(57)【要約】ステータ・ロータシステムを備える偏心ねじポンプは、ロータねじを有するロータと、雌ねじを有するステータを備える。ステータは、支持要素及びエラストマ部分を備え、支持要素は、エラストマ部分における全周の少なくとも一部を包囲している。本発明によれば、ステータ・ロータシステムは、ステータを調整するための調整機構を備える。調整機構は、制御ユニットにより、ステータ・ロータシステム、及び／又は、偏心ねじポンプにおける実際の作動パラメータを測定するための少なくとも１個のセンサに結合されている。制御ユニットは、少なくとも１個のセンサによって測定された実際の作動パラメータを考慮しつつ調整機構を作動させることができる。更に、本発明は、偏心ねじポンプの作動状態を適合させるための方法にも関する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータ・ロータシステム（10）を備える偏心ねじポンプであって、ロータねじを有するロータと、雌ねじを有するステータ（３）を備え、前記ステータ（３）は、支持要素（５）及びエラストマ部分（４）を備え、前記支持要素（５）は、前記エラストマ部分（４）における全周の少なくとも一部を包囲している偏心ねじポンプにおいて、
前記ステータ・ロータシステム（10）が、前記ステータ（３）を調整するための調整機構（12）を備え、前記調整機構（12）が、制御ユニット（32）により、前記ステータ・ロータシステム（10）、及び／又は、前記偏心ねじポンプにおける実際の作動パラメータを測定するための少なくとも１個のセンサ（35）に結合され、
前記制御ユニット（32）が、前記少なくとも１個のセンサ（35）によって測定された前記実際の作動パラメータを考慮しつつ、前記調整機構（12）を作動させることができることを特徴とする、偏心ねじポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の偏心ねじポンプであって、前記調整機構（12）が、前記ステータ・ロータシステム（10）に配置された２個の調整要素（13，14）を備え、前記２個の調整要素（13，14）が、互いに対して距離が可変であり、
前記調整機構（12）の前記調整要素（13，14）と前記ステータ（３）との間に、機械的結合部及び／又は機械的接続部が設けられているため、前記２個の調整要素（13，14）間の相対距離を変化させることにより、前記ステータ（３）における前記エラストマ部分（４）の断面及び長さが変化可能である、偏心ねじポンプ。
【請求項３】
請求項２に記載の偏心ねじポンプであって、第１調整要素（13）が、前記ステータ・ロータシステム（10）上に固定的に配置され、他方の第２調整要素（14）が、前記ステータ・ロータシステム（10）上に位置可変的に配置されている、偏心ねじポンプ。
【請求項４】
請求項３に記載の偏心ねじポンプであって、位置可変的な前記第２調整要素（14）が、前記制御ユニット（32）によって作動されるアクチュエータにより再配置可能であり、これにより、固定的な前記第１調整要素（13）に対して、位置可変的な前記第２調整要素（14）の距離を変化させることができる、偏心ねじポンプ。
【請求項５】
請求項１〜４の何れか一項に記載の偏心ねじポンプであって、少なくとも１個の第１センサ（36）が前記偏心ねじポンプ上に配置され、及び／又は、少なくとも１個の第２センサ（37）が前記ステータ（３）の前記エラストマ部分（４）上に配置され、及び／又は、少なくとも１個の第３センサ（38）が前記調整機構（12）上に配置されている、偏心ねじポンプ。
【請求項６】
請求項５に記載の偏心ねじポンプであって、前記第１センサ（36）が、前記偏心ねじポンプにおける圧力、回転速度、温度及び／若しくは体積流量を測定するよう構成され、並びに／又は、前記第２センサ（37）が、前記エラストマ部分（４）におけるエラストマ材料の予応力及び／若しくは反力を測定するよう構成され、並びに／又は、前記第３センサ（38）が、位置可変的な前記第２調整要素（14）の位置を測定するよう構成され、及び／若しくは、固定的な前記第１調整要素（13）及び位置可変的な前記第２調整要素（14）間の距離を測定するよう構成されている、偏心ねじポンプ。
【請求項７】
ステータ・ロータシステム（10）を備える偏心ねじポンプの作動状態を適合させるための方法であって、
前記ステータ・ロータシステム（10）は、ロータと、ステータ（３）と、前記ステータ（３）を調整するための調整機構（12）とを備え、
前記ステータ（３）は、エラストマ部分（４）及び支持要素（５）を備え、
前記方法は、
ａ.前記偏心ねじポンプにおける実際の作動状態を定めるために、適切なセンサにより、前記偏心ねじポンプにおける実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを測定し、及び／又は、適切なセンサにより、前記エラストマ部分（４）における実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを測定し、及び／又は、適切なセンサにより、前記調整機構（12）における実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを測定するステップと、
ｂ.前記実際の作動パラメータの少なくとも１つを、既知の公称作動パラメータと比較するステップと、
ｃ.前記測定した実際の作動パラメータが前記公称作動パラメータから逸脱している場合、前記調整機構（12）を作動させて前記ステータ（３）を調整するステップと、
ｄ.実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを制御しつつ、新たな作動状態への調整を監視するステップと、
を含む方法。
【請求項８】
