Wälzkolbenpumpe
Die Erfindung betrifft eine Wälzkolbenpumpe.
Wälzkolbenpumpen weisen üblicherweise zweizähnige, in einem Pumpraum angeordnete Drehkolben auf. Die beiden Drehkolben werden gegenläufig angetrieben, so dass durch die einzelnen entstehenden Kammern Gas durch einen Haupteinlass angesaugt und über einen Hauptauslass wieder ausgestoßen wird . Der Haupteinlass sowie der Hauptauslass verlaufen hierbei in radialer Richtung und sind einander gegenüberliegend angeordnet. Ferner sind auch mehrzähnige, insbesondere drei oder vier Zähne aufweisende Drehkolben bekannt. Auch hier erfolgt ein im Wesentlichen radiales Pumpen des Gases von einem radial angeordneten Haupteinlass zu einem radial angeordneten Hauptauslass.
Zur Erzielung geringer Drücke sind ferner mehrstufige Wälzkolbenpumpen bekannt. Je Stufe weisen derartige Wälzkolbenpumpen ein Drehkolbenpaar auf. Hierbei wird das zu pumpende Gas von einem Auslass einer Pumpstufe zum Einlass einer benachbarten Pumpstufe gefördert. Dies erfolgt über Verbindungskanäle. Die Verbindungskanäle können, wie beispielsweise in US 2010/0158728 beschrieben, im Gehäuse der Wälzkolbenpumpe angeordnet sein, wobei die Verbindungskanäle, die die Pumpräume, in denen die Drehkolben angeordnet sind, umgeben bzw. radial außerhalb der Pumpräume angeordnet sind . Dies ist erforderlich, um Gas von einem beispielsweise im
unteren Bereich der Wälzkolbenpumpe angeordneten Auslass einer Pumpstufe zu einem im gegenüberliegenden, beispielsweise oberen Bereich einer Wälzkolbenpumpe angeordneten Einlass der benachbarten Pumpstufe zu fördern. Derartige Wälzkolbenpumpen weisen den Nachteil auf, dass die Ausgestaltung der Kanäle im Gehäuse technisch komplex ist. Ferner muss das Gehäuse zur Aufnahme der Verbindungskanäle großvolumig ausgebildet sein. Dies führt nicht nur zu großen Außenabmessungen der Wälzkolbenpumpe sondern insbesondere auch zu hohen Kosten. Die hohen Kosten sind neben dem aufwändigen Fertigungsprozess auch durch den großen Metalleinsatz hervorgerufen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Wälzkolbenpumpe zu schaffen, die einen technisch einfachen Aufbau aufweist, wobei ferner der erforderliche Bauraum sowie die Kosten vorzugsweise reduziert werden sollen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Die erfindungsgemäße Wälzkolbenpumpe weist mehrere jeweils eine Pumpstufe ausbildende, mehrzähnige Drehkolbenpaare auf. Hierbei sind je Pumpstufe zwei Drehkolben mit mehr als zwei Zähnen vorgesehen, wobei es bevorzugt ist, dass die Drehkolben mindestens vier, insbesondere mindestens sechs Zähne aufweisen. Die beiden Drehkolben einer Pumpstufe rotieren zum Transport des Gases gegenläufig . Vorzugsweise ist je Drehkolbenpaar einer der beiden Drehkolben auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, so dass die Wälzkolbenpumpe zwei parallel zueinander verlaufende Wellen aufweist, wobei jede Welle je Pumpstufe einen der beiden Drehkolben trägt. Die beiden Wellen können über Zahnräder miteinander verbunden sein, so dass nur eine der beiden Wellen angetrieben sein muss.
