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Die
Erfindung betrifft eine Pumpe, mit einem Gehäuse, in dem ein Rotor angeordnet
ist, der in dem Gehäuse
um eine gehäusefeste
Drehachse drehbar ist, wobei der Rotor zumindest eine Ausnehmung aufweist,
in der zumindest ein Verdrängungskörper aufgenommen
ist, der bei drehendem Rotor die Drehachse umläuft und dabei an einer Gehäuseinnenwand
des Gehäuses
entlanglauft, wobei der Verdrängungskörper in
der Ausnehmung zwischen einer in die Ausnehmung eingefahrenen Stellung
und einer aus der Ausnehmung ausgefahrenen Stellung radial beweglich
ist, wobei die Gehäuseinnenwand
in Umfangsrichtung um die Drehachse gesehen einen Bereich aufweist,
in dem die Gehäuseinnenwand
von einer Außenseite
des Rotors beabstandet ist, so dass in diesem Bereich zwischen der
Außenseite
des Rotors und der Gehäu seinnenwand
eine erste Kammer vorhanden ist, wobei der Verdrängungskörper beim Umlaufen um die Drehachse
die erste Kammer in eine vorauseilende erste Teilkammer und eine
nacheilende zweite Teilkammer unterteilt.
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Eine
solche Pumpe ist aus
GB
654 808 A bekannt.
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Eine
Pumpe der eingangs genannten Art wird häufig auch als Drehschieberpumpe
bezeichnet. Eine Drehschieberpumpe weist ein üblicherweise hohlzylindrisches
Gehäuse
auf, in dem ein Rotor angeordnet ist, der ebenfalls üblicherweise
die Form eines Zylinders aufweist. Die Drehachse des Rotors ist dabei
exzentrisch im Gehäuse
angeordnet, so dass die Gehäuseinnenwand
in einem Umfangsbereich des Rotors von der Außenseite des Rotors beabstandet
ist. Der Rotor berührt
die Gehäuseinnenwand zwischen
einer Einlass- und Auslassöffnung
im Gehäuse.
Die Berührstelle
bildet die Trennstelle zwischen Saug- und Druckraum innerhalb des
Gehäuses.
Bei den klassischen Drehschieberpumpen ist bzw. sind in dem Rotor
ein oder mehrere, meist radial angeordnete Ausnehmungen eingearbeitet.
In der Ausnehmung bzw. in den Ausnehmungen sitzt bzw. sitzen ein
oder mehrere Verdrängungskörper, die
in Form von Drehschiebern ausgebildet sind. Die Drehschieber unterteilen
die Kammer zwischen der Außenseite
des Rotors und der Gehäuseinnenwand
in mehrere Teilkammern. Die Drehschieber sind in den Ausnehmungen
radial beweglich aufgenommen. Häufig
werden sie durch eine im Grund der Ausnehmung angebrachte Feder
gegen die Gehäuseinnenwand
gedrückt.
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Die
als Drehschieber ausgebildeten lediglich radial beweglichen Verdrängungskörper laufen
bei den herkömmlichen
Drehschieberpumpen bei drehendem Rotor mit ihrem radial äußeren Ende
an der Gehäuseinnenwand
gleitend entlang, was insbesondere bei hohen Drehzahlen und entsprechend
hohen Fliehkräften
nachteiligerweise mit hoher Reibung behaftet ist.
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Ein
weiterer Nachteil der klassischen Drehschieberpumpen besteht darin,
dass als Saug- und Pumpraum nur die Kammer zwischen der Außenseite
des Rotors und der Gehäuseinnenwand
genutzt wird, was die Pumpleistung der klassischen Drehschieberpumpen
begrenzt.
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Wenn
die klassischen Drehschieberpumpen als Vakuumpumpen eingesetzt werden,
kann mit ihnen entsprechend nur ein Großvakuumbereich von 1,0 bis
0,001 bar erzeugt werden. Bei einer Verwendung einer klassischen
Drehschieberpumpe als Hochdruckpumpe ist der entsprechend erreichbare Druck
ebenfalls begrenzt.
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Aus
dem oben genannten Dokument
GB
654 808 A ist eine Pumpe bekannt, die ein Gehäuse aufweist,
in dem ein Rotor angeordnet ist. Letzterer ist in dem Gehäuse exzentrisch
gelagert. Im Umfang des Rotors sind mehrere Ausnehmungen ausgebildet, wobei
in jeder Ausnehmung eine Rolle angeordnet ist. Des Weiteren erstreckt
sich vom radial inneren Ende jeder Ausnehmung ein Kanal, der durch
den Rotor hindurchgeht und am Umfang desselben und in Umlaufrichtung
des Rotors gesehen vor der Öffnung der
Ausnehmung mündet.
Diese Anordnung soll es gewährleisten,
dass die Rollen stets gegen die Innenwand des Gehäuses gedrückt werden
und an dieser entlang laufen. Die Rollen wirken dabei als Verdrängungskörper.
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Eine
weitere Pumpe ist aus dem Dokument
GB 647 781 A bekannt. Diese Pumpe weist in
einem Rotor radial beweglich angeordnete Kugeln auf, wobei durch
die radiale hin- und hergehende Bewegung der Kugeln das zu fördernde
Medium aus einer nichtrotierenden Kammer in den Rotor gesaugt wird
und dann in eine nichtrotierende Kammer aus dem Rotor abgegeben
wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Pumpe der eingangs genannten
Art dahingehend auszubilden, dass mit der Pumpe höhere Pumpleistungen,
sei es als Vakuumpumpe oder als Hochdruckpumpe oder auch als Förderpumpe
für gasförmige und/oder
flüssige
Medien erreichbar sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Pumpe dadurch gelöst, dass
die erste Teilkammer durch einen ersten Kanal und die zweite Teilkammer
durch einen zweiten Kanal in dem Rotor mit einer weiteren Kammer verbunden
sind, die zwischen dem Verdrängungskörper und
einer Innenwand der Ausnehmung gebildet ist, und die sich entsprechend
der beim Umlaufen des Rotors um die Drehachse ergebenden radialen Bewegungen
des Verdrängungskörpers abwechselnd
im Volumen vergrößert, wodurch
in der weiteren Kammer und in der zweiten Teilkammer ein zusätzlicher
Unterdruck entsteht, bzw. verkleinert, wodurch in der weiteren Kammer
und in der ersten Teilkammer ein zusätzlicher Überdruckentsteht.
