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Die vorliegende Erfindung betrifft eine schaltbare Kühlmittelpumpe einer Brennkraftmaschine mit einem Pumpengehäuse, in dem eine als Hohlwelle ausgebildete Pumpenwelle drehbar gelagert ist, deren zugehöriges, einem Saugraum zugeordnetes Flügelrad über axiale Stege mit einer stirnseitigen Deckscheibe verbunden ist. Durch eine Rotation des Flügelrades in Verbindung mit den zugehörigen Flügeln wird ein Kühlmittel als Volumenstrom von dem Saugraum in einen Kühlmittelauslass gefördert. Zum Einstellen des Volumenstroms ist ein zwischen dem Flügelrad und der Deckscheibe axial in Richtung einer Längsachse verstellbares Leitblech vorgesehen. Das eine der Kontur des Flügelrades entsprechende Leitblech ist über eine Stelleinheit verschiebbar, wobei das Leitblech zur Beeinflussung von einer Stellkraft zumindest eine Öffnung aufweist.
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Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen wird das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, mit Hilfe einer Kühlmittelpumpe in einem bevorzugt geschlossenen Kreislauf durch Kühlkanäle im Bereich der Zylinder und des Zylinderkopfes zum Kühlen der Brennkraftmaschine gepumpt. Das erwärmte Medium wird anschließend in einem Luft-Wasser-Wärmetauscher mittels eines Ventilators und/oder durch den Fahrtwind rückgekühlt. Ein Antrieb der zum Zirkulieren des Kühlmittels eingesetzten Kühlmittelpumpe erfolgt üblicherweise über einen dem Kurbelgehäuse vorgelagerten Aggregatetrieb oder einen innerhalb des Kurbelgehäuses eingebrachten Steuertrieb. Die sich dabei einstellende direkte Antriebsverbindung zwischen der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und der Kühlmittelpumpe bewirkt eine Abhängigkeit der Pumpendrehzahl von der Drehzahl der Brennkraftmaschine. Dies hat zur Folge, dass im hohen Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine ein entsprechend großer Volumenstrom der Kühlmittelpumpe zur Verfügung steht, der in diesem Ausmaß zur Kühlung der Brennkraftmaschine nicht benötigt wird. Beim Kaltstart tritt dagegen das Problem auf, dass sich die Erwärmung der Brennkraftmaschine verzögert und folglich die Zeit bis zum Erreichen einer optimalen Betriebstemperatur verlängert wird.
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Um eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors zu erreichen und die Motortemperatur gezielt einzustellen, ist es bekannt, schaltbare bzw. regelbare Kühlmittelpumpen einzusetzen, bei denen der Förderstrom gezielt einstellbar ist. Um den Förder- bzw. den Volumenstrom einzustellen, wird das Leitblech innerhalb des Flügelrades axial in der Kühlmittelpumpe mittels eines Aktuators verschoben, der möglichst bauraumneutral in der Pumpe integriert ist. Eine derartige Kühlmittelpumpe ist aus dem Dokument
DE 10 2008 046 424 A1 bekannt. Durch Versuche wurde ermittelt, dass in Abhängigkeit von der Drehzahl, der Stellposition sowie der Pumpenausführung relativ hohe hydraulische Kräfte auf das Leitblech wirken, die vom Aktuator aufzubringen sind, um das Leitblech zuverlässig verstellen zu können. Dieser Umstand bedingt eine gewisse Größe, wodurch häufig großdimensionierte Aktuatoren eingesetzt werden. Die
DE 10 2011 077 030 A1 offenbart eine schaltbare Kühlmittelpumpe, bei der das Leitblech zumindest eine Öffnung aufweist. Durch die Öffnung im Leitblech wird ein Druckunterschied zwischen einer Leitblechvorderseite und einer Leitblechrückseite verändert. In Abhängigkeit von einer Lage der Öffnung bezogen auf eine Drehachse des Flügelrades bzw. des Leitblechs kann damit eine zur Verschiebung des Leitblechs benötigte Axialkraft oder Stellkraft erhöht oder reduziert werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, für eine schaltbare Kühlmittelpumpe eine funktionssichere Verstellung des Leitblechs zu gewährleisten.
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Die zuvor genannte Problemstellung wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass der achsnah oder achsfern in dem Leitblech eingebrachten Öffnung unmittelbar oder mittelbar ein Filterelement zugeordnet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt, die auf den Anspruch 1 rückbezogen sind.
