DE102010006929B4

DE102010006929B4 - Fluidpumpe mit einem magnetischen Kolben in einem angetriebenen Rotor

Info

Publication number: DE102010006929B4
Application number: DE201010006929
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-02-04
Publication date: 2014-08-14
Anticipated expiration: 2030-02-05
Also published as: EP2531728A1; US20120328459A1; WO2011095287A1; DE102010006929A1; US9109585B2

Abstract

Pumpe (1) zum Fördern eines Fluids von einem Ansaugbereich (2) in einem Abgabebereich (3), die ein Gehäuse (4) aufweist sowie mindestens einen im Gehäuse (4) um eine Drehachse (5) drehbar angeordneten Rotor (6), der von einem Antriebselement angetrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6) von einer geradlinigen und durchgängigen Bohrung (7) durchsetzt ist, wobei die Bohrung senkrecht zur Drehachse (5) des Rotors (6) verläuft, wobei temporär das eine Ende der Bohrung (7) an den Ansaugbereich (2) und das andere Ende der Bohrung (7) an den Abgabebereich (3) angrenzt, wobei der Rotor (3) zum Gehäuse (4) hin abgedichtet ist, um den Ansaugbereich (2) vom Abgabebereich (3) zu trennen, dass in der Bohrung (7) ein Kolbenelement (8) angeordnet ist, das sich in Bohrungslängsachse (L) bewegen kann, wobei das Kolbenelement (8) ein Magnet ist oder einen Magneten aufweist, und dass im Gehäuse (4) ortsfest eine Anzahl von Magneten (9, 9', 9'', ...) oder ein Ringmagnet angeordnet ist, wobei die Magneten oder der Ringmagnet auf das Kolbenelement (8) eine magnetische Anziehungskraft ausüben bzw. ausübt, wobei die Magneten (9, 9', 9'', ...) entlang einer geschlossenen und zur Drehachse (5) exzentrischen Kurvenbahn (14) im Gehäuse (4) angeordnet sind, wobei die Magneten (9, 9', 9'', ...) Permanentmagnete sind oder dass der Ringmagnet ein Permanentmagnet ist, so dass die Magneten (9, 9', 9'', ...) oder der Ringmagnet so im Gehäuse (4) platziert sind bzw. ist, dass bei Drehung des Rotors (6) um die Drehachse (5) das Kolbenelement infolge der magnetischen Anziehungskraft in der Bohrung (7) eine oszillierende Bewegung (O) ausübt. Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (8) eine Kugel ist. Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (8) so in der Bohrung (7) toleriert ist, dass bei der translatorischen Verschiebung des Kolbenelements (8) in der Bohrung (7) sich in der Bohrung (7) befindliches Fluid aus der Bohrung (7) heraus verdrängt wird. Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (4) und dem Rotor (6) an zwei sich gegenüberliegenden Stellen des Rotors (6) je eine Dichtung (10, 11) angeordnet oder ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Pumpe zum Fördern eines Fluids von einem Ansaugbereich in einem Abgabebereich, die ein Gehäuse aufweist sowie mindestens einen im Gehäuse um eine Drehachse drehbar angeordneten Rotor, der von einem Antriebselement angetrieben werden kann.
Pumpen dieser Art sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Sie werden beispielsweise in Heizungsanlagen eingesetzt, um Wasser durch den Heizkreislauf zu pumpen. Zumeist werden namentlich für die genannte Anwendung Zentrifugalpumpen eingesetzt.
Eine gattungsgemäße Pumpe ist in der GB 143 688 A beschrieben. Ein Kolben in einer Rotorbohrung wird hier zu einer oszillierenden Bewegung betätigt, wobei die Möglichkeit erwähnt ist, eine elektromagnetische Betätigung oder eine solche unter Nutzung der Schwerkraft vorzusehen. Ähnliche Lösungen zeigen die DE 640 936 A und die US 1 307 210 A .
Unter Gesichtspunkten der Energieeffizienz haben sich diese Pumpen allerdings als nachteilig erwiesen. Bei typischer Geschwindigkeit und Flussrate beträgt der hydraulische Wirkungsgrad zumeist nicht mehr als 35%. Der Grund hierfür ist die Rezirkulation, mit der Zentrifugalpumpen arbeiten, um den nötigen Druckaufbau zu erzielen. Die dabei entstehenden Verluste wirken sich bei einer geringen Pumpengröße, wie sie für Anwendungen im Heizungsbau typisch sind, überproportional aus.
Unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es weiterhin erforderlich, die Pumpe kostengünstig herstellen zu können, da sie in sehr hoher Stückzahl benötigt wird.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass der hydraulische Wirkungsgrad erhöht werden kann, wobei eine kostengünstige Fertigungsmöglichkeit bestehen soll. Damit soll die Pumpe insbesondere, aber nicht ausschließlich, im Bereich des Heizungsbaus vorteilhaft einsetzbar sein.
Die Lösung dieser Aufgabe durch Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotor von einer geradlinigen und durchgängigen Bohrung durchsetzt ist, wobei die Bohrung senkrecht zur Drehachse des Rotors verläuft, wobei temporär das eine Ende der Bohrung an den Ansaugbereich und das andere Ende der Bohrung an den Abgabebereich angrenzt, wobei der Rotor zum Gehäuse hin abgedichtet ist, um den Ansaugbereich vom Abgabebereich zu trennen, dass in der Bohrung ein Kolbenelement angeordnet ist, das sich in Bohrungslängsachse bewegen kann, wobei das Kolbenelement ein Magnet ist oder einen Magneten aufweist, und dass im Gehäuse ortsfest eine Anzahl von Magneten oder ein Ringmagnet angeordnet ist, wobei die Magneten oder der Ringmagnet auf das Kolbenelement eine magnetische Anziehungskraft ausüben bzw. ausübt, wobei die Magneten entlang einer geschlossenen Kurvenbahn im Gehäuse angeordnet sind, wobei die Magneten Permanentmagnete sind oder dass der Ringmagnet ein Permanentmagnet ist, so dass die Magneten oder der Ringmagnet so im Gehäuse platziert sind bzw. ist, dass bei Drehung des Rotors um die Drehachse das Kolbenelement infolge der magnetischen Anziehungskraft in der Bohrung eine oszillierende Bewegung ausübt.
Demgemäß bewegen die Magneten das Kolbenelement bei Rotation des Rotors in Richtung der Längsachse der Bohrung; diese oszillierende Bewegung wird zur Förderung des Fluids und dessen Unterdrucksetzung genutzt.
Das Kolbenelement ist dabei bevorzugt eine Kugel.
Das Kolbenelement (d. h. vorzugsweise die Kugel) ist dabei bevorzugt so in der Bohrung toleriert, dass bei der translatorischen Verschiebung des Kolbenelements in der Bohrung sich in der Bohrung befindliches Fluid aus der Bohrung heraus verdrängt bzw. in die Bohrung eingesaugt wird.
Zwischen dem Gehäuse und dem Rotor sind bevorzugt an zwei sich gegenüberliegenden Stellen des Rotors je eine Dichtung angeordnet oder ausgebildet. Die Dichtung wird dabei bevorzugt durch eine Engstelle zwischen Rotor und Gehäuse gebildet. Zwischen den Dichtstellen und dem Ansaugbereich kann ein Strömungskanal für anzusaugendes Fluid ausgebildet sein. Entsprechend kann zwischen den Dichtstellen und dem Abgabebereich ein Strömungskanal für abzugebendes Fluid ausgebildet sein.
Bevorzugt ist die Kurvenbahn eine Kreisbahn. Alternativ zu einer Anzahl diskreter Magnete kann auch ein Ringmagnet eingesetzt werden.
Der Durchmesser der Bohrung ist vorzugsweise um einen Betrag zwischen 0,05 mm und 0,3 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,2 mm, größer als der Durchmesser des Kolbenelements, insbesondere der Kugel.
Die Innenoberfläche der Bohrung ist besonders bevorzugt mit einer Hartstoffschicht versehen, um die Verschleißbeständigkeit der Bohrungsoberfläche zu erhöhen.
Die vorgeschlagene Konzeption der Pumpe hat zur Folge, dass ein sehr viel höherer hydraulischer Wirkungsgrad erreicht werden kann, als es bei Zentrifugalpumpen der Fall ist. Durch das vorgeschlagene Verdrängerprinzip kann ein Wirkungsgrad bis zu 80% erreicht werden.
Der relativ einfache Aufbau erlaubt des weiteren eine kostengünstige Herstellung, so dass auch große Lose an Pumpen wirtschaftlich herstellbar sind.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 schematisch eine erfindungsgemäße Pumpe, wobei die Pumpe in geschnittener Ansicht skizziert ist und wobei nur die im Zusammenhang mit der Erfindung wichtigen Bauelemente dargestellt sind,
2 schematisch die Pumpe gemäß 1 während eines ersten Prozessschritts des Pumpvorgangs,
3 schematisch die Pumpe gemäß 1 während eines zweiten Prozessschritts des Pumpvorgangs,
4 schematisch die Pumpe gemäß 1 während eines dritten Prozessschritts des Pumpvorgangs und
5 schematisch die Pumpe gemäß 1 während eines vierten Prozessschritts des Pumpvorgangs.
