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1. WO2020200624 - THERMAL BARRIER

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[ DE ]

Wärmesperre

Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung, insbesondere Magnetkupplungspumpenanordnung, mit einem von einer Gehäuseanordnung gebildeten Innenraum, einem Spalttopf, der eine von ihm umschlossene Kammer hermetisch gegenüber dem von der Gehäuseanordnung gebildeten Innenraum abdichtet, einer um eine Drehachse drehbar antreibbaren Laufradwelle, einem an einem Ende der Laufradwelle angeordneten Laufrad, einem an dem anderen Ende der Laufradwelle angeordneten Innenrotor, einer Antriebsvorrichtung, eine von der Antriebsvorrichtung drehbar um die Drehachse antreib-bare Antriebswelle und einem auf der Antriebswelle angeordneten, mit dem Innenrotor zusammenwirkenden Außenrotor, wobei der Außenrotor ein erstes T rägerelement und ein mit dem ersten Trägerelement verbundenes zweites Trägerelement aufweist.

Derartige Pumpenanordnungen sind weit verbreitet und finden in nahezu allen Bereichen der Industrie ihre Anwendung. Maschinen der vorliegenden Art werden auch in ex-plosionsgefährdeten Bereichen eingesetzt. Für die verschiedenen Produktions- und Förderanlagen, insbesondere im Bereich der Chemie, existieren besondere Vorschriften im Zusammenhang mil dern Explosionsschutz. In solchen Anlagen finden einerseits Arbeitsmaschinen, beispielsweise Pumpen oder Turbinen, als nicht elektrische Geräte, und andererseits Kraftmaschinen, beispielsweise Antriebsmotoren, als elektrische Ge-räte, Verwendung. Für elektrische Geräte existieren seit langem bewährte Sicherheitsstandards. In diesen Standards ist festgeschrieben, welche baulichen Maßnahmen zu treffen sind, um ein elektrisches Gerät in den verschiedenen explosionsgefährdeten Bereichen einsetzen zu können. Bei solchen Räumen, in denen die Entstehung einer explosionsfähigen Atmosphäre möglich ist, müssen die Zündquellen, das heißt die Entstehung von Reib- und Schlagfunken, Reibungswärme und elektrische Aufladung vermie-den werden und mögliche Auswirkungen einer Explosion durch vorbeugende und konstruktive Maßnahmen berücksichtigt werden. Explosionsgeschützte Blockmotoren, insbesondere Normmotoren in Flanschausführung, lassen an den Schnittstellen, insbesondere Flansch und Welle, nur einen bestimmten Wärmeeintrag in den Motor zu, derart, dass die maximal zulässigen Temperaturen des Motors nicht überschritten werden.

Inzwischen ist bekannt, dass bei Magnetkupplungspumpenanordnungen der Hauptwärmeeintrag in den Antriebsmotor durch dessen Antriebswelle erfolgt, da der Außenmagnetträger der Magnetkupplung sowohl der Medientemperatur, wie auch der Temperaturerhöhung durch die Wirbelstromverluste ausgesetzt ist. Durch die schlechte Wärme-abfuhr des Außenmagnetträgers infolge des ebenfalls erwärmten Pumpengehäuses wird die Wärmeenergie zu einem großen Teil direkt in die Antriebswelle eingetragen.

Bei der DE 298 14 113 U1 wird dieses Problem umgangen, indem der als Treiber be-zeichnete Außenrotor und der Antriebsmotor über ein Antriebsmittel aus schlecht wär-meleitendem Material in Antriebsverbindung stehen. Nachteilig ist hierbei die kostenintensive Ausführungsform mit einem zwischengelagerten Außenrotor. Denn neben zusätzlich erforderlichen Bauteilen sind neben dem Motorwälzlager auch die den Außenrotor lagernden Rillenkugellager zu warten. Außerdem ist die Wärmesperrfunktion nur auf die Schnittstelle zum Motorwellenstumpf hin existent. Da jedoch die Wärme direkt in den Innenring der Rillenkugellager eingetragen wird, kommt es zur Aufweitung des Innenrings und damit zur Verspannung des Lagers und folglich zur Standzeitreduzierung. Bei einer mit Kühlmittel agierenden Ausführungsform läuft der Außenrotor im Kühlmittel, wodurch erhebliche Reibungsverluste entstehen, welche den Wirkungsgrad der Pumpe deutlich reduzieren.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Pumpenanordnung bereitzustellen, bei der der Wärmefluss in die in einem Lagerträger gelagerten Antriebswelle und damit in die Innenringe der Wälzlagerung minimiert ist,

