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Die
Erfindung betrifft eine hydrodynamische Kupplung, das heißt eine
Strömungsmaschine
die nach dem Föttinger-Prinzip
arbeitet und ein antreibbares Pumpenrad sowie ein über einen
Strömungskreislauf
vom Pumpenrad angetriebenes Turbinenrad aufweist.
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Die
Erfindung betrifft dabei eine sogenannte füllungsgesteuerte hydrodynamische
Kupplung, das heißt
der Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung, welcher durch das
Pumpenrad und das Turbinenrad, die sich axial gegenüberstehen,
gebildet wird, ist gezielt mit Arbeitsmedium befüllbar und entleerbar, wobei
verschiedene Füllungsgrade
des Arbeitsraums einstellbar sind. Die hydrodynamische Kupplung
ist daher nicht nur im vollgefüllten
Zustand und im entleerten oder weitgehend entleerten Zustand des
Arbeitsraums betreibbar, sondern auch mit einem gezielt einstellbaren
Teilfüllungszustand.
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Unter
einem Füllungsgrad
von 100 Prozent versteht man jenen Betriebszustand, bei dem die
maximal mögliche
Arbeitsmediummenge in den Arbeitsraum eingebracht ist. Die Angaben
von Teilfüllungszuständen in
Prozent ergeben sich somit in Abhängigkeit der maximal möglichen
Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum, beispielsweise befindet sich
bei einem Teilfüllungszustand
von 10 Prozent ein Zehntel der maximal in den Arbeitsraum einbringbaren
Arbeitsmediummenge im Arbeitsraum.
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Bei
der erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Kupplung handelt es sich insbesondere um eine hydrodynamische Kupplung
ohne einen externen Arbeitsmediumkreislauf, das heißt es wird
kein Arbeitsmedium aus der hydrodynamischen Kupplung heraus und
in diese hinein geleitet, sondern sämtliches Arbeitsmedium befindet
sich stets innerhalb der hydrodynamischen Kupplung, entweder im
Arbeitsraum oder in einem zusätzlich
zum Arbeitsraum vorgesehenen Nebenraum oder in strömungsleitenden Verbindungen
zwischen diesen beiden Räumen.
Bisher sind solche hydrodynamischen Kupplungen ohne externem Arbeitsmediumkreislauf,
welche auch als geschlossene hydrodynamische Kupplungen bezeichnet
werden, stets ohne eine Füllungssteuerung verwendet
worden. Somit war es nicht möglich,
gezielt und variabel eine bestimmte Arbeitsmediummenge in den Arbeitsraum
einzubringen und auch Teilfüllungszustände einzustellen.
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Die
Patentschrift
DE 39
39 802 C1 beschreibt eine solche hydrodynamische Kupplung,
die ohne einen externen Arbeitsmediumkreislauf auskommt, auch Konstantfüllungskupplung
genannt. Um unabhängig
von der Funktion von vorgesehenen Fliehkraftventilen den Arbeitsraum
bei beliebiger Drehzahl entleeren zu können, können mittels einem magnetbetätigten Drehschieber
Steuerschlitze aufeinander geschoben werden, um eine Verbindung vom
Arbeitsraum über
Kanäle
und über
einen Ringkanal zu einem Nebenraum, auch Verzögerungskammer genannt, zu schaffen.
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Die
Patentschrift
DE 33
18 462 C2 beschreibt ebenfalls eine konstantgefüllte hydrodynamische
Kupplung mit regelbaren Stellgliedern in einer Verbindung zwischen
einer Verzögerungskammer
und dem Arbeitsraum.
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Mit
den Kupplungen gemäß den genannten Dokumenten
ist zwar ein gewisser Eingriff von außerhalb der Kupplung im Betrieb
möglich,
um das Strömen
von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum in den Nebenraum oder aus
dem Nebenraum in den Arbeitsraum zu ermöglichen. Das gezielte Einstellen von
Teilfüllungszuständen des
Arbeitsraums bei den bekannten Ausführungsformen ist jedoch noch
nicht in zufriedenstellendem Maße
möglich.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hydrodynamische Kupplung
anzugeben, welche insbesondere als geschlossene hydrodynamische Kupplung
ohne externen Arbeitsmediumkreislauf ausgeführt ist, welche gegenüber dem
Stand der Technik verbessert ist, und bei der insbesondere eine Füllungssteuerung
derart möglich
ist, dass neben dem vollgefüllten
Zustand und dem entleerten Zustand des Arbeitsraums auch Teilfüllungszustände des
Arbeitsraums einstellbar sind.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch eine hydrodynamische Kupplung mit den Merkmalen von Anspruch
1 gelöst.
Die abhängigen
Ansprüche beschreiben
vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die
erfindungsgemäße hydrodynamische Kupplung
weist neben dem Arbeitsraum, welcher durch ein drehbares Pumpenrad
und ein drehbares Turbinenrad gebildet wird, einen Nebenraum für Arbeitsmedium
auf. Der Arbeitsraum und der Nebenraum sind miteinander über einen
Zulaufkanal und über
einen Rücklaufkanal
strömungsleitend
beziehungsweise arbeitsmediumleitend verbunden. Somit kann sich
eine Kreislaufströmung
zwischen dem Arbeitsraum und dem Nebenraum einstellen. Bei einer solchen
Kreislaufströmung
strömt
das Arbeitsmedium aus dem Nebenraum über den Zulaufkanal in den Arbeitsraum,
und aus dem Arbeitsraum über
den Rücklaufkanal
wieder zurück
in den Nebenraum.
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Um
den Füllungsgrad
des Arbeitsraums, das heißt
eine bestimmte Menge von Arbeitsmedium im Arbeitsraum einzustellen,
ist der Strömungsquerschnitt
für das
Arbeitsmedium im Zulaufkanal und/oder im Rücklaufkanal gezielt veränderbar.
