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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft eine Dispergierpumpe zum Fördern und gleichzeitigen Mischen verschiedener Stoffe zur Erzeugung eines dispersen Systems mit flüssiger kontinuierlicher Phase sowie eine Verwendung der Dispergierpumpe/einer Dispergierpumpen-Aggregation anzugeben, insbesondere für verfahrenstechnische Prozesse und hier insbesondere für Prozesse der Nahrungsmittel- und Getränketechnik, wobei die Dispergierpumpe als Zentrifugalpumpe ausgebildet ist, die in zumindest von Schaufeln und zumindest teilweise von einer Rückscheibe begrenzten Schaufelkanälen eines Laufrades auf die dortige Strömung Einfluss nehmende Dispergierelemente oder Dispergierkränze aufweist, wobei auf wenigstens einer zur Drehachse der Dispergierpumpe konzentrischen Kreiskontur Ausnehmungen vorgesehen sind, die über wenigstens eine Stirnfläche des Laufrades in dieses eingreifen und alte im Erfassungsbereich der Kreiskontur befindlichen Schaufeln rotationssymmetrisch zur Drehachse in Umfangsrichtung durchdringen, wobei die Dispergierelemente oder Dispergierkränze an einem das Laufrad beiderseits stirnseitig berandenden Gehäuse fest angeordnet sind, wobei die Dispergierelemente oder Dispergierkränze in Form konzentrisch zur Drehachse verlaufenden ringförmigen Reihen von nockenförmigen Dispergierkranz-Segmenten ausgebildet sind, wobei nockenförmigen Dispergierkranz-Segmente korrespondierend in die Ausnehmungen eingreifen und wobei die axiale Symmetrieachse des Gehäusemantels einer vorgeschalteten rotierenden Verdrängerpumpe gegenüber der Drehachse um eine vertikale Exzentrizität versetzt ist.
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STAND DER TECHNIK
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Eine Dispergierpumpe der gattungsgemäßen Art ist Gegenstand der Patentanmeldung
DE 10 2010 005 517 . Diese Dispergierpumpe ist einfach und kompakt ausgestaltet, sie verwirklicht Pumpen und Mischen in einem einzigen Bauteil, nämlich dem Laufrad, und in ihr vollzieht sich der Mischvorgang mit geringerem Energieeintrag und damit produktschonender als bei Lösungen nach dem Stand der Technik.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Dosierpumpe gemäß
DE 10 2010 005 517 dahingehend zu verbessern, dass sich das Pumpen und Mischen im Laufrad noch effizienter gestaltet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Diese Aufgabe wird durch eine Dispergierpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Dispergierpumpe sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Der grundlegende erfinderische Lösungsgedanke besteht darin, dass in jedem austrittsseitigen Bereich des Schaufelkanals, der im Regelfall durch seine divergierende Formgebung der Strömung einen sich erweiternden Raum zur Verfügung stellt, mehr als eine diesen Schaufelkanal in Austrittskanäle teilende Zwischenschaufel angeordnet ist.
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Die bisher vorgeschlagenen Ausführungsformen sahen entweder keine diesbezügliche Aufteilung des Schaufelkanals oder sie sahen eine mittige Aufteilung mittels einer einzigen Zwischenschaufel in einen ersten und einen zweiten Austrittskanal vor. Zwei oder mehr Zwischenschaufeln verbessern zum Einen die Pumpwirkung im austrittsseitigen Bereich des Schaufelkanals und sie intensivieren zum Anderen dort den Mischvorgang.
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Dabei weisen in einer bevorzugten Ausführungsform die Austrittskanäle gleiche Durchtrittsquerschnitte auf. Bei den vorgenannten Ausführungsformen hat es sich weiterhin als vorteilhaft herausgestellt, wenn die durch die nutenförmigen Ausnehmungen in der Schaufel gebildete Anzahl von Mischschaufel-Segmenten und in der Zwischenschaufel gebildete Anzahl von Zwischenschaufel-Segmenten gleich sind.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, dass die Dispergierpumpe als einstufige, normal- oder selbstansaugende Zentrifugalpumpe ausgebildet ist. Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Dispergierpumpe als mehrstufige, normal- oder selbstansaugende Zentrifugalpumpe ausgebildet ist, wobei die Ausnehmungen und die zugeordneten Dispergierkränze wenigstens in einer der Stufen Anwendung finden.
