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Dokumentenidentifikation DE69606293T2 08.06.2000
EP-Veröffentlichungsnummer 0830512
Titel NIEDRIGDURCHFLUSSPUMPE
Anmelder Her Majesty in Right of Canada as represented by the Minister of Natural Resources Canada, Ottawa, Ontario, CA
Erfinder CAFFELL, Anthony, Toronto, CA
Vertreter Flaccus, R., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 50389 Wesseling
DE-Aktenzeichen 69606293
Vertragsstaaten AT, CH, DE, DK, LI, NL, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 07.06.1996
EP-Aktenzeichen 969173160
WO-Anmeldetag 07.06.1996
PCT-Aktenzeichen CA9600392
WO-Veröffentlichungsnummer 9641082
WO-Veröffentlichungsdatum 19.12.1996
EP-Offenlegungsdatum 25.03.1998
EP date of grant 19.01.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 08.06.2000
IPC-Hauptklasse F04D 13/06
IPC-Nebenklasse F04D 1/00   H02K 7/14   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft Zentrifugalpumpen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine Zentrifugalpumpe zum Liefern von niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten und moderaten Drücken bei einem relativ niedrigen Leistungsverbrauch.

ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK

SDHW-Systeme (SDHW = Solar Domestic Hot Water = Solar- Haushaltsheißwasser) enthalten in der Regel eine Umwälzspumpe zum Umwälzen von Wasser in der Sammelschleife. Diese Pumpe wird wünschenswerterweise durch Solarenergie in Form von Elektrizität von einer Anordnung photovoltaischer Zellen angetrieben.

Bei SDHW ist die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit relativ niedrig und liegt in der Regel bei etwa 0,5 bis 1,5 Liter pro Minute Wässer bei einem Solldruck von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Atmosphären. Somit wird es möglich sein, wenn eine ausreichend wirksame Pumpe erhalten wird, das Wasser in der Samnmelschleife mit von einer Anordnung photovoltaischer Zellen geliefertem Strom umzuwälzen.

Bei Anwendungen wie beispielsweise SDHW besteht ein weiteres Anliegen natürlich darin, daß die Pumpe zuverlässig sein und eine lange Lebensdauer haben muß und gleichzeitig wenig oder keine Wartung erfordern darf. Weiterhin wird gewünscht, daß die Herstellungskosten für die Pumpe nicht übermäßig hoch sind.

Zentrifugalpumpen sind wohlbekannt und sind für eine Vielzahl von Anwendungen, z. B. in der Medizin, Lebensmittelindustrie, chemischen Verfahrenstechnik und Haushaltsgebrauch, um nur einige zu nennen, ausgelegt worden. Zentrifugalpumpen sind in der Regel als zweiteilige Einheit ausgelegt, wobei ein Motor über eine Verbindungswelle mit einem Flüssigkeitsflügelrad in Verbindung steht. Diese Pumpen arbeiten in der Regel mit standardmäßigem Wechselstrom von 60 Hertz und weisen deshalb eine maximale Drehzahl von 3.600 Umdrehungen pro Minute auf.

Wie dem Fachmann bekannt ist, wird der Staudruck einer Zentrifugalpumpe durch die Umfangsgeschwindigkeit des Flügelrads bestimmt. Ein Flügelrad mit einem großen Radius führt bei der gleichen Drehzahl zu einem höheren Druck als ein Flügelrad mit einem kleinen Radius. Bei einem Flügelrad mit einem großen Radius ist jedoch an sich der Störbereich und in der Regel der Fließbereich zu groß. Das Flügelrad mit dem großen Radius vergeudet deshalb zuviel Leistung und kann bei einem gegebenen Druck zuviel Strömung erzeugen. Für Anwendungen wie beispielsweise SDHW, wenn bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten ein niedriger Leistungsverbrauch gewünscht wird, sind deshalb herkömmliche Zentrifugalpumpen mit niedriger Geschwindigkeit nicht geeignet.

Wenn die Strömungsgeschwindigkeit einer Zentrifugalpumpe durch Verkleinern des Radius des Flügelrads verringert wird, muß die Drehzahl des Flügelrads erhöht werden, um den Solldruck zu liefern. Dementsprechend sind auch Zentrifugalpumpen mit Hochgeschwindigkeitsmotoren bekannt, die oft Gleichstrommotoren vom Bürstentyp einsetzen. Bei dieser letzteren Art von Pumpe besteht ein Problem darin, daß aufgrund der erhöhten Drehzahlen von 10.000 U/min oder darüber die Lager, Abdichtungen und Laufbuchsen in der Pumpe unter einer verkürzten Lebenszeit leiden, was häufige Reparaturen erforderlich macht und zu höheren Betriebskosten führt. Um die verkürzte Lebensdauer dieser Komponenten zu mildern, ist es bekannt, "Hochleistungsausführungen" dieser Komponenten einzusetzen, doch führt dies in der Regel zu einer Steigerung der Reibungsverluste der Pumpe, was zu einem verringerten Gesamtwirkungsgrad der Pumpe sowie zu erhöhten Herstellungskosten führt. Im Stand der Technik sind eine große Anzahl von Pumpen beschrieben worden. Insbesondere lehrt das US-Patent 5,209,650 an Lemieux eine Motor-Pumpen Einheit der motor und Pumpe integrier sind, die den Rotor und das Flügelrad in einem Glied kombiniert. Bei einer Ausführungsform ist die Pumpe vom axialen Typ und enthält einen Rotor, der zentral um eine Hohlwelle angeordnet ist und sich zwischen den Einlaß- und Auslaßschaufeln befindet. Das Innere der Welle ist mit schraubenartigen Schaufeln versehen, die sich mit dem Rotor relativ zu einem festen Stator drehen können. Das Flügelrad ist mit hydrostatischen Radial- und Axiallagern von der Rotorbaugruppe abgedichtet. Bei Pumpen vom axialen Typ mit einem Einlaß und einem Auslaß besteht ein Problem darin, daß wegen des hydraulischen Ungleichgewichts über das Flügelrad hinweg die Lager und Dichtungen in einem unausgeglichenen Zustand arbeiten und gegenüber Abnutzung, Undichtigkeiten und Reibungsverlusten anfällig sind.