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass das erste Trägerelement eine Wärmesperrvorrichtung aufweist. Die Wärmesperrvorrichtung reduziert den Wärmeeintrag von dem Spalttopf in die Antriebswelle des Außenrotors und in die Lager, mit denen die Antriebswelle im Lagerträger gelagert wird.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste Trägerelement eine Ringscheibe mit einer Nabe zur Befestigung an der Antriebswelle, wobei an der Ringscheibe ein sich axial in Richtung des Spalttopfes erstreckender Kragen vorgesehen ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass die Wärmesperrvorrichtung innerhalb des Kragens angeordnet ist.

Durch den Kragen und die Anordnung der Wärmesperrvorrichtung innerhalb des Kragens ist eine optimale Platzierung der Wärmesperrvorrichtung möglich.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, wonach die Wärmesperrvorrichtung ein Wärmeisolierelement und ein Wärmereflexionselement umfasst. Somit lässt sich der Wärmeeintrag in das erste Trägerelement und die Antriebswelle effizient reduzieren.

Idealerweise ist das Wärmeisolierelement im Wesentlichen als kreiszylindrischer Körper ausgebildet.

Als besonders vorteilhaft hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, wonach das Wärmereflexionselement im Wesentlichen als kreisscheibenförmige Platte ausgebildet ist.

Durch die kreisförmige Ausgestaltung können die Außenmantelflächen von Wärmeisolierelement und Wärmereflexionselement an der Innenmantelfläche des Kragens anlie-gen und den Wärmeeintrag in das erste Trägerelement und die Antriebswelle reduzieren.

Zweckmäßigerweise liegt das Wärmeisolierelement an der Ringscheibe des Trägerelements und das Wärmereflexionselement am Wärmeisolierelement an und ist zwischen dem Spaittopf und dem Wärmeisolierelement angeordnet. Auf diese Weise kann die vom Spalttopf ausgehende Wärmestrahlung zurück reflektiert werden und der Wär-mestrom in die Antriebswelle sehr stark reduziert werden.

Zur sicheren Befestigung der Wärmesperrvorrichtung an dem ersten Trägerelement ist ein schraubenartiges Befestigungsmittel vorgesehen ist.

Alternativ zu oder in Kombination mit dem schraubenartigen Befestigungsmittel ist zur Befestigung der Wärmesperrvorrichtung an dem ersten Trägerelement ein gewindebolzenartiges Befestigungsmittel vorgesehen.

Alternativ zu oder in Kombination mit dem schraubenartigen oder dem gewindebolzen-artigen Befestigungsmittel ist zur Befestigung der Wärmesperrvorrichtung an dem ersten Trägerelement ein nietartiges Befestigungsmittel vorgesehen.

Bei einer alternativen Ausführungsform weist die Innenmantelfläche des Kragens eine radial umlaufende Nut auf, in welche ein Sicherungsring eingelegt ist. Der Sicherungs-ring verhindert eine axiale Bewegung der Wärmesperrvorrichtung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigt die

Fig. 1 den Längsschnitt durch eine Magnetkupplungspumpenanordnung mit einem eine Wärmesperrvorrichtung aufweisenden Außenrotor und die

Fig. 2 den in der Fig. 1 gezeigten Außenrotor in vergrößerter Darstellung und die

Fig. 3 bis 5 weitere Ausführungsformen des Außenrotors

Die Fig. 1 zeigt eine Pumpenanordnung 1 in Form einer Magnetkupplungspumpenanordnung. Die Pumpenanordnung 1 weist eine mehrteilige Gehäuseanordnung 2 mit einem als Spiralgehäuse ausgebildeten Hydraulikgehäuse 3, einem Gehäusedeckel 4, einer Lagerträgerlaterne 5, einem Lagerträger 6 und einem Lagerdeckel 7 auf.