請求項７に記載の方法であって、前記測定した実際の作動パラメータが前記公称作動パラメータから逸脱している場合、前記調整機構（12）の調整行程（ｎ）を算出し、
前記調整機構（12）を作動させることにより、前記算出した調整行程（ｎ）が行われ、これにより前記ステータ（３）における理想的な作動点（iBP）に向けた調整が行われる方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、前記測定した実際の作動パラメータが前記公称作動パラメータから逸脱している場合、作動状態を、増加近似法を利用して理想的な作動点（iBP）に向けて調整することにより適合させる方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の方法であって、前記調整機構（12）を、前記ステータ・ロータシステム（10）における予応力が増加する少なくとも実質的な閉鎖位置に調整し、その後、前記調整機構（12）を制御しつつ開放することにより、前記偏心ねじポンプが最大効率で作動する前記理想的な作動点（iBP）に向けた調整が行われる方法。
【請求項１１】
請求項７〜１０の何れか一項に記載の方法であって、前記調整機構（12）を調整した後、規定の時間間隔（△t2）の経過後に、前記偏心ねじポンプにおける前記実際の作動パラメータを再度定めると共に、前記公称作動パラメータと比較する方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であって、前記実際の作動パラメータが前記公称作動パラメータから逸脱している場合、前記調整機構（12）を再度作動させる方法。
【請求項１３】
請求項１１に記載の方法であって、前記実際の作動パラメータ及び前記公称作動パラメータ間の逸脱が十分に減少した場合、規定の時間間隔（△t3）の経過後に、前記偏心ねじポンプにて調整した作動状態を再度判定する方法。
【請求項１４】
請求項７〜１１の何れか一項に記載の方法であって、前記実際の作動パラメータが前記公称作動パラメータから逸脱していない場合、規定の時間間隔（△t1）の経過後に、前記偏心ねじポンプにおける前記実際の作動パラメータを再度定めると共に、前記公称作動パラメータと比較する方法。
【請求項１５】
請求項７〜１４の何れか一項に記載の方法であって、適切なセンサにより、前記偏心ねじポンプにおける圧力、回転速度、温度及び／若しくは体積流量を測定し、並びに／又は、適切なセンサにより、前記ロータ及び前記ステータ間（３）の予応力を測定し、及び／若しくは、適切なセンサにより、前記エラストマ部分（４）のエラストマ材料における反力を測定し、及び／若しくは、適切なセンサにより、前記調整機構（12）における少なくとも１個の調整要素（13，14）の位置を測定し、及び／若しくは、適切なセンサにより、前記調整機構（12）における２個の調整要素（13，14）間の距離を測定する方法。
【請求項１６】
請求項７〜１５の何れか一項に記載の方法であって、前記調整機構（12）の調整は、前記調整機構における２個の調整要素（13，14）間の距離を縮小又は拡大させることによって行い、
前記２個の調整要素（13，14）間の距離を変化させることにより、前記ステータ・ロータシステム（10）における前記エラストマ部分（４）の断面及び長さが変化する方法。
【請求項１７】
請求項７〜１６の何れか一項に記載の方法であって、前記調整機構を、定めた前記逸脱が規定の許容範囲を超えている場合のみ作動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の前提部の特徴に係る偏心ねじポンプと、請求項７の前提部の特徴に係る偏心ねじポンプの作動状態を適合させるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、液体媒体及び／又は粒状媒体を搬送するための偏心ねじポンプに関する。
【０００３】
偏心ねじポンプは、特に、高粘性媒体及び研磨媒体といった多様な媒体、例えばスラッジ、液体肥料、原油及びグリースを搬送するために使用されるポンプのことである。搬送に際しては、駆動される螺旋状のロータがステータ内で偏心運動を生じる。そのステータは、螺旋状に形成された内側を有するハウジングによって構成される。媒体の搬送に際して駆動されるロータの形状軸は、ステータ軸線周りに偏心回転運動を生じる。外側ねじ、即ちステータは、２条ねじとして構成され、これに対して内側ねじ、即ちロータは、１条ねじとして構成される。ロータは通常、高度な耐摩耗性を有する材料、例えば鋼で構成されるのに対して、ステータは、弾性材料、例えばラバーで構成される。ロータ及びステータは特殊な形状を有するため、これらロータ及びステータ間にはシール状態のキャビティが形成され、ロータの回転に伴いキャビティが軸線方向に沿って移動するから媒体が軸線方向に搬送される。この場合、キャビティの容積は一定であるため、搬送媒体が圧縮されることはない。偏心ねじポンプを適切に構成すれば、流体のみならず固体も搬送することができる。
【０００４】
ロータは、搬送キャビティを形成すると共に各媒体を可及的に僅かな逆流で搬送するために、弾性材料で構成されるステータの内壁に圧力負荷状態で当接している。典型的には、金属で構成されるロータは、典型的には、ラバーで構成されるステータ内で運動を生じることにより、ステータがある程度の摩耗を被る。この摩耗により、ロータ及びステータ間における圧力負荷による当接力が低減し、特に、ステータ及びロータ間に沿う連続的な螺旋状接触線における接触がもはや維持不可能となる。これにより、偏心ねじポンプの能力が低下する。この現象は、特に、大きな吸い込み高さ又は大きな逆圧を克服すべき偏心ねじポンプに当てはまる。この場合、ステータを定期的に交換する必要がある。
【０００５】
