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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lüfterrad, insbesondere für ein Kraftfahrzeug
beziehungsweise ein Kraftfahrzeugkühlsystem, das über eine hydrodynamische
Kupplung angetrieben wird, gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Die
Form eines Lüfters
beziehungsweise eines Lüfterrades
zum Kühlen
des Motors eines LKWs wird in dem Gebrauchsmuster
DE 299 03 619 U1 beschrieben.
Bei der dort gezeigten Ausführungsform weist
das Lüfterrad
einen im Wesentlichen zylindrischen Innenring auf, von welchem aus
die Lüfterschaufeln
radial nach außen
hervorstehen. Üblicherweise
werden solche Lüfterräder aus
Kunststoff hergestellt, wobei auch die radial äußeren Enden durch einen Ring
miteinander verbunden sein können.
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Ein
solches Lüfterrad
wird über
eine Antriebswelle mit dem zu kühlenden
Motor verbunden. Mittels des rotierenden Lüfters wird Kühlluft dem
Motor und in der Regel einem zwischengeschalteten Wasserkühler zugeführt. Die
Ankopplung des Lüfters an
den Motor erfolgt in der Regel über
eine Viskokupplung, die radial innerhalb der Nabe angeordnet ist.
Der Anschluss der Viskokupplung, genauer des Sekundärrades derselben,
erfolgt über
eine Metallplatte im Nabeninneren des Lüfterrades.
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Das
Dokument
DE 10
2004 008 861 A1 beschreibt ebenfalls ein über eine
Viskokupplung angetriebenes Lüfterrad.
Auch hier erfolgt der Anschluss der Viskokupplung an das Lüfterrad über eine
Metallplatte, die als Befestigungsring ausgeführt ist. Dabei kann der Metallring
kunststoffummantelt ausgeführt sein,
wobei die Kunststoffummantelung insbesondere aus demselben Material
wie die Lüfterschaufeln hergestellt
ist.
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Die
Viskokupplungen, die dem Antrieb der herkömmlichen Lüfterräder dienen, werden aus Metall
ausgeführt.
Viskokupplungen sind dabei dadurch gekennzeichnet, dass sie ein
Primärrad
und ein Sekundärrad
aufweisen, zwischen welchen ein viskoses Fluid angeordnet ist, das
mit dem Primärrad
in Umfangsrichtung beschleunigt wird. Über eine Flüssigkeitsreibung des Fluids
wird Drehmoment beziehungsweise Antriebsleistung vom Primärrad auf
das Sekundärrad übertragen.
Viskokupplungen werden daher auch als Flüssigkeitsreibkupplungen bezeichnet.
Zur optimalen Leistungsübertragung
weisen Viskokupplungen in der Regel ineinander eingreifende Lamellen
auf, welche in einem Axialschnitt durch die Viskokupplung betrachtet
einen mäanderförmigen fluidgefüllten Spalt
miteinander ausbilden.
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Sowohl
in den Viskokupplungen als auch in hydrodynamischen Kupplungen zum
Antrieb des Lüfterrads
entsteht Wärme,
die nach außen
an die Umgebung abgeführt
werden muss, um einen Schaden an dem Arbeitsmedium der Kupplung,
an Bauteilen der Kupplung oder angrenzenden Bauteilen, beispielsweise
den vorgesehenen Lagern, zu vermeiden. Dies erfolgt herkömmlich über Konvektion
auf der Außenseite
des Lüfterrads.
Beispielsweise kann die Kupplungsschale mit Kühlrippen versehen sein, so
dass die Wärme
aus dem Kupplungsinneren beziehungsweise dem Arbeitsmedium über das
Kupplungsgehäuse
in die Kühlrippen
geleitet wird und dort konvektiv an die Umgebung abgegeben wird.
