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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor relativ zum Stator um eine Rotorrotationsachse gedreht werden kann. Der Rotor umfasse eine Welle und wenigstens einen Rotorflügel, der in einer Öffnung der Welle in einer Richtung quer zur Rotorrotationsachse beweglich gelagert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Welle eines Rotors für eine Flügelzellenpumpe.
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Aus der
DE 33 24 878 A1 ist eine Flügelzellen-Vakuumpumpe für einen Verbrennungsmotor bekannt, die aus einem Rotor besteht, der in einem Stator gelagert ist und drehend angetrieben wird. Um auch bei einem Kaltstart mit z. B. zähflüssigem Öl die radiale Beweglichkeit der Flügel sicherzustellen, ragt eine ortsfeste Abstützkurve in eine radiale Aussparung des Rotors und schiebt einen z. B. stecken gebliebenen Flügel nach außen aus dem Rotor heraus. Dabei ragt die in einem Längsmittelbereich des Rotors auskragend befestigte Abstützkurve radial bis über den Grund der Führungsschlitze für die Flügel im Rotor hinaus.
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Die
US 1 252 841 A betrifft eine gattungsgemäße Pumpe mit einem Rotor, der exzentrisch in einem Stator angeordnet ist, und einem Flügel, der in einer Durchgangsöffnung des Rotors geführt wird. Der Flügel weist einen Führungsbolzen auf, der den Flügel innerhalb der Durchgangsöffnung führt und gleichzeitig eine Drehlagerung für den Rotor in einem Boden oder Deckel des Pumpenraums bildet. Bei einer Rotation des Rotors kann sich der Flügel in der Durchgangsöffnung linear bewegen und liegt immer über die gesamte Länge seines Durchgriffs durch den Rotor dichtend an einer Innenwand der Durchgangsöffnung an.
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Die
US 8 087 915 B2 betrifft eine gattungsgemäße Pumpe mit einem zweiteiligen Rotorschaft. Die beiden Teile sind hohl und bilden Leitungsabschnitt für das in den Pumpenraum fließende und das aus dem Pumpenraum abfließende Medium. Zwischen den beiden Rotorschafthälften kann ein Pumpenflügel platziert werden, wobei die Auflageflächen der beiden Rotorschafthälften flach sind und einen Schmiermittelkanal aufweisen, über die ein Schmierfluid zur Schmierung des Pumpenflügels zwischen den Pumpenflügel und die Auflageflächen der beiden Rotorschafthälften für den Pumpenflügel fließen kann.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine Flügelzellenpumpe zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Pumpleistung aufweist und eine Welle für einen Rotor der Flügelzellenpumpe.
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Diese Aufgaben werden durch die Pumpe des unabhängigen Anspruchs 1 und die Welle des unabhängigen Anspruchs 10 gelöst.
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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe oder Rotationskolbenpumpe mit einem Pumpengehäuse, einem Stator und einem Rotor. Der Stator der Flügelzellenpumpe kann zumindest teilweise durch das Pumpengehäuse gebildet werden oder er ist in dem Pumpengehäuse angeordnet. Der Rotor ist in dem Stator exzentrisch angeordnet und kann relativ zu dem Stator um eine Rotorrotationsachse gedreht werden.
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Der Rotor umfasst eine Welle und wenigstens einen Rotorflügel, wobei das oder die Enden bzw. der oder die Gleitschuhe des Rotorflügels bei einer Drehung des Rotors an einer umlaufenden Innenwand bzw. Gehäuselaufbahn des Stators dichtend anliegen und die Stirnseiten des oder der Rotorflügel bis an oder nahe an einen Statorboden und einen Statordeckel reichen.
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Der Stator bildet einen Pumpenarbeitsraum, der von dem bzw. den Rotorflügel/n oder Flügel/n in einen Druckbereich und einen Saugbereich bzw. in Druck- und Saugzellen unterteilt wird. Dadurch kann bei einer Drehung des Rotors durch ein sich vergrößerndes Zellvolumen von einem Einlass ein Medium, z. B. Öl oder Luft, in den Pumpenarbeitsraum gesaugt, dort in sich mit der Drehung des Rotors stetig verkleinernden Zellenvolumen komprimiert und an einem Auslass mit einem erhöhten Druck abgegeben werden.