ステータを交換するタイミングは、例えば、物理的パラメータに基づいてステータにおける摩耗を検出するセンサを使用して判定する。特許文献１（独国特許出願公開第10157143号明細書）には、偏心ねじポンプのメンテナンス間隔又は残留作動期間を表示するための装置が記載されている。この場合、センサは、制御ユニットによって得られた摩耗関連の作動パラメータを検出する。制御ユニットは、これらパラメータに基づいて、次回のメンテナンスを実施すべき時期又は特定部品を交換すべき時期までの作動期間又は作動サイクルの予想値を算出する。
【０００６】
特許文献２（独国実用新案公報第202005008989号明細書）には、作動力と、ステータの摩耗を監視する機能を備える偏心ねじポンプが開示されている。この場合、ステータには、少なくとも１個の測定変換器が設けられており、ロータの回転時におけるステータ又はその弾性材料の圧縮及び／又は運動を測定することができる。
【０００７】
センサによるステータ状態を監視する他の発明は、例えば、特許文献３（特開第2011-112041号公報）、特許文献４（特開第2010-281280号公報）、並びに特許文献５（特開第2010-1104号公報）に記載されている。
【０００８】
更に、長寿命化を図るために調整可能としたステータが既知である。特許文献６（独国特許出願公開第3433269号明細書）には、引張りボルトとして構成した引張り手段を有するステータケーシングが記載されている。この場合、引張り手段は、ステータケーシングの軸線方向の全長に亘って配置されている。これら引張り手段は、ステータ・ロータシステムにおける重量の大幅な増加につながるものである。加えて、各引張り手段は、再調整を実施するときに個別に再締結しなければならない。
【０００９】
特許文献７（欧州特許出願公開第0292594号明細書）には、長手方向スロットが設けられ、かつ偏心ねじポンプ用としたステータケーシングが開示されている。ステータケーシングは、その吐出領域にのみ、圧力を負荷可能とすると共に摩耗したステータの再調整を可能とする引張り手段を有する。この場合、引張り力は、適切な補強リブにより、ステータケーシングの全長の一部に亘って分布させる。
【００１０】
特許文献８（独国特許出願公開第4312123号明細書）には、長手方向に延びると共に、調整を容易とした複数のスロットが設けられたステータケーシングが記載されている。この場合、ステータの吐出側端部領域における調整をより効果的に実現するため、各スロットは、ステータの吸い込み側端部領域の直前で終端しており、吐出側端部領域においてのみ延びている。
【００１１】
特許文献９（独国特許出願公開第4403979号明細書）には、偏心ねじポンプ用とした調整可能なステータが開示されている。そのステータには、長手方向に途切れることなく延びる連続スロットと、吸い込み側端部の直前で終端する長手方向スロットが設けられている。有利には、各長手方向スロット間に、連続スロットが設けられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】独国特許出願公開第10157143号明細書
【特許文献２】独国実用新案公報第202005008989号明細書
【特許文献３】特開第2011-112041号公報
【特許文献４】特開第2010-281280号公報
【特許文献５】特開第2010-1104号公報
【特許文献６】独国特許出願公開第3433269号明細書
【特許文献７】欧州特許出願公開第0292594号明細書
【特許文献８】独国特許出願公開第4312123号明細書
【特許文献９】独国特許出願公開第4403979号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の課題は、ステータ・ロータシステムを、作動状態に応じて容易かつ迅速に適合させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この課題は、請求項１に記載の特徴を有するステータ・ロータシステムと、請求項７に記載の特徴を有するステータ・ロータシステムを適合させるための方法により解決される。他の有利な実施形態は、従属請求項に記載したとおりである。
【００１５】
本発明は、ステータ・ロータシステムを備える偏心ねじポンプに関する。ステータ・ロータシステムは、ロータねじを有するロータと、ステータを備える。好適な実施形態によれば、ステータ・ロータシステムは、１条のロータねじを有するロータと、２条の雌ねじを有するステータとを備える。ステータは、少なくとも２個の部材で構成され、支持要素及びエラストマ部分を備える。本発明の実施形態によれば、ステータのエラストマ部分は、ステータケーシング内に配置され、典型的には、ステータケーシングに対して堅固に結合されない。ステータケーシングの代わりに、網目フレーム又はエラストマ部分の一部を包囲するスクリーン構造部を支持要素として使用してもよい。即ち、支持要素又はステータケーシング及びエラストマ部分は、典型的には、互いに分離した部材として構成される。支持要素又はステータケーシングは、エラストマ部分における全周の少なくとも一部を包囲している。支持要素又はステータケーシングは、特に、エラストマ部分の大部分を包囲しているため、エラストマ部分における外側の自由端領域だけが支持要素又はステータケーシングから突出し、支持要素又はステータケーシングによって包囲されない。
【００１６】
本発明のステータは、特に、独国特許出願公開第102005042559号明細書に記載の形式のステータシステムとして構成される。この場合、エラストマ部分及び支持要素又はステータケーシング間が堅固に結合されていないため、エラストマ部分を軸線方向に変形させることができる。変形時におけるステータの体積は一定に維持される。従って、エラストマ部分が軸線方向に変形すれば、ロータがガイドされるエラストマ部分における長孔の断面（断面積）が変化する。従って、予応力、即ちステータ及びロータ間の接触圧力を変化させ、ステータの摩耗を補償することができる。このように、ステータの調整又は再調整を行うことにより、偏心ねじポンプにおけるステータ及びロータ間の予応力を異なる作動条件に適合させることも可能である。
