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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine elektrisch angetriebene Pumpe mit einem in einer Pumpkammer
rotierenden Flügelrad.
Derartige Pumpen werden in einer Vielzahl von Anwendungsfeldern
eingesetzt, wo Flüssigkeiten
gegen einen geringen Gegendruck bewegt werden müssen, wie etwa zum Umwälzen von
Waschflüssigkeiten
in Geschirrspülmaschinen
oder Waschmaschinen, als Kühlwasserpumpen
für Brennkraftmaschinen,
als Lenzpumpen auf Schiffen etc.
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Die meisten Pumpen für Flüssigkeiten
haben einen zweiteiligen Aufbau mit einem Motor, der eine Welle
antreibt, und einem in Längsrichtung
der Welle an den Motor anschließenden,
von der Welle angetriebenen Pumpenkopf. Eine solche Anordnung führt zu einer
in Richtung der Welle langgestreckten Bauform der Pumpe, die nicht
für alle
Einbausituationen in Geräten,
in denen eine solche Pumpe zum Einsatz kommt, gut geeignet ist.
So ist zum Beispiel in einer Spülmaschine
eine Pumpe zum Umwälzen
der Spülflüssigkeit
im Allgemeinen unterhalb einer Spülkammer angeordnet. Die Bauhöhe der Pumpe
sollte möglichst
niedrig sein, um die bei vorgegebener Gehäusehöhe der Spülmaschine erreichbare Höhe der Spülkammer
nicht unnötig
zu beschränken.
Dies zwingt dazu, die herkömmlichen
Pumpen mit axial langgestreckter Bauform mit horizontal orientierter Welle
einzubauen. Die Bauhöhe
einer solchen Pumpe lässt
sich nur verringern, wenn der Durchmesser ihrer rotierenden Teile
reduziert wird, was die Leistungsfähigkeit beeinträchtigt.
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Ein weiterer Nachteil des herkömmlichen Konstruktionsprinzips
ist, dass die zum Pumpenkopf führende
Welle zuverlässig
abgedichtet sein muss, um den Motor vor aus dem Pumpenkopf austretender Flüssigkeit
zu schützen.
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Um das Problem der Abdichtung zu
lösen und
gleichzeitig den Rotor der elektrischen Maschine zu kühlen, wurde
in
DE 199 03 817 A1 vorgeschlagen,
das Flügelrad
einer Kühlwasserpumpe
für ein Kraftfahrzeug
wenigstens teilweise aus einem magnetischen Material zu fertigen,
welches gleichzeitig als Rotor einer das Flügelrad antreibenden elektrischen
Maschine dient. Diese Pumpe kommt zwar ohne eine Drehwelle mit Drehdurchführung zwischen der
elektrischen Maschine und dem Pumpenkopf aus, sie ermöglicht jedoch
keine Verkürzung
der Baulänge
der Pumpe in axialer Richtung. Vielmehr wird ein in axialer Richtung
ungewöhnlich
langgestrecktes Schaufelrad verwendet, dass hinsichtlich seiner Funktion
in der axialen Richtung in zwei Abschnitte aufgegliedert werden
kann, einen Abschnitt, der tief in einen vom Stator der elektrischen
Maschine umgebenden Teil der Pumpkammer eintaucht und, indem er
dort dem Feld des Stators ausgesetzt ist, als Rotor fungiert, aber
praktisch keine Pumpwirkung entfaltet, und einen zweiten Abschnitt,
der kaum noch vom Feld des Stators erfasst wird, der dafür aber in
Höhe von
Ein- und Auslass der Pumpkammer liegt und somit praktisch ausschließlich Pumpwirkung
entfaltet. Das eingangs erwähnte
Konstruktionsprinzip, dem zufolge Motor und Pumpenkopf in Längsrichtung
der Welle nebeneinander liegen, ist auch bei dieser herkömmlichen
Pumpe befolgt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist, eine elektrisch angetriebene Pumpe zu schaffen, die eine gegenüber herkömmlichen
Pumpen bei gleichbleibender Pumpleistung verringerte Baulänge in axialer Richtung
aufweist und dadurch an die Einbaubedingungen in bestimmten Geräten besser
angepasst ist und eine bessere Raumausnutzung ermöglicht als herkömmliche
Flügelradpumpen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch
eine Pumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Indem ein zentraler
Durchgang des Rotors vorgesehen wird, durch den der Strömungsweg
vom Einlass zum Auslass der Pumpkammer der Pumpe gelegt ist, gelingt
es, die Funktionen des Pumpenkopfs und des elektrischen Antriebs
auf gleicher Höhe
entlang der Achse der Pumpe zu realisieren und damit die Baulänge der Pumpe
in axialer Richtung zu verringern.
