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Die
Erfindung betrifft eine Schraubenspindelpumpe, mit einem Gehäuse, in
dem eine Antriebsspindel und wenigstens eine gegenläufige Laufspindel
mit ineinander eingreifenden Profilabschnitten aufgenommen sind,
durch die mehrere Druckkammern gebildet werden.
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Schraubenspindelpumpen
werden zur Förderung
von Fluiden unterschiedlicher Art eingesetzt. Die Antriebsspindel
und die wenigstens eine Laufspindel weisen Gewindeprofile auf, die
gemeinsam mit dem Gehäuse
Verdrängerräume bilden,
durch die das Fluid axial von der Saugseite zur Druckseite befördert wird.
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Bei
der Förderung
der Fluide versucht man das Auftreten von Kavitation möglichst
zu vermeiden. Insbesondere sollen Kavitationszustände in geschlossenen
Druckkammern und starke Druckpulsationen an der Auslassseite vermieden
werden. Als Kavitation bezeichnet man den Phasenübergang eines Fluids zwischen
dem gasförmigen
und flüssigen Zustand,
der sich durch die plötzliche
Entstehung von Gasblasen in der Flüssigkeit und dem plötzlichen
Zusammenfallen von Gasblasen äußert. Kavitation
wird durch die im Bereich der Spindeln auftretenden großen Druckabsenkungen
verursacht und führt
zu hohen mechanischen Beanspruchungen des Gehäuses und der Spindeln, was
zu vorzeitigem Verschleiß und Beschädigungen
führen
kann.
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1 zeigt
eine herkömmliche
einflutige Schraubenspindelpumpe 1, mit einem Gehäuse 2,
in dem eine Antriebsspindel 3 und eine gegenläufige Laufspindel 4 mit
ineinander eingreifenden Profilabschnitten 5, 6 aufgenommen
sind. Die Profilabschnitte 5, 6 bilden zusammen
mit der Innenseite des Gehäuses 2 mehrere
axial nebeneinander angeordnete Druckkammern 7, 8, 9,
in denen der Kammerdruck von der Saugseite 10 zur Druckseite 11 zunimmt.
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Um
die Kavitationsneigung zu verringern ist es bereits vorgeschlagen
worden, das Gewindeprofil der Spindeln zu ändern, dies führt allerdings
zu einer Reduzierung des volumetrischen Wirkungsgrads und ist daher
keine praktikable Lösung.
Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass es nicht möglich ist, mit
einer bestimmten Profilgeometrie sowohl Fluide mit niedriger Viskosität als auch
Fluide mit hoher Viskosität
mit einem optimalen Wirkungsgrad zu fördern.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenspindelpumpe
anzugeben, mit der Fluide mit unterschiedlichen Viskositäten optimal
gefördert
werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist bei einer Schraubenspindelpumpe der eingangs
genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen,
dass sie ein Mittel zum Erzeugen wenigstens einer Fluidverbindung zwischen
zwei Bereichen unterschiedlichen Drucks aufweist.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch die vorgesehene
Fluidverbindung zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen Drucks
eine Rückströmung von
einem Bereich mit höherem Druck
zu einem stromaufwärts
angeordneten Bereich mit niedrigerem Druck erzeugt werden kann, wodurch
gezielt eine Druckerhöhung
in dem stromaufwärts
liegenden Bereich bewirkt wird. Durch diese Druckerhöhung wird
die Kavitationsneigung und die Druckpulsation verringert, insbesondere
bei Fluiden mit hoher Viskosität.
Beim Fördern
dieser Medien kann Kavitation wesentlich verringert oder sogar unterdrückt werden,
sodass kein kavitationsbedingter Verschleiß auftritt. Die erfindungsgemäße Maßnahme des
Vorsehens einer Fluidverbindung zwischen zwei Bereichen unterschiedlichen
Drucks beeinflusst nicht das Profil der Spindeln, sodass die Spindelgeometrie
so gewählt
werden kann, dass der volumetrische Wirkungsgrad optimal ist.
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Eine
Variante der Erfindung sieht vor, dass die Fluidverbindung zwischen
einer Druckkammer und einem Auslass ausgebildet ist. Alternativ
oder zusätzlich
kann die oder eine Fluidverbindung zwischen zwei Druckkammern ausgebildet
sein.
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Gemäß einer
Weiterbildung kann es vorgesehen sein, dass die Fluidverbindung
in dem Gehäuse
und/oder in der Antriebsspindel und/oder in wenigstens einer Laufspindel
ausgebildet ist. Die Position der Fluidverbindung kann somit in
Abhängigkeit von
den geometrischen Verhältnissen
der Schraubenspindelpumpe geändert
oder angepasst werden.
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Vorzugsweise
ist die Fluidverbindung bei der erfindungsgemäßen Schraubenspindelpumpe als Fluidkanal
ausgebildet. Durch den Fluidkanal strömt das geförderte Medium von dem Bereich
mit hohem Druck zu dem Bereich mit niedrigem Druck bzw. von einer
Druckkammer zu einer Druckkammer mit niedrigerem Druck, wodurch
sich dort eine Druckerhöhung
ergibt. Es kann vorgesehen sein, dass der Fluidkanal aus radialen
und axialen Abschnitten besteht, die vergleichsweise einfach herzustellen
sind.