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Die Welle weist eine Durchgangsöffnung auf, in der der oder die Flügel beweglich gelagert sind, sodass der oder die Flügel sich in der Durchgangsöffnung quer zu der Rotorrotationsachse bewegen können. D. h., der oder die Flügel können sich in die Welle hinein und umgekehrt aus der Welle heraus bewegen, um stets eine wirksame Länge zu haben, die sich von der Welle bis hin zu der umlaufenden Innenwand des Stators erstreckt. Die Durchgangsöffnung, die im Folgenden auch als Öffnung bezeichnet wird, kann als Durchbruch in die Welle eingebracht sein oder ein nach einer Seite der Welle offener Schlitz ausgebildet sein.
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Die Öffnung weist dabei einen ersten Bereich auf, der zumindest am Öffnungsrand an beiden offenen Seiten der Durchgangsöffnung gebildet ist und sich in Richtung der Wellenmitte quer zur Rotorrotationsachse erstreckt, und einen zweiten Bereich, der sich innerhalb der Welle an den ersten Bereich anschließt.
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Der erste Bereich bildet dabei eine dichtende Führung und Auflage für den in die Öffnung reichenden Flügel, d. h., er weist eine Form auf bzw. einen Außenumfang der im Wesentlichen der Form und dem Außenumfang des Flügels entspricht. Der sich an den ersten Bereich der Öffnung anschließende zweite Bereich weist wenigstens eine Tasche auf, d. h. in einer Oberfläche der Öffnung im Inneren der Welle ist eine Vertiefung oder Tasche eingebracht, sodass der Flügel in diesem Bereich weder dichtend an der Oberfläche der Öffnung anliegt noch von der Öffnung in diesem Bereich eine Führung erfährt.
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Allein durch die Ausbildung der Tasche wird bereits die Auflagefläche des Flügels in der Öffnung reduziert und dadurch auch der Reibungswiderstand des Flügels in der Öffnung verkleinert. Um den Reibungswiderstand weiter zu verringern, kann ein Schmiermittel z. B. ein Öl zu der Tasche geleitet werden, sodass zwischen der Innenwand der Öffnung und der Außenseite des Flügels eine stete Schmierung stattfindet.
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Die Öffnung weist entsprechend dem Flügel eine Oberseite, eine Unterseite und zwei Stirnseiten auf. Als Ober- und Unterseite sollen hier die Seiten der Flügel bezeichnet werden, die sich vom Statorboden bis zu dem Statordeckel erstrecken, die Stirnseiten sind entsprechend die dem Statorboden bzw. dem Statordeckel zugewandten Seiten des Flügels.
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Die wenigstens eine Tasche kann an der Oberseite und/oder der Unterseite der Öffnung gebildet sein und ist bevorzugt mittig angeordnet. Mittig angeordnet kann bedeuten, dass z. B. bei einer Sacköffnung die Tasche nicht bis zum Ende der Bohrung reicht, sondern sich an den zweiten Bereich ein weiterer erster Bereich anschließt, der den Flügel führt. Mittig kann auch bedeuten, dass die Tasche nicht von einer Stirnseite bis zu der gegenüberliegenden Stirnseite reicht, sodass an den Stirnseiten oder nahe der Stirnseiten an der Ober- und/oder Unterseite der Öffnung über die gesamte Länge der Öffnung eine Führung für den Flügel gebildet wird.
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Schließlich kann die Tasche in der Öffnung auch umlaufend gebildet sein, wobei die Öffnung einen ersten Bereich vor dem zweiten Bereich aufweist und einen weiteren ersten Bereich nach dem zweiten Bereich aufweisen kann.
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Auch wenn bisher immer von einer Tasche oder wenigstens einer Tasche die Rede war, so umfasst die Anmeldung auch mehrere z. B. in Axial- oder Radialrichtung der Öffnung hinter- oder nebeneinander angeordnete Taschen, die z. B. durch einen Steg voneinander getrennt sein können. Der Steg kann dann die Maße des ersten Bereichs aufweisen, sodass der Flügel in diesem Bereich eine Führung durch die Öffnungsinnenwand erfährt.
