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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Pumpen eines Mediums nach
dem Orbitalverdrängerprinzip, um ein flüssiges,
gasförmiges oder pulverisiertes Medium transportieren zu
können.
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Allgemein
bekannt ist, dass als wesentliche Verfahrensmerkmale einer Verdrängerpumpe
darin bestehen, die Ansaugseite von der Druckseite zu trennen als
auch das in den Förderraum anzusaugende Medium als Fördervolumen
von der Ansaugseite und der Druckseite abzugrenzen, um an der Druckseite
das Medium aus dem Förderraum hinausdrücken zu
können.
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Nachteilig
hierbei ist, dass Verdrängerpumpen das Medium während
des Arbeitsvorganges – Ansaugseite von der Druckseite abzugrenzen – nicht komprimieren
oder verdichten. Um diesem Verfahrensmerkmal nachzukommen, werden
hierzu Verdichter oder Kompressoren verwendet, welche aber wiederum
nicht für Flüssigkeiten, Suspensionen oder Pulver
geeignet sind. Um aber die gravierendsten Nachteile einer Verdrängerpumpe
auszugleichen, wie eine Kolbendichtung eines Förderkolbens,
machte man sich bislang das Spaltrohrverfahren zu eigen. Hier trennt
eine Spaltkopfkupplung den Förderraum von dessen Umgebung
mittels einer zwischen zwei Magneten befindlichen topfartigen Blende
und der rotierende in der Umgebung befindliche Magnet treibt den
im Förderraum befindlichen Magneten an.
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Erkennbar
ist, dass alle diese nach dem bekannten Scroll-Verfahren arbeitenden
Pumpen als Verdichter die vorzugsweise gasförmigen oder gasbeladenen
Medien derart komprimieren, indem das Fördervolumen eine
geometrische Änderung erfährt und somit dieses
Fördervolumen nicht konstant hält, sondern mindert.
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Des
Weiteren bekannt sind Verfahren und Vorrichtungen, welche nach dem
Prinzip einer Verdrängerpumpe und nach dem Prinzip einer
Verdichterpumpe arbeiten.
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Da
die erfindungsgemäße Lösung nach dem Prinzip
einer Verdrängerpumpe arbeitet, ist hierbei diese Vorrichtung
gegenüber dem Stand der Technik abzugrenzen.
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So
beschreiben die Schutzrechte des
US-Patentes
801,182 und auch das Patent
CH 34161 eine
Pumpe mit einem Differentialkolben und einem Ventil, dessen Betätigung
mittels eines Gestänges auf das Ventil zu regulieren ist.
Hieraus ist erkenntlich, dass es sich um einen Verdichter, aber nicht
um eine Verdrängerpumpe handelt.
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Dem
Scroll-Prinzip einer Verdängerpumpe nahe kommend ist das
US-Patent 4,129,405 . Hierbei findet
der Druckausgleich über Kanäle statt, mit den Nachteilen
eines unsicheren Arbeitens und einer Restverdichtung.
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Im
DE-OS 2338808 ist „die
Kompression in den inneren Pumpenkammern begrenzt ... und einen Druckausgleich
bewirkt”. Ein Ziel der erfindungsgemäßen
Lösung ist unter anderem, keinen Druckausgleich zu erlangen.
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Obwohl
die
CH-Patentschrift 501 838 eine Verdrängerpumpe
unter Schutz stellt, arbeitet dieses Prinzip nach einem Verdichter
bzw. einer Vakuumpumpe, indem zwei mit Vorsprüngen ineinander
greifende parallele Scheiben eine Schöpfkammer bilden, indem
eine Scheibe zur Ausführung der Translationsbewegung mit
einem Antriebselement ausgerüstet ist und mit der zweiten
Scheibe aneinander verbunden sind.
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Erwähnenswert
sei auch das
DE
20 2004 013 081 U1 , nach dem Prinzip einer Spalttopfpumpe bzw.
einer Spalttopfkupplung. Hier liegt mindestens ein Antriebsmagnet
im Förderraum, welches sich in der Praxis meist als Nachteil
erweist.
