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Die Erfindung betrifft eine Flügelzellenmaschine mit einem Stator und einem aus einem ersten Material gebildeten Rotor, der in jeweils einer Führung radial verlagerbare Flügel aufweist, die an einer Innenseite des Stators anliegen und mit dem Rotor, dem Stator und je einer stationären Seitenwand an jedem axialen Ende des Rotors Arbeitskammern begrenzen, wobei die Flügel zumindest an einigen Berührungsflächen zum Rotor und zum Stator ein mit dem ersten Material reibungsarm zusammenwirkendes zweites Material aufweisen.
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Eine derartige Flügelzellenmaschine wird beispielsweise als Verstärkungspumpe hinter einem Druckwandler in einem Kreislauf einer Umkehrosmose-Anlage verwendet. Bei einer Umkehrosmose-Anlage wird Wasser, beispielsweise Salzwasser, durch eine Membran gepumpt, auf deren Ausgangsseite dann gereinigtes Wasser zur Verfügung steht.
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Bei dieser Anwendung liegt eine gewisse Schwierigkeit darin, dass Wasser nicht in dem Maß zur Schmierung der relativ zueinander bewegten Teile verwendet werden kann, wie dies bei anderen Flüssigkeiten, insbesondere Öl oder ölhaltigen Flüssigkeiten der Fall ist.
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Es ist daher bekannt, an Flächen, die sich relativ zueinander bewegen, eine Materialpaarung zu verwenden, die auch oder insbesondere bei Betrieb mit Wasser als Flüssigkeit reibungsarm zusammenwirken. Bei der Verwendung von Stahl als Metall für ein Element der Materialpaarung kommt als anderes Element ein Werkstoff aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf der Basis von Polyaryletherketonen, insbesondere Polyetheretherketonen, Polyamiden, Polyacetalen, Polyarylether, Polyethylenterephtalaten, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyethererimiden, Polyamidimiden, Polyacrylaten, Phenol-Harzen, wie Novolack-Harzen, oder ähnliches in Betracht, wobei als Füllstoffe Glas, Graphit, Polytetrafluorethylen oder Kohlenstoff, insbesondere in Faserform, verwendet werden können. Bei Verwendung derartiger Materialien lässt sich die Flügelzellenmaschine auch mit Wasser betreiben.
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Allerdings hat sich trotz der Verwendung von derartigen Materialpaarungen gezeigt, dass interne Undichtigkeiten auftreten, die man auf Verschleiß zurückführt.
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EP 0 247 001 A2 zeigt eine Flügelzellenpumpe zum Fördern von pastösen Lebensmitteln, insbesondere von Wurstbrät. Eine in einem Gehäuse drehbar angeordnete Welle trägt eine Führung für Flügel, die aus rostfreiem Stahl gebildet sind und sich bei einer Rotation der Führung radial ein- und auswärts bewegen. Die Flügel sind radial innen durch eine Führungskurve aus Kunststoff geführt. Radial außen liegen sie an einem Führungsring an, wobei sie an ihren radialen Außenseiten ein Kunststoffprofil aufweisen, das in eine parallel zur Außenkante verlaufende Nut eingesetzt ist.
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DE 197 10 804 A1 beschreibt eine Zahnradpumpe zum Fördern von Fluiden. Um Reibungsprobleme bei schlecht schmierenden Fluiden zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die miteinander kämmenden Zahnräder aus einem Werkstoff aus der Gruppe Buntmetall, Stahl, Edelstahl, technische Keramik, pulvermetallurgisch hergestellte Metalle und Metalllegierungen, duroplastische und thermoplastische Kunststoffe, Füllstoffe enthaltende duroplastische und thermoplastische Kunststoffe und synthetisch hergestellter Kunststoff und das die Zahnräder umgebende Gehäuse der Arbeitskammer aus einem synthetisch hergestellten Werkstoff aus fluiddichtem Kohlenstoff besteht.