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Bei der Tasche kann es sich z. B. um eine Nut handeln, mit einer konstanten Tiefe oder einer sich hin zur Nutmitte stetig oder stufenweise vergrößernden Tiefe. Die Nut kann auch U-förmig sein oder jede andere beliebige Form aufweisen. Dabei sind stete Übergänge in die Nut bevorzugt, um die Welle möglichst wenig zu schwachen. Die Nut kann auch durch eine Bohrung gebildet sein, die auf der Mittelachse/Rotationsachse oder parallel zu der Mittelachse/Rotationsachse der Welle verläuft und somit eine Tasche mit gewölbter Form bildet.
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Die Nut oder die Tasche muss keine aufwändig bearbeitete Oberfläche aufweisen, da sie nicht in direkten Kontakt mit der Flügeloberfläche kommt. Dagegen muss/müssen der Führungsbereich oder die Führungsbereiche für den Flügel in der Öffnung sehr genau bearbeitet sein, um ein Spaltmaß zwischen Flügeloberfläche und Öffnungsinnenwand klein zu halten und gleichzeitig die Reibungskräfte zwischen Flügeloberfläche und Öffnungsinnenwand zu minimieren. Dies kann zu einer Reduzierung der notwendigen Antriebsleistung für die Flügelzellenpumpe und zu einem verminderten Verschleiß d. h. zu einer längeren Standzeit der Pumpe führen.
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Vorteil der Wellenöffnung mit der Tasche ist somit, dass nur noch ein Teil der Öffnungsinnenwand aufwändig bearbeitet werden muss, während der Bereich der Tasche keiner oder nur sehr geringer Nachbearbeitung bedarf. Dies wirkt sich positiv auf die Herstellungskosten aus, da die Produktionszeit auf teuren Präzisionsmaschinen verringert wird.
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Bei der Flügelzellenpumpe kann es sich um eine Vakuumpumpe handeln, mit nur einem Flügel, der durch eine Durchgangsöffnung der Rotorwelle oder in einen auf einer Stirnseite der Rotorwelle offen Schlitz gesteckt wird und in der Öffnung quer zur Rotorrotationsachse bewegt werden kann. Bei einer Drehung des Rotors liegt der Flügel zumindest mit einem Ende in jeder Drehposition des Rotors dichtend an der umlaufenden Innenwand des Stators an und trennt so den Saugbereich der Pumpe vom Druckbereich der Pumpe. Besonders bei der Welle mit dem stirnseitig offenen Schlitz kann die Tasche in der Öffnung einfach gebildet werden.
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Bei einer Vakuumpumpe wird die Evakuierleistung maßgeblich vom Anliegen der Gleitschuhe an der Gehäuselaufbahn beeinflusst. Ist die Reibung zwischen dem Flügel und der Öffnung zu hoch, dann liegt der Flügel insbesondere bei einer Vakuumpumpe mit nur einem Flügel beim Herausfahren aus der Öffnung nicht richtig oder erst zeitverzögert an der Gehäuselaufbahn an. Diese Anlage bildet aber die Abdichtung zwischen einer Einlassseite und einer Auslassseite der Pumpe und beeinflusst damit die Evakuierleistung der Vakuumpumpe.
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Das Problem der zu hohen Reibung tritt insbesondere bei Flügelzellen- oder Vakuumpumpen auf, bei denen die Öffnung aus konstruktiven Gründen nicht als auf einer Seite offener Schlitz gebildet sondern im mittleren Bereich einer durchgehenden Welle angebracht ist.
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Bei einer Durchgangsöffnung kann an beiden Seiten der Öffnung je ein erster Bereich gebildet sein, sodass der Flügel jeweils im Bereich des Austritts aus der Welle in der Öffnung dichtend geführt ist.
