Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung bezieht sich weiter auf Pumpanlagen mit einer solchen Zahnradpumpe sowie auf die Verwendung der Zahnradpumpe, insbesondere zum Austrag hochviskoser Medien aus Vakuum gegen einen hohen Förderdruck.
Beim Austragen hochviskoser Medien aus Vakuum bzw. aus einem niedrigen Druckbereich gegen einen hohen Förderdruck wird die Pumpleistung bisheriger Zahnradpumpen durch Sieden bzw. Gasbildung im Medium und in der Folge durch Kavitation in der Zahnradpumpe sehr stark eingeschränkt. Um Gasbildung und Kavitation zu vermeiden, muss entsprechend der Zulaufdruck durch eine entsprechend hohe Zulaufhöhe, d.h. durch den statischen Druck der darüberliegenden Flüssigkeitssäule des Mediums erzeugt werden. Kavitation in der Pumpe muss unbedingt vermieden werden, denn dies lässt nicht nur die Förderleistung zusammenbrechen, es bewirkt überdies auch Schäden in der Pumpe selber. Um gute Pumpleistungen zu erreichen, wurde bei bisherigen Zahnradpumpen der Einlaufbereich so ausgeführt, dass das Medium direkt auf die Zahnräder geführt wird. Aus der US-PS 4.137.023 ist eine derartige Pumpe bekannt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Pumpe zu schaffen, welche wesentlich höhere Leistungen als bisherige Pumpen zulässt und insbesondere auch den sicheren Austrag hochviskoser Medien mit darin enthaltenen flüchtigen Komponenten aus Vakuum gegen einen hohen Förderdruck von 100 bis 250 bar mit sehr geringer Zulaufhöhe ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst mittels einer Pumpe nach Anspruch 1. In der erfindungsgemässen Pumpe wird eine Erweiterung des Einlaufquerschnitts über die rechteckige Querschnittsfläche der Zahnräder hinaus derart eingeführt, dass der Einlaufquerschnitt bei den Zahnrädern in Richtung der Zahnradachsen breiter als die Zahnräder ist. Dadurch können günstigere Zuströmungsbedingungen geschaffen und damit statt eines Druckabfalls im Einlaufbereich im Gegenteil sogar noch eine leichte Druckerhöhung, infolge des statischen Flüssigkeitsdrucks des Mediums, im Einlaufbereich erreicht werden.
Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung. Um besonders gute Pumpeneigenschaften zu erreichen, kann die Erweiterung im Einlauf bis zur Ebene der Zahnradachsen hinein reichen, und es kann die Länge R der Erweiterung mindestens 10 % grösser sein als die Länge D des Zahnradpaares. Die Erweiterung des Einlaufbereichs kann bei den Zahnrädern eine Breite C aufweisen, welche grösser ist als die Zahnbreite T, beispielsweise um mindestens 10 %. Günstige Einlaufgeometrien können weiter erreicht werden durch ein Verhältnis von Einlaufdurchmesser B zu Einlauftiefe L von mindestens 2 und durch ein Verhältnis von Erweiterungslänge R zu Einlauftiefe L, welches grösser ist als 1,85. Ein trichterförmiger Einlaufbereich kann mit Vorteil einen Oeffnungswinkel W von mindestens 55° aufweisen. Mit einem Verhältnis von Breite T zu Achsabstand Z der Zahnräder zwischen 0,9 und 1,3 kann eine günstige Zahngeometrie realisiert werden und mit einem Verhältnis von Auslaufdurchmesser A zu Diagonale D4 der Querschnittsfläche FA zwischen 0,9 und 1,1 kann eine besonders gut abgestimmte Auslaufgeometrie erreicht werden, wobei FA definiert ist durch: Zahnbreite T x Achsabstand Z. Eine kostengünstige Modulbauweise mit erfindungsgemässen Pumpen ist möglich, indem im gleichen Gehäuse z.B. verschiedene Zahngrössen mit angepasstem Einlaufbereich und Auslaufdurchmesser eingesetzt werden. Dazu kann der Auslaufdurchmesser A durch eine Einsatzbüchse passend eingestellt werden. Eine besonders leistungsfähige Pump- und Mischanlage wird gebildet mit einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe kombiniert mit einem nachgeschalteten statischen Mischelement. Und eine einfache und effiziente Pump- und Entgasungsanlage wird mit einer erfindungsgemässen Zahnradpumpe kombiniert mit einer Entgasungskammer gebildet, zum Austrag von hochviskosen Medien aus der Entgasungskammer mit hohem Förderdruck.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Figuren weiter erläutert. Es zeigt:
Die erfindungsgemässe Zahnradpumpe 1 weist nach Fig.1 einen Einlauf 4, einen Auslauf 6 und ein Zahnradpaar 2 in einem Gehäuse 3 auf. Der Einlauf 4 weist eine Erweiterung 10 auf, welche bis auf die Ebene 11 der Zahnradachsen 12 hinabreicht. In Fig.1c ist die Querschnittsfläche FZ der Zahnräder 2 dargestellt, in Form eines Rechtecks D x T mit Länge D und Breite T des Zahnradpaars. Die Erweiterung 10 mit Querschnittsfläche FE weist eine Länge R und eine Breite C auf. Die Form der Erweiterung ist gebildet aus trichter- oder kegelförmigen und ebenen Begrenzungsflächen. Der trichterförmige Teil des Einlaufs weist einen Oeffnungswinkel W auf, mit einem Einlaufdurchmesser D in der oberen Flanschebene 14. In allen Fällen ist gemäss Anspruch 1 die Querschnittsfläche FE der Erweiterung (im Bereich der Zahnradachsen) grösser als jene der Zahnräder FZ und die Diagonale D3 der Zahnradquerschnittsfläche FZ ist immer kleiner als der Einlaufdurchmesser B. Wobei in diesem Beispiel 1 sowohl die Länge R als auch die Breite C der Erweiterung FE grösser ist als die entsprechende Länge D und die Breite T der Zahnradquerschnittsfläche FZ.