Das Hydraulikgehäuse 3 weist eine Einlassöffnung 8 zum Ansaugen eines Fördermediums und eine Auslassöffnung 9 zum Ausstößen des Fördermediums auf. Der Gehäusedeckel 4 ist an der der Einlassöffnung 8 gegenüberliegende Seite des Hydraulikgehäuses 3 angeordnet. An der dem Hydraulikgehäuse 3 abgewandten Seite des Gehäusedeckels 4 ist die Lagerträgerlaterne 5 befestigt. Der Lagerträger 6 ist an der dem Ge-häusedeckel 4 gegenüberliegenden Seite der Lagerträgerlaterne 5 angebracht. Der Lagerdeckel 7 ist wiederum an der der Lagerträgerlaterne 5 abgewandten Seite des Lagerträgers 6 befestigt.

Ein vorzugsweise mittels eines Tiefziehverfahrens oder mittels eines Gießverfahrens hergestellter Spalttopf 10 ist an der dem Hydraulikgehäuse 3 abgewandten Seite des Gehäusedeckels 4 befestigt und erstreckt sich zumindest teilweise durch einen vom Gehäusedeckel 4, von der Lagerträgerlaterne 5 und von dem Lagerträger 6 begrenzten Innenraum 11. Der Spalttopf 10 dichtet eine von ihm umschlossene Kammer 12 hermetisch gegenüber dem Innenraum 11 ab.

Eine um eine Drehachse A drehbare Laufradwelle 13 erstreckt sich von einer mittels des Hydraulikgehäuses 3 und des Gehäusedeckels 4 begrenzten Strömungskammer 14 durch eine in dem Gehäusedeckel 4 vorgesehene Öffnung 15 in die Kammer 12.

An einem innerhalb der Strömungskammer 14 liegenden Wellenende der Laufradwelle 13 ist ein Laufrad 16 befestigt, am gegenüberliegenden Wellenende ist ein innerhalb der Kammer 12 angeordneter Innenrotor 17 angeordnet. Der Innenrotor 17 ist mit mehreren Magneten 18 bestückt, die an der dem Spalttopf 10 zugewandten Seite des Innenrotors 17 angeordnet sind.

Zwischen Laufrad 16 und Innenrotor 17 ist eine mit der um die Drehachse A drehbar antreibbaren Laufradwelle 13 in Wirkverbindung stehende Lageranordnung 19 angeord-net.

Eine nicht dargestellte Antriebsvorrichtung, beispielsweise ein Antriebsmotor, vorzugs-weise ein Elektromotor, treibt eine Antriebswelle 20 an. Die um die Drehachse A drehbar antreibbare Antriebswelle 20 ist im Wesentlichen koaxial mit der Laufradwelle 13 angeordnet. Die Antriebswelle 20 erstreckt sich durch den Lagerdeckel 7 sowie den Lagerträger 6 und ist in zwei in dem Lagerträger 6 untergebrachten Kugellagern 21 , 22 gelagert. Am freien Ende der Antriebswelle 20 ist ein mehrere Magnete 23 tragender Au-ßenrotor 24 angeordnet. Die Magnete 23 sind an der dem Spalttopf 10 zugewandten Seite des Außenrotors 24 angeordnet. Der Außenrotor 24 erstreckt sich zumindest teilweise über den Spalttopf 10 und wirkt mit dem Innenrotor 17 zusammen, derart, dass der rotierende Außenrotor 24 mittels magnetischer Kräfte den Innenrotor 17 und somit die Laufradwelle 13 und das Laufrad 16 ebenfalls in eine Rotationsbewegung versetzt.