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Der Flügel oder die Öffnung bzw. wenigstens ein erster Bereich der Öffnung kann fluidisch mit dem Pumpenarbeitsraum verbunden sein. Dazu kann im Flügel oder in dem ersten Bereich beispielsweise eine Kapillare oder Rille gebildet sein, über die Schmiermittel aus der Tasche abfließen kann oder, wenn es sich bei dem durch die Pumpe geförderten Mittel um Schmieröl handelt, über die Schmiermittel in die Tasche gelangen kann.
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Die Versorgung der Tasche mit Schmiermittel kann über eine Zuleitung erfolgen, die von einem Schmiermittelreservoir durch die Welle zu der Tasche reicht. Alternativ kann das Medium der Tasche seitlich vom Flügel über die Stirnseiten zugeführt werden, wenn die Öffnung in der Welle breiter als der Flügel ist. Dadurch wird gleichzeitig einem Klemmen des Flügels oder der Flügel an den Eckradien der Öffnung oder des Durchbruchs vorgebeugt.
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Aufgrund der geringen Länge der Welle für den Rotor kann die Welle bei einem Rotor mit nur einem Flügel auch aus wenigsten zwei teilrunden Wellenteilkörpern bestehen. Bei einer Welle mit mehr als einem Flügel kann die Welle z. B. die gleiche Anzahl von Wellenteilkörpern aufweisen, wie der Rotor Flügel hat. In diesen Fällen weisen alle Wellenteilkörper Teile der Tasche oder Taschen auf und den oder die ersten Bereiche zur Führung des Flügels. Dies macht das Einbringen der Tasche in die Öffnung sehr einfach, da der Bereich der Öffnung für ein entsprechendes z. B. spanabhebendes Werkzeug leicht zugänglich ist.
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Alternativ ist es auch möglich, eine Öffnung in die Welle einzubringen, die über ihre gesamte Länge eine gleichbleibende Form mit gleichbleibenden Durchmessern aufweist. In diese Öffnung kann/können dann dem/den oben beschrieben ersten Bereichen entsprechende Einsätze form- und/oder kraftschlüssig eingesetzt werden. Dazu können die mit kleinem Übermaß gefertigten Einsätze gekühlt werden, bevor sie in die Öffnung eingesetzt werden. Bei der anschließenden Erwärmung auf Raumtemperatur dehnen sich die Einsätze aus und sitzen dadurch fest in der Öffnung. Die Einsätze können mit entsprechenden Spezialklebern auch in die Öffnung eingeklebt werden, wobei der Spezialkleber z. B. eine chemische Reaktion an den Oberflächen auslösen kann, sodass die beiden Oberflächen quasi miteinander verschmelzen.
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Bei der Flügelzellenpumpe kann es sich, wie bereits weiter oben angedeutet, um eine Vakuumpumpe handeln, mit einem Rotorflügel. Gegenüber herkömmlichen Vakuumpumpen kann mit der beschriebenen Flügelzellenpumpe eine Evakuierungsleistung der Vakuumleistung verbessert werden.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Welle für einen Rotor einer Flügelzellenpumpe, z. B. einer Vakuumpumpe, wobei die Welle wenigstens eine Öffnung aufweist in der ein Pumpenflügel in eine Richtung quer zu einer Wellenrotationsachse beweglich aufgenommen werden kann. Die Welle ist hergerichtet um mit einem Antriebsaggregat verbunden zu werden, das die Welle rotatorisch antreibt.
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Bei der Welle handelt es sich um die in den vorgehenden Paragraphen beschriebene Welle, die innerhalb der Öffnung eine Tasche aufweist, der ein Schmiermittel zugeführt werden kann.
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Für die gesamte Beschreibung und die Ansprüche gilt, dass der Ausdruck „ein” als unbestimmter Artikel benutzt wird und die Anzahl von Teilen nicht auf ein einziges beschränkt. Sollte „ein” die Bedeutung von „nur ein” haben, so ist dies für den Fachmann aus dem Kontext zu verstehen oder wird durch die Verwendung geeigneter Ausdrücke wie z. B. „ein einziger” eineindeutig offenbart.