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DE 24 22 783 A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Förderung von flüssigen Medien, insbesondere zur Förderung von Kraftstoffen in Kraftfahrzeugen, mit einer rotierenden Verdrängerpumpe, deren Laufring und Seitenflächen des Pumpenraumes aus einer kunstharzimprägnierten Spezialkohle bestehen. Ein Gehäuse der Pumpe kann aus einem metallischen Guss oder aus einem Kunststoff sein. Der Läufer mit den Schiebern dreht sich in einem Laufring aus kunstharzgetränkter Kunstkohle und liegt seitlich an ebenfalls aus Kunstharz getränkter Kunstkohle hergestellten Gleitflächen an.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei guter interner Dichtigkeit den Verschleiß in einer Flügelzellenmaschine klein zu halten.
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Diese Aufgabe wird bei einer Flügelzellenmaschine der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Seitenwand in einem radial inneren Bereich eine Oberfläche aus einem mit dem ersten Material reibungsarm zusammenwirkenden dritten Material aufweist und in einem radial äußeren Bereich eine Oberfläche aus dem ersten Material aufweist.
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Bei dieser Ausgestaltung unterteilt man also die Seitenwand in zwei Flächenbereiche, die sich hinsichtlich ihrer Oberflächeneigenschaften unterscheiden. Radial innen ist die Oberfläche beispielsweise aus einem der oben genannten Kunststoffe, insbesondere Polyetheretherketonen (PEEK), gebildet, der mit dem ersten Material, beispielsweise mit dem Metall oder Stahl des Rotors, reibungsarm zusammenwirkt. In diesem Bereich kann man also die Reibung zwischen der Stirnseite des Rotors und der Seitenwand relativ klein halten, weil der Kunststoff und das Metall reibungsarm zusammen wirken. In einem radial äußeren Bereich ist die Seitenwand hingegen aus dem ersten Material, z. B. Metall, gebildet. In diesem Bereich ergibt sich eine Reibung zwischen den Flügeln und der Seitenwand. Die Flügel sind hier allerdings mit einer Oberfläche aus dem dritten Material, z. B. dem reibungsvermindernden Kunststoff, versehen, so dass sich auch hier eine reibungsarm zusammenwirkende Materialpaarung ergibt. Die Stirnseiten der Flügel bewegen sich einerseits in Umfangsrichtung relativ zu der Seitenwand und andererseits auch in radialer Richtung, weil sie bei jeder Umdrehung des Rotors gegenüber dem Stator mindestens einmal aus- und eingefahren werden. Man kann nun den radial inneren Bereich und den radial äußeren Bereich so gestalten, dass sich die Flügel praktisch nur an der Oberfläche aus dem ersten Material, z. B. Metall, entlang bewegen und der Rotor nur an der Oberfläche aus dem dritten Material, z. B. Kunststoff, entlang bewegt wird. Auch wenn die Flügel bei ihrer Bewegung ab und zu eine geringe Überdeckung mit dem dritten Material aufweisen, so dass dann hier das zweite und das dritte Material aneinander reiben, ist diese Ausgestaltung wesentlich weniger anfällig für Verschleiß. Man kann daher eine derartige Flügelzellenmaschine als hydraulische Maschine und insbesondere als wasserhydraulische Maschine verwenden.
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Vorzugsweise ist die Seitenwand als Platte ausgbildet. Eine Platte lässt sich relativ einfach so bearbeiten, dass die beiden unterschiedlichen Oberflächenbereiche gebildet werden können. Die Platte wird dann als getrenntes Element mit dem Stator zusammengebaut.
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Alternativ dazu kann die Seitenwand in einem Gehäuse der Flügelzellenmaschine ausgebildet sein. In diesem Fall ist kein zusätzliches Element erforderlich, was sich auch positiv auf die Genauigkeit bei der Montage auswirkt. Je weniger Teile montiert werden müssen, desto geringer sind die Fehler die durch Toleranzen entstehen können.
