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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Förderung von Schüttgut.
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Bereits in der Antike waren archimedische Schrauben als Förderanlagen bekannt. Mittels eines Rohres, in dem eine sich um eine Mittelachse drehende Spirale angeordnet ist, können diese Förderanlagen Wasser anheben, um höher gelegene Orte mit Wasser zu versorgen. Mit derartigen Fördereinrichtungen kann auch Schüttgut transportiert werden.
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DE 370 896 A beschreibt eine Schleudertrommel, bei welcher Flüssigkeit durch die Zentrifugalkraft nach außen über am Umfang angeordnete Leisten transportiert wird.
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Aus
EP 2 883 818 A1 ist bekannt, Schüttgut mittels eines Förderbandes auf ein höheres Niveau zu transportieren.
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DE 10 2013 112 936 A1 beschreibt eine Fördereinrichtung, welche mittels einer Druckquelle Gegenstände wie Schrauben und andere Montagelemente in einer Vereinzelungseinrichtung und stromab dieser befördert.
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In
DE 34 09 149 A1 ist eine Rotationsverdrängermaschine zur Verdichtung und Förderung von Gasen und Flüssigkeiten mit mindestens zwei Kammern beschrieben. In einem Zylinder rotieren Scheiben mit Einbuchtungen. In dem äußeren Zylinder sind Wälzkörper angeordnet, welche bei der Rotation auf die Scheiben drücken und dabei die Einbuchtungen in zwei Kammern aufteilen; diese Kammern ändern bei der Rotation ihr Volumen. Gas oder Flüssigkeit wird dadurch in sich vergrößernde Kammern eingesaugt und aus sich verkleinernden Kammern herausgedrückt.
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Bei einer aus
US 2015 / 0 167 668 A1 bekannten Pumpe befindet sich in einem Zylinder ein wankelähnlicher, rotierenden Scheibe. Zwei gegenüberliegende Separatoren drücken auf den rotierenden Scheiben. Hierdurch entsteht bei der Rotation auf der einen Seite der Separatoren durch die Volumenvergrößerung ein Unterdruck, während auf der anderen Seite der Separatoren ein Überdruck durch die Kompression entsteht. Mehrere dieser Scheiben sind auf einer Welle hintereinander angeordnet, so dass der Auslass einer Scheibe in den Einlass der nächsten Scheibe mündet, so dass der Druck stufenweise erhöht wird.
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WO 2017/ 129 794 A1 zeigt einen Drehkolben einer Drehkolbenpumpe, der aus mehreren verbundenen Gerüstblechen gefertigt wird.
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Ein ähnliches Grundprinzip ist aus
WO 93 / 013 296 A1 bekannt. In einem Zylinder ist ein Rotationskolben mit 5 Kammern angeordnet. Trennschieber drücken bei der Rotation in diese Kammern, wodurch das Medium auf den beiden Seiten der Trennschieber entweder angesaugt oder herausgedrückt wird.
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EP 520 943 B1 offenbart eine Verdrängerpumpe mit spiralförmigen Förderräumen, in denen exzentrisch versetzt gelagert spiralförmige Verdrängungskörper angeordnet sind, so dass bei der Drehbewegung am Eingang zunächst ein Unterdruck durch eine Vergrößerung des Raums zwischen Förderräumen und Verdrängungskörper geschaffen wird, das Fördergut bei einer weiteren Drehung eingeschlossen und dann durch eine Verkleinerung des Raums das Fördergut mit Überdruck aus einem Auslass gedrückt wird.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine neuartige Fördervorrichtung zu schaffen, welche eine Förderung von Schüttgut ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer Fördervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die erfindungsgemäße Fördervorrichtung verfügt über ein rotationssymmetrisches Gehäuse, in dem ein Verdrängungskörper angeordnet ist. Der Verdrängungskörper ist um eine in der Mitte des rotationssymmetrischen Gehäuses positionierte Drehachse positioniert. Das Gehäuse weist einen Einlass auf.