Das US-Patent 3,870,438 an Dannenmann et al. offenbart eine Pumpe vom axialen Typ mit einem an einem Ende eines Rotors mit Hohlwelle montierten Flügelrad mit gekrümmter Schaufel. Wie bei der Literaturstelle Lemieux wird durch die Welle des Rotors Flüssigkeit über die Länge der Pumpe gepumpt. Bei dieser Einrichtung werden ringförmige Dichtungsringe eingesetzt, die ähnlich wie bei Lemieux einem hydraulischen Ungleichgewicht unterworfen sind, was wieder zu Abnutzung, Undichtigkeiten und Reibungsverlusten führt.

Soweit der Erfinder der vorliegenden Erfindung dies versteht, lehrt das US-Patent 5,195,877 an Kletschka eine Doppeleinlaß-Zentrifugalpumpe für medizinische Anwendungen, die aus einem integrierten Rotor-Flügelrad-Glied besteht, das auf Magnetlagern schwebt. Der Stator ist auf einer zentral angeordneten Welle befestigt, und ein hohles, scheibenförmiges Rotor-Flügelrad umgibt den Stator und kann um die Welle gedreht werden. Durch Drehung des Rotor- Flügelrads wird Flüssigkeit von den Einlässen, die sich neben der Mitte der Scheibe befinden, in das Rotor- Flügelrad gezogen und an Auslässen am Rand der Scheibe die Flüssigkeit ausgetragen. Diese Pumpe ist zwar nicht mit den oben beschriebenen Problemen behaftet, die aus einem hydraulischen Ungleichgewicht herrühren, doch ist die Pumpe dafür ausgelegt, nur bei niedrigen Drücken und großen Strömungsgeschwindigkeiten wirksam zu arbeiten. Da die Pumpe nicht mit Dichtungen versehen ist, leiden ihre Lager bei moderaten Drücken unter Undichtigkeiten nach hinten, was ihren Wirkungsgrad reduziert.

GB-582036 offenbart eine Zentrifugalpumpe, die auf einem Kurzschlußläuferinduktionsmotor basiert. Sie enthält zwei laminierte Halbstatorbaugruppen, die in einem Gehäuse angebracht sind, und eine Rotor-Flügelrad-Baugruppe mit einem hohlen länglichen Glied mit entgegengesetzten Einlässen und einem magnetischen Scheibenelement, das zur Drehung innerhalb des Gehäuses ausgelegt ist.

Die oben erörterten Pumpen sind ungeeignet, um bei niedrigem Leistungsverbrauch ein angemessenes Druck- Strömungs-Verhältnis zu liefern und/oder leiden unter Problemen hinsichtlich der Zuverlässigkeit.

KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Unter einem Gesichtspunkt stellt die Erfindung eine Zentrifugalpumpe bereit, die folgendes umfaßt:

(a) einen Stator, der aus einem Paar von Halbstatorbaugruppen besteht, wobei jede eine gleiche Anzahl von Polen aufweist, die aus mehreren, um eine zentrale Apertur herum angeordneten Spulen konstruiert sind, wobei die Baugruppen Stäbe aus magnetisch durchlässigem Material enthalten, die zwischen Teilen der Spulen eingesetzt sind,

(b) eine Rotor-Flügelrad-Baugruppe mit einem eine Drehachse bildenden hohlen Glied und einem daran angebrachten Permanentmagnet-Rotor-Flügelrad, wobei das Rotor-Flügelrad einen Radius von 5 mm bis 30 mm und mindestens zwei radiale Durchgänge, die zwischen dem Inneren des hohlen Glieds und dem Umfang des Rotor-Flügelrads eine Verbindung herstellen, aufweist,

(c) ein Gehäuse mit zwei entgegengesetzten Flüssigkeitseinlässen und einem Flüssigkeitsauslaß und einem Hohlraum zur Aufnahme des Stators und

(d) Lagermitteln zum drehbaren Aufnehmen der Rotor- Flügelrad-Baugruppe, so daß jeder der Flüssigkeitseinlässe sich in Strömungsverbindung mit einem jeweiligen Ende des hohlen Glieds befindet und der Flüssigkeitsauslaß sich neben dem Umfang des Rotor-Flügelrads befindet.

Unter einem anderen Gesichtspunkt stellt die Erfindung ein Solar-Haushaltsheißwassersystem bereit, das eine Pumpe enthält, wie sie oben angegeben ist.

