zum pumpen von flüssigkeiten oder fluiden mit einem gehäuse - Google Patents

Vorrichtung zum pumpen von flüssigkeiten oder fluiden mit einem gehäuse Download PDF

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WO2010063765A2 PCT/EP2009/066247 EP2009066247W WO2010063765A2 WO 2010063765 A2 WO2010063765 A2 WO 2010063765A2 EP 2009066247 W EP2009066247 W EP 2009066247W WO 2010063765 A2 WO2010063765 A2 WO 2010063765A2
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C3/00—Rotary-piston machines or pumps, with non-parallel axes of movement of co-operating members, e.g. of screw type
    • F04C3/06—Rotary-piston machines or pumps, with non-parallel axes of movement of co-operating members, e.g. of screw type the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees
    • F04C3/08—Rotary-piston machines or pumps, with non-parallel axes of movement of co-operating members, e.g. of screw type the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing
    • F04C3/085—Rotary-piston machines or pumps, with non-parallel axes of movement of co-operating members, e.g. of screw type the axes being arranged otherwise than at an angle of 90 degrees of intermeshing engagement type, i.e. with engagement of co-operating members similar to that of toothed gearing the axes of cooperating members being on the same plane
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C11/00—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations
    • F04C11/001—Combinations of two or more machines or pumps, each being of rotary-piston or oscillating-piston type; Pumping installations of similar working principle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04C—ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; ROTARY-PISTON, OR OSCILLATING-PISTON, POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04C14/00—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations
    • F04C14/18—Control of, monitoring of, or safety arrangements for, machines, pumps or pumping installations characterised by varying the volume of the working chamber

Definitions

  • the invention relates to a device for pumping
  • Liquids or fluids with at least two rotational elements according to the preamble of claim 1.
  • centrifugal pumps in which the material to be pumped is greatly accelerated and carried by the inertia through the outlet opening
  • positive displacement pumps in which a volume is opened on the suction side, then sealed to a pressure side is moved and reduced there by displacement, so that the liquid contained in the volume or the fluid is pushed out to the outlet opening.
  • positive displacement pumps are, for example, piston pumps, further subdivided into reciprocating, rotary and rotary piston machines, elastic displacers such as peristaltic pumps or helical displacers.
  • Rotary piston machines such as external or internal gear pumps are simple and inexpensive to produce, but have a non-variable displacement volume, so that a control of the transported volume is possible only on the speed of the pump.
  • Variable stroke volume such as inclined axial piston pumps.
  • these pumps are expensive to manufacture and expensive.
  • a pumping device can be made of a few simple components and thus makes it possible to provide a cost-effective and robust pump.
  • the pumping device according to the invention has a housing in which two opposite rotary elements are rotatably mounted.
  • the rotation elements in this case have complementary elevations and depressions on the sides facing each other.
  • a suction region is formed, which is separated by a sealing web from a pressure region which has an outlet opening.
  • the two rotation elements are arranged with their axes of rotation at an angle to each other.
  • This angled arrangement allows the complementary projections and depressions on the mutually facing sides of the rotation elements in a portion of its circumference in engagement with each other, while in another portion of the elevations and complementary depressions on the two surfaces are removed from each other.
  • Rotation elements have the above-mentioned angle to each other.
  • Elevation of a rotation element has lowered the deepest in the recess of the opposite rotation element, the dead center is the
  • the recesses of the two rotation elements are closed by means of a sealing web, so that the liquid contained in the cavity between the elevations of the respective rotation element or the fluid in the further course of rotation to the displacer, the so-called pressure side can be transported ,
  • This area lies in the direction of rotation before the dead center.
  • the recesses of a rotary element begin to submerge in the displacement in the complementary, filled with fluid or liquid recess of the opposite rotary member and press so the liquid contained in the recess or the fluid from the recess to the outlet opening in the housing.
  • the outer sides of the rotation elements d. H. the surfaces which are not arranged opposite to the respective other rotational element to perform rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation.
  • the housing which preferably consists of two parts, has correspondingly complementary rotationally symmetrical recesses which serve as a bearing seat for the rotary elements.
  • the shape of the rotation elements on the outside correspond to a partial cone or a partial sphere.
  • the rotational elements of the pumping device according to the invention may be provided on the mutually facing sides with a recess which has the shape of a
  • Partial ball having the center of the ball at the intersection of
  • Rotary axes of the two rotation elements is located.
  • the term "center of the ball” is in the following with respect to part of balls or part of spherical shapes always meant the center of the solid sphere from which the part of the ball was formed Recesses is then inserted a complementary ball or part ball. Due to the bearing on the ball or part ball, the rotation elements can rotate away from each other, while the ball acts simultaneously as a seal for the recesses in the interior of the rotary member. In the outer region of the rotary element, the recesses are sealed by the housing acting as a bearing seat, while in the direction of the opposite rotational element of the sealing web takes over the sealing task.
  • Bevel gears are formed.
  • a bevel gear the elevations and depressions on the side facing the other rotary element as teeth, similar to a gear executed.
  • the extensions of the high and low points of the teeth form at least one cone, d. H.
  • the lines for example, through the low point of the tooth gaps intersect at one point and have an angle to each other, so that the enveloping surface of the lines form a partial cone.
  • the same can apply to the lines through the high point of the teeth, with at least one of the two lines of lines forming a partial cone. But it is quite possible that the other group of lines lies in one plane and thus does not form a cone.
  • the shape of the teeth can be adapted to the respective requirements.
  • the tip of the pitch circle cone of both bevel gears lies at the intersection of the two axes of rotation, in which the center of the ball bearing is located.
  • the fluid to be pumped can simultaneously serve as lubrication of the pump according to the invention.
  • the bearing in the bearing seat of the housing can be replaced by a radial and / or axial ball bearing.
  • the storage of the rotational elements on a central ball allows in an advantageous embodiment of the invention, the provision of a control pump, ie the change in the flow rate by changing the displacer volume.
  • the bearing seat of at least one rotary element is formed as a partial sphere.
  • the rotation member in the bearing seat about an axis which is perpendicular to its main axis of rotation are rotated, so that the distance of the toothed side is changed to the toothed side of the opposite rotary member.
  • the immersion depth of the teeth of the rotary element changes into the complementary recesses of the opposite rotary element and vice versa, the immersion depth of the teeth of the opposite rotary element in the recesses of the first rotary element.
  • the bearing seat of the engageable rotation element can be designed as a separate adjustment shell, which is mounted in a part-spherical adjustment seat in the housing.
  • the adjusting shell in turn has a bearing seat for the rotary member, in which it is mounted.
  • Seal made in two or more parts.
  • the sealing web is divided into two, so that an upper and a lower sealing web part arise and between the two sealing web halves a biasing element can be introduced, which presses the sealing web halves against the elevations or tooth heads on the adjacent rotation elements or bevel gears ,
  • a further embodiment of the present invention lies in the combination of several pairs of rotating elements within a common housing (double pump, multiple pump) so as to provide different pressures and / or different volume flows at the same time in a small space.
  • FIG. 1 shows a bevel gear pump according to the invention in three-dimensional
  • FIG. 2 shows an exploded view of the pump according to the invention from FIG. 1,
  • Figure 3.1 -3.5 a bevel gear from the pump of Figures 1 and 2 in different representations
  • Figure 5.1 -5.5 a housing shell with bearing seat of the pump of Figure 1 in different views
  • Figure 6.1 -6.5 the second housing shell of the pump of Figure 1 in different views
  • FIG. 8 shows a section through two rotary elements of a pump according to the invention
  • FIGS. 9.1 to 9.3 show a section through a bevel gear pump according to the invention
  • FIG. 10 shows a section through the teeth of a device according to the invention
  • FIG. 12 shows a two-part sealing web for a pump according to FIG. 12
  • FIG. 14 shows a further embodiment of the volume control pump according to the invention
  • Figure 15 is a pump according to the invention with axial and
  • FIG. 16 shows a combination of two pumps according to the invention in a common housing with the same volume flow at different pressure
  • 17 shows a combination of two pumps according to the invention in a housing, each with a different volume flow and different pressure
  • FIG. 18 shows an alternative embodiment of a volume control pump according to the invention
  • Figure 19 An alternative embodiment for the sealing bar.
  • the pumping device 1 shows a pumping device 1 according to the invention in a three-dimensional representation, wherein a part of the housing is shown "cut open” for illustrative purposes
  • the pumping device 1 comprises the housing halves 2 and 3 serving as bearing seats for the rotary elements 4 and
  • the rotary elements have teeth 6 and tooth gaps 7 which lie complementary to one another on the opposite sides of the rotary elements
  • a two-part sealing web of the individual components 8.1 and 8.2 is arranged in a partial area between the rotary elements such that the teeth 6 on the sealing web 8.1 and 8.2, and thus seal the cavity which is formed by tooth gaps 7.
  • the sealing web 8 is connected via connecting means, such as screw, rod or bolt connections 9 with the housing halves 2 and 3 respectively.
  • FIG. 2 shows an exploded view of a pump device according to the invention.
  • the two housing halves 2 and 3 are held together in the assembled state by the screws or bolts 10 shown above.
  • a section is drawn, which allows the view into the housing half inside, where the bearing seat 14 can be seen.
  • the rotational element 5 is seated with its top and outside in the bearing seat of the housing half 2, wherein the outer side 13 of the rotary member in the present embodiment has a surface corresponding to a spherical cutout.
  • On the underside of the rotary member 5 are the teeth 6 and the tooth gaps 7, wherein it can be seen that the depth of the tooth gaps in the outer region of the Rotation element is greater than in the interior.
  • the lines are through the tooth tips in a plane, ie the cone of the tooth tips is degenerate into a flat disc.
  • the lines through the bottlenecks of the tooth spaces form a cone whose intersection lies in the plane of the tooth tips.
  • a part-spherical recess which is shown hidden in Figure 2.
  • the center of this partial sphere is identical to the intersection of the lines through the tooth high and low points.
  • the ball 11 is arranged, in such a way that its center is congruent with the center of Operakugelausström supraung and the intersections of the lines through the tooth high and low points.
  • the upper part 8.1 of the sealing web is fastened by means of the screw or the bolt 9 in the upper half of the housing 2.
  • the housing halves 2, 3 are pre-assembled with the rotation elements 4, 5, wherein the rotation elements 4, 5 are held by the sealing ridge 8 in the housing half 2, 3 and thus a simple and safe installation of the two with the rotation elements 4, 5 pre-assembled Housing parts 2, 3, in which the rotation elements 4, 5 are held by the sealing web elements 8.1, 8.2, is possible.
  • the upper housing member 2 has a suction opening 16 through which the liquid to be pumped or the fluid is passed to the suction region of the pump.
  • a suction opening 16 through which the liquid to be pumped or the fluid is passed to the suction region of the pump.
  • On the opposite side of the pressure region 15 can be seen, in which collects the fluid on the pressure side of the pump in front of the outlet opening, which is not shown in the figure.
