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Die
Erfindung betrifft ein Seitenkanalgebläse, insbesondere
Sekundärluftgebläse für eine Verbrennungskraftmaschine
mit einem mehrteiligen Gehäuse, in dem ein axialer Einlass,
der über einen Einlassbereich in zumindest einen sich im
Wesentlichen ringförmig erstreckenden Förderkanal
mündet, und ein Auslass ausgebildet sind, einem Laufrad,
welches über eine Antriebseinheit antreibbar ist, drehbar im
Gehäuse gelagert ist und Förderschaufeln aufweist,
die mit dem gegenüberliegenden Förderkanal zusammenwirken
und einem Unterbrechungsbereich zwischen dem Einlass und dem Auslass,
in dem der zumindest eine Förderkanal in Umfangsrichtung
unterbrochen ist.
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Seitenkanalgebläse
oder -pumpen sind allgemein bekannt und werden in einer Vielzahl
von Anmeldungen beschrieben. Im Kraftfahrzeug dienen sie beispielsweise
zur Förderung von Kraftstoff oder zum Einblasen von Sekundärluft
in das Abgassystem. Der Antrieb erfolgt üblicherweise über
einen Elektromotor, der das Laufrad antreibt. Das Laufrad ist an
seinem Umfang im Wesentlichen derart ausgebildet, dass es mit dem
ihm axial gegenüberliegenden Förderkanal einen
umlaufenden Wirbelkanal bildet. Aus dem den Wirbelkanal bildenden
Teil des Laufrads ragen Förderschaufeln senkrecht in Richtung
zum gegenüberliegenden, im Gehäuse ausgebildeten
Teil des Förderkanals, so dass zwischen den Förderschaufeln
Taschen gebildet werden. Das geförderte Fluid in den Taschen
erfährt bei Drehung des Laufrades durch die Förderschaufeln
eine Beschleunigung in Umfangsrichtung sowie in radialer Richtung,
so dass im Förderkanal eine umlaufende Wirbelströmung
entsteht.
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Es
sind Seitenkanalgebläse bekannt, bei denen lediglich ein
Förderkanal an einer axialen Seite des Laufrades in einem
Gehäuseteil ausgebildet ist, als auch Seitenkanalgebläse,
bei denen an beiden axialen Seiten des Laufrades ein Förderkanal
ausgebildet ist, wobei dann beide Förderkanäle
fluidisch miteinander verbunden sind. Bei einem derartigen Seitenkanalgebläse
ist einer der Förderkanäle in einem als Deckel
dienenden Gehäuseteil ausgebildet, während der
andere Förderkanal in dem Gehäuseteil ausgebildet
ist, an dem üblicherweise die Antriebseinheit befestigt
ist, an deren Welle das Laufrad zumindest drehfest angeordnet ist.
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Um
eine möglichst gute Förderung beziehungsweise
Druckerhöhung zu erhalten, ist es notwendig, einen möglichst
großen Teil des Umfangs des Förderkanals zu nutzen.
Aus diesem Grund müssen Einlass und Auslass über
den Umfang in Laufrichtung des Laufrades möglichst weit
auseinander liegen, wobei eine Kurzschlussströmung zwischen dem
Einlass und dem Auslass durch einen Unterbrechungsbereich zu verhindern
ist. Als problematisch bei derartigen Seitenkanalgebläsen
hat sich die hohe Geräuschentwicklung herausgestellt, welche
insbesondere durch Pulsationen entsteht, die durch plötzliche
Druckstöße der geförderten Luft auftreten.
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Diese
Druckstöße treten unter anderem unmittelbar nach
dem Überstreichen jeder Förderschaufel am Anfang
des Unterbrechungsbereiches auf, da in den Taschen zwischen den
Förderschaufeln noch verdichtete Luft vorhanden ist, die
nicht vollständig über den Auslass ausgestoßen
wurde, welche bei Erreichen des Unterbrechungsbereiches plötzlich
gegen dessen Wände beschleunigt werden. Dies führt
zu deutlich erhöhten Geräuschemissionen.