【００１７】
本発明に係る偏心ねじポンプのステータ・ロータシステムは、ステータにおける予応力の変化及び再調整を可能とする調整機構を備える。偏心ねじポンプにおける各作動状態に応じて、ステータ・ロータシステムの予応力を異ならせる必要がある。予応力は、例えば、搬送製品や製品混合物の粘度に依存する。偏心ねじポンプの作動状態は、特に異なる作動パラメータ、例えば、圧力、回転速度、トルク、及び／又は、他の作動パラメータによって測定することができる。調整機構は、制御システムに結合され、その制御システムによって作動及び制御される。制御システムは、特に、ステータ・ロータシステム及び／又は偏心ねじポンプにおける実際の作動パラメータを測定するための少なくとも１個のセンサと、調整機構を調整するための制御ユニットを備える。即ち、調整機構は、制御ユニットにより、ステータ・ロータシステム及び／又は偏心ねじポンプにおける実際の作動パラメータを測定するための少なくとも１個のセンサと結合される。制御ユニットによる調整機構の作動は、少なくとも１個のセンサによって測定された実際の作動パラメータを考慮しつつ生じる。
【００１８】
本発明に係る制御機構は、ステータ・ロータシステムにおける様々な物理的パラメータと、ステータの摩耗状態又はステータ及びロータ間における予応力とを関連付けることができる。一例を挙げれば、物理的パラメータである圧力、トルク、体積流量、回転、及び／又は、粘度と、ステータの摩耗状態又はステータ及びロータ間における予応力とを関連付けることができる。この場合の関連付けにおいて最も顕著なパラメータは、エラストマ材料内における応力状態である。この応力は、センサシステムによってエラストマ材料内にて直接的に測定するか、又は他の構成要素に生じる反力、例えば、ステータ壁、特に支持要素又はステータケーシングに生じる反力、エラストマ部分の端面の１つに生じる反力、例えば２個のシェルで構成されると共に支持要素又はステータケーシングを保持する閉鎖要素に生じる反力によって間接的に測定することができる。
【００１９】
本発明に係る調整アルゴリズムにより、例えば、圧力、トルク、体積流量、回転速度、並びにエラストマにおける予応力間で関連付けが行われ、その後、調整機構を調整するための適切な調整位置が算出され、その調整位置に基づいて、最適な作動点に向けた調整が行われる。調整機構の自動的な調整後、偏心ねじポンプの物理的作動パラメータが再度測定され、これにより最適な作動状態が達成されたか否かが判定される。測定された作動パラメータが所望の公称パラメータに対応ていなければ、調整行程が再度算出され、調整機構が再調整される。
【００２０】
本発明の好適な実施形態によれば、実際に制御パラメータとして使用されるのは、エラストマにおける応力状態であり、その応力は、例えば、間接的に測定されると共に、偏心ねじポンプにおける回転速度等の他の作動パラメータと組み合わされることにより、増加近似法に基づく、所望の公称値に向けた調整行程x及び／又は調整方向を示す。
【００２１】
算出された調整行程x及び／又は調整方向の調整は、好適には、増加近似法に基づいて行われる。即ち、調整機構の調整は、特に最適な調整点に向けて漸進的に行われる。実際の作動パラメータ及び公称作動パラメータ間の逸脱が規定の許容範囲を超えている場合、調整機構が規定量だけ調整される。本発明に係る制御アルゴリズムは、実際の作動パラメータ及び公称作動パラメータの比較と、制御アルゴリズムに記録されたデータに基づいて調整方向を規定する。この場合、調整の程度は、所定の量に対応している。このように、測定された実際の作動パラメータ及び公称作動パラメータ間の逸脱が規定の許容範囲内に収まるまで、所望の公称値に向けて特に増加近似法に基づく調整が行われる。
【００２２】
好適な実施形態によれば、調整機構は、ステータ・ロータシステム上に配置されると共に互いに位置可変的な２個の調整要素を備える。２個の調整要素は、第１作動位置において、第１距離だけ互いに離間しているのに対して、第２作動位置において、第２距離だけ互いに離間している。この場合、第１距離は第２距離とは異なる。第２作動位置におけるステータのエラストマ部分の断面及び長さは、第１作動位置におけるステータのエラストマ部分の断面及び長さに比べて変化している。
【００２３】
調整機構及びステータ間には、好適には、機械的結合部及び／又は機械的接続部が設けられ、特に、調整機構及びステータのエラストマ部分に設けられる。調整機構における２個の調整要素間の相対距離を変化させることにより、ステータにおけるエラストマ部分の断面及び長さを変化させることができる。
【００２４】
好適には、調整要素の一方は、ステータ・ロータシステム上に固定的に配置され、調整要素の他方は、ステータ・ロータシステム上に位置可変的に配置される。特に、第１調整要素は、支持要素又はステータケーシング上に固定的に配置され、第２調整要素は、ステータのエラストマ部分上に位置可変的に配置される。好適な実施形態によれば、第１調整要素は、支持要素又はステータケーシングの自由端に設けられたフランジ上に固定的に配置され、位置可変的第２調整要素は、ステータにおけるエラストマ部分の自由端上に配置される。
【００２５】
本発明の好適な実施形態によれば、制御ユニットによりアクチュエータが作動し、そのアクチュエータにより、位置可変的第２調整要素が再配置される。これにより、位置可変的第２調整要素及び固定的第１調整要素間の相対距離が変化する。２個の調整要素間における相対距離は、異なる手段で調整することができる。アクチュエータとしては、例えば、楔要素、テーパ付けリング、スピンドル調整機構、シリンダ補助機構を使用することができる。
【００２６】