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Bei
der erfindungsgemäßen Pumpe
ist die erreichbare Pumpleistung dadurch erhöht, dass nicht nur die erste
Kammer zwischen der Außenseite
des Rotors und der Gehäuseinnenwand
als Saug- und Druckraum genutzt wird, sondern es ist eine weitere Kammer
auf der der Gehäuseinnenwand
abgewandten Seite des Verdrängungskörpers zwischen
diesem und der Innenwand der Ausnehmung vorhanden, die ebenfalls
als Saug- und Druckraum genutzt wird, wodurch das Gesamtvolumen
des Saug- und Druckraums der erfindungsgemäßen Pumpe gegenüber den
klassischen Drehschie berpumpen vergrößert ist. Wenn sich der Verdrängungskörper aus
seiner in die Ausnehmung eingefahrenen Stellung in die aus der Ausnehmung
ausgefahrenen Stellung bewegt, entsteht in der weiteren Kammer ein
Unterdruck bzw. Sog, und wenn sich der Verdrängungskörper wieder aus der ausgefahrenen
Stellung in die eingefahrene Stellung zurückbewegt, entsteht in der weiteren Kammer
ein Überdruck.
Die weitere Kammer wirkt in der Saugphase somit als zusätzlicher
Saugraum und in der Druckphase als zusätzlicher Druckraum. Die weitere
Kammer ist über
zumindest jeweils einen Kanal in dem Rotor mit der ersten Teilkammer
und der zweiten Teilkammer verbunden, so dass ein entsprechender
Druckausgleich zwischen den beiden Teilkammern und der weiteren
Kammer je nach Saug- oder Druckphase erfolgt. Der erste Kanal und/oder der
zweite Kanal können
dabei als Bohrungen in dem Rotor, wenn dieser als massiver Körper ausgebildet ist,
oder im Falle eines Hohlrotors auch als Leitungen im Inneren des
Rotors ausgebildet sein.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe
kann zum Erzeugen eines Vakuums, zum Erzeugen eines hohen Druckes,
als Hydraulikpumpe, als Förderpumpe
für gasförmige und/oder
flüssige
Medien usw. verwendet werden.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Verdrängungskörper auf seiner der Innenwand der
Ausnehmung zugewandten Seite eine Oberflächenkontur auf, die der Innenkontur
der Innenwand dieser Ausnehmung entspricht.
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Der
Vorteil dieser Maßnahme
besteht darin, dass die weitere Kammer bei vollständig in
die Ausnehmung eingefahrenem Verdrängungskörper ein verschwindend kleines
Volumen aufweist, wodurch in der Saugphase ein besonders hoher Saugdruck
erzeugt werden kann, und in der Druckphase das in der weiteren Kammer
befindliche Medium vollständig aus
der weiteren Kammer verdrängt
werden kann, wodurch besonders hohe Drücke erzielbar sind.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Gehäuseinnenwand,
entlang der der Verdrängungskörper läuft, eine
Oberflächenkontur
auf, die der Oberflächen kontur
der der Gehäuseinnenwand
zugewandten Seite des Verdrängungskörpers entspricht.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass durch die gegenseitige Anpassung der Oberflächenkonturen
des Verdrängungskörpers und
der Gehäuseinnenwand
der Verdrängungskörper allein
eine ausreichende Dichtwirkung zur Abdichtung der ersten Teilkammer
von der zweiten Teilkammer ohne weitere Dichtungsmaßnahmen
bewirkt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist der Verdrängungskörper als
Rotationskörper
ausgebildet, der in der Ausnehmung zumindest um eine zur Drehachse
parallele Achse rotieren kann.
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Diese
Maßnahme,
die auch ohne die Merkmale des Kennzeichens als eigenständige Erfindung angesehen
wird, hat den Vorteil, dass die Reibung zwischen dem Verdrängungskörper und
der Gehäuseinnenwand
beim Entlanglaufen des Verdrängungskörpers an
der Gehäuseinnenwand
stark vermindert ist, weil der Verdrängungskörper an der Gehäuseinnenwand
abrollen kann. Bei hohen Drehzahlen des Rotors und entsprechend
hohen Abrollgeschwindigkeiten des Rotationskörpers entsteht zwischen diesem
und der Gehäuseinnenwand
ein Film des Mediums (Gas oder Flüssigkeit), der die Reibung
weiter vermindert. Die bei den klassischen Drehschieberpumpen insbesondere
bei hohen Drehzahlen des Rotors auftretenden hohen Reibungskräfte werden bei
dieser Ausgestaltung vorteilhafterweise auf ein Minimum reduziert,
wodurch die erfindungsgemäße Pumpe
wesentlich verschleißärmer ist
als die klassischen Drehschieberpumpen und weniger Energie für ihren
Antrieb benötigt.
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Im
Zusammenhang mit der zuvor genannten Ausgestaltung ist es bevorzugt,
wenn der Verdrängungskörper eine
Kugel ist.
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Der
Vorteil einer Kugel als Verdrängungskörper besteht
darin, dass sich die Kugel in der Ausnehmung um beliebige körpereigene
Achsen drehen kann, wodurch ein Abrollen des Verdrängungskörpers an
der Gehäuseinnenwand
auch dann noch möglich
ist, wenn die Drehachse des Rotors aufgrund von Toleranzen nicht
exakt parallel zur Gehäusemittelachse
steht.
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Dabei
ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Kugel eine Hohlkugel ist.
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Hierbei
ist von Vorteil, dass der Verdrängungskörper eine
geringere Masse aufweist, was zum einen die auf den Verdrängungskörper wirkenden
Fliehkräfte
beim Rotieren des Rotors reduziert, und außerdem die für den Betrieb
der Pumpe erforderliche Antriebsenergie reduziert.
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Im
Fall, dass der Verdrängungskörper eine Kugel
ist, ist es weiterhin bevorzugt, wenn die Innenwand der Ausnehmung
die Form einer Teilkugelmantelfläche
aufweist.