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Im
längeren
Betrieb der Kupplung in einem flüssigkeitsreibenden
Zustand tritt trotz dieser Maßnahmen
immer noch eine unerwünscht
hohe Temperatur auf, die entsprechend warmfeste Werkstoffe, die
vergleichsweise teuer sind, im Kupplungsbereich erfordert. Insbesondere
bei vergleichsweise großen Lüfterrädern, beispielsweise
für Lkw-Motoren,
die entsprechend leistungsfähige
Kupplungen erfordern, um ein großes Drehmoment zu übertragen,
stellt diese Wärmeentwicklung
heutzutage immer noch ein Problem dar.
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Das
Dokument
DE 36 35 627
A1 beschreibt ein Lüfterrad
mit einer in die Lüfterradnabe
integrierten Viskokupplung.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lüfterrad,
insbesondere für
ein Kraftfahrzeug- beziehungsweise ein Kraftfahrzeugkühlsystem
anzugeben, das über
eine hydrodynamische Kupplung angetrieben wird, wobei die Kühlung des Arbeitsmediums
der hydrodynamischen Kupplung, mittels welchem Drehmoment beziehungsweise Drehleistung
vom Pumpenrad auf das Turbinenrad übertragen wird, effektiver
ist als bisher.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird durch ein Lüfterrad
mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind
vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung
angegeben.
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Das
erfindungsgemäße Lüfterrad
weist eine Lüfterradnabe
und eine Vielzahl von an der Lüfterradnabe
angeschlossenen Lüfterschaufeln
auf. Ferner ist eine Antriebswelle vorgesehen, um das Lüfterrad in
eine Drehbewegung zu versetzen, so dass es um eine Drehachse umläuft. Dabei
wird die Antriebsleistung beziehungsweise das Drehmoment, die/das
auf das Lüfterrad
aufgebracht wird, über
eine hydrodynamische Kupplung übertragen,
die in der oder an der Lüfterradnabe
angeordnet ist.
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Die
hydrodynamische Kupplung weist, wie dem Fachmann bekannt ist, ein
Pumpenrad und ein Turbinenrad auf, die miteinander einen torusförmigen Arbeitsraum
ausbilden, der mit einem Arbeitsmedium befüllt oder befüllbar ist,
um das Drehmoment beziehungsweise die Drehleistung mittels einem
Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum hydrodynamisch vom Pumpenrad
auf das Turbinenrad zu übertragen. Wenn
sich das Pumpenrad und das Turbinenrad in Axialrichtung gegenüberstehen,
wobei die Drehachse der hydrodynamischen Kupplung insbesondere mit
jener des Lüfterrads
zusammenfällt,
wird das Arbeitsmedium im Pumpenrad radial nach außen beschleunigt,
tritt radial außen
in das Turbinenrad ein, wird in diesem wieder radial nach innen
verzögert und
tritt radial innen wieder in das Pumpenrad ein.
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Das
Pumpenrad steht in einer Triebverbindung mit der Antriebswelle oder
ist direkt beziehungsweise unmittelbar an der Antriebswelle angeschlossen.
Das Turbinenrad steht in einer Triebverbindung mit der Lüfterradnabe
oder ist unmittelbar an dieser angeschlossen. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform
sind die Lüfterradnabe
und/oder die Lüfterschaufeln
auch einstückig
mit dem Turbinenrad ausgeführt.
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Um
nun das Arbeitsmedium der hydrodynamischen Kupplung im Vergleich
zu den im Stand der Technik bekannten Ausführungsformen besser zu kühlen, wird
das im Arbeitsraum der hydrodynamischen Kupplung durch Reibung erwärmte Arbeitsmedium
radial nach außen
aus dem Arbeitsraum herausgeleitet und durch die Lüfterradnabe
und/oder die Lüfterschaufeln
geführt,
um dort auf der Außenseite der
Lüfterradnabe
beziehungsweise der Lüfterschaufeln
auf entsprechend vergleichsweise größeren Durchmesser durch Konvektion
gekühlt
zu werden. Hier steht eine größere Konvektionsfläche als
im radial inneren Bereich zur Verfügung. Ein weiterer Vorteil,
weshalb diese konvektive Kühlung
vergleichsweise besser ist, ist die größere Geschwindigkeit, mit welchem
der entsprechende Bereich, an dem Konvektion auftritt, wegen des
größeren Durchmessers umläuft.
