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Dokumentenidentifikation DE102006021971A1 12.04.2007
Titel Flügelzellenpumpe
Anmelder Joma-Hydromechanic GmbH, 72411 Bodelshausen, DE
Erfinder Schneider, Willi, Dipl.-Ing., 72411 Bodelshausen, DE
Vertreter Dreiss, Fuhlendorf, Steimle & Becker, 70188 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 03.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006021971
Offenlegungstag 12.04.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 12.04.2007
IPC-Hauptklasse F04C 2/32(2006.01)A, F, I, 20060503, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Innenrotor und einer Vielzahl von Flügeln, die in im Wesentlichen radialen Schlitzen im Innenrotor radial verschieblich gelagert sind und an der Innenumfangsfläche eines Stators direkt oder indirekt entlanggleitet, wobei die Achse des Stators und die Achse des Innenrotors einen Versatz zueinander aufweisen und der Stator bezüglich des Innenrotors in radialer Richtung verstellbar und dadurch der Versatz veränderbar ist und der Stator ein im Gehäuse der Flügelzellenpumpe angeordnetes Schwenklager aufweist, wobei vom Stator wenigstens ein Kolbenabschnitt abragt, dessen Kolbenachse in Umfangsrichtung zum Schwenklager verläuft.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Innenrotor und einer Vielzahl von Flügeln, die in im Wesentlichen radialen Schlitzen im Innenrotor radial verschieblich gelagert sind und an der Innenumfangsfläche eines Stators direkt oder indirekt entlang gleitet, wobei die Achse des Stators und die Achse des Innenrotors einen Versatz zueinander aufweisen und der Stator bezüglich des Innenrotors in radialer Richtung verstellbar und dadurch der Versatz veränderbar ist, und der Stator ein im Gehäuse der Flügelzellenpumpe angeordnetes Schwenklager aufweist.

Aus der DE 100 40 711 A1 ist eine Flügelzellenpumpe mit einem ringförmigen Innenrotor bekannt, in dem eine Mehrzahl von sich radial nach außen erstreckenden Flügelelementen radial verschieblich aufgenommen sind. Die radial inneren Endbereiche der Flügelelemente stützen sich an einem drehfesten Zentralteil ab, die radial außen liegenden Endbereiche an einem drehfesten Außenring. Der Rotor kann um eine Drehachse gedreht werden, die gegenüber der Mittelachse des Zentralteils und des Außenrings versetzt ist. Auf diese Weise bilden sich bei einer Drehbewegung des Rotors zwischen den Flügelelementen zunächst größer und dann wieder kleiner werdende Förderzellen. Durch die Volumenänderung der Förderzellen wird zunächst Fluid in die Förderzellen angesaugt und dann wieder ausgestoßen. Die Endbereiche der Flügelelemente gleiten auf dem Zentralteil bzw. dem Außenring. Eine solche Flügelzellenpumpe kann einfach und preiswert hergestellt werden.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades ist aus der DE 195 32 703 C1 eine Flügelzellenmaschine in Form einer Pendelschieberpumpe bekannt. Bei dieser sind die Flügelelemente in einem Innenrotor verschieblich aufgenommen, wohingegen sie in einem ringförmigen Außenrotor schwenkbar gehalten sind. Die Drehachse des Innenrotors ist gegenüber der Drehachse des Außenrotors versetzt, wodurch im Betrieb ebenfalls sich zunächst vergrößernde und dann wieder verkleinernde Förderzellen gebildet werden. Die aus der DE 195 32 703 C1 bekannte Pendelschieberpumpe ist jedoch komplex und somit teuer in der Herstellung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flügelzellenmaschine zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad aufweist und gleichzeitig einfach und preiswert hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Flügelzellenmaschine gelöst, bei der vom Stator wenigstens ein Kolbenabschnitt abragt, dessen Kolbenachse in Umfangsrichtung zum Schwenklager verläuft.

