DE1941673A1

DE1941673A1 - Zahnradpumpe mit keilfoermig verjuengten Einzugskammern

Info

Publication number: DE1941673A1
Application number: DE19691941673
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl-Ing Schippers
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1969-08-16
Filing date: 1969-08-16
Publication date: 1971-02-18
Also published as: FR2058051A5; CH505295A; US3746481A

Description

Zahnradpumpe mit keilförmig verjüngten Einzugskammern

B a r m a g
Barmer Maschinenfabrik Aktiengesellschaft

Sitz Wuppertal

Die Erfindung betrifft eine Zahnradpumpe/ insbesondere zum Austragen und Fördern von geschmolzenen thermoplastischen Kunststoffen, in deren Pumpengehäuse zwei in achsparallelen Bohrungen laufende, miteinander kämmende Zahnräder angeordnet sind, von denen eines von außen antreibbar ist, und deren Füllzone durch in Umfangsrichtung der Bohrungen verlaufende keilförmig verjüngte Kammern erweitert ist.

Pumpen dieser Art sind an sich bekannt; sie werden für die Förderung zahlreicher flüssiger Medien«, beispielsweise Öl (DP 323 327), Spinnlösungen (DBP 1 230 314} und dergl. angewandt. Je nach den chemischen und physikalischen Eigen-¹ schäften des zu fördernden Mediums sowie auch unter Berücksichtigung der geforderten Mengenleistung werden die Pumpen hinsichtlich ihrer Abmessungen, der Präzision ihrer Ausführung sowie ihrer Rotordrehzahlen unterschiedlich bemessen. Die Pumpengehäuse werden in der Regel aus drei sandwichartig aneinandergefügten Platten aufgebaut, deren mittlere der Aufnahme der miteinander kämmenden Sahnräder dient, und deren äußere den Pumpenraum und die Zahnräder stirnseitig abdecken.

Bei bekannten Pumpen, die als Spinnstoff-Dosierpumpen eLngesetzt werden, besteht die Aufgabe, den Spinnstoff, also

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beispielsweise eine Schmelze von thermoplastischem Mate-rial im Laufe des Pumpvorganges einem laufend sich steigernden Druck auszusetzen, damit Gasblasen, die in der Schmelze vorhanden sind, infolge des sich steigernden Druckes in Lösung gehen. Solche Gasblasen können beispielsweise aus Monomer-Anteilen bestehen, die beim Erwärmen des thermoplastischen Polymers durch Zerfall entstehen. Um den geforderten Druck aufzubauen, ist es aus der deutschen Patentschrift 1 230 314 bekannt, in der das Pumpengehäuse bildenden Platte Kammern anzuordnen, die mit ihrer Eintrittsöffnung In die Einzugszone der Pumpe münden, und die in ümfangerichtung keilförmig verjüngt sind. Beim Umlauf der Zahnräder wird die viskose thermoplastische Schmelze erfaßt und in die Kammern hineingezogen. Hierdurch wird in der Schmelze eist allmählich sich steigernder Druck aufgebaut, der dazu diente, die erwähnten Gasblasen aufzulösen.

Die in der deutschen Patentschrift 1 230 314 beschriebenen Pumpen dienen als Spinnetoff-Dosierpumpen; sie haben dementsprechend kleine Abmessungen und Förderleistungen. -Die verjüngten Kammern sind sehr flach ausgeführt, damit sich die zum Auflösen der Blasen erforderlichen hohen Drücke aufbauen können«

Bei Zahnradpumpen mit zwar prinzipiell ähnlichem Aufbau jedoch größeren Abmessungen, die beispielsweise zum Austragen und Fördern von geschmolzenen thermoplastischen Kunststoffen dienen, besteht die im DBP 1 230 314 gelöste Aufgabe nicht. Pumpen dieser Art werden beispielsweise zum Austragen des friach erzeugten Polymers aus dem Poiymerisationsreaktor eingesetzt» Hierbei besteht der Wunsch, die Förderleistung der Pumpe möglichst weltgehend auszunützen, um die fertig durchpolymerisierte Masse möglichst schnell aus dem Reaktor, dessen Fassungsvermögen häufig mehrere Tonnen beträgt, austragen zu können.

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Das möglichst schnelle Entleeren des Reaktors ist erforderlich, damit die einzelnen Teilmengen eines jeden Ansatzes möglichst gleiche Verweilzeiten und damit auch gleiche Eigenschaften aufweisen. Dem Bestreben, die Förderleistung der Austragspumpe dadurch zu steigern, daß die Umfangsgeschwindigkeit der Zahnräder vergrößert wird, sind infolge der hohen Viskosität vieler Schmelzen enge Grenzen gesetzt. Andererseits läßt sich die Viskosität nicht ohne weiteres durch Steigerung der Schmelzetemperatur erniedrigen, da mit einer derartigen Temperatursteigerung wieder ein Zerfall des Polymers verbunden wäre.