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In
dieser Ausgestaltung kann der als Kugel ausgebildete Verdrängungskörper in
der in die Ausnehmung maximal eingefahrene Stellung, in der die Kugel
an der Innenwand der Ausnehmung vollständig anliegt, das Volumen der
weiteren Kammer praktisch auf null reduzieren, wodurch in der Druckphase ein
besonders hoher Druck und in der Saugphase eine besonders hohe Saugwirkung
erzielt wird.
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Alternativ
zur Ausgestaltung des Verdrängungskörpers als
Kugel ist es jedoch ebenso bevorzugt, wenn der Verdrängungskörper ein
Zylinder ist, dessen Zylinderachse parallel zur Drehachse verläuft.
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Auch
in diesem Fall ist der Verdrängungskörper als
Rotationskörper
ausgebildet, wobei der Zylinder beim Entlanglaufen an der Gehäuseinnenwand an
dieser durch Drehung um die Zylinderachse an der Gehäuseinnenwand
abrollt, wodurch wiederum die Reibung stark vermindert ist. Gegenüber einer Kugel
als Verdrängungskörper hat
ein Zylinder den weiteren Vorteil, dass die weitere Kammer und auch die
erste Kammer durch eine entsprechend langbauende Ausgestaltung des
Zylinders in Richtung der Zylinderachse zur Erzielung noch höherer Pumpleistungen
größer ausgebildet
werden kann.
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Während bei
einer Ausgestaltung des Verdrängungskörpers als
Kugel der Rotor eine kugelförmige
Grundform aufweist, weist der Rotor bei einer Ausgestaltung des
Verdrängungskörpers als
Zylinder eine zylindrische Grundform auf, was den weiteren Vorteil
hat, dass der Rotor axial in Richtung der Zylinderachse aus zwei
oder mehr Abschnitten durch Verschraubung zusammengefügt werden
kann, wodurch auch das Einbringen des zumindest einen ersten und des
zumindest einen zweiten Kanals vereinfacht ist.
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Auch
im Falle der Ausgestaltung des Verdrängungskörpers als Zylinder ist dieser
wiederum vorzugsweise als Hohlzylinder ausgebildet, und gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Innenwand der Ausnehmung
die Form einer Teilzylindermantelfläche auf.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem ersten Kanal
ein erstes Ventil angeordnet, dass den ersten Kanal verschließt, wenn
sich der Verdrängungskörper aus
der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene Stellung bewegt,
und das den ersten Kanal freigibt, wenn sich der Verdrängungskörper aus
der ausgefahrenen Stellung in die eingefahrene Stellung bewegt.
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Das
erste Ventil dient der Steuerung des Druckausgleichs zwischen der
weiteren Kammer und der ersten Teilkammer, die beim Umlaufen des
Verdrängungskörpers den
Druckraum bildet. Wenn sich der Verdrängungskörper aus der eingefahrenen
Stellung herausbewegt, wodurch sich in der weiteren Kammer eine
Saugwirkung einstellt, verhindert das erste Ventil, das sich dann
in seiner Schließstellung befindet,
dass die erste Teilkammer (Druckraum) mit der weiteren Kammer kommuniziert.
Umgekehrt gibt das erste Ventil den ersten Kanal frei, wenn sich
der Verdrängungskörper aus
der ausgefahrenen Stellung in die eingefahrene Stellung bewegt,
wodurch in der dann stattfindenden Druckphase die weitere Kammer mit
der ersten Teilkammer kommuniziert, um in der ersten Teilkammer
den Druck zusätzlich
zu erhöhen.
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In
vergleichbarer Weise ist in dem zweiten Kanal vorzugsweise ein zweites
Ventil angeordnet, das den zweiten Kanal freigibt, wenn sich der
Verdrängungskörper aus
der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene Stellung bewegt,
und das den zweiten Kanal verschließt, wenn sich der Verdrängungskörper aus
der ausgefahrenen Stellung in die eingefahrene Stellung bewegt.
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Die
Funktionsweise des zweiten Ventils ist im Wesentlichen umgekehrt
zur Funktionsweise des ersten Ventils und steuert vorteilhafterweise
die Kommunikation zwischen der weiteren Kammer und der zweiten Teilkammer
(Saugkammer) in der Saugphase, in der die weitere Kammer zur Erzeugung
einer zusätzlichen
Saugwirkung mit der zweiten Teilkammer kommuniziert, und in der
Druckphase unterbricht das zweite Ventil die Kommunikation der weiteren Kammer
mit der zweiten Teilkammer.
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Weiterhin
ist es bevorzugt, wenn das erste Ventil und/oder das zweite Ventil
selbsttätig
durch die in dem ersten und/oder zweiten Kanal beidseitig des ersten
Ventils und/oder beidseitig des zweiten Ventils herrschenden Momentandrücke gesteuert
sind.
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Der
Vorteil dieser Maßnahme
besteht darin, dass auf Maßnahmen
einer aktiven Steuerung, beispielsweise einer elektromotorischen
Steuerung der Ventile verzichtet werden kann, wodurch die Herstellungskosten
der Pumpe und auch der Aufwand bei Wartungen an der Pumpe verringert
sind. Zur Steuerung des Öffnens
und Schließens
des ersten Ventils und/oder des zweiten Ventils wird vorteilhafterweise der
sich beim Umlaufen des Verdrängungskörpers um
die Drehachse verändernde
Druck im ersten und/oder zweiten Kanal genutzt. In der Saugphase, in
der sich der Verdrängungskörper aus
der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene Stellung bewegt, wird
das zweite Ventil selbsttätig
geöffnet,
während im
umgekehrten Fall, dass sich der Verdrängungskörper von der ausgefahrenen
Stellung in die eingefahrene Stellung in die Ausnehmung hineinbewegt, das
erste Ventil selbsttätig
geöffnet
und das zweite Ventil selbsttätig
geschlossen wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erste Ventil
einen ersten Ventilteller und einen ersten Ventilsitz auf, wobei
der erste Ventilteller in Richtung zur ersten Teilkammer hin gegen
den ersten Ventilteller schließt,
wobei der erste Ventilteller vorzugsweise in seine Schließstellung
vorgespannt ist.