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Bei den meisten herkömmlichen
Flügelradpumpen
weist das Flügelrad
eine Nabe auf, von der die Flügel
abstehen, und die freien Enden der Flügel rotieren entlang einer
stationären
Gehäusewand
der Pumpe. Bei der erfindungsgemäßen Pumpe
ist der Strömungsweg
nicht durch diese Gehäusewand
begrenzt, sondern durch einen Radkranz, der Teil des Flügelrades
ist und über
die Flügel
mit dessen Nabe verbunden ist. Dieser Radkranz trägt den Rotor
der elektrischen Maschine.
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Die elektrische Maschine ist vorzugsweise vom
durch wenigstens einen Permanentmagneten erregten Typ, insbesondere
eine bürstenlose
Gleichstrommaschine.
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Der wenigstens eine Permanentmagnet
einer solchen Maschine ist vorzugsweise einteilig von dem Radkranz
umgeben, um ihn vor dem Kontakt mit der zu pumpenden Flüssigkeit
zu schützen.
Zu diesem Zweck können
der Radkranz bzw. vorzugsweise das gesamte Flügelrad durch Umspritzen des
Permanentmagneten mit einem Kunststoffmaterial hergestellt sein.
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Ein Stator der elektrischen Maschine
ist vorzugsweise radial außerhalb
des Rotors angeordnet. Eine Wand der Pumpkammer verläuft dann
zweckmäßigerweise
durch einen zwischen Stator und Rotor gebildeten Spalt.
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Um den Zusammenbau der Pumpe zu vereinfachen,
ist das Gehäuse
der Pumpe vorzugsweise aus einem ersten und einem zweiten Teil aufgebaut, wobei
der erste Teil einen zylindrischen Abschnitt, bei dem es sich insbesondere
um die durch den Spalt zwischen Stator und Rotor verlaufende Wand
handeln kann, eine den Einlass begrenzende, einwärts gerichtete Schulter an
einem ersten Ende des zylindrischen Abschnitts und eine auswärts gerichtete Schulter
an einem zweiten Ende des zylindrischen Abschnitts umfasst, und
der zweite Teil einen an der zweiten Schulter montierbaren Deckel
bildet. So kann das Flügelrad
einfach von dem zweiten Ende her in den zylindrischen Abschnitt
des ersten Gehäuseteils
eingeschoben und darin durch Montieren des Deckels eingeschlossen
werden, während
der Stator von der ersten Seite des zylindrischen Abschnitts her aufgeschoben
werden kann.
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Eine Fassung für je ein Ende einer Welle des Flügelrades
ist zweckmäßigerweise
an jedem der zwei Teile des Gehäuses
gebildet.
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Die Tatsache, dass bei der erfindungsgemäßen Pumpe
das Flügelrad
direkt mit dem Rotor verbunden ist, erlaubt es, beide drehbar an
einer stationären
Welle zu montieren.
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Um eine reibungsarme Aufhängung des
Flügelrades
zu erzielen, ist dieses vorzugsweise über wenigstens ein Ringlager
an der Welle gelagert. Zweckmäßigerweise
ist ein solches Ringlager fest mit dem Flügelrad verbunden und um die
stationäre Welle
drehbar. Das Flügelrad
selbst ist somit keiner direkten Reibungsbelastung ausgesetzt und
kann daher aus einem preiswerten Material mit geringer Reibungsbelastbarkeit
gefertigt sein, ohne dass dies die Lebensdauer der Pumpe beeinträchtigt.