Die zuletzt geschilderten Schwierigkelten treten in noch erhöhtem Maße auf, wenn es erforderlich ist, die thermoplastische Schmelze aus einem Reaktor zu fördern, in dem ein gegenüber dem Außendruck erniedrigter Druck herrscht. In diesem Fall ist die Fließgeschwindigkeit der sirupartigen Schmelze noch geringer, so daß zur vollstänigen FUllung der Zahnlücken eine längere Zeit benötigt wird.

Zur Überwindung dieser Schwierigkeiten besteht die Aufgabe, eine Zahnradpumpe Vorzügenlagen, die auch bei hochviskosen Schmelzen oder bei Förderung der Schmelze aus einem evakuierten Raum eine vollständige Füllung der Zahnlücken sicherstellt und gegebenenfalls sogar eine Erhöhung der Umdrehungszahlen ohne Herabsetzung des Füllgrades ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Zahnradpumpe der beschriebenen Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die Höhe der Kammereintrittsöffnung wenigstens gleich dem 1-fachen Betrag,und die Länge der Kammer gleich dem 5...10-fachen, vorzugsweise 6...8-fachen Betrag der Höhe eines Zahnes ist. Durch diese Abmessung der Kamerhöhe und der Kammerlänge ist sichergestellt,daß die zähe Schmelze störungslos in die Kammer eintreten kann, wobei sie dann von den umlaufenden Zahnrädern erfaßt und mitgenommen wird. Die Breite der Kammer entspricht der

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Länge der Zahnräder, wie dies auch für den Bereich der Pumpeneinfüllstutzen gilt.

Bei den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Abmessungen steht also nicht das Siel im Vordergrund, in der Schmelze bei ihrem Eintritt in die Kammer einen erhöhten Druck aufzubauen, sondern es soll sichergestellt werden, daß die zähflüssige Schmelze hinreichend Zeit erhält, in den Raum zwischen den Zähnen einzufließen und diesen vollständig ■ auszufüllen.

Die im wesentlichen durch die Höhe der Kammereintrittsöffnung sowie die Kanonerlänge (in Umfangsrichtung gemessen) definierte Kammer kann geometrisch so ausgestaltet sein, daß die Höhe der Kammer über einen beträchtlichen Teil ihrer Länge konstant bleibt. Vorteilhafter ist es jedoch, die Kammerhöhe fortlaufend abnehmen zu lassen, da beim Betrieb der Pumpe die Schmelze um so weiter in die Zahnlücken eingedrungen sein wird, je weiter sie in das Kammerinnere vorgeschoben ist. Diesem abnehmenden "freien" Volumen der Schmelze Rechnung tragend sollte auch die Höhe der Kammer fortlaufend abnehmen.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist demnach dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den die am Umfang des Zahnrades anliegende Tangente mit der am Dach der Kammer anliegenden Tangente bildet, von der Kammereintrittsöffnung bis zum Eammerende hin linear abnimmt, oder der Winkel ist zunächst über einen größeren Bogen des Zahnrad-Umfanges konstant und nimmt dann zum Kammerende hin verhältnismäßig schnell ab.

Bei Versuchen und theoretischen. Überlegungen über die geometrische Form der Kammer hat sich gezeigt, daß der Ausgestaltung der oberen Begrenzungskante der Kammereintrittsöffnung erhebliche Bedeutung zukommt. Wird

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diese Kante scharfkantig ausgeführt, so kommt es an dieser Stelle zu Verwirbelungen der Kunststoffmasse und zur Bildung von Totzonen unmittelbar hinter der Begrenzungskante. Dies führt bei empfindlichen Kunststoffen zu Zersetzungserscheinungen/ und damit zu fehlerhaften Kunststoffprodukten. Um dies zu unterdrücken wird vorgeschlagen, daß die obere Begrenzungskante der Kammereintrittsöffnung abgerundet ist, wobei der Radius der Abrundung vorzugsweise wenigstens gleich der Höhe eines Zahnes sein sollte.

Um die Viskosität der von der Pumpe geförderten Schmelze während des Fördervorganges nicht zu ändern und damit die Fließeigenschaften der zu fördernden Masse an allen Stellen des Pumpengehäuses gleich zu halten, wird weiter vorgeschlagen, daß das Pumpengehäuse beheizbar, vorzugsweise zum Durchtritt eines flüssigen oder dampfförmigen Heizmittels doppelwandig ausgeführt ist. Diese an sich bekannte Maßnahme ist in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Pumpe von besonderer Wichtigkeit, da sie die exakte Füllung im Innern der neuartig dimensionierten Einzugstaschen verbessert und somit dazu beiträgt, daß die maximale Förderleistung auch tatsächlich erreicht wird.