  • the lower half of the housing is basically constructed analogously, with a corresponding rotary member 4, which also has a part-spherical outer side 13 which sits in the corresponding bearing seat 14 of the lower half 3, has corresponding teeth 6 and tooth gaps 7, wherein also at the lower rotational element in According to the present embodiment, the tooth tips 6 lie in a plane, while the tooth gaps form a cone at its low point, the apex of which lies at the intersection of the lines through the tooth low points and at the same time falls into the plane through the tooth tips, a recess 12, the shape of a Part ball has and is adapted to receive the bearing ball 11 so that the center of the bearing ball 11 coincides with the Schmitt point of the cone lines through the low points of the tooth gaps.
  • the lower housing half 3 has a recess 17 into which the lower sealing web part 8.2 can be inserted and bolted to the bolt 9 with the housing half 3.
  • FIG. 3 shows a rotation element in different
  • FIG. 3.1 shows a 3D representation of the rotary element 2, in which the inner, part-spherical recess 12, the teeth 6 and the tooth recesses 7 can be seen.
  • FIG. 3.2 shows a view from the side where a part of the rotation element is cut along the line B (see FIG. 3.4). The cut passes through a tooth depression 7, which is recognizable on the cut side. Behind it, the tooth 6 can be seen. It can be clearly seen in FIG.
  • FIG. 4 shows a sealing web part 8.1 or 8.2.
  • Figure 4.1 shows a three-dimensional representation
  • Figure 4.2 is a plan view
  • Figure 4.3 is a section through the sealing web element along the line A-A.
  • the sealing ridge has a curved shape, which is formed on the inner side 20 for engagement with the inner bearing ball 11 (not shown).
  • the sealing land in the section is wedge-shaped, so that the angle of the tooth head plane 18 of the two rotation elements 2 and 3 is compensated.
  • Through the bore 19 of the sealing bar can be screwed to the housing halves 2 and 3 respectively.
  • FIG. 5 shows the lower housing half 3 in different representations.
  • FIG. 5.1 shows a three-dimensional representation of the lower one
  • the section lines B-B and C-C are shown for the representation of the sections 5.3, 5.4 and 5.5.
  • Figure 5.3 is a sectional side view along the line B-B shown, the end portion of the recess 17 for the sealing ridge with the bore for the bolt 9 can be seen in section, as well as the bearing seat 14 in a part-spherical design.
  • the joining surface 21 is designed relative to the axis of rotation A of the rotary element, which is inserted into the bearing seat, so as to allow the axial angle between the two rotating elements in the assembled state.
  • Figure 5.4 shows a section along the line CC, again the bearing seat 14, the recess 17 for the sealing web part 8.2 and the rising joining surface 21 shows.
  • Subsection 5.5 shows a combination of the sections from 5.3 and 5.4.
  • FIG. 6 shows the housing half 2 in different views.
  • FIG. 6.1 shows a three-dimensional representation of the upper housing half 2 with the inlet opening 23, the collecting area of the suction side 24, the collecting side for the pressure side 25 and the recess 17 for the sealing web part 8.1.
  • the joining surface 22 comes to rest on assembly of the pump on the joining surface 21 of the lower housing element 3, wherein the joining surfaces also go through the center of the pitch circle cone, the part-spherical recesses and the intersection of the axes of rotation of the rotation elements.
  • FIG. 6.2 shows a view in which the collecting region 24 of the suction side, the collecting region 25 of the pressure side and the recess 17 for the sealing web part 8.1 can be seen.
  • the intersection lines E-E, F-F and G-G for the figures 6.5, 6.4 and 6.3 are drawn.
  • Figure 6.3 shows a section along the line G-G, in which the bearing seat 14 for the rotary member 5, the collecting chamber 24 for the suction side and the recess 17 for the sealing web part 8.2 can be seen.
  • the joining surface 22 again runs at an angle to the axis of rotation of the rotary body (see also FIG. 6.4).
  • FIG. 6.5 shows the outlet opening 15 which is in connection with the collecting area of the pressure side 25 and the inlet opening 23 which is in connection with the collecting area of the suction side 24.
  • FIG. 7 shows a section through two rotational elements of a pump device according to the invention, which are mounted on a ball 11.
  • the housing halves with the bearing seat are not shown in the illustration in Figure 7.
  • the two rotary elements 4, 5 are mounted with their part-spherical recesses 12 on the ball 11.
  • the teeth 6 of the upper bevel gear 5 engage in the tooth gaps 7 of the lower bevel gear 4
  • the teeth 6 of the lower bevel gear 4 engage in the tooth gaps 7 of the upper bevel gear 5 a.
  • the second rotation element which is coupled via the tooth engagement in the tooth engagement region 28 in the direction of rotation with the first rotation element, also set in rotation.
  • the teeth 6 and tooth spaces 7 of the rotation elements 4, 5 are not engaged with each other, but they are away from each other.
  • the cavity between the teeth 6 of the two rotary elements 4, 5 fills a sealing ridge, which is formed from the items 8.1 and 8.2.
  • the sealing web parts are placed on the line 27 on each other, which lies in the present embodiment in a plane which is spanned by the bisector of the rotation axes of the two rotary elements 4, 5.
  • the teeth of the upper rotary member 5 are sealed by the upper surface 29.1 of the sealing land portion 8.1, so that the tooth gap forms a closed cavity formed by bevel gear, inner bearing ball 11 and outer bearing seat of the housing (not shown) which is filled with the fluid to be pumped ,
  • the inner surface 26 of the sealing web 8.1, 8.2 is in sealing contact with the inner bearing ball 11, so that no fluid between the sealing web 8.1, 8.2 and ball 11 can escape.
  • FIG. 8 shows the control of the pumping volume in a schematic representation.
  • the lower bevel gear 4 is shown with a fixed axis of rotation.
  • the axis of rotation A5 relative to
  • Tilting axis A4 of the lower bevel gear to be tilted The figure shows two different positions of the axis of rotation A5. In the position with axis angle oc 1 (axis A5.1), the tooth of a rotary element 4, 5 almost completely immersed in the tooth gap 7 of the opposite rotary element. In position 5.1 of the upper rotary element, d. H. with rotary axis A5.1 and
  • a pumping device only has a part of its maximum pumping volume.
  • FIG. 9 shows a pump according to the invention in the side
  • Figure 9.1 shows the two rotation elements of Figure 7, arranged in the housing halves 2 and 3.
  • the sealing ridge 8 is, as shown in the drawing, partially stored in the housing halves and is supported inside the ball 1 1 from.
  • the rotating elements 4, 5 rotate within the bearing seat in the housing halves 2 and 3.
  • the flat surfaces 14 and 30 between the rotation elements and the housing-bearing seat are suitable for forming a sliding bearing, for example by means of a corresponding coating or by a Lubrication gap that fills with oil or lubricant during operation of the pumping device.
  • Figure 9.2 is a plan view of a half of a
  • FIG. 10 shows the two rotation elements in FIG.
  • the teeth 6 of the rotary elements enter the tooth spaces 7 in the pressure area 24 and thus displace the fluid in the tooth space.
  • the pumping device is sealed in the circumferential direction of the rotating elements.
  • the teeth pass through the dead center 34 and enter the suction region 25, in which the teeth 6 are removed again from the tooth spaces 7. This creates a negative pressure in the Tooth gaps through which the liquid to be pumped or the fluid is sucked and then transported over the teeth on the sealing bar in the pressure range.
  • Figure 11 shows another embodiment of a pumping device according to the present invention with a pressurized sealing piston 35 which is arranged in the tooth engagement region in the housing.
  • the sealing piston 35 is pressed by a biasing means 36, such as a spring or an elastic polymer, in the tooth engagement region against the two rotation elements and ensures a minimization of the radial clearance between the rotation elements or bevel gears 4 and 5. Since the sealing piston is arranged opposite to the sealing web, be the rotational elements by the pressurized sealing piston in the region of the sealing ridge, d. H.
  • the second transition from the pressure to the suction side is, as shown in FIG. 10, in the tooth engagement region, so that the second piston between the pressure side and the suction side reliably seals by the sealing piston firmly pressed against the bevel gears in this region and thus minimizes leakage losses.
  • Such a sealing web consists of the sealing web parts 8.1 and 8.2, which are adapted to the bevel gear and to the inner bearing ball. Between the two sealing elements 8.1 and 8.2 there is a fastening web 37, which is fitted in grooves 38 in the sealing web elements 8.2 and 81. In the fastening web, a compression spring 39 is arranged, which presses the two sealing web elements 8.2 and 8.1 apart and thus against the teeth of the above and below rotational elements.
  • This pressure is reinforced by an opening of the gap 40 to the pressure side, through the Liquid stored in the pressure range or the fluid to enter the fastening web 37 between the sealing web elements 8.2 and 8.1 and there as inner pressure the sealing bar elements 8.2 and 8.1 can better press against the teeth 6 of the rotary member.
  • FIG. 13 shows an embodiment of the invention
  • the upper housing half 41 is modified so that the bearing seat 42 has a partial spherical shape, which essentially comprises a full hemisphere.
  • the bearing seat for the upper rotary element 4 is partially formed by an adjusting shell 43, which is adapted on its outer side to the bearing seat in the housing half 41.
  • the adjusting shell is mounted in the bearing seat so that it can be rotated about an axis perpendicular to the axis of rotation of the rotary member, said axis of rotation through the center of the bearing ball 11, which simultaneously the apex of the cone of the bevel gear 4 and the center of the partial sphere, the Bearing seat in the housing half 41 forms, goes.
  • adjusting rod 44 which extends from the outer surface into an opening in the bearing seat of the housing half 41.
  • This rod is preferably designed as a "two-bladed", ie it has at least two flat, opposite sides
  • the rod 44 is received by a recess in an adjusting bolt 45, which is mounted in the housing half 41 so as to be displaceable substantially perpendicular to the rod 44 13, the adjusting bolt is subjected to a pressure in the direction of its longitudinal axis by means of an adjusting spring 46 and has adjusting mechanisms 47 with which it can be adjusted in the direction of its longitudinal direction.
  • close to a right angle to the line through the circle center of the bearing ball 11 and the adjusting rod 44.
  • Bevel gear pump a multi-part, internally pressurized sealing web used in which by means of the spring, the recessed movements of the rotating elements can be added to the seal side.
  • An example of such a sealing web with an upper sealing web shell 48, a lower sealing web element 49 and a compression spring 50 which presses apart the sealing shell and the sealing element is shown in FIG. 13.2.
  • the adjusting means 47 can be dispensed with.
  • the spring 46 By means of the spring 46, the adjusting piston 45 is pressed in the direction 51 in this case.
  • the upper rotary element is pressed into the tooth engagement region, so that the maximum flow rate of the pump is achieved.
  • an internal pressure builds up in the tooth engagement region, which generates a torque in the upper rotary element 4 and in the adjusting shell 43 about the axis of rotation of the adjusting shell.
  • a force is generated counter to the direction 51 by the torque.
  • the force in the adjustment rod is greater than the counter-force of the spring 46 and the adjustment is pressed in a rotation opposite to the direction 51.
  • the teeth in the tooth engagement area move away from each other and the volume flow decreases.
  • Figure 14 shows a similar embodiment of an automatic volume-regulated pump, in which a sliding block 52 is disposed in the housing half 41 and engages in a matching groove 53 in the adjusting shell 43.
  • the adjusting bolt 45 is provided with a
  • Compressive spring 46 biased and engages in a further groove 54 in the adjustment. This groove is formed so that upon rotation of the adjustment to the
  • the starting point of the volume flow control in the bevel gear pump can be selected via the spring force.