Benachbarte Pumpstufen sind über Verbindungskanäle miteinander verbunden. Hierbei können benachbarte Pumpstufen jeweils über einen oder
mehrere Verbindungskanäle miteinander verbunden sein. Erfindungsgemäß sind die Verbindungskanäle in Zwischenwänden angeordnet, die benachbarte Pumpstufen voneinander trennen. Die Zwischenwände sind somit zwischen den Kolbenräumen benachbarter Pumpstufen vorgesehen. Durch das erfindungsgemäße Anordnen der Verbindungskanäle in den Zwischenwänden können die Außenabmessungen der erfindungsgemäßen Wälzkolbenpumpe gegenüber dem Stand der Technik erheblich reduziert werden. Dies hat den Vorteil, dass aufgrund des geringeren Materialeinsatzes eine Kostenreduzierung erzielt werden kann. Des Weiteren können die in Zwischenwänden vorgesehenen Verbindungskanäle kostengünstiger hergestellt werden, da es möglich ist, die Verbindungskanäle durch gerade, insbesondere kreiszylindrische Kanäle bzw. Bohrungen auszubilden. Eine technisch schwierige Herstellung von radial außerhalb der Kolbenräume vorgesehenen gekrümmten Verbindungskanälen ist somit erfindungsgemäß nicht erforderlich. Die erfindungsgemäß sehr kompakt aufgebaute Wälzkolbenpumpe weist ferner den Vorteil auf, dass eine Gewichtsreduzierung sowie eine Reduzierung der Teileanzahl erzielt werden kann. Da Wälzkolbenpumpen als trockenlaufende Pumpen ohne Ölschmierung aufgebaut sein können, weisen Wälzkolbenpumpen ferner den Vorteil auf, dass die Wartungsanforderungen geringer sind.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung der Verbindungskanäle in Zwischenwänden besteht darin, dass aufgrund der Kürze der Verbindungskanäle geringere Druckverluste auftreten.
Vorzugsweise ist zumindest ein Teil der Verbindungskanäle mit den Kolbenräumen, in denen die Drehkolbenpaare angeordnet sind, derart verbunden, dass eine Kanaleintrittsöffnung und/ oder eine Kanalaustrittsöffnung von einer Seitenwand eines Drehkolbens im Betrieb überstrichen wird . Die Kanaleintritts- und/ oder Kanalaustrittsöffnung zumindest eines Verbindungskanals ist somit nicht radial, bezogen auf einen Kolbenraum, sondern axial angeordnet. Das Überstreichen der Öffnung erfolgt
nicht über eine radial ausgebildete Stirnseite sondern über eine Seitenwand eines Drehkolbens.
Um einen möglichst kompakten und somit kostengünstigen Aufbau der erfindungsgemäßen Wälzkolbenpumpe zu ermöglichen, sind vorzugsweise sämtliche Verbindungskanäle in die Pumpstufen voneinander trennenden Zwischenwänden angeordnet. Lediglich ein Haupteinlass und/ oder ein Hauptauslass ist nicht in Zwischenwänden angeordnet. Der Haupteinlass und/ oder der Hauptauslass können axial oder radial angeordnet sein. Der Haupteinlass ist dem Hauptauslass vorzugsweise radial gegenüberliegend angeordnet. Erfolgt beispielsweise ein Ansaugen von Gas durch einen an einer Oberseite der Pumpe angeordneten Haupteinlass erfolgt somit in bevorzugter Ausführungsform das Ausstoßen des Gases an der radial gegenüberliegenden Unterseite der Pumpe. Selbstverständlich ist der Haupteinlass gegenüber dem Hauptauslass axial versetzt, da die einzelnen Pumpstufen axial hintereinander, ausgehend vom Haupteinlass zum Hauptauslass, angeordnet sind .