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An der Innenfläche des Ringlagers ist wenigstens
ein axialer Kanal vorgesehen. In diesen Kanal kann die von der Pumpe
gepumpte Flüssigkeit eindringen,
wodurch zum einen das Lager gekühlt wird
und zum anderen die Ausbildung eines reibungsmindernden Flüssigkeitsfilms
zwischen der Innenfläche
des Ringlagers und der Welle gefördert wird.
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Das Ringlager weist zweckmäßigerweise zwei
Abschnitte mit unterschiedlichen Außendurchmessern auf, wobei
ein erster Abschnitt mit kleinem Außendurchmesser in eine zentrale
Bohrung des Flügelrades
eingreift und der zweite Abschnitt mit größerem Außendurchmesser außerhalb
der zentralen Bohrung zu liegen kommt und so einen Anschlag bildet,
der die axiale Position des Ringlagers an dem Flügelrad festlegt.
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Um eine stabile Führung zu erreichen, sind vorzugsweise
zwei Ringlager von entgegengesetzen Enden her in die zentrale Bohrung
des Flügelrades eingeführt. Diese
zwei Ringlager sind vorzugsweise identisch.
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Die erfindungsgemäße Pumpe eignet sich besonders,
um in einem Gerät
wie etwa einer Spülmaschine
mit vertikal orientierter Achse des Flügelrades eingebaut zu werden.
Auf diese Weise beansprucht die Pumpe nur eine geringe Höhe innerhalb eines
zugunsten der Spülkammer
möglichst
niedrig zu haltenden Einbauraums unterhalb der Spülkammer
der im Vergleich zu einer herkömmlichen
Pumpe gleicher Leistung eventuell vergrößerte Durchmesser der erfindungsgemäßen Pumpe
wirft im allgemeinen in einem solchen Einbauraum mit geringen vertikalen aber
großen
seitlichen Abmessungen keine Probleme auf.
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Wenn die Pumpe mit vertikal orientierter Achse
eingebaut ist, ist es auch zweckmäßig, das der Einlass höher als
der Auslass gelegen ist. Im Betrieb einer solchen Pumpe ist nämlich deren
Flügelrad
einem in Richtung des Einlasses wirkenden Druck des gepumpten Mediums
ausgesetzt, so dass bei hochgelegenem Einlass auf die Lager des
Flügelrades wirkende
axiale Kräfte,
die zum Einen durch diesen Druck und zum Anderen durch das Gewicht
des Flügelrades
verursacht sind, einander wenigstens teilweise kompensieren und
so zu einer geringen Lagerbelastung führen.
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Um diejenige Fassung, die bei Drehung
des Flügelrades
axial belastet ist, vor Reibverschleiß zu schützen, ist vorzugsweise an einem
Ende der Welle eine Unterlegscheibe drehfest angebracht, die bei montierter
Welle zwischen der Fassung und ihr benachbarten rotierenden Teilen
zu liegen kommt. Wenn die Pumpe mit ausreichender Leistung betrieben
wird, kann davon ausgegangen werden, dass die in Richtung des Einlasses
wirkende Druckkraft die Gewichtskraft des Flügelrades unabhängig von
der Einbaulage überwiegt,
so dass das Ende der Welle, an dem die Unterlegscheibe angebracht
ist, vorzugsweise das einlassseitige Ende der Welle sein wird.
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Weitere Merkmale und Vorteile der
Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels
mit Bezug auf die beigefügten
Figuren.
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1 zeigt
einen axialen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Pumpe,
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2 zeigt
die einzelnen Teile der Pumpe in einer auseinandergezogenen Darstellung
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht der Welle der Pumpe, und
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4 zeigt
eine perspektivische Ansicht eines Ringlagers der Pumpe.