Die vorliegende Erfindung umfaßt vorzugsweise eine Zentrifugalpumpe, die eine Wasserströmung mit moderatem Druck (von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Atmosphären) bei niedriger Strömungsgeschwindigkeit (von etwa 0,5 bis etwa 1,5 Liter Wasser pro Minute) auf relativ energiesparende Weise liefert. Die Pumpe der vorliegenden Erfindung eignet sich als solche besonders zum Umwälzen von Wasser durch eine Sammlerschleife in SDHW-Systemen. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen, daß die vorliegende Erfindung in anderen Anwendungen nützlich sein wird, bei denen eine relativ energiesparende Pumpe erforderlich ist, um eine Strömung mit niedriger Geschwindigkeit und moderatem Druck bereitzustellen.

Die Pumpe umfaßt in ihrer gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ein Rotor-Flügelrad mit einem physischen Radius von etwa 5,5 mm und einem Gewicht von etwa 2,7 Gramm. Das Rotor-Flügelrad wird durch eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Stromquelle angetrieben, die einem achtpoligen Stator Strom mit einer Frequenz von bis zu 3 kHz zuführt, und somit arbeitet der Motor mit einer Drehzahl von bis zu etwa 50.000 U/min. Eine Pumpe, die gemäß der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform konstruiert worden ist, erzeugt bei einer Eingangsleistung von etwa 13 Watt eine Strömungsgeschwindigkeit von 1,3 Litern pro Minute bei einem Druck von 0,9 Atmosphären. Es wird angestrebt, daß die oben genannte Ausgangsleistung mit nur etwa 10 Watt Eingangsleistung erzielt werden kann.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es wird nun, lediglich beispielhaft, anhand der beiliegenden Zeichnungen eine gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 eine auseinandergezogene Ansicht der Pumpe von Fig. 1;

Fig. 3 eine Schnittansicht der Pumpe entlang einer Linie 3-3 von Fig. 2;

Fig. 4 eine Schnittansicht der Pumpe entlang einer Linie 4-4 von Fig. 3;

Fig. 5 eine auseinandergezogene Ansicht einer Halbstatorbaugruppe mit Wicklungen, magnetischen Abschnittshaltern und einer ringförmigen magnetischen Scheibe;

Fig. 6 eine Vorderansicht der vollständig zusammengebauten Halbstatorbaugruppe von Fig. 8;

Fig. 7 eine Rückansicht der Halbstatorbaugruppe mit einer angebrachten Rückwand, die Anschlußpunkte für die Wicklungen liefert;

Fig. 8 eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht der Komponenten eines Rotor-Flügelrads mit einem Paar Lagern;

Fig. 9 einen Schnitt durch ein zusammengebautes Rotor- Flügelrad;

Fig. 10 eine Seitenansicht eines Teils eines Klemm- und Halteclips, der verwendet wird, um die beiden Hälften eines Pumpengehäuses zu sichern;

Fig. 11 eine Draufsicht auf einen Teil des vollständig zusammengebauten Klemm- und Halteclips;

Fig. 12 das Layout einer Leiterfolie, die dazu verwendet wird, elektrische Anschlüsse zu Halbstatorbaugruppen herzustellen;

Fig. 13 ein Blockschaltbild eines Solar-Haushaltsheißwassersystems, das die vorliegende Erfindung verwendet; und

Fig. 14 eine formende Walze und einen Spulenverdichter zur Verwendung mit einem Spulenkörper.

BESTE ART ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG

Eine Pumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1 und 2 allgemein bei 10 angegeben. In der folgenden Beschreibung werden Paare von Komponenten, die konstruktionsmäßig ähnlich sind, der Zweckmäßigkeit halber durch Zahlen ohne und mit Beistrichen identifiziert (d. h. - 9, 9').

Die Pumpe 10 besteht allgemein aus einem Paar Gehäusegliedern 14, 14', einer Rotor-Flügelrad-Baugruppe 40, einem Paar Halbstatorbaugruppen 104, 104' und einer Ringklammer 140. Die Gehäuseglieder 14, 14' sind im Querschnitt kreisförmig und vorzugsweise aus einem Polymermaterial geformt. Jedes Gehäuseglied 14, 14' ist mit einer Innenfläche 16, 16' versehen, die auf komplementäre Weise einander in Eingriff nehmen und im wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse durch die Mitte der Pumpe 10 verlaufen. In einer schrägen Ebene durch die Längsachse der Pumpe 10 ist ein Gegenrand 18, 18' geformt, wodurch sich ein Auslaß 20 vom Gehäuseglied 14' nach außen erstrecken kann, während er gleichzeitig den Eingriffspunkt der Innenflächen 16, 16' überspannt.

Wie in Fig. 2 und 3 gezeigt, ist in einer auf der Fläche 16 vorgesehenen Nut 36 ein O-Ring 32 angeordnet, der im wesentlichen verhindert, daß Flüssigkeit in Richtung der Ränder 18, 18' austritt. Jedes Gehäuseglied 14, 14' umfaßt weiterhin eine mit einem Einlaß 26, 26' versehene allgemein flache Außenwand 24, 24', die beide im wesentlichen koaxial zur Längsachse der Pumpe 10 sind. Die Einlässe 26, 26' sind mit einer konischen Apertur versehen, die sich von der Außenwand 24, 24' aus nach innen verjüngt und durch die eine Flüssigkeit in die Rotor-Flügelrad-Baugruppe 40 eingeleitet werden kann.