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In
entsprechender Weise weist das zweite Ventil vorzugsweise einen
zweiten Ventilteller und einen zweiten Ventilsitz auf, wobei der
zweite Ventilteller in Richtung zur zweiten Teilkammer hin gegen
den ersten Ventilteller schließt,
wobei der zweite Ventilteller vorzugsweise in seine Schließstellung
vorgespannt ist.
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Die
Ausgestaltung des ersten und/oder zweiten Ventils in einer Bauweise
mit Ventilteller und Ventilsitz ist konstruktiv sehr einfach, und
die Vorspannung des ersten und/oder zweiten Ventiltellers in die Schließstellung
ermöglicht
auf vorteilhafte und einfache Weise eine Steuerung des Öffnens und
Schließens
des ersten und/oder zweiten Ventils mittels des in dem ersten und/oder
zweiten Kanal herrschenden Momentandrucks, wie oben beschrieben
wurde.
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In
der zuvor genannten Ausgestaltung sind das erste und zweite Ventil
relativ zueinander so angeordnet, dass ihre Öffnungs- und Schließbewegung zueinander
gegenläufig
sind, was insbesondere bei einer passiven Steuerung der Ventile
mittels des herrschenden Momentandrucks vorteilhaft ist.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist das erste Ventil in
dem ersten Kanal so angeordnet, dass der erste Ventilteller und
der erste Ventilsitz im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Drehachse
orientiert sind, und/oder das zweite Ventil ist in dem zweiten Kanal
so angeordnet, dass der zweite Ventilteller und der zweite Ventilsitz
im Wesentlichen in Umfangsrichtung um die Drehachse orientiert sind.
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Diese
Maßnahme
hat den Vorteil, dass die auf die beiden Ventile beim Rotieren des
Rotors entstehenden in Umfangsrichtung um die Drehachse wirkenden
Massenträgheitskräfte die
Steuerung der beiden Ventile mittels des in dem ersten und/oder zweiten
Kanal herrschenden Momentandrucks zusätzlich unterstützen. So
bewirken beispielsweise diese Kräfte
in der Saugphase der Pumpe ein sicheres Schließen des ersten Ventils im ersten
Kanal (Druckkanal).
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist in dem Rotor eine Mehrzahl
an ersten Kanälen und
eine Mehrzahl an zweiten Kanälen
vorhanden.
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Diese
Ausgestaltung ist insbesondere im Zusammenhang mit der Ausgestaltung
des Verdrängungskörpers als
Zylinder von Vorteil, weil je nach gewählter Länge des Zylinders durch das
Vorsehen mehrerer ersten und zweiter Kanäle ein ausreichender Druckausgleichsquerschnitt
zwischen der ersten Teilkammer bzw. der zweiten Teilkammer und der weiteren
Kammer geschaffen wird.
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Die
erfindungsgemäße Pumpe
benötigt
im Unterschied zu den klassischen Drehschieberpumpen nur einen Verdrängungskörper, auch
wenn der Rotor der erfindungsgemäßen Pumpe
so ausgestaltet werden kann, dass dort mehrere Verdrängungskörper in
mehreren Ausnehmungen vorhanden sind.
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Des
Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung möglich, zum Ausgleich der Massen
vorzugsweise zwei bis vier erfindungsgemäße Pumpen auf einer gemeinsamen
Achse als Einheit anzuordnen, bei der die Rotoren radial um 180° versetzt
zueinander angeordnet sind. Dadurch kann insbesondere auch eine
kontinuierliche Saug- bzw. Druckwirkung der Gesamtpumpenanordnung
erreicht werden.
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Weiter
Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
und der beigefügten
Zeichnung.
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Es
versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend
noch zu erläuternden Merkmale
nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in
anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug
auf diese hiernach näher
beschrieben. Es zeigen:
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1 eine
Pumpe in einer teilweise aufgebrochenen perspektivischen Darstellung;
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2a)
und b) die Pumpe in 1 in einer ersten Betriebsstellung,
wobei 2a) einen Schnitt entlang der Linie A-A in 2b)
und 2b) einen Schnitt entlang der Linie B-B in 2a)
zeigt;
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3a)
und b) die Pumpe in 1 in einer weiteren Betriebsstellung,
wobei 3a) einen Schnitt entlang der Linie A-A in 3b)
und 3b) einen Schnitt entlang der Linie B-B in 3a)
zeigt;
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4a)
und b) die Pumpe in einer weiteren Betriebsstellung, wobei 4a)
einen Schnitt entlang der Linie A-A in 4b) und 4b)
einen Schnitt entlang der Linie B-B in 4a) zeigt;
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5a)
und b) die Pumpe in einer noch weiteren Betriebsstellung, wobei 5a)
einen Schnitt entlang der Linie A-A in 5b) und 5b)
einen Schnitt entlang der Linie B-B in 5a) zeigt;
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer Pumpe in einer teilweise aufgebrochenen, perspektivischen
Darstellung;
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7a)
und b) eine erste Betriebsstellung der Pumpe in 6,
wobei 7a) einen Schnitt entlang der Linie A-A in 7b)
und 7b) einen Schnitt entlang der Linie B-B in 7a)
zeigt; und
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8a)
und b) eine weitere Betriebsstellung der Pumpe in 6,
wobei 8a) einen Schnitt entlang der Linie A-A in 8b)
und 8b) einen Schnitt entlang der Linie B-B in 8a)
zeigt.
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In 1 ist
eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Pumpe
dargestellt. Die Pumpe 10 kann als Vakuumpumpe, als Hochdruckpumpe,
als Förderpumpe
für gasförmige und/oder flüssige Medien,
usw. verwendet werden.
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In 2a)
bis 5b) sind Einzelheiten der Pumpe 10 sowie
verschiedene Betriebsstellungen der Pumpe 10 dargestellt.
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Die
Pumpe 10 weist ein Gehäuse 12 auf,
das in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
im Wesentlichen eine Kugelform aufweist.
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Das
Gehäuse 12 ist
aus zwei Gehäuseteilen 14 und 16 (siehe 2a))
aufgebaut, die entlang von Flanschen 18 und 20 aneinander
befestigt sind, beispielsweise durch Schrauben (nicht dargestellt).