  • FIG. 15 shows an alternative embodiment of a constant volume flow bevel gear pump for use with non-lubricating or low lubricating media. The storage takes place at this
  • Embodiment not via a sliding bearing in the bearing seat of the housing, but via the thrust bearings 55 and radial bearings 56.
  • To the thrust ball bearings 55 are
  • Sealing rings 57 are arranged, which ensure a seal of the pump to the outside.
  • Such pumps can be used for example for gasoline direct injection, in which a high system pressure up to 180 bar with a non-lubricating medium such as gasoline must be achieved.
  • FIGS 16 and 17 show pump systems consisting of two
  • Single pumps are combined and can deliver multiple volume flows with one drive.
  • two equal volume flows can be generated from the pumps 60 and 61 at different pressures.
  • the arrangement in Figure 17 allows the generation of two unequal volumetric flows with different pressures from the pumps 62 and 63.
  • various other combinations and combinations for multiple pumps are also conceivable.
  • a pump according to the invention is very insensitive to contamination due to its simple construction and has a high overall efficiency due to low leakage and friction losses.
  • a cost-effective production of a pump according to the invention is possible. Since a direct drive of the rotational elements via a coupling is possible, can also be dispensed with a drive shaft and the necessary storage, which further reduces costs.
  • FIG. 18 shows an alternative embodiment for the
  • the upper rotary element 4 has a circumferential groove on the part-spherical surface, which is located in a plane perpendicular to the axis of rotation of the rotary element.
  • the upper sealing web part 8.1 has a groove-complementary engagement element 67 which engages in the groove, on the side facing the lower sealing web part 8.2 the sealing web part 8.1 has elevations and recesses formed complementarily to corresponding projections and recesses in the opposite side of the lower seal land portion 8.2 (see Fig. 17) .
  • a tooth row 65 is formed on the upper, part-spherical surface of the adjustment shell 43, into which a rack 64 intervenes.
  • a worm gear could be provided for engagement here.
  • the drive of the rack or worm gear can be done in many ways here.
  • the pressure generated in the pump can be used to move the rack 64 by means of a reciprocating piston, so that an adjustment is possible without the need for an additional drive.
  • a worm gear could hydraulically drive out of the pump.
  • the hydraulics are then controlled via appropriately controlled valves on the pressure side of the pump or in the output region and the volume flow is adjusted in this way. It can be advantageously exploited that due to the pressure on the pressure side, an inner bias of the two rotary elements 4,5 is present, which allows control of the rack by means of a single reciprocating piston.
  • a separate drive for example, electrically, or to form a mechanical adjustment for the volume flow.
  • a hydraulic or pneumatic cylinder which is hinged at one end to the adjusting shell and the other end hinged to the bearing shell, so that with the pushing or pulling together of the cylinder torque the adjusting shell and subsequently applied to the rotary member, by means of which the rotary member tilted and adjusted the flow rate can be. It is important here that the articulated ends form a straight line in any operating state, which does not go through the center of the ball or part ball on which the rotation elements are mounted against each other.
  • FIG. 19 shows a section through the sealing web halves 8.1 and 8.2.
  • Both sealing web halves 8.1, 8.2 have complementary elevations 68 and depressions 69, preferably with a rectangular cross-section, which engage with one another. Since the side surfaces of the elevations or depressions of the sealing web halves in each position of the adjusting shell are at least partially adjacent to each other, the pressure side of the pump is sufficiently sealed to the suction side.
  • the advantage here is that a pressure force P results from the pressure on the pressure side of the pump located on the nearest to the pressure side elevation 68, which presses this survey 68 against the adjacent elevation 68 and thus helps to minimize leakage losses.
  • the application force of the sealing web 8.1, 8.2 can be adjusted to the tooth surfaces in addition by means of a valve or a hydraulic pressure limiter in the closed adjustment 71, so that set an optimal compromise between unavoidable leakage losses and wear of the pump by residual friction can be.
  • the elevations 68 and depressions 69 can now dive deeper into one another, while the recesses 69 and elevations 68 are pulled apart when adjusting the upper rotary element 4 in the direction 70.1, but in the entire adjustment range of the upper rotary element 4 stay in touch with each other.
  • a seal of the pump over the entire adjustment is guaranteed.

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Abstract

Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeiten oder Fluiden, mit einem Gehäuse, in dem ein oberes Rotationselement und ein unteres Rotationselement drehbar gelagert sind, wobei das Gehäuse eine einem Saugbereich zugeordnete Eintrittsöffnung sowie eine einem Druckbereich zugeordnete Austrittsöffnung für die zu pumpende Flüssigkeit oder das Fluid aufweist und der Saugbereich mittels eines Dichtsteges vom Druckbereich getrennt ist, und das obere oder das untere Rotationselement mit einem Rotationsantrieb gekoppelt werden kann, wobei die Rotationselemente auf den einander zugewandten Seiten mit radial verlaufenden Erhebungen und Vertiefungen ausgebildet sind, wobei die Erhebungen auf dem oberen Rotationselement komplementär zu den Vertiefungen auf dem unteren Rotationselement und die Vertiefungen auf dem oberen Rotationselement komplementär zu den Erhebungen auf dem unteren Rotationselement ausgebildet sind, und die Rotationsachsen des oberen Rotationselements und des unteren Rotationselements einen von Null verschiedenen Winkel zueinander aufweisen, wobei die Erhebungen und Vertiefungen auf dem oberen und unteren Rotationselement in einem Teilbereich der aufeinander zugewandten Seiten in Eingriff miteinander und in einem anderen Teilbereich voneinander entfernt sind.

Description

Vorrichtung zum Pumpen von Flüssigkeiten oder Fluiden mit einem Gehäuse
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Pumpen von
Flüssigkeiten bzw. Fluiden mit wenigstens zwei Rotationselementen gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. Im Stand der Technik existiert eine Vielzahl von Vorrichtungen zum Pumpen von Flüssigkeiten bzw. Fluiden. Diese können zunächst grob unterteilt werden in so genannte Kreiselpumpen, bei denen der zu pumpende Stoff stark beschleunigt und aufgrund seiner Trägheit durch die Austrittsöffnung getragen wird, und so genannten Verdrängerpumpen, bei denen auf der Saugseite ein Volumen geöffnet wird, dieses dann abgedichtet zu einer Druckseite bewegt und dort durch Verdrängung verringert wird, so dass die im Volumen enthaltene Flüssigkeit oder das Fluid zur Austrittsöffnung hinausgedrückt wird. Unter den Verdrängerpumpen sind beispielsweise Kolbenpumpen, weiter unterteilt in Hubkolben-, Drehkolben- und Kreiskolbenmaschinen, elastische Verdränger wie Schlauchpumpen oder schraubenförmige Verdränger. Drehkolbenmaschinen wie Außen- oder Innenzahnradpumpen sind einfach und kostengünstig herzustellen, weisen aber ein nicht veränderbares Verdrängervolumen auf, so dass eine Steuerung des transportierten Volumens nur über die Drehzahl der Pumpe möglich ist.
[0002] Es existieren auch Kolbenmaschinen, bei denen es möglich ist, das
Hubvolumen variabel zu gestalten, wie beispielsweise schräge Axialkolbenpumpen. Allerdings sind diese Pumpen in der Herstellung aufwendig und teuer.
[0003] Für eine Vielzahl von Anwendungen beispielsweise in der Kfz-
Technik besteht ein hoher Bedarf an einfachen, robusten Pumpen, mit denen ein hoher Druck erzeugt werden kann, der bei Bedarf eine Verdrängervolumenregelung ermöglicht und auch für kleine und sehr kleine Verdrängervolumen geeignet ist.
[0004] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Vorrichtung nach
Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. [0005] Eine Pumpvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann aus wenigen, einfachen Bauteilen hergestellt werden und ermöglicht es somit, eine kostengünstige und robuste Pumpe zur Verfügung zu stellen. Dazu weist die erfindungsgemäße Pumpvorrichtung ein Gehäuse auf, in dem zwei gegenüberliegende Rotationselemente drehbar gelagert sind. Die Rotationselemente weisen dabei komplementäre Erhebungen und Vertiefungen auf den einander zugewandten Seiten auf. In Verbindung mit einer Eintrittsöffnung im Gehäuse wird ein Saugbereich ausgebildet, der durch einen Dichtsteg von einem Druckbereich getrennt ist, der über eine Austrittsöffnung verfügt. Die beiden Rotationselemente sind dabei mit ihren Drehachsen im Winkel zueinander angeordnet.
[0006] Diese gewinkelte Anordnung ermöglicht es, dass die komplementären Erhebungen und Vertiefungen auf den aneinander zugewandten Seiten der Rotationselemente in einem Teilbereich ihres Umfangs in Eingriff miteinander sind, während in einem anderen Teilbereich die Erhebungen und komplementären Vertiefungen auf den beiden Oberflächen voneinander entfernt sind.
[0007] Da sich nun die Erhebungen und Vertiefungen in einem Teilbereich der Rotationselemente im Eingriff miteinander befinden, kann mittels
Drehung des einen Rotationselements um eine Drehachse das zweite
Rotationselement angetrieben werden, wobei die Drehachsen der beiden
Rotationselemente den bereits oben erwähnten Winkel zueinander aufweisen.
Dadurch bewegen sich die Erhebungen und Vertiefungen im Verlauf des Umfangs aufeinander zu, tauchen ineinander ein und entfernen sich wieder voneinander.
Der Punkt bei der Umdrehung der Erhebungen und Vertiefungen, an dem sich die
Erhebung des einen Rotationselements am tiefsten in die Vertiefung des gegenüberliegenden Rotationselements abgesenkt hat, ist der Totpunkt der
Anordnung. Wenn sich die Erhebung und die Vertiefung in Drehrichtung vom Totpunkt entfernen, so entfernen sie sich auch voneinander und es entsteht ein offener Volumenraum zwischen Erhebung und Vertiefung. Somit entsteht ein Unterdruck, der dazu benutzt wird, eine Flüssigkeit oder ein Fluid in den Hohlraum zwischen der Erhebung und Vertiefung zu saugen. Der Bereich, in dem sich die Erhebungen und Vertiefungen ausgehend vom Totpunkt voneinander entfernen, bildet somit die Saugseite der Pumpe.
[0008] Anschließend an den Saugbereich werden die Vertiefungen der beiden Rotationselemente mittels eines Dichtstegs verschlossen, so dass die im Hohlraum zwischen den Erhebungen des jeweiligen Rotationselements enthaltene Flüssigkeit bzw. das Fluid im weiteren Verlauf der Umdrehung zum Verdrängerbereich, der so genannten Druckseite transportiert werden kann. Dieser Bereich liegt in Drehrichtung vor dem Totpunkt. Die Vertiefungen eines Rotationselements beginnen im Verdrängerbereich in die komplementäre, mit Fluid bzw. Flüssigkeit gefüllte Vertiefung des gegenüberliegenden Rotationselements einzutauchen und drücken so die in der Vertiefung enthaltene Flüssigkeit bzw. das Fluid aus der Vertiefung zur Austrittsöffnung im Gehäuse.
