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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der
Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Axialflusspumpe, die eine stabile
Druckkennlinie aufweist, zum Beispiel eine Axialflusspumpe, die
vorteilhaft als künstliche
Herzpumpe verwendet werden kann.
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Beschreibung des Standes
der Technik:
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Pumpen
unterschiedlicher Bauart, wie zum Beispiel pulsatile Pumpen, Turbopumpen
und Walzenpumpen, wurden üblicher
Weise als künstliche Herzpumpen
eingesetzt. Turbopumpen eignen sich für eine Verringerung der Größe. Insbesondere
Axialflusspumpen sind besonders gut zur Verringerung der Größe geeignet.
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4 ist eine schematische,
geschnittene Konstruktionsdarstellung einer herkömmlichen Axialflusspumpe. Wie
in 4 gezeigt ist, umfasst
die Axialflusspumpe ein zylindrisches Gehäuse 1, einen Rotor 3,
der als Flügelrad
ausgebildet ist und derart rotierbar in dem Gehäuse 1 abgestützt ist,
dass er um die Achse X des Gehäuses 1 rotieren
kann, und einen Antriebsmechanismus zur Drehung des Rotors 3.
Eine Drehung des Rotors 3 fördert unter Druck stehendes
Blut in axialer Richtung (in 4 von
rechts nach links). In 4 zeichnen
die ausgerichteten Pfeile einen Hauptflussweg des Blutes nach.
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Die
spezielle Anordnung der herkömmlichen Axialflusspumpe
wird nun beschrieben. Eine Mehrzahl von Ausrichtungsschaufeln 4 sind
von der inneren Oberfläche
der Wand des Gehäuses 1 abstehend mit
dieser an einer stromaufwärts
des Rotors 3 liegenden Position verbunden. Ein zylindrisches,
stromaufwärts
liegendes, feststehendes Element 5 ist mit den radialen
Innenkanten der Ausrichtungsschaufeln 4 koaxial zu der
Achse X verbunden. Eine Mehrzahl plattenförmiger Schaufeln eines Diffusors 6 sind
von der inneren Oberfläche
der Wand des Gehäuses 1 abstehend
mit dieser in einer stromabwärts
des Rotors 3 angeordneten Position verbunden. Ein zylindrisches,
stromabwärts
liegendes, feststehendes Element 7 ist mit den radialen
Innenkanten der Schaufeln des Diffusors 6 koaxial zu der
Achse X verbunden. Das stromaufwärts
liegende Ende des stromaufwärts
liegenden, feststehenden Elements 5 nimmt die Form eines
runden Vorsprungs an, um das Blut gleichmäßig zu verteilen und zu den
Ausrichtungsschaufeln 4 zu leiten. Das stromabwärts liegende Ende
des stromabwärts
liegenden, feststehenden Elements 7 nimmt die Form eines
runden Vorsprungs an, um die geteilten Blutströme des Diffusors 6 wieder
zusammen zu führen.
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Das
stromabwärts
liegende, feststehende Element 7 enthält einen Motor 10 (Antriebsmechanismus),
der um die Achse X rotiert. Eine Rotationswelle 8 ist mit
dem Motor 10 gekoppelt, so dass die Rotationswelle 8 um
die Achse X rotiert. Eine Mehrzahl von Flügelradschaufeln 9 sind
von der äußeren Oberfläche des
Umfangs der Rotationswelle 8 abstehend mit dieser verbunden.
Die radialen äußeren Kanten
der Flügelradschaufeln 9 liegen
der inneren Oberfläche der
Wand des Gehäuses 1 dicht
gegenüber.
Die Rotationswelle 8 und die Flügelradschaufeln 9 bilden den
Rotor 3 aus.
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Wenn
der Motor 10 mit Energie versorgt wird, drehen sich die
Rotationswelle 8 und die Flügelradschaufeln 9,
die den Rotor 3 ausbilden, einheitlich um die Achse X im
Inneren des Gehäuses 1.