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Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Fluidkanal
zur Einstellung einer Rückströmung zwischen
den Bereichen unterschiedlichen Drucks wahlweise in einen geöffneten
oder einen ganz oder teilweise geschlossenen Zustand bringbar ist.
Somit kann das erfindungsgemäß vorgesehen
Mittel des Erzeugens einer Fluidverbindung lediglich bei Bedarf
eingesetzt werden, beispielsweise wenn Fluide mit hoher Viskosität gefördert werden.
Andernfalls, wenn Fluide mit niedriger Viskosität gefördert werden, kann der Fluidkanal geschlossen
werden, sodass die erfindungsgemäße Schraubenspindelpumpe
wie eine herkömmliche Schraubenspindelpumpe
betrieben werden kann.
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In
diesem Zusammenhang ist es zweckmäßig, dass in der Antriebsspindel
und/oder der oder wenigstens einer Laufspindel und/oder in dem Gehäuse wenigstens
ein Ventilelement zum Öffnen
und Schließen
des Fluidkanals angeordnet ist. Das Ventilelement ermöglicht eine
bedarfsabhängige
Nutzung des erfindungsgemäß vorgesehenen
Fluidkanals, indem dieser mittels des Ventilelements ganz oder teilweise
geöffnet
oder geschlossen werden kann. Somit kann das Maß der Druckerhöhung bzw.
der internen Rückströmung durch
ein mehr oder weniger starkes Öffnen
des Fluidkanals eingestellt werden.
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Im
Rahmen der Erfindung kann es auch vorgesehen sein, dass das Ventilelement
in einer axialen, einen Abschnitt des Fluidkanals bildenden Ausnehmung
des Gehäuses
oder der Antriebsspindel oder der Laufspindel aufgenommen und im
Wesentlichen stabförmig
ausgebildet ist. Vorzugsweise kann das Ventilelement als Rundstab
ausgebildet sein, der zumindest in einem Abschnitt eine Querschnittsfläche aufweist,
bei der aus einer Kreisfläche
ein Segment ausgespart ist. Insbesondere kann die Querschnittsfläche halbmond-
oder sichelförmig
ausgebildet sein. Ein derart ausgebildetes Ventilelement kann beispielsweise
axial in eine Bohrung der Antriebsspindel oder der Laufspindel eingeschoben
werden und stellt auf diese Weise die Fluidverbindung zwischen den
wenigstens zwei Bereichen unterschiedlichen Drucks bzw. den Druckkammern
her. Durch eine Verdrehung des stabförmigen Ventilelements kann
der wirksame Querschnitt des Fluidkanals zwischen den Extremlagen „vollständig geschlossen” und „vollständig offen” eingestellt
werden, um das Maß der
Druckerhöhung
an die Viskosität
des zu fördernden
Mediums anzupassen.
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Die
erfindungsgemäße Schraubenspindelpumpe
kann mehrere, vorzugsweise zwei bis vier über den Umfang verteilte Ventilelemente
aufweisen.
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Weitere
Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische
Darstellungen und zeigen:
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1 eine
herkömmliche
einflutige Schraubenspindelpumpe in einer geschnittenen Ansicht;
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2 eine
in Axialrichtung geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Schraubenspindelpumpe;
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3 einen
Schnitt durch die Schraubenspindelpumpe von 2 in Radialrichtung;
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4 verschiedene
Positionen eines Ventilelements;
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Schraubenspindelpumpe
in einer axial geschnittenen Ansicht;
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6 die
Schraubenspindelpumpe von 5 in einer
radial geschnittenen Ansicht; und
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7 verschiedene
Positionen des Ventilelements.
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2 zeigt
einen Teil einer Spindel einer zweiflutigen Schraubenspindelpumpe
in einer axial/radial geschnittenen Ansicht. Die Spindel 12,
bei der es sich entweder um eine Antriebsspindel oder eine Laufspindel
handeln kann, ist mit einem Gewindeprofil 13 versehen,
das im eingebauten Zustand mit einem gegenläufigen Gewindeprofil der anderen Spindel
kämmt,
wodurch die axial bewegten Druckkammern erzeugt werden. Wie in 2 gezeigt
ist, weist die Spindel 12 zwei radiale Fluidkanäle 14, 15 auf,
die sich von der Außenseite
des Profils 13 bis zu einem axialen Fluidkanal 16 erstrecken,
der exzentrisch in der Spindel 12 angeordnet ist. in den
axialen Fluidkanal 16 ist ein Ventilelement 17 eingesetzt,
das stabförmig
ausgebildet ist und dessen aus der Spindel 12 herausragender
Abschnitt einen kreisförmigen Querschnitt
aufweist. Insgesamt sind drei exzentrisch angeordnete Ventilelemente
vorhanden. Bei anderen Ausführungen
kann ein einziges zentrisch angeordnetes Ventilelement vorgesehen
sein. An der entgegengesetzten, inneren Seite weist das Ventilelement 17 hingegen
eine kreissegmentförmige
Querschnittsfläche
auf, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel sichelförmig ausgebildet
ist. Dadurch wird eine Fluidverbindung zwischen einer Druckkammer 18 (Auslass)
und einer Druckkammer 19 über den radialen Fluidkanal 14,
den axialen Fluidkanal 16 und den radialen Fluidkanal 15 gebildet,
der zu einer Druckerhöhung
in der Druckkammer 19 und einer Rückströmung des Fluids von der Druckkammer 18 (Auslass)
in die Druckkammer 19 führt.