[0009] Zur Lagerung der beiden Rotationselemente ist es vorteilhaft, wenn die Außenseiten der Rotationselemente, d. h. die Oberflächen, die nicht dem jeweils anderen Rotationselement gegenüberliegend angeordnet sind, rotationssymmetrisch bezüglich der Drehachse auszuführen. Das Gehäuse, das vorzugsweise aus zwei Teilen besteht, weist entsprechend komplementäre rotationssymmetrische Aussparungen auf, die als Lagersitz für die Rotationselemente dienen. Vorteilhaft kann dabei die Form der Rotationselemente auf der Außenseite einem Teilkegel oder einer Teilkugel entsprechen.
[0010] Zur Lagerung der Rotationselemente aufeinander können die Rotationselemente der erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung auf den einander zugewandten Seiten mit einer Aussparung versehen sein, die die Form einer
Teilkugel aufweist, wobei der Mittelpunkt der Kugel auf den Schnittpunkt der
Drehachsen der beiden Rotationselemente liegt. Mit der Bezeichnung „Mittelpunkt der Kugel" ist im Folgenden mit Bezug auf Teil kugeln oder Teil kugelformen immer der Mittelpunkt der Vollkugel gemeint, aus der die Teilkugel gebildet wurde. In die Aussparungen wird dann eine komplementäre Kugel oder Teilkugel eingelegt. Durch die Lagerung auf der Kugel bzw. Teilkugel können sich die Rotationselemente aufeinander abdrehen, während die Kugel gleichzeitig als Dichtung für die Vertiefungen im Innenbereich des Rotationselements wirkt. Im Außenbereich des Rotationselements werden die Vertiefungen durch das als Lagersitz wirkende Gehäuse gedichtet, während in Richtung zum gegenüberliegenden Rotationselement der Dichtsteg die Dichtaufgabe übernimmt. Alternativ ist es beispielsweise auch möglich, nur an einem Rotationselement eine teilkugelförmige Vertiefung auszubilden, während das andere Rotationselement eine komplementäre, teilkugelförmige Ausbuchtung aufweist, die in die Aussparung des ersten Rotationselementes eingreift.
[0011] Vorteilhaft können die beiden Rotationselemente als
Kegelräder ausgebildet werden. Bei einem Kegelrad sind die Erhebungen und Vertiefungen auf der dem anderen Rotationselement zugewandten Seite als Zähne, ähnlich einem Zahnrad, ausgeführt. Dabei bilden die Verlängerungen der Hoch- und Tiefpunkte der Zähne wenigstens einen Kegel, d. h. die Linien beispielsweise durch den Tiefpunkt der Zahnlücken schneiden sich in einem Punkt und weisen einen Winkel zueinander auf, so dass die einhüllende Oberfläche der Linien einen Teilkegel bilden. Das gleiche kann für die Linien durch den Hochpunkt der Zähne gelten, wobei wenigstens eine der beiden Linienscharen einen Teilkegel bildet. Es ist aber durchaus möglich, dass die andere Linienschar in einer Ebene liegt und somit keinen Kegel ausbildet. Die Form der Zähne kann dabei an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden. So sind Geradverzahnungen, Schrägverzahnungen und Bogenverzahnungen möglich. Um ein störungsfreies Abwälzen der beiden kegelradförmigen Rotationselemente sicherzustellen, liegt die Spitze des Teilkreiskegels beider Kegelräder im Schnittpunkt der beiden Drehachsen, in dem auch der Mittelpunkt der Lagerkugel liegt.
[0012] Bei Verwendung des Gehäuses als Lagersitz ist bei der Dimensionierung ein geringes Radialspiel zwischen Rotationselement und
Gehäuselagersitz einzuhalten, damit sich zwischen dem Rotationselement und dem Gehäuse bei der Drehung des Rotationselements ein Schmierfilm aufbauen kann, der für ein reibungsreduziertes Gleiten der Oberflächen aufeinander und für eine Aufnahme der Axial- und Radialkräfte der Rotationselemente sorgt. Bei einer Nutzung der Pumpe beispielsweise zum Pumpen von Öl kann das zu pumpende Fluid gleichzeitig als Schmierung der erfindungsgemäßen Pumpe dienen. Bei Verwendung einer erfindungsgemäßen Pumpe zum Pumpen von schmierarmen oder schmierlosen Medien wie beispielsweise Diesel, Benzin oder Harnstoffen kann die Lagerung im Lagersitz des Gehäuses durch eine radiale und/oder axiale Kugellagerung ersetzt werden.
[0013] Die Lagerung der Rotationselemente auf einer zentralen Kugel ermöglicht in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Zurverfügungstellung einer Regelpumpe, d.h. der Änderung des Volumenstroms durch eine Änderung des Verdränger-Volumens. Hierfür wird der Lagersitz zumindest eines Rotationselements als Teilkugel ausgebildet. Dadurch kann das Rotationselement im Lagersitz um eine Achse, die senkrecht zu seiner Hauptrotationsachse steht, gedreht werden, so dass der Abstand der verzahnten Seite zur verzahnten Seite des gegenüberliegenden Rotationselements geändert wird. Dadurch ändert sich die Eintauchtiefe der Zähne des Rotationselements in die komplementären Vertiefungen des gegenüberliegenden Rotationselements und umgekehrt die Eintauchtiefe der Zähne des gegenüberliegenden Rotationselements in die Vertiefungen des ersten Rotationselementes. In einer vorteilhaften Weiterbildung einer derartigen Regelpumpe kann der Lagersitz des anstellbaren Rotationselements als separate Verstellschale ausgebildet sein, die in einen teilkugelförmigen Verstellsitz im Gehäuse gelagert ist. Die Verstellschale ihrerseits weist einen Lagersitz für das Rotationselement auf, in welchem dieses gelagert ist. Durch die Nutzung einer zusätzlichen Verstellschale ist es möglich, die Rotation der Verstellschale um die Hauptrotationsachse des Rotationselements zu sperren, so dass die Verstellschale ausschließlich um eine Achse senkrecht zur Hauptrotationsachse des Rotationselements drehbar gelagert ist. [0014] In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der
Dichtsteg zwei- oder mehrteilig ausgeführt. Insbesondere ist eine Ausführungsform vorteilhaft, in der der Dichtsteg zweigeteilt ist, so dass ein oberer und ein unterer Dichtstegteil entstehen und zwischen die beiden Dichtsteghälften ein Vorspannungselement eingebracht werden kann, das die Dichtsteghälften gegen die Erhebungen bzw. Zahnköpfe auf den anliegenden Rotationselementen bzw. Kegelrädern presst.
[0015] Eine weitere Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung liegt in der Kombination mehrerer Rotationselementpaare innerhalb eines gemeinsamen Gehäuses (Doppelpumpe, Mehrfachpumpe), um derart auf kleinem Raum unterschiedliche Drücke und/oder unterschiedliche Volumenströme zur gleichen Zeit zur Verfügung zu stellen.
[0016] Weitere Vorteile, Merkmale, Merkmalskombinationen und
Eigenschaften der Erfindung werden nachfolgend erläutert anhand einiger Ausführungsbeispiele und in den Zeichnungen. Diese zeigen in:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Kegelradpumpe in dreidimensionaler
Darstellung,
Figur 2 eine Explosionsdarstellung der erfindungsgemäßen Pumpe aus Figur 1 ,
Figur 3.1 -3.5 ein Kegelrad aus der Pumpe aus Figuren 1 und 2 in unterschiedlichen Darstellungen,
Figur 4.1 -4.3 den Dichtsteg einer erfindungsgemäßen Pumpe gemäß Figur
1 in unterschiedlichen Ansichten,
Figur 5.1 -5.5 eine Gehäuseschale mit Lagersitz der Pumpe aus Figur 1 in unterschiedlichen Ansichten, Figur 6.1 -6.5 die zweite Gehäuseschale der Pumpe aus Figur 1 in verschiedenen Ansichten,
Figur 7 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Rotationselement-Kugel-Dichtstegkombination,
Figur 8 ein Schnitt durch zwei Rotationselemente einer erfindungsgemäßen Pumpe,
Figur 9.1 -9.3 ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kegelradpumpe,
Figur 10 ein Schnitt durch die Zähne einer erfindungsgemäßen
Kegelradpumpe im Bereich des Totpunkts,
Figur 11.1 -11.2 ein Schnitt durch eine erfindungsgemäße Kegelradpumpe mit einer Druckbeaufschlagung für die Rotationselemente,
Figur 12 ein zweiteiliger Dichtsteg für eine Pumpe gemäß der
Erfindung,
Figur 13.1 -13.2 eine Kegelradpumpe gemäß der Erfindung mit Volumensteuerung,
Figur 14 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Pumpe mit Volumensteuerung,
Figur 15 eine erfindungsgemäße Pumpe mit Axial- und
Radialkugellagerung,
Figur 16 eine Kombination aus zwei erfindungsgemäßen Pumpen in einem gemeinsamen Gehäuse mit gleichem Volumenstrom bei unterschiedlichem Druck, Figur 17 eine Kombination aus zwei erfindungsgemäßen Pumpen in einem Gehäuse mit jeweils unterschiedlichem Volumenstrom und unterschiedlichem Druck,
Figur 18 Eine alternative Ausführungsform für eine erfindungsgemäße Pumpe mit Volumensteuerung,
Figur 19 Eine Alternative Ausführungsform für den Dichtsteg.
[0017] Figur 1 zeigt eine Pumpvorrichtung 1 gemäß der Erfindung in einer dreidimensionalen Darstellung, wobei ein Teil des Gehäuses zu illustrativen Zwecken „aufgeschnitten" dargestellt ist. Die Pumpvorrichtung 1 weist die Gehäusehälften 2 und 3 auf, die als Lagersitz für die Rotationselemente 4 und 5 dienen. Die Rotationselemente weisen Zähne 6 und Zahnlücken 7 auf, die komplementär zueinander auf den sich gegenüberliegenden Seiten der Rotationselemente liegen. Ein zweiteiliger Dichtsteg aus den Einzelbauteilen 8.1 und 8.2 ist einem Teilbereich zwischen den Rotationselementen so angeordnet, dass die Zähne 6 auf dem Dichtsteg 8.1 bzw. 8.2 aufliegen und so den Hohlraum, der durch Zahnlücken 7 gebildet wird, abdichten. Der Dichtsteg 8 wird über Verbindungsmittel, wie bspw. Schraub-, Stab- oder Bolzenverbindungen 9 mit den Gehäusehälften 2 bzw. 3 verbunden.