Bei der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe ist ein Kolben oder Kolbenabschnitt vorgesehen, der zur Verstellung des Stators dient und der vom Stator abragt und dessen Kolbenachse in Umfangsrichtung zum Schwenklager verläuft. Die Kolbenbewegung läuft demnach abschnittsweise in einem Umkreis um das Schwenklager. Der Kolbenabschnitt weist eine definierte Kolbenfläche auf, die ebenfalls in Umfangsrichtung um das Schwenklager umläuft, was den Vorteil besitzt, dass die Stellkräfte auf den Stator proportional zu den auf die Kolbenfläche wirkenden Druckkräften sind. Hierdurch können exakte Einstellungen des Stators und somit des zu fördernden Volumens der Flügelzellenpumpe vorgenommen werden, die proportional zum auf den Kolbenabschnitt wirkenden Druck sind. Dadurch wird eine feinfühlige Verstellung möglich.

Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kolbenabschnitt und der Stator einteilig ausgebildet sind. Insbesondere bestehen der Kolbenabschnitt und der Stator aus Kunststoff oder Aluminium. Hierdurch wird eine preiswerte Herstellung der Flügelzellenpumpe ermöglicht, und die Montage wird vereinfacht. Außerdem können am Kolbenabschnitt sowohl Druck- als auch Saugkräfte angreifen.

Bei einer Variante liegt der Kolbenabschnitt lose am Stator an. Diese Variante besitzt den Vorteil, dass der Kolbenabschnitt und der Stator aus unterschiedlichen Materialien bestehen können und dass sie einfach montierbar sind.

Bei einer anderen Variante ist der Kolbenabschnitt am Stator befestigt, insbesondere angeschraubt. Auch bei dieser Variante können der Stator und der Kolbenabschnitt aus unterschiedlichen Materialien bestehen und es können Druck- und Saugkräfte übertragen werden.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Stator mit zwei Kolbenabschnitten bestückt ist. Auf diese Weise kann der Stator, insbesondere dann, wenn die beiden Kolbenabschnitte bezüglich der Achse des Stators einander gegenüber liegen, in Richtung der Maximalförderung und in Richtung der Minimalförderung verstellt werden, wofür Steuerdrücke an den Kolbenabschnitten angreifen.

Hierdurch wird eine sehr feinfühlige Einstellung bzw. Positionierung des Stators erzielt, was bei Kennfeldregelungen erforderlich ist. Insbesondere dann, wenn die beiden Kolbenabschnitte gegensinnig wirkend am Stator angeordnet sind, können schon kleinste Druckänderungen bei der Positionierung des Stators berücksichtigt werden. Insbesondere muss nicht gegen eine Federkonstante gearbeitet werden, was den Nachteil hat, dass gegen eine sich ändernde Kraft einer Feder, d.h. gegen eine Federkonstante, gearbeitet werden muss. Es können direkt die anfallenden Drücke zum Verlagern des Stators und zwar in beide Richtungen, verwendet werden.

Mit Vorzug ist der Querschnitt des Kolbens rechteckförmig ausgebildet. Diese Ausgestaltung bietet den Vorteil, dass sowohl die Herstellung des Kolbens als auch die Herstellung des den Kolbenabschnitt aufnehmenden Raumes im Gehäuse relativ einfach erfolgen kann, indem der den Stator aufnehmende Abschnitt des Gehäuses plattenförmig ist, und der Abschnitt lediglich mit einem den Kolbenabschnitt aufnehmenden Durchbruch versehen werden muss, wobei die seitliche Abdichtung über weitere Platten (Stirnplatten) erfolgt.

Eine optimale Führung des Kolbens und somit des Stators im Gehäuse wird dadurch erzielt, dass im Gehäuse der Flügelzellenpumpe ein den Kolbenabschnitt aufnehmender Zylinder vorgesehen ist. Dieser Zylinder hat nicht nur die Aufgabe, den Kolbenraum für den Kolbenabschnitt zu bilden, sondern auch die Aufgabe, den Stator zu führen und abzustützen, so dass das Schwenklager lediglich die Aufgabe besitzt, die in Umfangsrichtung zum Schwenklager auftretenden Kräfte aufzunehmen, jedoch keine in radialer Richtung anfallenden Zug- und Druckkräfte.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Zylinder den Kolbenabschnitt zumindest über einen Teil seiner Länge an der radial inneren und äußeren Lauffläche abstützt. Hierdurch wird ein definierter Kolbenraum geschaffen, der auf eine definierte Kolbenfläche wirkt. Außerdem dienen die parallel zu Schwenkachse verlaufenden Laufflächen gleichzeitig als Stützflächen für senkrecht zur Schwenkachse am Stator angreifende Kräfte. Hierdurch wird die Schwenkachse entlastet.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass am Außenumfang des Stators ein Überströmkanal vorgesehen ist, der einen Auslasskanal auf der einen Stirnseite der Flügelzellenpumpe mit einem Auslasskanal auf der anderen Stirnseite der Flügelzellenpumpe verbindet. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Flügelzellenpumpe erhöht, da das geförderte Medium effektiver, d.h. verlustärmer abtransportiert werden kann.

