Die Erfindung betrifft eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, wie sie aus der DE 298 22 717 U1 bekannt ist.

Die Kreiselpumpen mit Magnetkupplung stellen eine wichtige Art industriell verwendeter Maschinen zur Förderung von Flüssigkeiten dar. Gegenüber den einfacheren Kreiselpumpen mit Gleitringdichtung weisen sie den Vorteil einer hermetischen Abdichtung des Pumpenraumes auf. Dies lässt sie insbesondere zur Förderung aggressiver oder giftiger Flüssigkeiten günstig erscheinen.

In den meisten ausgeführten Fällen kommen koaxiale Drehkupplungen mit radialer Anordnung der Magnete und entsprechend radialen magnetischen Wirklinien zur Anwendung. Nur diese Bauart wird im Folgenden weiter betrachtet und ist auch Gegenstand der Anmeldung.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die radiale Lagerung im Bereich der Magnetkupplung einer gattungsgemäßen Kreiselpumpe zu verbessern. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Kreiselpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Wenn der Magnettreiber über mindestens ein im Bereich des Innenraumes der Laufrad-Magnetrotor-Einheit angeordnetes Lager verfügt, kann dadurch die Pumpenbaulänge trotz eigenständiger Lagerung des Magnettreibers innerhalb der Pumpe erheblich verkürzt werden. Für die Magnettreiber-Lagerung werden bevorzugt Wälzlager verwendet. Die Wälzlagerung des Magnettreibers bleibt von der Förderflüssigkeit unberührt. Hierzu dient vorzugsweise ein ansich bekannter, zwischen dem Magnetrotor und dem Magnettreiber angeordneter Spalttopf. Der Magnettreiber weist vorzugsweise eine zur Antriebsseite hin offene Topfform auf, um das mindestens eine Lager des Magnetrotors innerhalb des Pumpengehäuses aufzunehmen. Eine besonders vorteilhafte Lagerung des Magnettreibers wird durch einen durchgehend hohlen Kragzapfen erreicht, durch den die Antriebswelle des Magnettreibers geführt ist, und der vorzugsweise an mindestens einer inneren oder äußeren Fläche an mindestens einem seiner Endbereiche ein Lager für den Magnettreiber trägt. Verjüngungen in diesen Endbereichen erleichtern die Unterbringung derartiger Lager auf kleinem Raum. Wenn die Verjüngung von der Wurzel des Kragzapfens ausgehend erfolgt, können bei leichter Bauweise hohe Lagerkräfte aufgenommen werden.

Die zumindest teilweise Lagerung des Magnettreibers innerhalb des von der Laufrad-Magnetrotor-Einheit aufgespannten Raumes sowie die Ausgestaltungen einer derartigen Lagerung sind von eigenständiger erfinderischer Bedeutung.

Die vorgenannten sowie die beanspruchten und in den Ausführungsbeispielen beschriebenen erfindungsgemäß zu verwendenden Bauteile unterliegen in ihrer Größe, Formgestaltung, Materialauswahl und technischen Konzeption keinen besonderen Ausnahmebedingungen, so dass die in dem Anwendungsgebiet bekannten Auswahlkriterien uneingeschränkt Anwendung finden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der - beispielhaft - ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anordnung einer Kreiselpumpe mit koaxialer Magnetkupplung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1

eine erste Ausführungsform;

Fig. 2

eine zweite Ausführungsform;

Fig. 3

eine dritte Ausführungsform;

Fig. 4

eine vierte Ausführungsform;

Fig. 5

eine fünfte Ausführungsform;

Fig. 6

eine sechste Ausführungsform;

Fig. 7

eine siebte Ausführungsform;

Fig. 8

eine achte Ausführungsform sowie

Fig. 9

eine neunte Ausführungsform.