In 1 ist eine Pumpe 1 skizziert, wobei nur die hier interessierenden wesentlichen Bauelemente dargestellt sind. Die Pumpe 1 arbeitet nach dem Verdrängerprinzip. Sie hat ein Gehäuse 4, das sich in eine Förderrichtung F erstreckt, in der ein Fluid, z. B. Wasser, gefördert wird. Dabei erstreckt sich das Gehäuse 4 im wesentlichen von einem Ansaugbereich 2 bis zu einem Abgabebereich. Im Ansaugbereich 2 wird Fluid in die Pumpe 1 gesaugt und unter Druck gesetzt, wobei das Fluid dann im Abgabebereich 3 unter erhöhtem Druck abgegeben wird.
Zentrales Bauteil der Pumpe 1 ist ein Rotor 6, der um eine Drehachse 5 drehen kann, die senkrecht auf der Zeichenebene in den Figuren steht. Nicht dargestellt ist ein Motor, mit dem der Rotor 6 drehangetrieben werden kann.
Der Rotor 6 weist eine durchgehende Bohrung 7 auf, die sich quer und zentral durch den Rotor 6 erstreckt und die senkrecht auf der Drehachse 5 steht. Demgemäß erstreckt sich die Bohrung 7 in Richtung der Bohrungslängsachse L. In der Bohrung 7 ist ein Kolbenelement 8 in Form einer Kugel angeordnet. In die Kugel 8 ist ein Permanentmagnet integriert.
Oberhalb der Mitte des Rotors 6 ist eine Anzahl Magnete 9, 9', 9'', ... ortsfest im Gehäuse 4 angeordnet, und zwar so, dass die Magnete 9, 9', 9'', ... entlang einer Kreisbahn (s. Bezugsziffer 14 in den 2 bis 5) angeordnet sind. Der Kreisdurchmesser dieser Kreisbahn beträgt etwa die Hälfte des Durchmessers des Rotors 6. Die Magnete 9, 9', 9'', ... sind – wie die Kugel 8 – als Permanentmagnete ausgeführt.
Die Magnete 9, 9', 9'', ... üben auf die Kugel 8 eine magnetische Anziehungskraft aus, d. h. die Kugel 8 wird von den Magneten 9, 9', 9'', ... angezogen. Dabei übt natürlich der der Kugel 8 jeweils nächstliegende Magnet 9, 9', 9'', ... die dominierende Anziehungskraft aus.
Der Rotor 6 hat in seinem obersten und untersten Bereich nur einen geringen Abstand zur Wandung des Gehäuses 4, der in 1 stark übertrieben dargestellt ist. Daher liegt an den beiden genannten Stellen ein Dichtspalt 10 bzw. 11 vor, so dass hier kaum Fluid vom Ansaugbereich 2 zum Abgabebereich 3 überströmen kann. Die mit 10 und 11 markierten Stellen sind vielmehr als abgedichtete Stellen zu betrachten.
Hierdurch ergibt sich ein Strömungskanal 12 für angesaugtes Fluid vom Ansaugbereich 2 zum Rotor 6 und ein Strömungskanal 13 für abzugebendes Fluid vom Rotor 6 zum Abgabebereich 3.
Bewegt sich die Kugel 8 translatorisch in der Bohrung hin und her, d. h. vollzieht sie eine oszillierende Bewegung O, kommt es aufgrund der relativ engen (Spiel-)Passung zwischen Kugeldurchmesser und Bohrungsdurchmesser zu einem Fördern des Fluids aus der Bohrung 7 heraus. Dabei wird – wie später zu sehen sein wird – im linken Bereich der Pumpe 1 bei Rotation des Rotors 6 gegen den Uhrzeigersinn Fluid vom Ansaugbereich 2 über den Strömungskanal 12 abgesaugt und in den Strömungskanal 13 zum Abgabebereich 3 gefördert. Der Außendurchmesser d der Kugel ist dabei bevorzugt ca. 0,1 bis 0,2 mm kleiner als der Durchmesser D der Bohrung 7.
In den 2 bis 5 ist der sequentielle Ablauf des Pumpvorgangs skizziert. An den Prozessschritt gemäß 5 schließt sich wieder der gemäß 2 an und der Prozess wiederholt sich entsprechend.
Die in 1 zu erkennenden insgesamt 16 diskreten Magnete 9, 9', 9'', ... sind in den 2 bis 5 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt, sondern nur die Kreisbahn 14, entlang der die Magnete 9, 9', 9'', ... angeordnet sind.