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Das
Gehäuse 12 weist
einen Einlass 22 auf, durch den ein Medium in das Gehäuse 12 eingelassen
werden kann, sowie einen Auslass 24, durch den das Medium
wieder ausgelassen wird.
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In
dem Gehäuse 12 ist
ein Rotor 26 angeordnet. Der Rotor 26 ist in dem
Gehäuse 12 um
eine Drehachse 28 in Richtung eines Pfeils 30 in 2a) bzw.
eines Pfeils 32 in 2b) drehbar
gelagert. Dazu weist der Rotor 26 in Richtung der Drehachse 28 axiale
Fortsätze 34 und 36 auf,
die in dem Gehäuse 12 mittels
Lagern 38, 40 drehbar gelagert sind. Der axiale
Fortsatz 36 weist einen weiteren Fortsatz 42 auf,
der aus dem Gehäuse 12 hervorragt
und als Antriebswelle für
den Rotor 26 dient.
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Die
gehäusefeste
Drehachse 28 ist in dem Gehäuse 12 exzentrisch
zur Gehäusemitte
angeordnet, wie aus 2a) hervorgeht. Dadurch weist
eine Gehäuseinnenwand 44 zwischen
einer Stelle 46 und einer Stelle 48 einen Bereich
auf, in dem die Gehäuseinnenwand 44 von
einer Außenseite 50 des
Rotors 26 beabstandet ist. An den Stellen 46 und 48 der
Gehäuseinnenwand 44 ist
nur ein geringer Spalt zur Außenseite 50 des
Rotors 26 vorhanden, durch den das Medium (Gas oder Flüssigkeit)
aber hindurchtreten kann.
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Zwischen
der Außenseite 50 des
Rotors 26 und der Gehäuseinnenwand 44 ist
in dem Bereich zwischen den Stellen 46 und 48 in
Drehrichtung gemäß Pfeil 30 um
die Drehachse 28 gesehen somit eine erste Kammer 52 vorhanden,
die von dem durch den Einlass 22 eingelassenen Medium vollständig beflutet
wird, wie nachfolgend noch beschrieben wird.
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Die
Außenseite 50 des
Rotors 26 entspricht im Wesentlichen der Oberfläche einer
Kugel.
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Der
Rotor 26 weist eine Ausnehmung 54 auf, in der
zumindest ein, im gezeigten Ausführungsbeispiel
genauer Verdrängungskörper 56 aufgenommen ist.
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Der
Verdrängungskörper 56 ist
in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Kugel 58 ausgebildet. Die Kugel 58 ist eine
Hohlkugel. Die Kugel 58 ist in der Ausnehmung 54 um
beliebige körpereigene Achsen
drehbar aufgenommen.
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Weiterhin
ist die Kugel 58 in der Ausnehmung 54 bezüglich der
Drehachse 28 radial beweglich angeordnet. Beim Rotieren
des Rotors 26 um die Drehachse 28 läuft die
Kugel 58 stets an der Gehäuseinnenwand 44 des
Gehäuses 12 entlang,
wobei die beim Rotieren des Rotors 26 auf die Kugel 58 wirkenden
Fliehkräfte
bewirken, dass die Kugel 58 stets gegen die Gehäuseinnenwand 44 anliegt.
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Die
Kugel 58 ist in der Ausnehmung 54 zwischen einer
radial eingefahrenen Stellung, die in 2a) und
b) gezeigt ist, und einer maximal ausgefahrenen Stellung, die in 4a)
und b) dargestellt ist, in der Ausnehmung 54 beweglich.
Die Erstreckung der Ausnehmung 54 in Richtung senkrecht
zur Drehachse 28 ist gemäß 4a) und
b) so gewählt, dass
die Kugel 58 in der maximal ausgefahrenen Stellung noch
mit zumindest einem halben Durchmesser in der Ausnehmung 54 des
Rotors 26 aufgenommen ist.
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Die
Ausnehmung 54 in dem Rotor 26 ist so ausgebildet,
dass eine der Kugel 58 zugewandte Innenwand 60 der
Ausnehmung 54 der Oberflächenkontur der Kugel 58 entspricht,
d. h. die Innenwand 60 weist die Form einer Teilkugelmantelfläche auf.
In der vollständig
eingefahrenen Stellung der Kugel 58 in die Ausnehmung 54 gemäß 2a)
und b) liegt die Kugel 58 über ihren halben Kugelumfang
vollständig
an der Innenwand 60 der Ausnehmung 54 an.
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Die
Gehäuseinnenwand 44 des
Gehäuses 12,
entlang der die Kugel 58 beim Umlaufen um die Drehachse 28 läuft, weist
eine Oberflächenkontur auf,
die ebenfalls an die Oberflächenkontur
der Kugel 58 angepasst ist, die hier also im Schnitt gemäß 2b)
teilkreisförmig,
insbesondere halbkreisförmig
ausgebildet ist.
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Beim
Umlaufen der Kugel 58 um die Drehachse 28 unterteilt
die Kugel 58 die erste Kammer 52 in eine vorauseilende
erste Teilkammer 62 und eine nacheilende zweite Teilkammer 64.
Die erste Teilkammer 62 bildet einen Druckraum und die
zweite Teilkammer 64 bildet einen Saugraum. Die erste Teilkammer 62 und
die zweite Teilkammer 64 verändern sich beim Umlaufen der
Kugel 58 entlang der Gehäuseinnenwand 44 entsprechend
relativ zueinander hinsichtlich ihrer Volumina.
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Zwischen
der Kugel 58 und der Innenwand 60 der Ausnehmung 54 des
Rotors 26 ist eine weitere Kammer 66 gebildet,
die sich beim Umlaufen der Kugel 58 um die Drehachse 28 aufgrund
der radialen Bewegung der Kugel 58 zwischen ihrer in die
Ausnehmung 54 eingefahrenen Stellung und aus der Ausnehmung 54 ausgefahrenen
Stellung im Volumen periodisch vergrößert und verkleinert. Die Kugel 58 dichtet
die weitere Kammer 66 gegen die erste und zweite Teilkammer 62, 64 stets
ab, d. h. unabhängig
von ihrer radialen Stellung in der Ausnehmung 54.