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Vorteilhaft ermöglicht die Erfindung, eine schaltbare bzw. regelbare Kühlmittelpumpe auch in stärker verschmutzten Kühlsystemen einzusetzen, ohne dabei dem Risiko einer Klemmung des verstellbaren Leitblechs ausgesetzt zu sein. Das den Öffnungen in dem einstellbaren Leitblech zugeordnete erfindungsgemäße Filterelement unterbindet im Unterschied zu bisherigen Lösungen wirksam den Eintritt von Schmutzpartikeln in den vom Flügelrad und dem Leitblech begrenzten Zwischenraum. Da die Schmutzpartikel den Zwischenraum nicht verlassen können, führt deren Ansammlung mit zunehmender Zeit zu einer Anhäufung, die ein Klemmen des Leitblechs auslösen kann mit der Folge eines Ausfalls der Schalt- bzw. Regelfunktion der Kühlmittelpumpe. Somit ist durch die Erfindung, bei der ein Filterelement den betroffenen Öffnungen zugeordnet ist, um den Eintritt von Schmutzpartikeln in den Zwischenraum zu verhindern, eine dauerhafte Funktion des verstellbaren Leitblechs und folglich der schaltbaren bzw. regelbaren Kühlmittelpumpe gewährleistet.
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Vorzugsweise ist das erfindungsgemäße Konzept auch auf Leitbleche mit mehr als einer Öffnung übertragbar, die in unterschiedlichen Lagen und geometrischen Formen ausgeführt sein können. Die Formgebung, die Lage sowie die Anordnung der Öffnungen können dabei insbesondere im Hinblick auf eine optimale Strömung und/oder eine kostengünstige Herstellung erfolgen. Das Design sowie eine Sieb- oder Maschengröße des Filterelementes kann beispielsweise durch Versuche abgestimmt bzw. bestimmt werden, um die Klemmneigung des Leitblechs auch bei einem Schmutzdauerlauf zu minimieren. Weiterhin können mit dem erfindungsgemäßen Konzept vorteilhaft die verschärften Grenzwerte für die innere Verschmutzung von Kühlsystemen insbesondere in PKW-Brennkraftmaschinen erreicht oder unterschritten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Flügelrad stirnseitig versetzt zueinander positionierte zylinderförmige Pins auf, die bei Anlage des Leitblechs an dem Flügelrad zur Bildung einer Verschlusskontur spielbehaftet in entsprechende Öffnungen des Leitblechs formschlüssig eingreifen. In dieser Leitblechposition sind die Pins gleichzeitig in rohrförmig ausgeführte Filterelemente spielbehaftet eingepasst. Eine Kühlmittelbeaufschlagung des vom Flügelrad und dem Leitblech begrenzten Zwischenraums erfolgt, sobald der jeweilige Pin die Öffnung im Leitblech verlässt und sich ein Versatz und folglich ein Strömungsquerschnitt zwischen dem Leitblech und dem Pin einstellt. Eine verstellwegabhängige Modulation des Kraftniveaus zur Verstellung des Leitblechs kann durch Pins mit unterschiedlicher Länge realisiert werden.
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Vorteilhaft umfasst jede achsnah und umfangsverteilt in dem Leitblech eingebrachte, auch als Entlastungsöffnung zu bezeichnende Öffnung jeweils ein in Richtung der Deckscheibe ausgerichtetes separates Filterelement. Alternativ dazu bietet es sich an, die Filterflächen radial, beispielsweise in einer Mantelfläche des Gesamtfilterelementes, anzuordnen. Zur Bauteiloptimierung und zur Erzielung eines Kostenvorteils besteht gemäß der Erfindung außerdem die Möglichkeit, ein sich über alle im Leitblech achsnah eingebrachten Öffnungen erstreckendes Gesamtfilterelement einzusetzen. Weiterhin schließt die Erfindung ein Leitblech mit einer zentralen Öffnung ein, dem ebenfalls deckel- bzw. saugraumseitig ein einzelnes Filterelement zugeordnet ist.
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Die Erfindung schließt ebenfalls achsfern im Leitblech eingebrachte, auch als Belastungsöffnung bezeichnete Öffnungen ein. Mittels derartiger Öffnungen kann eine Leitblechverstellkraft erhöht werden. Aufgrund der nach außen versetzten, achsfernen Lage dieser Öffnungen, sind diesen nicht im Leitblech integrierte Einzelfilterelemente zugeordnet. Bevorzugt sind die Filterelemente ortsfest und damit getrennt gegenüber dem Leitblech positioniert, um bei einer Hub- oder Stellbewegung des Leitblechs eine Kollision des Filterelementes mit der Deckscheibe des Flügelrades zu vermeiden. Vorzugsweise sind die Filterelemente einer Verlängerung von radial außen liegenden Pins des Flügelrades zugeordnet. Eine weitere erfindungsgemäße Lösung sieht vor, das Filterelement als Filterpatrone jeweils in einem das Flügelrad mit der Deckscheibe des Flügelrades verbindenden Steg zu integrieren.
