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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe mit einem einen Rotor aufnehmenden
Gehäuse.
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Im
Stand der Technik sind seit Jahren Sperrflügelpumpen und Drehkolbenmaschinen
bekannt.
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Beispielsweise
beschreibt die
US 2,786,421 eine
Sperrflügelpumpe
mit einem einen Rotor aufnehmenden Gehäuse, in dessen kreisrunder
Wandung jeweils um 90° versetzt
vier, federbelastete Sperrschieber aufnehmende Nuten eingebracht
sind, die gegen die durch sechs Noppen/Trennbereiche voneinander
getrennten mit sechs Steuerflächen, welche
in Verbindung mit der Wandung des Gehäuses mit dem Rotor umlaufende
Kammern bilden, versehene Umfangsfläche des zentrisch umlaufenden Rotors
angedrückt werden,
wobei im Pumpengehäuse
am Umfang des Rotors der Einlass und der Auslass des Fördervolumenstromes
angeordnet sind.
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In
der
DE 196 23 242
C1 ist eine spezielle geometrische Ausgestaltung der vg.
Bauform beschrieben, deren Ziel es u. a. ist die Volumenstrompulsation
zu reduzieren.
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Aus
der
DE 197 21 582
A1 ist eine Abwandlung der vorgenannten Bauform zur Realisierung
einer einfach aufgebauten Fördermengenbegrenzung bekannt,
deren Saugeinlass eine Drosselstelle und deren Druckauslass eine
druckabhängige
Schließ- bzw. Öffnungseinrichtung
zugeordnet ist.
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Abwandlungen
der vorgenannten Bauformen werden beispielsweise in der
DE 25 13 073 A1 wie
auch in der
EP 0743
453 A2 mit zwei im Gehäuse angeordneten
Sperrflügeln
und drei am Rotor angeordneten Steuerflächen vorbeschrieben.
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In
der
DE 29 13 110 A1 wird
beispielsweise eine ähnlich
aufgebaute, mit federbelasteten Sperrflügeln oder federbelasteten Sperrkugeln
arbeitende Verdrängungsmaschine
und in der
DE 31 22
648 A1 eine ähnlich
aufgebaute, nicht mit federbelasteten Sperrkugeln arbeitende Drehkolbenmaschinen
vorbeschrieben an deren Rotor aufeinander folgend jeweils segmentartige
Noppen neben segmentartigen Ausnehmungen angeordnet sind.
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Die
wesentlichen Nachteile all dieser vorgenannten Bauformen bestehen
darin, daß das
zu fördernde
Medium in all den vorgenannten mit dem jeweils umlaufenden Rotor
in eine Drehbewegung versetzt wird.
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Die
in Verbindung mit der mit dem Rotor umlaufende Fördermenge erfordert den Wirkzusammenhang
der Dichtbereiche zwischen den Nocken und der Gehäuseinnenzylinderwandung.
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In
den daher zwingend erforderlichen engen Spalten zwischen Nocken
und Gehäuseinnenzylinderwandung
treten zwangsläufig
hohe viskose Leistungsverluste auf, die in Verbindung mit selbst
kleinsten Verunreinigungen des Fördermediums
durch Schmutzpartikel dann gleichzeitig sehr hohe Reibungsverluste
zur Folge haben. Der dabei zwangsläufig auftretende hohe Verschleiß im Dichtspalt
zwischen Nocken und Gehäuseinnenzylinderwandung bewirkt
dann gleichzeitig volumetrischen Leistungsverluste wie auch Druckverluste
beim Fördervolumenstrom.
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Dabei
verursachen Bauformen mit zwei oder drei Noppen sehr große Beschleunigungen
an den Flügeln
und im Medium. Sie unterliegen daher einer physikalischen Drehzahllimitierung,
welche deren Einsatz als Schmierölpumpe
entgegensteht. Schmierölpumpen
werden häufig
mit Drehzahlen von 5000 U/min angetrieben woraus Verdrängerpumpenfrequenzen
von 10.000 U/min bzw. 15.000 U/min resultieren. Die in diesem Zusammenhang
zur Verfügung
stehenden Füllzeiten
sind für
eine vollständige Kammerfüllung zu
kurz, so daß dies
unter anderem eine starke Pulsation des Volumenförderstromes zur Folge hat.
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Der
von der jeweiligen Pumpe zu fördernde Volumenstrom
hängt neben
der Antriebsdrehzahl wie auch wesentlich von der Breite des Arbeitsraumes ab.
Doch neben einer Erhöhung
der Antriebsdrehzahl ist auch eine Verbreiterung/Vergrößerung des jeweiligen
Arbeitsraumes der vorgenannten Bauformen nur bedingt möglich, da
die Verdrängerkammern bei
einseitiger axialer Befüllung
sehr schmal ausgeführt
werden müssen.
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Zur
Befüllung
steht dabei lediglich die Druckdifferenz zwischen der Atmosphäre und dem
Kammerdruck zur Verfügung,
welche speziell bei breiten Verdrängern und hohen Drehzahlen
zur vollständigen
Befüllung
der Kammer nicht ausreicht. Zudem bewirkt eine Verbreiterung der
Kammern eine überproportionale
Vergrößerung der
Reibung und damit einen überproportionalen
Anstieg der Verlustleistung der jeweiligen Pumpe.
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Mit
zunehmendem Fördervolumenstrom
bewirkt zudem auch die axiale Befüllung und Entleerung der kleinen
umlaufenden Kammern einen weiteren Anstieg der Verlustleistung der
jeweiligen Pumpe.