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In
dem Rotor 26 ist ein erster Kanal 68 vorhanden,
der die erste Teilkammer 62 mit der weiteren Kammer 66 verbindet,
sowie ein zweiter Kanal 70, der die zweite Teilkammer 64 mit
der weiteren Kammer 66 verbindet. Die weitere Kammer 66 kann
somit mit der ersten Teilkammer 62 sowie mit der zweiten Teilkammer 64 druckausgleichend
kommunizieren, wobei die Kommunikation der weiteren Kammer 66 mit
der ersten Teilkammer 62 und der zweiten Teilkammer 64 im
Wesentlichen abwechselnd erfolgt, wenn die Kugel 58 um
die Drehachse 28 umläuft.
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Der
erste Kanal 68 und der zweite Kanal 70 münden in
die weitere Kammer 66 über
einen gemeinsamen Abschnitt 71. Der erste Kanal 68 und
der zweite Kanal 70 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel
als Bohrungen in dem Rotor 26 ausgebildet. Der erste Kanal 68 und
der zweite Kanal 70 münden in
die erste Teilkammer 62 bzw. in die zweite Teilkammer 64 in
unmittelbarer Nähe
zur Öffnung
der Ausnehmung 54.
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In
dem ersten Kanal 68 ist ein erstes Ventil 72 und
in dem zweiten Kanal 70 ist ein zweites Ventil 74 angeordnet.
Das erste Ventil 72 verschließt den ersten Kanal 68,
so dass die erste Teilkammer 62 in diesem Zustand nicht
mit der weiteren Kammer 66 kommuniziert, wenn sich die
Kugel 58 aus der eingefahrenen Stellung in die ausgefahrene
Stellung bewegt. Das erste Ventil 72 gibt den ersten Kanal 68 frei,
wenn sich die Kugel 58 aus der ausgefahrenen Stellung in
die eingefahrene Stellung bewegt, so dass in der Offenstellung des
ersten Ventils 72 die erste Teilkammer 62 mit
der weiteren Kammer 66 kommuniziert, wodurch in der ersten
Teilkammer 62 und der weiteren Kammer 66 der gleiche
Druck herrscht. Das zweite Ventil 74 gibt den zweiten Kanal 70 frei,
wenn sich die Kugel 58 aus der radial eingefahrenen Stellung
in die radial ausgefahrene Stellung bewegt, so dass in der zweiten
Teilkammer 64 und der weiteren Kammer 66 der gleiche
Druck herrscht, und verschließt
den zweiten Kanal 70, wenn sich die Kugel 58 aus
der ausgefahrenen Stellung in die eingefahrene Stellung bewegt.
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Das
erste Ventil 72 und das zweite Ventil 74 sind
dabei selbsttätig
durch die in dem ersten Kanal 68 und dem zweiten Kanal 70 beidseitig
des ersten bzw. zweiten Ventils 72 bzw. 74 herrschenden
Momentandrücke
gesteuert.
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Das
erste Ventil 72 weist einen ersten Ventilteller 76 auf,
der mit einem ersten Ventilsitz 78 zusammenwirkt, wobei
der erste Ventilteller 76 in der Schließstellung des ersten Ventils 72 in
Richtung zur ersten Teilkammer 62 hin gegen den ersten
Ventilsitz 78 schließt.
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Das
zweite Ventil 74 weist einen zweiten Ventilteller 80 auf,
der mit einem zweiten Ventilsitz 82 zusammenwirkt, wobei
der zweite Ventilteller 80 in der Schließstellung
des zweiten Ventils 74 in Richtung zur zweiten Teilkammer 64 hin
gegen den zweiten Ventilsitz 82 schließt.
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Sowohl
das erste Ventil 72 als auch das zweite Ventil 74 sind
mittels einer Feder 84 bzw. 86 in ihre Schließstellung
vorgespannt. Die Vorspannung der Ventile 72, 74 ist
ebenfalls ein Parameter der Steuerung der Ventile 72, 74 zusätzlich zu
den oben genannten Momentandrücken
in den Kanälen 68, 70.
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Die
Ventile 72 und 74 sind in dem ersten Kanal 68 bzw.
dem zweiten Kanal 70 so angeordnet, dass der erste Ventilteller 76 und
der erste Ventilsitz 78 bzw. der zweite Ventilteller 80 und
der zweite Ventilsitz 82 in Umfangsrichtung um die Drehachse 28 orientiert
sind.
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Die
Pumpe 10 weist eine Dichtung 88 auf, die in einem
Mittelsteg 90 des Gehäuses 12 angeordnet
ist, der den Einlass 22 von dem Auslass 24 trennt. Die
Dichtung 88 ist gemäß 2b)
in der Ebene der Drehachse 28 etwa halbkreisförmig ausgebildet
und mittels einer Wellfeder 92 radial elastisch gegen den Rotor 26 vorgespannt,
so dass die Dichtung 88 am Rotor 26 anliegt.
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Weitere
Dichtungen benötigt
die Pumpe 10 nicht.
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Nachfolgend
wird die Arbeitsweise der Pumpe 10 näher beschrieben.
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In
der in 2a) und b) gezeigten Betriebsstellung befindet
sich der Rotor 26 in der hier als 0°-Stellung bezeichneten Drehstellung
bezüglich
der Drehachse 28. In dieser Stellung ist die Kugel 58 maximal
in die Ausnehmung 54 eingefahren, so dass das Volumen der
weiteren Kammer 66 minimal bzw. sogar null ist. Die Kugel 58 befindet
sich in dieser Stellung etwa auf Höhe des Mittelstegs 90 zwischen dem
Einlass 22 und dem Auslass 24.
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In
dem ersten Kanal 68, dem zweiten Kanal 70 und
der ersten Kammer 52, die in dieser Drehstellung des Rotors 26 noch
nicht in die erste Teilkammer 62 und die zweite Teilkammer 64 unterteilt
ist, herrscht der gleiche Druck. Das erste Ventil 72 und das
zweite Ventil 74 sind beide geschlossen, weil auf keines
der beiden Ventile 72, 74 eine öffnende
Kraft wirkt.