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Um
das Arbeitsmedium radial nach außen aus dem Arbeitsraum herauszuführen, sind
in der Lüfterradnabe
und/oder den Lüfterschaufeln
Kühlkanäle für das Arbeitsmedium
vorgesehen, die mit dem Arbeitsraum derart verbunden sind, dass
das Arbeitsmedium in einem Kreislauf durch diese Kühlkanäle transportiert
wird. Die Kühlkanäle selbst
können dabei
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung einen Nebenraum für
das Arbeitsmedium ausbilden oder das Arbeitsmedium in einen entsprechenden Nebenraum
leiten, der wenigstens teilweise oder vollständig radial außerhalb
des Arbeitsraums angeordnet ist. Ein solcher Nebenraum dient dazu,
bei einer Entleerung oder Teilentleerung des Arbeitsraums das aus
dem Arbeitsraum ausgetragene Arbeitsmedium zu sammeln beziehungsweise
zu speichern, bis es wieder für
eine vollständige
oder größere Befüllung des
Arbeitsraums aus dem Nebenraum in den Arbeitsraum geleitet wird.
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Eine
Positionierung radial außerhalb
des Arbeitsraums umfasst dabei eine Anordnung des Nebenraums axial
neben dem Arbeitsraum, jedoch auf einem größeren Durchmesser. Auch eine
Positionierung des Nebenraums auf demselben axialen Bereich radial
außerhalb
des Arbeitsraums ist umfasst. Je nach Größe des Nebenraums kann sich
dieser natürlich
auch in einem Bereich radial außerhalb
des Arbeitsraums, auf demselben axialen Abschnitt und darüber hinaus
in Axialrichtung sowie gegebenenfalls auch dann radial nach innen
axial neben den Arbeitsraum erstrecken.
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Bei
einer Positionierung des Nebenraums unmittelbar radial außerhalb
des Arbeitsraums, das heißt
auf demselben axialen Abschnitt, ergibt sich neben der besseren
konvektiven Kühlung
des Arbeitsmediums im Nebenraum, aufgrund der Positionierung auf
einem größeren Durchmesser,
wodurch der äußere „konvektive" Bereich mit einer
größeren Geschwindigkeit
umläuft,
eine mögliche
Verkürzung
des notwendigen axialen Bauraums für die hydrodynamische Kupplung
beziehungsweise den zugeordneten Nebenraum in der Lüfternabe.
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Die
Anordnung von Kühlkanälen oder
dem Nebenraum radial außerhalb
des Arbeitsraums, jedoch noch innerhalb der Lüfterradnabe, ist besonders
leicht ausführbar,
wenn das Lüfterrad
als Axial-Radial-Lüfter
oder als Radial-Axial-Lüfter
ausgeführt
ist. Bei einem Axial-Radial-Lüfter
strömt
die vom Lüfterrad
geförderte
Luft in Axialrichtung in das Lüfterrad
ein und strömt
in Radialrichtung vom Lüfterrad ab.
Bei einem Radial-Axial-Lüfter
strömt
die vom Lüfterrad
geförderte
Luft radial von außen
nach innen in das Lüfterrad
ein und strömt
in Axialrichtung ab. Somit sind die Strömungsprofile der Lüfterschaufeln
in Radialrichtung gesehen an einem axialen Ende kürzer als
an dem anderen axialen Ende. Der innere Durchmesser der Strömungsprofile
der Lüfterradschaufeln
und die Lüfterradnabe
erweitern sich mithin in Axialrichtung des Lüfterrads. In dem erweiterten
Bereich kann dann der Nebenraum radial innerhalb der Strömungsprofile
des Lüfterrads
in der Lüfterradnabe
angeordnet sein.