Entsprechend wird Blut in das Gehäuse 1 einzogen, dessen
Strom von den Ausrichtungsschaufeln 4 ausgerichtet und
dessen Druck von den Flügelradschaufeln 9 erhöht, wobei
das Blut zu Blut gemacht wird, das einen dynamischen Druck aufweist.
Darauf hin bewirkt der Diffusor 6, dass das meiste einen
dynamischen Druck aufweisende Blut zu Blut umgewandelt wird, das
einen statischen Druck aufweist und das dann aus dem Gehäuse 1 ausgestoßen wird.
Auf diese Weise fördert
die Axialpumpe unter Druck stehendes Blut.
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Eingehende
Untersuchungen der Kennlinie des Ausstoßdrucks der Axialflusspumpe
haben jedoch ergeben, dass die Kennlinie des Ausstoßdrucks noch
nicht so, wie es eigentlich gewünscht
ist, ausgebildet ist. 5 ist
eine schematische, Konstruktionsteilansicht der herkömmlichen
Axialflusspumpe. Der äußere Durchmesser
der Rotationswelle 8 des Rotors wird Nabendurchmesser Dh
genannt, der äußere Durchmesser
der Flügelradschaufeln 8 des
Rotors wird als Spitzendurchmesser Dt bezeichnet und deren Verhältnis Dh/Dt
wird als Nabenverhältnis
bezeichnet. In der herkömmlichen
Axialflusspumpe liegt das Nabenverhältnis des Rotors bei höchstens
0,5. Im Allgemeinen wird das Nabenverhältnis weiter reduziert, um
den Wirkungsgrad des Antriebs, den Wirkungsgrad der Luftdiffusion,
den Wirkungsgrad der Wasserversorgung oder ähnliche Faktoren zu verbessern
(vergleiche offengelegte Japanische Patentanmeldungen (kokai) Nr.
H08-33896 und H05-253592).
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6 sind zwei konzeptionelle
Ansichten, die zeigen, wie ein Fluid entlang des Rotors (Flügelrad)
einer herkömmlichen
Axialpumpe fließt.
Wie in 6(a) gezeigt ist, entstehen
bei einem kleinen Nabenverhältnis,
also wenn die Flügelradschaufeln 9 einen
großen
Bereich des Rotors einnehmen, Gegenströmungen in einem äußeren Umfangsbereich des Einlassgebiets
der Flügelradschaufeln 9 beim
Betrieb mit niedrigem Volumenstrom. Resultierend hieraus fällt die
Pumphöhe
ab.
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Wie
in 6(b) gezeigt ist, entstehen, wenn der
Volumenstrom gegenüber
dem Niveau der 6(a) noch weiter absinkt,
Gegenströmungen nicht
nur in einem äußeren Umfangsbereich
des Einlassgebiets der Flügelradschaufeln 9,
sondern auch in einem inneren Umfangsbereich der Auslassgebiets
der Flügelradschaufeln 9.
Hieraus resultierend ist ein Hauptstrom des Fluids in Richtung des äußeren Umfangs
der Flügelradschaufeln 9,
dessen Rotationsgeschwindigkeit hoch ist, gerichtet, so dass der Zentrifugaleffekt,
der bei einer Zentrifugalpumpe oder ähnlichem zu beobachten ist,
eine Erhöhung
der Pumphöhe
bewirkt.
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7 zeigt ein Schaubild, in
dem eine Kennlinie der Pumphöhe
gegenüber
dem Volumenstrom einer herkömmlichen
Axialflusspumpe gezeigt ist. Wie in 7 gezeigt
ist, verursachen beim Betrieb mit Volumenströmen, die niedriger sind, als
die, für die
die Pumpe ausgelegt ist (an einem Auslegungspunkt für den Betrieb),
die entstehenden Gegenströmungen
in dem Einlassgebiet ein Abfallen der Pumphöhe (vergleiche 6(a)),
oder aber der Zentrifugaleffekt verursacht ein Ansteigen der Pumphöhe (vergleiche 6(b)). Resultierend hieraus weist die Axialflusspumpe
eine instabile Kennlinienkurve der Pumphöhe gegenüber dem Volumenstrom auf. Insbesondere
der Zentrifugaleffekt neigt dazu, die Pumphöhe bei Nullausstoß gegenüber der
Pumphöhe,
für die
die Pumpe ausgelegt ist (Pumphöhe
am Auslegungspunkt für
den Betrieb) stark zu erhöhen.