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Wenn
beispielsweise der Querschnitt des Zulaufkanals stets konstant gehalten
wird und der Querschnitt des Rücklaufkanals
regelbar ist, strömt Arbeitsmedium
aus dem Nebenraum allein aufgrund des Druckunterschieds zwischen
der Austrittsstelle des Arbeitsmediums aus dem Nebenraum und der Eintrittsstelle
des Arbeitsmediums in den Arbeitsraum vom Nebenraum in den Arbeitsraum.
Der Druckabfall über
den Rücklaufkanal
ist hingegen durch Veränderung
des Strömungsquerschnitts
des Rücklaufkanals
einstellbar, so dass durch Vergrößern des
Strömungsquerschnitts
der Arbeitsmediumstrom aus dem Arbeitsraum in den Nebenraum erhöht wird,
wohingegen er durch Vermindern des Strömungsquerschnitts verringert
wird.
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Wenn
bei einem stets konstanten Querschnitt des Rücklaufkanals der Querschnitt
des Zulaufkanals regelbar ist, kann die Menge von Arbeitsmedium
im Arbeitsraum, das heißt
der Füllungsgrad des
Arbeitsraums, durch gezieltes Verändern der Größe des aus
dem Nebenraum in den Arbeitsraum einströmenden Arbeitsmediumstroms
eingestellt werden. Ein Vergrößern des
Querschnitts führt
zu einer Zunahme des Arbeitsmediumstroms, wohingegen eine Verminderung
des Querschnitts zu einer Verringerung des Arbeitsmediumstroms führt.
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Die
arbeitsmediumleitenden Verbindungen und insbesondere die Position
des Nebenraums, welcher erfindungsgemäß innerhalb des Gehäuses und/oder
am Gehäuse
der hydrodynamischen Kupplung angeordnet ist und vorteilhaft mit
der Drehzahl des Pumpenrads und/oder des Turbinenrads umläuft, sind
vorteilhaft derart gewählt,
dass stets ein Austausch von Arbeitsmedium zwischen dem Arbeitsraum
und dem Nebenraum erfolgt. Diese arbeitsmediumaustauschende Kreislaufströmung liegt vorteilhaft
in jedem vorkommenden Schlupfbereich von einem Schlupf von 100 Prozent
bis zum vorgegebenen Mindestschlupf der hydrodynamischen Kupplung
vor. Der Schlupf beschreibt dabei das Verhältnis von der Drehzahl des
Turbinenrads zur Drehzahl des Pumpenrads. 100 Prozent Schlupf beschreibt
den Zustand, dass das Turbinenrad steht und das Pumpenrad umläuft, wohingegen
0 Prozent Schlupf vorliegt, wenn Pumpenrad und Turbinenrad mit derselben
Drehzahl umlaufen.
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Um
eine exakte Regelung beziehungsweise Steuerung des Füllungsgrads
des Arbeitsraums mit Hilfe der gezielten Änderung des Strömungsquerschnitts
für das
Arbeitsmedium im Zulaufkanal beziehungsweise Rücklaufkanal zu ermöglichen,
sind erfindungsgemäß Maßnahmen
getroffen, welche die Strömung
von Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum über den Rücklaufkanal in den Nebenraum
unterstützen.
So erstreckt sich der Rücklaufkanal
ausgehend vom Arbeitsraum durch das Pumpenrad, welches mit der vergleichsweise
größeren Drehzahl
umläuft,
da das Turbinenrad eine schlupfbedingte kleinere Drehzahl aufweist,
oder entlang an dem Pumpenrad bis auf einen vorgegebenen äußeren Durchmesser bezogen
auf einen Radialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung, wobei
dieser äußere Durchmesser weiter
außen
liegt als das äußere Ende
des Arbeitsraums. Im Einzelnen beträgt der äußere Durchmesser, bis auf welchen
sich der Rücklaufkanal
erstreckt, wenigstens das 1,05-fache des äußersten Durchmessers des Arbeitsraumes,
vorteilhaft das 1,1-fache beziehungsweise das 1,15-fache oder mehr.
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Der
Rücklaufkanal
kann derart im Arbeitsraum mündend
angeordnet sein, dass Arbeitsmedium aus der sich im Arbeitsraum
aufbauenden Kreislaufströmung
gerade beziehungsweise im Wesentlichen oder vollständig frei
von einer Umlenkung in ihn beziehungsweise in diese Mündung einströmt. Hierzu
verläuft
der Rücklaufkanal
vorteilhaft tangential zum äußeren Umfang
des Arbeitsraums in einem Axialschnitt, also einem Schnitt entlang
der Drehachse der hydrodynamischen Kupplung gesehen. Man könnte auch
sagen, die Mündung
des Rücklaufkanals
im Arbeitsraum steht der Kreislaufströmung entgegen oder gegenüber.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform mündet der
Rücklaufkanal
in der Mitte des Arbeitsraums beziehungsweise im Mittelpunkt des
Arbeitsraums oder im radial inneren Bereich des Arbeitsraums, wiederum
in einem Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung gesehen.
Selbstverständlich
ist es zusätzlich
oder alternativ auch möglich,
den Zulaufkanal in dieser Mitte oder im radial inneren Bereich mündend anzuordnen.
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Gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung sind genau ein einziger Zulaufkanal
und ein einziger Rücklaufkanal
zwischen dem Arbeitsraum und dem Nebenraum vorgesehen. Gemäß einer
alternativen Ausgestaltung ist eine Vielzahl von parallel zueinander
angeordneten Zulaufkanälen
und/oder eine Vielzahl von parallel zueinander angeordneten Rücklaufkanälen zwischen
dem Arbeitsraum und dem Nebenraum vorgesehen.