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Gemäß einer
besonders vorteilhaften Ausführungsform
weist die Lüfterradnabe
in einem Axialschnitt durch das Lüfterrad gesehen einen topfförmigen Querschnitt
auf, der durch einen Grundkörper und
einen Deckelkörper
gebildet wird. Der Grundkörper
und der Deckelkörper
umschließen
demnach einen Hohlraum, welcher sich insbesondere in Axialrichtung
des Lüfterrads
hinsichtlich seines äußeren Durchmessers
vergrößert. Dieser
Hohlraum kann den Nebenraum ausbilden, wobei innerhalb des Hohlraums
zusätzlich
der Arbeitsraum, insbesondere vom übrigen Hohlraum getrennt durch
die Pumpenradschale und die Turbinenradschale angeordnet ist.
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Wenn
der Nebenraum radial außerhalb
(wenigstens teilweise radial außerhalb)
des Arbeitsraums angeordnet ist, kann eine Fördereinrichtung vorgesehen
sein, um das Arbeitsmedium, insbesondere wahlweise, entgegen der
Fliehkraft radial nach innen und in den Arbeitsraum zu fördern. Die
Fördereinrichtung
kann beispielsweise ein Schöpfrohr
oder eine Schöpfscheibe
aufweisen oder daraus bestehen. Ein solches Schöpfrohr weist eine rohrförmige Gestalt
auf, in der Regel mit einem gebogenen radial äußeren Bereich, um eine Mündung auszubilden,
deren Mündungsfläche in einer
Ebene in einem Längsschnitt
durch die Drehachse verläuft,
so dass die Mündung
der Umfangsrichtung frontal entgegensteht. Eine Schöpfscheibe
hat dieselbe Funktion wie ein Schöpfrohr, ist jedoch über dem
Umfang, zumindest radial innerhalb der Mündung, geschlossen aufgeführt, um
einen Staudruck, der einem Umlaufen der Schöpfscheibe relativ zum Arbeitsmedium
im Arbeitsraum beziehungsweise Nebenraum entgegensteht, zu minimieren.
Sowohl beim Schöpfrohr
als auch bei der Schöpfscheibe
wird durch eine Differenzdrehzahl gegenüber dem im Nebenraum befindlichen
Arbeitsmedium vor der Mündung
ein Staudruck aufgebaut, mittels welchem das Arbeitsmedium aus dem
Nebenraum radial nach innen durch das Schöpfrohr beziehungsweise durch
die Schöpfscheibe
und in den Arbeitsraum gefördert
wird.
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Die
Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen erläutert werden.
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Es
zeigen:
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1 eine
erste erfindungsgemäße Ausführungsform
mit in den Lüfterschaufeln
eingebrachten Kühlkanälen für das Arbeitsmedium
der hydrodynamischen Kupplung;
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2 eine
alternativ gestaltete Ausführungsform
mit einem Nebenraum für
Arbeitsmedium radial außerhalb
des Arbeitsraums innerhalb der Lüfterradnabe.
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In
der 1 ist schematisch ein Axialschnitt durch ein erfindungsgemäßes Lüfterrad
mit einer Lüfterradnabe 1 und
einer Vielzahl von Lüfterradschaufeln 2 (nur
eine ist gezeigt) dargestellt. Das Lüfterrad wird über eine
Antriebswelle 3 angetrieben, welches das Pumpenrad 4.1 einer
hydrodynamischen Kupplung 4 trägt. Das Pumpenrad 4.1 steht
einem Turbinenrad 4.2 axial gegenüber, um das Turbinenrad 4.2 mittels
einem Arbeitsmediumkreislauf im Arbeitsraum 4.3 der hydrodynamischen
Kupplung 4 anzutreiben.
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Aus
dem Arbeitsraum 4.3 wird Arbeitsmedium in Kühlkanäle 5 innerhalb
von Lüfterschaufeln 2 abgeleitet
und anschließend
dem Arbeitsraum 4.3 wieder zugeleitet. In den Lüfterschaufeln 2 wird
das durch die Kühlkanäle 5 strömende Arbeitsmedium gekühlt.
