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Dokumentenidentifikation DE10337804A1 24.03.2005
Titel Vorrichtung zur Föderung eines Fluids mit einem oszillierenden Förderelement
Anmelder WILO AG, 44263 Dortmund, DE
Erfinder Franzke, Günter, 06862 Hundeluft, DE
Vertreter COHAUSZ DAWIDOWICZ HANNIG & PARTNER, 40237 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 14.08.2003
DE-Aktenzeichen 10337804
Offenlegungstag 24.03.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.03.2005
IPC-Hauptklasse F04D 33/00
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förderung eines Fluids mit einem Förderraum (2), der wenigstens eine Zustromöffnung (3a), eine Abstromöffnung (3b) und ein Förderelement (4) aufweist, wobei das Förderelement (4) eine Förderfläche mit einem in Förderrichtung (6) bewegungsfreien Ende (4a) aufweist, mit dem eine ozillierende Hin- und Herbewegung ausführbar ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Förderung eines Fluids mit einem Förderraum, der wenigstens eine Zustromöffnung, eine Abstromöffnung und ein Förderelement aufweist.

Derartige Vorrichtungen sind allgemein als Pumpen zur Förderung beliebiger Fluide bekannt, wobei oftmals, beispielsweise in der Heizungstechnik, eine Kreiselpumpe zur Förderung von Wasser eingesetzt wird, bei der das Förderelement als rotierendes Laufrad ausgebildet ist.

Derartige gattungsgemäße Pumpen wie beispielsweise auch Kreiselpumpen haben jedoch erhebliche Nachteile, gerade wenn eine definierte Durchströmung eines hydraulischen Verbrauchers mit niedrigen Widerstand und bei geringsten Förderströmen gewünscht ist, da bei diesen Anforderungen die verwendeten Pumpen nur kleinste Wellenleistungen und Drehmomente aufweisen und somit beispielsweise nach einem Stillstand einer solchen Pumpe sich Probleme mit einem sicheren Neuanlaufen einstellen können. Auch ist ein lautloser Betrieb derartiger gattungsgemäßer Pumpen über längere Zeit in herkömmlicher Bauart nicht möglich.

In der Heizungstechnik ist es zwischenzeitig bekannt, an Heizkörpern beispielsweise eine übliche Thermostatregelung dadurch zu ersetzen, dass das bekannte Thermotatventil in Entfall kommt und direkt am Heizkörper stattdessen eine Pumpe eangeordnet wird, die in Verbindung mit einer Raumthermostatisierung beispielsweise von einem elektronischen Raumregler oder durch andere Art und Weise geregelt wird, so dass bei einer Heizanforderung der Heizkörper durch die jeweils unmittelbar an ihm angeordnete Pumpe mit Heißwasser beaufschlagt wird.

Hierbei kann beispielsweise die eingesetzte Pumpe das Heizwasser einem differenzdrucklosen System (hydraulische Weiche) entnehmen. Da der für die Funktion des bislang eingesetzten Thermostatventils notwendige Differenzdruckanteil entfällt muss diese Pumpe lediglich den hydraulischen Widerstand des Heizkörpers überwinden, der bei derartigen Anforderungen sehr klein ist.

Um insbesondere bei dieser genannten Anwendung oder auch anderen beliebigen Anwendungen die oben genannten Nachteile herkömmlicher Pumpen zu überwinden, ist es Aufgabe der Erfindung eine Vorrichtung zur Förderung eines Fluids bereit zu stellen, die den Transport eines Fluids wie z.B. Wasser ohne ein rotierendes Laufrad ermöglicht, einen lautlosen Betrieb gewährleistet, ausfallsicher, robust und überlastsicher ist und darüber hinaus einen sicheren Anlauf nach einem Stillstand sicherstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Förderelement eine Förderfläche mit einem in Förderrichtung bewegungsfreien Ende aufweist, mit dem eine oszillierende Hin- und Herbewegung ausführbar ist.