In einem ersten Prozessschritt steht der Rotor 6 gemäß 2 in einer Ausgangsstellung, d. h. die Bohrung 7 erstreckt sich in Längsrichtung der Pumpe 1 vom Ansaugbereich 2 zum Abgabebereich 3. Die Kugel 8 verschließt die Bohrung 7, wobei die Kugel 8 vom nächsten Magneten 9* (s. 1) angezogen und aufgrund der Magnetkraft in Position gehalten wird.
Zum Pumpen von Fluid wird der Rotor in Gegenuhrzeigerrichtung von den nicht dargestellten Antriebsmitteln angetrieben.
In 3 ist für einen zweiten Prozessstatus zu sehen, dass im Vergleich zur Grundstellung gemäß 2 der Rotor 6 um den Winkel α gedreht wurde. Die Magneten 9, 9', 9'', ... zogen dabei die Kugel 8 in Richtung der Bohrungslängsachse L weiter, so dass für den Drehwinkel α des Rotors 6 jetzt eine translatorische Verschiebung x (s. 3) in Richtung der Bohrungslängsachse L erfolgte. Fluid, das sich im Bereich der Bohrung oberhalb der Kugel 8 befindet, wird daher in Richtung Abgabebereich 3 herausgedrückt, während durch das wachsende Volumen der Bohrung 7 zwischen dem links unten liegenden Eintritt in die Bohrung 7 und der Kugel 8 Fluid vom Ansaugbereich 2 in die Bohrung 7 angesaugt wird. Der Fluss von Fluid ist durch Pfeile angedeutet.
Bei weiterer Drehung – gemäß 4 für einen dritten Prozessstatus bei Drehung des Rotors 6 gegenüber der Ausgangslage gemäß 2 um den Winkel β – wird die Kugel 8 von den Magneten 9, 9', 9'', ... weiter in Richtung Bohrungsende gezogen, bis in der in 4 gezeigten Stellung der Magnet 9** (s. 1) die Kugel 8 in Position hält.
Bei weiterer Drehung um den Winkel γ gemäß 5 für einen vierten Prozessstatus wird die Kugel 8 wieder in der Bohrung 7 zurückbewegt, da die Kugel 8 wiederum dem Verlauf der Kreisbahn 14 folgt und von dem entsprechenden Magneten (in 5 etwa von dem Magneten 9***, s. 1) in Position gehalten wird. Durch die Rückbewegung der Kugel 8 wird in die links oben liegende Bohrungsöffnung Fluid vom Ansaugbereich 2 über den Strömungskanal 12 eingesaugt und aus der rechts unten liegenden Bohrungsöffnung unter erhöhtem Druck über den Strömungskanal 13 zum Abgabebereich 3 aus der Bohrung 7 ausgetragen. Der Fluss des Fluids ist wiederum mit Pfeilen angedeutet.
Bei weiterer Drehung des Rotors 6 (bis zum Erreichen eines Winkels γ von 180°) wird der Ausgangszustand gemäß 2 wieder erreicht und der Prozess gemäß der 2 bis 5 wiederholt sich.
Wie sich aus der erläuterten Betriebsweise ergibt, entspricht die Oszillationsfrequenz der Kugel 8 in der Bohrung 7 der doppelten Drehfrequenz des Rotors 6.
Da über die übertrieben weit dargestellten Dichtungsspalte 10, 11 keine nennenswerte Fluidströmung erfolgen kann, wird eine signifikante Druckerhöhung bei dem beschriebenen Pumpvorgang erreicht. Der Druckaufbau kann problemlos bis zu 0,5 bar erreichen, zumeist wird für den Anwendungszweck im Heizungsbau indes kaum mehr als ein Druckaufbau von 0,2 bis 0,3 bar benötigt.
Bei üblicher Betriebsweise werden maximale Oszillationsgeschwindigkeiten der Kugel 8 in der Bohrung 7 zwischen 0,5 und 2 m/s erreicht.
Da die Kugel 8 also in der Bohrung 7 mit relativ hoher Frequenz oszilliert, ist ein reibungsarmer und verschleißarmer Lauf der Kugel in der Bohrung wichtig. Demgemäß ist die zylindrische Innenoberfläche der Bohrung 7 mit einer Hartstoffschicht versehen, so dass eine hohe Abriebs- bzw. Verschleißresistenz besteht.
Gleichzeitig kann sich durch entsprechende Wahl der Beschichtung und auch der Kugel ein geringer Reibungskoeffizient zwischen Kugel und Bohrungsoberfläche erzielen lassen.