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Um
dies zu vermeiden, wird in der
DE 100 24 741 B4 eine Pumpe zur Förderung
von Fluiden vorgeschlagen, bei der der Auslass axial zum Laufrad angeordnet
ist und der Förderkanal in einer Auslassöffnung
mündet, deren Breite in Drehrichtung des Laufrades zunächst
kleiner wird und anschließend im radial äußeren
Bereich eine geringe konstante Breite aufweist.
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Durch
eine derartige Ausführung können die auftretenden
Geräusche zwar reduziert werden, jedoch wird der geförderte
Fluidstrom weiterhin hinter der Auslassöffnung gegen den
Unterbrecherbereich beschleunigt, so dass Druckstöße
entstehen, die zu einer erhöhten Geräuschemission
führen, da plötzliche Querschnittsänderungen
hinter dem Unterbrechungsbereich für Teilvolumina des in
den Taschen geförderten Volumens bei Erreichen des Unterbrechungsbereiches
entstehen.
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Es
stellt sich daher die Aufgabe, ein Seitenkanalgebläse zu
schaffen, mit dem die auftretenden Geräusche weiter reduziert
werden können.
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Diese
Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst.
Im radial innen liegenden Bereich des Laufrades strömt
das Fluid zwischen die Laufschaufeln und verlässt die Taschen
zwischen den Förderschaufeln im radial außen liegenden
Bereich. Durch den tangential auslaufenden Förderkanal überstreichen
jeweils zunächst die Innenseiten der Fördertaschen
den Unterbrechungsbereich des Förderkanals, so dass sich
der Eintrittsquerschnitt bei Drehung des Laufrades stetig verringert.
Das verdichtete Fluid kann die Fördertaschen im Bereich
des Austritts ohne Strömungshindernisse verlassen. Auch
das Fluid, welches sich noch in den Taschen befindet und in diesen
beschleunigt wird und gegebenenfalls durch Verwirbelungen noch im
weiter außenliegenden Bereich in die Taschen eingeströmt
ist, kann über den in Drehrichtung hinter dem Förderkanal
liegenden Bereich der Auslassöffnung die Taschen verlassen
und ohne Strömungshindernisse ausströmen. So werden Druckstöße
auf das Gehäuse verhindert und Geräuschemissionen
verringert. Dadurch, dass in Drehrichtung des Laufrades hinter der
Auslassöffnung an der radial begrenzenden Wand eine Ausnehmung
ausgebildet ist, die die Ausdehnung des Unterbrechungsbereiches
an der radial begrenzenden Wand in Umfangsrichtung verringert, wird
ein zusätzlicher Entspannungsbereich für das geförderte
Fluid hinter der Auslassöffnung geschaffen, in der die
noch vorliegende Druckerhöhung aus der Tasche abgebaut werden
kann, wodurch die auftretenden Druckpulsationen weiter verringert
werden.
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Vorzugsweise
wächst die Erstreckung der Auslassöffnung in Drehrichtung
des Laufrades in Richtung zu dem Gehäuseteil des Sekundärluftgebläses,
in dem der Einlass ausgebildet ist. Durch diese Ausführung
wird der Strömungsvektor einer Wirbelsträhne im
Bereich des Auslasses nachgebildet, wodurch eine zusätzliche
Entleerung der Taschen erreicht wird.
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Eine
zusätzliche Verbesserung wird dadurch erzielt, dass die
Länge der Projektion der in Drehrichtung des Laufrades
die Auslassöffnung begrenzenden Auslasskante zumindest
so groß ist wie oder größer ist als der
Abstand zwischen zwei Schaufeln des Laufrades. Hierdurch wird sichergestellt,
dass eine weitestgehende Entleerung des unter Druck stehenden Fluids
aus der gesamten Tasche in den Auslass erreicht wird.