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Nachfolgend werden einige Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
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1: Schnittzeichnung einer gattungsgemäßen Flügelzellenpumpe mit einem Flügel;
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2: Schnitt durch eine Welle gemäß dem Stand der Technik und einen Flügel;
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3: perspektivische Ansicht einer Welle mit Öffnung und Tasche;
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4: Schnitt durch die Welle der 3 mit Flügel.
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Gleichwohl in der vorangegangenen Beschreibung einige mögliche Ausführungen der Erfindung offenbart wurden, versteht es sich, dass zahlreiche weitere Varianten von Ausführungen durch Kombinationsmöglichkeiten aller genannten und ferner aller dem Fachmann naheliegenden technischen Merkmale und Ausführungsformen existieren. Es versteht sich ferner, dass die Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele zu verstehen sind, die den Schutzbereich, die Anwendbarkeit und die Konfiguration in keiner Weise beschränken. Vielmehr möchte die vorangegangene Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Weg aufzeigen, um zumindest eine beispielhafte Ausführungsform zu realisieren. Es versteht sich, dass bei einer beispielhaften Ausführungsform zahlreiche Änderungen bezüglich Funktion und Anordnung der Elemente vorgenommen werden können, ohne den in den Ansprüchen offenbarten Schutzbereich und dessen Äquivalente zu verlassen.
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Die 1 zeigt eine gattungsgemäße Flügelzellenpumpe 1 oder Vakuumpumpe 1 mit einem Pumpengehäuse 2, einem Stator 3 und einem Rotor 4. Der Stator 3 bildet einen Pumpenarbeitsraum 5 in dem der Rotor 4 exzentrisch angeordnet ist.
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Der Rotor 4 weist eine Welle 6 mit einer Durchgangsöffnung 7 auf und einen Flügel 8, der in der Öffnung 7 in die Pfeilrichtung beweglich gelagert ist. D. h. der Flügel 8 kann sich in der Öffnung 7 so bewegen, dass die Flügelenden 8a, 8b oder Gleitschuhen 8a, 8b in jeder Drehposition der Welle 6 an einer umfänglichen Innenwand 9 bzw. Gehäuselaufbahn 9 des Stators anliegen können. Die Flügelenden 8a, 8b können zusätzlich beweglich in dem Flügel 8 gelagert sein und sich in den Flügel 8 hinein oder aus dem Flügel 8 heraus bewegen, um die Anlage der Flügellenden 8a, 8b an der umfänglichen Innenwand 9 des Stators 2.
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Alternativ kann die Welle 6 mehrere Öffnungen aufweisen, in diesem Fall Sackbohrungen oder Sacköffnungen, die bis nahe an die durch die Rotorrotationswelle R definierte Mitte der Welle 6 reichen, und mehrere Flügel 8, die bei einer Drehung der Welle 6 in die Sacköffnungen ein bzw. aus den Sacköffnungen ausfahren.
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Die 2 zeigt einen Schnitt durch eine Welle 6 gemäß dem Stand der Technik, wie sie z. B. in der Vakuumpumpe der 1 gezeigt ist, mit einem in die Öffnung 7 eingesteckten Flügel 8. Der Flügel 8 liegt über die gesamte Länge der Öffnung 7 und entlang dem gesamten Umfang der Öffnung 7 an der Oberfläche 7a der Öffnung 7 an. Die große Berührungsfläche zwischen Flügel und Oberfläche 7a kann zu einem relativ großen Reibungswiderstand führen, der eine Bewegung des Flügels 8 in der Öffnung 7 der Welle 6 verzögert. Dadurch kann es zu einem kurzzeitigen Lösen eines der Flügelenden 8a, 8b von der umfänglichen Innenwand 9 des Stators 2 und dadurch zu einer Verbindung der Saugzelle mit der Druckzelle kommen. Um dies zu vermeiden oder im Wesentlichen zu verhindern, muss die Oberfläche 7a der Öffnung aufwändig werden.
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Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Welle 6 eines Rotors 4, die mit einer Antriebsvorrichtung 11 verbunden oder verbindbar ist, wobei die Antriebsvorrichtung 11 die Welle 6 drehantreibt. Die Welle 6 weist eine Öffnung 7, hier eine Durchgangsöffnung, auf, durch die ein Flügel 8 gesteckt werden kann.