Der in der Fig. 2 vergrößert dargestellte Außenrotor 24 umfasst ein erstes Trägerelement 25. Das erste Trägerelement 25 umfasst eine Ringscheibe 26 mit einer Nabe 27, wobei die Nabe 27 auf die in der Fig. 1 gezeigten Antriebswelle 20 geschoben ist und an dieser mit geeigneten Mitteln befestigt ist. An der Ringscheibe 26 ist ein ringförmiger Kragen 28 ausgebildet, der sich axial in Richtung des Spalttopfes 10 bzw. Gehäusedeckels 4 erstreckt. Der Kragen 28 weist einen kleineren Außendurchmesser als die Ringscheibe 26 auf. Damit verfügt das erste Trägerelement 25 über einen Bereich 29 mit einem verringerten Außendurchmesser und einen Bereich 30 mit einem vergrößerten Außendurchmesser, wodurch eine Stufe 31 gebildet wird.

Der Außenrotor 24 umfasst ferner ein an dem ersten Trägerelement 25 ausgebildetes oder angeordnetes hohlzylinderartiges zweites Trägerelement 32, das zumindest teilweise den Spalttopf 10 umgibt und an dem die Magnete 23 angeordnet sind.

Zur Befestigung des zweiten Trägerelements 32 an dem ersten Trägerelement 25 wird das zweite Trägerelement 32 über den Kragen 28, also den Bereich 29 des ersten Trägerelements 25 mit verringerten Außendurchmesser geschoben, wobei die Stufe 31 eine Anschlagsvorrichtung bildet.

Mittels den in der Fig. 1 gezeigten Schrauben 33 wird das zweite Trägerelement 32 an dem ersten Trägerelement 25 befestigt.

Erstes und zweites Trägerelement 25, 32 sind als zwei mittels einer Schraubverbindung miteinander verbindbare Teile dargestellt. Alternativ können die beiden Teile mittels Schrumpftechnik miteinander verbunden werden. Bei einer weiteren beispielhaften Variante können das erste Trägerelement 25 und der hohlzylindrische Teil des zweiten Trägerelements 32 einstückig ausgebildet sein.

Wie der Fig. 2 weiter zu entnehmen ist, weist das erste Trägerelement 25 eine Wärme-Sperrvorrichtung 34 auf. Die Wärmesperrvorrichtung 34 ist innerhalb des Kragens 28 angeordnet. Die Wärmesperrvorrichtung 34 umfasst ein Wärmeisolierelement 35 und ein Wärmereflexionselement 36. Das Wärmeisolierelement 35 ist im Wesentlichen als kreiszylindrischer Körper ausgebildet und aus einem sehr schlecht wärmeleitenden Material, z. B. Glimmer, hergestellt. Das Wärmereflexionselement 36 ist im Wesentlichen als scheibenförmige Platte ausgebildet und aus einem Material mit einem hohen Wärmereflexionsgrad, z. B. einer Edelstahllegierung, hergestellt.

Das Wärmeisolierelement 35 liegt an der Ringscheibe 26 des Trägerelements 25 an. Das Wärmereflexionselement 36 liegt wiederum am Wärmeisolierelement 35 an und ist somit im eingebauten Zustand zwischen dem Spalttopf 10 und dem Wärmeisolierelement 35 angeordnet, um die vom Spalttopf 10 ausgehende Wärmestrahlung zurück zu reflektieren. Auf diese Weise kann der Wärmestrom in die Antriebswelle 20 sehr stark reduziert werden. Vorzugsweise liegen die Außenmantelflächen von Wärmeisolierelement 35 und Wärmereflexionselement 36 an der Innenmantelfläche des Kragens 28 an.

Zur Befestigung der Wärmesperrvorrichtung 34 an dem ersten Trägerelement 25 ist in der gezeigten Ausführungsform wenigstens eine Durchgangsbohrung 37 im Wärmereflexionselement 36 und wenigstens eine Durchgangsbohrung 38 im Wärmeisolierelement 35 vorgesehen, wobei beide Durchgangsbohrungen 37, 38 in Überdeckung liegend angeordnet sind. Die Ringscheibe 26 des ersten Trägerelements 25 weist wenigstens eine Gewindebohrung 39 auf. Beide Durchgangsbohrungen 37, 38 sind über der Gewindebohrung 39 liegend angeordnet, derart, dass sich ein Befestigungsmittel 40, das bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel schraubenartig ausgebildet ist, durch beide Durchgangsbohrungen 37, 38 erstreckt und in die Gewindebohrung 39 eindrehbar ist. Vorzugsweise sind zwei oder mehr Durchgangsbohrungen 37, 38 und Gewindebohrungen 39 vorgesehen.