Dabei verläuft der Überströmkanal achsparallel zur Achse des Stators. Dies hat den wesentlichen Vorteil, dass der Überströmkanal relativ einfach hergestellt werden kann, und dass der Überströmkanal durch in seitlichen Deckeln vorgesehenen bogenförmigen Strömungskanälen relativ einfach an die Auslasskanäle angeschlossen werden kann.

Mit Vorzug ist der Überströmkanal ein Teil des Kolbenabschnitts. Der Kolbenabschnitt besitzt demnach die Doppelfunktion eines Verstellglieds für den Stator, um diesen zwischen einer Maximal- und einer Minimalförderung zu verstellen, und außerdem verbindet er die beiden Auslasskanäle, die auf den beiden Stirnseiten aus dem Innenraum des Stators ausmünden.

Mit Vorzug ist zwischen dem Stator und dem Maschinengehäuse ein Überströmkanal vorgesehen, der den Einlasskanal auf der einen Stirnseite der Flügelzellenpumpe mit dem Einlasskanal auf der anderen Stirnseite der Flügelzellenpumpe verbindet. Dieser Überströmkanal wird von dem Freiraum gebildet, der für die Verlagerung des Stators im Gehäuse erforderlich ist.

Die Überströmkanäle sowohl für den Einlasskanal als auch für den Auslasskanal bieten den Vorteil, dass die Flügelzellenpumpe von beiden Stirnseiten angeströmt werden kann, wodurch eine optimale Befüllung der Arbeitsräume ermöglicht wird. Außerdem kann das geförderte Medium schnell und verlustfrei abströmen, da es über beide Stirnseiten den Arbeitsraum verlassen kann.

Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass vom Stator ein Abstützelement für ein Druckelement abragt. Dieses Abstützelement ist insbesondere einteilig am Stator vorgesehen und dient dazu, die Kraft einer Druckfeder, insbesondere einer Wendelfeder aufzunehmen. Es ist aber auch denkbar, dass das Druckelement eine Blattfeder, eine Schenkelfeder oder ein pneumatisches Kissen ist. Dieses Druckelement, welches insbesondere vorgespannt ist, hat die Aufgabe, den Stator in Richtung der Maximalförderung der Pumpe zu verstellen. Dies ist dann erforderlich, wenn in einem Störfall die pneumatische oder hydraulische Ansteuerung über die Kolbenabschnitte ausfällt. Durch die Ansteuerung mittels des Druckelements ist sichergestellt, dass die Flügelzellenpumpe weiterhin und dazu noch mit ihrer Maximalleistung arbeitet, um das angeschlossene System mit dem zu fördernden Medium zu versorgen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung zwei besonders bevorzugte Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in der Zeichnung dargestellten sowie in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesendlich sein.

In der Zeichnung zeigen:

1 einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe;

2 eine perspektivische Ansicht des Stators mit eingesetztem Rotor, teilweise geschnitten;

3 einen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe, die Stellung des Innenrotors bei Maximalförderung zeigend;

4 einen Querschnitt gemäß 3, die Stellung des Innenrotors bei Minimalförderung zeigend; und

5 eine perspektivische Darstellung der Flügelzellenpumpe gemäß 3.

Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die DE 10 2005 048 602 Bezug genommen, deren Inhalt hiermit eingeführt wird, so dass er Bestandteil dieser Beschreibung ist.