Dieser Effekt führt
dazu, dass die Kavitationsneigung bei Fluiden mit hoher Viskosität durch
die Erhöhung
des Drucks in der Druckkammer 19 vermindert wird. Es wird
ein lineares Druckprofil erzeugt und die Auslasspulsation verringert.
Gleichzeitig kann das Gewindeprofil 13 der Spindel 12 und
dementsprechend das Gewindeprofil der wenigstens einen weiteren
Spindel so gestaltet werden, dass bei niedrigen Viskositäten ein optimaler
volumetrischer Wirkungsgrad erreicht wird. Somit ist die in 2 gezeigte
Schraubenspindelpumpe sowohl für
die Förderung
von Fluiden mit hohen Viskositäten
als auch für
niedrige Viskositäten geeignet.
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3 zeigt
die Schraubenspindelpumpe von 2 in einer
radial geschnittenen Ansicht. In 3 ist erkennbar,
dass sich an den radialen Fluidkanal 15 der axiale Fluidkanal 16 anschließt, wodurch
eine Fluidverbindung geschaffen wird, die eine Rückströmung des Fluids ermöglicht.
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4 zeigt
verschiedene Positionen des Ventilelements 17, das in den
axialen Fluidkanal 16 eingesetzt ist. In der linken Ansicht
von 4 ist die Fluidverbindung geöffnet, sodass sich eine Rückströmung des
Fluids einstellt. Das stabförmige
Ventilelement 17 ist drehbar und kann in einer bestimmten
Position arretiert werden, sodass die eingestellte Relativposition
zwischen dem sichelförmigen
Querschnitt und dem axialen Fluidkanal 16 unverändert bleibt.
In der mittleren Ansicht von 4 befindet
sich das Ventilelement 17 in einer um etwa 90° gedrehten Stellung.
Dadurch ist der wirksame Querschnitt der Fluidverbindung verringert,
wodurch sich eine geringere Rückströmung einstellt.
Diese Position ist für Fluide
mit einer bestimmten Viskosität
optimal.
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In
der rechten Ansicht von 4 ist das Ventilelement 17 nochmals
um etwa 90° gedreht
worden. In dieser Stellung verschließt der sichelförmige Abschnitt
des Ventilelements 17 den radialen Fluidkanal 15,
sodass das geförderte
Medium nicht von dem axialen Fluidkanal 16 in den radialen
Fluidkanal 15 strömen
kann. Diese Position ist beispielsweise für Fluide mit niedriger Viskosität optimal.
Dementsprechend kann das Ventilelement 17 vor der Inbetriebnahme
der Schraubenspindelpumpe jeweils an die Viskosität des geförderten
Fluids angepasst werden, um dieses optimal, das heißt ohne
Auftreten von Kavitation in den Druckkammern und ohne Auslasspulsationen
zu fördern.
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Die 5 und 6 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
einer Schraubenspindelpumpe in einer axial geschnittenen bzw. einer
radial geschnittenen Ansicht, bei der radiale Fluidkanäle 20, 21 und ein
axialer Fluidkanal 22 eine Fluidverbindung zwischen einem
Auslass 23 und einer Druckkammer 24 bilden, die
von der Innenseite des Gehäuses 25 begrenzt
werden. Wenn das Ventilelement 17 wie in 5 gezeigt
axial eingesetzt ist, entsteht eine Fluidverbindung von dem Auslass 23 über den
radialen Fluidkanal 20, den axialen Fluidkanal 22 und
den radialen Fluidkanal 21 bis zur Druckkammer 24,
wodurch sich dort ein höherer
Kammerdruck einstellt, der die Kavitationsneigung und die Druckpulsation bei
der Kammeröffnung
zur Auslassseite in der gewünschten
Weise verringert.
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7 zeigt
das in den axialen Fluidkanal 22 eingesetzte Ventilelement 17 in
verschiedenen Stellungen. In der obersten Ansicht ist die Fluidverbindung
geöffnet,
sodass das Fluid ungehindert von dem Auslass 23 in die
Druckkammer 24 strömen kann.
In der mittleren Ansicht ist der Fluidkanal teilweise geschlossen,
wodurch sich eine geringere Rückströmung einstellt.
In der unteren Ansicht ist der Fluidkanal vollständig geschlossen, sodass keine Rückströmung vorhanden
ist.