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In
der Literatur wurden darüber
hinaus auch sauggedrosselten Pumpen mit einer saugseitigen Widerstandssteuerung
untersucht. Dabei wurde von Fassbender (Diss. RWTH Aachen) im Rahmen
seiner Untersuchungen, mit gegenwärtig im Stand der Technik bekannten
sauggedrosselten Pumpen, festgestellt, dass zwischen der Verstellblende
und dem Verdrängerraum auftretende
Gasauslösevorgänge bei
saugseitiger Widerstandssteuerung zu einer Verschlechterung der
Verstelldynamik bei Volumenstromregelung führen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige,
geräuscharme,
fertigungstechnisch einfach herstell- und montierbare Pumpe mit
einem einen Rotor aufnehmenden Gehäuse zu entwickeln, welche die
vorgenannten Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist, den
Verschleiß der
Baugruppen minimiert, eine hohe Lebensdauer bei hoher Zuverlässigkeit
mit gleichbleibend hohem Wirkungsgrad gewährleistet, die Pulsation des
Fördervolumenstromes
minimiert, zudem die Verlustleistungen gegenüber den im Stand der Technik
vorbeschriebenen Sperrflügelpumpen
wesentlich reduziert und gleichzeitig eine deutliche Erhöhung des
Fördervolumens
ermöglicht,
zudem gleichzeitig einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad gewährleistet
und dabei „partikelunempfindlich" ist, wobei in speziellen
Sonderbauformen der erfindungsgemäßen Lösung, für beispielsweise den Einsatzbereich als Ölpumpen,
mittels geringer technischer Veränderungen
eine saugseitige Widerstandssteuerung mit sehr guter Regelcharakteristik
realisiert werden soll.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Pumpe, eine Sperrschieberpumpe gelöst, die
einen mittels eines Pumpenlagers (1) in einem Pumpengehäuse (2)
auf einer Antriebswelle (3) gelagerten Rotor (4)
aufweist, und sich dadurch auszeichnet, dass im Pumpengehäuses (2)
eine, mit einem am Pumpengehäuses
(2) angeordneten Saugrohr (5) in Verbindung stehende,
Einströmkammer
(6) angeordnet ist, in welche der kreisförmige mit
einer im Bereich der Einströmkammer
(6) mit einer zylinderförmigen
Ausnehmung (7) versehene, auf der Antriebswelle (3)
exzentrisch angeordnete, kreisrunde Rotor (4) hineinragt,
wobei sich an die zylinderförmige
Ausnehmung (7) im Rotor (4) eine weitere Aussparung, die
Einströmsichel
(10) anschließt,
die in eine, mittig in der Mantelfläche (9) des Rotors
(4) sichelförmig angeordneten
Einströmnut
(11) übergeht,
welche mit einer in Drehrichtung des Rotors „nach" dem Exzentermaximum angeordneten vorderen
Steuerkante (12) und einer am anderen Ende der sichelförmigen Einströmnut (11)
angeordneten hinteren Steuerkante (13) versehen ist, wobei
radialsymmetrisch zur Lagerung der Antriebswelle (3) drehfest
im Pumpengehäuse
(2) ein Arbeitsring (14) angeordnet ist, der einen
innen im Arbeitsring (14) angeordneten Verdrängerraum
von einem außen
am Arbeitsring (14) angeordneten Ausströmraum (16) trennt,
wobei der Innendurchmesser (17) des Arbeitsringes (14)
dem um das Arbeitsspiel und die maximale Exzentrizität vermehrten
Rotoraußendurchmesser
entspricht, in diesem Arbeitsring (14) sind über den
Umfang gleichmäßig verteilt
mehrere Gleitnuten (18) angeordnet, in denen radial verschiebbare,
den Verdrängerraum
ohne zusätzliche
Abdichtung zwischen Rotor und Gehäuse in Umfangsrichtung in Verdrängerkammern
(15) unterteilende Sperrschieber (19) gleitend
derart gelagert sind, daß deren
freien Enden, die Stelllippen (20), welche den im Betriebszustand
am Rotor (4) anliegenden Dichtlippen (21) gegenüberliegen,
bei am Rotor (4) anliegenden Dichtlippen (21)
den Außenrand
(22) des Arbeitsringes (14) überragen, im Arbeitsring (14)
zudem zwischen den Gleitnuten (18) Durchströmöffnungen
(23) angeordnet, alle Stelllippen der am Rotor (4)
mit ihren Dichtlippen (21) anliegenden Sperrschieber (19)
werden von einem oder mehreren im Ausströmraum (16) des Pumpengehäuses (2)
angeordneten Rückzugsring/en
(24) umschlossen, am Pumpengehäuse (2) ist zudem
ein mit dem Ausströmraum
(16) verbundener Auslass (25) angeordnet.
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Bei
Rotation der Antriebswelle (3) wird der exzentrisch angeordnete
Rotor (4) in Drehbewegung versetzt und verschiebt dabei
die mit ihren Dichtlippen (21) am Rotor (4) anliegenden
Sperrschieber (19) in den Gleitnuten (18) des
Arbeitsringes (14).
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Aufgrund
der im Rotor angeordneten Ausnehmung (7), welche in die
mit dem Saugrohr (5) verbundene Einströmkammer (6) hineinragt
und im exzentrisch angeordneten Rotor (4) über die
Einströmsichel
(10) in die in der Mantelfläche (9) des Rotors angeordnete
Einströmnut
(11) übergeht,
wobei die mit einer vorderen Steuerkante (12) und einer
hinteren Steuerkante (13) versehene Einströmnut (11) derart
am Rotor (4) angeordnet ist, daß die in Drehrichtung des Rotors „nach" dem Exzentermaximum angeordneten
vorderen Steuerkante (12) in Verbindung mit der in Drehrichtung
des Rotors „vor" dem Exzentertiefpunkt
(Exzenterminimum) angeordnete hinteren Steuerkante (13)
bei umlaufenden Rotor (4) mit den jeweils in diesem Arbeitsfeld
einander benachbarten Sperrschiebern (19) zusammenwirken, daß das Fördermedium über die
Einströmnut
(11) in die von den einander benachbarten Sperrschiebern (19),
der Mantelfläche
(9) des Rotors (4) und dem Arbeitsring (14)
gebildeten, in diesem Arbeitsfeld sich jeweils vergrößernden
Pumpenräumen
(15) hineingesaugt wird.
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Der
drehfest im Pumpengehäuse
(2) angeordnete Arbeitsring (14) ist zwischen
den Gleitnuten (18), in denen die radial verschiebbare
Sperrschieber (19) gelagert sind, mit Durchströmöffnungen
(23) versehen.