[0018] Figur 2 zeigt eine Explosionsdarstellung einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung. Die beiden Gehäusehälften 2 und 3 werden im zusammengesetzten Zustand von dem darüber dargestellten Schrauben bzw. Bolzen 10 zusammengehalten. In der oberen Gehäusehälfte 2 ist ein Ausschnitt gezeichnet, der den Blick in das Gehäusehälfteinnere erlaubt, wo der Lagersitz 14 zu erkennen ist. Das Rotationselement 5 sitzt mit seiner Ober- und Außenseite im Lagersitz der Gehäusehälfte 2, wobei die Außenseite 13 des Rotationselements in der vorliegenden Ausführungsform eine Oberfläche aufweist, die einem Kugelausschnitt entspricht. Auf der Unterseite des Rotationselements 5 befinden sich die Zähne 6 und die Zahnlücken 7, wobei erkennbar ist, dass die Tiefe der Zahnlücken im Außenbereich des Rotationselements größer als im Innenbereich ist. Dies ist daran begründet, dass die Verlängerungen der Hoch- bzw. Tiefpunkte der Zähne und Zahnlücken sich in einem Punkt schneiden, der die Spitze der durch die Linien gebildeten Teilkegel ist. Bei der in Figur 2 vorliegenden Ausführungsform der Erfindung liegen die Linien durch die Zahnspitzen in einer Ebene, d. h. der Kegel der Zahnspitzen ist zu einer flachen Scheibe entartet. Die Linien durch Tiefpunkte der Zahnlücken hingegen bilden einen Kegel, dessen Schnittpunkt in der Ebene der Zahnspitzen liegt. Im inneren Bereich der Unterseite des Rotationselements befindet sich eine teilkugelförmige Ausnehmung, die in Figur 2 verdeckt dargestellt ist. Der Mittelpunkt dieser Teilkugel ist identisch mit dem Schnittpunkt der Linien durch die Zahnhoch- und -tiefpunkte. In der Ausnehmung ist die Kugel 11 angeordnet, und zwar so, dass auch ihr Mittelpunkt deckungsgleich mit dem Mittelpunkt der Teilkugelausnehmung und den Schnittpunkten der Linien durch die Zahnhochund -tiefpunkte liegt.
[0019] Der obere Teil 8.1 des Dichtstegs wird mittels der Schraube bzw. des Bolzens 9 in der oberen Gehäusehälfte 2 befestigt. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Dichtsteg einteilig auszuführen, durch die zweiteilige Ausführung ergeben sich aber fertigungstechnische Vorteile. So können die Gehäusehälften 2, 3 mit den Rotationselementen 4, 5 vormontiert werden, wobei die Rotationselemente 4, 5 durch den Dichtsteg 8 in der Gehäusehälfte 2, 3 gehalten werden und somit eine einfache und sichere Montage der beiden mit den Rotationselementen 4, 5 vormontierten Gehäuseteilen 2, 3, in denen die Rotationselemente 4, 5 durch die Dichtstegelemente 8.1 , 8.2 gehalten sind, möglich ist.
[0020] Das obere Gehäuseelement 2 weist eine Saugöffnung 16 auf, durch die die zu pumpende Flüssigkeit oder das Fluid zum Saugbereich der Pumpe geleitet wird. Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Druckbereich 15 erkennbar, in dem sich das Fluid auf der Druckseite der Pumpe vor der Austrittsöffnung, die in der Figur nicht gezeigt ist, sammelt. [0021] Die untere Gehäusehälfte ist grundsätzlich analog aufgebaut, mit einem entsprechenden Rotationselement 4, das ebenfalls eine teilkugelförmige Außenseite 13, die im entsprechenden Lagersitz 14 der unteren Gehäusehälfte 3 sitzt, aufweist, entsprechende Zähne 6 und Zahnlücken 7, wobei auch beim unteren Rotationselement in der vorliegenden Ausführungsform die Zahnspitzen 6 in einer Ebene liegen, während die Zahnlücken an ihrem Tiefpunkt einen Kegel bilden, dessen Kegelspitze im Schnittpunkt der Linien durch die Zahntiefpunkte liegt und der gleichzeitig in die Ebene durch die Zahnspitzen fällt, eine Ausnehmung 12, die die Form einer Teilkugel hat und dazu ausgebildet ist, die Lagerkugel 11 so aufzunehmen, dass der Mittelpunkt der Lagerkugel 11 mit dem Schmittpunkt der Kegellinien durch die Tiefpunkte der Zahnlücken zusammenfällt. Die untere Gehäusehälfte 3 weist eine Vertiefung 17 auf, in die der untere Dichtstegteil 8.2 eingelegt und mit dem Bolzen 9 mit der Gehäusehälfte 3 verschraubt werden kann.
[0022] Figur 3 zeigt ein Rotationselement in verschiedenen
Darstellungen. In Figur 3.1 ist eine 3D-Darstellung des Rotationselements 2 gezeigt, in dem die innere, teilkugelförmige Ausnehmung 12, die Zähne 6 und die Zahnvertiefungen 7 erkennbar sind. Figur 3.2 zeigt eine Ansicht von der Seite, bei der ein Teil des Rotationselements entlang der Linie B (siehe Figur 3.4) geschnitten ist. Der Schnitt verläuft durch eine Zahnvertiefung 7, die auf der Schnittseite erkennbar ist. Dahinter liegend ist der Zahn 6 zu erkennen. In Figur 3.2 ist deutlich erkennbar, dass die Oberseiten der Zähne des Rotationselements in einer Ebene liegen, während die Unterseite bzw. „Talsohle" der Zahnvertiefungen so geneigt ausgeführt ist, dass eine Linie als Verlängerung der „Talsohle" die Ebene der Zahnspitzen in einem Punkt schneidet, der gleichzeitig die Spitze des Teilkegels aus den Verlängerungslinien der „Talsohlen" ist und der auf der Rotationsachse des Rotationselements liegt. In Figur 3.4 ist dieser Punkt mit M bezeichnet. Figur 3.3 zeigt einen Schnitt in Seitenansicht durch das Rotationselement, entlang der Linie C-C. Dieser Schnitt geht durch einen Zahn, so dass der Hochpunkt der geschnittenen Zähne zu sehen ist. Wie erkennbar, liegen die Spitzen bzw. Hochpunkte der Zähne in einer Ebene 18. [0023] Figur 3.5 zeigt das Rotationselement noch einmal in der ungeschnittenen Seitenansicht, mit den Zähnen 6, den Zahnvertiefungen 7 und der teilkreisförmigen Außenseite 13.
[0024] Figur 4 zeigt einen Dichtstegteil 8.1 bzw. 8.2. Figur 4.1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung, Figur 4.2 eine Draufsicht und Figur 4.3 einen Schnitt durch das Dichtstegelement entlang der Linie A-A. Der Dichtsteg weist eine geschwungene Form auf, die auf der Innenseite 20 zur Anlage an der inneren Lagerkugel 11 (nicht gezeichnet) ausgebildet ist. Um die relative Schrägstellung der Rotationselemente zueinander auszugleichen, ist der Dichtsteg im Schnitt (siehe Figur 4.3) keilförmig ausgeführt, so dass der Winkel der Zahnkopfebene 18 der beiden Rotationselemente 2 und 3 ausgeglichen wird. Durch die Bohrung 19 kann der Dichtsteg mit den Gehäusehälften 2 bzw. 3 verschraubt werden.
[0025] Figur 5 zeigt die untere Gehäusehälfte 3 in verschiedenen Darstellungen. Figur 5.1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der unteren
Gehäusehälfte 3 und dem Lagersitz 14 und der Aussparung 17, die zur Aufnahme des unteren Dichtstegteils ausgebildet ist. In der Draufsicht in Figur 5.2 ist der
Aussparungsbereich 17 für den Dichtsteg 8.2 vollständig erkennbar. Darüber hinaus sind die Schnittlinien B-B und C-C für die Darstellung der Schnitte 5.3, 5.4 und 5.5 gezeigt. In Figur 5.3 ist ein Schnitt in Seitenansicht entlang der Linie B-B gezeigt, der Endbereich der Aussparung 17 für den Dichtsteg mit der Bohrung für den Bolzen 9 ist im Schnitt zu erkennen, ebenso der Lagersitz 14 in einer teilkugelförmigen Ausführung. Die Fügefläche 21 ist relativ zur Rotationsachse A des Rotationselements, das in den Lagersitz eingelegt wird, ausgeführt, um so den Achswinkel zwischen den beiden Rotationselementen im zusammengesetzten Zustand zu ermöglichen.
[0026] Figur 5.4 zeigt einen Schnitt entlang der Linie C-C, der wieder den Lagersitz 14, die Ausnehmung 17 für den Dichtsteg Teil 8.2 und die ansteigende Fügefläche 21 zeigt. In dem Teilschnitt 5.5 ist eine Kombination der Schnitte aus 5.3 und 5.4 dargestellt. [0027] Figur 6 zeigt die Gehäusehälfte 2 in verschiedenen Ansichten.
Figur 6.1 zeigt eine dreidimensionale Darstellung der oberen Gehäusehälfte 2 mit der Einlassöffnung 23, dem Sammelbereich der Saugseite 24, der Sammelseite für die Druckseite 25 und der Aussparung 17 für den Dichtstegteil 8.1. Die Fügefläche 22 kommt beim Zusammensetzen der Pumpe auf der Fügefläche 21 des unteren Gehäuseelements 3 zu Liegen, wobei die Fügeflächen ebenfalls durch den Mittelpunkt der Teilkreiskegel, der teilkugelförmigen Ausnehmungen und dem Schnittpunkt der Drehachsen der Rotationselemente gehen.
[0028] Figur 6.2 zeigt eine Ansicht, in der der Sammelbereich 24 der Saugseite, der Sammelbereich 25 der Druckseite und die Ausnehmung 17 für den Dichtstegteil 8.1 zu sehen ist. Darüber hinaus sind in der Abbildung 6.2 die Schnittlinien E-E, F-F und G-G für die Figuren 6.5, 6.4 und 6.3 eingezeichnet. Figur 6.3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie G-G, in dem der Lagersitz 14 für das Rotationselement 5, der Sammelraum 24 für die Saugseite und die Ausnehmung 17 für das Dichtstegteil 8.2 zu sehen ist. Die Fügefläche 22 verläuft wieder in einem Winkel zur Drehachse des Rotationskörpers (siehe auch Figur 6.4). In Figur 6.4 ist die Rotationsachse A des Rotationselements 5 dargestellt, die einen von 90° verschiedenen Winkel zur Fügefläche 22 aufweist. Durch die Kombination der Winkel der Fügeflächen 22 und 21 in den Gehäuseteilen 2 und 3 erhalten die Rotationsachsen der beiden Rotationselemente 5 und 6 einen von Null verschiedenen Winkel, in dem sie gegeneinander geneigt sind. Figur 6.5 zeigt die Austrittsöffnung 15, die in Verbindung mit dem Sammelbereich der Druckseite 25 ist und die Eintrittsöffnung 23, die in Verbindung mit dem Sammelbereich der Saugseite 24 ist.