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In 3a)
und b) ist die Pumpe 10 in einer Betriebsstellung gezeigt,
in der sich der Rotor 26 um die Drehachse 28 um
etwas weniger als 90° gegenüber der
0°-Stellung
in 2a) und b) gedreht hat. Die Kugel 58 hat
sich dabei unter stetigem Entlanglaufen an der Gehäuseinnenwand 44 etwas
aus der Ausnehmung 54 radial herausbewegt, wodurch sich
das Volumen der weiteren Kammer 66 vergrößert hat. Durch
die Vergrößerung des
Volumens der weiteren Kammer 66 entsteht in der weiteren
Kammer 66 ein zusätzlicher
Unterdruck, der bewirkt, dass sich das zweite Ventil 74 öffnet. Es
entsteht somit am Einlass 22 eine zusätzliche Saugwirkung, durch
die Medium durch den Einlass 22 durch den zweiten Kanal 70 in die
weitere Kammer 66 strömt,
wie mit Pfeilen 94, 96 angedeutet ist. Die Kugel 58 beginnt
etwa in dieser Umlaufstellung um die Drehachse 28, die
erste Kammer 52 in die erste Teilkammer 62 und
die zweite Teilkammer 64 zu unterteilen. Es entsteht somit
in der ersten Kammer 52 ein Druckraum (erste Teilkammer 62)
und ein Saugraum (zweite Teilkammer 64). Durch die Anlage
der Kugel 58 an der Gehäuseinnenwand 44 sind
beide Teilkammern 62, 64 gegeneinander abgedichtet.
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Das
erste Ventil 72 ist weiterhin geschlossen. Dadurch, dass
der erste Ventilteller 76 gegen den ersten Ventilsitz 78 entgegen
der Drehrichtung des Rotors 26 um die Drehachse 28 schließt, wird
der erste Ventilteller 76 durch die Massenträgheit und
unter der Wirkung der Feder 84 weiterhin gegen den ersten
Ventilsitz 78 gedrückt,
so dass der in der weiteren Kammer 66 entstehende Saug-
bzw. Unterdruck das erste Ventil 72 nicht öffnet. Umgekehrt
ist es bei dem zweiten Ventil 74, dessen zweiter Ventilteller 80 gegen
den zweiten Ventilsitz 82 in Drehrichtung schließt, so dass
aufgrund der Drehbewegung des Rotors 26 um die Drehachse 28 die
Massenträgheit
den ersten Ventilteller 80 gegen die Wirkung der Feder 86 im
Zusammenwirken mit dem Unterdruck in der weiteren Kammer 66 von
dem zweiten Ventilsitz 82 abhebt, wodurch das zweite Ventil 74 geöffnet wird.
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In
der ersten Teilkammer 62 hat sich in der in 3a)
und b) gezeigten Stellung der Kugel 58 bzw. des Rotors 26 noch
kein nennenswerter Druck aufgebaut, während die Saugwirkung in der
sich bildenden zweiten Teilkammer 64 hoch ist.
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In
der Darstellung in 4a) und b) hat sich der Rotor 26 ausgehend
von 2a) und b) um 180° um die Drehachse 28 gedreht.
Die Kugel 58 ist in dieser Stellung maximal radial aus
der Ausnehmung 54 ausgefahren. Das Volumen der weiteren Kammer 66 ist
nun maximal und entspricht etwa dem halben Volumen der Kugel 58.
Das zweite Ventil 74 befindet sich noch in seiner Offenstellung,
während
das erste Ventil 72 noch geschlossen ist. Die weitere Kammer 66 ist
nun vollständig
mit dem durch den Einlass 22 angesaugten Medium gefüllt. Das
durch den Einlass 22 fortlaufend angesaugte Medium tritt
durch den geringfügigen
Spalt zwischen der Außenseite
des Rotors 26 und der Gehäuseinnenwand 44 im
Bereich der Stelle 46 in die zweite Teilkammer 64 ein
und gelangt über
den zweiten Kanal 70 in die weitere Kammer 66.
In der weiteren Kammer 66 herrscht somit der gleiche Druck
wie in der zweiten Teilkammer 64.
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In
dieser Drehstellung des Rotors 26 besitzen die erste Teilkammer 62 und
die zweite Teilkammer 64 etwa das gleiche Volumen.
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Ausgehend
von 4a) und b) hat sich der Rotor 26 in 5a)
und b) etwa um etwas mehr als 90° weiter
um die Drehachse 28 gedreht (ca. 270°-Stellung, wobei auf diesem
Drehweg die Kugel 58 sich wieder radial in die Ausnehmung 54 hineinbewegt
hat. Entsprechend verkleinert sich dabei das Volumen der weiteren
Kammer 66, so dass in dieser ein Überdruck entsteht, der das
zweite Ventil 74 schließt, während das erste Ventil 72 geöffnet ist.
Die das erste Ventil 72 öffnende Kraft wird durch den
nun hohen Überdruck
in der ersten Teilkammer 62 und dem Abschnitt des ersten
Kanals 68, der in die Teilkammer 62 mündet, erzeugt.
Die weitere Kammer 66 kommuniziert nun mit der ersten Teilkammer 62,
und das Medium in der weiteren Teilkammer 66 wird über den
ersten Kanal 68 in die erste Teilkammer 62 und von
dort durch den Spalt zwischen der Gehäuseinnenwand 44 und
der Außenseite 50 des
Rotors 26 im Bereich der Stelle 48 in den Auslass 24 gedrückt.
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Die
zweite Teilkammer 64, die sich ausgehend von 4a)
und b) im Volumen stetig vergrößert hat,
saugt weiterhin an, so dass weiterhin Medium durch den Einlass 22 in
die zweite Teilkammer 64 eingelassen wird.
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An
die Betriebsstellung in 5a) und b) schließt sich
dann wieder der Zustand in 2a) und b)
an.
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Im
Fall der Verwendung der Pumpe 10 als Vakuumpumpe oder als
Förderpumpe
für ein
Gas- oder flüssiges
Medium wird durch den Einlass 22 kontinuierlich Medium
angesaugt und durch den Auslass 24 kontinuierlich ausgelassen.