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Sobald
bei umlaufendem Rotor (4) die an der Mantelfläche (9)
des Rotors anliegenden Dichtlippen (21) von zwei im Verdrängerraum
einander benachbarten Sperrschieber (19) einer Verdrängerkammer (15)
den mit der Einströmnut
(11) versehenen Bereich der Mantelfläche (9) des Rotors
verlassen haben, verringert sich infolge der erfindungsgemäßen Anordnung
das Volumen der jeweiligen Verdrängerkammer
(15), so daß das
in der jeweiligen Verdrängerkammer
befindliche Fördermedium über die Durchströmöffnungen
(23) des Arbeitsringes (14) in den Ausströmraum (16),
und von dort zum Auslass (25) gelangt.
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Infolge
des Druckgefälles
zwischen dem Druck im Ausströmraum
(16) und dem Druck im Verdrängerraum wirkt auf alle Schieber
permanent eine hydrostatische Kraft, welche die Dichtlippen aller Schieber
gegen den Rotor drückt.
Diese Kraft ist maßgeblich
für einen
leisen Lauf der erfindungsgemäßen Pumpe
verantwortlich, da sie das von Flügelzellenpumpen bekannte „Flügelflattern" in den Umsteuerpunkten
verhindert.
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Erfindungsgemäß werden
die Stelllippen (20) aller am Rotor (4) anliegenden
Sperrschieber (19) gleichzeitig von mindestens einem im
Ausströmraum
(16) des Pumpengehäuses
(2) angeordneten Rückzugsringes
(24) umschlossen. Zwischen dem Umkreis aller Stelllippen
(20) der Sperrschieber (19) und dem Innendurchmesser
der Rückzugsringe
(24) ist erfindungsgemäß ein Montagespiel
von ca. 0,1 bis 0,3 mm vorgesehen.
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Die
Rückzugsringe
(24) haben die Aufgabe bei Motoranlauf sowie im Falle eines
durch Partikel verursachten Verklemmens der Sperrschieber (19) mittels
zwangsweisem Hineinschieben der Sperrschieber (19) in die
Gleitnuten (18) die Pumpfunktion zu gewährleisten.
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Infolge
der radialen, von innen nach außen gerichteten
Befüllung
der Verdrängerräume werden für die Befüllung optimale
Verhältnisse
erzielt. Die Verdrängerbreite
kann somit sehr groß ausgeführt werden,
da die Breite der Gleitnuten (18) im Rotor (4) linear
der Verdrängerbreite
folgen kann. Somit ist es möglich,
die größtmögliche Einströmgeometrie
bereitzustellen.
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Bei
Pumpen mit axialen Befüllöffnungen
ist dies nicht möglich.
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Da
die Befüllströmung durch
den rotierenden Rotor geführt
wird, wirkt die auf das Medium einwirkende Zentrifugalkraft ähnlich wie
in einer Kreiselpumpe druckerhöhend
und damit positiv auf die Befüllströmung. Diese
innere Aufladung entfällt
bei Pumpen mit axiale Befüllung
bzw. bei Pumpen mit radial äußerer Befüllung. Vorteilhaft
ist bei der erfindungsgemäßen Befüllung weiterhin
der Umstand, dass die Förderzellen
stationär
sind, so dass das Medium nicht wie beispielsweise bei Zahnradpumpen auf
die Umfangsgeschwindigkeit der rotierenden Zellen beschleunigt werden
muss ehe es in die Kammer einströmen
kann, wodurch mittels der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber den vorgenannten Bauformen
nochmals die beim Befüllen
auftretenden Druckverluste deutlich reduziert werden.
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Die
erfindungsgemäße Bauform
einer Sperrschieberpumpe ermöglicht
auf Grund Ihres fertigungstechnisch einfachen Aufbaues eine einfache und
kostengünstige
Herstellung und gewährleistet selbst
unter extremen Förderbedingungen
einen robusten Betrieb bei niedriger Geräuschentwicklung und minimiertem
Verschleiß aller
Baugruppen wodurch eine hohe Lebensdauer bei hoher Zuverlässigkeit
und hohem Wirkungsgrad.
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Infolge
der druckseitig angeordneten Ventilklappen wird die Pulsation wie
auch die Geräuschemission
der Pumpe wesentlich reduziert. Die Ventilklappen (33) öffnen drehzahlunabhängig und
differenzdruckgesteuert immer dann, wenn der Druckausgleich zwischen
der jeweiligen Verdrängerkammer
(15) und dem Ausströmraum
(16) hergestellt ist und verhindern im weiteren Verlauf
ein Zurückströmen des
Mediums aus dem Ausströmraum
(16) in die jeweilige Verdrängerkammer (15).
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Demgegenüber kommt
es bei allen in Stand der Technik bekannten Pumpen mit Schlitzsteuerung im
Drehzahlbereich der jeweiligen Pumpen zu Verschiebungen in der Vorkompression
bzw. zu Rückstromvorgängen mit
daraus resultierenden Pulsationen und Geräuschen.
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Bei
gleichbleibender Antriebsleistung wird mittels der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber den
im Stand der Technik vorbeschriebenen Sperrflügelpumpen infolge deutlich
reduzierter Verlustleistungen eine merkliche Erhöhung des Fördervolumenstromes erzielt.
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Wesentlich
ist in diesem Zusammenhang auch, dass in den Gleitnuten (18)
Schmiertaschen (47) angeordnet sind, welche die Gleitreibung
in den Gleitnuten (18) minimieren.
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Kennzeichnend
ist weiterhin, dass an der Rückseite
des Rotors (4) ein Freiraum (48) angeordnet ist,
der mit der Einströmsichel
(10) mittels Durchgangsbohrungen (49) verbunden
ist. Dadurch ist das Pumpenlager (1) mit dem Unterdruckraum
der Pumpe verbunden, so dass das Pumpenlager (1) bei Betrieb
der Sperrschieberpumpe lediglich im Ölnebel läuft und somit auch für das Pumpenlager
(1) mit minimalen Aufwendungen eine hohe Lebensdauer bei kleinen
Pantschverlusten gewährleistet
werden kann.
