Rotary piston pump

本発明は、互いに噛合するベーンと回転軸と外周部を備えて、固体を含有する流体媒体を輸送するための回転ピストンポンプに関し、２つの回転ピストンの回転軸は、互いに平行かつ隔たって配置され、２つの回転ピストンの外周部は、互いに一部交差し、更に、入口開口と出口開口をもつハウジングを備え、ハウジングの内壁は回転ピストンの各外周部を取り囲み、回転ピストンポンプは、入口開口から出口開口へ供給方向に媒体を輸送するようになっている。

回転ピストンポンプは、容積型ポンプの範疇に属し、２つ以上の回転ピストンベーンを夫々がもつ２つの回転ピストンを備えている。 この回転ピストンは、内壁が回転ピストンに向き,外壁が回転ピストンを外側から取り囲むハウジング内に配置される。 ハウジングは、その内壁で回転ピストンの外周の各部分を取り囲む。 回転ピストンベーンの先端は、ゴム製のシール面であるのが好ましい被覆で覆われて、回転ピストンベーンとハウジングの内壁の間および互いに噛み合った回転ピストンベーンの間が封止される。 回転ピストンは、回転軸の周りに互いに逆方向に回転駆動され、各回転ピストンの外周は、回転ピストンの先端が回る円軌道によって画定される。 回転ピストンベーンが互いに噛み合う領域では、２つの回転ピストンの外周は互いに交差する。 回転ピストンポンプは、供給方向を反転できるように構造が概ね対称である。

上述の構造型の回転ピストンポンプは、例えば、特許文献DE 29723 984 U1, DE 34 27 282 A1, US 2,848,952, NL 101 62 83, US 3,126,834 および US 15,221 で公知である。 この種の回転ピストンポンプは、固体を含有する媒体の輸送にも用いられている。 種々の種類と量の固体を含有する通常液体である流体媒体は、入口開口を通って回転ピストンが互いに噛み合う領域に供給され、回転ピストンベーンによって出口開口に向けて前方へ輸送される。 粘度の異なった媒体が輸送される。 上述の種類の回転ピストンポンプは、例えば、略16バールまでの圧力で略3〜1000立方メートル/時, つまり50〜16,667リットル/分の供給率を有する。

媒体に含有される固体は、媒体と一緒に回転ピストンベーンの間の空洞に入り、媒体と一緒に供給方向に入口開口から出口開口へ輸送される。 媒体に含有される固体は、例えば石, 金属片, 他の異物である。

回転ピストンポンプは、高い要求が求められる環境に度々配備される。 回転ピストンポンプの代表的適用分野は、例えば、浄水場, 汚水および廃水エンジニアリング, ごみ処理およびリサイクリングエンジニアリング, 製紙およびセルロース工業, 鉄道および港湾業, 食品工業, 建設工業などである。 回転ピストンポンプは、とりわけ、汚泥ポンプ, 廃水ポンプ, 工業用水ポンプ, 高濃度液ポンプ, 飼料ポンプ, 異物で汚染された媒体用の携帯ポンプ, 液体肥料ポンプ, 糞便用ポンプ, マッシュおよび果肉汁用ポンプに用いられる。 このような使用条件は、回転ピストンポンプに頑丈で信頼性があり強固な設計を要求する。

しかし、ポンプの構成部材の損傷, シャットダウン, 極端な摩耗と剥離は、現存の回転ピストンポンプにおいて繰り返される現象である。 なぜなら、更に前方へ輸送されるべき回転ピストンベーンの間の空洞に必ずしも全部輸送されず、回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛み合う回転ピストンベーンの間に捕捉されるからである。 固体は、回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛み合う回転ピストンベーンの間に詰まって、ポンプの停止, ハウジングや特に回転ピストンベーンおよびその先端の(シール)被覆などの回転ピストンの損傷や摩耗をもたらす。 停止は、望ましくない駆動の中断と損傷をもたらし、回転ピストンやハウジングの摩耗と剥離は、供給圧力の低下によるポンプの効率低下、および、修理の必要および摩耗部材の取替や取替部材の必要による費用の増大という結果をもたらす。