Der Erfindungsgegenstand wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert:

Es stellen dar:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Ausführungshorn der erfindungsgemäßen Pumpe?

F.ig. 2 eine graphische Darstellung des Verlaufs des Tangentenwinkels über dem Umfangswinkel des Zahnrades.

In Fig. 1 ist ein Längsschnitt durch die Mittelplatte _t einer erfindungsgemäßen Zahnradpumpe wiedergegeben. Die

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Mittelplatte 1 weist einen Einfüllstutzen 2 sowie einen Austrittsstutsen 3 für das zu fördernde Gut auf. Die beiden Stutzen sind mit Flanschen 4 und 5 ausgerüstet, die dem Anschluß 'der Pumpe an entsprechende Förderleitungen oder dergl. dienen.

In die Mittelplatte 1 sind die beiden achsparallelen Bohrungen 6 und 7 eingearbeitet, in die die miteinander kämmenden Zahnräder 8 und 9 eingesetzt sind. Die beiden Zahnräder weisen an ihren Stirnseiten hier nicht dargestellte Lagerbuchsen auf, mit denen sie in den Bohrungen 6 und 7 der Mittelplatte 1 gelagert sind. Eines der Zahnräder/ beispielsweise 8 trägt ferner einen einseitig aus der Mittelplatte und der sich daran anschließenden Deckplatte herausgeführten Antriebsbolzen über den das Antriebsdrehmoment auf die Zahnräder übertragen wird. Die beiden miteinander kämmenden Zahnräder 8 und 9 laufen im Betriebsfall in Richtung der Pfeile 10 und 11 um.

Die Füllzone 12 ist in Umfangsrichtung der Zahnräder durch keilförmig verjüngte Kammern 13 und 14 erweitert. Diese Kammern haben den Zweck, der durch den Einfüllstutzen 2 in die Füllzöne einfließenden mehr oder weniger hochviskosen Masse Gelegenheit zu geben, über einen längeren Umfangsweg mit der Oberfläche der Zahnräder 3 und 9 in Berührung zu bleiben, so daß bei gleichbleibender Umlaufgeschwindigkeit die Zelt vergrößert wird, die der Masse zur Verfügung steht, um in die Zahnlücken 15, die sich zwischen den Zähnen 16 befinden, einzudringen. Um diese Aufgabe erfüllen zu können, kommt es wesentlich auf die Dimensionierung der Kammern 13 und 14 an, die somit Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist.

Die vorgeschlagene Zahnradpumpe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe 17 der Kammereintrittsöffnüng 18 wenigstens gleich dem 1-fachen Betrag der Höhe eines Zahnes 16 ist. Als weitere Bedingung kommt hinzu, daß die Länge 19 der

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Kammern 13; 14 gleich dem 5...10-fachen, vorzugsweise 6...8-fachen Betrag der Höhe eines Zahnes 16 ist. Durch diese Dimensionierung ist sichergestellt, daß die Kammern in einem weiten Viskositätsbereich der Schmelze vollständig gefüllt werden.

Für die geometrische Ausgestaltung der Kammern 13 und 14 existieren verschiedene Möglichkeiten. Die praktisch brauchbaren Ausführungsformen sind in Fig. 2 anhand einer Graphik näher erläutert.

In Fig. 2 ist auf der horizontalen Koordinate die Länge der Kammer oder der Bogen des Umdrehungswinkels dargestellt.

Auf der vertikalen Koordinate ist schematisch die Höhe der Kammern 13;14 aufgetragen, beispielsweise in Form des Winkels, den die am Umfang des Zahnrades 8 anliegende Tangente mit der am Dach 20 der Kammer 13 anliegenden Tangente bildet. Kurve I der Flg. 2 läßt den Fall erkennen, daß die Kammer höhe zunächst von der Kaimnereintrittsöf f~ nung 18 an über einen größeren Bogen gleich bleibt und dann steil zum Kammerende hin abfällt.

Die Kurve II gibt den Fall an, daß die Höhe der Kammer von der Eintrittsöffnung bis zum Kammerende hin linear abfällt, und Kurve III gibt schließlich eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Kammer an, bei der die Höhe zunächst in stärkerem und dann in schwächerem Maße verkleinert ist.

Alle dargestellten Formen nehmen Rücksicht auf die Tatsache, daß im Zuge fortschreitender Füllung der Zahnlücken das in der Kammer verbleibende Schmelzevolumen immer geringer wird. Die nach Kurve III Flg. 2 verlaufende Ausführungsform nimmt zudem noch darauf Rücksicht, daß der Strömungswiderstand, den die Schmelze bei fort-

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schreitendem Eindringen in die Zahnlücken erfährt,mit fortschreitender Vergrößerung der Grenzfläche Schmelze-Zahnoberfläche vergrößert wird.