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Wie
bereits oben erwähnt,
hat die herkömmliche
Axialflusspumpe aufgrund der instabilen Druckkennlinie Schwierigkeiten
bei der Anwendung unter Arbeitsbedingungen, bei denen gefordert
wird, dass der Ausstoßdruck
unabhängig von
dem Volumenstrom konstant ist (zum Beispiel bei Verwendung als künstliche
Herzpumpe), erfahren.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Im
Licht des Vorangegangenen ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
eine Axialflusspumpe anzugeben, die eine stabile Druckkennlinie aufweist.
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Um
die vorgenannte Aufgabe zu lösen,
gibt die vorliegende Erfindung eine Axialflusspumpe zur Förderung
eines unter Druck stehenden Fluids mittels Flügelradschaufeln an, wobei die
Axialflusspumpe ein derartiges Nabenverhältnis aufweist, dass durch
gerichtete Ströme
des Fluids in einem äußeren Umfangsbereich
eines Einlassgebiets der Flügelradschaufeln
hervorgerufene Gegenströmungen
und in einem inneren Umfangsbereich eines Auslassgebiets der Flügelradschaufeln
hervorgerufene Gegenströmungen
unterdrückt
werden.
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Vorzugsweise
liegt das Nabenverhältnis
bei 0,65 bis 0,85.
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Die
vorliegende Erfindung stellt darüber
hinaus eine Axialflusspumpe bereit, die ein Gehäuse, ein rotierbar in dem Gehäuse vorgesehenes
Flügelrad
und einen Antriebsmechanismus zum Drehen des Flügelrades umfasst und zum axialen
Fördern
eines unter Druck stehenden Fluids mittels des den Rotor rotierenden
Antriebsmechanismus ausgebildet ist. In der Axialflusspumpe ist
der Antriebsmechanismus fest mit einem feststehenden, stromabwärts liegenden
Element verbunden, das seinerseits mit einem stromabwärts des
Flügelrades
angeordneten Diffusor, der von einer inneren Oberfläche der
Wand des Gehäuses
absteht, fest verbunden ist, wobei das Flügelrad eine an den Antriebsmechanismus
gekoppelte Rotationswelle und Flügelradschaufeln
umfasst, die von der äußeren Umfangsoberfläche der Rotationswelle
abstehen, und wobei das Nabenverhältnis, also das Verhältnis zwischen
dem äußeren Durchmesser
der Rotationswelle und dem äußeren Durchmesser
der Flügelradschaufeln,
zwischen 0,65 und 0,85 liegt.
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Die
Axialflusspumpe der vorliegenden Erfindung kann eine stabile Druckkennlinie
zeigen und kann das Maß der
mit einer Änderung
des Volumenstroms verbundenen Änderung
des Ausstoßdrucks reduzieren.