Den Ausführungsformen ist gemeinsam, dass sie ein einen Saugstutzen 2 und einen Druckstutzen 3 aufweisendes Pumpengehäuse 1 aufweisen, wobei ein Pumpen-Laufrad 4 koaxial zum Saugstutzen gelagert ist und in radialer Richtung mit dem Druckstutzen 3 fluidisch verbunden ist. Das Pumpen-Laufrad 4 weist antriebsseitig einen Magnetrotor 6 auf, mit dem es zusammen eine zur Antriebsseite hin offene Laufrad-Magnetrotor-Einheit bildet. Diese weist auf ihrem Außenumfang den rotierenden Teil 9 einer Gleitlagerung auf, während der feststehende Teil 10 dieser Gleitlagerung an der Innenwand 20 des Pumpengehäuses 1 angeordnet ist. Auf der radialen Innenseite trägt der Magnetrotor 6 Permanentmagnete 7. Diese stehen Permanentmagneten 14 mit radialem Abstand gegenüber, welche auf der Außenfläche eines etwa topfförmigen Magnettreibers 13 angeordnet sind. Zwischen dem Magnetrotor und dem Magnettreiber ist in allen Ausführungsbeispielen eine Trennwand, ggf. in Gestalt eines so genannten Spalttopfes 12, zwischengefügt, welche/r den Magnettreiber gegenüber dem flüssigkeitsbenetzten Inneren der Pumpe trocken hält. Der Magnettreiber 13 ist an zwei axial beabstandeten Stellen über Wälzlager 16a und 16b gelagert. Diese Lagerung findet bei allen Ausführungsbeispielen - wenn auch nicht zwingend - jeweils gegenüber dem Pumpengehäuse 1 statt, wobei diese Lagerung bei den Ausführungsformen nach Figuren 1 bis 9 zumindest pumpenseitig innerhalb des von der Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19 gebildeten Raumes erfolgt. Hierzu steht ein durchgehend hohler Kragzapfen 39 von der antriebsseitigen Gehäusestirnwand zur Pumpenseite hin ab und weist eine sich verjüngende Bauform 39a, 39b auf, wobei an seinem antriebsseitigen Endbereich die ihn durchdringende Antriebswelle 15 der Pumpe wälzgelagert ist, während ein zweites Wälzlager im gegenüberliegenden Endbereich auf seiner Außenseite die Antriebswelle 15 indirekt, nämlich über den Magnettreiber 13 lagert. Letzterer weist hierzu eine antriebsseitig offene Topfform auf.

Der äußere Umfang der Laufrad-Magnetrotor-Einheit 19 kann nun - bei völliger Gestaltungsfreiheit und in großzügiger axialer Ausdehnung - zur Aufnahme des rotierenden Teils 9 der Gleitlagerung genutzt werden und muss nicht wie beim Stand der Technik der aus wirtschaftlichen Gründen möglichst dünnwandige Schutzmantel 8 sein. Auch dies hatte im Stand der Technik zur Notwendigkeit weiterer radialer Anlauf- und Notlager 37 geführt, die hier in keiner Weise mehr benötigt werden. Es wird sogar möglich, bei geeigneter Wahl des Werkstoffes und bei entsprechender Formgebung, dass Teile der Magnetrotors 6 selbst zum rotierenden Teil 9 der Gleitlagerung werden können.

Da alle Teile der koaxialen Magnetkupplung radial weiter innen gelegen sind, kann der feststehende Teil 10 der Gleitlagerung ohne weiteres direkt an die stabile innere Gehäusewandung 20 des Pumpengehäuses 1 herangeführt werden und muss nicht mehr nachteilig die prinzipiell dünne Wandung des Spalttopfes 12 sein. Es wird sogar möglich, bei geeigneter Wahl des Werkstoffes und bei entsprechender Formgebung, dass Teile der Gehäusewandung 20 des Pumpengehäuses 1 selbst zum feststehenden Teil der Gleitlagerung 10 werden können, evtl. auch erst durch eine mehrschichtige Ausführung.

Für eine wirksame Gleitlagerung ist es dabei unerheblich, ob in zwei expliziten Lagerstellen 9,10a und 9,10b gelagert wird, oder ob die gesamte Gleitlagerung zu einer einzigen axial erstreckten "Lagertrommel" auseinander gezogen wird. Auch sind Kombinationen denkbar, also explizite rotierende Lagerung 9a und b gegen feststehende Lagerung 10 als axial erstreckte Trommel und umgekehrt.