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Zur Realisierung einer selbstansaugenden Dispergierpumpen-Aggregation ist weiterhin vorgesehen, dass die der Dispergierpumpe in den vorstehend angegebenen vielfältigen Ausgestaltungsformen vorgeschaltete rotierende Verdrängerpumpe als Flüssigkeitsringpumpe arbeitet und beide Pumpen eine selbstansaugende Dispergierpumpen-Aggregation bilden.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, die vorgeschlagene Dispergierpumpe oder die Dispergierpumpen-Aggregation zum Fördern und gleichzeitigen Mischen verschiedener Stoffe zur Erzeugung eines dispersen Systems mit flüssiger kontinuierlicher Phase zu verwenden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Eine eingehendere Darstellung der Erfindung ergibt sich aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Figuren der Zeichnung sowie aus den Ansprüchen. Während die Erfindung in den verschiedensten Ausführungsformen realisiert ist, werden in der Zeichnung ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Dispergierpumpe in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform eines Laufrades dargestellt und nachfolgend nach Aufbau und Funktion beschrieben. Es zeigen
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1 im Meridianschnitt die Dispergierpumpe, wobei der als einstufige, normalsaugende Kreiselpumpe ausgebildeten Dispergierpumpe eine als rotierende Verdrängerpumpe arbeitende Flüssigkeitsringpumpe vorgeschaltet ist und
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2 in perspektivischer Darstellung die bevorzugte Ausführungsform des Laufrades von der Saugseite aus betrachtet, wie es in der erfindungsgemäßen Dispergierpumpe besonders vorteilhaft Anwendung findet;
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Eine erfindungsgemäße Dispergierpumpe
100 (s.
1,
2) entsteht, wie vorstehend bereits dargelegt, allein durch die Modifikation von nur zwei Bauteilen einer handelsüblichen Zentrifugalpumpe (Kreiselpumpe), nämlich eines Laufrads
4 (
2) und eines Gehäuses
2. Im Rahmen einer beispielhaft gewählten selbstansaugenden Dispergierpumpen-Aggregation
1 (
1) wird zunächst der grundsätzliche Aufbau einer dort erfindungsgemäß zur Verwendung kommenden einstufigen, normalsaugenden Zentrifugalpumpe beschrieben, bevor die speziellen Merkmale behandelt werden, die aus einer normalsaugenden Zentrifugalpumpe eine erfindungsgemäße Dispergierpumpe
100 machen. Letzterer bzw. der Zentrifugalpumpe ist, damit die Dispergierpumpen-Aggregation
1 selbstansaugende Pumpeigenschaften erwirbt, unterstromig eine als rotierende Verdrängerpumpe
20 arbeitende Flüssigkeitsringpumpe vorgeschaltet. Eine derartige selbstansaugende Pumpenaggregation ist beispielsweise aus der
DE 10 2007 032 228 A1 bekannt.
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Die rotierende Verdrängerpumpe 20 ist gehäuseseitig von einem Gehäusemantel 20.1 und einem Gehäusedeckel 20.2 mit einem zentrisch an letzterem angeordneten Saugstutzen 20.2a, der endseitig in einen saugseitigen Anschlussstutzen 20.2b zur lösbaren Verbindung mit einer Saugleitung 22 übergeht, begrenzt, wobei der Gehäusemantel 20.1 an seinem dem Gehäusedeckel 20.2 abgewandten Ende vorzugsweise mit einer vorderen Gehäusestirnfläche 2.1a eines vorderen Gehäuseteils 2.1 der Dispergierpumpe 100 fest verbunden ist. Die Verbindung zwischen Gehäusemantel 20.1 und vorderem Gehäuseteil 2.1 erfolgt in der Regel stoffschlüssig durch Schweißen; eine Gusskonstruktion, bestehend aus dem Gehäusemantel 20.1 und dem vorderen Gehäuseteil 2.1, ist gleichermaßen möglich.
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Eine axiale Symmetrieachse a2 des Gehäusemantels 20.1 ist gegenüber einer Drehachse a1 der Dispergierpumpen-Aggregation 1, bezogen auf deren Zeichnungslage, die auch der üblichen Einbaulage entspricht, um eine vertikale Exzentrizität e nach unten versetzt. Dadurch ist eine in der Verdrängerpumpe 20 befindliche Förderschnecke 21, die auf einem Wellenfortsatz 8b einer das Laufrad 4 der Dispergierpumpe 100 tragenden Welle 8 angeordnet ist, um diese vertikale Exzentrizität e innerhalb des Gehäusemantels 20.1 nach oben verschoben. Der Wellenfortsatz 8b schließt sich an eine Nabe 8a der Welle 8 an, wobei auf der Nabe 8a das Laufrad 4 befestigt ist, und er greift durch den vorderen Gehäuseteil 2.1 hindurch und in den Gehäusemantel 20.1 ein. Ein vom Gehäusemantel 20.1, dem Gehäusedeckel 20.2 und dem vorderen Gehäuseteil 2.1 innenseits begrenzter Innenraum 20.3 ist über eine konzentrisch zur axialen Symmetrieachse a2 angeordnete Einlassöffnung 2.1d mit einem saugseitigen Innenraum 2.1e der Dispergierpumpe 100 fluiddurchlässig verbunden.