In der Kugel 8 ist im Ausführungsbeispiel ein Magnet aus seltener Erde angeordnet. Im Ausführungsbeispiel sind diskrete Magnete 9, 9', 9'', ... vorgesehen. Genauso kann natürlich auch ein Ringmagnet eingesetzt werden. Der Einsatz eines Ringmagnets kann sich günstiger erweisen und insbesondere die Führungseigenschaften des Kolbenelements gleichmäßiger gestalten.
Bezugszeichenliste

1: Pumpe
2: Ansaugbereich
3: Abgabebereich
4: Gehäuse
5: Drehachse
6: Rotor
7: Bohrung
8: Kolbenelement (Kugel)
9: Magnet/Ringmagnet
9': Magnet
9'': Magnet
10: Dichtung/Dichtspalt
11: Dichtung/Dichtspalt
12: Strömungskanal
13: Strömungskanal
14: Kurvenbahn (Kreisbahn)
F: Förderrichtung
L: Bohrungslängsachse
O: oszillierende Bewegung
D: Durchmesser der Bohrung
d: Durchmesser des Kolbenelements (der Kugel)

Claims

Pumpe (1) zum Fördern eines Fluids von einem Ansaugbereich (2) in einem Abgabebereich (3), die ein Gehäuse (4) aufweist sowie mindestens einen im Gehäuse (4) um eine Drehachse (5) drehbar angeordneten Rotor (6), der von einem Antriebselement angetrieben werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (6) von einer geradlinigen und durchgängigen Bohrung (7) durchsetzt ist, wobei die Bohrung senkrecht zur Drehachse (5) des Rotors (6) verläuft, wobei temporär das eine Ende der Bohrung (7) an den Ansaugbereich (2) und das andere Ende der Bohrung (7) an den Abgabebereich (3) angrenzt, wobei der Rotor (3) zum Gehäuse (4) hin abgedichtet ist, um den Ansaugbereich (2) vom Abgabebereich (3) zu trennen, dass in der Bohrung (7) ein Kolbenelement (8) angeordnet ist, das sich in Bohrungslängsachse (L) bewegen kann, wobei das Kolbenelement (8) ein Magnet ist oder einen Magneten aufweist, und dass im Gehäuse (4) ortsfest eine Anzahl von Magneten (9, 9', 9'', ...) oder ein Ringmagnet angeordnet ist, wobei die Magneten oder der Ringmagnet auf das Kolbenelement (8) eine magnetische Anziehungskraft ausüben bzw. ausübt, wobei die Magneten (9, 9', 9'', ...) entlang einer geschlossenen und zur Drehachse (5) exzentrischen Kurvenbahn (14) im Gehäuse (4) angeordnet sind, wobei die Magneten (9, 9', 9'', ...) Permanentmagnete sind oder dass der Ringmagnet ein Permanentmagnet ist, so dass die Magneten (9, 9', 9'', ...) oder der Ringmagnet so im Gehäuse (4) platziert sind bzw. ist, dass bei Drehung des Rotors (6) um die Drehachse (5) das Kolbenelement infolge der magnetischen Anziehungskraft in der Bohrung (7) eine oszillierende Bewegung (O) ausübt.
Pumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (8) eine Kugel ist.
Pumpe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kolbenelement (8) so in der Bohrung (7) toleriert ist, dass bei der translatorischen Verschiebung des Kolbenelements (8) in der Bohrung (7) sich in der Bohrung (7) befindliches Fluid aus der Bohrung (7) heraus verdrängt wird.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gehäuse (4) und dem Rotor (6) an zwei sich gegenüberliegenden Stellen des Rotors (6) je eine Dichtung (10, 11) angeordnet oder ausgebildet ist.
Pumpe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtung (10, 11) durch eine Engstelle zwischen Rotor (6) und Gehäuse (4) gebildet wird.
Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dichtstellen (10, 11) und dem Ansaugbereich (2) ein Strömungskanal (12) für anzusaugendes Fluid ausgebildet ist.
Pumpe nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Dichtstellen (10, 11) und dem Abgabebereich (3) ein Strömungskanal (13) für abzugebendes Fluid ausgebildet ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kurvenbahn (14) eine Kreisbahn ist.
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D) der Bohrung (7) um einen Betrag zwischen 0,05 mm und 0,3 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 mm und 0,2 mm, größer ist als der Durchmesser (d) des Kolbenelements (8), insbesondere der Kugel (8).
Pumpe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche der Bohrung (7) mit einer Hartstoffschicht versehen ist.