本発明の好適な実施形態によれば、偏心ねじポンプにおけるステータ・ロータシステムに割り当てられた固定的な構成要素上に少なくとも１個の第１センサを配置することができ、その第１センサにより、ステータ・ロータシステムにおける特定の物理的パラメータを検出することができる。代替的又は付加的に、ステータ・ロータシステム上、特にステータのエラストマ部分上に少なくとも１個の第２センサを配置することができる。更に、代替的又は付加的に、調整機構上に少なくとも１個の第３センサを配置することができる。
【００２７】
例えば、少なくとも１個の第１センサは、偏心ねじポンプにおける圧力、回転速度、トルク、温度、及び／又は、体積流量を測定するよう構成されるのに対して、少なくとも１個の第２センサは、ステータ・ロータシステムにおけるステータ及びロータ間の予応力を直接的又は間接的に測定するよう構成される。第２センサは、例えば、圧電素子、ロードセル、又は誘電エラストマとして構成することができる。更に、第２センサは、エラストマ材料の反力を測定するよう構成できるのに対して、少なくとも１個の第３センサは、位置可変的第２調整要素の位置、及び／又は、固定的第１調整要素及び位置可変的第２調整要素間の相対距離を測定するよう構成できる。
【００２８】
本発明は、上述したステータ・ロータシステムを備える偏心ねじポンプの作動状態を適合させるための方法にも関する。
【００２９】
本発明の方法において、先ずは偏心ねじポンプにおける実際の作動状態を判定する。この場合、偏心ねじポンプにおける実際の作動状態を判定するために、適切なセンサにより、偏心ねじポンプにおける実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを測定し、及び／又は、適切なセンサにより、ステータ・ロータシステムのエラストマ部分における実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを測定し、及び／又は、適切なセンサにより、調整機構における実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを測定する。次いで、センサにより測定した実際の作動パラメータを、既知の公称作動パラメータ又は所望の公称作動パラメータと比較する。測定した実際の作動パラメータが公称作動パラメータから逸脱している場合、調整機構を作動させてステータを調整する。この場合、新たな作動状態への調整は、実際の物理的作動パラメータの少なくとも１つを制御しつつ監視する。
【００３０】
好適な第１実施形態によれば、測定した実際の作動パラメータが公称作動パラメータから逸脱している場合、調整機構の調整行程を算出し、調整機構を作動させることにより、算出した調整行程が調整される。これにより、ステータの再調整又は調整が行われ、特にステータにおけるエラストマ部分の断面及び長さが変化する。
【００３１】
代替的な実施形態によれば、作動状態を、増加近似法に基づいて理想的な作動点に向けて調整する。この場合、制御原理又は制御アルゴリズムは、体積流量を、偏心ねじポンプの第１回転速度に割り当てるという機能特性に基づいている。即ち、体積効率が100％の場合、体積流量は、特に、回転速度に従って偏心ねじポンプにおける個別の搬送要素（搬送キャビティ）によって吸い込み側から吐出側に向けて搬送される量と正確に一致する。
【００３２】
偏心ねじポンプにおける理想的な作動点に向けた最適な調整については、以下のとおり行われる。特定の調整範囲に亘る一定の回転速度における体積流量を観測すれば、その体積流量が大きな調整範囲に亘ってほぼ一定であることが確認できる。ただし、所要のトルクは一定ではない。調整機構における調整要素を調整又は再配置することによって予応力が解放された場合、予応力は、その低減に基づく摩擦損失の低減により低下する。偏心ねじポンプの効率は、逆流が生じないか又は逆流が僅かであるが故に体積流量が変化しない大きな範囲では高まる。偏心ねじポンプの効率は、予応力の低減に起因して逆流が増加する作動点に到達するまで下がることはない。最大効率が発揮される点は、以下のとおり定義することができる。即ち、ポンプにおける理想的な作動点は、ロータ及びステータ間の予応力が十分に大きく、従って逆流が生じないか又はほぼ生じない範囲に位置する。従って、理想的な作動点とは、ステータ・ロータシステムにとって必要とされるだけの予応力が生成され、これにより媒体の逆流を最小限に抑えつつ所要の逆圧が生じる点のことを指す。
【００３３】
この機能特性は、本発明に係る制御アルゴリズムに適用される。この場合、理想的な作動点に向けた調整をするために特に増加近似法が利用される。本発明の好適な実施形態によれば、制御アルゴリズムは、好適には、以下の測定原理を利用する。この場合、先ずは偏心ねじポンプにおける作動パラメータを測定する。これら作動パラメータには、例えば、圧力、回転速度、トルク（モータ電流）、又は他の作動パラメータが含まれ、適切なセンサにより測定する。体積流量も、例えば、体積流量計又は測定ダイアフラムにより測定することができる。
【００３４】
次いで、調整機構を、少なくとも大幅な閉鎖位置、例えば、２個の調整要素が互いに可及的に近接する位置に調整する。これにより、エラストマ部分のラバーが圧縮されるため、ステータ・ロータシステムにおける予応力が増加すると共に逆流が最小化される。
【００３５】
十分に圧縮された領域が得られた後、調整機構を制御しつつ徐々に再度開放する。この過程において、体積流量は、初期的には特定点まで一定に維持される。この特定点において、ステータ・ロータシステムにおける逆流が増加するため、体積流量が低下する。理想的な作動点は、体積流量が低下する点の直前に位置している。理想的な作動点は、偏心ねじポンプが最大効率を発揮できる一定の範囲と見なすこともできる。
【００３６】