Im Falle einer - in der Praxis häufigen - Betriebsstörung der Pumpe über massiven Gaseintrag (Luft oder verdampfte Förderflüssigkeit in Folge Kavitation) wird sich die in der Pumpe verbleibende Restflüssigkeit als abgeschleuderter Ring am äußeren Umfang im Pumpengehäuse 1 sammeln. Bei einer entsprechenden Pumpe ist genau hier nun die Gleitlagerung 9,10 angeordnet, die mit der Restflüssigkeit bei ausreichender Kühlung beliebig lange betrieben werden kann. Es ist allerdings bei sehr geringen Restmengen, die sich tendenziell bei großen Förderhöhen der Pumpe und geringem statischen Gegendruck einstellen, nicht auszuschließen, dass diese axial entweichen können, um sich auf noch höhere radiale Niveaus im Laufrad zu begeben. Dies kann über eine Sperre in Form eines Umlaufringes 21 verhindert werden. Wird der Innendurchmesser des Umlaufringes 21 kleiner als der Kontaktdurchmesser zwischen den Gleitlagerhälften 9 und 10 gewählt, so wird der eingeschlossene und rotierende Flüssigkeitsring 23 stets die Gleitlagerung 9, 10 benetzen. Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ergibt sich im Stillstand der Pumpe, wenn nämlich der Umlaufring 21 eine völlige Entleerung der Pumpe im Bereich der Gleitlagerung 9, 10 verhindert. Wird die Pumpe dann erneut angefahren, ohne dass eine Flüssigkeit am Saugstutzen 2 ansteht, was ebenfalls ein häufiger Betriebsfehler ist, dann wird die Gleitlagerung 9, 10 immer noch mit der im Flüssigkeitsrückhalteraum (22) verbliebenen Flüssigkeitsvorlage ausreichend geschmiert und deren axiales Entweichen bei Rotation ebenfalls durch die Sperre verhindert.

Die Erfindung kann dazu ausgenutzt werden, die axiale Ausdehnung der Pumpe erheblich zu verkürzen. Dies ist möglich, indem der Magnettreiber 13 nicht im Pumpengehäuse 1 gelagert wird, sondern direkt auf den Wellenzapfen der Antriebsmaschine gesetzt wird, also letztlich durch die Antriebsmaschine gelagert wird. Dies ist in aller Regel ein Elektromotor. Dabei wird der Elektromotor direkt an die Pumpe geflanscht, was als "Blockbauweise" bekannt ist.

Vorteil dieser Konstruktion ist neben dem Effekt der axialen Verkürzung die Ersparnis der beiden Wälzlager 16. Nachteil dieser Konstruktion ist, dass der Magnettreiber 13 nicht mehr zur Pumpe gehörig ist und damit eine vollständige Montage der Pumpe erst dann erfolgen kann, wenn auch der antreibende Motor vorhanden ist. Dessen Baugröße ist aber zumindest bei industriellen Pumpen zunächst eine unbekannte Größe und wird erst aufgrund der Kundenangaben bestimmbar. Damit wird der Zeitpunkt der Endmontage der Pumpe zwingend hinter diesen Zeitpunkt verlegt und wird zudem noch zu einer individuellen Montage mit den bekannten wirtschaftlichen Nachteilen.

Auf dem Wege zu einer besseren Lösung wird gemäß Figur 1 zunächst ein, vorzugsweise lösbarer, Spalttopf 12 eingeführt, wie er bei industriellen Pumpen stets Verwendung findet. In der Praxis sind diese Spalttöpfe am Umfang sehr dünnwandig ausgeführt, um einen möglichst geringen radialen Spalt zwischen Magnetrotor 6 und Magnettreiber 13 verwirklichen zu können. Aufgrund der Bauart nach kann der Spalttopf 12 mit einer glatten Abschlusswand ausgeführt werden und muss mit seiner größeren Öffnung in Richtung der Antriebsseite weisen. Zwar sollte der Spalttopf 12 wegen seiner Dünnwandigkeit selbst nicht zur Abstützung einer Wälzlagerung herangezogen werden, bietet nun aber gemäß Figur 1 in seinem Innenbereich 24 ausreichend Platz für eine axial großzügig bemessene Wälzlagerung 16 des Magnettreibers 13. Damit kann das axiale Baumass der Pumpe auf das der herkömmlichen Blockbauweise verkürzt werden, jedoch bleibt hier der Magnettreiber 13 Bestandteil der Pumpe, was eine vollständige Serienmontage und Vorratshaltung der Pumpe erlaubt.