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Der
Strömungsquerschnitt
für Arbeitsmedium
im Zulaufkanal und/oder im Rücklaufkanal
kann beispielsweise dadurch veränderbar
sein, dass ein Regelventil im Zulaufkanal und/oder im Rücklaufkanal
vorgesehen ist. Das Regelventil kann beispielsweise als Magnetventil
ausgeführt
sein, das heißt
einen durch Magnetkraft betätigbaren
Ventilkörper oder
Kolben aufweisen, der mit einem Ventilsitz zusammenarbeitet, um
durch eine Bewegung des Ventilkolbens relativ gegenüber dem
Ventilsitz den Querschnitt für
die Arbeitsmediumströmung
zu vergrößern oder
zu verringern.
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Der
Nebenraum kann vollständig
oder teilweise radial innerhalb des Arbeitsraums positioniert sein.
Es ist jedoch auch möglich,
den Nebenraum – auf
die Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung bezogen – vollständig innerhalb
des Bereiches zwischen dem Innenradius und dem Außenradius des
Arbeitsraums zu positionieren.
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Gemäß einer
Ausführung
der Erfindung ist der Nebenraum teilweise oder vollständig axial
außerhalb
des Arbeitsraums angeordnet. Es ist jedoch auch hier möglich, den
Nebenraum vollständig
innerhalb jenes axialen Bereiches zu positionieren, der an seinen
beiden entgegengesetzten axialen Enden durch die Stirnseiten des
Arbeitsraums, das heißt durch
den Schaufelradboden des Pumpenrads und den Schaufelradboden des
Turbinenrads begrenzt wird.
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Im
Zulaufkanal und/oder im Rücklaufkanal kann
zur Unterstützung
der Kreislaufströmung
von Arbeitsmedium aus dem Nebenraum in den Arbeitsraum und zurück eine
Pumpe vorgesehen werden, welche insbesondere als Rotationspumpe
ausgebildet ist. Unter Rotationspumpe ist dabei jede Pumpe zu verstehen,
welche durch das Umlaufen eines Pumpenkörpers insbesondere einer oder
mehrerer Pumpenschaufeln eine Pumpwirkung auf das Arbeitsmedium
auswirkt. Die Rotationspumpe ist insbesondere in Form einer sogenannten
Seitenkanalpumpe ausgeführt,
das heißt
sie weist ein erstes Schaufelrad und ein zweites Schaufelrad beziehungsweise
einen neben dem ersten Schaufelrad angeordneten Kanal, insbesondere
mit einer Unterbrechung in Umfangsrichtung zwischen einem Einlass
und einem Auslass, auf, welche miteinander einen Pumpenarbeitsraum
ausbilden und mit einer Relativdrehzahl zueinander umlaufen. Auch
der Pumpenarbeitsraum kann, wie der Arbeitsraum der hydrodynamischen
Kupplung, eine Torusform beziehungsweise Ringform aufweisen. Das
erste Schaufelrad pumpt das Arbeitsmedium durch den Kanal, von dessen
Einlass bis zu dessen Auslass. Anstelle eines einseitigen Kanals
neben dem ersten Schaufelrad kann sich der Kanal auch beidseitig
neben dem ersten Schaufelrad erstrecken. Besonders im letzteren
Fall kann das Schaufelrad sternförmig
ausgeführt sein.
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Das
erste Schaufelrad der Rotationspumpe kann beispielsweise am Pumpenrad
angeschlossen oder integral mit diesem ausgebildet sein, und das zweite
Schaufelrad beziehungsweise der Kanal der Rotationspumpe kann am
Turbinenrad angeschlossen oder integral mit diesem ausgebildet sein.
In diesem Fall läuft
somit das erste Schaufelrad der Rotationspumpe mit der Pumpenraddrehzahl
um, und das zweite Schaufelrad beziehungsweise der Kanal der Rotationspumpe
läuft mit
der Turbinenraddrehzahl um.
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Das
Turbinenrad der hydrodynamischen Kupplung kann einen Teil des Kupplungsgehäuses ausbilden
und beispielsweise zusammen mit einem weiteren Teil des Kupplungsgehäuses das
Pumpenrad in Axialrichtung beidseitig und in Umfangsrichtung vollständig umschließen. Hierbei
ist es ferner möglich,
dass das zweite Schaufelrad der Rotationspumpe im Kupplungsgehäuse angeordnet
ist, das heißt
entweder drehfest an diesem angeschlossen oder integral mit diesem
ausgebildet ist beziehungsweise der Kanal im Kupplungsgehäuse angeordnet ist.
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Zusätzlich oder
alternativ kann im Zulaufkanal und/oder im Rücklaufkanal zur Unterstützung der Kreislaufströmung von
Arbeitsmedium aus dem Nebenraum in den Arbeitsraum und zurück ein Schöpfrohr vorgesehen
sein. Ein solches Schöpfrohr
ist auf dem Gebiet von hydrodynamischen Kupplungen bekannt. Beispielsweise
ist das Schöpfrohr
derart in Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung beweglich,
dass es in das Arbeitsmedium eingetaucht werden kann und hierdurch,
entweder aufgrund einer Drehbewegung des Schöpfrohrs oder – und das
ist die Regel – aufgrund
der Rotation des Arbeitsmediums in Umfangsrichtung bei stehendem
Schöpfrohr Arbeitsmedium
abgreift und aus dem Arbeitsraum herausbefördert. Alternativ oder zusätzlich kann auch
das Schöpfrohr
in einem Betriebszustand frei mit dem Arbeitsmedium im Arbeitsraum
in Umfangsrichtung der Kupplung umlaufen, so dass kein oder im wesentlichen
kein Arbeitsmedium mittels des Schöpfrohrs abgeschöpft wird,
und in einem anderen Betriebszustand feststellbar oder entgegen
dem umlaufenden Arbeitsmediumstrom antreibbar, sein, so dass Arbeitsmedium
abgeschöpft
wird.
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Das
Schöpfrohr
kann derart angeordnet sein, dass es Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum abschöpft. Alternativ
oder zusätzlich
kann es oder ein weiteres Schöpfrohr
jedoch auch derart angeordnet sein, dass es Arbeitsmedium aus dem
Nebenraum abschöpft.