In dem Gehäuseglied 14 ist zur Aufnahme der Halbstatorbaugruppe 104 eine koaxial angeordnete Ausnehmung 44 vorgesehen. Analog dazu enthält das Gehäuseglied 14' ebenfalls eine koaxial angeordnete Ausnehmung 44', in der die zweite Halbstatorbaugruppe 104' aufgenommen wird. Bei Zusammenbau der Gehäuseglieder 14, 14' wird durch die zusammenpassenden Flächen 16, 16', wie in Fig. 4 gezeigt, eine Pumpenschnecke 48 gebildet. Die Pumpenschnecke 48 besteht aus einem allgemein spiralförmigen Flüssigkeitsdurchgang, der sich tangential in den Auslaß 20 erstreckt.

Es ist allgemein erwünscht, daß die Kombination aus den beiden Halbstatoren 104, 104' einen Stator ergibt, der sein Volumen wirksam nutzt (d. h. für das in Anspruch genommene Volumen eine große magnetomotorische Kraft (MMX) erzeugt) und gleichzeitig einen praktischen Aufbau des Stators gestattet. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform besteht der Stator aus einem achtpoligen Dreiphasen-Stator.

Wie oben angegeben, wird der Stator aus zwei Halbstatorbaugruppen 104, 104' geformt. Wie am besten in Fig. 5 zu sehen ist, umfaßt jede Halbstatorbaugruppe 104, 104' mehrere magnetische Abstandshalter, die bei der bevorzugten Ausführungsform in Form von Stäben 124 aus magnetisch durchlässigem Material vorliegen, eine Spulenstruktur 112, eine aus einem magnetisch durchlässigen Material geformte ringförmige Scheibe 132 und eine Rückwand 120 (in Fig. 2 und 6 gezeigt).

Wie am besten in Fig. 5 und 6 zu sehen ist, wird die Spulenstruktur 112 aus sechs Spulenwicklungen 108a, 108b, 108c, 108d, 108e und 108f gefertigt. Die Spulenwicklungen 108 beginnen als sechs parallele Drähte, die jeweils durch sechs Umläufe schraubenartig um eine nicht gezeigte, allgemein kreuzförmige Form gewickelt sind, die einem vierblättrigen Kleeblatt ähnelt. Die Bezeichner a bis f beziehen sich auf die Reihenfolge der Wicklung auf der Form von oben nach unten, wobei 'a' der oberste Draht und 'f' der unterste Draht ist, wobei 'b' der Draht unter 'a' und über 'c' ist usw. Die Spulenwicklungen 108 werden von der Form gezogen, so daß die kreuzförmigen Wicklungen zueinander orientiert werden können. Insbesondere wird die Spulenwicklung 108f bezüglich der Spulenwicklung 108e entgegen dem Uhrzeigersinn um 15 Grad gedreht. Die Spulenwicklungen 108c und 108d werden analog zueinander um 15 Grad gedreht und werden dann als Paar im Uhrzeigersinn bezüglich der Spulenwicklungen 108e und 108f um 120 Grad gedreht. Analog dazu werden die Spulenwicklungen 108a und 108b zueinander um 15 Grad gedreht und als Paar bezüglich der Spulenwicklungen 108c und 108d um 120 Grad gedreht, um die Spulenstruktur 112 zu vervollständigen.

Die resultierende Spulenstruktur 112 ist allgemein kreisförmig mit einer zentral liegenden Spulenapertur 116, und jede Spulenwicklung 108 endet in einem Paar freier Enden, die sich nach außen erstrecken. Die Spulenwicklungen 108 werden dann verdichtet, um die Höhe der Spulenstruktur 112 zu reduzieren.

Wie in Fig. 5 und 6 gezeigt, wird in jeder der Lücken, die zwischen durch die Wicklungen 108 gebildeten Spulenschleifen 128 liegen, ein Stab 124 aus magnetisch durchlässigem Material neben dem Außendurchmesser der Spulenstruktur 112 plaziert. Für die bevorzugte achtpolige Dreiphasen-Spulenstruktur 112 sind vierundzwanzig Stäbe 124 und sechs Wicklungen 108 erforderlich. Um den Magnetkreis der Halbstatorbaugruppen 104, 104 zu vervollständigen, wird ein Ende jedes der Stäbe 124 durch einen geeigneten maschinellen Bearbeitungsvorgang (wie beispielsweise Diamantschleifen) abgeflacht, und eine ringförmige Scheibe 132 aus magnetisch durchlässigem Material wird an das abgeflachte Ende der Stäbe 124 gebondet. Das der ringförmigen Scheibe 132 gegenüberliegende Ende jedes der Stäbe 124 ist mit einem Einsatz 136 versehen, der einen Teil der Ausnehmung 44 bildet und eine Hälfte der Rotor- Flügelrad-Baugruppe 40 aufnimmt. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Stäbe 124 und die ringförmige Scheibe 132 aus einer magnetokeramischen Zusammensetzung wie beispielsweise Ferrit gefertigt.