この欠点をなくすため、本出願人による特許文献DE 20 2005 010 467 U1 と DE 20 2006 020 113 U1 は、ハウジングが、入口開口および出口開口の両側においてハウジングの半角α=90°を超えて回転ピストンの外周を取り囲む図１に示すような回転ピストンポンプを提案した。 上述の欠点は、入口開口と出口開口をその断面においてハウジングの内壁側で狭くすることによって軽減できたが、上述の欠点を防ぐべく回転ピストンポンプを更に改善することが依然必要である。

そこで、本発明の目的は、固体を含有する流体を輸送する回転ピストンポンプであって、上述の欠点の１つ以上を低減し或いは無くすことができる回転ピストンポンプを提供することである。 本発明の他の目的は、停止の回数および回転ピストンポンプとその構成部材の摩耗を減少でき、より長い耐用年数の後,或いは過酷な環境においても効率または供給圧力の低下を少なくできる回転ピストンポンプを提供することである。

上記目的は、回転軸の平面に平行かつ回転軸に垂直な方向におけるハウジング内壁側の出口開口の最大寸法が、上記回転軸の相互間の距離よりも大きいという本発明の構成によって達成される。

上記出口開口は、ハウジングの内壁と外壁の双方を貫くようにハウジングに設けられた開口である。 吐出側の拡張は、ハウジングの内壁における出口開口の寸法、つまり両回転軸に垂直かつ両回転軸を結ぶ方向の出口開口の寸法で定義される。

回転ピストンポンプは、回転ピストンの回転軸を水平に向け、鉛直方向に重なるように配置した操作位置で度々用いられる。 この場合、吐出側の拡張は、鉛直方向, つまり回転軸の平面と平行かつ回転軸と垂直な方向である。 しかし、回転ピストンポンプを、例えば回転軸を鉛直に向けて水平方向に互いに隣接して設けるなどその回転軸を他の操作位置にして用いることもできる。

本発明によれば、吐出側の拡張は、回転軸相互間の距離よりも大きく、従って、既述の従来例の吐出側の拡張よりも大きい。 従って、ハウジングの内壁で囲まれる外周部分は、出口開口の領域において上記従来例の場合に比べて短い。

本発明は、６つの従来の回転ピストンポンプの出口側では、出口開口にある固体を回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛合する２つの回転ピストンベーンの間に来させるような媒体の吐出流または渦が形成され、これが損傷や摩耗や停止をもたらすという認識に基づいている。 本発明にしたがって形成された吐出側の拡張によって、固体は回転ピストンベーンからより早く開放される。 このことは、固体を回転ピストンベーンの間の空洞内から外へ流し出すような接線方向の流れを作る。 その結果、固体の移動経路が従来例に比して有利に変化して、固体が回転ピストン, とりわけ対向する各回転ピストンベーンから離れるように案内されるのである。 この固体の移動経路の変化は、出口開口にあって回転ピストンとハウジング壁の間または互いに噛合する２つの回転ピストンベーンの間に入り込もうとする固体の量を明らかに減少させる。 この利点は、媒体よりも固体の比重が大きい場合、明らかに特に顕著である。

この回転ピストンポンプの異物に対する感受性の低下は、媒体中に高濃度の固体が含まれる場合であっても、特に回転ピストンポンプの停止回数および回転ピストンの摩耗を減少させ、回転ピストンポンプの供給圧力の低下を少なくする。 本発明による解決策は、回転ピストンポンプの寿命の延長を可能にし、回転ピストンポンプの修理および維持のための費用を低減を可能にする。

吐出側の断面の拡張は、例えば円形または楕円形など任意の形状にできる。 吐出側の拡張は、出口開口の全幅に亘って回転軸の相互間隔よりも大きいことが好ましい。 なぜなら、吐出側の拡張が、幾つかの部分で回転軸の相互間隔よりも小さい場合、上記固体の移動経路に対する有益な影響が低下するからである。 より詳しくは、出口開口が矩形または四角形の断面を有し、吐出側の拡張が出口開口の全幅に亘って実質上一定であることが好ましい。