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Der Verdrängungskörper besteht aus mehreren Scheiben. Unter einer Schiebe wird im Zusammenhang mit der Erfindung ein flacher Gegenstand verstanden, welcher zumeist eine relativ geringe Höhe im Vergleich zur Fläche aufweist. Bevorzugt handelt es sich um eine um Aussparungen reduzierte Scheibe. Jede Scheibe verfügt über eine Außenkontur, welche entsteht, wenn ausgehend von einem Maximalradius rmax zur Drehachse bei einer Drehbewegung über einen Drehwinkel kleiner oder gleich 360° um die Drehachse der Radius r von der Drehachse (5) zur Außenkontur bis zu einem Minimalradius rmin abnimmt und dann wieder vom Minimalradius rmin zum Maximalradius rmax ansteigt.
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Die Scheiben sind mit Richtung des Verlaufs der Drehachse kontinuierlich mit einem Drehversatz angeordnet. Auf jede Scheibe drückt ein Separator, wobei der Separator nahezu die gleiche Dicke aufweist wie die Scheibe. Die Separatoren der Scheiben sind nebeneinander angeordnet. Im Gehäuse ist mindestens eine Öffnung zur Durchführung der Separatoren vorgesehen. Hierdurch ist es möglich, mittels des aus den Scheiben bestehenden Verdrängungskörpers mit den Separatoren den Raum innerhalb des Gehäuses in zwei Bereiche zu trennen. Der eine Bereich befindet sich in Drehrichtung auf der einen Seite der Separatoren und der andere Bereich entgegen der Drehrichtung auf der anderen Seite der Separatoren.
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Auf der dem Einlass abgewandten Seite ist ein Auslass angeordnet.
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Bei der Außenkontur der Scheiben in dem Bereich, in dem sich der Radius r ändert, kann es sich um die Kontur eines Teils einer archimedischen Spirale handeln. Der Radius r einer archimedischen Spirale nimmt mit dem Drehwinkel φ zu. r = f(φ), beispielsweise r = a * φ. Die Kontur geht in diesem Fall jedoch nicht von einem Radius von null aus, sondern von rmin und reicht bis rmax.; dementsprechend lautet in diesem Fall die Formel r = rmin + a * φ. Erfindungsgemäß sind auch andere Kurvenverläufe möglich.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich durch die Merkmale der abhängigen Ansprüche.
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Entspricht der Maximalradius rmax dem halben Innendurchmesser des Gehäuses, so dichten die Scheiben zum Gehäuse hin ab. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass zumindest ein geringer Spalt bestehen sollte, um eine Drehung zu ermöglichen oder eine Dichtung vorgesehen ist.
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Der Einlass kann sich über einen Teil des Gehäusequerschnitts erstrecken und vorzugsweise am äußeren Rand angeordnet sein. An dieser Stellung erfolgt dann die Zufuhr.
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Der Einlass kann auch seitlich durch die Gehäusewand erfolgen. Hierzu eignet sich vorzugsweise die Höhe der in Förderrichtung ersten Scheibe in Gegendrehrichtung neben dem Separator.
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Die Scheiben können jeweils separate Bauteile sein, welche zusammengesetzt den Verdrängungskörper bilden.
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Die Ränder der Scheiben können parallel oder schräg zur Drehachse verlaufen.
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Alternativ können die Scheiben Teil eines einteiligen Verdrängungskörpers sein.
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Ist die Außenkontur der Scheiben zumindest zwischen Maximalradius rmax und Minimalradius rmin mit einer Dichtung umschlossen, so ist Dichtheit zwischen Gehäuse und Scheiben gewährleistet.
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Auch die Spitze der Separatoren, welche mit den Scheiben in Kontakt sind, können mit einer Dichtung umschlossen sein, um eine dichte Separierung zwischen den beiden zuvor beschriebenen Räumen in beziehungsweise gegen die Drehrichtung zu gewährleisten.
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Die Separatoren können mittels Federkraft auf die Scheiben drücken; hierbei kann es sich um metallische Federn, Gasfedern oder sonstige Federn handeln.
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Alternativ können die Separatoren mittels Aktoren auf die Scheiben drücken.