Dementsprechend kann das Schöpfrohr dem
Zulaufkanal und/oder dem Rücklaufkanal
zugeordnet werden.
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Um
einen möglichst
geringen Gegendruck für
das Arbeitsmedium, welches aus dem Nebenraum in den Arbeitsraum
strömt,
auszubilden, mündet
der Zulaufkanal vorteilhaft im Bereich der radialen und/oder axialen
Mitte des Arbeitsraums im Arbeitsraum. Die radiale Mitte ist dabei
die Mitte im Ringraum in Radialrichtung gesehen zwischen dem Innenradius
und dem Außenradius
des Arbeitsraums. Anstelle dieser radialen Mitte kann der Zulaufkanal (oder
auch der Rücklaufkanal)
auch auf dem Durchmesser der Flächenhalbierenden
münden,
welche den Querschnitt des Arbeitsraums bei einer axialen Draufsicht
auf die Schaufelräder
vom Trennspalt aus in zwei gleichgroße Kreisringflächen unterteilt.
Die axiale Mitte liegt mittig zwischen den beiden in Axialrichtung
entgegengesetzten Stirnseiten des Arbeitsraums, das heißt zwischen
dem Schaufelradboden des Pumpenrads und dem Schaufelradboden des Turbinenrads.
Bei in Axialrichtung gleich großen Schaufelrädern (Pumpenrad
und Turbinenrad) liegt somit die axiale Mitte im Bereich des Trennspaltes zwischen
dem Pumpenrad und dem Turbinenrad. Der Trennspalt ist jener Spalt,
welcher in Umfangsrichtung und über
der radialen Erstreckung des Arbeitsraums zwischen dem Pumpenrad
und dem Turbinenrad in der Ebene verläuft, in welcher sich das Pumpenrad
und das Turbinenrad relativ zueinander in Umfangsrichtung der hydrodynamischen
Kupplung bewegen.
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Der
Rücklaufkanal
ist vorteilhaft mit seiner Mündung,
in welche das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum eintritt, im Bereich
des Außenradius
des Arbeitsraums insbesondere im Trennspalt zwischen dem Pumpenrad
und dem Turbinenrad angeschlossen. Unter Außenradius ist dabei der Radius
bezogen auf einen Radialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung,
insbesondere in der Ebene des Trennspaltes gemeint. Somit mündet der
Rücklaufkanal
vorteilhaft im Bereich des größten Durchmessers des
Arbeitsraums in dem Arbeitsraum.
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Insbesondere
in Betriebszuständen,
in welchen der Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung nur teilweise
mit Arbeitsmedium gefüllt
ist, das heißt
im sogenannten Teilfüllungszustand,
ist – in Umfangsrichtung
der hydrodynamischen Kupplung betrachtet – eine Seite des Raumes zwischen
zwei Schaufeln mit mehr Arbeitsmedium befüllt als die andere entgegengesetzt
hierzu angeordnete Seite. Dementsprechend ist der Druck auf jener
mit Arbeitsmedium befüllten
beziehungsweise stärker
befüllten Seite
größer als
auf der weniger befüllten
Seite, wobei die letztere beispielsweise nur mit Luft beaufschlagt
ist. Vorteilhaft mündet
der Zulaufkanal auf der weniger befüllten Seite, da hier der Druck
geringer ist, und der Rücklaufkanal
mündet
auf der stärker
befüllten
Seite, da hier der Druck höher
ist.
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Der
Zulaufkanal und/oder der Rücklaufkanal können derart
im Arbeitsraum münden,
dass sie mit ihrer Mündung
in Strömungsrichtung
des Arbeitsmediums im Arbeitsraum gerichtet sind. Hierdurch wird das
Arbeitsmedium aus dem Zulaufkanal durch die Wirkung der Strömung im
Arbeitsraum sozusagen herausgezogen. Die Ausrichtung des Rücklaufkanals bewirkt,
dass das Arbeitsmedium direkt in die Mündung des Rücklaufkanals gedrückt wird.
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Das
Ventil, welches im Zulaufkanal und/oder im Rücklaufkanal angeordnet sein
kann, kann nicht nur als Regelventil, sondern gemäß einer
weiteren möglichen Ausführung auch
als getaktetes Auf-Zu-Ventil ausgeführt sein. Durch eine vorgegebene
zeitliche Abfolge von geöffneten
und geschlossenen Zuständen
(Taktung) des Ventils kann der Strom von Arbeitsmedium, welcher
durch das Ventil strömt,
geregelt werden.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen und den Figuren
exemplarisch erläutert
werden.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematisch dargestellten Axialschnitt durch eine erste Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen hydrodynamischen
Kupplung mit einem Regelventil im Rücklaufkanal, jedoch noch ohne
die erfindungsgemäß vorgesehene
Verlängerung
des Rücklaufkanals
auf einen wenigstens 5 Prozent größeren Durchmesser als der äußere Durchmesser
des Arbeitsraums;
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2 einen
schematisch dargestellten Axialschnitt entsprechend der 1 einer
hydrodynamischen Kupplung, jedoch mit einem Regelventil im Zulaufkanal;
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3 eine
erste mögliche
Positionierung des Nebenraums vollständig radial innerhalb des Arbeitsraums;
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4 eine
Positionierung des Nebenraums im wesentlichen axial außerhalb
und nur teilweise radial innerhalb des Arbeitsraums;
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5 eine
erfindungsgemäße Verlängerung des
Rücklaufkanals
radial nach außen
um wenigstens 5 Prozent über
den äußeren Durchmesser
des Arbeitsraums DP hinweg;
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6 eine
Ausführungsform
entsprechend der 5, jedoch mit einem Rücklaufkanal,
der vollständig
innerhalb des Pumpenrads bis zu seinem äußeren Durchmesser DA im Pumpenrad
verläuft;
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7 eine
Ausführungsform
gemäß der 6,
wobei sich jedoch der Rücklaufkanal
beginnend im Zentrum des Arbeitsraums nach außen erstreckt.