Um den Zusammenbau der Halbstatorbaugruppe 104 zu vervollständigen, werden die freien Enden jeder Spulenwicklung gebogen, so daß sie sich nach hinten erstrecken und eine Leiterfolie 148 neben der ringförmigen Scheibe 132 in Eingriff nehmen (in Fig. 12 gezeigt), wo die erforderlichen elektrischen Anschlüsse vervollständigt werden. Wie in Fig. 7 gezeigt, verbindet jedes Ende der Leiterfolie 148 die sechs Spulenwicklungen 108, um drei Phasen A, B und C jedes Halbstators 104, 104 zu bilden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Gehäuseglieder 14, 14' durch einen Spritzgußprozeß geformt, so daß jede Halbstatorbaugruppe 104, 104' während dem Gießprozeß in den Ausnehmungen 35, 35' eingebettet wird und sich die elektrischen Anschlüsse von den Rückwänden 120 durch die Gehäuseglieder 14, 14' erstrecken. Wenn beide Halbstatorbaugruppen 104, 104' richtig in den Gehäusegliedern 14, 14' befestigt sind, ist jede Spulenapertur 116, 116' koaxial auf die Längsachse der Pumpe 10 ausgerichtet und steht mit den Einlässen 26, 26' in Verbindung.

Wie in Fig. 8 und 9 gezeigt, besteht die Rotor- Flügelrad-Baugruppe 40 aus einem Paar von Hohlwellen 52 aus rostfreiem Stahl, die an einer Rotor-Flügelrad-Scheibe 56 fest angebracht sind. Die Rotor-Flügelrad-Scheibe 56 wird in zwei Hälften gefertigt, wobei jede Hälfte einen magnetisch durchlässigen Metallkern 60 in Form einer Scheibe, die mit einer zentral liegenden Apertur 62 versehen ist, enthält und jede Welle 52 an jedem Kern 60 befestigt ist, wobei die Apertur 62 auf das Innere der Welle 52 ausgerichtet ist.

Diejenige Fläche jedes Kerns 60, die derjenigen gegenüberliegt, an der die Welle 52 angebracht ist, ist so maschinell bearbeitet, daß sie vier spiralförmige Nuten 68 bildet, die sich von der Apertur 62 zu dem Umfang des Kerns 60 erstrecken. Die maschinell bearbeiteten Oberflächen jedes Kerns 60 sind an ihrem Umfangsrand zusammengeschweißt, wobei die spiralförmigen Nuten 68 in jeder Hälfte ausgerichtet sind, um vier spiralförmige Strömungskanäle 70 zu bilden, die sich von der zentralen Apertur 64 zu dem Umfang der Rotor-Flügelrad-Scheibe 56 erstrecken. Auf diese Weise steht die Hohlwelle 52 mit den spiralförmigen Strömungskanälen 70 in Verbindung, so daß in die Enden der Hohlwelle 52 eintretende Flüssigkeit über den Umfang der Rotor-Flügelrad-Scheibe 56 austritt.

Es wird in Betracht gezogen, daß, obwohl die spiralförmige Form der Strömungskanäle 70 die Reduzierung von Reibungsverlusten unterstützt, radiale Durchgänge ebenfalls verwendet werden könnten, wie für den Fachmann offensichtlich ist. Es wird ebenfalls in Betracht gezogen, daß gegebenenfalls mehr oder weniger als vier Strömungskanäle vorgesehen sein können.

Ein Paar maschinell bearbeiteter Kappen 64 aus Seltenerdmetallegierungsmaterial wird dann hinter der angeschweißten Scheibe 56 an den Umfangsrand gebondet. Die Kappen 64, die vor dem Zusammenbau magnetisiert wurden, liefern der Rotor-Flügelrad-Scheibe 56 die gewünschte magnetische Eigenschaft, die erforderlich ist, damit sie als Rotor funktioniert.

Bei der bevorzugten Ausführungsform ist die Seltenerdmetallegierung eine Neodym-Bor-Eisen-Legierung (Nd&sub3;BFe&sub1;&sub4;), das aus Kostengründen und wegen der Magnetstärke gewählt worden ist. Das Verfahren zum Bonden der Kappen 64 an die Scheibe 56 ist nicht besonders beschränkt, und bei der bevorzugten Ausführungsform ist ein flüssiges Harzbindemittel verwendet worden. Da der Eisengehalt der Legierung durch das ständige Untertauchen in der Arbeitsflüssigkeit beeinträchtigt werden kann, kann auf die Kappen 64 entweder vor oder nach ihrem Bonden an die Scheibe 56 eine Schutzbeschichtung (wie beispielsweise Vernickelung) aufgetragen werden.

Es wird in Betracht gezogen, daß je nach den Korrosionseigenschaften der Arbeitsflüssigkeit andere Materialien, zum Beispiel eine Samariumlegierung wie beispielsweise Samarium-Cobalt (SmCo&sub5; oder Sm&sub2;Co&sub1;&sub7;) vorteilhaft verwendet werden können, um die Rotor- Flügelrad-Scheibe 56 zu formen. Insbesondere wird in Betracht gezogen, daß eine Samarium-Cobalt-Legierung sowohl die erforderliche magnetische Eigenschaft für den Rotor als auch eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit liefern wird. Weiterhin können, wie der Fachmann versteht, derartige Materialien anstatt durch chemisches Bonden durch Sintern und Drücken in eine Scheibe eingearbeitet werden. Wie für den Fachmann offensichtlich ist, ist die sichere Fertigung und maschinelle Bearbeitung einer Samarium- Cobalt-Legierung jedoch schwieriger zu bewerkstelligen als die der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform.

Die gegenwärtig bevorzugte Ausführungsform ist zwar ein achtpoliger Motor, doch versteht der Fachmann, daß je nach Bedarf eine andere Anzahl von Polen verwendet werden kann, solange die Anzahl der Pole in dem Rotor der Anzahl in dem Stator entspricht.