Wesentliches Merkmal der Erfindung ist es somit, dass die Erzeugung des Transportes eines Fluids wie beispielsweise Wasser durch einen oszillierenden Körper erfolgt, der im einfachsten Fall einer Förderfläche entspricht, die oszilliert und hierbei einen Wassertransport in Richtung der gewünschten Förderrichtung hervorruft, wofür sich bei der Oszillation bzw. Hin- und Herbewegung der Förderfläche eine Kraftkomponente auf ein hinter/unter der Förderfläche liegendes Fluidvolumen jeweils in der gewünschten Förderrichtung einstellt, so dass dieses Fluidvolumen durch die Bewegung verschoben wird.

Bevorzugt kann eine Förderung des Fluids dadurch erreicht werden, dass das in Förderrichtung bewegungsfreie Ende der Förderfläche einen Hub im wesentlichen senkrecht zur Förderrichtung durchführt, d.h. dass dieser Hub zumindest eine wesentliche Bewegungskomponente senkrecht zu dieser Förderrichtung aufweist. Beispielsweise kann die Förderfläche um eine Drehachse oszillierend angetrieben sein, insbesondere wobei die Ebene der Förderfläche in radialer Richtung angeordnet ist, so dass das von der Drehachse weiter entfernte Ende der Forderfläche einen größeren Hub ausführt, als das näher an der Drehachse angeordnete Ende. Hierbei kann die Bewegung der Förderfläche so orientiert sein, dass sich bei der Bewegung immer eine auf das Fluid wirkende Kraftkomponente in Förderrichtung ergibt.

Ein erfindungsgemäß oszillierendes Förderelement kann in seiner Ausführung sowohl als starre Förderfläche als auch in einer besonders bevorzugten Ausführung als ein elastischer sich in Förderrichtung erstreckender Körper ausgebildet sein, wobei wenigstens dessen in Strömungsrichtung liegendes Ende die Förderfläche bildet. Hierbei ist in einer bevorzugten Ausführung der elastische Körper zumindest teilweise, insbesondere am Endbereich flossenförmig ausgebildet.

Dieser besonderen Ausführungsform liegt im wesentlichen die Schwimmbewegung eines Fisches in einem ruhigen aber auch im entgegenströmenden Wasser zugrunde, die dadurch entsteht, dass der Fisch seine Körperachse verwindet und hieraus ein oszillierendes Schlagen der Schwanzflosse entsteht. Diese bewirkt eine Wasserverwirbelung im an sich trägen Wasser, wodurch sich die Vortriebskraft des Fisches ergibt.

Die erfindungsgemäß bevorzugte Ausführung beruht im wesentlichen auf einer Umkehrung des genannten Prinzips, wobei im vorliegenden Fall das oszillierende Förderelement aus einem elastischen Körper z.B. in fischähnlicher Form ausgeführt ist und im Förderraum fixiert angeordnet ist. Führt nun dieser elastische Körper eine oszillierende Bewegung durch, die sich insbesondere in das in Strömungsrichtung liegende Ende des Körpers quasi wellenförmig fortpflanzt und so die zumindest am Körperende ausgebildete Förderfläche in eine Oszillationsbewegung antreibt, so wird das Fluid im Förderraum in die gewünschte Fließrichtung in Bewegung versetzt.

Bevorzugt wird der elastische Körper derart ausgebildet, das er einen Anfangsbereich aufweist, der im Förderraum ortsfest angeordnet ist und dass er um eine in Förderrichtung hinter dem Anfangsbereich angeordnete Drehachse/Torsionsachse oszillierend drehbar/tordierbar ist, um im elastischen Körper eine in Förderrichtung wandernde Welle derart auszubilden, dass mit einem hinteren bewegungsfreien Ende des elastischen Körpers eine oszillierende Hin- und Herbewegung ausführbar ist.

Um bei dem Bild des Fisches zu bleiben kann hier der oszillierende Körper in fischähnlicher Form ausgebildet sein, wobei dieser an einem Fixpunkt, der hier dem Fischkopf entspricht ortsfest im Strömungskanal angeordnet wird und um den Drehpunkt herum, der beim Fischkörper etwa dem Brusttlossenbereich entspräche oszillierend verwindungsfähig ist.

Für eine optimale Förderung eines Fluids in der gewünschten Förderrichtung kann es hierbei bevorzugt vorgesehen sein, dass der elastische Körper in Förderrichtung einen Querschnitt aufweist, der sich von der Drehachse bis zum hinteren Bereich verjüngt, insbesondere derart, dass der Querschnitt etwa fischförmig ist.