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Vorzugsweise
wächst die Erstreckung der Ausnehmung in Drehrichtung des
Laufrades in Richtung zu dem Gehäuseteil des Sekundärluftgebläses, in
dem der Einlass ausgebildet ist. Auf diese Weise werden zusätzlich
Druckpulsationen vermindert, da der Entspannungsweg vergrößert
wird.
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In
einer hierzu weiterführenden Ausführungsform wächst
die Erstreckung der Auslassöffnung in Drehrichtung des
Laufrades axial in Richtung zum Einlass des Sekundärluftgebläses
stärker als die Erstreckung der Ausnehmung in Drehrichtung,
so dass ein Winkel zwischen der Auslasskante der Auslassöffnung
und einer Unterbrecherkante ausgebildet ist. Durch die beim Überstreichen
der Ausnehmung ausströmenden Luft ändert sich
der Druck des Fluides in der Tasche und damit die Größe
des Geschwindigkeitsvektors in Umfangsrichtung. Somit ändert
sich die Richtung des Geschwindigkeitsvektors der Wirbelsträhne,
was hier zur möglichst guten Entleerung der Taschen auch
hinter der Einlassöffnung zur Verringerung der Druckstöße
genutzt wird.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist
das Gehäuse zwei axial gegenüberliegende Förderkanäle
auf, wobei die Förderschaufeln des Laufrades zu beiden
axialen Seiten des Laufrades den Förderkanälen
zugewandt sind und die Erstreckung der Auslassöffnung in
Drehrichtung des Laufrades axial von einem Umfangsring des Laufrades
in Richtung zu den axialen Enden der Förderschaufeln wächst.
Auf diese Weise wird die Wirbelbildung beider Förderkanäle
beziehungsweise beider Laufradseiten bei der Ausformung der Auslassöffnung
beachtet, um eine möglichst gute Entleerung der Taschen
und somit eine große Fördermenge zu erreichen,
wobei die Geräuschemissionen durch Vermeidung von Druckstößen
an beiden axial gegenüberliegenden Seiten des Ausstossbereiches
weiter sinken.
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Vorzugsweise
wächst die Erstreckung der Ausnehmung in Drehrichtung des
Laufrades axial vom Umfangsring des Laufrades in Richtung zu den axialen
Enden der Förderschaufeln, wodurch auch die Entspannung
des geförderten Fluids hinter der Auslassöffnung
bezüglich beider Förderkanäle zur Geräuschreduzierung
genutzt wird.
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Es
wird somit ein Seitenkanalgebläse geschaffen, bei dem im
Vergleich zu bekannten Seitenkanalgebläsen der ausgestoßene
Volumenstrom bei gleicher Baugröße der Pumpe erhöht
wird und gleichzeitig nach außen dringende Geräusche
durch auftretende Druckstöße im Bereich des Auslasses
und des Unterbrechungsbereiches deutlich reduziert werden.
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Ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Seitenkanalgebläses ist in den Zeichnungen dargestellt
und wird nachfolgend beschrieben.
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1 zeigt
eine Seitenansicht eines Seitenkanalgebläses in geschnittener
Darstellung.
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Gehäuseteils der
Seitenkanalpumpe der 1.
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3 zeigt
eine perspektivische Ansicht des Deckelteils der Seitenkanalpumpe
der 1.
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Das
in 1 dargestellte Seitenkanalgebläse besteht
aus einem zweiteiligen Gehäuse 2 sowie einem im
Gehäuse 2 drehbar gelagerten und über eine
Antriebseinheit 3 angetriebenen Laufrad 4, beispielsweise
zur Förderung von Luft. Die Luft gelangt über
einen axialen Einlass 6 in einen Einlassbereich 8 eines
ersten Gehäuseteils 10, welches in vorliegender
Ausführung als Deckelteil des Seitenkanalgebläses
dient. Vom Einlassbereich 8 aus strömt die Luft anschließend
in zwei sich im Wesentlichen ringförmig erstreckende Förderkanäle 12, 14,
von denen der erste Förderkanal 12 im Deckelteil 10 ausgebildet
ist und der zweite Förderkanal 14 in einem zweiten
Gehäuseteil 16 ausgebildet ist, in dessen zentraler Öffnung 17 auch
eine Lagerung 18 einer Antriebswelle 19 der Antriebseinheit 3 angeordnet
ist, auf der das Laufrad 4 befestigt ist. Der Austritt
der Luft erfolgt über einen tangentialen Auslass 20,
der am zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet ist.