Wie am besten in Fig. 9 zu sehen ist, ist die Rotor- Flügelrad-Baugruppe 40 um ihre Längs- und Seitenachse allgemein symmetrisch, was insofern von Vorteil ist, daß keine unausgeglichenen magnetischen oder hydraulischen Kräfte unter normalen Betriebsbedingungen erfahren werden. Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform weist die Rotor-Flügelrad-Scheibe 56 einen Außendurchmesser von etwa 11 mm auf, und die Masse der Rotor-Flügelrad-Baugruppe 40 liegt bei etwa 2,7 Gramm. Es wird in Betracht gezogen, daß andere Pumpen gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden können, bei denen die Rotor-Flügelrad-Radien bei entsprechenden Statorgrößen im Bereich ab unter etwa 2,5 mm liegen.

Der Zusammenbau der Pumpe 10 läuft nun so ab, daß ein Paar Lager 72 durch jede Spulenapertur 116, 116' eingesetzt wird. Jedes Lager 72 ist ein zylindrisches Lager von der Art eines Gleitlagers, das koaxial zu den Einlaßkanälen 26, 26' ausgerichtet ist und dessen Innendurchmesser so gewählt ist, daß er etwa 40 Mikrometer größer ist als der Außendurchmesser der Hohlwelle 52, um einen geeigneten Arbeitsabstand zu liefern. Die Lager 72 sind vorzugsweise aus einem Material wie beispielsweise Delrin® und dergleichen geformt. Nach dem Einsetzen der Lager 72 wird die Rotor-Flügelrad-Baugruppe 40 in die Gehäuseglieder 14, 14' so eingesetzt, daß jeweils ein Ende der Hohlwelle 52 in ein Lager 72 eintritt.

Es wird in Betracht gezogen, daß die Lager 72 sowohl als Lager für die Rotor-Flügelrad-Baugruppe 40 als auch als Labyrinthdichtungen vom Auslaß zum Einlaß dienen. Der Spielraum zwischen den Lagern 72 und der Hohlwelle 52 ist jedoch ausreichend groß gewählt, so daß das Hydraulikdruckdifferenzial über das Lager hinweg sicherstellt, daß eine verschwindend kleine Menge an leckender Flüssigkeit ein ausreichendes Fluten der Lager sicherstellt und gleichzeitig eine Undichtigkeit nach hinten durch die Pumpe 10 verhindert. Es wird in Betracht gezogen, daß es nur beim Anlaufen oder Abschalten der Pumpe 10 zu einem Abrieb der Lager 72 kommt, da die Lager zu allen anderen Zeiten im wesentlichen geflutet sein werden.

Wie am besten in Fig. 10 und 11 zu sehen ist, wird der Zusammenbau der Pumpe 10 vervollständigt, indem die Klammer 140 um die Gehäuseglieder 14, 14' plaziert wird, was die zusammenpassenden Flächen 16, 16' aneinander anstoßen läßt und den O-Ring 32 in dichtenden Eingriff bringt. Ein Halteclip 144 wird dann an der Klammer 140 gleitend angebracht, um die Klammer 140 zu spannen und den O-Ring 32 zu komprimieren und auf diese Weise die Pumpe 10 abzudichten.

Wenn die Pumpe 10 zusammengebaut ist, kann sich die Rotor- Flügelrad-Baugruppe 40 relativ zu den Halbstatorbaugruppen 104, 104' innerhalb des Gehäuses 14 frei drehen. Bezüglich der Halbstatorbaugruppen 104, 104' und der Gehäuseglieder 14, 14' liegen die Lager 72 derart, daß zwischen der Rotor- Flügelrad-Baugruppe 40 und den Halbstatorbaugruppen 104, 104' ein im wesentlichen konstanter Luftspalt und Abstand 76 aufrechterhalten wird. Wenn sich die Pumpe 10 im Gebrauch befindet, ist der Luftspalt und Abstand 76 mit der zu pumpenden Flüssigkeit gefüllt.

Wie ohne weiteres zu erkennen ist, tritt bei Betrieb Flüssigkeit über die Einlässe 26, 26' in beide Enden der Hohlwelle 52 ein und tritt durch spiralförmige Strömungskanäle 70 und durch den Auslaß 20 aus der Pumpe 10 aus. Aus diesem Grund sind, wie oben erwähnt, auf Flüssigkeitsbewegung zurückzuführende hydraulische und mechanische Kräfte auf das Rotor-Flügelrad 40 im wesentlichen ausgeglichen.

Bei der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform ist jede Halbstatorbaugruppe 104, 104' über eine in Fig. 12 gezeigte Leiterfolie 148 mit der anderen verbunden. Jedes Ende der Leiterplatte 148 ist an den Enden von Spulenwicklungen 108 für eine jeweilige der Halbstatorbaugruppen 104 angebracht, und elektrische Verbindungen von der nicht gezeigten Stromversorgung zu der Pumpe 10 werden über die Kontakte 152a, 152b und 152c hergestellt.

Die außerhalb der Pumpe 10 angebrachte Stromversorgung verwendet, um der Pumpe 10 eine pulsbreitenmodulierte (PWM) Spannung zuzuführen, eine an ein MOSFET-Stromansteuerelement angekoppelte CMOS-Steuerung. Derartige PWM- Stromversorgungen sind dem Fachmann wohlbekannt und werden hier nicht weiter erörtert.