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Ein bevorzugter Aufbau der Erfindung sieht vor, als zylinderförmige Stahlkörper oder Kunststoffkörper ausgebildete Einzelfilterelemente zu verwenden, die von der Stirnseite in die als Bohrung ausgeführte Öffnung des Leitblechs eingesetzt und gegenseitig mittels einer nach außen weisenden Bördelung an der Öffnung fixiert sind. Alternativ oder zur Unterstützung der Bördelung bietet sich an, die zylindrischen Filterelemente mit einem Übermaß in die Bohrung einzupressen.
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Das Einzel- oder das Gesamtfilterelement weist vorzugsweise an der in Richtung der Deckscheibe bzw. dem Saugraum gerichteten Stirnseite eine Siebstruktur auf, deren Maschen- oder Spaltgröße so ausgewählt ist, um Schmutzpartikel in einer Größe wirksam abzuscheiden, die zu einer Leitblechklemmung führen.
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Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf die konstruktive außenseitige Ausgestaltung des Leitblechs bezüglich des Flügelrades. Alternativ zu einer bekannten Ringdichtung zwischen dem Flügelrad und dem Leitblech ist erfindungsgemäß eine Spaltdichtung vorgesehen. Danach übergreift ein geschlossener umlaufender Bord des Leitblechs radial beabstandet das Flügelrad. Der sich dabei einstellende Ring- oder Radialspalt zwischen dem Bord und der Außenkontur des Flügelrades übertrifft geringfügig eine Maschen-, Sieb- oder Spaltgröße der Filterelemente. Mit dieser Maßnahme ist sichergestellt, dass alle Schmutzpartikel, welche aufgrund ihrer geringen Größe das Filterelement passieren, den von dem Leitblech und dem Flügelrad begrenzten Zwischenraum wieder verlassen können, um eine Leitblechklemmung aufgrund einer Anhäufung von Kleinstpartikeln zu verhindern. Der sich bildende Ringspalt der Spaltdichtung wird vorteilhaft so ausgelegt, dass eine Drosselfunktion der schaltbaren Kühlmittelpumpe nicht verloren geht, falls eine Leckageströmung an der Spaltdichtung zu groß wird. Sollte eine Anpassung des Ringspaltes erforderlich sein, so wird dieser maximal bis auf eine Maschen-, Sieb- oder Spaltgröße der Filterelemente reduziert.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Die dargestellten Ausführungsformen zeigen Beispiele von erfindungsgemäßen Lösungen, die jedoch keine abschließende Begrenzung der Erfindung darstellen. Dabei zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung einer regelbaren Kühlmittelpumpe mit einem Leitblech, das achsnahe Öffnungen einschließt;
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2 bis 9 jeweils ausschnittsweise eine regelbare Kühlmittelpumpe in vereinfachter Darstellung, wobei die Darstellungen insbesondere das erfindungsgemäße Leitblech verdeutlichen;
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2 ein an dem Flügelrad anliegendes Leitblech, wobei jeder achsnahen Öffnung im Leitblech jeweils ein Filterelement zugeordnet ist;
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3 eine weitestgehend der 2 entsprechende Darstellung, wobei abweichend das Leitblech gegenüber dem Flügelrad verschoben ist;
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4 eine Darstellung, die weitestgehend der 2 entspricht, wobei abweichend alle achsnahen Öffnungen einem Gesamtfilterelement zugeordnet sind;
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5 die Darstellung gemäß 4, wobei abweichend zur 4 das Leitblech gegenüber dem Flügelrad verschoben ist;
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6 eine Alternative zu dem Gesamtfilterelement gemäß 4, bei dem die Filterflächen radial ausgerichtet sind;
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7 ein an dem Flügelrad anliegendes Leitblech, wobei jeder achsfernen Öffnung im Leitblech jeweils ein externes Filterelement zugeordnet ist;
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8 die Darstellung gemäß 6, wobei abweichend zur 6 das Leitblech gegenüber dem Flügelrad verschoben ist;
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9 ein Leitblech, dessen außenseitiger, umlaufender Bord das Flügelrad radial beabstandet umschließt.