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Vorzugsweise weist die Seitenwand in dem radial inneren Bereich einen Einsatz mit einer Oberfläche aus dem dritten Material auf. Mit dem Einsatz lässt sich auf einfache Weise der radial innere Bereich realisieren, dessen Oberfläche aus dem dritten Material gebildet ist. Der Einsatz lässt sich getrennt von der Platte oder dem Gehäuse fertigen und bearbeiten. Dementsprechend kann er mit einer relativ hohen Genauigkeit hergestellt werden. Dies erleichtert die Fertigung. Der Einsatz kann, falls erforderlich auch einen Kern aus Stahl, einem anderen Metall oder einem anderen Material aufweisen. Er kann aber auch vollständig aus dem dritten Material gebildet sein. Der Einsatz kann mit der Platte verbunden sein. Es ist aber auch möglich, dass der Einsatz gegenüber der Platte geringfügig parallel zur Achse des Rotors beweglich ist.
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Bevorzugterweise ist der Einsatz in einer zentrischen Ausnehmung der Seitenwand angeordnet und weist eine exzentrische Bohrung auf, durch die der Rotor geführt ist. In einer Flügelzellenmaschine mit einem Arbeitshub der Flügel pro Umdrehung des Rotors kann man die Innenseite des Stators, an der die Flügel anliegen, hohl zylinderförmig ausgestalten. Um dennoch die radiale Aus- und Einfahrbewegung der Flügel zu realisieren, wird der Rotor exzentrisch gelagert, d. h. ein Punkt am Umfang des Rotors nähert sich bei jeder Umdrehung der Innenseite des Stators an und entfernt sich wieder von der Innenseite des Stators. Diese Exzentrizität lässt sich auf einfache Weise durch den Einsatz realisieren. Diese Ausgestaltung hat den weiteren Vorteil, dass man auf einfache Weise sicherstellen kann, dass die Flügel mit ihren Stirnseiten immer an dem Bereich anliegen können, der aus dem ersten Material gebildet ist. Die Flügel sollen immer an der Innenseite des Stators anliegen, bewegen sich also bei einem hohlzylindrischen Stator mit ihren Stirnseiten immer auf einer kreisringförmigen Bahn, die durch die zentrische Ausnehmung der Seitenwand radial innen begrenzt werden kann. Wenn der Stator eine anders ausgebildete Innenwand hat, sind andere Bewegungsbahnen der Flügel möglich.
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Vorzugsweise ist ein Dichtring auf der dem Rotor abgewandten Seite des Einsatzes angeordnet. Dieser Dichtring, beispielsweise ein O-Ring, der in einer Nut im Einsatz angeordnet ist, dichtet den Einsatz nach außen ab. Dies ist von Vorteil, weil die Berührungsfläche zwischen dem Einsatz und der die Seitenwand bildenden Platte beziehungsweise dem entsprechenden Teil des Gehäuses mit vertretbarem Aufwand nicht absolut dicht zu bekommen ist. Der Dichtring verhindert also, dass an dieser Position größere Mengen von Flüssigkeit aus dem Stator nach außen gelangen können.
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Vorzugsweise ist der Dichtring an einer radialen Position des Rotors angeordnet, der der radialen Innenseite der Führungen entspricht. In diesem Fall ist es möglich, ein hydraulisches Gleichgewicht auf den Einsatz in axialer Richtung zu erzeugen. Ein hydraulischer Druck aus der Führung wirkt in axialer Richtung von Innen nach Außen. Ein hydraulischer Druck aus einem Bereich radial außerhalb des Dichtrings wirkt in axiale Richtung von außen nach Innen. Durch die Anordnung des Dichtrings kann man die Flächen, auf denen die einander entsprechenden Drücke wirken, etwa gleich groß halten, so dass hier keine Kräfte entstehen, die einen Verschleiß begünstigen könnten.