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Das Gehäuse der Pumpe setzt sich zusammen
aus zwei Teilen 1, 2, die z. B. im Spritzguss
aus Kunststoff einteilig gefertigt sind. Das erste Gehäuseteil 1 weist
einen zylindrischen Abschnitt 3 auf, an dessen zwei Enden
eine sich im Bezug auf die Achse des zylindrischen Abschnitts 3 radial
nach innen erstreckende Schulter 4 bzw. eine radial nach
außen erstreckende
Schulter 5 angeformt sind. Die sich nach innen erstreckende
Schulter 4 begrenzt eine Einlassöffnung 6 der Pumpe.
In der Mitte dieser Einlassöffnung 6 ist
eine Fassung 7 für
eine Welle 18 durch Streben 8 gehalten, die die
Fassung 7 mit der einwärts
gerichteten Schulter 4 verbinden.
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An der vom zylindrischen Abschnitt 3 abgewandten
Seite der nach außen
gerichteten Schulter 5 ist konzentrisch zur Achse eine
umlaufende Rippe 9 geformt. Die Rippe 9 hat eine
gleichmäßig zu einem Viertelkreis
gekrümmte
Innenfläche
und eine zylindrische Außenfläche, auf
die eine zylindrische Außenwand 10 des
zweiten Gehäuseteils 2 aufgesteckt
ist. In einem flachen Boden des Gehäuseteils 2 ist eine zweite
Fassung 13 für
das gegenüberliegende
Ende der Welle 18 vorgesehen. Der Boden 11 und
die Außenwand 10 sind durch eine umlaufende Rinne 13 miteinander
verbunden, deren freier Querschnitt jeweils in Höhe eines von der Rinne 13 ausgehenden Auslassstutzens 14 maximal
ist und von dort ausgehend zu einem diametral gegenüberliegenden
Punkt der Rinne 13 in beiden Richtungen gleichmäßig abnimmt.
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Der Boden 11, der zylindrische
Abschnitt 3 und die nach innen gerichtete Schulter 4 begrenzen eine
zylindrische Pumpkammer, in der ein Flügelrad 15 um die Welle 18 drehbar
gehalten ist. Das Flügelrad 15 hat
in an sich bekannter Weise eine Nabe 16 in Form eines Rotationshyperboloids
oder eines Kegels, dessen Öffnungswinkel
sich zum Scheitel hin, d.h. zur Einlassöffnung 6 hin, fortschreitend
verengt, und die eine Mehrzahl von Flügeln 17 trägt, die
sich jeweils in einer durch die Längsachse der Pumpe verlaufenden
Ebene erstrecken. Die Nabe 16 hat eine axiale Bohrung,
deren Durchmesser größer ist
als der der durch sie hindurch verlaufenden, in den Fassungen 7, 12 gehaltenen
Welle 18.
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Die Welle 18 ist in 3 in einer perspektivischen
Ansicht gezeigt. Sie hat die Form eines im wesentlichen zylindrischen
Metallstabes, der an seinen zwei Enden mit achsenparallelen Abflachungen 25 versehen
ist, die den Enden jeweils einen unrunden Querschnitt verleihen.
Die Fassungen 7, 12 sind jeweils komplementär zu diesem
unrunden Querschnitt geformt, so dass die Welle 18 in dem
Pumpengehäuse
drehfest gehalten ist. Auf eines der Enden der Welle 18 ist
eine metallische Unterlegscheibe 28 lose aufgeschoben.
Sie hat eine zentrale Öffnung
mit einer zum abgeflachten Ende der Welle 18 komplementären Form,
so dass sie über
die axiale Ausdehnung der Abflachung 25 hinweg verschiebbar,
aber nicht drehbar ist.
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Das Flügelrad 15 ist an der
Welle 18 mit Hilfe von zwei identischen Ringlagern 27 gehalten,
von denen eines in perspektivischer Ansicht in 4 gezeigt ist. Das Ringlager 27 ist
eine einteilige Hülse aus
Metall. Es weist in axialer Richtung zwei aufeinander folgende Abschnitte 29, 30 auf,
die über
eine radiale Schulter (in 4 vom
Betrachter abgewandt) verbunden sind. Der Außendurchmesser des schmaleren
Abschnitts ist so bemessen, dass er in die axiale Bohrung der Nabe 16 einpressbar
ist; während
der zweite Abschnitt, wie in 2 gezeigt,
in axialer Richtung über
die Nabe 16 übersteht.