Bei Prüfungen der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsform lieferte eine Pumpe 10 bei 28.000 U/min bei einem Leistungsverbrauch von etwa 13 W eine Strömung von 1,3 Litern pro Minute bei einem Druck von 0,9 Atmosphären. Bei 43.000 U/min und keiner Strömung produzierte die Pumpe IO einen Druck von 2, 2 Atmosphären und verbrauchte ebenfalls etwa 13 W an Leistung. Die Pumpe 10 kann mit einer Drehzahl von bis zu mindestens etwa 50.000 U/min arbeiten.

Wie oben erwähnt, ist eine in Betracht gezogene Verwendung für die Pumpe 10 der Einsatz in einem SDHW-System. Bei einer in Fig. 13 gezeigten Konfiguration umfaßt ein SDHW-System im allgemeinen ein herkömmliches Flüssigkeits- Solarpanel 200, einen externen Gegenfluß-Wärmetauscher 204 und einen Heißwasserspeichertank 208. Bei dieser Konfiguration wird Wärme aus einer Arbeitsflüssigkeit, die durch das Solarpanel 200 in einem geschlossenen Kreis umgewälzt wird, über den Wärmetauscher 204 in Haushaltsheißwasser übertragen. Die Pumpe 10 wird in einem zum Speichern der Arbeitsflüssigkeit verwendeten Behälter 212 eingetaucht, und der Auslaß 20 ist an den Einlaß 216 des Solarpanels 200 angeschlossen. Der Wärmetauscher 204 weist eine Primärseite auf, die zwischen dem Auslaß 220 des Solarpanels 200 und der Rückleitung zu dem Behälter angeschlossen ist. Die Sekundärseite des Wärmetauschers bildet einen Teil eines Thermosyphonkreises mit dem Heißwasserspeichertank 208 und wälzt Haushaltswasser um, das erwärmt werden soll. Die Pumpe 10 ist an eine Stromversorgungs- und Steuereinheit 224 angeschlossen, die ein Paar Temperatursonden 228, 232 enthält. Die Sonde 228 erfaßt die Flüssigkeitstemperatur am Auslaß 220; und die Sonde 232 erfaßt die Einlaßtemperatur des Haushaltswassers.

Bei Betrieb wälzt die Pumpe 10 die entweder Wasser oder ein Antifrostschutzgemisch umfassende Arbeitsflüssigkeit von dem Behälter durch das Solarpanel und in den Wärmetauscher um, wo Wärme in dem Thermosyphonkreis auf das Haushaltswasser übertragen wird. Bei Verlassen des Wärmetauschers kehrt die Primärflüssigkeit zu dem Behälter zurück. Die Pumpe 10 wird durch die oben beschriebene Steuerung und Temperatursonden gesteuert und wird als Reaktion auf die Temperaturen sowohl der Arbeitsflüssigkeit als auch des Haushaltswassers ein- und ausgeschaltet.

Es wird in Betracht gezogen, daß die Pumpe 10 wegen ihrer geringen Größe und geringen Leistungsverbrauchsanforderungen durch eine Anordnung photovoltaischer Zellen angetrieben werden kann. Die Stromversorgung erhält deshalb Gleichstromleistung von der Anordnung photovoltaischer Zellen, obwohl gegebenenfalls auch eine Reservestromquelle vorgesehen sein kann.

Eine alternative Vorrichtung zum Fertigen der Spulenwicklungen 108 kann ebenfalls verwendet werden. Wie in Fig. 4 gezeigt, werden sechs parallele Drähte für sechs Windungen um eine schraubenförmige, drei Flügel aufweisende Form 240 gewickelt, die vorzugsweise aus einem polierten, nicht haftenden Hartkunststoffmaterial geformt ist. Dies schafft sechs Spulenwicklungen 108a, 108b, 108c, 108d, 108e und 108f. Wie in der Figur gezeigt, ist die Form 240 eine Linksschraube, und die Drähte sind in Art einer Rechtsschraube darumgewickelt.

Eine formende Walze 244 ist vorzugsweise aus einem Kautschuk- oder Kunststoffmaterial geformt und nimmt die Form 240 auf komplementäre Weise in Eingriff, um die Wicklungen 108 in die Ausnehmungen zwischen den Flügeln zu drücken und zu führen, so daß die Wicklungen 108 zu der drei Flügel aufweisenden Form von Form 240 geformt werden.

Der Schraubenwinkel der Form 240 und der Abstand zwischen jeder der Spulenwicklungen 108a bis 108f ist derart gewählt, daß, wenn jede Spulenwicklung 108 um die Form 240 eine Windung von 360º durchführt, jede Spulenwicklung 108 vier Flügel kreuzt. Außerdem sind die Spulenwicklungen 108 in Längsrichtung entlang der Form 240 beabstandet, so daß die in jeder Spulenwicklung (z. B. 108a) geformten Flügel um 15º von demjenigen ihrer benachbarten Wicklungen (z. B. 108b und 108f) positioniert sind. Diese Drehung um 15º bildet die Lücken in den Spulenschleifen, in die die Abstandshalter 124 eingesetzt werden. Weiterhin ist jede nachfolgende Windung der Wicklung 108, während die Wicklungen 108 entlang der Form 240 voranschreiten, bezüglich ihrer vorhergehenden Windung um ein Magnetpolpaar bzw. 90º weitergedreht.