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Vorzugsweise weist der Einsatz einen axialen Fortsatz auf, der ein Lager für eine Welle bildet, die mit dem Rotor verbunden ist. Man kann den Einsatz also so ausgestalten, dass er gleichzeitig das Lager für die Welle des Rotors bildet. Da zumindest die Oberfläche des Einsatzes aus dem dritten Material, vorzugsweise einem reibungsvermindernden Kunststoff gebildet ist, kann er auch mit der Welle, die in der Regel ebenfalls aus einem Metall, wie Stahl, gebildet ist, zusammenwirken.
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In diesem Fall ist es von Vorteil, wenn der Fortsatz eine Stufe aufweist, die eine Anlagefläche für den Dichtring bildet. In diesem Fall kann man den Dichtring an der gleichen radialen Position anordnen, nämlich so, dass seine Position der radialen Innenseite der Führungen entspricht.
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Vorzugsweise weist mindestens eine Seitenwand eine Öffnungsanordnung mit mindestens einer Öffnung auf, wobei die Öffnung radial außen von einem Flächenabschnitt begrenzt ist, an dem die Flügel anliegen. Die Öffnung kann als Einlassöffnung oder als Auslassöffnung ausgebildet sein. Wenn die Öffnungsanordnung mehrere Öffnungen aufweist, dann ist zweckmäßigerweise eine Gruppe dieser Öffnungen als Einlassöffnung und eine andere Gruppe dieser Öffnungen als Auslassöffnung ausgebildet. Wenn die Öffnungsanordnung an jeder Seitenwand nur eine Öffnung (oder eine Gruppe von gleichartigen Öffnungen) aufweist, dann wird man eine Einlassöffnung an einer Stirnseite und eine Auslassöffnung an der gegenüberliegenden Stirnseite vorsehen. Da die Flügel durch den Flächenabschnitt auch im Bereich der Öffnung axial gestützt werden, kann man verhindern, dass die Flügel im Bereich der Öffnung kippen. Ein derartiges Kippen wirkt sich negativ auf die innere Dichtigkeit der Flügelzellenmaschine aus. In einer bevorzugten Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Flügel auch an der radialen Innenseite der Öffnung durch einen Flächenabschnitt gestützt werden, so dass sie auch bei Überstreichen der Öffnung an ihren beiden radialen Enden sicher abgestützt und geführt sind. Dies hält den Verschleiß klein.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
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1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Flügelzellenmaschine,
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2 einen Schnitt II-II nach 1,
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3 einen Teilschnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform einer Flügelzellenmaschine und
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4 eine vergrößerte Darstellung eines Einsatzes nach 3.
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Eine Flügelzellenmaschine 1 weist einen Stator 2 auf, in dem ein Rotor 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit einer Welle 4 verbunden, die bei der Ausbildung der Flügelzellenmaschine 1 als Pumpe mit einem nicht näher dargestellten Antriebsmotor verbunden ist. Wenn die Flügelzellenmaschine 1 als Motor arbeitet, dann kann an der Welle 4 eine Leistung abgenommen werden.
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Der Rotor 3 ist aus einem ersten Material, vorzugsweise Stahl, gebildet. Im Rotor 3 sind in Umfangsrichtung verteilt mehrere Flügel 5 angeordnet, jeder Flügel weist einen Kern 6 aus Stahl auf, der von einer Umhüllung 7 umgeben ist, die aus einem zweiten Material, das sich vom ersten Material unterscheidet, gebildet ist, vorzugsweise aus Kunststoff, der mit dem Stahl des Rotors 3 reibungsarm zusammenwirkt. Der Stator 2 ist ebenfalls aus dem ersten Material, vorzugsweise Stahl, gebildet. Die Umhüllung 7 wirkt auch mit dem Material des Stators 2 reibungsarm zusammen, auch wenn die Flügelzellenmaschine 1 mit Wasser betrieben wird.
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In der weiteren Beschreibung wird als erstes Material Stahl und als zweites Material ein mit Stahl reibungsarm zusammenwirkender Kunststoff verwendet.