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Erfindungswesentlich
ist auch, dass der Arbeitsring (14) segmentartig aufgebaut
ist, und dass zwischen den einzelnen Segmenten (34) des
Arbeitsringes (14) die Gleitnuten (18) angeordnet
sind.
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Eine
derartige Segmentierung des Arbeitsringes (14) vereinfacht
nochmals die Fertigung und ermöglicht
so eine einfache und kostengünstige
Herstellung. Kennzeichnend ist weiterhin, dass im Pumpengehäuse (2),
dem einseitig exzentrisch auf der Antriebswelle (3) angeordneten
in die Einströmkammer
(6) hineinragenden mit einer zylinderförmigen Ausnehmung (7)
versehenen Rotor (4) gegenüberliegend, ein linear verschiebbar
gelagerter bis an eine in der Ausnehmung (7) des Rotors
(4) angeordnete Ringfläche
(8) heranreichender Ventilschieber (26) angeordnet
ist, dessen vorderer und mittlerer Teil rohrförmig ausgebildet sind, wobei
der vordere Teil des Ventilschiebers (26) mit seinem Rohraußendurchmesser
(27) in einer in der Einströmkammer (6) des Pumpengehäuses (2)
angeordneten Bohrung (28) gleitend verschiebbar gelagert
ist, und im mittleren Teil des Ventilschiebers (26), in
dem Bereich des Ventilschiebers (26), welcher in der Einströmkammer (6)
mit der Zuströmöffnung (29)
des Saugrohres (5) zu liegen kommt, Einströmöffnungen
(30) angeordnet sind, und dass der hintere Teil des Ventilschiebers (26)
flüssigkeitsdicht
verschlossen und als Betätigungszapfen
(31) ausgebildet in einer Betätigungsvorrichtung (32)
angeordnet ist, darüber
hinaus sind am Außenrand
(22) des Arbeitsringes (14) im Bereich der Durchströmöffnungen
(23) druckdifferenzbetätigte
Ventilklappen (33) angeordnet.
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Mittels
des erfindungsgemäßen, im
Bereich der Einströmkammer
(6) dem Rotor (4) gegenüberliegend angeordneten, in
der Bohrung (28) des Pumpengehäuses (2) gleitend
verschiebbar gelagerten, in die Ausnehmung (7) bis an die
Ringfläche
(8) des Rotors heran fahrbaren ringförmigen Stirnfläche des Ventilschiebers
(26), kann der zwischen der Ringfläche (8) des Rotors
und der ringförmigen
Stirnfläche des
Ventilschiebers (26) aus dem Saugrohr (5) über die
Einströmkammer
(6) durch die Einströmöffnungen
(30), den Ventilschieber (26) in die Ausnehmung (7),
die Einströmsichel
(10) und die Einströmnut
(11) hineinströmender
Fördervolumenstrom
definiert variiert werden.
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Der
variable Spalt zwischen der Stirnseite des Ventilschiebers (26)
und dem Rotor (4) hat dabei die Funktion einer Verstellblende.
Die Anordnung der Verstellblende an zentraler Stelle, im Inneren
des Rotors (4) führt
zur Realisierung eines minimalen Volumens zwischen der Verstellblende
und den Verdrängerräumen und
somit zu einer großen
Verstelldynamik bei Volumenstromregelung. Bei den im Stand der Technik
bekannten sauggedrosselten Pumpen führen Gasauslösevorgänge im großen Totraum
zwischen der Verstellblende und dem Verdrängerraum zu einer schlechten
Verstelldynamik.
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Durch
die erfindungsgemäße zentrale
Anordnung wird zudem gewährleistet,
dass im gesamten Bereich des Verdrängerraumes stets der gleiche Befüllunterdruck
anliegt wodurch eine gleichmäßige Befüllung aller
Verdrängerkammern
(15) gewährleistet
ist, so dass eine pulsationsarme Gesamtvolumenstromförderung
mittels der erfindungsgemäßen Lösung realisiert
werden kann.
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Die
Drehung des Rotors verhindert das Entstehen von Luftblasen welche
eine ungleichmäßige Befüllung der
einzelnen Kammern bewirken könnten.
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In
Verbindung mit der erfindungsgemäßen Anordnung
des Ventilschiebers (26) sind am Außenrand (22) des Arbeitsringes
(14) im Bereich der Du rchströmöffnungen (23) verschließbare, differenzdruckbetätigte Ventilklappen
(33) angeordnet, die ein ausschließliches Befüllen der zwischen den Sperrschiebern
(19) angeordneten Pumpenräume (15) aus der Einströmnut (11)
gewährleisten,
so dass mittels der hier vorgestellten erfindungsgemäßen Anordnung
eine ansauggedrosselte Förderung
von beispielsweise Ölvolumenströmen möglich ist.
Somit kann mittels der erweiterten, hier ebenfalls vorgeschlagenen
erfindungsgemäßen Lösung, beispielsweise
im Einsatzbereich als Ölpumpe,
eine verlustarme Reduzierung des in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl
maximal möglichen
Fördervolumenstromes
realisiert werden.
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Erfindungswesentlich
ist auch, dass in dem an die Ringfläche (8) heranreichenden
vorderen Teil des Ventilschiebers (26) Durchlassöffnungen (46)
angeordnet sind, so wird gewährleistet,
dass selbst bei vollständig
an der Ringfläche
(8) anliegendem, mit dem Rotor 4 umlaufendem Ventilschieber
(26) ein Restspalt verbleibt der eine Mindestfördermenge
eines zum Betrieb beispielsweise des Motors zwingend erforderliche
Schmierölvolumenstromes
absichert.
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Kennzeichnend
ist weiterhin, dass die Betätigungsvorrichtung
(32) aus einem mit dem Betätigungszapfen (31)
verbundenen Anker (35) besteht, der durch die Federkraft
einer Rückholfeder
(36) beaufschlagt ist, im Magnetfeld einer Spule (37)
angeordnet ist.