予応力の調整は、好適には、ステータ・ロータシステムにおける調整機構により、一定の時間間隔で自律的に行われる。これにより、ポンプにおける作動条件の変化に対して能動的な調整又は適合化が保証される。
【００３７】
代替的に、ステータ・ロータシステムにおける予応力は、測定した作動パラメータと、増加近似法による調整に基づいて、最大体積流量に到達するまで増加させることができる。最大体積流量に到達後、予応力は、規定の調整回数だけ漸進的に増加させる。これにより、iBPを確実に超過する。その後、予応力を漸進的に解放すれば、iBPが測定されると共にiBPに向けた調整が行われる。この過程を規定の時間間隔で反復すれば、偏心ねじポンプにおける作動状態の変化に対応することができる。
【００３８】
好適な実施形態によれば、調整機構を調整した後、規定の時間間隔の経過後に、偏心ねじポンプにおける実際の作動状態の判定を再度行うと共に、公称作動パラメータと比較する。これにより、調整が正確に行われたか否かを判定することができる。偏心ねじポンプにおける実際の作動パラメータが公称作動パラメータから依然として逸脱している場合、特に、逸脱が規定の許容範囲を超えている場合、調整機構を再度作動させて調整を行う。調整機構の調整、従ってステータの再調整又は調整により、実際の作動パラメータ及び公称作動パラメータ間の逸脱が十分に縮小した場合、更なる調整が行われることはない。その代りに、偏心ねじポンプの作動状態は、更なる規定時間間隔の経過後に、上述したセンサに基づく測定によって再度判定する。
【００３９】
ただし、偏心ねじポンプにおける最初の判定において、実際の作動パラメータが公称作動パラメータから逸脱していない場合、特に、逸脱が規定の許容範囲を超えていない場合、規定の時間間隔の経過後に、実際の作動パラメータを測定し、その実際の作動パラメータを公称作動パラメータと比較することにより、偏心ねじポンプにおける実際の作動状態を再度判定する。偏心ねじポンプにおける実際の作動状態を規定の時間間隔で定期的に判定することにより、ステータ・ロータシステムを常に監視することができる。これにより、偏心ねじポンプの作動時に、所望の作動状態からの逸脱を迅速に調整し、所望の作動状態に適合させることができる。
【００４０】
本発明の一実施形態によれば、偏心ねじポンプの圧力、回転速度、トルク、温度、及び／又は、体積流量は、適切なセンサにより測定する。代替的又は付加的に、ロータ及びステータ間の予応力、及び／又は、エラストマ部分におけるエラストマ材料の反力を測定する。更に、適切なセンサにより、調整機構における少なくとも１個の調整要素の位置、及び／又は、調整機構における２個の調整要素間の相対距離を測定することができる。
【００４１】
本発明の好適な実施形態によれば、調整機構は、距離可変的な２個の調整要素を備える。この場合、調整機構は、２個の調整要素間における相対距離を拡大又は縮小させることにより調整する。２個の調整要素間の距離変化により、ステータ・ロータシステムに結合させたエラストマ部分の断面及び長さが変化する。この場合、制御機構により、ステータ・ロータシステムに関して適切なセンサにより測定した物理的パラメータに基づいて、２個の調整要素間における公称距離を算出し、特に、位置可変的第２調整要素の調整行程を算出する。次いで、調整機構を作動させ、特に２個の調整要素間に関して算出した距離に調整することにより、位置可変的第２調整要素に関して算出した位置に向けて第２調整要素の調整が行われる。その後、更なる時間間隔の経過後に、物理的作動パラメータを再度測定する。所望かつ実際の作動パラメータからの逸脱が縮小した場合、偏心ねじポンプが新しい作動状態に調整されたことを意味する。偏心ねじポンプにおけるこの新しい作動状態は、更なる再調整又は調整により、所望かつ最適な作動状態に近づけることができる。所望かつ実際の値からの逸脱が縮小していない場合、調整機構の更なる調製を行う。このように、本発明は、偏心ねじポンプ用のステータ・ロータシステムと、ステータ・ロータシステムの制御に関する。本発明は、特に、偏心ねじポンプにおけるステータ及びロータ間の予応力を変化させるための自動的な制御システム、即ち、軟質構成要素であるエラストマ部分と、硬質構成要素である支持要素、例えばいわゆるステータケーシングとの間の予応力を変化させるための自動的な制御システムに関する。本発明の大きな利点の１つは、偏心ねじポンプが常に最適な作動点で作動可能であるため、ステータ・ロータシステムのエネルギ効率を大幅に高めることができることである。
【００４２】
予応力の自動的な制御により、特に、自動的な摩耗補償が可能となるため、ステータの長寿命化を図ることが可能となる。偏心ねじポンプのオン・オフ切り替え時に、規定の手順に基づいてステータを調整することにより、初期的な離脱トルクを低減することができる。
【００４３】
更に、自動的な制御システムにより、ステータ及びロータ間の予応力を搬送媒体の粘度に有利に適合させることができる。
【００４４】
本発明に係る方法は、上述した特徴の代替又は付加として、上述した装置における１つ以上の特徴及び／又は特性を備えていてもよい。同様に、上述した装置は、上述した方法における１つ以上の特徴及び／又は特性を備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来のステータ・ロータシステムを示す概略部分図である。
【図２】本発明に係る調整機構を備えるステータ・ロータシステムの第１実施形態を示す概略部分図である。
【図３】ステータ・ロータシステムを調整するための制御機構のシーケンスを示す概略図である。
【図４】理想的な作動点を、調整機構における調整行程の関数として示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施形態及びその利点を詳述する。図面における個々の要素間の寸法比は、実際の寸法比を必ずしも表すものではない。これは、明瞭性を高める見地から幾つかの要素が簡略表示されており、他の幾つかの要素は拡大表示されているからである。