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In
der 1 erkennt man in einem Axialschnitt das Pumpenrad 1 und
das Turbinenrad 2 der hydrodynamischen Kupplung. Das Turbinenrad 2 bildet
zusammen mit einer das Pumpenrad 1 umschließenden Schale
das Gehäuse 3 der
hydrodynamischen Kupplung aus.
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Innerhalb
von diesem Gehäuse 3 ist
auch der Nebenraum 6 der hydrodynamischen Kupplung angeordnet.
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Das
Pumpenrad 1 wird über
eine Eingangwelle 4 von einer Antriebsmaschine (nicht dargestellt),
beispielsweise dem Motor eines Kraftfahrzeugs, angetrieben. Hierzu
wird das Pumpenrad 1 drehfest von der Antriebswelle 4 getragen.
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Das
Pumpenrad 1 beschleunigt das Arbeitsmedium im Arbeitsraum 10 radial
nach außen,
so dass das Arbeitsmedium radial außen in das Turbinenrad 2 eintritt
und im Turbinenrad 2 radial nach innen verzögert wird,
so dass es auf dem Innendurchmesser des Arbeitsraums 10 wieder
in das Pumpenrad 1 eintritt. Als Arbeitsmedium kann beispielsweise Öl, Wasser
oder ein Wassergemisch dienen. Beispielsweise kann das Kühlmedium
beziehungsweise das Kühlwasser
eines Fahrzeugkühlkreislaufs
als Arbeitsmedium für
die hydrodynamische Kupplung verwendet werden.
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Die
Kreislaufströmung
von Arbeitsmedium im Arbeitsraum 10 führt zu einer Leistungsübertragung
der Antriebsleistung vom Pumpenrad 1 auf das Turbinenrad 2.
Das Turbinenrad 2 ist wiederum mit einer Abtriebswelle 5 drehstarr
gekoppelt, so dass die hydrodynamisch übertragene Antriebsleistung über die
Abtriebswelle 5 auf eine Arbeitsmaschine oder auf Antriebsräder weitergeleitet
werden kann. Selbstverständlich
ist es auch möglich,
anstelle einer radial innenliegenden Abtriebswelle 5 und/oder
Antriebswelle 4 leistungsübertragende Elemente auf einem
größeren Durchmesser,
insbesondere außerhalb
des Arbeitsraums 10, vorzusehen, beispielsweise in Form
einer Riemenscheibe oder einer Verzahnung.
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Der
Begriff der Arbeitsmaschine ist weit zu verstehen. So kommt beispielsweise
auch der Antrieb eines Lüfterrads
eines Kraftfahrzeugslüfters über die
hydrodynamische Kupplung in Betracht. Beispielsweise kann das Lüfterrad
die hydrodynamische Kupplung in Umfangsrichtung umschließen und
insbesondere auf dem Kupplungsgehäuse 3, beispielsweise
drehstarr, gelagert sein.
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Der
Nebenraum 6 dient zur Aufnahme jener Menge von Arbeitsmedium,
welche zu einem vorgegebenen Zeitpunkt sich nicht im Arbeitsraum 10 befinden
soll, um einen Teilfüllungszustand
des Arbeitsraums 10 einzustellen, oder um den Arbeitsraum 10 zu
entleeren beziehungsweise entleert oder im wesentlichen entleert
zu halten. Hierzu ist der Nebenraum 6 über einen Zulaufkanal 9, über welchen
das Arbeitsmedium aus dem Nebenraum 6 in den Arbeitsraum 10 strömt, mit
dem Arbeitsraum 10 strömungsleitend
beziehungsweise arbeitsmediumleitend verbunden. Wenn man in dem
gezeigten Axialschnitt den Arbeitsraum 10 in vier gleich
große
Kreissektoren (Quadranten) einteilt, beginnend radial innen im Pumpenrad
und angeordnet entgegen dem Uhrzeigersinn, so mündet der Zulaufkanal 9 im
ersten Quadranten im Arbeitsraum 10.
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Im
Bereich des äußeren Umfangs
des Arbeitsraums 10 ist ein Rücklaufkanal 8 am Arbeitsraum 10 derart
angeschlossen, dass Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 10 über den
Rücklaufkanal 8 in den
Nebenraum 6 strömt.
Der Rücklaufkanal 8 mündet dabei
bei der gezeigten Ausführung
im Bereich des Trennspaltes zwischen dem Pumpenrad 1 und dem
Turbinenrad 2.
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Im
Rücklaufkanal 8 ist
ein Regelventil 7 vorgesehen, um den Strömungsquerschnitt
des Rücklaufkanals 8 variabel
einzustellen und somit die Menge von Arbeitsmedium zu regeln, die
aus dem Arbeitsraum 10 in den Nebenraum 6 strömt.
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Die
in der 2 gezeigte Ausführung entspricht weitgehend
jener aus der 1. Allerdings ist hier der Rücklaufkanal 8 frei
von einer Regeleinrichtung, wohingegen gemäß der 1 der Zulaufkanal 9 frei
von einer Regeleinrichtung war. Stattdessen ist bei der Ausführung gemäß der 2 im
Zulaufkanal 9 eine Regeleinrichtung in Form eines Regelventils 7 vorgesehen.
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Der
Nebenraum 6 kann mit der Geschwindigkeit des Pumpenrads 1 oder
der Geschwindigkeit des Turbinenrads 2 umlaufen. Insofern
der Nebenraum 6 von Bauteilen des Pumpenrads 1 und
zugleich von Bauteilen des Turbinenrads 2 begrenzt wird,
läuft ein Teil
seiner Wandung mit der Drehzahl des Pumpenrads 1 und ein
anderer Teil seiner Wandung mit der Drehzahl des Turbinenrads 2 um.