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So
beschreiben die Schutzrechte des
US-Patentes
801,182 und auch das Patent
CH 34161 eine
Pumpe mit einem Differentialkolben und einem Ventil ausgestattet
ist, dessen Betätigung mittels eines Gestänges
auf das Ventil zu regulieren ist. Hieraus ist erkenntlich, dass
es sich um einen Verdichter, aber nicht um eine Verdrängerpumpe
handelt.
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Dem
Scroll-Prinzip einer Verdrängerpumpe nahe kommend ist das
US-Patent 4,129,405 . Hierbei findet
der Druckausgleich über Kanäle statt Im
EP 0834016 B1 wird
aufgezeigt, wie über eine rotierende Orbitalbewegung eine Übertragung
der Antriebsleistung erfolgt und somit immer eine Rotation in der Pumpe
selbst erfolgt.
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Aus
dem
EP 0520943 A1 ist
ein Verfahren für die Förderung von inkompressiblen
Medien derart bekannt, dass eine exzentrisch angeordnete Orbitalspirale,
welche in einem spiralförmigen Gehäuse orbitiert,
durch ihren Umschlingungswinkel von max. 360° gegenüber
der Gehäuse-Orbitalspirale mindestens eine fortschreitende
Dichtlinie erzeugt, die ein definiertes Volumen absperrt, welches
dann ohne Kompression von der Saugseite zur Druckseite geschoben
wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es aus den vorgenannten Gründen und Nachteilen
nunmehr eine Vorrichtung nach dem Prinzip einer Verdrängerpumpe mit
einer starren und nicht ortsfesten Mechanik, welche aus einem einzigen
beweglichen Teil im Förderraum besteht, zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird mit dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1 sowie deren
Unteransprüche erfindungsgemäß dadurch
gelöst, dass mittels der konstruktiven Anordnung eine zwangsläufig
getriebene Orbitalspirale in einer starren Gehäuse-Orbitalspirale orbitierend
bewegt wird und dabei die Grundregeln einer Verdrängerpumpe
berücksichtigt werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung stellt sicher, dass
keine Verdichtung des Mediums innerhalb des Fördervolumens
aufgrund der Form bzw. der Anordnung der zwangsgeführten
und damit berührungsfreien Spiralen zustande kommt und
des weiteren keinerlei Druckausgleichskanäle oder Bohrungen benötigt
werden, welche nur eingeschränkt eine Verdichtung verhindern.
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Das
zu transportierende Medium wird von der Ansaugseite zur Druckseite
hin in der Pumpe vollständig kompressionsfrei verdrängt
und deshalb ist das Dosieren, das hermetische Abdichten und das leckagefreie
Arbeiten gewährleistet.
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Erfindungsgemäß ist
eine Orbitalspirale und eine Gehäuse-Orbitalspirale zwangsgeführt
und berührungsfrei arbeitend anzuordnen. Die Ansaugseite ist
von der Druckseite getrennt anzuordnen, wobei die Orbitalspirale
sich soweit an die Gehäuse-Orbitalspirale nähert,
um die Druckseite stetig von der Ansaugseite zu trennen. Hierbei
sind die Berührungsflächen der Orbitalspirale
mit der Gehäuse-Orbitalspirale derart anzupassen, dass
eine annähernd konstante Nutbreite entsteht und der konstant
bleibende Dichtspalt mit dem zu pumpenden Medium zu füllen ist.
Im dynamischen Betrieb ist die Ausgangsseite von der Druckseite
abgedichtet. Ein an der Druckseite endendes und sich verjüngendes
Teil der Orbitalspirale ist annähernd dicht, dem Dichtspalt
entsprechend, mit der Gehäuse-Orbitalspirale in Verbindung stehend
anzuordnen, um in dem sich zu verjüngenden Teil der Orbitalspirale
einen Beschleunigungsabschnitt entstehen zu lassen. Das Medium ist
somit aufgrund einer Impulsabgabe mittels einer hydrodynamischen
Beschleunigung aus dem Förderraum zu transportieren.
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Eine
zusätzliche Dichtung ist an der Dichtfläche der
Orbitalspirale zur Gehäuse-Orbitalspirale nahe einer Orbitaldichtung
angeordnet. Die mit einem Flansch fest verbundene Gehäuse-Orbitalspirale
bilden gemeinsam ein Gehäuse.