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Somit
kann durch Variation des Magnetfeldes der Spule (37) in
Wirkverbindung mit der Rückholfeder
(36) der Ventilschieber (26) definiert linear verfahren,
und mittels der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung der Fördervolumenstrom exakt
gedrosselt werden, wodurch eine kostengünstige, verlustarme Reduzierung
des in Abhängigkeit von
der Antriebsdrehzahl maximal möglichen
Fördervolumenstromes
bei sehr guter Regelcharakteristik infolge der geringen Abstandes
des Regelspaltes vom Verdrängerraum
möglich
wird.
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Ein
weiteres Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die Ventilklappen
(33) mittels der Federkraft von Druckfedern (38)
beaufschlagt werden, welche in Buchsen (39) gelagert sind,
die in den Buchsenbohrungen (40) eines Klemmringes (41)
angeordnet sind, der mit Rastnasen (42) versehen ist die
in Rastnuten (42) angeordnet sind, die welche sich im Bereich
der Gleitnuten (18) des Außenrandes (22) des
Arbeitsringes (14) befinden, wobei die Rückseiten
der Sperrschieber (19) im Bereich des Arbeitsringes mittig
an ihren Stelllippen (20) mit Aussparungen (44)
versehen sind.
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Diese
spezielle Ausführungsform
ermöglicht eine
fertigungstechnisch einfache, robuste und gleichzeitig zuverlässige Herstellung
und Montage der Ventilklappen (33) an den Durchströmöffnungen (23)
des Arbeitsringes (14) bei hoher Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit
im Dauerbetrieb.
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Wesentlich
ist auch, dass am Klemmring (41) beidseitig der Buchsenbohrungen
(40) Begrenzungsnasen (45) angeordnet sind.
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Diese
Begrenzungsnasen (45) gewährleisten bei ebenfalls minimierte
Herstellungs- und Montagekosten eine exakte, zuverlässige und
strömungsverlustarme
Positionierung der Rückzugsringe (24)
im Ausströmraum,
so dass auch im Dauerbetrieb stets ein exaktes und zuverlässiges Verschieben
der Sperrschieber selbst unter extremen Arbeitsbedingungen gewährleistet
ist.
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Weitere
Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung der erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den Ansprüchen
sowie den Zeichnungen zur erfindungsgemäßen Lösung.
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Nachfolgend
soll die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiele in Verbindung
mit zwei Figuren näher
erläutert
werden.
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In
der 1 ist eine der möglichen Bauformen der erfindungsgemäßen Sperrschieberpumpe dargestellt.
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Es
handelt sich hierbei um eine Schnittdarstellung der Seitenansicht
der erfindungsgemäßen Sperrschieberpumpe
in der Sonderbauform einer sauggedrosselten Schmierölpumpe.
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Die 2 zeigt
den zugehörigen
Schnitt bei A-A (gemäß 1)
durch die in der 1 dargestellte, sauggedrosselte
Schmierölpumpe.
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Die
erfindungsgemäße Bauform
der sauggedrosselten Sperrschieberpumpe besteht, wie in den 1 und 2 dargestellt,
aus einem Pumpengehäuse 2 in
dem in einem Pumpenlager 1 die Antriebswelle 3 eines
einseitig gelagerten Rotors 4 angeordnet ist.
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Dieser
Rotor 4 ist kreisrund und exzentrisch auf der Antriebswelle 3 angeordnet.
Am Pumpengehäuses 2 ist
darüber
hinaus ein Saugrohr 5 angeordnet, welches mit einer im
Pumpengehäuses 2 angeordneten
Einströmkammer 6 in
Verbindung steht.
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In
diese Einströmkammer
ragt das freie Ende des Rotors 4 hinein, welches im Bereich
der Einströmkammer 6 mit
einer zylinderförmigen
Ausnehmung 7 versehen ist.
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An
die zylinderförmige
Ausnehmung 7 im Rotor 4 schließt sich eine weitere Aussparung,
die Einströmsichel 10 an.
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Diese
geht in eine mittig in der Mantelfläche 9 des Rotors 4 segmentartig
angeordnete Einströmnut 11 über und
ist mit einer in Drehrichtung des Rotors „nach" dem Exzentertiefpunkt angeordneten
hinteren Steuerkante 12 und einer am anderen Ende der Einströmnut 11 angeordneten
vorderen Steuerkante 13 versehen.
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Radialsymmetrisch
zur Lagerung der Antriebswelle 3 ist drehfest im Pumpengehäuse 2 ein segmentartig
aufgebauter Arbeitsring 14 angeordnet. Dieser trennt den
innen im Arbeitsring 14 angeordneten, in Verdrängerkammer 15 unterteilten
Verdrängerraum
von dem außen
am Arbeitsring 14 angeordneten Ausströmraum 16.
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Der
Innendurchmesser 17 des Arbeitsringes 14 entspricht
dabei dem um das Arbeitsspiel und die maximale Exzentrizität des Rotors
vermehrten Rotoraußendurchmesser.
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In
den einzelnen Segmenten des Arbeitsringes 14 sind Durchströmöffnungen 23 angeordnet.
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Die
Segmentierung des Arbeitsringes 14 vereinfacht dabei wesentlich
die Herstellung und Fertigung des Arbeitsringes 14.
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Zwischen
den einzelnen Segmenten 34 des Arbeitsringes 14 sind
im Endmontagezustand Gleitnuten 18 angeordnet.
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In
den gleichmäßig über den
Umfang verteilt angeordneten Gleitnuten 18 sind radial
verschiebbare Sperrschieber 19 gleitend derart gelagert,
dass deren freien Enden, die Stelllippen 20, welche den
im Betriebszustand am Rotor 4 anliegenden Dichtlippen 21 gegenüberliegen,
bei am Rotor 4 anliegenden Dichtlippen 21 den
Außenrand 22 des
Arbeitsringes 14 überragen.
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In
den Gleitnuten 18 sind Schmiertaschen 47 angeordnet
welche die Gleitreibung in den Gleitnuten 18 minimieren.