Wenn die Wicklung und das Formen beendet sind, wird neben einem Ende der Form 240 ein Spulenverdichter 248, der 24 Stifte mit einer Größe zur Ineingriffnahme der obenerwähnten Lücken umfaßt, angeordnet. Über die Wicklungen 108 wird ein geeignetes Werkzeug gesetzt, wie beispielsweise eine nicht gezeigte Greifermuffe aus Kautschuk, und mit ihr werden die Wicklungen 108 von der Form 240 und auf jeweilige Stifte des Spulenverdichters 248 gedrückt. Während die Wicklungen 108 entlang der Form 240 zu den Stiften des Spulenverdichters 248 gedrückt werden, dreht sich die Form 240 bezüglich des Spulenverdichters. Genauer gesagt wird nach dem Drücken eines Satzes von Wicklungswindungen zwischen die Stifte des Spulenverdichters 248 die Form 240 relativ zu dem Spulenverdichter 248 um 15º gedreht, und der nächste Satz von Wicklungswindungen 108 wird zwischen die Stifte des Spulenverdichters 248 gedrückt. Auf diese Weise sind benachbarte Sätze von Windungen jeweils um einen Stift (bzw. 15º) beabstandet angeordnet.

Nachdem sich alle Wicklungen auf dem Spulenverdichter 248 an Ort und Stelle befinden, werden sie entlang der Stifte des Spulenverdichters 248 verdichtet, um die axiale Länge der Spule zu reduzieren. Nach dem Verdichten wird ein geeigneter Kleber auf die Wicklungen aufgetragen, damit diese ihre Positionierung beibehalten, und die Stifte des Spulenverdichters 248 werden entfernt. In die Lücken, in denen die Stifte angeordnet waren, werden dann in dieser Figur nicht gezeigte Abstandshalterstäbe 124 eingesetzt, und der Stator wird wie oben vervollständigt.

Der Erfinder der vorliegenden Erfindung zieht in Betracht, daß sich die Wicklungsvorrichtung von Fig. 14 für automatische Herstellungsprozesse besonders eignet.


Anspruch[de]

1. Zentrifugalpumpe (10), die folgendes umfaßt:

(a) einen Stator, der aus einem Paar von Halbstatorbaugruppen (104, 104') besteht, wobei jede eine gleiche Anzahl von Polen aufweist, die aus mehreren, um eine zentrale Apertur herum angeordneten Spulen (108) konstruiert sind, wobei die Baugruppen Stäbe (124) aus magnetisch durchlässigem Material enthalten, die zwischen Teilen der Spulen eingesetzt sind,

(b) eine Rotor-Flügelrad-Baugruppe (40) mit einem eine Drehachse bildenden hohlen Glied (52) und einem daran angebrachten Permanentmagnet-Rotor-Flügelrad (60), wobei das Rotor-Flügelrad einen Radius von 5 mm bis 30 mm und mindestens zwei radiale Durchgänge (68), die zwischen dem Inneren des hohlen Glieds und dem Umfang des Rotor-Flügelrads eine Verbindung herstellen, aufweist,

(c) ein Gehäuse (14, 14') mit zwei entgegengesetzten Flüssigkeitseinlässen (26, 26') und einem Flüssigkeitsauslaß (20) und einem Hohlraum zur Aufnahme des Stators und

(d) Lagermitteln (72) zum drehbaren Aufnehmen der Rotor-Flügelrad-Baugruppe, so daß jeder der Flüssigkeitseinlässe sich in Strömungsverbindung mit einem jeweiligen Ende des hohlen Glieds befindet und der Flüssigkeitsauslaß sich neben dem Umfang des Rotor-Flügelrads befindet.

2. Pumpe nach Anspruch 1, bei der das Gehäuse in zwei Teilen (14, 14') geformt ist, wobei jeder Teil um eine der Halbstatorbaugruppen (104, 104') geformt wird.

3. Pumpe nach Anspruch 1, bei der das Permanentmagnet- Rotor-Flügelrad (60) aus einer Nd&sub3;BFe&sub1;&sub4;-, einer SmCo&sub5;- oder einer Sm&sub2;Co&sub1;&sub6;-Legierung besteht.

4. Pumpe nach Anspruch 1, bei der das Rotor-Flügelrad eine Scheibe (56) umfaßt, die einen Metallkern (60) und aus einem Permanentmagnetmaterial geformte und an den Kern gebondete Kappen (64) enthält.

5. Pumpe nach Anspruch 6, bei der die Flüssigkeitsdurchgänge (68) spiralförmig verlaufen.

6. Solar-Haushaltsheißwassersystem, das folgendes umfaßt:

(a) eine Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

(b) ein Solarenergiesammelpanel (200) zum Erwärmen von Flüssigkeiten, das einen Flüssigkeitseinlaß (216) und einen Flüssigkeitsauslaß (220) enthält,

(c) einen Primärflüssigkeitsbehälter (212),

(d) einen Flüssigkeits-Flüssigkeits-Wärmetauscher (204) mit einem Primärkreis und einem Sekundärkreis, wobei der Primärkreis zwischen dem Auslaß des Solarenergiesammelpanels und dem Primärflüssigkeitsbehälter angeschlossen ist,

(e) einen Haushaltswasserbehälter (208), der über den Sekundärkreis des Wärmetauschers angeschlossen ist, um einen Thermosyphon zu bilden, und

(f) eine Einheit (224) zum Steuern der Stromzufuhr zu der Pumpe als Reaktion auf die Temperatur der Primärflüssigkeit am Auslaß des Solarenergiesammelpanels und der Temperatur des in den Sekundärkreis eintretenden Haushaltswassers.







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