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Die
Orbitaldichtung und ein Exzenterantrieb sind dabei so anzuordnen,
dass der Exzenterantrieb und eine Antriebswelle einen festen Verbund
eingehen, wobei die Orbitalbewegung der Orbitalspirale auf einer
Bahnkurve auszuführen ist und sich somit aus dessen Exzentrität
ergibt. Es sei zu berücksichtigen, dass die Antriebswelle
im Flansch mit dessen Kontaktflächen in der Bohrung beweglich
gelagert ist.
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Die
axiale Lage der Orbitalspirale ist durch die Lage der Antriebswelle über
dem Flansch und durch die Lagerung des Exzenterantriebs definiert.
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Anhand
eines Ausführungsbeispiels soll die erfindungsgemäße
Lösung näher beschrieben werden.
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Hierbei
zeigt
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1 die
Draufsicht
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2 die
Schnittdarstellung und
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3-1 bis 3-3 die
Funktionsweise
der Pumpe nach dem Orbitalverdrängerprinzip.
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Gemäß 1 und 2 ergibt
sich die Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in der Gehäuse-Orbitalspirale 5 durch
Rotation des Exzenterantriebs 2.2 und dem mit der Antriebswelle 2.1 fest
verbundenen Exzenter 2.2 in der Orbitalspirale 3.
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Der
Flansch 1 ist die Schnittstelle zum Antrieb der Pumpe,
die Druckseite 6.1 und Ansaugseite 6.2 ist die
Schnittstelle zum Mediumskreislauf. Der Flansch 1 ist mit
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 fest mit einer wieder
lösbaren Verbindung, wie z. B. Schrauben verbunden. Innerhalb
des so entstandenen Gehäuses, dem Gehäuse-Orbtalspirale 5,
sind die Orbitalspirale 3 sowie die Orbitaldichtung 4 wie auch
der Exzenterantrieb 2.2 angeordnet. Der Exzenterantrieb 2.2 ist
mit der Antriebswelle 2.1 fest verbunden. Die Antriebswelle 2.1 ist
im Flansch 1 an den Kontaktflächen der Bohrung
beweglich gelagert. Der Exzenterantrieb 2.2 ist an den
Kontaktflächen der Sacklochbohrung mit der Orbitalspirale 3 beweglich gelagert.
An der Stirnseite des Exzenterantriebes 2.2 ist dieser
nicht mit der Orbitalspirale 3 verbunden oder beweglich
gelagert; hier existiert keine Verbindung, sondern ein Luftspalt.
Die Orbitalspirale 3 steckt mit dem Spiralenteil im Spiralenteil
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 und ist ebenfalls
nicht fest mit ihr verbunden. Die Orbitaldichtung 4 ist
an den Berührungsflächen mit der Orbitalspirale 3 dichtend
verbunden. Die Orbitaldichtung 4 ist an den Berührungsflachen
mit der Gehäuse-Orbitalspirale 5 fest verbunden.
Die Kontaktfläche zwischen Orbitalspirale 3 und Gehäuse-Orbitalspirale 5 ist
ein sehr kleiner Dichtspalt. Die Orbitalspirale 3 berührt
die Gehäuse-Orbitalspirale 5 an den Kontaktflächen
nicht bzw. gleitet auf der Berührungsfläche ab
und ist daher nicht mit Ihr fest verbunden. Die axiale Lage der
Orbitalspirale 3 zur Gehäuse-Orbitalspirale 5 ist
durch die Lagerung der Antriebswelle 2.1 über
den Flansch 1 und durch die Lagerung des Exzenterantriebs 2.2 in der
Orbitalspirale 3 eindeutig und genau definiert. Der an
der Ansaugseite 6.2 anstehende Druck wird über
dessen Druckkraft in axialer Richtung zum Flansch 1 von
der Orbitalspirale 3 über den Exzenterantrieb 2.2 und
der Antriebswelle 2.1 an den Flansch 1 und damit
an das Gehäuse-Orbitalspirale 5 abgegeben. Daher
ist die erfindungsgemäße Pumpe in der Lage hohe
Drücke zu überstehen.