【００４７】
図中、同一要素又は同一作用を有する要素については、同一参照符号で表すものとする。明瞭性を高める見地から、個々の図面における参照符号は、個々の図面の記載にとって必要なものに限定してある。図面における各実施形態は、本発明に係る装置及び方法を例示するものに過ぎず、限定的なものではない。
【００４８】
図１は、偏心ねじポンプ用の従来のステータ・ロータシステム１の概略部分図を示す。このようなシステム１は、典型的には、金属製の１条ねじとして構成されたロータ（図示せず）と、２条ねじとして構成されたステータ３とを備える。偏心ねじポンプの作動時に、ロータの形状軸は、ステータ長手方向軸線X3周りに偏心回転運動を生じる。ステータ３は、エラストマ部分４及びステータケーシング５を備え、そのエラストマ部分４及びステータケーシング５間は堅固に結合されていない。
【００４９】
図２は、ステータ３の再調整又は調整をするための本発明に係る調整機構12を備えるステータ・ロータシステム10の第１実施形態を示す概略部分図を示す。調整機構12は、固定的第１調整要素13と、位置可変的第２調整要素14を備える。２個の調整要素13，14間の距離が変化すれば、エラストマの変形が生じるため、ステータ３のエラストマ部分４における断面及び／又は長さが変化する。これにより、ステータ３のエラストマ部分４が再調整又は調整される。特に、ステータケーシング５のフランジ23は固定的調整要素13として機能し、エラストマ部分４の自由端８に配置された作動要素24は位置可変的調整要素14として機能する。
【００５０】
調整機構12は、制御システム30に結合されており、これにより作動及び制御される。制御システム30は、制御ユニット32と、ステータ・ロータシステム10又は偏心ねじポンプにおける物理的作動パラメータを測定するための少なくとも１個のセンサ35を備える。特に、偏心ねじポンプには少なくとも１個の第１センサ36が配置され、これによりポンプの圧力、回転速度、温度、及び／又は、体積流量が測定される。更に、エラストマ部分４には少なくとも１個の第２センサ37を配置することができ、例えば、ロータ及びステータ３間における予応力又はエラストマ部分における反力を測定することができる。加えて、調整機構12には少なくとも１個の第３センサ38を設けることができ、例えば、位置可変的調整要素14の位置か又は固定的調整要素13及び位置可変的調整要素14間の相対距離を検出することができる。センサによって得られたデータは、制御ユニット32に送信される。この場合、制御ユニット32は、送信されたデータを公称作動パラメータと比較し、測定された実際の作動パラメータが公称作動パラメータから逸脱している場合には、調整システム12の調整、特に、固定的調整要素13及び位置可変的調整要素14間の相対距離が変化するよう調整を実施し、これによりエラストマの変形、従ってステータ３におけるエラストマ部分４の断面及び／又は長さを変化させる。
【００５１】
図３は、図２に係るステータ・ロータシステム10を調整するための制御機構のシーケンスを概略的に示す。本発明に係る制御機構は、ステータ・ロータシステム10又は偏心ねじポンプにおける様々な物理的パラメータと、ステータ３の摩耗状態又はステータ３及び偏心ねじポンプのロータ間における予応力とを関連付けることができる。一例を挙げれば、物理的パラメータである圧力、体積流量、回転、及び／又は、粘度と、ステータ３の摩耗状態又はステータ３及びロータ間における予応力とを関連付けることができる。この場合の関連付けにおいて最も顕著なパラメータは、エラストマ材料内における応力状態である。この応力は、センサシステム37によってエラストマ材料内にて直接的に測定するか、又は他の構成要素に生じる反力、例えば、ステータ壁、特にステータケーシング５、エラストマ部分４の端面、ステータケーシング５の閉鎖要素、ステータ・ロータシステム10におけるロータに生じる反力によって間接的に測定することができる。
【００５２】
代替的及び／又は付加的に、偏心ねじポンプ上で測定可能なパラメータ、例えば、ポンプ圧力、偏心ねじポンプが作動する回転速度、温度、搬送媒体の体積流量を利用することもできる。
【００５３】
本発明に係る調整アルゴリズムにより、例えば、圧力、体積流量、回転速度、並びに所要の予応力間で関連付けが行われ、その後、調整機構12を調整するための適切な調整行程が算出され、その調整行程に基づいて、最適な作動点に向けた調整が行われる。特に想定可能な実施形態においては、調整システムにおける実際の状態を測定するセンサ38、特に、位置可変的調整要素14又は固定的調整要素13及び位置可変的調整要素14間の相対距離を測定するセンサ38が設けられ、及び／又は、位置可変的調整要素14の位置が調整される際に、所望の公称位置を監視するセンサ38が設けられる。
【００５４】
センサによって測定された作動パラメータにより、偏心ねじポンプにおける作動状態の情報を得ることができる。これら作動パラメータは、制御ユニット32（図２参照）により、例えば制御ユニット32の特性図又はグラフに記録される規定の作動パラメータと比較される。この場合、比較によって実際の作動パラメータ及び公称作動パラメータ間で逸脱がなければ、制御システムが反応することはない。実際の作動パラメータは、時間間隔△t1の経過後に再度測定及び比較されるため、偏心ねじポンプの作動状態又はステータ・ロータシステム10の作動状態が定期的に監視又は制御される。
【００５５】