Insbesondere bei Drehkolben mit drei oder mehr Zähnen ist es möglich, axial in den Zwischenwänden verlaufende Verbindungskanäle vorzusehen. Dies ist dadurch realisierbar, dass eine zwischen zwei benachbarten Zähnen angeordnete Kammer das Gas nicht erst nach einer Drehung der Drehkolben um ca. 180°, sondern bereits bei einem geringeren Drehwinkel ausstößt. Bei einer derartig bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wälzkolbenpumpe muss das Gas zwischen zwei Stufen somit nicht von einer haupteinlassseitigen Kammer bis zu einer hauptauslassseitigen Kammer transportiert werden . Beispielsweise erfolgt bei dreizähnigen Drehkolben das Ansaugen des Gases durch einen Haupteinlass an einer Oberseite der Pumpe. Der Transport des Gases von der ersten zur zweiten Stufe erfolgt durch einen Verbindungskanal, der mittig bei einem Drehwinkel von ca. 90° der Drehkolben angeordnet ist. Dieser Verbindungskanal kann axial verlaufen, so dass das Gas in eine mittige Kammer der benachbarten Drehkolben eintritt. In dieser Pumpstufe wird das Gas sodann weiter in Richtung der Auslassseite
gefördert und gelangt von diesem Bereich durch einen insbesondere schräg bzw. diagonal in der Zwischenwand angeordneten Kanal wieder in eine einlassseitige Kammer der nächsten Pumpstufe. Insbesondere bei Drehkolben mit mehr als drei Zähnen können zwischen benachbarten Pumpstufen mehrfach axial verlaufende Kanäle angeordnet sein. Das Vorsehen axialer Kanäle hat insbesondere den Vorteil, dass die Herstellung der Kanäle technisch einfach ist. Es kann sich hierbei um axiale, insbesondere auch kreiszylindrische Bohrungen handeln.
Um auch die schräg bzw. diagonal in den Zwischenwänden verlaufenden Verbindungskanäle technisch einfach ausgestalten zu können, sind Zwischenwände, in denen derartige Verbindungskanäle angeordnet sind, vorzugsweise in axiale Richtung dicker als Zwischenwände, in denen axiale Verbindungskanäle vorgesehen sind . Hierdurch ist es möglich, auch die schräg verlaufenden Verbindungskanäle gerade ohne Krümmung auszugestalten.
Um die Leistungsaufnahme der Pumpe möglichst gering zu halten, weisen die Verbindungskanäle einen möglichst großen Querschnitt auf. Es ist möglich, zur Querschnittsvergrößerung auch mehrere, im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Kanäle vorzusehen. Insbesondere bei den schräg in den Zwischenwänden verlaufenden Kanälen ist ferner zu berücksichtigen, dass diese möglichst kurz ausgestaltet sind.
Zur Erhöhung der Kompression weisen die Drehkolben vorzugsweise axial unterschiedliche Breiten auf, wobei die Breite der Drehkolben insbesondere stufenweise in Pumprichtung abnimmt. Hierdurch werden die einzelnen zwischen den Zähnen der Drehkolben ausgebildeten Kammern im Volumen verringert.
In bevorzugter Ausführungsform weisen die beiden miteinander kämmenden Drehkolben denselben Durchmesser und dieselbe Form auf. Es ist jedoch auch möglich, Drehkolben mit unterschiedlichem Durchmesser und
unterschiedlicher Zähnezahl vorzusehen, wobei die Drehkolben sodann unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten aufweisen. Ebenso können miteinander kämmende Drehkolben auch unterschiedliche Zahnformen aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Wälzkolbenpumpe ist insbesondere eine Vergleichmäßigung der Belastungsspitzen über der Rotordrehung und auch eine Vergleichmäßigung der Verdichtungswärme erzielt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen :
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines dreizähnigen Druckkolbenpaars einer ersten Pumpstufe,
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines dreizähnigen Druckkolbenpaars einer zweiten benachbarten Pumpstufe,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines sechszähnigen Drehkolbenpaars einer ersten Stufe,
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines sechszähnigen Drehkolbenpaars einer zweiten Stufe,
Fig . 5 eine schematische Ansicht eines sechszähnigen Drehkolbenpaars einer dritten Stufe,
Fig. 6 eine schematische Schnittansicht einer sechsstufigen
Wälzkolbenpumpe, die entsprechend den Fig . 3 - 5 schematisch dargestellte, sechszähnige Drehkolben aufweist, und
Fig. 7 eine schematische Draufsicht einer alternativen Ausführungsform eines Drehkolbenpaares.