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Der
abgeschlossene und dichte Förderraum ergibt sich mit der
Orbitalspirale 3 über die Orbitaldichtung 4 mit
der Gehäuse-Orbitalspirale 5. Das Medium wird
in der Bohrung der Druckseite 6.1 aus dem Förderraum
und in der Bohrung der Ansaugseite 6.2 in den Förderraum
gedrückt bzw. angesaugt. Das Medium ist also nur im Kontakt
mit den Innenflächen der Bohrungen, dem Spiralteil der Gehäuse-Orbitalspirale 5,
dem Spiralteil der Orbitalspirale 3 und den Dichtspalten
sowie der dem Förderraum zugewandten Seite der Orbitaldichtung 4.
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Am
Dichtspalt der Orbitalspirale 3 zur Gehäuse-Orbitalspirale 5,
nahe der Orbitaldichtung 4 ist eine zusätzliche
Vordichtung angeordnet und wird vom Medium benetzt. Ist diese Vordichtung
nicht in der Lage das zu fördernde Medium abzudichten,
z. B durch Leckverluste o. ä., dann gelangt das Medium an
die dem Förderraum zugewandte Seite der Orbitaldichtung 4 und
wird dort gestoppt. Damit ist die Orbitalspirale 3 mit
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 eindeutig leckagefrei
und hermetisch dicht abgedichtet.
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Die
Orbitalspirale 3 ist in ihrer Orbitalbewegung über
Führungslager zwangsgeführt und ist daher in Ihrer
Orbitalbewegung genau definiert. Daher sind alle Kontaktflächen
zwischen Orbitalspirale 3 und Gehäuse-Orbitalspirale 5 keine
Berührungsflächen im eigentlichen Sinne, sondern
sehr kleine Dichtspalte.
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Der
Beschleunigungsabschnitt 9 ist ein Teil der Orbitalspirale 3 und
damit fest verbunden.
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Das
Schluckvolumen ergibt sich über die Länge der
Spirale der Gehäuse-Orbitalspirale 5 mit der Nutbreite 8 und
deren Subtraktion der Länge der Spirale der Orbitalspirale 3 mit
der Wandstärke 7 der orbitierenden Orbitalspirale 3.
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Durch
die Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in der Gehäuse-Orbitalspirale 5 ist
die Druckseite 6.1 von der Ansaugseite 6.2 eindeutig
getrennt und ein unveränderliches Fördervolumen
ist durch die Form der Spiralen 3 und 5 definiert,
dies jeweils abgesehen von den Spaltverlusten.
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Durch
die Orbitalbewegung einer Orbitalspirale 3 in einer feststehenden
Gehäuse-Orbitalspirale 5 entstehen ein oder mehrere
Fördervolumen, die das Medium von der Ansaugseite zur Druckseite befördern.
Außerdem vergrößert sich das Volumen durch
die Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in der Gehäuse-Orbitalspirale 5 an
der Ansaugseite 6.2 und das Medium wird angesaugt. Aber
durch dieselbe Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 verkleinert sich
an der Druckseite 6.1 das Volumen, wodurch das Medium ausgedrückt wird.
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Ändert
sich der Drehsinn der Antriebswelle 2.1, dann wird aus
der Ansaugseite 6.2 die Druckseite 6.1 und umgekehrt.
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Die
Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in der Gehäuse-Orbitalspirale 5 findet
auf einer Bahnkurve statt, die sich aus der Exzentrizität
des Exzenterantriebs 2.2 zu der Antriebswelle 2.1 ergibt.
Diese Exzentrizität ist die Kreisbahn, die die Exzentermittelachse
beschreibt, wenn sich der Exzenter um die Mittelachse der Antriebswelle 2.1 dreht.
Der Radius der Exzentrizität bestimmt sich wiederum aus
der Differenz der nominalen Nutbreite 8 der stehenden Orbitalspirale 3 in
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 zur Wandstärke 7 der
orbitierenden Orbitalspirale 3 in der Gehäuse-Orbitalspirale 5.
Durch dieselbe Orbitalbewegung der Orbitalspirale 3 in
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 entsteht zwischen
dem Ansaugvorgang auf der Ansaugseite 6.2 und dem Ausdrückvorgang auf
der Druckseite 6.1 ein definiertes unveränderliches
Fördervolumen, welches eindeutig von der Ansaugseite 6.2 und
der Druckseite 6.1 abgegrenzt wird.