Der Innendurchmesser einer zentralen Bohrung des Ringlagers 27 ist
geringfügig
größer als
der Außendurchmesser
der Welle 18, wobei das Spiel zwischen beiden so bemessen
ist, dass sich im Betrieb der Pumpe zwischen beiden ein Film aus
der zu pumpenden Flüssigkeit
ausbilden kann. Das Eindringen der Flüssigkeit zwischen das Ringlager 27 und
die Welle 18 wird begünstigt
durch zwei radiale Schlitze 31, die an der Stirnseite des
Abschnitts 30 gebildet sind und auf jeweils einen Kanal 32 münden, der
sich in axialer Richtung über
die Innenfläche 33 der
Bohrung erstreckt.
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Die Flügel 17 des Flügelrades 15 tragen
einen Radkranz 19, der in ähnlicher Weise wie die Oberfläche der
Nabe 16 gekrümmt
ist und zusammen mit dieser einen Strömungsweg 20 begrenzt, der
von der Einlassöffnung 6 zunächst axial
nach unten verläuft,
um dann immer weiter in die radiale Richtung abzubiegen, und schließlich aus
dem Flügelrad 15 an
dessen Umfangsfläche
austritt und die Rinne 12 erreicht.
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An der der Einlassöffnung 6 zugewandten Seite
des Radkranzes 19, wo der Strömungsweg 20 noch nicht
in radialer Richtung auseinanderläuft, ist ein Permanentmagnet 21 und
eine Blechpackung 22 in den Radkranz eingebettet. Magnet 21 und
Blechpackung 22 bilden einen Ring, durch den der Strömungsweg 20 hindurch
verläuft.
Um diesen Ring herum ist ein Kranz von Elektromagneten 23 angeordnet.
Der Permanentmagnet 21 und Elektromagnete 23 bilden
den Rotor bzw. den Stator eines bürstenlosen, elektronisch kommutierten
Gleichstrommotors. Durch einen Luftspalt zwischen Permanent- und Elektromagneten
erstrecken sich der zylindrische Abschnitt 3 des ersten
Gehäuseteils 1,
der in Höhe dieser
Magnete nur eine Dicke von Millimeterbruchteilen hat, und eine den
Permanentmagneten 21 einschließende dünne Schicht des Radkranzes 19.
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Der Radkranz 19 ist ringsum
von der die Pumpe durchströmenden
Flüssigkeit
umgeben. Da Permanentmagnet 21 und Blechpackung 22 vom Material
des Radkranzes 19 dicht umspritzt sind, sind sie vor der
Flüssigkeit
geschützt.
Die Elektromagnete 23 sind von der Flüssigkeit durch die einteilige,
dichte Wand des ersten Gehäuseteils 1 getrennt.
Eine Drehdurchführung,
die im Laufe des Betriebs undicht werden und den Durchtritt von
zu pumpender Flüssigkeit
zu stromführenden
Teilen der Pumpe ermöglichen
könnte,
ist nicht vorhanden. Die einzigen Dichtungen, die an der erfindungsgemäßen Pumpe
benötigt
werden, sind die zwischen den zwei Gehäuseteilen 1, 2,
die z. B. durch eine Klebung, Ultraschallschweißung oder dergleichen realisiert
werden kann, zwischen dem ersten Gehäuseteil 1 und einem
Anschluss einer Zufuhrleitung, hier durch einen in eine Nut des
Gehäuseteils 1 eingebetteten
Elastomer-Dichtring 24 realisiert, und zwischen dem Auslassstutzen 14 und
einer daran angeschlossenen (nicht dargestellten) Leitung. An keiner
dieser Dichtungen sind zu dichtende Teile gegeneinander beweglich,
was eine gute Langzeit-Dichtheit erwarten lässt.