Entsprechend kann die Axialflusspumpe der vorliegenden Erfindung
zum Beispiel als künstliche
Herzpumpe verwendet werden, die eine stabile Druckkennlinie benötigt. Darüber hinaus
kann die Anwendung der Axialflusspumpe der vorliegenden Erfindung
als künstliche
Herzpumpe eine künstliche Herzpumpe
reduzierter Größe erhalten
werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene
andere Ziele, Merkmale und viele der damit verbundenen Vorteile
der vorliegenden Erfindung werden leicht zu erkennen sein, sobald
diese unter Bezugnahme auf die folgende ausführliche Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels,
das im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet
wird, besser verstanden sein wird, wobei:
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1 eine
schematische Konstruktionsteilansicht einer Axialflusspumpe entsprechend
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 zwei
konzeptuelle Ansichten darstellt, die zeigen, wie ein Fluid entlang
eines Rotors (Flügelrad)
der Axialflusspumpe entsprechend dem Ausführungsbeispiel fließt;
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3 ein
Schaubild ist, das eine Kennlinie der Pumphöhe gegenüber dem Volumenfluss einer Axialflusspumpe
des Ausführungsbeispiels
zeigt;
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4 eine
schematische, geschnittene Konstruktionsdarstellung einer herkömmlichen
Axialflusspumpe ist;
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5 eine
schematische Konstruktionsteilansicht der herkömmlichen Axialflusspumpe ist;
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6 zwei
konzeptuelle Ansichten darstellt, die zeigen, wie ein Fluid entlang
des Rotors (Flügelrad)
der herkömmlichen
Axialflusspumpe fließt;
und
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7 ein
Schaubild ist, das eine Kennlinie der Pumphöhe über dem Volumenfluss der herkömmlichen
Axialflusspumpe zeigt.
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BESCHREIBUNG
DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Als
nächstes
wird ausführlich
ein Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
beschrieben.
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Eine
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel entsprechende
Axialflusspumpe, deren schematische Teilstruktur in 1 gezeigt
ist, weist den gleichen Aufbau auf, wie die in 4 gezeigte
herkömmliche
Axialflusspumpe. Daher wird auf eine wiederholte Beschreibung des
Aufbaus verzichtet. Verglichen mit der herkömmlichen Axialflusspumpe hat
die Axialflusspumpe des vorliegenden Ausführungsbeispiels jedoch ein
größeres Nabenverhältnis. 1 entspricht 5 und
zeigt teilweise eine strukturelle Anordnung eines Diffusors 6', eines stromabwärts liegenden,
feststehenden Elements 7',
einer Rotationswelle 8' und
Flügelradschaufeln 9' der Axialflusspumpe
des vorliegenden Ausführungsbeispiels.
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In
dem vorliegenden Ausführungsbeispiel bilden
die Rotationswelle 8' und
die Flügelradschaufeln 9' einen Rotor
aus und das Verhältnis
zwischen dem Nabendurchmesser Dh der Rotationswelle 8' und dem Spitzendurchmesser
Dt der Flügelradschaufeln 9', also das Nabenverhältnis Dh/Dt
liegt bei 0,65 bis 0,85.
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Wie
in 2 gezeigt, entstehen sogar bei einem hohen Nabenverhältnis von
0,65 bis 0,85, also wenn der von den Flügelradschaufeln 9' eingenommene
Bereich des Rotors relativ klein ist, Gegenströmungen in einem äußeren Umfangsbereich
des Einlassgebiets der Flügelradschaufeln 9' beim Betrieb mit
niedrigen Volumenströmen
(2(a)). Resultierend hieraus fällt, wie
in 3 gezeigt, selbst bei der vorliegenden Ausführungsform
die Pumphöhe
ab.
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Wenn
die Volumenströme
gegenüber
dem Niveau von 2(a) noch weiter abgesenkt
werden, entstehen Gegenströme
nicht nur in einem äußeren Umfangsbereich
des Einlassgebiets der Flügelradschaufeln 9', sondern auch
in einem inneren Umfangsbereich des Auslassgebiets der Flügelradschaufeln 9' (2(b)). Als ein Ergebnis hieraus entsteht
ein Hauptstrom des Fluids in Richtung des äußeren Umfangs der Flügelradschaufeln 9', dessen Rotationsgeschwindigkeit
hoch ist, so dass der Zentrifugaleffekt eine Erhöhung der Pumphöhe bewirkt. Da
das Nabenverhältnis
jedoch relativ groß ist,
ist das Maß der
Ausrichtung des Fluidflusses (das Maß einer Änderung des Fluidflusses, der
mit einer Änderung
des Volumenstroms einhergeht) klein gegenüber dem der herkömmlichen
Axialflusspumpe, wie in 2(b) gezeigt.