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Nach 3-1 bis 3-3 soll
die Vorrichtung der erfindungsgemäßen Pumpe nach
dem Orbitalverdrängerprinzip beschrieben werden:
Die
Orbitalspirale 3 verfährt in einer Orbitalbewegung an
der Gehäuse-Orbitalspirale 5 nur so weit – je
nach Länge oder Form –, dass sichergestellt ist,
dass es zu keiner Kompression innerhalb des Fördervolumens kommt.
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Die
Orbitalspirale 3 nähert sich der Gehäuse-Orbitalspirale 5 soweit
an, dass unter Berücksichtigung eventueller Spaltverluste
sicher gestellt ist, dass die Druckseite 6.1 von der Ansaugseite 6.2 jederzeit
getrennt ist.
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Die
der Vorrichtung eingeprägte Geometrie definiert eindeutig
das Fördervolumen. Abhängig von der Drehzahl und
Drehdauer der Antriebswelle 2.1 kann ein exaktes Volumen
gefördert werden; unabhängig von den Druckverhältnissen
an Druckseite 6.1 und der Ansaugseite 6.2 oder
der Viskosität des Mediums.
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Die
Vorrichtung kann sowohl in hermetisch dichter Ausführung
als auch in nicht hermetisch dichter Ausführung betrieben
werden.
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Die
hermetische Abdichtung erfolgt mittels der Dichtung 4,
weil die Orbitalspirale 3 mit der Orbitaldichtung 4 ortsfest
verbunden ist und die Orbitaldichtung 4 mit der Gehäuse-Orbitalspirale 5 ortsfest verbunden
ist. Die Orbitaldichtung 4 selbst gleicht die Orbitalbewegung
der Orbitalspirale 3 zu der Gehäuse-Orbitalspirale 5 flexibel
aus; mit der Folge, dass das Medium an keiner weiteren Stelle austreten kann,
außer an der Druckseite 6.1 und/oder der Ansaugseite 6.2.
Der Förderraum ist damit hermetisch dicht ausführbar.
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Vorteilhaft
an der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem
Orbitalverdrängerprinzip eignet sich besonders zur Förderung
von Stoffen, die vollständig oder nahezu inkompressibel
sind, weil sicherstellt ist, dass das im Förderraum entstehende Fördervolumen
zur Druckseite 6.1 befördert wird, ohne dass es
innerhalb des Ablaufes zur Verdichtung kommt. Erst wenn das Medium
an die Druckseite 6.1 ankommt, wird es aus der Pumpe ausgedrückt.
Diese erfindungsgemäße Lösung erlaubt
es, eine kompressionsfreie Förderung von Medien, insbesondere
von festen Stoffen, wie z. B. Flüssigkeiten oder Suspensionen,
zu gewährleisten.
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Außerdem
kann diese erfindungsgemäße Pumpe sowohl mit dem
Beschleunigungsabschnitt 9 – ein Teil der orbitierenden
Orbitalspirale 3 – als auch alternativ ohne diesen
Beschleunigungsabschnitt 9 arbeiten. Der Beschleunigungsabschnitt 9 erzeugt eine
Impulsabgabe an das Medium, wobei hier die hydrodynamische Beschleunigung
das Medium sicher aus dem Förderraum hinausschaufelt.
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Die
Vorrichtung der erfindungsgemäßen Lösung
zeigt auch, dass auf Grund der Form der Orbitalspirale 3 ein
Umschlingungswinkel, also eine Umdrehung der Orbitalspirale 3 oder
demnach 2π, größer als 360° ist.
Somit ist ein Umschlingungswinkel bis zu 540° denkbar,
D. h., dass die Orbitalspirale 3 eineinhalb Umdrehungen
oder demnach 3π auf Grund der Form der Orbitalspirale 3 betragen
muss. Um einen berührungsfreien Betrieb zu gewährleisten,
macht es sich gemäß der erfinderischen Lösung daher
erforderlich, die Spiralwände der Orbitalspirale 3 als
auch der Gehäuse-Orbitalspirale 5 nach innen leicht
verjüngend zu fertigen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 801182 [0007, 0013]
- - CH 34161 [0007, 0013]
- - US 4129405 [0008, 0014]
- - DE 2338808 A [0009]
- - DE 2826071 C2 [0010]
- - CH 501838 [0011]
- - DE 202004013081 U1 [0012]
- - EP 0834016 B1 [0014]
- - EP 0520943 A1 [0015]