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Der Aufbau der Zentrifugalpumpe, aus der die Dispergierpumpe
100 entsteht, ist beispielsweise aus der
DE 103 14 425 B4 bekannt. Das aus dem vorderen
2.1 und einem hinteren Gehäuseteil
2.2 bestehende Gehäuse
2 der Dispergierpumpe
100 ist über einen Befestigungsflansch
7 fliegend an einem Motor
6 befestigt. Der vordere Gehäuseteil
2.1 geht saugseitig in die Einlassöffnung
2.1e über und druckseitig ist, umfangsseits tangential an ihm ausmündend, ein im vorliegenden Meridianschnitt nicht darstellbarer Druckstutzen angeschlossen, der über eine konische Erweiterung in einem druckseitigen Anschlussstutzen zur lösbaren Verbindung mit einer Druckleitung endet, wobei die dem Druckstutzen stromabwärts nachgeordneten, vorstehend genannten Bauteile gleichfalls im Meridianschnitt nicht darstellbar sind.
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Der vordere und der hintere Gehäuseteil 2.1, 2.2 sind in ihrem radialen Erstreckungsbereich mit jeweils engem Ringspalt an das Laufrad 4 angepasst. An den ringförmig umlaufenden Laufradaustrittsquerschnitt schließt sich außenseits ein schaufelloser Ringraum 3a an, der in radialer Richtung zunächst beiderseits von dem vorderen und dem hinteren Gehäuseteil 2.1, 2.2 ein Stück begrenzt ist und anschließend außenseits von einer nicht bezeichneten Übergangsfläche des vorderen Gehäuseteils 2.1 berandet ist. Diese Übergangsfläche setzt sich anschließend in einer äußeren Ringkanal-Gehäusewand 2.1b fort, wobei diese beispielsweise die Form eines Zylindermantels aufweist, d. h. einen konstanten Krümmungsradius besitzt. Der hintere Gehäuseteil 2.2 ist im Bereich des Laufrades 4 als eine sich radial erstreckende hintere Gehäusestirnfläche 2.2a ausgebildet. Im Außenbereich dieser hinteren Gehäusestirnfläche 2.2a schließt sich eine hauptsächlich axial orientierte, vom Laufrad 4 in axialer Richtung fortstrebende, die Drehachse a1 umschließende innere Ringkanal-Gehäusewand 2.2b an, deren örtlicher Krümmungsradius zur Realisierung beispielsweise eines spiralförmigen Verlaufs über den Umfang veränderlich ist.
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Die äußere und die innere Ringkanal-Gehäusewand 2.1b, 2.2b bilden somit zwischen sich einen Ringkanal 3* aus, der bei sich stetig veränderndem Durchtrittsquerschnitt (über den Umfang sich ändernder Krümmungsradius) als spiralförmiger Ringkanals 3** ausgeführt sein kann, wobei dieser, über den Umfang und in der Drehrichtung des Laufrades 4 gesehen, sich stetig erweitert. Gleichwohl ist mit der gezeigten Anordnung auch ein Ringkanal 3* mit einem über den Umfang konstanten Durchtrittsquerschnitt realisierbar. Der (spiralförmige) Ringkanal (3**), 3* schließt sich seitlich an den schaufellosen Ringraum 3a an; zusammen bilden diese einen druckseitigen Innenraum 3 der Dispergierpumpe 100.
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Die äußere axiale Begrenzung des (spiralförmigen) Ringkanals (3**), 3* wird realisiert über eine sich an die innere Ringkanal-Gehäusewand 2.2b anschließende, von der Drehachse a1 sich in radialer Richtung entfernende radiale oder annähernd radial orientierte Ringfläche 2.2c, die Teil des hinteren Gehäuseteil 2.2 ist. Diese Ringfläche 2.2c setzt sich über die äußerste radiale Erstreckung der äußeren Ringkanal-Gehäusewand 2.1b in radialer Richtung nach außen fort. Auch an die äußere Ringkanal-Gehäusewand 2.1b schließt sich ein radial orientierter, mit der radialen Ringfläche 2.2c korrespondierender und lösbar verbundener Gehäuseflansch 2.1c an, der außenseits die radiale Ringfläche 2.2c umfasst. Beide verfügen über mehrere, über ihren Umfang verteilt angeordnete, miteinander korrespondierende Durchgangsbohrungen, über die der vordere und der hintere Gehäuseteil 2.1, 2.2 miteinander verbunden sind.