Die 1 zeigt schematisch ein Gehäuse 10 einer insgesamt mit 12 bezeichneten Flügelzellenpumpe, in welcher eine Antriebswelle 14 gelagert ist. Diese Antriebswelle 14 treibt einen Innenrotor 16 an, welcher eine Vielzahl radialer Schlitze 18 aufweist, in welchen Flügel 20 radial verschieblich gelagert sind. Diese Flügel 20 besitzen ein verdicktes Ende 22, an welchem Gleitschuhe 24 schwenkbar befestigt sind. Die Gleitschuhe 24 liegen an der Innenumfangsfläche 26 eines Stators 28 an, was aus 2 ersichtlich ist. Dabei bilden der Innenrotor 16, zwei Flügel 20, zwei Gleitschuhe 24 sowie der Stator 28 jeweils einen Arbeitsraum 30. Der Arbeitsraum 30 vergrößert und verkleinert sich bei sich drehendem Innenrotor 16, wodurch ein Fluid gefördert wird.

Außerdem ist in den 1 und 2 erkennbar, dass der Stator 28 ein Lagerauge 32 aufweist, welches einen Zapfen 34 umgreift und ein gehäusefestes Schwenklager 36 bildet. Der Stator 28 kann demnach in Richtung des Doppelpfeils 38 innerhalb des Gehäuses 10 um das Schwenklager 36 verschwenkt werden. Hierfür weist der Stator 28 zwei Kolbenabschnitte 40 und 42 auf, die vom Außenumfang des Stators 28 abragen und deren Kolbenachsen 44 sich in Umfangsrichtung um das Schwenklager 36, d.h. konzentrisch zu diesem erstrecken. Die Kolbenabschnitte 40 und 42 sind jeweils in einem Zylinder 46 geführt, der im Gehäuse 10 der Flügelzellenpumpe 12 vorgesehen ist. Die Achse des Zylinders 46 verläuft ebenfalls konzentrisch um das Schwenklager 36. Der Zylinder 46 liegt über einen Teil der Länge der Kolbenabschnitte 40 und 42 an den radial inneren und äußeren Laufflächen der Kolbenabschnitte 40 und 42 an. Die Kolbenabschnitte 40 und 42 besitzen jeweils eine Kolbenfläche 48, die von einem Druck beaufschlagt werden und die eine Schwenkkraft um das Schwenklager 36 auf den Stator 28 ausüben.

Aus den 1 und 2 ist deutlich erkennbar, dass der Stator 28 mit seinen Kolbenabschnitten 40 und 42 im wesentlichen scheiben- oder plattenförmig ausgebildet ist, so dass die Kolbenabschnitte 40 und 42 rechteckförmige Querschnitte aufweisen. Die Abdichtung der Druckräume 50 und 52 erfolgt jeweils über scheiben- oder plattenförmige Elemente, die auf die Stirnseiten 54 und 56 des Stators 28aufgesetzt werden. Hierdurch werden auch die Arbeitsräume 30 stirnseitig verschlossen.

Aus 2 ist noch ersichtlich, dass vom Stator 28 ein Abstützelement 58 abragt, welches eine Zentriernase für ein Druckelement 62, zum Beispiel eine Wendelfeder 64 aufweist. Das Druckelement 62 übt eine Kraft auf den Stator 28 aus, welche ein Verschwenken des Stators 28 um das Schwenklager 36 in Richtung des Uhrzeigersinns bewirkt. Auf diese Weise wird der Stator 28 permanent in Richtung der Maximalförderung gedrängt, so dass die Flügelzellenpumpe 12 im Störfall ihre Stellung für die Maximalförderung einnimmt.

In den 3 und 5, die ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe 12 zeigen, ist der Stator 28 in der Maximalförderung dargestellt. Die 4 zeigt die Minimalförderung, in welcher die Achse 66 des Stators 28 nahezu keinen Versatz 70 zur Achse 68 des Innenrotors 16 aufweist. Dieser Versatz 70, oder die Exzentrizitätdes Innenrotors 16, bestimmt das Fördervolumen der Flügelzellenpumpe 12.

In den 3 bis 5 ist noch erkennbar, dass am Kolbenabschnitt 40 ein Fortsatz 72 vorgesehen ist, der einen im wesentlichen dreieckförmigen Querschnitt aufweist. Dieser Fortsatz 72 besitzt einen Überströmkanal 74, der deutlich in 5 dargestellt ist, und der die beiden Stirnseiten 54 und 56 miteinander verbindet. Auf diese Weise können die in der Zeichnung nicht dargestellten Auslasskanäle, welche in stirnseitig angebrachten Deckplatten vorgesehen sind und in welche das geförderte Medium aus den Arbeitsräumen 30 ausströmt, miteinander verbunden werden, so dass die Arbeitsräume 30 über beide Stirnseiten 54 und 56 entleert werden können.