Prinzipiell ist es auch möglich,
den Nebenraum 6 stationär
anzuordnen. Vorteilhaft ist der Nebenraum 6 jedoch derart gestaltet,
dass sich ein in ihm mit dem Arbeitsraum 10 mitrotierender
Flüssigkeitsring
des Arbeitsmediums einstellt, wobei ein dauerhafter Austausch zwischen
dem Arbeitsmedium des Arbeitsraums 10 und dem Arbeitsmedium
im Nebenraum 6 stattfindet.
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Besonders
vorteilhaft wird der Nebenraum 6 derart gestaltet, dass
sich bei einem Schlupf von Null, das heißt das Pumpenrad 1 und
das Turbinenrad 2 laufen mit derselben Drehzahl um, ein
Flüssigkeitsspiegel
im Nebenraum 6 einstellt, der radial zwischen dem Innenradius
und der radialen Mitte des Arbeitsraums 10 liegt. Es ist
jedoch auch möglich,
den Nebenraum 6 derart zu gestalten, dass bei einem Schlupf
von Null der Flüssigkeitsspiegel
von Arbeitsmedium im Nebenraum 6 zwischen der radialen
Mitte und dem äußeren Umfang
des Arbeitsraums 10 liegt, oder radial innerhalb des inneren
Umfangs des Arbeitsraums 10.
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Das
Umlaufen des Arbeitsmediums im Nebenraum 6 in Umfangsrichtung
der hydrodynamischen Kupplung kann durch mitnehmende Elemente an
der Wandung des Arbeitsraums 6 gefördert werden. Wenn beispielsweise
der Arbeitsraum 6 teilweise von mit der Drehzahl des Pumpenrads 1 umlaufenden
Bauteilen und teilweise von mit der Drehzahl des Turbinenrads 2 umlaufenden
Bauteilen begrenzt wird, so können
an ausgewählten
Bauteilen entsprechende Mitnahmeelemente für das Arbeitsmedium vorgesehen
sein, zum Beispiel Rippen, um die antreibende Wirkung dieser Bauteile
auf das Arbeitsmedium im Nebenraum 6 gegenüber den übrigen Bauteilen
zu verbessern und hierdurch die Geschwindigkeit beziehungsweise
die Drehzahl einzustellen, mit welcher das Arbeitsmedium im Nebenraum 6 in
Umfangsrichtung umläuft.
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Die 3 zeigt
eine mögliche
Ausgestaltung einer hydrodynamischen Kupplung, bei welcher der Nebenraum 6 vollständig radial
innerhalb des Arbeitsraums 10 angeordnet ist.
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Im
Rücklaufkanal 8 ist
ferner eine Rotationspumpe 12 angeordnet, welche eine strömungsfördernde
Wirkung auf das Arbeitsmedium im Rücklaufkanal 8 in Richtung
vom Arbeitsraum 10 zum Nebenraum 6 ausübt. Die
Rotationspumpe 12 weist ein erstes Schaufelrad auf, das
integral mit dem Pumpenrad 1 ausgebildet ist, und zwar
vorliegend auf der in Axialrichtung entgegengesetzten Seite des
Pumpenrads 1 wie die Beschaufelung im Arbeitsraum 10.
Dabei kann das erste Schaufelrad der Rotationspumpe 12 und/oder
das zweite Schaufelrad der Rotationspumpe 12 auch nur sehr
wenige oder nur eine einzige Schaufel aufweisen beziehungsweise
einen Kanal in Umfangsrichtung mit einer oder mehreren Unterbrechung(en)
ausbilden.
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Das
zweite Schaufelrad der Rotationspumpe 12 ist integral mit
dem Gehäuse 3 ausgeführt und läuft somit
mit der Drehzahl des Turbinenrads 2 um, da das Gehäuse 3 teilweise
vom Turbinenrad 2 ausgebildet wird beziehungsweise an diesem
angeschlossen ist. Das erste Schaufelrad und das zweite Schaufelrad
der Rotationspumpe 12 sind derart axial gegenüberstehend
angeordnet, dass sie einen torusförmigen Pumpenarbeitsraum ausbilden.
Die Rotationspumpe 12 in der gezeigten Form wird auch als Seitenkanalpumpe
bezeichnet, wobei man dann in der Regel von einem Schaufelrad und
einem zugeordneten Kanal, der sonst üblicherweise in einem stehenden
Bauteil angeordnet ist, spricht.
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Im
Rücklaufkanal 8 ist
ferner der Kolben 7.1 eines Regelventils 7, das
in Form eines Magnetventils ausgeführt ist, angeordnet. Der Kolben 7.1 kann durch
Bestromung eines Spulenkörpers 7.2 entgegen
der Kraft einer Feder 11, hier einer Tellerfeder, in Axialrichtung
der hydrodynamischen Kupplung verschoben werden, so dass er den
Strömungsquerschnitt
im Rücklaufkanal 8 mehr
oder minder freigibt. Je weiter der Kolben 7.1 entgegen
der Kraft der Feder 11 aufgrund einer auf ihn aufgebrachten
Magnetkraft verschoben wird, desto größer ist der Strömungsquerschnitt
im Rücklaufkanal 8, über welchen das
Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 10 in den Nebenraum 6 strömen kann.
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Die
Ausführung
der 4 entspricht prinzipiell jener der 3.
Bei dieser Ausführung
ist jedoch der Nebenraum 6 axial neben dem Arbeitsraum 10 positioniert,
und das erste und das zweite Schaufelrad beziehungsweise der Kanal
der Rotationspumpe 12 (Seitenkanalpumpe) stehen sich in
Radialrichtung derart gegenüber,
dass sie einen torusförmigen
Pumpenarbeitsraum ausbilden. Ferner wird der Kolben 7.1 entgegen
der Kraft einer Feder 11, die als Druckfeder ausgeführt ist,
verschoben, um den Strömungsquerschnitt
im Rücklaufkanal 8 zu
vergrößern.