Dies deutet darauf hin, dass die Axialflusspumpe des vorliegenden
Ausführungsbeispiels
das Auftreten des Zentrifugaleffekts unterdrückt.
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Ein
Nabenverhältnis
von 0,65 oder höher, vorzugsweise
0,7 oder höher,
ist wirksam, um das Auftreten des Zentrifugaleffekts zu unterdrücken und daher
wirksam zur Stabilisierung der Druckkennlinie der Axialflusspumpe.
Wie in 3 gezeigt, zeigt die Axialflusspumpe mit einem
solchen Nabenverhältnis eine
stabile Druckkennlinie über
einem weiten Bereich von Volumenströmen einschließlich des
Volumenstroms, für
den die Pumpe ausgelegt ist (Auslegungspunkt für den Betrieb).
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Wenn
das Nabenverhältnis
anwächst,
wird der Zentrifugaleffekt immer zuverlässiger unterdrückt und
daher wird die Druckkennlinie stabiler. Jedoch reduziert die Erhöhung des
Nabenverhältnisses
die Querschnittsfläche
der Strömungsbahn
des Fluids in der Axialflusspumpe. Daher steigen bei hohen Volumenströmen die
Reibungsverluste an, wodurch ein Druckabfall entsteht. Resultierend
hieraus wird das Verhältnis
zwischen der Pumphöhe
bei Nullausstoß und
der Pumphöhe,
für den
die Pumpe ausgelegt ist, ansteigen, wenn das Nabenverhältnis zu
hoch wird und daher wird die Druckkennlinie instabil. Daher muss
das Nabenverhältnis
0,85 oder weniger, vorzugsweise 0,8 oder weniger betragen.
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Zur
Festlegung des Nabenverhältnisses Dh/Dt
wird der Nabendurchmesser Dh der Rotationswelle 8' des Rotors
und der Spitzendurchmesser Dt der Flügelradschaufeln 9' des Rotors
ausgewählt. Um
ein hohes Nabenverhältnis
zu erhalten werden der Nabendurchmesser Dh und der Spitzendurchmesser
Dt auf die folgenden Weisen ausgewählt: während der Spitzendurchmesser
Dt konstant gehalten wird, wird der Nabendurchmesser Dh vergrößert; während der
Nabendurchmesser Dh konstant gehalten wird, wird der Spitzendurchmesser
Dt verkleinert; sowohl der Nabendurchmesser Dh als auch der Spitzendurchmesser
Dt werden in einer solchen Weise vergrößert, dass der Nabendurchmesser
Dh mit einer höheren
Geschwindigkeit vergrößert wird,
als der Spitzendurchmesser Dt; und sowohl der Nabendurchmesser Dh
als auch der Spitzendurchmesser Dt werden auf eine solche Weise
verkleinert, dass der Spitzendurchmesser Dt mit einer höheren Geschwindigkeit
verkleinert wird, als der Nabendurchmesser Dh. Ein großes Nabenverhältnis kann
auf jede der oben angegebenen Weisen unter Berücksichtigung des Maßes des
oben beschriebenen Effekts beim Anstieg des Nabenverhältnisses,
der Größe der Axialflusspumpe
und des Querschnitts der Strömungsbahn
des Fluids in der Axialflusspumpe, ausgewählt werden.
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Zum
Beispiel wird beim Entwurf einer Axialflusspumpe, wenn der Nabendurchmesser
Dh vergrößert wird,
während
der Spitzendurchmesser Dt konstant gehalten wird (erste Methode)
eine kleine Axialflusspumpe erreicht, die der Größe einer herkömmlichen
Axialflusspumpe gleich steht, dabei aber ein hohes Nabenverhältnis und
eine stabile Druckkennlinie aufweist. In diesem Fall ist die Axialflusspumpe,
da die Querschnittsfläche
einer Strömungsbahn
des Fluids in der Axialflusspumpe kleiner ist, als die der herkömmlichen
Axialflusspumpe, für
Anwendungen vorgesehen, bei denen ein Anstieg der Reibungsverluste
akzeptiert werden kann.