本発明によれば、回転ピストンポンプは、ハウジングの内壁において回転軸と平行かつ回転軸と垂直な方向に測った吐出側の拡張が吸込側の拡張よりも大きいように構成されるのが好ましい。 従って、この構成は、同一に設計された入口と出口をもつ対称な回転ピストンポンプの構造を放棄したことになるが、出口開口の領域における取り囲み角の減少および入口開口の領域における取り囲み角の増加が、回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛合する２つの回転ピストンベーンの間に固体が詰まることを低減させる。 例えば回転ピストンポンプの媒体が吸入される入口側および媒体が吐出される出口側におけるように、媒体流の条件および渦の形成は互いに異なり、夫々の圧力条件に適合した入口開口および出口開口の異なった形状は、入口開口のみならず出口開口においても固体の詰まりを減少または防止するので有利である。

本発明は、出口開口の断面が、ハウジングの内壁から外壁に向かって次第に細くなるように(テーパ状に)構成するのが好ましい。 この構成では、出口開口の断面は、ハウジングの外壁側よりも内壁側で大きくなっている。

ハウジングに出口開口を形成する場合、出口開口の周壁は、出口開口の周縁に沿って内壁と外壁の間に設けられる。 これらの周壁は、吐出スロープとも呼ばれる。 本発明のこの構成では、少なくとも１つの吐出スロープは、出口開口が回転ピストンポンプの供給方向に向かって先細になるように形成される。 このような出口開口の供給方向に向かうテーパは、出口開口の領域における乱流と渦を低減する。 その結果、固体は、有利にも、回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛合する２つの回転ピストンベーンの間に詰まることが低減または防止されるような移動経路に推進される。 吐出スロープを本発明の形状にすることによって、取り囲み角の減少によって奏される利点を更に強めることができる。

本発明の特に好ましい構成は、回転ピストンポンプが操作位置にあるとき、回転ピストンポンプの回転軸が鉛直方向に互いに重なるように夫々水平に配置するものである。 この場合、吐出側の拡張は、鉛直方向に延びる。 この構成では、出口開口が矩形または四角形の断面を有し、底部周壁と上部周壁または吐出スロープが供給方向に出口開口の中心軸に向かって傾斜しているのが特に好ましい。 出口開口の幅は、ハウジングの内壁および外壁において同一であり、従って側部周壁は傾斜していない。

本発明の回転ピストンポンプは、ハウジングの内壁において回転軸と平行かつ回転軸と垂直な方向に測った出口開口の最大寸法が、回転軸相互間の距離よりも大きいように構成されるのが好ましい。 吐出スロープのこの変形例は、回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛合する２つの回転ピストンベーンの間に固体が詰まることが一層確実に防止されるように固体の移動経路に影響するので、特に有利である。

本発明の他の好ましい構成は、ハウジングの外壁において出口開口の中心軸からずらせて中心軸が配置されて出口開口を取り囲む管接続フランジを特徴とする。 回転ピストンの回転軸は、回転ピストンポンプが操作位置にあるとき、水平方向に向けられて鉛直方向に互いに重なるように配置され、管接続フランジの中心軸は、ハウジングの外壁における出口開口の中心軸に対して鉛直方向下方へずれていることが特に好ましい。

吐出媒体が通る配管システムの一部として回転ピストンポンプを接続できるように、回転ピストンポンプは、管接続フランを有するのが好ましい。 管接続フランジは、管または同様の物を取り付けることができる接続手段を有するのが好ましい。 管接続フランジは、出口開口の全断面が接続すべき管の内部に流体連通するように、出口開口を取り囲むのが好ましい。 しかし、本発明によれば、管接続フランジは、ハウジングの外壁において出口開口と同心でなく、出口開口から中心をずらして配置するのが好ましい。 従って、出口開口と管接続フランジに接続される配管との間にずれが生じる。 このずれは、有利にも、固体の障壁として働き、固体が出口開口を出た後に、この出口開口や回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛合する２つの回転ピストンベーンの間に逆流することを防止できる。 こうして、異物に対する回転ピストンポンプの感受性および回転ピストンポンプの修理および維持費用を更に減じることができる。