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Als Kunststoff für die Umhüllung 7 kommen insbesondere Werkstoffe aus der Gruppe der hochfesten thermoplastischen Kunststoffe auf der Basis von Polyaryletherketonen, insbesondere Polyetheretherketonen (PEEK), Polyamiden, Polyacetalen, Polyarylether, Polyethylenterephtalaten, Polyphenylensulfiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen, Polyehterimiden, Polyamidimiden, Polyacrylaten, Phenol-Harzen, wie Novolack-Harzen, oder ähnliches in Betracht, wobei als Füllstoffe Glas, Graphit, Polytetrafluorethylen oder Kohlenstoff, insbesondere in Faserform verwendet werden können.
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Der Rotor 3 weist für jeden Flügel eine Führung 8 auf. Jede Führung 8 weist zwei im Wesentlichen radial verlaufende und sich axial erstreckende Wände 9, 10 auf, zwischen denen der Flügel 5 in radialer Richtung (bezogen auf die Drehachse des Rotors) geführt ist. An der radialen Innenseite des Flügels 5 ist in der Führung ein Raum 11 angeordnet, in den Flüssigkeit gelangen kann durch einen Spalt zwischen dem Flügel 5 und den Wänden 9, 10.
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Wie in 2 zu erkennen ist, trägt der Rotor 3 eine gerade Anzahl von Flügeln 5. Zwischen zwei jeweils diametral gegenüberliegend angeordneten Flügeln 5 ist eine Stange 12 positioniert. Diese Stange 12 ist ebenfalls aus dem reibungsvermindernden Kunststoff gebildet. Die Stange 12 ist so dimensioniert, dass die diametral gegenüberliegenden Flügel 5 jeweils an der Innenseite 12 des Rotors 2 anliegen. Ein kleines Spiel ist zugelassen, um ein Klemmen zu vermeiden.
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In Umfangsrichtung aufeinander folgende Flügel 5 begrenzen jeweils eine Kammer 14. Wie in 2 zu erkennen ist, ändert sich das Volumen der Kammer 14 bei einer Umdrehung des Rotors innerhalb des Stators 2, wie dies von Flügelzellenmaschinen her bekannt ist.
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Die Kammern 14 müssen auch an ihren axialen Stirnseiten abgedichtet sein. Zu diesem Zweck ist an jeder Stirnseite der Flügel 5 eine Seitenwand 15 ausgebildet. Im vorliegenden Fall ist die Seitenwand 15 an einer Platte 16 ausgebildet. Die Platte 16 ist aus Stahl ausgebildet, so dass der Flügel 5 mit seiner Umhüllung 7 an der Platte 16 entlang reiben kann. Aufgrund des Kunststoffs der Umhüllung 7 erfolgt hier eine Bewegung mit relativ geringer Reibung.
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In die Platte 16 ist ein Einsatz 17 eingesetzt. Der Einsatz ist zumindest an seiner Oberfläche aus einem dritten Material, das gleich dem zweiten Material sein kann, gebildet. Die Oberfläche des Einsatzes 17 ist hier also ebenfalls aus dem reibungsvermindernden Kunststoff gebildet. Der Einsatz 17 liegt an einem Stirnseitenabschnitt 18 des Rotors 3 an.
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Der Einsatz 17 ist in eine zentrische Bohrung 19 der Platte 16 eingesetzt. Der Einsatz 17 weist eine exzentrische Bohrung 20 auf durch die der Rotor 3 geführt ist. Dementsprechend ist es möglich, die Platte 16 und den Einsatz 17 so zu dimensionieren, dass die Flügel 5 mit ihrer Umhüllung 7 während des gesamten Umlaufs stirnseitig nur an der Platte 16, also an Stahl, anliegen, während der Rotor 3 mit seinem Stirnseitenabschnitt 18 nur an dem Einsatz 17, also an Kunststoff, anliegt. Lediglich im Bereich des radial inneren Endes des Flügels 5 kann eine sehr geringe Überdeckung zwischen Flügel 5 und Einsatz 17 erfolgen, die aber unkritisch ist, weil sie so klein ist.