Weitere Beispiele von Querschnittsflächen FE zeigen die Fig.3 und 4. Die Querschnittsfläche 32 in Fig.3 ist ebenfalls rechteckförmig wie die Zahnradquerschnittsfläche FZ. Die Querschnittsfläche 33 von Fig.4 zeigt als weiteres vorteilhaftes Beispiel eine gerundete, sichelförmige Erweiterung 33 im Bereich der aussenliegenden Zähne des Zahnradpaares 2. In Fig.4 ist auch die Querschnittsfläche FA dargestellt, welche gebildet ist durch Achsabstand Z und Zahnbreite T. Der Auslaufdurchmesser A sollte dann im wesentlichen der Diagonalen D4 dieser Querschnittsfläche FA entsprechen. Das Verhältnis von Auslaufdurchmesser A zu Diagonale D4 liegt vorzugsweise im Bereich 0,9 bis 1,1. Mit wählbaren Einsatzbüchsen 15 (Fig.1a,b) und mit Variation der Zahnbreite T und Anpassung der Einlauferweiterung 10 können mehrere Leistungsgrössen der Zahnradpumpe im gleichen Gehäuse 2 auf einfache und kostengünstige Art realisiert werden.
Die Fig.5 und 6 zeigen weitere Beispiele für den vertikalen Verlauf der Erweiterung 10. In Fig.5 läuft die Erweiterung 10 zuerst senkrecht nach unten und biegt dann mit einer Rundung 34 in die Achsebene 11 ein. In Fig.6 verjüngt sich die Erweiterung 10, begrenzt durch die abgesetzt schrägen Ebenen 35, bis zur Achsebene 11.
Die Fig.7 zeigt für eine bisherige - Kurve 28 - und eine erfindungsgemässe Zahnradpumpe - Kurve 29 - den Druckverlauf im Einlaufbereich (bei gleicher Fördermenge und gleicher Produktviskosität). Hier ist aufgetragen, wie der Druck P, ausgehend von einem Referenzdruck 0 beim Einlaufflansch 14, in Funktion der Tiefe H bis zu den Zahnrädern verläuft. Während bei bisherigen Pumpen gemäss Kurve 28 bis zur Tiefe L ein Druckabfall DP1 von z.B. 10 mbar auftritt, ist bei der erfindungsgemässen Pumpe nach Kurve 29 sogar eine leichte Druckerhöhung DP2 von z.B. 7 mbar möglich. Die Verbesserung besteht also in einer ganz wesentlichen Druckdifferenz DP = DP1 + DP2 von z.B. 17 mbar. Dies bedeutet, dass eine dieser Differenz entsprechend geringere Füllhöhe NPSH (nach Fig.8) erforderlich ist, um Kavitation in der Pumpe zu vermeiden. Fig.8 zeigt eine Anlage zum Pumpen, Mischen und Entgasen von Polymerschmelzen, z.B. von PE, PS oder PMMA mit einem Eingang 21, einer Entgasungskammer 25, einer erfindungsgemässen Pumpe 1, welche in ein statisches Mischelement 20 fördert und mit einem Ausgang 24. Ueber einen Brüdenabzug 22 werden Lösungsmittel und Monomere aus der Entgasungskammer 25 abgezogen. Ueber einen weiteren Zugang 26 können eingangs des Mischers 20 z.B. Additive zugeführt werden. Mit der erfindungsgemässen Zahnradpumpe bzw. mit einer Anlage nach Fig.8 kann vor allem auch die immer wichtigere Hochentgasung in der Kunststoffaufbereitung mit dem relativ einfachen statischen Entgasungsverfahren wirtschaftlich ausgeführt werden.