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Selbstverständlich ist
es möglich,
mehrere Kühlkanäle 5 oder
je einen Kühlkanal 5 in
jeder Lüfterschaufel 2 vorzusehen.
Alternativ können
nur ein Teil der Lüfterschaufeln
mit einem oder mehreren Kühlkanälen 5 versehen
sein.
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Die
Kühlkanäle 5 können beispielsweise beim
Herstellen der Lüfterschaufeln 2 in
diese eingegossen werden. Wenn dies gewünscht ist, können die
Lüfterschaufeln 2 aus
einem gut wärmeleitenden Material
ausgeführt
sein oder mit einer gut wärmeleitenden
Füllung
versehen sein, um die Wärme
möglichst
großvolumig
in den Lüfterschaufeln
durch Wärmeleitung
zu verteilen und anschließend über eine große oder
nahezu die gesamte Oberfläche
der Lüfterschaufeln 2 abzuführen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
sind die Lüfterschaufeln 2 als
Hohlprofile ausgeführt,
wobei die Kühlkanäle 5 entlang
der Wände
oder im Hohlraum verlaufen. Im letzteren Fall würde zunächst die Luft in den Hohlprofilen 5 durch
die Wärme des
Arbeitsmediums, welches durch die Kühlkanäle 5 strömt, aufgeheizt,
bevor die Wärme
konvektiv auf der Außenseite
der Lüfterschaufeln 2 abgeführt wird.
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Vorliegend
ist der Abgriff für
Arbeitsmedium, das in die Kühlkanäle 5 strömt, im Bereich
des Trennspaltes zwischen Pumpenrad 4.1 und Turbinenrad 4.2 im
radial äußeren Bereich
desselben vorgesehen. Das Arbeitsmedium wird dem Arbeitsraum 4.3 wieder
an einem Ort mit geringem statischem Druck, nämlich im Zentrum des sich im
Arbeitsraum 4.3 einstellenden Arbeitsmediumkreislaufes,
eingeleitet.
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Bei
der gezeigten Ausführung
sind die Kühlkanäle am Turbinenrad 4.2 angeschlossen
und laufen mit derselben Drehzahl wie das Turbinenrad 4.2 um.
Selbstverständlich
könnten
die Kühlkanäle 5 auch
am Pumpenrad 4.1 angeschlossen sein.
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Der
Auslass oder mehrere Auslässe
für Arbeitsmedium
für den
oder die Kühlkanäle 5 kann/können zusätzlich zu
einem Arbeitsmediumauslass zur wahlweisen Entleerung der hydrodynamischen Kupplung
vorgesehen sein. Entsprechend kann neben dem Einlass für Arbeitsmedium
aus den Kühlkanälen 5 ein
Arbeitsmediumeinlass für
Arbeitsmedium im Arbeitsraum 4.3 mündend angeordnet sein, durch welchen
zum Befüllen
oder stärkeren
Befüllen
des Arbeitsraums 4.3 Arbeitsmedium eingeleitet wird. Obwohl
dies nicht dargestellt ist, kann ein Nebenraum für Arbeitsmedium vorgesehen
sein, welcher das Arbeitsmedium aus dem Arbeitsraum 4.3 aufnimmt,
wenn der Arbeitsraum 4.3 vollständig oder teilweise entleert
wird. Alternativ kann die hydrodynamische Kupplung 4 mit
einem externen Arbeitsmediumkreislauf versehen sein, das heißt, das
Arbeitsmedium wird durch einen Kreislauf außerhalb des Lüfterrades
geleitet.