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Bei
beiden Ausführungen,
der Ausführung gemäß der 3 und
der Ausführung
gemäß der 4,
stehen das beziehungsweise die Lager, mit welchen das Turbinenrad 2 gegenüber dem
Pumpenrad 1 beziehungsweise gegenüber der Antriebswelle 4 gelagert
ist, in einer strömungsleitenden
Verbindung mit dem Arbeitsraum 10 beziehungsweise dem Nebenraum 6,
so dass die Lager vom Arbeitsmedium umspült werden, um diese zu kühlen und/oder
zu schmieren.
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Gemäß der Ausführung der 3 verläuft der
Zulaufkanal 9 in etwa oder vollständig in Tangentialrichtung
des äußeren Umfangs
des Arbeitsraums 10, und zwar von radial innen nach radial
außen.
Gemäß der 4 verläuft der
Zulaufkanal 9 hingegen in Axialrichtung der hydrodynamischen
Kupplung senkrecht oder im wesentlichen senkrecht zu dem äußeren Umfang
(beides mal im Axialschnitt gesehen) des Arbeitsraums 10.
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In
den 5 bis 7 ist nochmals die erfindungsgemäß vorgesehene „Verlängerung" des Rücklaufkanals 8 vom
Arbeitsraum 10 ausgehend nach außen auf einen größeren Durchmesser
als den maximalen Durchmesser DP des Arbeitsraums 10 schematisch
dargestellt. Im Einzelnen verläuft
der Rücklaufkanal 8 entlang
des Pumpenrads (5) oder innerhalb des Pumpenrads
(6, 7) in Radialrichtung (senkrecht
oder schräg
nach außen) bis
zu einem äußeren Durchmesser
DA des Pumpenrads 1. Ausgehend von diesem äußeren Durchmesser
DA verläuft
der Rücklaufkanal 8 dann
innerhalb eines Raumes, der von dem Gehäuse 3 zunächst teilweise
und dann vollständig
umschlossen wird.
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Hierdurch
wird Folgendes erreicht: Ausgehend vom Arbeitsraum 10 strömt das Arbeitsmedium zunächst im
Rücklaufkanal 8 radial
nach außen
mit einer Umfangskomponente, die sich aus dem arithmetischen Mittel
der Drehgeschwindigkeiten des Pumpenrads 1 und des Turbinenrads 2 ergibt
(5) oder mit einer Umfangskomponente, welche der Drehgeschwindigkeit
des Pumpenrads 1 entspricht (6 und 7).
Je größer die
Umfangskomponente ist, desto größer ist
die auf die Strömung
wirkende Fliehkraft und somit der Staudruck in der Mündung des
Rücklaufkanals 8 auf
dem Durchmesser DA. Nachdem das Arbeitsmedium dann in Axialrichtung
innen entlang dem Gehäuse 3 geströmt ist, strömt es in
Radialrichtung wieder nach innen, und zwar durch einen Kanal innerhalb
des Gehäuses 3. Somit
weist das Arbeitsmedium innerhalb dieses Kanals in dem Gehäuse 3 eine
Umfangskomponente auf (bezogen auf die Drehrichtung der hydrodynamischen
Kupplung), welche der Drehgeschwindigkeit des Turbinenrads 2 entspricht,
an welchem das Gehäuse 3 drehfest
angeschlossen ist oder mit welchem es einteilig ausgeführt ist.
Die Umfangskomponente, die durch die Drehgeschwindigkeit des Turbinenrads 2 bestimmt
ist, ist kleiner als die Umfangskomponente, die durch die Drehgeschwindigkeit
des Pumpenrads 1 bestimmt ist beziehungsweise aus dem arithmetischen
Mittel der Drehgeschwindigkeiten des Pumpenrads 1 und des
Turbinenrads 2 hervorgeht, der Staudruck im Rücklaufkanal 8 radial
außen
im Gehäuse 3 ist
entsprechend kleiner. Je größer der äußere Durchmesser
DA des Pumpenrads 1 beziehungsweise der Mündung des
Rücklaufkanals 8 außen im Pumpenrad 1 ist,
desto ausgeprägter
ist die Geschwindigkeitsdifferenz und die Differenz im Staudruck.
Hierdurch wird ein Druckunterschied innerhalb des Rücklaufkanals,
ausgehend von der Stelle der höchsten
Umfangsgeschwindigkeit in Richtung der Stelle mit kleinerer Umfangsgeschwindigkeit erzeugt,
die die Durchströmung
des Arbeitsmediums durch den Rücklaufkanal 8 unterstützt.
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Gemäß der 5 wird
die Durchströmung des
Rücklaufkanals 8 in
der gewünschten
Richtung ferner durch die im Bereich des äußeren Umfangs des Pumpenrads 1 ausgeführten Beschaufelungen 14 und 15 unterstützt. Die
Beschaufelung 14, die dem Teilstück des Rücklaufkanals 8 zugeordnet
ist, welches eine Verlängerung
in Radialrichtung des Trennspaltes zwischen dem Pumpenrad 1 und
dem Turbinenrad 2 darstellt, bewirkt ein Fördern des
Arbeitsmediums im Rücklaufkanal 8 in
Radialrichtung nach außen.
Die Beschaufelung 15 hingegen bewirkt ein Fördern des
Arbeitsmediums im Rücklaufkanal 8 in
Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung, und zwar weggerichtet
vom Arbeitsraum 10 hin zu dem vollständig innerhalb des Gehäuses 3 verlaufenden
Teilstück
des Rücklaufkanals 8.