この効果は、より詳しくは、出口開口の吐出下部スロープの傾斜が吐出上部スロープの傾斜よりも急で、回転ピストンポンプが、回転軸を互いに水平方向に向けかつ鉛直方向に重なるように配置した操作位置にあり、接続されるべき配管に対する出口開口の吐出下部スロープによって鉛直方向のずれが作られる,つまり出口開口の吐出下部スロープが、ハウジングの外壁において接続されるべき配管の底壁よりも上に位置する場合に、有利である。

本発明は、好ましくは、２つのレセプタクルとこのレセプタクルに取替可能に取り付けられ、１つは出口開口を取り囲む出口フランジとして,もう１つは入口開口を取り囲む入口フランジとして夫々具現される２つのフランジを備えた基枠をもつハウジングによって構成される。 本発明は、更にまた、２つのフランジと２つのレセプタクル,つまり１つのフランジが取り付けられる１つのレセプタクルともう１つのフランジが取り付けられるもう１つのレセプタクルとから構成されるのが好ましい。

回転ピストンポンプによる入口開口から出口開口への最適な供給方向は、入口開口と出口開口の異なる構成によって決定される。 逆の供給方向は、入口開口と出口開口のこの構成によって可能であるが、固体が回転ピストンベーンとハウジングの間または互いに噛合する回転ピストンベーンの間に詰まる虞が非常に高いので、不利である。 しかし、幾つかの応用においては、例えば媒体を逆方向へ輸送しなければならない場合や詰まりを解消するために、回転ピストンポンプの供給方向を変えうることが有利で望ましい。 本発明による構成では、ハウジングは、フランジが夫々装着できる２つの凹部またはレセプタクルをもつ基枠を備えたモジュール構造で提供される。 １つのフランジは、入口開口または出口開口を取り囲み、必要なら管接続フランジが出口開口に接続されるのが好ましい。 ２つのフランジと２つのレセプタクルは、各フランジが２つのレセプタクルのいずれにも取り付けられる形状になっているのが好ましい。 両フランジが取り外し可能にレセプタクルに取り付けられると、２つのフランジを取り替えることによって最適の供給方向を逆転することができる。 簡単な取扱い、従って迅速で簡単な供給方向の反転を確実にするため、急速開放継手によってフランジを凹部に装着するのが特に好ましい。

こうして、入口開口と出口開口の非対称構造の利点は、反転可能な供給方向の利点と組み合わせることができる。

本発明は、好ましくは基枠を通る対称面に関して互いに鏡面対称な２つのレセプタクルによって構成される。 この構成は、レセプタクルの鏡面対称と好ましくはフランジの外形の鏡面対称が特に簡単なフランジの取り替えを可能にするから、特に好ましい。

本発明は、第１位置にあるとき供給方向に,第２位置にあるとき供給方向と逆方向に吐出方向を調整する少なくとも１つの可動調整部材をもつ出口開口によって構成されるのが好ましい。 また、本発明は、第１位置にあるとき供給方向と逆方向に,第２位置にあるとき供給方向に吐出方向を調整する少なくとも１つの可動調整部材をもつ出口開口によって構成されるのが好ましい。

本発明の上記構成では、出口開口と入口開口の形状が、取替可能に装着できるフランジをもつ本発明の一構成に代替して,或いはこの構成に追加して設計を変化させることができる。 このことは、少なくとも１つの可動調整要素が第２位置にあるとき、出口開口を入口開口の形状をもつように変化させることができる場合、とりわけ好ましい。 このように、回転ピストンポンプの供給方向は、調整要素を第１位置から第２位置へ移動させることによって逆転できる。 これは、構成部材の取替を全く必要としないので、特に容易に供給方向の逆転を可能にする。 入口開口と出口開口の非対称形状の利点は、逆転可能な供給方向の利点と同時に組み合わせることができる。