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Die Erfindung wird nun anhand der Figuren detailliert erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 einen erfindungsgemäßen Verdrängungskörper mit Separatoren in perspektivischer Darstellung,
- 2 denselben erfindungsgemäßen Verdrängungskörper mit Separatoren in Richtung der Drehachse,
- 3 denselben erfindungsgemäßen Verdrängungskörper mit Separatoren senkrecht zur Drehachse,
- 4 eine erfindungsgemäße Fördervorrichtung mit Verdrängungskörper und Separatoren in einem Gehäuse in einer ersten Stellung,
- 5 die erfindungsgemäße Fördervorrichtung mit Verdrängungskörper und Separatoren in einem Gehäuse aus 4 in einer zweiten Stellung,
- 6 die erfindungsgemäße Fördervorrichtung mit Verdrängungskörper und Separatoren in einem Gehäuse aus 4 in einer dritten Stellung sowie
- 7 Scheiben eines Verdrängungskörpers mit Separatoren.
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Die Fördervorrichtung 1 besteht im Wesentlichen aus einem Gehäuse 2 in Form eines Hohlzylinders mit einem Einlass auf einer Seite des Gehäuses, zumeist unten, einer Vielzahl von Scheiben 3, deren Radius ausgehend von einem Maximalradius rmax sich über einen Winkel etwa 300° nach innen bis zu einem Minimalradius rmin stetig verkleinert, Separatoren und einer Abführung auf der dem Einlass abgewandten Seite zumeist im oberen Bereich des Zylinders. In dem Bereich zwischen dem Maximalradius rmax und dem Minimalradius rmin beschreibt die Außenkontur der Scheiben 3 die Form einer archimedischen Spirale.
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Die Scheiben 3 sind allesamt über eine zu den Scheiben 3 senkrechte Drehachse 5 gelagert, wobei die Drehachse 5 sich an dem Ort befindet, welcher der archimedischen Spirale beim Winkel null entspräche.
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Die 1 bis 3 zeigen einen Verdrängungskörper 8, der aus mehreren identischen Scheiben 3 besteht, welche jeweils um die Drehachse 5 mit konstantem Winkelversatz in einer Drehrichtung angeordnet sind. Die Scheiben 3 sind übereinander mit jeweils einem bestimmten Winkelversatz angeordnet, so dass eine gestufte Spiralwendel entsteht. Im vorliegenden Fall sind die Scheiben 3 mit einem stetigen Winkelversatz von oben nach unten von rund 45° angeordnet. Hierdurch entsteht eine Stufung auf der Ober- und Unterseite. Seitlich drückt auf jede Scheibe 3 ein Separator 4, wobei der Separator 4 nahezu die gleiche Dicke aufweist wie die Scheibe 3. Die Separatoren 4 der einzelnen Scheiben 3 sind in Förderrichtung übereinander angeordnet. Während die Scheiben 3 fest miteinander verbunden sind, sind die Separatoren 4 in Richtung senkrecht zu den Rändern der Scheiben 3 verschiebbar, so dass sie sich bezüglich der Drehachse 5 stets auf gleicher Höhe befinden, aber der Abstand zwischen Drehachse 5 und den Separatoren 4 in Abhängigkeit des Radius r veränderbar ist.
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4 zeigt eine erfindungsgemäße Fördervorrichtung 1, bei welcher der Verdrängungskörper 8 und die Separatoren 4 aus den 1 bis 3 in einem Gehäuse 2 angeordnet sind. Der um die Drehachse 5 gelagerte Verdrängungskörper 8 reicht an der Stelle des äußeren Radius rmax, der sich über einen Winkel von etwa 60° erstreckt, bis zum Gehäuse 2. Der Maximalradius rmax entspricht nahezu dem halben Innendurchmesser des Gehäuses 2. Hier ist entweder ein kleiner Spalt oder eine Dichtung vorhanden, damit einerseits möglichst nichts oder wenig zwischen Verdrängungskörper 8 und Gehäuse 2 gelangen kann und andererseits eine Drehung des Verdrängungskörpers 8 möglich ist. Durch den Verdrängungskörper 8 mit den stufig versetzen Scheiben 3 wird in dem Gehäuse der Fördervorrichtung 1 ein Teil des inneren Volumens für Fördergut blockiert, während der Rest frei ist.