Die in den Fig . 1 und 2 schematisch dargestellten dreizähnigen Drehkolben 10 sind in einer ersten Pumpstufe (Fig. 1) in einem Pumpraum 12 angeordnet. Die beiden Drehkolben 10 sind jeweils über eine nicht dargestellte Welle drehbar gelagert und werden gegenläufig in Richtung der Pfeile 14 bzw. 16 gedreht. Über einen Haupteinlass 18 wird Gas einer Kammer 20 zugeführt. Durch Rotation des in Fig . 1 linken Drehkolbens erfolgt ein Einschließen des Gases in der Kammer 20, die durch den gekrümmten Bereich 22 einer Außenwand abgeschlossen ist. Beim Weiterdrehen des in Fig. 1 linken Drehkolbens in Richtung des Pfeils 14 wird die Kammer 20 entsprechend der in dieser Stellung mit 24 bezeichneten Kammer geöffnet. Die Kammer 24 umschließt den gesamten unteren Bereich der beiden Drehkolben, so dass die Bereiche 24, 26, 28 das gleiche Druckniveau aufweisen. Hierdurch erfolgt ein Herausdrücken des ursprünglich in der Kammer 20 befindlichen Gases durch einen axial, d .h. parallel zu den Drehwellen der Drehkolben verlaufenden Verbindungskanal 30.
Entsprechend wird durch den in Fig . 1 rechten Drehkolben Gas in einer Kammer 32 eingeschlossen, durch Drehen des Drehkolbens 10 in Richtung des Pfeils 16 in Fig . 1 nach unten bewegt und sodann durch den gestrichelt dargestellten, ebenfalls axial verlaufenden Verbindungskanal 34 ausgestoßen.
Bei der nächsten Pumpstufe (Fig . 2), die bezogen auf die erste Pumpstufe (Fig . 1) beispielsweise axial hinter dieser angeordnet ist, tritt Gas durch den Verbindungskanal 30 in eine Kammer 36 ein, die mit den Bereichen 38, 40 dasselbe Druckniveau aufweist. Durch Weiterdrehen des in Fig. 2 linken
Drehkolbens wird eine in sich geschlossene Kammer in Verbindung mit der gekrümmten Wand 42 ausgebildet, so dass das hierin eingeschlossene Gas in Richtung eines Hauptauslasses 44 gefördert wird . Das gleiche Förderprinzip erfolgt durch den in Fig. 2 rechten Drehkolben, wobei Gas durch den Verbindungskanal 34 in die Kammer 40 eintritt, sobald der rechte Kolben 10 in Richtung des Pfeils weitergedreht wird . Das sodann in einer Kammer 46 eingeschlossene Gas wird ebenfalls in Richtung des Hauptauslasses 44 transportiert.
Zur Ausbildung einer dritten Stufe muss das Gas vom in Fig. 2 als Hauptauslass bezeichneten Auslass 44 wieder nach oben in Richtung eines Haupteinlasses gefördert werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch in dieser Ausführungsform nicht dargestellte diagonal bzw. schräg in einer Zwischenwand verlaufende Kanäle.
In den Fig. 3 - 5 sind sechszähnige Drehkolbenpaare 48, 49 zusammen mit den in einer ersten Stufe (Fig . 3), einer zweiten Stufe (Fig . 4) und einer dritten Stufe (Fig . 5) relevanten Verbindungskanälen dargestellt. Bei einer beispielsweise sechsstufigen Wälzkolbenpumpe (Fig. 6) entspricht die Darstellung von Fig. 3 einer ersten Stufe 50, die Darstellung in Fig. 4 einer zweiten Stufe 52 und die Darstellung in Fig. 5 einer dritten Stufe 54. Die vierte Stufe 56 entspricht im Wesentlichen wieder der ersten Stufe (Fig. 3), wobei der Einlass allerdings nicht radial sondern über einen schräg bzw. diagonal verlaufenden Verbindungskanal 57 erfolgt. Die fünfte Stufe 58 entspricht der zweiten Stufe 52 bzw. Fig. 4 und die sechste Stufe 60 entspricht der dritten Stufe 54 bzw. der in Fig . 5 dargestellten Stufe, wobei der Auslass hierbei durch einen Hauptauslass 62 in radialer Richtung erfolgt. Die einzelnen Drehkolben 48, deren Breite sich in axiale Richtung bzw. in Pumprichtung 64 verringert, sind von einer gemeinsamen Welle 66 getragen. Entsprechend sind die Drehkolben 49 von einer gemeinsamen Welle 68 getragen . Die beiden Wellen 66, 68 sind in einer oberen Gehäusehälfte 70 bzw. einer unteren Gehäusehälfte 72 drehbar gelagert und können über nicht dargestellte
Zahnräder miteinander verbunden sein, so dass nur eine der beiden Wellen 66, 68 von einem Motor angetrieben werden muss.