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Gemäß den 6 und 7 wird
somit im Vergleich zu einer Ausführungsform
ohne Verlängerung
des Rücklaufkanals
auf einen größeren Durchmesser
der Kupplung die Druckdifferenz zwischen den aufgrund des Umlaufens
der in Radialrichtung verlaufenden Abschnitte des Rücklaufkanals 8 auftretenden
Staudrücken,
das heißt
zwischen dem Punkt des Rücklaufkanals 8,
in welchem der radial nach außen
führende
Abschnitt des Rücklaufkanals 8 mündet und
dem Punkt im Rücklaufkanal 8,
von welchem aus das Arbeitsmedium wieder radial nach innen strömt, vergrößert. Im
Unterschied zu der Ausführungsform
gemäß der 5,
bei welcher sich die Drehzahl des Turbinenrads 2 beziehungsweise
des Gehäuses 3 n2
und die Hälfte
der Summe aus den Drehzahlen des Pumpenrads 1 n1 und des
Turbinenrads 2 n2 gegenüberstehen,
stehen sich bei den Ausführungsformen
gemäß der 6 und 7 die Drehzahl
des Turbinenrads 2 beziehungsweise des Gehäuses 3 n2
und die Drehzahl des Pumpenrads 1 n1 gegenüber. Der
Drehzahlunterschied ist demnach bei den 6 und 7 im
Vergleich zu der 5 größer, da sich das Turbinenrad 2 wegen
des Schlupfes in der hydrodynamischen Kupplung stets mit einer kleineren
Drehzahl als das Pumpenrad 1 über seiner Drehachse dreht.
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Auch
bei den Ausführungsformen
gemäß der 6 und 7 kann,
wie angedeutet, eine Beschaufelung 15 im Pumpenrad 1 vorgesehen
sein, um die auf das Arbeitsmedium im Rücklaufkanal 8 aufgebrachte
Förderwirkung
zu vergrößern. Die
vorliegend dargestellte Beschaufelung 15 bewirkt wiederum
eine Förderung
in Axialrichtung der hydrodynamischen Kupplung weg von dem Arbeitsraum 10.
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Gemäß der Ausführungsform,
die in der 6 dargestellt ist, mit einem
tangential im Arbeitsraum 10 mündenden Rücklaufkanal 8, wird
die Meridianstromrichtung des Arbeitsmediums im Arbeitsraum 10 ausgenutzt.
Der Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum 10 fördert das
Arbeitsmedium sozusagen unmittelbar in den Rücklaufkanal 8 hinein,
ohne dass dieses zuvor umgelenkt werden müsste.
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Gemäß der 7 ist
der mit der Drehzahl des Pumpenrads 1 umlaufende Abschnitt
des Rücklaufkanals 8 in
seiner Erstreckung in Radialrichtung der hydrodynamischen Kupplung
dadurch verlängert, dass
er in dem gezeigten Axialschnitt durch die hydrodynamische Kupplung
in der Mitte des Arbeitsraums 10 beginnt und sich von dort,
vorliegend linear, bis zum größten Durchmesser
DA des Pumpenrads 1 erstreckt.
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Bei
den in den 5 bis 7 gezeigten Ausführungsformen
ist das Regelventil 7 als regelbares Wegeventil mit zwei
Stellungen und drei Anschlüssen
ausgeführt.
In einer ersten Stellung strömt Arbeitsmedium
aus dem Rücklaufkanal 8 und
dem Nebenraum 6 in das Regelventil 7 ein und von
dort gemeinsam aus dem Regelventil 7 aus und in den Arbeitsraum 10.
In einer zweiten Stellung strömt
Arbeitsmedium aus dem Rücklaufkanal 8 in
den Nebenraum 6. Der Anschluss des als Wegeventil ausgebildeten
Regelventils 7 zum Arbeitsraum 10 ist versperrt.
Bei dieser Ausführungsform
ist es somit möglich,
dass der Nebenraum 6 einen einzigen Anschluss aufweist,
der sowohl zum Zuführen
von Arbeitsmedium in den Nebenraum 6 in einer ersten Stellung
des Regelventils 7 als auch zum Abführen von Arbeitsmedium aus
dem Nebenraum 6 und in den Arbeitsraum 10 bei
einer zweiten Stellung des Regelventils 7 dient. Selbstverständlich ist
es auch möglich,
das in den 5 bis 7 gezeigte
Ventil als nicht regelbares Wegeventil auszuführen, und den Füllungsgrad
des Arbeitsraumes 10 über
die Zeitdauer zu regeln, mit welcher das Ventil 7 in jeder seiner
beiden Stellungen – die
Stellung, innerhalb von welcher Arbeitsmedium aus dem Nebenraum
in den Arbeitsraum gefördert
wird, und die Stellung, in welcher Arbeitsmedium ausschließlich aus
dem Arbeitsraum in den Nebenraum gefördert wird – verbleibt. Die erfindungsgemäße Veränderung
des Strömungsquerschnittes
findet demnach zwischen einer ersten Stellung mit verschlossenem
Querschnitt und einer zweiten Stellung mit vollständig geöffnetem Querschnitt
und über
die Zeitdauer der jeweiligen Position statt.
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Bei
jenen Ausführungsformen,
in welchen der Rücklaufkanal 8 bis
zu dem wenigstens 5 Prozent größeren Durchmesser
DA als der äußere Durchmesser
DP des Arbeitsraumes 10 vollständig innerhalb des Pumpenrads 1 verläuft, wie
dies beispielsweise in den 6 und 7 dargestellt
ist, ist vorteilhaft das Pumpenrad 1 zwischen dem Trennspalt zwischen
dem Pumpenrad 1 und dem Turbinenrad 2 und jener
Stelle, an welcher der vollständig
im Pumpenrad 1 verlaufende Abschnitt des Rücklaufkanals 8 in
einem Raum innerhalb des Gehäuses 3 mündet, durch
eine Dichtung abgedichtet, beispielsweise eine Wellendichtung 13,
wie sie in den 6 und 7 schematisch
dargestellt ist. Diese Wellendichtung 13 kann beispielsweise
als Spitze-Spitze-Dichtung, als einseitige Spitzen-Dichtung oder
als Labyrinth-Dichtung oder auch als Kolbenring-Dichtung ausgeführt sein.