Das wenigstens eine Befestigungsmittel 40 ist in drei Abschnitte mit unterschiedlichen Außendurchmessern aufgegliedert. Ein erster Abschnitt 41 bildet einen Kopf 42. Ein zweiter Abschnitt 43 bildet einen mit dem Kopf 42 verbundenen Schaft 44. Ein an den zweiten Abschnitt 43 angrenzender dritter Abschnitt 45 ist mit einem Außengewinde 46 versehen. Der Außendurchmesser des Kopfes 42 ist größer als der Außendurchmesser des Schafts 44. Der Außendurchmesser des Schafts 44 ist wiederum größer als der Außendurchmesser des Außengewindes 46.

Die Länge des Schafts 44 ist geringfügig kleiner als die Gesamtdicke von Wärmereflexi-onselement 36 und Wärmeisolierelement 35, wenn diese noch nicht eingebaut sind. Auf diese Weise lassen sich Wärmereflexionselement 36 und Wärmeisolierelement 35 fest mit der Ringscheibe 26 des ersten Trägerelements 25 unter einer definierten Vorspannung befestigen.

Bei einer weiteren, in der Fig. 3 gezeigten beispielhaften Ausführungsform weist die Ringscheibe 26 des Außenrotors 24 wenigstens eine Durchgangsbohrung 47 auf, die in Überdeckung ist mit der Durchgangsbohrung 38 im Wärmeisolierelement 35. Ein an

dem Wärmereflexionselement 36 ausgebildetes gewindebolzenartiges Befestigungsmittel 48 erstreckt sich durch die Durchgangsbohrung 38 und durch die Durchgangsbohrung 47 der Ringscheibe 26. Das Befestigungsmittel 48 weist an seinem freien Ende einen Bereich 49 mit einem Gewinde 50 auf. Mittels einer auf das Befestigungsmittel 48 schraubbaren Schraubenmutter 51 ist die Wärmesperrvorrichtung 34 an dem ersten Trägerelement 25 befestigbar. Vorzugsweise sind zwei oder mehr Durchgangsbohrungen 38 im Wärmeisolierelement 35 und in der Ringscheibe 26 und entsprechend viele Befestigungsmittel 48 vorgesehen.

Alternativ oder in Kombination mit wenigstens einem der Befestigungsmittel 40 und/oder 48 ist auch ein wie in der Fig. 4 beispielshaft gezeigtes nietartiges Befestigungsmittel 52 anwendbar. Dabei ist wenigstens eine Durchgangsbohrung 37 im Wärmereflexionselement 36, wenigstens eine Durchgangsbohrung 38 im Wärmeisolierelement 35 und wenigstens eine Durchgangsbohrung 47 in der Ringscheibe 26 des Außenrotors 24 vorgesehen, wobei die Durchgangsbohrungen 37, 38 und 47 in Überdeckung liegend angeordnet sind.

Bei einer weiteren, in der Fig. 5 gezeigten beispielhaften Ausführungsform des Außenrotors 24 weist die Innenmantelfläche des an der Ringscheibe 26 des ersten Trägerele-ments 25 ausgebildeten Kragens 28 eine radial umlaufende Nut 53 auf, in der ein Sicherungsring 54 eingelegt ist. Dieser in der Nut 53 eingesetzte Sicherungsring 54 verhindert eine axiale Bewegung der Wärmesperrvorrichtung 34.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Antriebswelle 20 über einer Kupplungsvorrichtung mit der Abtriebswelle eines nicht dargestellten Motors, insbesondere Elektromotor, verbunden. Die Erfindung ist beispielsweise auch bei einer in der sogenannten Blockausführung ausgebildeten Pumpenanordnung ersetzbar, bei der das erste Trägerelement direkt an die Abtriebswelle des Motors befestigt ist.