Hierbei kann der Körper beispielsweise aus einem alterungsbeständigen und hochflexiblen Kunststoff, bevorzugt mit einer Textileinlage bestehen, um auch in unterschiedlichen Temperatur- und Druckbereichen wie beispielsweise in Heizwasser eingesetzt werden zu können. Bei der oszillierenden Hin- und Herbewegung des elastischen z.B. etwa fischförmigen Körpers ergibt sich über das elastische Körpermaterial hinweg zusätzlich eine wandernde Welle, die das umliegende Wasser mitträgt und hierdurch die Förderung unterstützt.

Bei der konkreten Ausgestaltung einer Fördervorrichtung kann der Förderraum einen Strömungskanal ausbilden, der um den elastischen Körper hin erweitert ist und sich insbesondere in Strömungsrichtung verjüngt, so dass der elastische Körper und der Förderraum einander im wesentlichen angepasste Querschnitte aufweisen. Hierdurch ergeben sich im Gesamtsystem ausgesprochen gute hydrodynamische Eigenschaften, die ein lautloses Strömen des Fluids ermöglichen.

Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass die oszillierende Drehachse/Torsionsachse von einem elektromagnetischen Schwingersystem angetrieben ist. Zum Antrieb kann es vorgesehen sein, dass senkrecht zur Drehachse ein sich wenigstens einseitig, bevorzugt zweiseitig der Drehachse erstreckender magnetischer Anker angeordnet ist, wobei das jeweilige Ende des Ankers über einem Doppelspulensystem angeordnet ist. So können in einer bevorzugten Ausführung die beiden Spulen eines Doppelspulensystems in einem Takt derart elektrisch umsteuerbar sein, dass das Ankerende eine oszillierende Hin- und Herbewegung ausführt, die sich auf die Drehachse/Torsionsachse und somit auf den elastischen Körper überträgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den nachfolgenden Figuren dargestellt. Es zeigen:

1: eine Vorrichtung zur Förderung eines Fluids, wobei das Förderelement als Förderfläche ausgebildet ist, welches eine oszillierende Hin- und Herbewegung ausführt;

2: eine Vorrichtung, bei der das Förderelement als ein elastischer sich etwa fischförmiger erstreckender Körper ausgebildet ist, dessen in Strömungsrichtung liegendes Ende die Förderfläche bildet;

3: einen Antriebsmechanismus zum Antrieb des elastischen Körpers gemäß 2.

Die 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zur Förderung eines Fluids umfassend einen Förderraum 2, mit einer Zustromöffnung 3a und einer Abstromöffnung 3b, wobei der Förderraum 2 ein Förderelement aufweist, welches eine Förderfläche 4 umfasst mit einem in Förderrichtung bewegungsfreien Ende 4a, mit dem eine oszillierende Hin- und Herbewegung, hier mit Bezug auf den oberen Teil der 1 als Auf- und Abbewegung durchführbar ist.

Die oszillierende Bewegung erfolgt um eine Achse 5, die z.B. hin- und herdreht oder tordiert, was beispielsweise durch eine jeweils teilweise Drehung oder eine Torsionsbewegung realisierbar ist. Über Abstandselemente 6 ist in dieser Ausführung die Förderfläche 4 mit der Drehachse 5 verbunden, so dass durch einen entsprechenden Antrieb das Auf- und Abschwingen der Förderfläche 4 initiiert werden kann.

Mit Bezug auf den oberen Teil der 1 und hier die untere gestrichelte Darstellung ist ersichtlich, dass bei einer Aufbewegung der Förderfläche 4 sich ein Kräfteparallelogramm ergibt, welches auch eine resultierende Kraftrichtung in die Förderrichtung des Pfeiles 6 ergibt. Aus diesem Grunde wird mit diesem höchst einfachen Mechanismus eine geringste Fördermenge in der gewünschten Richtung 6 erreicht.

In der Ausführung gemäß 1 können die Förderfläche 4 sowie auch die Verbindungselemente 6 aus einem starren sowie auch aus einem elastischen Material hergestellt sein. Insbesondere bei der Ausbildung aus einem elastischen Material ergibt sich durch die elastische Verbiegung der Förderfläche 4 aufgrund der Trägheit des umliegenden Wassers eine größere Kraftkomponente in Richtung der Förderrichtung 6.