Das Wellenende 25 bei einer solchen axial verkürzten Bauweise kann vorteilhaft gemäß Figur 2 so ausgeführt werden, dass wahlweise über eine herkömmliche Pumpenkupplung (dargestellt ist nur das Zapfenteil 27 der Pumpenkupplung) der direkte Anschluss eines Motors möglich wird (der über einen Zwischenring auch direkt an die Pumpe angeflanscht werden könnte) oder ein Wellenzapfen 28 wieder zur konventionellen Pumpe mit freiem Wellenende führt (z.B. um vorgegebene Normmaße einzuhalten). Auch sollte ein solches Wellenende 25 die Möglichkeit bieten, eine zusätzliche Schwungmasse 26 zu befestigen, um den erwähnten Nachteil der hier gewählten Bauart B beim Anfahren der Pumpe kompensieren zu können. Alles dies wäre Bestandteil der Endmontage des Pumpenaggregates (die auch beim Anwender der Pumpen selbst durchführbar wäre) und würde dennoch eine weitgehende Serienmontage und günstige Vorratshaltung der Pumpe beim Hersteller wie oben beschrieben ermöglichen.

Der rotierende Teil 9 der Gleitlagerung muss nicht notwendigerweise aus zwei definierten Lagerhülsen a und b bestehen oder aus dem Magnetrotor 6 selbst, sondern kann Figur 3 auch als axial durchgängige Hülse 29 (Figur 3, obere Hälfte) oder Formmasse 30 (Figur 3, untere Hälfte) ausgeführt werden.

Dies bietet wirtschaftliche Vorteile, insbesondere dann, wenn diese Bauteile gemäß Figur 4 auch noch zum Schutz und zur Abdichtung des radial tiefer gelegenen Magnetrotors 6 und der Permanentmagnete 7 dienen. Es ist nämlich je nach Anwendungsgebiet der Pumpe durchaus üblich, dass auch der Magnetrotor 6 als ferromagnetischer Träger der Permanentmagnete 7 vor dem Angriff der zu fördernden Flüssigkeit geschützt werden muss und nicht etwa wie das Pumpen-Laufrad (4) mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen darf. Die nun angenommene Unterschiedlichkeit der Werkstoffe zwischen Pumpen-Laufrad (4) und Magnetrotor 6 kommt in einer unterschiedlichen Schraffur zum Ausdruck

Der angestrebten völlig kontaktfreien und damit verschleißfreien und reibungsarmen Gleitung des Laufrad-Magnetrotor-Systems 19 im Pumpengehäuse 1 kommt die hohe Umfangsgeschwindigkeit dieser Anordnung entgegen. Durch zusätzliche grübchenartige Ausnehmungen oder Erhöhungen auf der Oberfläche der rotierenden Gleitlagerung 9, z.B. also auf der Hülse 29 oder der Formmasse 30 können so genannte Taylor-Wirbel im Gleitspalt und im angrenzenden Rotationsraum der Flüssigkeit erzeugt werden, die zur Stabilisierung und zur Kontaktfreiheit der Gleitlagerung beitragen.

Insbesondere wenn in der Pumpe im Falle einer Betriebsstörung nur noch ein Flüssigkeitsring 23 rotiert und ein Strom an frischer Schmierflüssigkeit ausbleibt, wird sich diese Restflüssigkeit in der Gleitlagerung aufgrund von Reibung soweit erhitzen, bis ein Wärmetransportgleichgewicht mit dem Pumpengehäuse 1 erreicht ist. Aufgrund des direkten Kontaktes der Gleitlagerung 9, 10 mit dem Pumpengehäuse 1 besteht hier durch Anbringung von äußeren Kühlrippen 32 (Figur 6) eine direkt wirksame Möglichkeit einer erhöhten konvektiven Wärmeabfuhr und damit der Verringerung der stationären Temperatur des Flüssigkeitsringes 23 bei einer länger andauernden Betriebsstörung. In der oberen Hälfte von Figur 6 ist eine Querverrippung dargestellt, in der unteren eine Längsverrippung. Diese letztere dürfte in der Praxis sinnvoller sein, da hiermit günstig der ohnehin vorhandene Kühlluftstrom des antreibenden Elektromotors ausgenutzt werden kann, der immer in Richtung zur Pumpe hin erfolgt.