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Die
Stelllippen 20 aller am Rotor 4 mit ihren Dichtlippen 21 anliegenden
Sperrschieber 19 werden von zwei symmetrisch im Ausströmraum 16 des Pumpengehäuses 2 angeordneten
Rückzugsringen 24 umschlossen.
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Zudem
ist am Pumpengehäuse 2 ein
mit dem Ausströmraum 16 verbundener
Auslass 25 angeordnet.
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Dem
einseitig, exzentrisch auf der Antriebswelle 3 angeordneten
in die Einströmkammer 6 hineinragenden
Rotor 4, bei welchem in der zylinderförmigen Ausnehmung 7 eine
zur Antriebswelle 3 rotationssymmetrischen Ringfläche 8 angeordnet
ist, ist im Bereich der Einströmkammer 6 dem
Rotor 4 gegenüberliegend,
ein linear verschiebbarer in die Ausnehmung 7 bis an die
Ringfläche 8 heranreichender Ventilschieber 26 angeordnet,
dessen mittlerer und vorderer Teil rohrförmig ausgebildet sind. Der
vordere Teil des Ventilschiebers 26 ist mit seinem Rohraußendurchmesser 27 in
einer in der Einströmkammer 6 des
Pumpengehäuses 2 angeordneten
Bohrung 28 gleitend verschiebbar gelagert.
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Der
mittlere, im Bereich der Zuströmöffnung 29 des
Saugrohres 5 in der Einströmkammer 6 angeordnete
Teil des Ventilschiebers 26 ist mit Einströmöffnungen 30 versehen.
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Der
hintere, flüssigkeitsdicht
verschlossene Teil des Ventilschiebers 26 ist als Betätigungszapfen 31 ausgebildet
und in einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 32 angeordnet,
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Die
Betätigungsvorrichtung 32 besteht
dabei aus einem mit dem Betätigungszapfen 31 verbundenen
Anker 35 der durch die Federkraft einer Rückholfeder 36 beaufschlagt
ist, welche im Magnetfeld einer Spule 37 angeordnet ist.
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Dadurch
kann mit Hilfe der Variation des Magnetfeldes der Spule 37 und
in Wirkverbindung mit der Rückholfeder 36 der
Ventilschieber 26 definiert linear verfahren, und mittels
der vorbeschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung der Fördervolumenstrom
exakt gedrosselt werden.
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Mittels
der in der Bohrung 28 des Pumpengehäuses 2 gleitend verschiebbar
gelagerten, in die Ausnehmung 7 bis an die Ringfläche 8 des
Rotors heran fahrbaren Ventilschiebers 26, kann der zwischen
der Ringfläche 8 des
Rotors und der ringförmigen
Stirnfläche
des Ventilschiebers 26 aus dem Saugrohr 5 über die
Einströmkammer 6 durch
die Einströmöffnungen 30,
den Ventilschieber 26 in die Ausnehmung 7, die
Einströmsichel 10 und
die Einströmnut 11 hineinströmender Fördervolumenstrom definiert
variiert werden.
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Am
Außenrand 22 des
Arbeitsringes 14 sind im Bereich der Durchströmöffnungen 23 verschließbare Ventilklappen 33 angeordnet.
Bei Rotation der Antriebswelle 3 wird der exzentrisch angeordnete Rotor 4 in
Drehbewegung versetzt und verschiebt dabei die mit ihren Dichtlippen 2 am
Rotor 4 anliegenden Sperrschieber 19 in den Gleitnuten 18 des
Arbeitsringes 14. Über
den Ventilschieber 26 wird aus der mit dem Saugrohr 5 verbundenen
Einströmkammer 6 das
Schmieröl
in die am Rotor 4 angeordneten Ausnehmung 7 zugeführt und
im Rotor 4 über
die Einströmsichel 10 in
die in der Mantelfläche 9 des Rotors 4 angeordnete
Einströmnut 11 transportiert. Die
mit einer vorderen Steuerkante 12 und einer hinteren Steuerkante 13 versehene
Einströmnut 11 ist derart
am Rotor 4 angeordnet, daß bei umlaufendem Rotor 4 die
in Drehrichtung des Rotors „nach" dem Exzentermaximum
angeordneten vorderen Steuerkante 12, mit der in Drehrichtung
des Rotors „vor" dem Exzentertiefpunkt
(Exzenterminimum) angeordnete hintere Steuerkante 13 in
Wirkverbindung mit den jeweils in diesem Arbeitsfeld einander benachbarten
Sperrschiebern (19) bewirken, daß das Schmieröl über die
Einströmnut 11 in
die von den einander benachbarten Sperrschiebern 19, der
Mantelfläche 9 des
Rotors 4 und dem Arbeitsring 14 gebildeten, in
diesem Arbeitsfeld sich jeweils vergrößernden Pumpenräumen 15 hineingesaugt
wird.
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Infolge
der radialen Befüllung
der Pumpenräume 15 über die
großflächige Einströmnut wird
das zu fördernde
Medium gleichmäßig ohne
großen Druckverlust
auf die einzelnen Kammern aufgeteilt, und gegenüber der Befüllung bei anderen Pumpenbauformen,
wie beispielsweise bei Sperrflügelpumpen,
nicht in eine Umlaufbewegung (Drehbewegung) versetzt, wodurch die
Druckverluste beim Befüllen gegenüber den
vg. Pumpenbauformen minimiert werden.
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Gleichzeitig
wird der „Befüllvorgang" von den aus der
Drehbewegung des Rotors 4 resultierenden Zentrifugalkräften unterstützt.
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Der
drehfest im Pumpengehäuse 2 angeordnete
Arbeitsring 14 ist zwischen den Gleitnuten 18,
in denen die radial verschiebbare Sperrschieber 19 gelagert
sind, mit Durchströmöffnungen 23 versehen.
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Die
am Außenrand 22 des
Arbeitsringes 14 angeordneten, die Durchströmöffnungen 23 verschließenden Ventilklappen 33 gewährleisten
dabei ein ausschließliches
Befüllen
der zwischen den Sperrschiebern 19 angeordneten Pumpenräume 15 aus
der Einströmnut 11,
so daß mittels
der hier erfindungsgemäßen Anordnung
eine ansauggedrosselte Förderung
von Ölvolumenströmen möglich ist.