[0029] In Figur 7 ist ein Schnitt durch zwei Rotationselemente einer erfindungsgemäßen Pumpvorrichtung dargestellt, die auf einer Kugel 11 gelagert sind. Die Gehäusehälften mit dem Lagersitz sind in der Darstellung in Figur 7 nicht gezeichnet. Die beiden Rotationselemente 4, 5 sind mit ihren teilkugelförmigen Ausnehmungen 12 auf der Kugel 11 gelagert. Im Zahneingriffsbereich 28 greifen die Zähne 6 des oberen Kegelrades 5 in die Zahnlücken 7 des unteren Kegelrads 4 und die Zähne 6 des unteren Kegelrads 4 greifen in die Zahnlücken 7 des oberen Kegelrads 5 ein. Durch Rotationsantrieb eines der beiden Rotationselemente wird das zweite Rotationselement, das über den Zahneingriff im Zahneingriffsbereich 28 in Drehrichtung mit dem ersten Rotationselement gekoppelt ist, ebenfalls in Drehung versetzt. Auf der der Zahneingriffsseite gegenüberliegenden Seite befinden sich die Zähne 6 und Zahnlücken 7 der Rotationselemente 4, 5 nicht im Eingriff miteinander, sondern sie sind voneinander entfernt. Den Hohlraum zwischen den Zähnen 6 der beiden Rotationselemente 4, 5 füllt ein Dichtsteg auf, der aus den Einzelteilen 8.1 und 8.2 gebildet ist. Die Dichtstegteile sind dabei auf der Linie 27 aufeinander gesetzt, die in der vorliegenden Ausführungsform in einer Ebene liegt, die von der Winkelhalbierenden Schar der Rotationsachsen der beiden Rotationselemente 4, 5 aufgespannt wird. Die Zähne des oberen Rotationselements 5 werden durch die obere Oberfläche 29.1 des Dichtstegteils 8.1 abgedichtet, so dass die Zahnlücke einen durch Kegelrad, innere Lagerkugel 11 und äußeren Lagersitz des Gehäuses (nicht gezeichnet) einen geschlossenen Hohlraum bildet, der mit dem zu pumpenden Fluid gefüllt ist. Die innere Oberfläche 26 des Dichtstegs 8.1 , 8.2 ist dabei in dichtender Anlage an der inneren Lagerkugel 11 , so dass kein Fluid zwischen Dichtsteg 8.1 , 8.2 und Kugel 11 austreten kann.
[0030] Figur 8 zeigt die Steuerung des Pumpvolumens in einer schematischen Darstellung. Das untere Kegelrad 4 ist mit fester Rotationsachse dargestellt. Beim oberen Kegelrad 5 kann die Drehachse A5 relativ zur
Drehachse A4 des unteren Kegelrads gekippt werden. Die Figur zeigt zwei unterschiedliche Stellungen der Drehachse A5. In der Stellung mit Achsenwinkel oc 1 (Achse A5.1 ) taucht der Zahn eines Rotationselements 4, 5 nahezu vollständig in die Zahnlücke 7 des gegenüberliegenden Rotationselements ein. In der Stellung 5.1 des oberen Rotationselements, d. h. mit Drehachse A5.1 und
Achswinkel od , findet somit Maximalverdrängung statt, die Volumenleistung der
Pumpvorrichtung ist auf maximal eingestellt. Wird nun die Drehachse in die
Stellung A5.2 mit Achsmittel oc2 gekippt, so dass das obere Rotationselement sich in der Stellung A5.2 befindet, so taucht der Zahn eines Rotationselements im
Totpunkt nur noch ein Stück weit in die komplementäre Zahnlücke des gegenüberliegenden Rotationselements ein, so dass das Verdrängungsvolumen deutlich reduziert ist. In dieser Stellung weist daher eine erfindungsgemäße Pumpvorrichtung nur noch einen Teil ihres maximalen Pumpvolumens auf.
[0031] Figur 9 zeigt eine erfindungsgemäße Pumpe in seitlichem
Schnitt und im Schnitt von oben, wobei in den Figuren 9.2 und 9.3 unterschiedliche Ausführungsformen des Dichtstegs dargestellt werden. Figur 9.1 zeigt die beiden Rotationselemente aus Figur 7, angeordnet in den Gehäusehälften 2 und 3. Der Dichtsteg 8 ist, wie in der Zeichnung dargestellt, teilweise in den Gehäusehälften gelagert und stützt sich innen an der Kugel 1 1 ab. Die Rotationselemente 4, 5 rotieren innerhalb des Lagersitzes in den Gehäusehälften 2 und 3. Hierbei ist es wichtig, dass die Planflächen 14 und 30 zwischen den Rotationselementen und dem Gehäuse-Lagersitz zur Ausbildung eines Gleitlagers geeignet sind, beispielsweise mittels einer entsprechenden Beschichtung oder durch einen Schmierspalt, der sich bei Betrieb der Pumpvorrichtung mit Öl bzw. Schmiermittel füllt.
[0032] In Figur 9.2 ist eine Draufsicht auf eine Hälfte eines
„geöffneten" Pumpengehäuses dargestellt, mit einem verlängerten Dichtsteg, der sich im Wesentlichen über ca. ein Viertel des Umfangs des Rotationselements erstreckt. Der Vorteil eines derartig verlängerten Dichtstegs liegt in der Verkleinerung des Druckraumes, wodurch die Kräfte auf die Rotationselemente und die Lagerungen und somit schlussendlich auf das Gehäuse reduziert werden. Alternativ kann der Dichtsteg, wie in Figur 9.3 gezeigt, auch kleiner ausgeführt sein.
[0033] Figur 10 zeigt die beiden Rotationselemente im
Zahneingriffsbereich. Die Zähne 6 der Rotationselemente treten im Druckbereich 24 in die Zahnlücken 7 ein und verdrängen so die Flüssigkeit in der Zahnlücke. Dabei wird durch den Kontakt der gegenüberliegenden Zähne miteinander in den Punkten 32 die Pumpvorrichtung in Umfangsrichtung der Rotationselemente abgedichtet. Durch Weiterdrehung in Drehrichtung 33 passieren die Zähne den Totpunkt 34 und treten in den Saugbereich 25 ein, in dem sich die Zähne 6 wieder aus den Zahnlücken 7 entfernen. Dabei entsteht ein Unterdruck in den Zahnlücken, durch den die zu pumpende Flüssigkeit oder das Fluid angesaugt und anschließend über die Zähne am Dichtsteg vorbei in den Druckbereich transportiert wird.
[0034] Figur 11 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Pumpvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem druckbeaufschlagten Dichtkolben 35, der im Zahneingriffsbereich im Gehäuse angeordnet ist. Der Dichtkolben 35 wird über ein Vorspannungsmittel 36, beispielsweise eine Feder oder ein elastisches Polymer, im Zahneingriffsbereich gegen die beiden Rotationselemente gepresst und sorgt für eine Minimierung des Radialspiels zwischen den Rotationselementen bzw. Kegelrädern 4 und 5. Da der Dichtkolben gegenüberliegend zum Dichtsteg angeordnet ist, werden die Rotationselemente durch den druckbeaufschlagten Dichtkolben im Bereich des Dichtstegs, d. h. im Übergangsbereich zwischen Druck- und Saugseite, fest an den Lagersitz im Gehäuse und an den Dichtsteg gepresst, so dass der Übergang zwischen Druck- und Saugseite, der am Dichtsteg stattfindet, möglichst vollständig abgedichtet wird und eine Leckage von der Druck- zur Saugseite verhindert bzw. minimiert wird. Der zweite Übergang von der Druck- zur Saugseite findet sich, wie in Figur 10 dargestellt, im Zahneingriffsbereich, so dass durch den in diesem Bereich fest an die Kegelräder gepresste Dichtkolben auch den zweiten Übergang zwischen der Druckseite und Saugseite zuverlässig abdichtet und so Leckageverluste minimiert.
[0035] Der Minimierung von Leckageverlusten dient auch ein vorgespannter, mehrteiliger Dichtsteg, wie er in Figur 12 dargestellt ist. Ein derartiger Dichtsteg besteht aus den Dichtstegteilen 8.1 und 8.2, die an die Kegelradform und an die innen liegende Lagerkugel angepasst sind. Zwischen den beiden Dichtelementen 8.1 und 8.2 befindet sich ein Befestigungssteg 37, der in Nuten 38 in den Dichtstegelementen 8.2 und 81 eingepasst ist. Im Befestigungssteg ist eine Druckfeder 39 angeordnet, welche die beiden Dichtstegelemente 8.2 und 8.1 auseinander und damit gegen die Zähne der darüber und darunter liegenden Rotationselemente presst. Verstärkt wird diese Anpressung noch durch eine Öffnung des Spalts 40 zur Druckseite hin, durch die im Druckbereich gespeicherte Flüssigkeit bzw. das Fluid bis zum Befestigungssteg 37 zwischen die Dichtstegelemente 8.2 und 8.1 eintreten und dort als Innendruck die Dichtstegelemente 8.2 und 8.1 noch besser gegen die Zähne 6 des Rotationselements pressen kann.
[0036] Figur 13 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit
Volumenstromregelung. Hierzu ist die obere Gehäusehälfte 41 so abgewandelt, dass der Lagersitz 42 eine Teilkugelform aufweist, die im Wesentlichen eine volle Halbkugel umfasst. Der Lagersitz für das obere Rotationselement 4 wird teilweise durch eine Verstellschale 43 gebildet, die auf ihrer Außenseite an den Lagersitz in der Gehäusehälfte 41 angepasst ist. Die Verstellschale ist dabei so im Lagersitz gelagert, dass sie sich um eine Achse senkrecht zur Drehachse des Rotationselements drehen lässt, wobei diese Drehachse durch den Mittelpunkt der Lagerkugel 11 , der gleichzeitig die Kegelspitze des Teilkegels des Kegelrads 4 und der Mittelpunkt der Teilkugel, die den Lagersitz in der Gehäusehälfte 41 bildet, geht. Die Verstellschale in der Ausführungsform gemäß Figur 13 weist einen Verstellstab 44 auf, der sich von der Außenoberfläche in eine Öffnung im Lagersitz der Gehäusehälfte 41 erstreckt. Dieser Stab ist vorzugsweise als „Zweiflach" ausgeführt, d. h. er weist wenigstens zwei flache, gegenüberliegende Seiten auf. Der Stab 44 wird von einer Ausnehmung in einen Verstellbolzen 45 aufgenommen, der im Wesentlichen senkrecht zum Stab 44 verschiebbar in der Gehäusehälfte 41 gelagert ist. In der beispielhaften Ausführungsform aus Figur 13 ist der Verstellbolzen über eine Verstellfeder 46 mit einem Druck in Richtung seiner Längsachse beaufschlagt und verfügt über Verstellmechanismen 47, mit denen er in Richtung seiner Längsrichtung verstellt werden kann. Die Längsrichtung des Verstellbolzens 45 erstreckt sich dabei in einem Winkel, vorzugsweise nahe an einem rechten Winkel, zur Linie durch den Kreismittelpunkt der Lagerkugel 11 und den Verstellstab 44. Wenn nun der Verstellbolzen 45 mit den Verstell mittein 47 bewegt wird, wird der Verstellstab und mit ihm die Verstellschale um die Achse durch den Mittelpunkt der Lagerkugel 11 gedreht und so der Winkel zwischen den Drehachsen der beiden Rotationselemente 4, 5 geändert, so dass, wie bereits bei Figur 8 beschrieben, der Volumenstrom angepasst wird. [0037] Vorteilhaft wird auch bei der volumenregelnden
Kegelradpumpe ein mehrteiliger, innerlich druckbeaufschlagter Dichtsteg verwendet, bei dem mittels der Feder die vertieften Bewegungen der Rotationselemente auf der Dichtstegseite aufgenommen werden können. Ein Beispiel für einen derartigen Dichtsteg mit einer oberen Dichtstegschale 48, einem unteren Dichtstegelement 49 und einer Druckfeder 50, welche die Dichtschale und das Dichtelement auseinanderpresst, ist Figur 13.2 dargestellt.