Um die Mangelschmierung der Gleitlagerung 9, 10 auch im Falle einer entsprechenden Betriebsstörung zu verhindern, wird die Versorgung mit externer Schmierflüssigkeit (Figur 7) und/oder eine sensorische Überwachung (z.B. Temperatur, Vibration, Körperschall) der Gleitlagerung 9, 10 laut Figur 8 vorgeschlagen. Hier wirkt sich die Nähe der Gleitlagerung 9, 10 zum Pumpengehäuse 1 so aus, dass dieser Zugang denkbar einfach erfolgen kann.

Viele ausgeführte Magnetkupplungspumpen, die aufgrund der hermetischen Abdichtung des Pumpeninneren gerade zur Förderung aggressiver, abrasiver und gefährlicher Flüssigkeiten besonders geeignet sind, sind im benetzten Bereich des Pumpengehäuses 1 mit etwa einer Kunststoffschicht ausgekleidet oder aus mehreren - in der Regel zwei - Werkstoffschalen aufgebaut. Letztlich muss dann die innerste Materialschicht 35 die gewünschten Eigenschaften gegenüber der Flüssigkeit aufweisen, während die äußeren Schalen eher der Formgebung und Stabilität gegenüber dem Innendruck der Pumpe dienen. Figur 9 macht diese Bauweise auch für die vorliegende Erfindung geltend. Da insbesondere die erwähnten Kunststoffwerkstoffe (z.B. PTFE oder PE) ganz hervorragend als Gleitlagerwerkstoff auch im Mischreibungsgebiet eingesetzt werden können, wird eine Konstruktion vorgeschlagen, wie sie Figur 15 in der unteren Hälfte zeigt. Ist hingegen der Werkstoff der innersten Materialschicht 35 nicht für Gleitlager geeignet, ist auf die Konstruktion in der oberen Hälfte von Figur 15 zurückzugreifen.

1

Pumpengehäuse

2

Saugstutzen

3

Druckstutzen

4

Pumpen-Laufrad

5

Laufradwelle

6

Magnetrotor

7

Permanentmagnet (Rotor)

8

Schutzmantel

9

rotierendes Gleitlager

9a

rotierendes Gleitlager, laufradseitig

9b

rotierendes Gleitlager, antriebsseitig

10

feststehendes Gleitlager

10a

feststehendes Gleitlager, laufradseitig

10b

feststehendes Gleitlager, antriebsseitig

11

Lagereinsatz

12

Spalttopf

13

Magnettreiber

14

Permanentmagnet (Treiber)

15

Antriebswelle

16a

Wälzlager, laufradseitig

16a

Wälzlager, antriebsseitig

17

Achse

18

Strömungsrippen

19

Laufrad-Magnetrotor-Einheit

20

Innenseitige Wand des Pumpengehäuses

21

Umlaufring

22

Flüssigkeitsrückhalteraum

23

rotierende Menge von Restflüssigkeit

24

Innenbereich des Spalttopfes

25

Wellenende

26

Schwungmasse

27

Zapfenteil einer Pumpenkupplung

28

Wellenzapfen

29

Hülse

30

Formmasse

31

Ausnehmungen

32

Kühlrippen

33

Zugang für Schmierflüssigkeit

34

Zugang für Sensoren

35

Innerste Materialschicht

36

Dichtmittel

37

Anfahr- bzw. Notlager

38

Außenumfang des Laufrad-Magnetrotor-Systems

39

Kragzapfen

39a

Verjüngung

39b

Verjüngung

• [1]
  Broschüre der
  Firma WERNERT-PUMPEN GMBH
  D-45476 Mülheim an der Ruhr
  Chemienormpumpe aus Kunststoff mit Magnetkupplung - Typenreihe NM
  Ausgabe 687/02
• [2]
  Broschüre der
  Firma IWAKI Pumpen
  lwaki magnetgetriebene Pumpen - Serie MDM
  printed in Japan 99.11.ITN
• [3]
  Broschüre der
  Firma CP-Pumpen AG
  CH-4800 Zofingen:
  Magnetkupplungspumpe MKP, metallisch
• [4]
  Robert Neumaier: Hermetische Pumpen Verlag und Bildarchiv W.H. Faragallah, 1994 ISBN-3-929682-05-2
  Kapitel 3.7.12 Wellenlose Magnetkupplungs-Kreiselpumpen S. 356 ff