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Sobald
bei umlaufendem Rotor 4 die an der Mantelfläche 9 des
Rotors anliegenden Dichtlippen 21 von zwei einander benachbarten
Sperrschiebern 19 einer Verdrängerkammer 15 den
mit der Einströmnut 11 versehenen
Bereich der Mantelfläche 9 des Rotors
verlassen haben, verringert sich infolge der erfindungsgemäßen Anordnung
das Volumen der jeweiligen Verdrängerkammer 15,
so daß das
beispielsweise in der jeweiligen Verdrängerkammer 15 befindliche
Schmieröl über die
an den Durchströmöffnungen 23 des
Arbeitsringes 14 angeordneten Ventilklappen 33 in
den Ausströmraum 16 gepresst
wird, und von dort zum Auslass 25 gelangt. Die Ventilklappen 33 werden
dabei durch die Federkraft von Druckfedern 38 beaufschlagt,
welche in Buchsen 39 gelagert sind, die in den Buchsenbohrungen 40 eines Klemmringes 41 angeordnet
sind, welcher mit Rastnasen 42 versehen ist, die wiederum
in Rastnuten 42 angeordnet sind welche sich im Bereich
der Gleitnuten 18 des Außenrandes 22 des Arbeitsringes 14 befinden,
wobei die Rückseiten
der Sperrschieber 19 im Bereich des Arbeitsringes mittig
an ihren Stelllippen 20 mit Aussparungen 44 versehen
sind, um trotz der Anordnung des Klemmringes ein „Arbeiten" der Sperrschieber
zu gewährleisten.
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Diese
Ausführungsform
ermöglicht
eine fertigungstechnisch einfache, robuste und gleichzeitig zuverlässige Herstellung
wie auch Montage der Ventilklappen 33 an den Durchströmöffnungen 23 des
Arbeitsringes 14 bei hoher Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit
im Dauerbetrieb.
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Die
Stelllippen 20 aller am Rotor 4 anliegenden Sperrschieber 19 werden
erfindungsgemäß vom Pumpendruck
im Ausströmraum 16 permanent
hydrostatisch nach innen gedrückt.
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Zusätzlich bewirken
die beiden, symmetrisch im Ausströmraum 16 des Pumpengehäuses 2 angeordneten,
alle am Rotor 4 anliegenden Sperrschieber 19 umschließenden Rückzugsringe 24,
daß die
Stelllippen 20 der gerade aus dem Arbeitsring 14 in
den Ausströmraum 16 herausfahrenden
Sperrschieber 19 die Stelllippen 20 der am Umfang
des Arbeitsringes 14 in den Gleitnuten 18 gegenüberliegend
angeordneten Sperrschieber 19 in den Arbeitsring hineinschieben,
so daß während des
gesamten Pumpenspieles selbst in der Anlaufphase und auch beim Verklemmen
von Partikeln zwischen den Sperrschiebern 19 und deren
Gleitnuten 18 infolge leichter Verunreinigungen stets ein
exaktes Anpressen der Dichtlippen 21 aller Sperrschieber 19 an
den Rotor gewährleistet
ist.
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Wesentlich
ist in diesem Zusammenhang auch, dass am Klemmring 41 beidseitig
der Buchsenbohrungen 40 Begrenzungsnasen 45 angeordnet sind.
Diese Begrenzungsnasen 45 gewährleisten bei minimierten Herstellungs-
und Montagekosten eine exakte, zuverlässige und strömungsverlustarme
Positionierung der Rückzugsringe 24 im
Ausströmraum, so
daß auch
im Dauerbetrieb stets ein exaktes und zuverlässiges Verschieben der Sperrschieber
selbst unter extremen Arbeitsbedingungen gewährleistet ist. Kennzeichnend
ist weiterhin, dass die Einstömnut 11 auf
der Mantelfläche 9 des
Rotors 4 liegt.
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Diese
erfindungsgemäße Anordnung
bewirkt, da die Mantelfläche 9 des
Rotors 4 die Gegenlauffläche für die Dichtlippen 21 der
Sperrschieber 19 bildet und in dieser die Einstömnut 11 für die Befüllung der
Verdrängerkammern 15 angeordnet
ist, dass größere Partikel
welche in die Verdrängerkammern 15 gelangen
könnten,
diese ohne Folgeschäden
durchlaufen und wieder ausgestoßen
werden, wobei es nicht zum Klemmen des Rotors kommen kann, wie dies
beispielsweise bei Zahnradpumpen der Fall ist.
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Da
zudem gleichzeitig die Sperrschieber 19 erfindungsgemäß permanent
angedrückt
werden und eine spaltlose Abdichtung von Kammer zu Kammer und vom
Druckbereich zum Saugbereich erfolgt, wird bei Verschleiß der Dichtlippe 21 der
Sperrschieber nachgestellt und dadurch der eingetretene Verschleiß kompensiert.
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Die
erfindungsgemäße Sperrschieberpumpe ist
daher „partikelunempfindlich" und weist aufgrund der
spaltfreien Abdichtung einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad auf.
Pumpenbauarten mit axialer Schlitzsteuerung sind demgegenüber partikelempfindlich,
und die unvermeidlichen im Medium enthaltenen Partikel vergrößern mit
der Zeit den axialen Dichtspalt dieser Pumpenbauarten mit axialer Schlitzsteuerung,
so dass deren volumetrischer Wirkungsgrad mit der Zeit sinkt.
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Die
Fördercharakteristik
der erfindungsgemäße Sperrschieberpumpe
wird saugseitig mittels einer rotierenden Schlitzsteuerung und druckseitig durch
Rückschlagventilklappen
gesteuert, so daß die Strömung des
Fördervolumens
radial von innen nach außen
erfolgt, wobei in der erfindungsgemäßen Sperrschieberpumpe von
innen nach außen
vier konzentrische Druckbereiche aufgebaut werden.