Außerdem ist in den 4 und 5 erkennbar, dass zwischen dem Stator 28 und dem Gehäuse 10 ein Überströmkanal 76 vorgesehen ist, der den Stator 28 umgibt und der die auf beiden Stirnseiten 54 und 56 vorgesehenen Einlasskanäle miteinander verbindet. Auf diese Weise können die Arbeitsräume 30 von beiden Stirnseiten 54 und 56 aus befüllt werden.

Die beiden Überströmkanäle 74 und 76 dienen also der Erhöhung des Wirkungsgrads der Flügelzellenpumpe 12, indem die Arbeitsräume 30 wirkungsvoller befüllt und entleert werden können. Verluste werden dadurch verringert.

Der 5 kann noch entnommen werden, dass das Gehäuse 10 der Flügelzellenpumpe 12 im wesentlichen scheibenförmig bzw. plattenförmig ausgebildet ist, in welchem der Aufnahmeraum für den Stator 28 sowie die Zylinder 46 als Durchbrüche eingearbeitet sind. Die stirnseitige Abdichtung erfolgt durch Aufsetzen jeweils einer Platte. Die Herstellung derartiger Bauteile ist relativ einfach und die Montage kann maschinell erfolgen.


Anspruch[de]
Flügelzellenpumpe (12) mit einem Innenrotor (16) und einer Vielzahl von Flügeln (20), die in im Wesentlichen radialen Schlitzen (18) im Innenrotor (16) radial verschieblich gelagert sind und an der Innenumfangsfläche (26) eines Stators (28) direkt oder indirekt entlang gleitet, wobei die Achse (66) des Stators (28) und die Achse (68) des Innenrotors (16) einen Versatz (70) zueinander aufweisen und der Stator (28) bezüglich des Innenrotors (16) in radialer Richtung verstellbar und dadurch der Versatz (70) veränderbar ist, und der Stator (28) ein im Gehäuse (10) der Flügelzellenpumpe (12) angeordnetes Schwenklager (36) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass vom Stator (28) wenigstens ein Kolbenabschnitt (40 oder 42) abragt, dessen Kolbenachse (44) in Umfangsrichtung zum Schwenklager (36) verläuft. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (40 oder 42) und der Stator (28) einstückig ausgebildet sind. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (40 und 42) lose am Stator (28) anliegt. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenabschnitt (40 oder 42) am Stator (28) befestigt, insbesondere angeschraubt ist. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (28) mit zwei Kolbenabschnitten (40 und 42) bestückt ist. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenabschnitte (40 und 42) bezüglich der Achse (66) des Stators (28) einander gegenüber liegen. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenabschnitte (40 und 42) gegensinnig wirkend sind. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Kolbenabschnitts (40 und/oder 42) rechteckförmig ist. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Gehäuse (10) der Flügelzellenpumpe (12) ein den Kolbenabschnitt (40 oder 42) aufnehmender Zylinder (46) vorgesehen ist. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zylinder (46) den Kolbenabschnitt (40 oder 42) zumindest über einen Teil seiner Länge an der radial inneren und äußeren Lauffläche abstützt. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Außenumfang des Stators (28) ein Überströmkanal (74) vorgesehen ist, der einen Auslasskanal auf der einen Stirnseite (54) der Flügelzellenpumpe (12) mit einem Auslasskanal auf der anderen Stirnseite (56) der Flügelzellenpumpe (12) verbindet. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (74) achsparallel zur Achse (66) des Stators (28) verläuft. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Überströmkanal (74) Teil des Kolbenabschnitts (40) ist. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stator (28) und dem Gehäuse (10) ein Überströmkanal (76) vorgesehen ist, der einen Einlasskanal auf der einen Stirnseite (54) der Flügelzellenpumpe (12) mit einem Einlasskanal auf der anderen Stirnseite (56) der Flügelzellenpumpe (12) verbindet. Flügelzellenpumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vom Stator (28) ein Abstützelement (58) für ein Druckelement (62) abragt. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Abstützelement (58) und der Stator (28) einteilig ausgebildet sind. Flügelzellenpumpe nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass am Abstützelement (58) eine Druckfeder, insbesondere eine Wendelfeder (64) angreift.






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