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Die bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Laufrades 4 zeigt 2. Das Laufrad 4 ist bevorzugt ohne Deckscheibe (s. hierzu auch 1) ausgeführt und damit zu seiner Eintrittsseite hin, die einer Rückscheibe 4.3 gegenüberliegt, die radial innenseits eine zur Drehachse a1 konzentrische Laufradnabe 4.4 mit einer Wellenbohrung 4.5 ausbildet, mit vollständig offenen Schaufelkanälen K ausgeführt. Auf beispielhaft gewählten drei zur Drehachse a1 der Dispergierpumpe 100 konzentrischen Kreiskonturen unterschiedlichen Durchmessers sind vorzugsweise nutenförmige Ausnehmungen 4.1c im ersten Laufrad 4 vorgesehen, die von dessen Eintrittseite her eingreifen und alle im Erfassungsbereich der Kreiskonturen befindlichen Schaufeln 4.1, 4.2 rotationssymmetrisch zur Drehachse a1 in Umfangsrichtung durchdringen. Bei den Schaufeln 4.1 handelt es sich um die übliche rückwärts- oder vorwärtsgekrümmte Beschaufelung des Laufrads 4 – im Ausführungsbeispiel unter Berücksichtigung einer in 2 angenommenen Drehrichtung im Gegenuhrzeigersinn um eine rückwärtsgekrümmte – der Zentrifugalpumpe 100, wobei sich jede Schaufel 4.1 vom saugseitigen Innenraum 2.1e (1) bis zum äußeren Umfang der Rückscheibe 4.3 erstreckt. In jedem austrittsseitigen Bereich des Schaufelkanals K sind zusätzlich zwei diesen in einen ersten Austrittskanal K1, einen zweiten Austrittskanal K2 und einen dritten Austrittskanal K3 teilende Zwischenschaufeln 4.2 angeordnet. Grundsätzlich können auch mehr als zwei Zwischenschaufeln 4.2, beispielsweise n – 1, vorgesehen werden, sodass bei einer Anzahl n – 1 Zwischenschaufeln 4.2 somit Austrittskanäle K1 bis Kn gebildet werden. Bevorzugt werden die Zwischenschaufeln 4.2 dabei derart angeordnet, dass die Austrittskanäle K1 bis Kn gleiche Durchtrittsquerschnitte aufweisen, wie dies im Ausführungsbeispiel bezüglich der Austrittskanäle K1, K2 und K3 der Fall ist.
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Durch die drei rotationssymmetrisch zur Drehachse a1 umlaufenden nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c werden im austrittsseitigen Bereich des ersten Laufrades 4 an jeder Schaufel 4.1 drei Mischschaufel-Segmente 4.1a und an jeder Zwischenschaufel 4.2, wenn diese, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel gegeben, radial innenseits bis an die innenliegenden nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c heranreichen, ebenfalls drei Zwischenschaufel-Segmente 4.2a gebildet. Radial innenseits der innenliegenden nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c befindliche Schaufel-Segmente 4.1b verbleiben im ursprünglichen Beschaufelungszustand des Laufrades, wie er in der Zentrifugalpumpe an sich Verwendung findet. Die nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c sind in Bezug auf radial benachbarte Dispergierkränze 2-j, (s. auch 1), die in die nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c eingreifen, vorzugsweise durch parallel zur Drehachse a1 verlaufende, nicht bezeichnete Flanken begrenzt. Ein nicht bezeichneter jeweiliger Nutgrund der nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c reicht stufenlos bis an die Rückscheibe 4.3 heran (1, 2).