[0038] Alternativ ist es auch möglich, die Volumenregelung intern auszuführen. Dazu kann auf die Verstell mittel 47 verzichtet werden. Mittels der Feder 46 wird in diesem Fall der Verstell kolben 45 in Richtung 51 gedrückt. Dadurch wird das obere Rotationselement in den Zahneingriffsbereich gedrückt, so dass der maximale Volumenstrom der Pumpe erreicht wird. Wenn nun die Pumpe in Betrieb genommen wird, baut sich im Zahneingriffsbereich ein innerer Druck auf, der ein Drehmoment im oberen Rotationselement 4 und in der Verstellschale 43 um die Drehachse der Verstellschale erzeugt. Über den Verstellstab 44 wird durch das Drehmoment eine Kraft entgegen Richtung 51 erzeugt. Wenn nun der Druck im Druckbereich einen bestimmten, vorher festgelegten Druck übersteigt, wird die Kraft im Verstellstab größer als die Gegenkraft der Feder 46 und die Verstellschale wird in eine Drehung entgegen der Richtung 51 gedrückt. Dadurch entfernen sich die Zähne im Zahneingriffsbereich voneinander und der Volumenstrom nimmt ab. Mit der Feder 46 kann der gewünschte Grenzdruck, bei dem die Pumpe den Volumenstrom verringert, eingestellt werden.
[0039] Figur 14 zeigt eine ähnliche Ausführungsform einer selbsttätig volumenregulierten Pumpe, bei der ein Nutstein 52 in der Gehäusehälfte 41 angeordnet ist und in eine passende Nut 53 in der Verstellschale 43 eingreift.
Diese Nut lässt in Verbindung mit dem Nutstein nur die Bewegung der
Verstellschale in einer Drehrichtung zu. Der Verstellbolzen 45 ist mit einer
Druckfeder 46 vorgespannt und greift in eine weitere Nut 54 in der Verstellschale ein. Diese Nut ist so ausgebildet, dass bei einer Drehung der Verstellschale zur
Öffnung des Zahneingriffsbereichs der Verstell kolben 45 gegen die Druckfeder 46 zurückgeschoben wird. Somit kann auch in dieser Ausführungsform über die Federkraft der Einsatzpunkt der Volumenstromregelung in der Kegelradpumpe gewählt werden.
[0040] Figur 15 zeigt eine alternative Ausführungsform einer Kegelradpumpe mit konstantem Volumenstrom zum Einsatz mit nicht schmierenden oder gering schmierenden Medien. Die Lagerung erfolgt bei dieser
Ausführungsform nicht über eine Gleitlagerung im Lagersitz des Gehäuses, sondern über die Axiallager 55 und Radiallager 56. An die Axialkugellager 55 sind
Dichtringe 57 angeordnet, die für eine Abdichtung der Pumpe nach außen sorgen. Derartige Pumpen können beispielsweise für Benzindirekteinspritzung genutzt werden, bei denen ein hoher Systemdruck bis 180 bar mit einem nicht schmierenden Medium wie Benzin erreicht werden muss.
[0041] Die Figuren 16 und 17 zeigen Pumpensysteme, die aus zwei
Einzelpumpen kombiniert sind und mit einem Antrieb mehrere Volumenströme liefern können. Mit dem Pumpensystem in Figur 16 können beispielsweise zwei gleiche Volumenströme aus den Pumpen 60 und 61 mit unterschiedlichen Drücken erzeugt werden. Die Anordnung in Figur 17 ermöglicht die Erzeugung von zwei ungleichen Volumenströmen mit unterschiedlichen Drücken aus den Pumpen 62 und 63. Verschiedene weitere Kombinationen und Kombinationsmöglichkeiten für Mehrfachpumpen sind natürlich ebenfalls denkbar.
[0042] Mit einer erfindungsgemäßen Pumpe können somit erhebliche
Vorteile erreicht werden. Durch die große Zahneingriffsüberdeckung und die Reduktion der rotierenden Teile auf zwei lässt sich ein geräuscharmer Betrieb erreichen. Die Kegelzahnräder rollen bei Drehung ohne zu gleiten aufeinander ab, wodurch der Verschleiß sehr gering ist. Da eine große Zähnezahl wählbar ist, kann eine geringe Pulsation des Pumpenvolumenstroms erreicht werden. Über die Änderung des Achsenwinkels, der eine Änderung in der Zahneingriffstiefe zur Folge hat, kann eine einfache Volumenstromregelung realisiert werden. Mittels einer optimierten Verzahnungsgeometrie kann der Zahneingriff über die gesamte Breite des Kegelrades auch bei Änderung des Achsenwinkels gewährleistet werden. Eine erfindungsgemäße Pumpe ist aufgrund ihrer einfachen Bauweise sehr unempfindlich gegen Verschmutzung und weist aufgrund geringer Leckage und Reibverluste einen hohen Gesamtwirkungsgrad auf. Aufgrund der geringen Anzahl an Bauteilen und der Möglichkeit, die Bauteile in einer Vielzahl von einfachen Herstellungsverfahren herzustellen, beispielsweise als spanloses Formteil oder spanend, ist eine kostengünstige Herstellung einer erfindungsgemäßen Pumpe möglich. Da ein Direktantrieb der Rotationselemente über eine Kupplung möglich ist, kann auch auf eine Antriebswelle und die dafür nötige Lagerung verzichtet werden, was die Kosten weiter reduziert.
[0043] Figur 18 zeigt eine alternative Ausführungsform für die
Ausführung der Volumenstromregelung und des Dichtstegs. Das obere Rotationselement 4 weist bei dieser Ausführungsform eine umlaufende Nut auf der teilkugelförmigen Oberfläche auf, die sich in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotationselements befindet. Damit ist sichergestellt, dass ein in die Nut eingreifendes Eingriffselement während der Rotation des Rotationselements kontinuierlich im Eingriff mit der Nut bleiben kann und dabei keine durch eine Verschiebung der Nut bedingte Lageveränderung entlang der teilkugelförmigen Oberfläche erfährt, da der Eingriffspunkt durch die Rotation des Rotationselementes nicht nach obern oder unten verschoben wird, sondern die Nut sich quasi „unter" dem Eingriffselement hindurchbewegt. Der obere Dichtstegteil 8.1 weist ein zur Nut komplementäres Eingriffelement 67 auf, das in die Nut eingreift. Auf der dem unteren Dichtstegteil 8.2 zugewandten Seit weist der Dichtstegteil 8.1 Erhebungen und Vertiefungen auf, die komplementär zu entsprechenden Erhebungen und Vertiefungen in der gegenüberliegenden Seite des unteren Dichtstegteils 8.2 ausgebildet sind (siehe Fig. 17). Auf der oberen, teilkugelförmigen Oberfläche der Verstellschale 43 ist eine Zahnreihe 65 ausgebildet, in die eine Zahnstange 64 eingreift. Alternativ könnte hier auch ein Schneckengetriebe zum Eingriff vorgesehen sein. Durch Verschieben der Zahnstange 64 können nun die Verstallschale 43 und das oberere Rotationselement 4 in die Drehrichtung 70 gekippt werden und derart, wie schon weiter oben beschrieben, der Volumenstrom gesteuert werden. Vorteilhaft ist dabei, dass über die Nut 66 und den Eingriff 67 der obere Dichtstegteil 8.1 mitgeführt wird, so dass die Notwendigkeit einer inneren Vorspannung zwischen den Dichtstegteilen entfällt.
[0044] Der Antrieb der Zahnstange oder des Schneckengetriebes kann hierbei auf vielfältige Weise erfolgen. Vorteilhaft kann der in der Pumpe erzeugt Druck genutzt werden, um mittels eines Hubkolbens die Zahnstange 64 zu bewegen, so dass ohne die Notwendigkeit eines zusätzlichen Antriebs eine Verstellmöglichkeit gegeben ist. Ähnlich ließe sich z.B. ein Schneckengetriebe hydraulisch aus der Pumpe antreiben. Hierbei wird dann über entsprechend gesteuerte Ventile auf der Druckseite der Pumpe bzw. im Ausgangsbereich die Hydraulik angesteuert und derart der Volumenstrom verstellt. Dabei kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass bedingt durch den Druck auf der Druckseite eine innere Vorspannung der beiden Rotationselemente 4,5 vorhanden ist, die eine Steuerung der Zahnstange mittels eines einzelnen Hubkolbens ermöglicht. Da das obere Rotationselement 4 bedingt durch den Druck des Fluids in der Pumpe immer eine Kraft zur Drehung in Richtung 70.1 erfährt, muss zum Kippen des Rotationselements 4 lediglich das Auslassventil der Hubkammer des Kolbens geöffnet werden. Durch den Innendruck der Pumpe wird dann das Hydraulikfluid über die Zahnreihe 65 und die Zahnstange 64 aus dem Kolbenraum verdrängt. Zum Kippen des Rotationselements 4 in Richtung 70.2 wird dann das Einlassventil des Kolbens geöffnet und mittels des hohen Drucks auf der Druckseite der Pumpe einer Druckkraft im Kolben erzeugt, die die Druckkraft im Pumpeninneren überschreitet, so dass die Zahnstange wieder in die andere Richtung bewegt und das obere Rotationselement 4 in Richtung 70.2 gekippt wird. Alternativ ist es natürlich ebenso möglich, einen getrennten Antrieb, beispielsweise elektrisch, vorzusehen oder eine mechanische Verstellmöglichkeit für den Volumenstrom auszubilden. Als weitere Ausführungsform der Verstellung des Volumenstroms wäre es denkbar, einen Hydraulik- oder Pneumatikzylinder vorzusehen, der mit einem Ende gelenkig an der Verstellschale und mit dem anderen Ende gelenkig an der Lagerschale befestigt ist, so dass mit dem Aufschieben oder Zusammenziehen des Zylinders ein Drehmoment auf die Verstellschale und in der Folge auf das Rotationselement aufgebracht wird, mittels dessen das Rotationselement gekippt und der Volumenstrom eingestellt werden kann. Wichtig ist hierbei, dass die gelenkig gelagerten Enden in jedem Betriebszustand eine Gerade bilden, die nicht durch den Mittelpunkt der Kugel bzw. Teilkugel, auf der die Rotationselemente gegeneinander gelagert sind, geht.