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In der Öffnung 7 bzw. in deren Oberfläche 7c ist eine Tasche 10 eingearbeitet. Die Tasche 10 ist in Längsrichtung der Öffnung 7 (quer zur Rotationsachse der Welle) nicht durchgängig, sondern nur in einem mittleren Bereich gebildet. Vor und hinter der Tasche 10 entsprechen die Maße der Öffnung 7 im Wesentlichen den Außenmaßen des Flügels 8, sodass in diesem Bereich jeweils ein Steg 7b gebildet ist, der dem Flügel 8 als Führung und Auflage innerhalb der Öffnung 7 dient.
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Die Tasche 10 kann dabei wie gezeigt in einer oder beiden Auflageflächen für eine Flügelbreitseite gebildet sein oder umlaufend in der Öffnung 7. Die Tasche 10 muss nicht wie gezeigt durchgängig gebildet sein, sondern kann aus mehreren Teiltaschen bestehen mit gleichen oder unterschiedlichen Dimensionen, wie Tiefe. Länge, Breite etc. Zwischen einzelnen Teiltaschen können weitere Auflage- und Führungsstege für den Flügel 8 gebildet sein. So kann die gezeigte Tasche 10 z. B. in der Mitte geteilt sein und dort eine weitere Auflage- und Führungsfläche für den Flügel 8 bilden.
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Da der Flügel 8 im Bereich der Tasche 10 nicht mit dem Material der Welle 6 in Verbindung kommt, muss im Bereich der Tasche 10 keine aufwändige Bearbeitung der Taschenoberfläche erfolgen. Diese Bearbeitung ist bei einer Öffnung 7 mit Tasche 10 auf die Stege 7b beschränkt, die als Führungs- und Auflagelagefläche für den Flügel 8 ausgebildet sind. Dies verkürzt die Bearbeitungszeit der Welle mit teuren Maschinen zur Herstellung einer optimalen Gleitoberfläche für den Flügel 8.
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Die 4 zeigt schließlich einen Schnitt durch die Welle 6 der 3 mit der Öffnung 7 mit der Tasche 10 und einem durch die Öffnung 7 hindurch gesteckten Flügel 10. Die Öffnung 7 weist einen ersten Bereich 7b auf, der die Stege 7b bildet und dem Flügel 8 Führung und Auflage innerhalb der Öffnung 7 bieten, und einen zweiten Bereich 10, der die Tasche 10 bildet.
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Der Tasche 10 kann ein Schmiermittel zugeführt werden, welches einen Reibungswiderstand zwischen dem Flügel und den Stegen 7b weiter reduziert. Dazu kann ein nicht gezeigter Zuleitungskanal der in die Tasche 10 mündet das Schmiermittel aus einem nicht gezeigten Reservoir zu der Tasche 10 leiten. Alternativ kann das Schmiermittel das geförderte Medium sein und durch z. B. Kapillarwirkung in die Tasche gesaugt oder von den seitliche Stirnflächen zugeführt werden.
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Das Schmiermittel kann zumindest teilweise durch das in der Vakuumpumpe 1 geförderte Medium aufgenommen und durch einen Pumpenauslass aus der Pumpe transportiert. Ist das Schmiermittel nicht das von der Pumpe geförderte Medium, kann das mit dem Schmiermittel kontaminierte Medium z. B. durch Filterung in einer einem Pumpenauslass nachgelagerten Filtereinheit vor der Weiterverwendung oder Abgabe an die Umgebung gereinigt werden, falls dies erforderlich oder gewünscht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vakuumpumpe, Flügelzellenpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Stator
- 4
- Rotor
- 5
- Pumpenarbeitsraum
- 6
- Welle
- 7
- Öffnung
- 7a
- Oberfläche
- 7b
- Steg, erster Bereich
- 8
- Flügel
- 8a
- Flügelende, Gleitschuh
- 8b
- Flügelende, Gleitschuh
- 9
- Innenwand, Gehäuselaufbahn
- 10
- Tasche
- 11
- Antriebsvorrichtung
- S
- Rotationsachse Stator
- R
- Rotorrotationsachse