本発明は、出口開口の調整部材が、圧力検出面によって,出口開口の媒体の第１圧力を検出したとき第１位置に位置し、出口開口の媒体の好ましくは負圧である第２圧力を検出したとき第２位置に位置するという構成にするのが好ましい。 他の好ましい構成は、出口開口の媒体の圧力を検出する圧力センサを備え、圧力センサが,出口開口の媒体の第１圧力を検出したとき調整要素を第１位置に位置させ、出口開口の媒体の第２圧力を検出したとき調整要素を第２位置に位置させる。 本発明は、また、入口開口の調整部材が、圧力検出面によって,入口開口の媒体の第１圧力を検出したとき第１位置に位置し、入口開口の媒体の好ましくは負圧である第２圧力を検出したとき第２位置に位置するという構成にするのが好ましい。 他の好ましい構成は、入口開口の媒体の圧力を検出する圧力センサを備え、圧力センサが,入口開口の媒体の第１圧力を検出したとき調整要素を第２位置に位置させ、入口開口の媒体の第２圧力を検出したとき調整要素を第１位置に位置させる。 これに関連して、入口開口の媒体の圧力を検出するための圧力センサは、出口開口の媒体の圧力を検出するための圧力センサと同じであることが特に好ましい。

本発明の上記構成は、回転ピストンポンプの入口側および出口側の媒体の異なる圧力を有利に用いている。 入口側の媒体は、第２圧力と称した負圧または吸込圧である一方、出口側の媒体は、第１圧力と称した正圧である。 供給方向が逆転すると、これに応じて圧力条件も変化する。 この圧力条件に応じて調整要素を動作させることによって、入口開口と出口開口の形状を簡単な方法で上記供給方向に確実に適合させることができる。 調整要素は、媒体の圧力に機械的に、或いは１つ以上のセンサを介して接続することができる。

本発明の構成は、回転ピストンが第１回転方向に回転しているとき第１位置に位置し、回転ピストンが第２回転方向に回転しているとき第２位置に位置するように少なくとも１つの回転ピストンに連結された調整部材を備えるのが好ましい。

調整要素を動作させる他の方法は、本発明の上記構成で述べたように、調整要素を１つまたは両方の回転ピストンの回転方向と結合させることである。 供給方向を逆転すると、回転ピストンの回転方向も変化し、調整要素が好ましくは機械的に,またはセンサを介して回転方向に結合されている場合、入口開口と出口開口の形状を、回転方向,従って供給方向に応じて変化させることを可能にする。

本発明の構成は、回転ピストンポンプの供給方向を設定するため、回転ピストンポンプが第１供給方向へ回転しているとき第１位置に位置し、回転ピストンポンプが第２供給方向へ回転しているとき第２位置に位置するようにスイッチ機構に結合された少なくとも１つの調整部材を備えるのが好ましい。

調整要素を動作させる他の方法は、本発明の上記構成で述べたように、回転ピストンポンプの供給方向を逆転できるスイッチ装置への結合である。 調整要素を機械的に,或いはセンサを介してスイッチ装置のスイッチ位置に結合することによって、入口開口と出口開口の形状は、供給方向に直接依存させることができる。

本発明の好ましい実施形態は、図面を参照しつつ次に説明される。

図１は、従来技術による回転ピストンポンプの断面図である。

図２は、本発明による回転ピストンポンプの第１実施形態の断面図である。

図３は、本発明による回転ピストンポンプの第２実施形態の断面図である。

図１は、２つの回転ピストン110,120とハウジング130を備えた従来の回転ピストンポンプ100を示している。 ２つの回転ピストン110,120は、夫々回転軸111,121と回転ピストンベーン112,122を有する。 ハウジング130は、回転ピストン112,122の外周部分を取り囲む内壁131と、回転ピストンポンプの外周を画定する外壁132と、脚133,134を有する。 ハウジング130は、１つの入口開口150と１つの出口開口140を有する。 出口開口140は、管接続フランジ143で囲まれ、この管接続フランジに上壁161,下壁162,中心軸163をと一致すもつ管路160が接続されている。 管路160の中心軸163は、管接続フランジ143の中心軸と一致する。 入口開口150も、別の管接続フランジ153で囲まれ、この間接族フランジに上壁171,下壁172,中心軸173をもつ別の管路170が接続されている。