Die 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung, bei der das Förderelement als ein elastischer sich in Förderrichtung erstreckender Körper 7 ausgebildet ist, dessen in Strömungsrichtung liegender Teil die Förderfläche 4 und dessen Ende das schwingende bewegungsfreie Ende 4a der Fläche 4 bildet. Hierbei kann der elastische Körper 7 zumindest teilweise insbesondere an dem in Strömungsrichtung liegenden Ende 4a flossenförmig ausgebildet sein, wie es beispielsweise von Fischen her bekannt ist.

Der elastische Körper 7 weist hier einen Anfangsbereich 7a auf, der im Förderraum ortsfest angeordnet ist, wobei dann der Körper um eine in Förderrichtung hinter dem Anfangsbereich 7a angeordnete Achse 5 oszillierend drehbar oder tordierbar ist, um so in dem elastischen Körper 7, insbesondere in dessen hinterem Bereich 4 eine in Förderrichtung wandernde Welle derart auszubilden, dass mit einem bewegungsfreien Bereich 4a am Ende des elastischen Körpers 7 die oszillierende Hin- und Herbewegung ausführbar ist, die dem Schlagen der Schwanzflosse eines Fisches ähnelt.

Dieser elastische etwa fischförmig ausgebildete Körper 7 wird durch den Antrieb im wesentlichen die Schwimmbewegung eines Fisches vollziehen, wobei jedoch aufgrund der ortsfesten Fixierung des Anfangsbereiches 7a des elastischen Körpers 7 sich nicht dieser Körper 7 im Fluid fortbewegt, sondern vielmehr das Fluid um den Körper 7 herum in Strömungsrichtung 6 gefördert wird.

Die untere Darstellung der 2 zeigt eine Gesamtübersicht einer beispielhaften Konstruktion einer erfindungsgemäßen Fördervorrichtung, wobei sowohl der elastische Körper 7 als auch der Förderraum der hier einen Strömungskanal ausbildet in ihrem jeweiligen Querschnitt etwa einander angepasst sind um besonders gute hydrodynamische Eigenschaften zu erreichen.

Im unteren Teil der 2 ist darüber hinaus dargestellt, dass die Achse 5 etwa um den Winkelbereich &agr; gedreht oder tordiert wird und so wie es in der gestrichelten Darstellung angedeutet ist der oszillierende Körper innerhalb des Strömungsraumes 2 hin- und herschwingt und das Fluid durch die sich einstellende wandernde Welle im hinteren Teil 4 und das Schlagen des Endes 4a der Förderfläche 4 mitträgt.

Die 3 zeigt in ihren oberen und unteren Bereichen im wesentlichen den Antrieb, wie er beispielsweise für einen derartigen elastischen Körper 7 vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann hier senkrecht zur Achse 5 ein hier bevorzugt zweiseitig sich zur Achse erstreckender magnetischer Anker 8 angeordnet sein, wobei das jeweilige Ende 9 des Ankers 8 über einem Doppelspulensystem 10 angeordnet ist. Die beiden Spulen 10a und 10b bzw. 10c und 10d des jeweiligen Doppelspulensystems können in einem Takt derart elektrisch umgesteuert werden, dass die Ankerenden 9 eine oszillierende Hin- und Herbewegung ausführen, wobei diese Hin- und Herbewegung über die Achse 5, an der der elastische Körper 7 befestigt ist, auf diesen übertragen wird und so zur schwingenden Bewegung des elastischen Körpers führt.

Hierbei kann es zum einen vorgesehen sein, dass die Drehachse 5 im Förderraum mittels Lager angeordnet ist, um eine freie Drehung der Achse zu ermöglichen, andererseits kann es ebenso vorgesehen sein, dass die Achse 5 selbst aus einem elastischen Material besteht und über Drehpunkte im Förderraum befestigt ist, die ihrerseits auf Torsion beansprucht werden.