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An der vorderen Gehäusestirnfläche
2.1a des das Laufrad
4 auf seiner Eintrittsseite berandenden ersten Gehäuseteils
2.1 (
1), der auch als Gehäusedeckel fungiert, sind beispielhaft drei Dispergierkränze
2-j (allgemeine Bezeichnung eines Dispergierkranzes aus j = 1 bis z Dispergierkränzen insgesamt) fest angeordnet, ein radial außenliegender, erster
2-1, ein radial innenseits benachbarter, zweiter
2-2 und ein radial innenliegender, dritter
2-3. Die Dispergierkränze
2-j sind in Form konzentrisch zur Drehachse a1 verlaufenden ringförmigen Reihen von nockenförmigen, im Meridianschnitt nach
1 nicht darstellbaren Dispergierkranz-Segmenten ausgebildet (Einzelheiten hierzu finden sich in der
DE 10 2010 005 517 ). Die Dispergierkranz-Segmente und die zugeordnete nutenförmige Ausnehmung
4.1c weisen, jeweils im Meridianschnitt gesehen, in ihrem gegenseitigen Eingriffsbereich vorzugsweise ähnliche Außenkonturen auf (
1). Dies betrifft die jeweilige axial orientierte Parallelität der Flanken der Segmente und der zugeordneten Ausnehmungen sowie die Parallelität zwischen den Stirnflächen der Segmente und den zugeordneten Nutgründen der Ausnehmungen. Es sind vorzugsweise drei Dispergierkränze
2-1,
2-1,
2-3 vorgesehen, die in drei vollständig ausgebildete nutenförmige Ausnehmungen
4.1c in der Schaufel
4.1 eingreifen (
2).
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Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschreibt eine vorteilhafte Ausführungsform der Dispergierpumpe 100 und des in dieser Verwendung findenden Laufrades 4, aufbauend auf eine einstufige, nomalsaugende Kreiselpumpe. Die erfindungsgemäße Lösung ist auf eine mehrstufige, normalsaugende Zentrifugalpumpe übertragbar, wobei die nutenförmigen Ausnehmungen 4.1c und die Dispergierkranz-Segmente wenigstens in einer Stufe Anwendung finden. Eine Übertragung der erfindungsgemäßen Lösung auf einstufige oder mehrstufige selbstansaugende Kreiselpumpen ist gleichermaßen ausführbar, wenn ein Eingriff der Dispergierkränze in das jeweilige Laufrad im erfindungsgemäßen Sinne gegeben ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Dispergierpumpen-Aggregation (selbstansaugend)
- 100
- Dispergierpumpe Zentrifugalpumpe/Kreiselpumpe
- 2
- Gehäuse
- 2.1
- vorderer Gehäuseteil (Gehäusedeckel)
- 2.1a
- vordere Gehäusestirnfläche
- 2.1b
- äußere Ringkanal-Gehäusewand
- 2.1c
- Gehäuseflansch
- 2.1d
- Einlassöffnung
- 2.1e
- saugseitiger Innenraum
- 2-j
- Dispergierkränze; j-ter Dispergierkranz (j = 1 bis z)
(gehäuseseitige; deckel- und/oder rückwandseitige)
- 2-1
- erster Dispergierkranz
- 2-2
- zweiter Dispergierkranz
- 2-3
- dritter Dispergierkranz
- 2.2
- hinterer Gehäuseteil
- 2.2a
- hintere Gehäusestirnfläche (Rückwand)
- 2.2b
- innere Ringkanal-Gehäusewand
- 2.2c
- radiale oder annähernd radial orientierte Ringfläche
- 3
- druckseitiger Innenraum
- 3*
- Ringkanal
- 3**
- spiralförmiger Ringkanal
- 3a
- schaufelloser Ringraum
- 4
- Laufrad
- 4.1
- Schaufel
- 4.1a
- Mischschaufel-Segment
- 4.1b
- Schaufel-Segment
- 4.1c
- Ausnehmung (Schaufelnut)
- 4.2
- Zwischenschaufel
- 4.2a
- Zwischenschaufel-Segment
- 4.3
- Rückscheibe
- 4.4
- Laufradnabe
- 4.5
- Wellenbohrung
- 6
- Motor
- 7
- Befestigungsflansch
- 8
- Welle
- 8a
- Nabe
- 8b
- Wellenfortsatz
- 20
- rotierende Verdrängerpumpe (Flüssigkeitsringpumpe)
- 20.1
- Gehäusemantel
- 20.2
- Gehäusedeckel
- 20.2a
- Saugstutzen
- 20.2b
- saugseitiger Anschlussstutzen
- 20.3
- Innenraum
- 21
- Förderschnecke
- 22
- Saugleitung
- a1
- Drehachse der Dispergierpumpe 100 (Laufrad 4; 4*)
- a2
- axiale Symmetrieachse des Gehäusemantels 20.1
- e
- (vertikale) Exzentrizität
- K
- Schaufelkanal
- K1
- erster Austrittskanal
- K2
- zweiter Austrittskanal
- K3
- zweiter Austrittskanal
- Kn
- n-ter Austrittskanal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010005517 [0002, 0003, 0023]
- DE 102007032228 A1 [0014]
- DE 10314425 B4 [0017]