入口開口150から出口開口140に至る方向に媒体を輸送するため、回転ピストン110,120は、矢印113,123で示す回転方向に回転する。 入口開口150と出口開口140は、ハウジングの内壁131に向かって夫々先細になり、鏡面SFに関して鏡面対称である。 入口開口と出口開口は、内壁131と外壁132の間に側面141,142,151,152を形成している。

入口開口および出口開口の両領域におけるハウジングの取り囲み角は、α＋Δαであり、つまりハウジングの内壁が両領域の回転ピストの外周を(2×α)＋(2×Δα)の角度で取り囲んでいる。 入口開口と出口開口のこのような鏡面対称の形状は、回転ピストンポンプの供給方向の切り換えが可能な点で有利である。 しかし、この従来技術による解決策は、異物に対する感受性,停止の頻出,圧力損失,摩耗と剥離,耐用寿命および維持・修理の費用などについて改善する必要がある。

図２,３は、本発明による回転ピストンポンプの２つの実施形態を示している。 同一または類似の機能をもつ構成部材は、同じ参照番号に100(図２)および200(図３)を加えた番号で表している。 図２,３に示す本発明の回転ピストンポンプの相違、および公知の図１に示した回転ピストンポンプと図２,３に示した本発明の回転ピストンポンプとの相違に主に的を絞って、次に述べる。

図２,３は、図１に示す従来の解決策と出口開口240,340の構成において相違する。 図２,３の回転ピストンポンプは、出口開口240,340が、同じ設計である。 図２,３は、図２の入口開口250が図１の従来例の入口開口150と同じである一方、図３の入口開口350は、図１の従来例と異なるのみならず、図２に示す実施形態とも異なる。

図２,３の入口開口250,350の異なった形状は、入口開口の領域で矢印で模式的に示すような媒体の異なった流入特性によって特に明らかになる。 図２のハウジング230の内壁231の方向に向かって先細になる入口開口250によって、媒体は、２つの回転ピストン210,220の間の中央に導かれる。 これと対照的に、図３のテーパのない入口開口350では、媒体は、入口開口350の全断面を横切って、２つの回転ピストン310,320のより広い領域に向かって流れる。

本発明によれば、図２,３の出口開口240,340は、供給方向,つまりハウジング230,330の内壁231,331から外壁232,332に向かう方向に向かって先細になっている。 回転ピストンベーン212,222,312,322の先端が回転で描く円経路は、部分的に交差する回転ピストンの外周214,224,314,324を画定する。 ハウジングの内壁231,331が取り囲む角は、回転ピストンポンプの出口側の上部と下部でβ-Δβである。 従って、出口開口240,340の吐出側の拡張は、回転軸211,221,311,321の平面に平行かつ回転軸211,221,311,321に直交する方向において、回転軸211,221,311,321の相互間隔よりも大きい。

下側面,つまり吐出斜面242,342は、上側面241,341よりも急峻に傾斜している。 これは、図２,３に示した本発明の変形例では、出口開口240,340の上側吐出斜面241,341が、ハウジング230,330の外壁232,332において上側回転ピストン210,310の回転軸211,311の高さで終わり、下側吐出斜面242,342が、ハウジング230,330の外壁232,332においてβ＋ρの角度が達成されるまで終わらないことによって実現される。 従って、鉛直方向オフセットＶは、出口開口240,340と接続された管路260,360の下側壁362に生じて、固体a,bに対して障壁の役割を果たす。 一点鎖線の矢印は、固体が回転ピストンベーンの間から流れ出す接線方向を示す。 この接線方向は、対向する回転ピストンのベーンから離れる方向に向いている。 一点鎖線の矢印から分かるように、下回転ピストン220,320によって運ばれる固体aの移動経路は、出口開口240,340から接続管路260.360の中へ曲がって延びている。 上回転ピストン210,310によって運ばれる固体bの移動経路は、同じく出口開口240,340から接続管路260.360の中へ曲がって延びている。 本発明にしたがって構成された出口開口によって達成される固体のこの移動経路は、従来例に比して、実質上回転ピストンポンプの固体による詰まりを減じ、異物に対する感受性を改善し、停止の頻度を減じ、圧力損失および摩耗や損傷を減じ、運転寿命を延ばすとともに修理や維持の費用を減じることができる。