[0045] In Figur 19 ist ein Schnitt durch die Dichtsteghälften 8.1 und 8.2 dargestellt. Beide Dichtsteghälften 8.1 , 8.2 weisen komplementäre Erhebungen 68 und Vertiefungen 69 auf, vorzugsweise mit einem rechteckförmigen Querschnitt, die ineinander greifen. Da die Seitenflächen der Erhebungen bzw. Vertiefungen der Dichtsteghälften in jeder Position der Verstellschale zumindest teilweise aneinander liegen, wird die Druckseite der Pumpe ausreichend zur Saugseite hin abgedichtet. Vorteilhaft ist hierbei, dass sich durch den Druck auf der Druckseite der Pumpe eine Druckkraft P auf die am nächsten zur Druckseite gelegene Erhebung 68 ergibt, die diese Erhebung 68 gegen die benachbarte Erhebung 68 presst und so dazu beiträgt, Leckageverluste zu minimieren. In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung kann zusätzlich mittels eines Ventils bzw. einer hydraulischen Druckbegrenzung im geschlossenen Verstellbereich 71 die Anlege-Kraft des Dichtstegs 8.1 ,8.2 an die Zahnflächen eingestellt werden, so dass ein optimaler Kompromiss zwischen unvermeidlichen Leckageverlusten und Abnutzung der Pumpe durch Restreibung eingestellt werden kann. Bei der Verstellung des oberen Rotationselements 4 in Richtung 70.2 können nun die Erhebungen 68 und Vertiefungen 69 tiefer ineinander eintauchen, während bei Verstellung des oberen Rotationselements 4 in Richtung 70.1 die Vertiefungen 69 und Erhebungen 68 auseinander gezogen werden, aber im gesamte Verstellbereich des oberen Rotationselements 4 im Eingriff miteinander bleiben. Somit ist eine Abdichtung der Pumpe über den gesamten Verstellbereich gewährleistet.
Bezugszeichenliste
1 Pumpvorrichtung
2 Gehäusehälfte
3 Gehäusehälfte
4 Rotationselemente
5 Rotationselemente 6 Zähne
7 Zahnlücke
8.1 Einzelbauteile
8.2 Einzelbauteile
8 Dichtsteg
9 Stabverbindung
10 Bolzen
11 Kugel
12 Ausnehmung
13 Außenseite
14 Lagersitz
15 Eintrittsöffnung
16 Druckbereich
17 Vertiefung
18 Ebene
19 Bohrung
20 Innenseite
21 Fügefläche
22 Fügefläche
A Rotationsachse
23 Auslassöffnung
24 Druckseite
25 Saugseite
26 innere Oberfläche
27 Linie
28 Zahneingriffsbereich
29.1 obere Oberfläche
A5 Drehachse
A4 Drehachse od Achsenwinkel
5.1 Stellung
A5.1 Drehachse
A5.2 Stellung 30 Planfläche
32 Punkt
33 Drehrichtung
34 Totpunkt
35 Dichtkolben
37 Befestigungssteg
38 Nuten
39 Druckfeder
40 Spalt
41 Gehäusehälfte
42 Lagersitz
43 Verstellschale
44 Verstellstab
45 Verstellbolzen
47 Verstellmitteln
48 Dichtstegschale
49 unteres Dichtstegelement
50 Druckfeder
51 Richtung
52 Nutstein
53 Nut
54 Nut
55 Radiallager
56 Radiallager
57 Dichtring
60, 61 Pumpen
62, 63 Pumpen
64 Zahnstange
65 Zahnreihe
66 Nut
67 Eingriffselement
68 Erhebung
69 Vertiefung 70,70.1 ,70.2 Kipprichtung
71 geschlossener Verstellbereich
M WIANDANTENA-ZWIANDANTEN B\0096 BOGELEIN\003TWO BMT FREIGABE 2009 12 01 DOC

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (1 ) zum Pumpen von Flüssigkeiten oder Fluiden, mit einem Gehäuse, in dem ein oberes Rotationselement (4,5) und ein unteres Rotationselement (4,5) drehbar gelagert sind, wobei das Gehäuse eine einem Saugbereich (24) zugeordnete Eintrittsöffnung (23) sowie eine einem Druckbereich (25) zugeordnete Austrittsöffnung (15) für die zu pumpende Flüssigkeit oder das Fluid aufweist und der Saugbereich (24) mittels eines Dichtsteges (8,8.1 ,8,2) vom Druckbereich getrennt ist, und das obere oder das untere Rotationselement (4,5) mit einem
Rotationsantrieb gekoppelt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationselemente (4,5) auf den einander zugewandten Seiten mit radial verlaufenden Erhebungen (6) und Vertiefungen (7) ausgebildet sind, wobei die Erhebungen (6) auf dem oberen Rotationselement (4,5) komplementär zu den Vertiefungen (7) auf dem unteren
Rotationselement (4,5) und die Vertiefungen (7) auf dem oberen Rotationselement (4,5) komplementär zu den Erhebungen (6) auf dem unteren Rotationselement (4,5) ausgebildet sind, und die Rotationsachsen (A5.1 , A5.2) des oberen Rotationselements (4,5) und des unteren Rotationselements (4,5) einen von Null verschiedenen
Winkel (α1 , α2) zueinander aufweisen, wobei die Erhebungen (6) und Vertiefungen (7) auf dem oberen und unteren Rotationselement (4,5) in einem Teilbereich (28) der aufeinander zugewandten Seiten in Eingriff miteinander und in einem anderen Teilbereich voneinander entfernt sind.
2. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein Rotationselement (4,5) eine symmetrisch zur jeweiligen Rotationsachse angeordnete Aussparung (12) auf der einander zugewandten Seite aufweist, wobei die Aussparung die Form eines Kugelteils aufweist, und an dem anderen Rotationselement (5,4) ein zur Aussparung (12) komplementärer, teilkugelförmiger Vorsprung ausgebildet ist, oder beide Rotationselemente (4,5) eine symmetrisch zur jeweiligen Rotationsachse angeordnete Aussparung (12) auf der einander zugewandten Seite aufweisen, wobei die Aussparung die Form eines Kugelteils aufweist, und eine komplementär zu den Aussparungen ausgebildete Kugel (11 ) oder Teilkugel zur Lagerung des oberen und unteren Rotationselements (4,5) in den Aussparungen (12) angeordnet ist.
3. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kugel-Mittelpunkt der Kugel (11 ), Teilkugel bzw. des teilkugelförmigen Vorsprungs deckungsgleich mit dem Schnittpunkt der Rotationsachsen (A5.1 , A5.2) des oberen und unteren Rotationselementes (4,5) ist.
4. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhebungen (6) und Vertiefungen (7) als Verzahnung, insbesondere als Geradverzahnung, Schrägverzahnung oder Bogenverzahnung ausgebildet sind, wobei das obere und untere Rotationselement (4,5) die gleiche Zähnezahl aufweisen. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rotationselemente (4,
5) als Kegelräder ausgebildet sind, wobei die Spitze des Teilkreis-Kegels der Kegelräder im Kugel-Mittelpunkt der Kugel (11 ), Teilkugel bzw. des teilkugelförmigen Vorsprungs liegt.
6. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen zweiteiligen Dichtsteg (8.1 ,8.2), wobei die
Trennlinie zwischen den Dichtsteg-Teilen in einer Ebene liegt, die durch die Winkelhalbierendenschar des Winkels zwischen den Rotationsachsen (A5.1 , A5.2) der Rotationselemente (4,5) gebildet wird.
7. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen mehrteiligen Dichtsteg, welcher durch eine innere Vorspannung, insbesondere durch Federmittel (39), und/oder durch eine Öffnung (40) zur Druckseite der Pumpe hin zur Anpressung an die Aussparungs-/Erhebungsseite der Rotationselemente (4,5) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotationselemente durch ein Druckelement (35,36), das im Wesentlichen gegenüberliegend zum Eingriffsbereich (28) der Aussparungen/Erhebungen (6,7) angeordnet ist, mit einem Druck oder einer Vorspannung beaufschlagt wird.
9. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2,3) für die Rotationselemente (4,5) jeweils einen Lagersitz (14,30) aufweist, wobei der Lagersitz
(14,30) als Teilkegel oder Teilkugel ausgebildet ist und die Rotationselemente (4,5) eine komplementär zum Lagersitz (14,30) ausgebildete Lager-Außenseite (13) aufweisen.
10. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwischen einem Rotationselement
(4,5) und dem dazu komplementären Gehäusebereich (41 ) eine Verstellschale (43) angeordnet ist, wobei die Verstellschale (43) als Lagersitz für das Rotationselement (4,5) ausgebildet ist, und zum Gehäuse (41 ) hin eine im wesentliche Teilkugelförmige Oberfläche aufweist, und das Gehäuse (41 ) eine komplementäre Teilkugelform aufweist, wobei die Verstellschale (43) ein Eingriffselement (44), insbesondere eine Zahnreihe auf der Teilkugeloberfläche, zur Übertragung eines Drehmoments auf die Verstellschale (43) aufweist und im Gehäuse (41 ) ein Betätigungsmechanismus (47), insbesondere ein Zahnstange mit einer Zahnreihe, die komplementär zur Zahnreihe auf der Teilkugeloberfläche ausgebildet ist, und die zum Antrieb mittels Mechanik, Hydraulik und/oder Elektrik ausgebildet ist, oder einem Schneckengetriebe, oder einem Hydraulik- oder Pneumatikzylinder, zum Ausüben eines Drehmoments auf die Verstellschale (43) ausgebildet ist oder die Verstellschale (43) mittels einer Vorspannung, insbesondere über ein Federelement (50), mit einem Drehmoment beaufschlagt ist, und mittels des Drehmomentes eine Verdrehung der Verstellschale (43) im Gehäuse (41 ) zur Veränderung des Winkels (α1 , α2) der Rotationsachsen (A5.1 , A5.2) der Rotationselemente (4,5) durchgeführt werden kann oder bei Überschreiten eines durch den Innendruck der
Pumpvorrichtung (1 ) verursachten Grenz-Drehmoments eine Drehung der Verstellschale (43) im Gehäuse (41 ) zur Veränderung des Winkels (α1 , α2) der Rotationsachsen (A5.1 , A5.2) der Rotationselemente (4,5) bewirkt wird.
11. Vorrichtung (1 ) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellschale bezogen auf die Drehachse (A5.1 ) des in ihr gelagerten Rotationselementes (5) drehfest gelagert ist, insbesondere mittels eines als Zweiflach ausgebildeten Eingriffselements (44) oder mittels einer Nut/Nutstein (52,53) Kombination in Verstellschale (43) und Gehäuse (41 ).
12. Vorrichtung (1 ) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lagerung der Rotationselemente (4,5) mittels Gleitlagerung, Radial- oder Axialkugellagerung.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotationselement (4,5) mit Verstellschale (43) eine Nut an der Teilkugeloberfläche aufweist, die sich kreisförmig in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse des Rotationselementes
(4,5) um die Oberfläche erstreckt, und ein zweiteiliger Dichtsteg sich zwischen den Rotationselementen befindet, wobei ein Dichtstegteil ein komplementäres Eingriffselement zum Eingriff in die Nut aufweist, und die Dichtstegteile auf ihrer einander zugewandten Seite komplementäre Erhebungen und Vertiefungen aufweisen, insbesondere mit einen rechteckförmigen Querschnitt, die zum Eingriff ineinander ausgebildet sind.
14. System aus zwei oder mehreren Pumpen (60,61 ,62,63) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Gehäuses zwei oder mehrere Paare von Rotationselementen angeordnet sind, wobei jeweils ein Rotationselement eines ersten Paares von Rotationselementen drehfest mittels einer Kupplung, Welle, Eingriffselementen oder einer Direktverbindung mit einem Rotationselement eines zweiten Paares von Rotationselementen verbunden ist und jedem Paar von Rotationselementen ein eigener
Saugbereich und ein eigener Druckbereich zugeordnet ist.
15. System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Saugbereich eines ersten Paares von Rotationselementen mit dem Druckbereich eines zweiten Paares von Rotationselementen verbunden ist.
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