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Mehrere Separatoren 4 ragen seitlich durch die Wand des Gehäuses 2 und drücken auf die Scheiben 3. Durch die Separatoren 4 wird der freie Raum in der Fördervorrichtung 1 in zwei Räume 7, 8 geteilt. Während des Betriebs der Fördervorrichtung 1, bei welchem der Verdrängungskörper 8 im Ausführungsbeispiel im Uhrzeigersinn gedreht wird (siehe Pfeil in den 4 bis 6 um die Drehachse 5), befindet sich Fördergut im Förderraum 6, der sich entgegen der Drehrichtung neben den Separatoren 4 zwischen Verdrängungskörper 8 und Gehäuse 2 befindet. Auf der anderen Seite der Separatoren 4 in Drehrichtung zwischen Verdrängungskörper 8 und Gehäuse 2 befindet sich ein Freiraum 7.
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Beim Betrieb wird der Fördervorrichtung 1 Fördergut auf der der Blickrichtung gemäß 4 bis 6 abgewandten Seite zugeführt. Die Beschreibung des kontinuierlichen Fördervorgangs wird im Folgenden mit der Position begonnen, in welcher bei der ersten Scheibe 3 in Förderrichtung der Separator 4 an dem äußeren Radius rmax anliegt; die unterste Scheibe 3 befindet sich dann in der Position, in welcher sich in 6 die oberste Scheibe 3 befindet. Der Verdrängungskörper 8 wird im Uhrzeigersinn gedreht, wodurch der Separator 4 die Stelle der Scheibe 3 überschreitet, an welcher der Radius vom Maximalradius rmax auf den Minimalradius rmin abfällt. Der Separator 4 wird durch eine nicht dargestellte Feder in Richtung der Drehachse 5 gedrückt. In den Förderraum 6, der sich entgegen der Drehrichtung neben dem Separator 4 befindet strömt Fördergut ein. Mit der weiteren Drehung entsteht in Richtung der Drehbewegung neben dem Separator ein Freiraum 7, welcher auf Höhe der entsprechenden Scheibe 3 mit der Drehbewegung größer wird; dies ist in 5 dargestellt. Mit der Drehbewegung wird hingegen der Förderraum 6 auf Höhe der entsprechenden Scheibe 3 kleiner; auch dies ist in 5 dargestellt. Das Fördergut wird somit sukzessive verdrängt und wird somit in Förderrichtung, das heißt entgegen der Blickrichtung in den 4 bis 6, zur nächsten Scheibe 3 gefördert. Hier wird in gleicher Art das Fördergut zur nächsten Scheibe 3 gefördert.
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6 zeigt den Zustand, in dem die oberste Scheibe 3 so weit gedreht wurde, dass das gesamte Fördergut aus dem Förderraum 6 in Richtung des Betrachters verdrängt wurde. Der Separator 4 liegt wieder an dem äußeren Radius rmax an.
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Der Einlass kann sich über einen Teil des Gehäusequerschnitts erstrecken und vorzugsweise am äußeren Rand angeordnet sein. Bezogen auf 4 wäre dies vorzugsweise im 1. Quadraten, also „zwischen 12 und 3 Uhr“. Der Einlass kann sich jedoch auch über den gesamten Gehäusequerschnitt erstrecken; die Scheibe 3 am Eingang verringert dann den effektiven Einlassquerschnitt.
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Bei festem und flüssigem Fördergut kann über statischen Druck ausreichend Vorschub am Eingang erzeugt werden. Dementsprechend ist ausreichend, wenn beispielsweise neben der Fördervorrichtung 1 ein Vorratsbehälter angeordnet ist, dessen Füllhöhe über den Einlass hinausragt. Bei festen Fördergut sollte dieses möglichst trocken sein, um ein Verklumpen zu vermeiden. Die Körnung sollte nicht zu grob sein; dies gilt insbesondere in Relation zur Scheibendicke, welche bei Bedarf an die Körnung anzupassen ist. Die Korngröße muss kleiner als die Scheibendicke sein, da sonst das Fördergut die Fördervorrichtung 1 verklemmt.