Om die Strömungsverhäitnisse an der Kammereintrittsöffnung 18 optimal zu gestalten wird ferner vorgeschlagen, daß die obere Begrenzungskante 21 abgerundet ist. Der Radius 22 der Abrundung soll vorzugsweise wenigstens gleich der Höhe eines Zahnes 16 sein. Bei dieser Dimensionierung ergeben sich nach Erkenntnissen des Erfinders optimale Strömüngsverhältnisse an der Kammereintrittsöffnung, die für die Füllung wesentlich sind.

Fig. 1 läßt weiter erkennen, daß das von der Mittelplatte gebildete Pumpengehäuse 23 doppelwandig ausgeführt ist, so - daß es von einem Hohlraum 24 umgeben ist, der in bekannter Welse der Beheizung der Pumpe dient. Der Hohlraum 24 kann einen Ansehlußstutzea 25 aufweisen, der in einem Flansch endet, über den das System in bekannter Weise an eine Heizmittelquelle, beispielsweise an ein Diphyl-System angeschlossen werden kann«, Allerdings sind auch andere Beheizungsarten möglich, beispielsweise mithilfe von elektrischen Widerstandsheizelementen, wie dies an sich zum Stande der Technik gehört. ■ . - "

Zum Gebrauch der Pumpe wird diese mithilfe des Flansches 4 an eine Lieferquelle angeschlossen, beispielsweise an einen unter Unterdruck stehenden Reaktor, aus dessen Innenraum das thermoplastische hochviskose Reaktionsprodukt gefördert werden soll. Mithilfe des Flansches 5 wird der Austrittsstutzen3 der Pumpe an eine Rohrleitung angeschlossen, die den geförderten Kunststoff einer Weiterverarbeitungsmaschine, etwa einem Granulator zuführt. Der durch den Einfüllstutzen 2 in die Füllzone 12 einströmende hochviskose Kunststoff legt sich mehr oder weniger vollständig in die Zahnlücken der langsam in Richtung der Pfeile IC und 11 umlaufenden Zahnräder 8 und 9. Je höher die Vi£Jcc»itat der zu fördern-

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den Masse ist, um so unvollständiger wird die Füllung der Zahnlücken 15. Von einer bestimmten Viskosität ab wird die Verweilzeit der einzelnen Zahnlücken im Bereich der Füllzonel2 nicht mehr ausreichen, um die Schmelze vollständig aufzunehmen. Die Zähne wandern dann in den Bereich der Kammern und 14, in denen eine Nachfüllung der Zahnlücken eintritt. Entsprechend der Volumenabnahme der in den Kammern 13 und vorhandenen thermoplastischen Masse ist auch der Innenraum der Kammern reduziert, was durch die bereits beschriebene geometrische Ausgestaltung der Kammerdächer 20 erreicht wird.

Praktische Erfahrungen mit der neu vorgeschlagenen Pumpenform haben gezeigt, daß diese ohne Schwierigkeiten auch noch bei hochviskosen Schmelzen im Bereich Über 20.000 Poise brauchbar sind. Ihre Förderleistungen entsprechen in diesem Bereich denjenigen Leistungen, die Pumpen gleicher Größe im Bereich geringerer Viskositäten aufweisen.

Claims

Patentansprüche

Q) ZahnradpumpeY insbesondere zum Austragen und Fördern von . geschmolzenen thermoplastischen Kunststoffen« in deren Pumpengehäuse zwei in achsparallelen Bohrungen laufende miteinander käosaende Zahnräder angeordnet sind, von denen eines von außen antreibbar ist,und deren Füllzone durch in Umf ausrichtung verlaufende keilförmig verjüngte Kammern erweitert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Höh© (17) der KaSBHaereintrittsoffnung (18) wenigstens gleich dem 1-fachen Betrag und die Länge C19) der Kammern (13?145 gleich dem 5«.,10-fachen, vorzugsweise β..,8-fachen Betrag ö©r Höh® eines Zahnes (16) ist. .
2) -. Zahnsädpun^e nach Anspruch 1« dadurch gekennzeichnet,

daß d@r Winkel, den di® &m Umfang des Zahnrades (8;9}

Tangente mit der am Dach (20) der Kammer(13;14)

SIiIIfent© bildete von der Kamraereintrittsöffnüng -(i$) him $^m Kasm&r&nde linear oder zunächst in stärker©!» und dann in sehwächereiR HaSe verkleinert ist.
3) 2ahnrffidp?mpe sisch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet» dad die obere Begrenziingskante (21) der Kammereintrittsöffnung ClS) abgerundet ist.
4) Zahnradpumpe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dad der Radius (22) der Abrundung wenigstens gleich der Höhe eines Zahnes (16) ist.
5) Zahnradpumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse (23) beheizbar, vorzugsweise zum Durchtritt eines flüssigen oder dampfförmigen Heizmittels doppelwandig ist.

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