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Das
Laufrad 4 ist zwischen dem Deckelteil 10 und dem
zweiten Gehäuseteil 16 angeordnet und weist an
seinem Umfang Förderschaufeln 22 auf, die gekrümmt
sind und sich radial erstrecken, wobei die Förderschaufeln 22 durch
einen sich radial erstreckenden Umfangsring 24 in eine
erste Reihe axial gegenüberliegend zum ersten Förderkanal 12 und
eine zweite Reihe axial gegenüberliegend zum zweiten Förderkanal 14 geteilt
werden, so dass zwei Wirbelkanäle ausgebildet werden, die
jeweils durch einen der Förderkanäle 12, 14 mit
dem zugewandten Teil des Laufrades 4 gebildet werden. Der
Außendurchmesser der Förderkanäle 12, 14 ist
etwas größer als der Außendurchmesser
des Laufrades 4, so dass eine fluidische Verbindung zwischen
den beiden Förderkanälen 12, 14 außerhalb
des Außenumfangs des Laufrads 4 besteht, so dass
ein Austausch von Luft zwischen den beiden Förderkanälen 12, 14 stattfinden
kann. Zwischen den sich vom Umfangsring 24 erstreckenden
Förderschaufeln 22 werden somit nach radial außen
offene Taschen 26 gebildet, in denen die Luft gefördert
beziehungsweise beschleunigt wird, so dass deren Druck über
die Länge der Förderkanäle 12, 14 erhöht
wird.
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Um
eine möglichst gute Förderleistung und Druckerhöhung
zu erlangen, ist der axiale Einlass 6 in Drehrichtung des
Laufrades 4 möglichst weit vom tangentialen Auslass 20 entfernt.
Um zuverlässig eine Kurzschlussströmung entgegen
der Drehrichtung des Laufrades 4 vom Einlass 6 zum
Auslass 20 zu unterbinden, sind zwischen dem Einlass 6 und dem
Auslass 20 Unterbrechungsbereiche 28, 30 am Deckelteil 10 und
am Gehäuseteil 16 angeordnet, die die Förderkanäle 12, 14 unterbrechen,
so dass in den Unterbrechungsbereichen 28, 30 axial
gegenüberliegend zu den Förderschaufeln 22 des
Laufrades 4 ein möglichst geringer Spalt vorhanden
ist. Ein Unterbrechungsbereich 32 ist an einer radial begrenzenden Wand 33 des
zweiten Gehäuseteils 16 ausgebildet und unterbricht einen
radial außen liegenden Verbindungsbereich 35 zwischen
den beiden Förderkanälen 12, 14.
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In
den 2 und 3 ist zu erkennen, dass die
im Deckelteil 10 und im zweiten Gehäuseteil 16 angeordneten
Förderkanäle 12, 14 eine im
Wesentlichen konstante Breite aufweisen und sich mit Ausnahme der
Unterbrechungsbereiche 28, 30 über den
Umfang des Deckelteils 10 und des Gehäuseteils 16 erstrecken.
Bei der in 2 gewählten Ansicht
dreht sich somit das Laufrad 4 entgegen dem Uhrzeigersinn
vom Einlassbereich 8 bis zum Ende des Förderkanals 12 und
anschließend über den Unterbrechungsbereich 28 wieder
zum Einlassbereich 8.