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Wenn
der Spitzendurchmesser Dt verkleinert wird, während der Nabendurchmesser
Dh konstant gehalten wird (zweite Methode), wird eine Axialflusspumpe
erhalten, die eine kleinere Größe aufweist,
als eine herkömmliche
Axialflusspumpe, wobei sie ein hohes Nabenverhältnis und eine stabile Druckkennlinie
aufweist. In diesem Fall wird die Querschnittsfläche einer Strömungsbahn
in der Axialflusspumpe kleiner, als in dem Fall der ersten Methode.
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Wenn
sowohl der Nabendurchmesser Dh, als auch der Spitzendurchmesser
Dt in der Weise vergrößert werden,
dass der Nabendurchmesser Dh mit einer höheren Geschwindigkeit vergrößert wird, als
der Spitzendurchmesser Dt (dritte Methode), wird eine Axialflusspumpe
erhalten, die eine größere Querschnittsfläche der
Strömungsbahn
aufweist, als eine herkömmliche
Axialflusspumpe, wobei sie ein hohes Nabenverhältnis und eine stabile Druckkennlinie
aufweist. In diesem Fall wird, da ein großer Spitzendurchmesser Dt ausgewählt wird,
die Größe der Axialflusspumpe
einigermaßen
groß.
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Wenn
sowohl der Nabendurchmesser Dh, als auch der Spitzendurchmesser
Dt in der Weise verkleinert werden, dass der Spitzendurchmesser
Dt mit einer höheren
Geschwindigkeit verkleinert wird, als der Nabendurchmesser Dh (vierte
Methode), wird eine Axialflusspumpe erhalten, die eine kleinere
Größe als die
der herkömmlichen
Axialflusspumpen und ein hohes Nabenverhältnis und eine stabile Druckkennlinie
aufweist. In diesem Fall wird die Querschnittsfläche der Strömungsbahn kleiner als im Fall der
dritten Methode.
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Darüber hinaus
kann durch die Vergrößerung sowohl
des Nabendurchmessers Dh, als auch des Spitzendurchmessers Dt ein
höheres
Nabenverhältnis
ausgewählt
werden, wobei die Querschnittsfläche
einer Strömungsbahn
in der Axialflusspumpe unverändert
gehalten wird. Zum Beispiel im Falle eines Nabendurchmessers Dh=7
mm und eines Spitzendurchmessers Dt = 10 mm ist das Nabenverhältnis 0,7
und die Querschnittsfläche
der Strömungsbahn
ist ungefähr
51π mm2 (=102π – 72π).
Im Gegenzug ist im Fall eines Nabendurchmessers Dh = 9,64 mm und
eines Spitzendurchmessers Dt = 12 mm das Nabenverhältnis 0,803
und die Querschnittsfläche der
Strömungsbahn
ungefähr
51π mm2 (=122π – 9,642π).
Mit anderen Worten kann das Nabenverhältnis vergrößert werden, während die
Querschnittsfläche
einer Strömungsbahn
für ein
Fluid unverändert gehalten
wird. In diesem Fall wird, da ein größerer Spitzendurchmesser Dt
ausgewählt
ist, die Größe der Axialflusspumpe
einigermaßen
größer.
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Natürlich sind
zahlreiche Änderungen
und Variationen der vorliegenden Erfindung möglich im Lichte der oben beschriebenen
Lehre. Es ist daher klar, dass innerhalb des Schutzbereiches der
angefügten
Ansprüche
die vorliegende Erfindung auch anderweitig ausgeführt werden
kann, als es hier ausführlich
beschrieben ist.