Zwischen benachbarten Pumpstufen sind Zwischenwände 74, 76, 78, 80, 82 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist in jeder Zwischenwand zumindest ein Verbindungskanal 84, 86, 88, 90, 57 angeordnet. Ferner sind zusätzlich auch Verbindungskanäle möglich, die, zumindest teilweise in einem Außenbereich, wie aus dem Stand der Technik bekannt, angeordnet sind . Im dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt das Ansaugen des Gases durch den Haupteinlass 51. Anstelle eines radial angeordneten Haupteinlasses 51 kann dieser auch axial als Einlass 53 (Fig. 3) ausgebildet sein. Selbstverständlich ist auch ein schräg verlaufender Einlass oder auch eine Kombination unterschiedlicher Einlässe möglich, wobei durch den Einlass lediglich eine Zufuhr von Gas in die Kammer 55 (Fig . 3) erfolgen muss.
Anschließend erfolgt das Fördern des Gases von der ersten Pumpstufe 50 in die zweite Pumpstufe 52 durch einen axial, d .h. parallel zu den Wellen 66, 68 verlaufenden Verbindungskanal 84. Der Verbindungskanal 84 ist in der Zwischenwand 74 angeordnet. Das Gas wird hierbei entsprechend des anhand den Fig. 1 und 2 beschriebenen Prinzips über eine Zwischenkammer 57 in eine mit den Verbindungskanälen 84 verbundene Kammer 59 gefördert.
Das Gas wird sodann weitergefördert (Fig. 4) und strömt aus der zweiten Pumpstufe 52 in die dritte Pumpstufe 54 durch einen ebenfalls axial verlaufenden Verbindungskanal 86. Der Verbindungskanal 86 ist in der Zwischenwand 76 angeordnet.
Bei einem Weiterfördern des Gases (Fig . 5) ist es sodann erforderlich, das Gas von der Hauptauslassseite in Richtung der Haupteinlassseite zu fördern. Hierzu ist in der gegenüber den anderen Zwischenwänden 74, 76, 80, 82 in axialer Richtung dicker ausgebildeten Zwischenwand 78 ein diagonal bzw. schräg verlaufender Kanal 77 vorgesehen.
Das Fördern des Gases von der vierten Pumpstufe 56 in die fünfte Pumpstufe 58 erfolgt durch einen axial in der Zwischenwand 80 verlaufenden Kanal 88. In die nächste Pumpstufe 60 erfolgt das Fördern wiederum durch einen axialen Kanal 90, der in der Zwischenwand 82 vorgesehen ist. Da es sich bei der sechsten Pumpstufe 60 im dargestellten Ausführungsbeispiel um die letzte Pumpstufe handelt, ist diese mit dem im Wesentlichen radial verlaufenden Hauptauslass 62 verbunden .
Da, wie insbesondere aus den Fig. 3 - 5 ersichtlich ist, nur ein Teil der Kammern zur Gasförderung genutzt wird, ist eine in geringen Toleranzen gehaltene Oberflächenbearbeitung der Kammern, in denen die Drehkolben angeordnet sind, nur im Bereich der aktiven, d .h. für die Förderung relevanten Kammern, erforderlich. Hierdurch können die Herstellungskosten weiter verringert werden.
Anstelle identisch ausgebildeter Drehkolben können auch Drehkolben mit unterschiedlichem Durchmesser und insbesondere unterschiedlicher Zähnezahl vorgesehen sein. Außerdem ist eine Kombination von Drehkolben möglich, die unterschiedliche Zahnformen aufweisen. Ein Beispiel hierfür ist in Draufsicht in Figur 7 gezeigt. Hierbei weist ein linker Drehkolben 92 Zähne auf, die mit fünf gesondert ausgebildeten Zähnen eines rechten Drehkolbens 94 zusammen wirken.