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Das
Deckelteil 10 wird über Schrauben am zweiten Gehäuseteil 16 befestigt,
welche durch entsprechende Bohrungen 34 gesteckt werden,
die an sich nach radial außen erstreckenden Vorsprüngen 36 am
Deckelteil 10 ausgebildet sind. An zweien dieser Vorsprünge 36 befinden
sich zusätzlich kleine, sich axial erstreckende Bolzen 38,
welche zur Vorfixierung des Deckelteils 10 auf dem zweiten
Gehäuseteil 16 dienen, an dem entsprechende Bohrungen 40 ausgebildet
sind.
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Radial
hinter einer Wand 42 des Förderkanals 12 ist
eine Nut 44 ausgebildet, in die zur Abdichtung zwischen
Deckelteil 10 und zweitem Gehäuseteil 16 ein
Dichtring 46 eingelegt wird, der über Nasen 48 in
der Nut 44 gehalten wird.
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Radial
vor einer Wand 50 des Förderkanals 12 ist
ein ringförmiger Steg 52 ausgebildet, der nach dem
Zusammenbau des Gebläses in eine korrespondierende Nut 54 des
Laufrades 4 greift, wodurch eine Abdichtung vom Förderkanal 12 in
Richtung zum Inneren des Laufrades 4 erfolgt. Zusätzlich
weist das Deckelteil 10 eine zylindrische Vertiefung 56 auf,
in die die Antriebswelle 19 der Antriebseinheit 3 ragt.
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Erfindungsgemäß sind
die Förderkanäle 12, 14 im Deckelteil 10 und
im Gehäuseteil 16 so ausgebildet, dass sie sich
im Bereich vor dem Auslass 20 statt wie zuvor in Umfangsrichtung
ab hier in Richtung zum Auslass 20 wie der Auslass 20 in
tangentialer Richtung erstrecken. Gleichzeitig ist die Breite der Förderkanäle 12, 14 geringer
als die Breite des Auslasses 20, so dass dieser von den
Förderkanälen 12, 14 zunächst
lediglich über seinen radial äußeren Bereich
angeströmt wird. Eine Auslassöffnung 58, welche
durch die radial begrenzende Wand 33 des zweiten Gehäuseteils 16 führt
und das Innere des Gebläses mit dem Auslass 20 verbindet,
ist derart ausgeformt, dass sich in Drehrichtung des Laufrades 4 die
Auslassöffnung 58 in die Unterbrechungsbereiche 28, 30 der
Gehäuseteile 10, 16 erstreckt, wie in 2 zu
erkennen ist.
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In
der hier gezeigten Ausführungsform erstreckt sich eine
Auslasskante 62, welche die Auslassöffnung 58 in
Drehrichtung des Laufrades 4 begrenzt, von einer Innenkante 64 des
Förderkanals 14 im zweiten Gehäuseteil 16 an
der Wand 33 schräg nach oben, also mit einer axialen
Komponente in Richtung des Deckelteils 10 und einer Komponente in
Drehrichtung des Laufrades 4. Der Winkel dieser Schräge
sollte dabei so gewählt werden, dass die Komponente in
Umfangsrichtung zumindest dem Abstand zwischen zwei Förderschaufeln 22 entspricht.
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Zusätzlich
zu dieser besonderen Ausformung der Auslassöffnung 58 ist
unmittelbar hinter der Auslassöffnung 58 eine
Ausnehmung 60 am Unterbrechungsbereich 32 der
radial begrenzenden Wand 33 ausgeformt. Diese Ausnehmung 60 wird
durch eine Unterbrecherkante 66 in Drehrichtung des Laufrades 4 begrenzt,
welche ebenfalls vom Boden des Gehäuseteils 16 nach
schräg oben verläuft, also eine axiale Komponente
in Richtung des Deckelteils 10 und eine Komponente in Drehrichtung
des Laufrades aufweist. Die Unterbrecherkante 66 und die
Auslasskante 62 verlaufen jedoch nicht parallel sondern
sind unter einem Winkel zueinander angeordnet, wobei für
die Auslasskante 62 die Komponente in Drehrichtung größer
ist als für die Unterbrecherkante 66. Dabei ist
zu beachten, dass bei größerem Abstand zwischen
den Förderschaufeln 22 des Laufrades 4 auch der
eingeschlossene Winkel zwischen der Unterbrecherkante 66 und
der Auslasskante 62 größer gewählt
werden sollte.