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Bei dieser Ausgestaltung kann man gewährleisten, dass es Reibung immer nur zwischen Teilen gibt, von denen eines eine Oberfläche aus Stahl und eines eine Oberfläche aus dem reibungsvermindernden Kunststoff aufweist, beispielsweise aus PEEK.
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Es ist möglich, dass zwischen der Platte 16 und dem Einsatz 17 Flüssigkeit unter Druck axial nach außen vordringt. Dementsprechend ist zwischen dem Einsatz 17 und einem stirnseitigen Gehäuseteil 21 ein O-Ring 22 (oder eine entsprechende Dichtung) angeordnet. Der O-Ring 22 kann mit einer axialen und/oder radialen Verspannung montiert sein, so dass er auch bei geringen Drücken zur Abdichtung dienen kann, zum Beispiel um eine Leckage beim Start zu vermeiden. Der O-Ring 22 hat in radialer Richtung eine Position, die dem radialen Inneren Ende des Raumes 11 entspricht. Der Druck in dem Raum 11 wirkt also auf die gleiche Fläche des Einsatzes 17 wie der Druck zwischen dem O-Ring 22, genauer gesagt zwischen der radial äußeren Grenze der mit dem O-Ring 22 erzeugten Dichtung, und dem radial innerem Ende des jeweiligen Flügels 5. Dadurch wird über den Einsatz 17 ein hydraulisches Gleichgewicht erzeugt. Dies wirkt sich positiv auf das Betriebsverhalten der Flügelzellenmaschine 1 aus. Insbesondere kann ein übermäßiger Verschleiß an der Kontaktstelle zwischen Rotor 3 und Einsatz 17 vermieden werden.
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Der Rotor 3 weist mehrere axial verlaufende Durchgangskanäle 25 auf, die für einen Druckausgleich zwischen den axialen Rotorenden sorgen. Der Einsatz 17 kann gegenüber der Platte 16 in axialer Richtung beweglich sein, bildet also eine Art ”Kolben”. Aufgrund des hydraulischen Ausgleichs kann man dafür sorgen, dass dieser ”Kolben” immer mit der ”richtigen” Kraft am Rotor 3 anliegt, also mit einer ausreichenden Abdichtung, aber ohne übermäßig große Reibung. Durch die Aufteilung im Einsatz 17 und Platte 16 wird auch die Herstellung vereinfacht. So können die Platte 16 und der Einsatz 17 mit planparallelen Flächen hergestellt werden. Der Einsatz 17 kann eine geringfügig größere Dicke als die Platte 16 aufweisen.
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In einer nicht näher dargestellten Ausführungsform kann man die Platte 16 auch einteilig mit dem stirnseitigen Gehäuseteil 21 ausbilden. In diesem Fall entfällt ein Teil, nämlich die Platte 16. Dafür muss das stirnseitige Gehäuseteil 21 etwas mehr bearbeitet werden. Allerdings sind dafür Ungenauigkeiten geringer, die sich durch Toleranzen an den jeweiligen Bauteilen ergeben könnten.
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3 zeigt ein geringfügig abgewandeltes Ausführungsbeispiel, bei dem gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. 4 zeigt den Einsatz 17 alleine und zwar 4a von vorne, 4b im Schnitt A-A nach 4a und 4c von der Seite.
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Der Einsatz 17 ist nun in Axialrichtung verlängert und bildet ein Lager 23 für den Rotor 3. Dementsprechend ist auch die Materialpaarung zwischen dem Rotor 3 (Stahl) und dem Lager 23 an seiner Umfangsfläche (PEEK) so ausgebildet, dass sich hier ein reibungsarmes Verhalten ergibt. Der O-Ring 22 ist an der gleichen radialen Position angeordnet, d. h. er befindet sich dort, wo der Raum 11 radial innen endet.
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Um diese Position des O-Rings 22 auf einfache Weise realisieren zu können, ist der Einsatz 17 mit einer Stufe 24 versehen, an der der O-Ring stirnseitig anliegen kann. Gleichzeitig kann er in geringem Umfang auch in radialer Richtung komprimiert werden.