In der 3 unten zeigt es sich, dass ein magnetischer Anker 8 beispielsweise einen Ferritflachkern umfassen kann und fest mit dem oszillierenden Körper 7 verbunden ist. Das Doppelspulensystem 10 wird entsprechend einer Taktfrequenz umgesteuert, wofür abwechselnd die Spulen 10a und 10c sowie 10b und 10d angesteuert werden. Der Boden auf dem die Spulen montiert sind kann bevorzugt eine Ferritgrundplatte umfassen, so dass der magnetische Fluss dementsprechend abwechselnd durch die Spule 10a – Boden – 10c – magnetischer Anker und dann Spule 10b – Boden – Spule 10d – magnetischer Anker geht.

Somit führt der Anker 8 dementsprechend um die Achse 5 die Schwingbewegung aus. Hier kann es bevorzugt vorgesehen sein, dass die dargestellten Spulen 10 gekapselt, beispielsweise vergossen, ausgeführt sind, um den Einsatz in einem nassen Medium wie z.B. Wasser, zu ermöglichen. Die hier wirkenden Kräfte im Schwingsystem bewirken die Bewegung des etwa fischförmig ausgebildeten elastischen Körpers, wobei durch die Eigenelastizität dieser Körper bei keiner Ansteuerung des Schwingsystems in die gerade Nullstellung zurückgeht, sondern jeweils wellenförmig derart ausgebildet ist, dass sich über den elastischen Körper 7 eine wandernde Welle ausbildet, die aufgrund der sich dadurch einstellenden Hin- und Herbewegung des das Förderelement bildenden Endbereiches die Förderung des Fluids in die gewünschte Richtung bewirkt.

Mit einer darartigen Fördervorrichtung z.B. als Pumpe für Wasser können kleinste Fördermengen realisiert werden, wobei nach einem Stllstand ein sicheres Anlaufen der Vorrichtung gewährleistet ist.


Anspruch[de]
  1. Vorrichtung zur Förderung eines Fluids mit einem Förderraum (2), der wenigstens eine Zustromöffnung (3a), eine Abstromöffnung (3b) und ein Förderelement (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (4) eine Förderfläche mit einem in Förderrichtung (6) bewegungsfreien Ende (4a) aufweist, mit dem eine ozillierende Hin- und Herbewegung ausführbar ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das in Förderrichtung (6) bewegungsfreie Ende (4a) der Förderfläche (4) einen Hub senkrecht zur Förderrichtung (6) durchführt, insbesondere dadurch, dass die Förderfläche (4) um eine Achse (5) oszillierend antreibbar ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Förderelement (4) als elastischer sich in Förderrichtung (6) erstreckender Körper (7) ausgebildet ist, dessen in Förderrichtung (6) liegendes Ende die Förderfläche (4) bildet.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Körper (7) zumindest teilweise flossenförmig ausgebildet ist.
  5. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Körper (7) einen Anfangsbereich (7a) aufweist, der im Förderraum (2) ortsfest angeordnet ist und um eine in Förderrichtung hinter dem Anfangsbereich angeordnete Achse (5) oszillierend drehbar/tordierbar ist, um im elastischen Körper (7) eine in Förderrichtung (6) wandernde Welle derart auszubilden, dass mit einem hinteren bewegungsfreien Bereich (4a) des elastischen Körpers (7) eine oszillierende Hin- und Herbewegung ausführbar ist.
  6. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der elastische Körper (7) in Förderrichtung (6} einen Querschnitt aufweist, der sich von der Achse (5) bis zum hinteren Bereich (4) verjüngt, insbesondere derart, dass der Querschnitt fischförmig ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Förderraum (2) einen Strömungskanal ausbildet, der um den eleastischen Körper (7) bauchig erweitert ist, und sich insbesondere in Förderrichtungrichtung (6) verjüngt, so dass der elastische Körper (7) und der Förderraum (2) im wesentlichen aneinander angepasste Querschnitte aufweisen.
  8. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Achse (5) von einem elektromagnetischen Schwingersystem oszillierend angetrieben ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass senkrecht zur Achse (5) ein sich wenigstens einseitig, bevorzugt zweiseitig der Achse (5) erstreckender magnetischer Anker (8) angeordnet ist, wobei das jeweilige Ende (9) eines Ankers über je einem Doppelspulensystem (10) angeordnet ist.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (10a, 10b bzw. 10c, 10d) eines Doppelspulensystems (10) in einem Takt derart elektrisch umsteuerbar sind, dass das Ankerende (9) eine ozillierende Hin- und Herbewegung ausführt.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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