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Betrachtet
man nun die Bewegung einer einzelnen zum Deckelteil 10 gewandten
Tasche 26 im Auslassbereich des Laufrades 4, welche
aufgrund der Anordnung des Einlasses 6 eine höhere
Füllung aufweist als die axial gegenüberliegende
Tasche 26, so überstreicht diese zunächst
mit ihrer radial innen liegenden Kante den Unterbrechungsbereich 28 des Deckelteils 10.
Bei weiterer Drehung des Laufrades 4 wird die Tasche 26 von
innen nach außen durch den Unterbrechungsbereich 28 abgedeckt,
so dass nur ein deutlich verringerter Anteil der Luft in die Tasche zurückströmen
kann. Bevor die Tasche 26 vollständig durch den
Unterbrechungsbereich 28 abgedeckt wird, erreicht die Tasche
die Auslassöffnung 58, so dass die verdichtete
Luft ausströmen kann. Mit dem Erreichen des Endes des Förderkanals 12 ist
jedoch noch komprimierte Luft in der Tasche 26 des Laufrades 4 vorhanden,
welche die Tasche 26 an ihrer radialen Außenkante
verlässt. Der Geschwindigkeitsvektor dieser Restluft hat
eine Komponente nach radial außen, eine Komponente in Drehrichtung
des Laufrades 4 sowie eine Komponente in Richtung zum Deckelteil 10.
Dabei entspricht die Komponente der Luftströmung in Umfangsrichtung
im Wesentlichen der Geschwindigkeitskomponente des Laufrades 4. Daraus
folgt, dass aufgrund der gewählten maximalen Erstreckung
der Auslassöffnung 58 in Drehrichtung die aus
der Tasche 28 ausströmende Luft nicht gegen die
Auslasskante 62 der Auslassöffnung 58 in Form
eines Druckstoßes anschlägt, sondern in den Auslass 20 strömt.
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Die
hinter der Auslassöffnung 58 ausströmende
Luft schlägt ebenfalls nicht sofort gegen den Unterbrechungsbereich 32 an
der radialen Wand 33 sondern strömt in die Ausnehmung 60,
wo zumindest eine geringfügige Entspannung durch Verwirbelung der
in die Ausnehmung gelangenden Luft statt. Der Winkel wird so gewählt,
dass weder der über die gesamte Höhe der Tasche 26 gleichzeitig
ausgestoßene Luftstrom die Unterbrecherkante 66 zum
gleichen Zeitpunkt erreicht noch der über die gesamte Breite gleichzeitig
ausgestoßene Luftstrom. Gleichzeitig wird der Entspannungsweg
für die vorhandene Restluft größer. So
können Druckstöße zusätzlich
verringert werden.
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Das
beschriebene Seitenkanalgebläse zeichnet sich durch eine
deutliche Verringerung der Geräuschemissionen im Vergleich
zu bekannten Seitenkanalgebläsen aus. Gleichzeitig wird
eine hohe Förderrate erreicht.
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Es
sollte jedoch deutlich sein, dass verschiedene Modifikationen des
im Ausführungsbeispiel beschriebenen Seitenkanalgebläses
möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs
zu verlassen. So kann es sich insbesondere um eine Pumpe mit nur
einem Seitenkanal handeln oder die Auslassöffnung und Unterbrecherform
können sowohl bezüglich des den größeren
Strom führenden zum Einlass weisenden Kanal als auch zum
gegenüberliegenden Kanal korrespondierend ausgestaltet
sein. In diesem Fall wäre es erforderlich, die Austrittsöffnung
mit zwei Schrägen auszugestalten, die die Austrittsöffnung
von der Höhe des Umfangsringes aus nach oben und unten
entsprechend erweitern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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