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Gemäß der in
der 2 dargestellten Ausführungsform ist in der Lüfterradnabe 1 ein
Hohlraum 7 ausgeführt,
der durch einen Grundkörper 1.1 der Lüfterradnabe 1 und
einen darauf aufgesetzten Deckelkörper 1.2 umschlossen
wird. Der Hohlraum 7 bildet einen Nebenraum 6 für Arbeitsmedium
der hydrodynamischen Kupplung 4, welcher jenes Arbeitsmedium
aufnimmt, das aus dem Arbeitsraum 4.3 entleert wurde, wenn
die hydrodynamische Kupplung 4 in einen teilgefüllten Zustand
oder entleerten Zustand verbracht worden ist. Im Nebenraum 6 wird
das Arbeitsmedium zugleich konvektiv gekühlt, wobei die Kühlwirkung
zum einen dadurch besonders effektiv ist, dass sich das Arbeitsmedium
im Nebenraum 6 auf einem vergleichsweise großen Durchmesser
befindet und somit mit einer vergleichsweise großen Umfangsgeschwindigkeit
umläuft,
und zum anderen der Grundkörper 1.1 auf
seinem äußeren Umfang von
Luft überstrichen
wird, die in Axialrichtung beziehungsweise im Wesentlichen in Axialrichtung
in das Lüfterrad
eintritt beziehungsweise durch den Zwischenraum zwischen den Lüfterradschaufeln 2 hindurchtritt.
Aufgrund der Umlenkung der Luft im Bereich der Lüfterschaufeln 2 radial
nach außen,
da das Lüfterrad,
wie durch die Pfeile dargestellt als Axial-Radial-Lüfterrad
ausgeführt
ist, wobei die Abströmung
nicht nur radial, sondern ergänzend
auch axial erfolgen kann, kann die Lüfterradnabe 1 mit
ihrem Hohlraum 7, wie dargestellt, derart ausgeführt sein, dass
sie sich in Axialrichtung zu einem größeren Durchmesser hin erweitert.
Somit steht ein besonders großes
Volumen für
den Nebenraum 6 zur Verfügung.
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Abweichend
von der gezeigten Darstellung kann die hydrodynamische Kupplung 4 auch
radial weiter außen
im Hohlraum 7 der Lüfterradnabe 1 angeordnet
sein, so dass das Turbinenrad 4.2 nahezu oder vollständig am
radial äußeren Gehäuse des Grundkörpers 1.1 angrenzt.
Aufgrund der radialen Erweiterung im Axialrichtungsverlauf des Hohlraums 7 steht
auch dann immer noch ein ausreichender Aufnahmeraum zur Ausbildung
eines Nebenraums 6 radial außerhalb des Arbeitsraumes 4.3 zur
Verfügung.
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Um
das Arbeitsmedium aus dem Nebenraum 6 zurück in den
Arbeitsraum 4.3 zu fördern,
ist ein Schöpfrohr 8 am
Pumpenrad 4.1 angeschlossen, welches aufgrund eines Staudruckes
im Bereich der Mündung
des Schöpfrohres 8 Arbeitsmedium
zurück in
den Arbeitsraum 4.3 entgegen der Fliehkraft fördert. Das
Arbeitsmedium im Nebenraum 6 läuft mit der Geschwindigkeit
des Turbinenrads 4.2 beziehungsweise des Grundkörpers 1.1 und
des Deckelkörpers 1.2 um,
wohingegen das Schöpfrohr 8 mit der
Geschwindigkeit des Pumpenrads 4.1 und somit vergleichsweise
schneller umläuft.
Diese Drehzahldifferenz bewirkt den zum Fördern im Schöpfrohr 8 gewünschten
Staudruck.
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Alternativ
von der gezeigten Darstellung könnte
das Schöpfrohr 8 auch
als Schöpfscheibe ausgeführt sein,
um unerwünschte
Staudruckverluste radial innerhalb der Einlassöffnung beziehungsweise Mündung des
Schöpfrohrs 8 zu
vermeiden.
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Wie
man aus der schematischen Darstellung der 2 entnehmen
kann, kann die Lüfterradnabe 1 vergleichsweise
einfach gestaltet sein. Insbesondere ist der Grundkörper 1.1 topfförmig gestaltet
und der Deckelkörper 1.2 in
Form einer Scheibe, der axial auf den Grundkörper 1.1, gegebenenfalls
unter Zwischenschaltung einer Dichtung, aufgesetzt wird.