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Wenn
die Pumpe 10 zum Erzeugen eines hohen Druckes verwendet
werden soll, kann im Auslass 24 ein Auslassventil, insbesondere
ein Rückschlagventil
angeordnet sein, das den Auslass 24 erst dann freigibt,
wenn in der ersten Teilkammer 62 ein entsprechend hoher
Druck ansteht, der das Ventil im Auslass 24 öffnet.
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In 6 ist
ein gegenüber 1 abgewandeltes
Ausführungsbeispiel
einer Pumpe 110 dargestellt. Weitere Einzelheiten der Pumpe 110 sind
in 7a) bis 8b) dargestellt.
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Für die Pumpe 110 werden
für gleiche
oder vergleichbare Teile die gleichen Bezugszeichen wie für die Pumpe 10,
erhöht
um 100, verwendet.
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Nachfolgend
werden vor allem die Unterschiede der Pumpe 110 zur Pumpe 10 beschrieben.
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Die
Pumpe 110 weist ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 112 auf,
in dem ein ebenfalls im Wesentlichen zylindrischer Rotor 126 angeordnet ist,
der um eine zur Gehäusemitte
exzentrische gehäusefeste
Drehachse 128 in dem Gehäuse umläuft. In einer Ausnehmung 154 in
dem Rotor 126 ist ein Verdrängungskörper 156 angeordnet,
der als Zylinder 158 ausgebildet ist.
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Eine
Innenwand 160 der Ausnehmung 154 weist eine Innenkontur
auf, die an die Oberflächenkontur
des Zylinders 158 angepasst ist.
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Ebenso
ist eine Gehäuseinnenwand 144, entlang
der der Zylinder 158 bei drehendem Rotor 126 läuft, mit
einer Oberflächenkontur
ausgebildet, die an die Zylinderoberfläche des Zylinders 158 angepasst
ist. Gemäß 7b)
und 8b) weist die Gehäuseinnenwand 144 in
einem Schnitt parallel zur Drehachse 128 eine im Wesentlichen
rechteckige Form auf, und in Umfangsrichtung um die Drehachse 128 gesehen
ist die Gehäuseinnenwand 144 im
Wesentlichen die Oberfläche
eines Zylinders.
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Der
Zylinder 158 ist in der Ausnehmung 154 so angeordnet,
dass seine Zylinderachse 159 parallel zur Drehachse 128 verläuft. Wie
die Kugel 58 der Pumpe 10 rollt der Zylinder 158 beim
Umlaufen um die Drehachse 128 an der Gehäuseinnenwand 144 ab,
wodurch Reibungsverluste minimal sind.
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Der
Zylinder 158 ist als Hohlzylinder ausgebildet.
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Die
Innenwand 160 der Ausnehmung 154 ist ebenfalls
an die Oberflächenkontur
des Zylinders 158 angepasst und weist entsprechend die
Form einer Teilzylindermantelfläche
auf, so dass der Zylinder 158 in seiner in die Ausnehmung 154 maximal
radial eingefahrenen Stellung an der Innenwand 160 entlang
einer etwa halbkreisförmigen
Berührlinie
anliegt, wie in 7a) dargestellt ist.
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Die
Gehäuseinnenwand 144 weist
in Umfangsrichtung um die Drehachse 128 einen Bereich auf,
in dem die Gehäuseinnenwand 144 von
einer Außenseite 150 des
Rotors 126 beabstandet ist, so dass in diesem Bereich zwischen
der Außenseite 150 des
Rotors 126 und der Gehäuseinnenwand 144 eine erste
Kammer 152 gebildet ist. Die erste Kammer 152 wird
beim Umlaufen des Zylinders 158 um die Drehachse 128 in
eine erste Teilkammer 162 und eine zweite Teilkammer 164 unterteilt,
wie in 8a) zu erkennen ist.
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Zwischen
dem Zylinder 158 und der Innenwand 160 der Ausnehmung 154 ist
eine weitere Kammer 166 gebildet, wobei die weitere Kammer 166 mit der
ersten Teil kammer 162 über
einen ersten Kanal 168 und mit der zweiten Teilkammer 164 über einen zweiten
Kanal 170 verbunden ist.
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In
dem ersten Kanal 168 ist ein erstes Ventil 172 und
in dem zweiten Kanal 170 ist ein zweites Ventil 174 angeordnet.
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Im
Unterschied zu der Pumpe 10 sind in dem Rotor 126 mehrere
ersten Kanäle 168 und
mehrere zweite Kanäle 170 vorhanden,
und zwar jeweils drei von beiden. In 6 sind drei
erste Kanäle 168 und entsprechend
auch drei gemeinsame Abschnitte 171 der Kanäle 168 und 170 gezeigt.
In jedem der mehreren ersten Kanäle 168 und
der mehreren zweiten Kanäle 170 ist
vorzugsweise jeweils ein erstes Ventil 172 und jeweils
ein zweites Ventil 174 angeordnet.
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Die
Funktionsweise des oder der ersten Ventile 172 und des
oder der zweiten Ventile 174 ist identisch mit der Funktionsweise
des ersten Ventils 72 und des zweiten Ventils 74 der
Pumpe 10.
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Im Übrigen ist
der Aufbau und die Arbeitsweise der Pumpe 110 mit dem Aufbau
und der Arbeitsweise der Pumpe 10 gleich. 7a)
und b) zeigen die Pumpe 110 in einer Betriebsstellung,
die der Betriebsstellung der Pumpe 10 in 2a)
und b) entspricht, und 8a) und b) zeigen die Pumpe 110 in einer
Betriebsstellung, die der Betriebsstellung der Pumpe 10 in 4a)
und b) entspricht.
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Im
Fall der Ausgestaltung des Verdrängungskörpers 156 als
Zylinder 158 kann zur Erzielung einer entsprechenden Pumpleistung
die Länge des
Zylinders 58 und entsprechend des Rotors 126 mehr
oder weniger lang gewählt
werden. Der Rotor 126 kann in Richtung der Drehachse 128 bzw.
der Zylinderachse des Zylinders 158 mehrteilig ausgeführt sein,
was insbesondere auch die Einbringung der ersten und zweiten Kanäle 168, 170 vereinfacht.