これに対して、比較によって実際の作動パラメータ及び公称作動パラメータ間に逸脱が明らかになった場合、制御ユニット32は、記録された特性図又はグラフに基づき、調整機構12にとって必要な調整を算出し調整機構を作動させる。調整機構12の調整が自動的に行われた後、偏心ねじポンプ又はステータ・ロータシステム10の物理的作動パラメータは、更なる時間間隔△t2の経過後に再度測定され、これにより最適な作動状態が得られたか又は維持されたかが判定される。この場合、測定された作動パラメータが所望の公称作動パラメータに対応していなければ、制御ユニット32により、調整行程が再度算出され、調整機構12が再調整される。制御アルゴリズムは、特に、図４に関連させて以下に記載する漸進的な調整を行う。
【００５６】
偏心ねじポンプにおいて、所望の最適な作動状態が調整によって達成された後も、規定の時間間隔△t3で作動パラメータを定期的に測定することによって恒久的な監視が行われ、必要に応じて調整機構が再調整される。これにより、エラストマの最適な変形、従って偏心ねじポンプの作動時における最適な作動状態が達成される。
【００５７】
図４は、理想的な作動点の調整を、調整機構における調整行程nの関数として示す。特定の体積流量Ｑは、偏心ねじポンプにおける特定の回転速度に割り当てられている。体積効率が100％の場合、体積流量Ｑは、特に、回転速度に従って偏心ねじポンプにおける個別の搬送要素（搬送キャビティ）によって吸い込み側から吐出側に向けて搬送される量と正確に一致する。
【００５８】
偏心ねじポンプにおける理想的な作動点iBPに向けた最適な調整については、以下のとおり行われる。特定の調整行程nに亘る一定の回転速度における体積流量Ｑを観測すれば、その体積流量Ｑが大きな調整行程ｎに亘ってほぼ一定であることが確認できる。ただし、所要のトルク（図示せず）は一定ではない。調整機構における調整要素を調整又は再配置することによって予応力が解放された場合、予応力は、その低減に基づく摩擦損失の低減により低下する。偏心ねじポンプの効率は、典型的には、逆流が生じないか又は逆流が僅かであるが故に体積流量Ｑが少なくとも実質的に変化しない大きな調整範囲では高まる。偏心ねじポンプの効率は、逆流が増加する作動点に到達するまで下がることはない。最大効率が発揮される点は、理想的な作動点のことを指し、以下のとおり定義することができる。即ち、ポンプにおける理想的な作動点は、ロータ及びステータ間の予応力が十分に大きく、従って逆流が生じないか又はほぼ生じない、調整機構における調整行程ｎの範囲内に位置する。従って、理想的な作動点iBPとは、ステータ・ロータシステムにとって必要とされるだけの予応力が生成され、これにより媒体の逆流を伴うことなく所要の逆圧が生じる点のことを指す。
【００５９】
この機能特性は、本発明に係る新規の制御アルゴリズムに適用される。この場合、理想的な作動点iBPに向けて特に増加近似法が利用される。本発明の一実施形態によれば、制御アルゴリズムは、以下の測定原理を利用する。
１．偏心ねじポンプにおける作動パラメータ、例えば、圧力、回転速度、トルク（モータ電流）、場合によっては体積流量Ｑを測定する。この測定は、例えば、体積流量計又は測定ダイアフラムにより実施する。
２．調整機構により、ステータ・ロータシステムを調整する。この場合、固定的調整要素が閉鎖されるよう調整する。この調整においては、エラストマ部分のラバーが圧縮されるため、逆流＝０又はほぼ０である。体積流量Ｑは、特に、圧縮の増加に伴い低下する。これは、偏心ねじポンプポンプにおけるキャビティ容積が徐々に縮小するからである。
３．十分に圧縮された領域が得られた後、調整機構を再度開放する。この場合、体積流量Ｑは、初期的には特定点まで一定に維持される。この特定点において、ステータ・ロータシステムにおける逆流が増加するため、体積流量Ｑが低下する。理想的な作動点iBPは、体積流量Ｑが低下する点の直前に位置している。十分に圧縮された領域は、例えば、体積流量Ｑの測定値に基づいて測定することができる。調整機構を閉鎖すれば、体積流量Ｑが増加する。体積流量Ｑが変化しなくなれば又は体積流量Ｑが僅かに低下すれば、最大値を超過したことを意味する。
４．測定原理の３に係る調整は、一定の時間間隔でステータ・ロータシステム内にて自律的に行われる。これにより、ポンプにおける作動条件の変化に対応するよう能動的な調整又は適合化が保証される。
【００６０】
以上、本発明を好適な実施形態を参照して記載した。ただし当業者であれば、特許請求の範囲の趣旨内で、本発明に修正又は変更を加え得ることは自明のことである。
【符号の説明】
【００６１】
１            ステータ・ロータシステム
３            ステータ
４            エラストマ部分
５            ステータケーシング
８            自由端
10            ステータ・ロータシステム
12            調整機構
13            固定的第１調整要素
14            位置可変的第２調整要素
23            フランジ
24            作動要素
30            制御システム
32            制御ユニット
35            センサ
36            第１センサ
37            第２センサ
38            第３センサ
△t           時間間隔
iBP           理想的な作動点
ｎ            調整行程
Ｑ            体積流量
Ｘ            長手方向軸線
【図１】
2018507345.tif 000003
【図２】
2018507345.tif 000004
【図３】
2018507345.tif 000005
【図４】
2018507345.tif 000006
【国際調査報告】
2018507345.tif 000007
2018507345.tif 000008
2018507345.tif 000009
2018507345.tif 000010