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Der Einlass kann auch seitlich durch das Gehäuse 2 auf der Höhe der in Förderrichtung ersten Scheibe 3 entgegen der Drehrichtung neben dem Separator 4 erfolgen. Eine Zufuhr kann über Schwerkraft beziehungsweise statischen Druck oder eine Fördervorrichtung, beispielsweise eine horizontale Förderschnecke erfolgen.
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Auch die Abführung stromab der Fördervorrichtung 1 kann sowohl über den gesamten Querschnitt des Gehäuses 2, als auch einen Teilbereich oder eine seitliche Öffnung im Gehäuse 2 erfolgen.
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Die Scheiben 3 können jeweils separate, vorzugsweise baugleiche Bauteile sein, welche zum Verdrängungskörper 8 zusammengesetzt werden. Alternativ kann der Verdrängungskörper 8 einteilig sein und beispielsweise aus dem Vollen gefräst oder gegossen werden.
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Der Form der Separatoren kommt eine besondere Bedeutung zu. Einerseits ist es vorteilhaft, wenn die Spitze der Separatoren mit einer Dichtung umschlossen ist, um ein Vorbeiströmen von Fördergut zwischen Scheibe 3 und Separator 4 zu vermeiden. Andererseits darf die Spitze insbesondere bei Schüttgut nicht zu breit sein, um beim Verschieben von Maximalradius rmax auf den Minimalradius rmin nicht auf dem Fördergut auszusitzen. Die Federkraft sollte zwar kräftig sein, jedoch nicht zu kräftig, um Verschleiß beim Aufsetzen auf dem Scheibenrand zu vermeiden. Hierzu kann jedoch auch der Hub durch entsprechende Anschläge am Gehäuse und den Separatoren vermieden werden.
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Die Scheibenränder können parallel zur Drehachse 5 verlaufen. Sie können auch schräg dazu verlaufen. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Radius der Scheiben 3 in Förderrichtung etwas abnimmt, so dass eine Schräge zur folgenden Scheibe 3 entsteht, über welche das Fördergut abgeführt wird. In diesem Fall ist auch die Spitze der Separatoren 4 entsprechend anzupassen. Die Schräge kann linear oder abgerundet verlaufen.
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Die Separatoren 4 können durch Federn oder Schwerkraft sowie pneumatische, hydrostatische oder elektromagnetische Vorrichtungen bewegt werden, so dass diese auf die Scheiben 3 drücken. Durch den veränderlichen Radius wird der Druck erhöht beziehungsweise reduziert.
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Alternativ könne die Separatoren 4 durch Aktoren verschoben werden. Bei einer aktiven Steuerung werden die Separatoren von extern in einer Weise angesteuert, so dass der aufgebaute Druck auf die Spiralscheiben je nach Bedarf angepasst werden kann. Eine aktive Steuerung wäre mechanisch (beispielsweise in Form einer Nockenwelle), elektromechanisch (beispielsweise durch Linearmotoren), oder pneumatisch/hydraulisch (beispielsweise. durch entsprechende Ventilsteuerung) denkbar.
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Die Förderanlage kann prinzipiell unterschiedliche Materialien fördern:
- 1. feste Materialien in einer Größe oder Körnung, die den Durchmesser des begrenzenden Gehäuses 2 deutlich unterschreitet.
- 2. flüssige Medien insoweit, als eine ausreichende Abdichtung der Stäbe untereinander, sowie zum sich drehenden Verdrängungskörper 8 gegeben ist.
- 3. gasförmige Medien, wobei hier der Abdichtung besondere Bedeutung zukommt. Hier können nur geringe Drücke erzeugt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fördervorrichtung
- 2
- Gehäuse
- 3
- Scheibe
- 4
- Separator
- 5
- Drehachse
- 6
- Förderraum
- 7
- Freiraum
- 8
- Verdrängungskörper