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Dies
ist innen zunächst
der Zulaufdruck, zwischen der Blende und den Verdrängerkammern 15 der
Ansaugunterdruck, in den jeweiligen Verdrängerkammern 15 selbst
der jeweilige Verdrängerkammerdruck
und Außerhalb
des Arbeitsringes der Pumpenhochdruck.
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Im
Bereich vorderen Stirnfläche
des Ventilschiebers 26 sind Durchlassöffnungen 46 angeordnet.
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Dadurch
ist gewährleistet,
dass selbst bei vollständig
an der Ringfläche 8 anliegendem,
mit dem Rotor 4 umlaufendem Ventilschieber 26 ein Restspalt
verbleibt der eine Mindestfördermenge
eines zum Betrieb beispielsweise eines Motors zwingend erforderliche
Schmierölvolumenstromes
absichert.
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An
der Rückseite
im Rotors 4 ist ein Freiraum 48 angeordnet, der
mit der Einströmsichel 10 mittels Durchgangsbohrungen 49 verbunden
ist. Dadurch ist das Pumpenlager 1 mit dem Unterdruckraum
der Pumpe verbunden, so daß das
Pumpenlager 1 bei Betrieb der Sperrschieberpumpe im Ölnebel läuft und somit
auch für
das Pumpenlager 1 mit minimalen Aufwendungen eine hohe
Lebensdauer bei minimalen Pantschverlusten gewährleistet werden kann.
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Die
erfindungsgemäße Bauform
einer Sperrschieberpumpe gewährleistet
in Ihrer Gesamtheit auf Grund ihres fertigungstechnisch einfachen
Aufbaues eine einfache und kostengünstige Herstellung und gewährleistet
selbst unter extremen Förderbedingungen
einen robusten Betrieb bei minimiertem Verschleiß aller Baugruppen, wodurch
eine hohe Lebensdauer bei hoher Zuverlässigkeit mit gleichbleibend
hohem Wirkungsgrad erzielt wird.
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Infolge
der kontinuierlichen Arbeitsweise in Verbindung mit dem erfindungsgemäß „groß" ausgebildeten, vorzugsweise
in sieben Verdrängerkammern 15 aufgeteilten
Verdrängerraum
wird die Pulsation des Fördervolumenstromes
minimiert.
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Zudem
wird unter der Voraussetzung einer gleich großen Antriebsleistung eine deutliche
Erhöhung
des Fördervolumens
gegenüber
den im Stand der Technik vorbeschriebenen Sperrflügelpumpen
infolge von deutlich reduzierten Verlustleistungen, wie beispielsweise
den Strömungsverluste
in den engen, und gekrümmten
Kanälen
aber auch den Spaltverluste in den Dichtspalten zwischen den Nocken
und der Gehäuseinnenzylinderwandung
der Sperrflügelpumpen,
erzielt
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Mittels
der in diesem Ausführungsbeispiel vorgestellten,
speziellen erfindungsgemäßen Lösung für den Einsatzbereich
beispielsweise als Schmierölpumpe
ist eine kostengünstige,
verlustarme Reduzierung des in Abhängigkeit von der Antriebsdrehzahl maximal
möglichen
Fördervolumenstromes
bei sehr guter Regelcharakteristik infolge des geringen Abstandes
des Regelspaltes vom Verdrängerraum möglich.
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Mittels
der erfindungsgemäßen Lösung ist
es somit gelungen, eine kostengünstige,
geräuscharme, fertigungstechnisch
einfach herstell- und montierbare Sperrschieberpumpe mit einem einen
Rotor aufnehmenden Gehäuse
zu entwickeln, welche den Verschleiß der Baugruppen minimiert,
eine hohe Lebensdauer bei hoher Zuverlässigkeit mit gleichbleibend
hohem Wirkungsgrad gewährleistet,
die Pulsation des Fördervolumenstromes
minimiert, zudem die Verlustleistungen gegenüber den im Stand der Technik
vorbeschriebenen Sperrflügelpumpen
wesentlich reduziert und gleichzeitig eine deutliche Erhöhung des
Fördervolumens
ermöglicht,
zudem gleichzeitig einen hohen volumetrischen Wirkungsgrad gewährleistet
und dabei „partikelunempfindlich" ist, wobei in speziellen
Sonderbauformen der erfindungsgemäßen Lösung, für beispielsweise den Einsatzbereich als Ölpumpen,
mittels geringer technischer Veränderungen
eine saugseitige Widerstandssteuerung mit sehr guter Regelcharakteristik
realisiert werden kann.
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- 1
- Pumpenlager
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Antriebswelle
- 4
- Rotor
- 5
- Saugrohr
- 6
- Einströmkammer
- 7
- Ausnehmung
- 8
- Ringfläche
- 9
- Mantelfläche
- 10
- Einströmsichel
- 11
- Einströmnut
- 12
- vordere
Steuerkante
- 13
- hintere
Steuerkante
- 14
- Arbeitsring
- 15
- Verdrängerkammer
- 16
- Ausströmraum
- 17
- Innendurchmesser
- 18
- Gleitnut
- 19
- Sperrschieber
- 20
- Stelllippe
- 21
- Dichtlippe
- 22
- Außenrand
- 23
- Durchströmöffnung
- 24
- Rückzugsring
- 25
- Auslass
- 26
- Ventilschieber
- 27
- Rohraußendurchmesser
- 28
- Bohrung
- 29
- Zuströmöffnung
- 30
- Einströmöffnung
- 31
- Betätigungszapfen
- 32
- Betätigungsvorrichtung
- 33
- Ventilklappe
- 34
- Segment
- 35
- Anker
- 36
- Rückholfeder
- 37
- Spule
- 38
- Druckfeder
- 39
- Buchse
- 40
- Buchsenbohrung
- 41
- Klemmring
- 42
- Rastnase
- 43
- Rastnut
- 44
- Aussparung
- 45
- Begrenzungsnase
- 46
- Durchlassöffnungen
- 47
- Schmiertaschen
- 48
- Freiraum
- 49
- Durchgangsbohrung