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Die 1 zeigt eine Kühlmittelpumpe 1 für einen Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) mit einem Pumpengehäuse 2, in welchem eine antreibbare Pumpenwelle 3 über ein als Wälzlager ausgeführtes Wasserpumpenlager 4 drehbar gelagert ist. Der Antrieb der Kühlmittelpumpe 1 erfolgt insbesondere über eine einstückig mit der Pumpenwelle 3 verbundene, in 1 nicht gezeigte Riemenscheibe. An einem Ende ist der Pumpenwelle 3 ein Flügelrad 5 drehfixiert befestigt, das in einen Saugraum 6 hineinragende Flügel 7 aufweist sowie eine stirnseitige Deckscheibe 8, die mittels umfangverteilt angeordneter, axial ausgerichteter Stege 9 miteinander verbunden sind. Zur Abdichtung des Wasserpumpenlagers 4 gegenüber dem Pumpenraum bzw. dem Saugraum 6 ist eine als Gleitringdichtung aufgebaute Abdichtung vorgesehen. Bei der Rotation des Flügelrades 5 wird Kühlmittel bzw. Fluid über einen Saugstutzen (nicht gezeigt) des Pumpengehäuses 2 in den Saugraum 6 und von dort in einen Druckstutzen (nicht gezeigt) gefördert. Zwischen dem Flügelrad 5 und der Deckscheibe 8 ist weiterhin ein über eine Stelleinheit 10 axial verschiebbares Leitblech 11 angeordnet, das eine zum Flügelrad 5 korrespondierende Kontur sowie außenseitig einen umlaufenden, das Flügelrad 5 beabstandet umschließenden Bord 12 aufweist. Um einen Fluid- oder Kühlmittelstrom der Kühlmittelpumpe 1 bedarfsgerecht einstellen zu können, ist das Leitblech 11 mittels der Stelleinheit 10 stufenlos zwischen dem Flügelrad 5 und der Deckscheibe 8 verstellbar. Kein Volumenstrom der Kühlmittelpumpe 1 stellt sich ein, wenn das Leitblech 11 an der Vorderseite der Deckscheibe 8 anliegt. Der Öffnungsgrad des Leitblechs 11 ist ein Indiz für die Menge des die Kühlmittelpumpe 1 durchfließenden Volumenstroms. Die Stelleinheit 10 beinhaltet eine in der als Hohlwelle ausgeführten Pumpenwelle 3 axial verschiebbare, unmittelbar mit dem Leitblech 11 in Verbindung stehende Schubstange 13 sowie einen die Schubstange 13 aktuierenden Aktuator 14.
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Der beispielsweise von einem Motormanagement der Brennkraftmaschine (nicht gezeigt) ansteuerbare Aktuator 14 ist möglichst bauraumneutral in der Kühlmittelpumpe 1 integriert. Aus diesem Grund gilt es, die auf das Leitblech 11 aus dem Volumenstrom resultierenden Verstellkräfte so gering wie möglich zu halten, um einen bauraumoptimierten Aktuator 14 einsetzen zu können. Als Maßnahme, um das Kräfteniveau auf das Leitblech 11 und somit auf den Aktuator 14 zu verringern, sind im Bereich einer Längsachse 15 mehrere Öffnungen 16 in das Leitblech 11 eingebracht, die auch als Entlastungsöffnungen zu bezeichnen sind. Diese achsnahen Öffnungen 16 verringern einen effektiven Druckunterschied zwischen einer Leitblechvorderseite (der Fläche, die der Deckscheibe 8 zugewandt ist) und der Leitblechrückseite (Fläche, die dem Flügelrad 5 zugewandt ist). Gleichzeitig werden dadurch die auf das Leitblech 11 wirkenden Fluidkräfte des Volumenstroms verringert und ein Strömungsaustausch zwischen der Leitblechvorderseite und der Leitblechrückseite erleichtert. Außerdem generiert das radial geförderte Fluid an der Leitblechrückseite ein Druckpolster, das zu einer Kraftkomponente führt, wodurch das Leitblech 11 in Richtung einer Schließbewegung beaufschlagt wird. Eine sich einstellende resultierende Kraft beaufschlagt das Leitblech 11 in Richtung einer Schließbewegung und entlastet folglich den Aktuator 14 in seiner Stellfunktion. Alternativ zu den zuvor beschriebenen achsnahen, eine Entlastung der Stellkraft des Aktuators 14 bewirkenden Öffnungen 16 können achsferne, in den 6 und 7 gezeigte Öffnungen 30 in das Leitblech 11 eingebracht werden, um ein erhöhtes Kraftniveau zu generieren. Die Kühlmittelpumpe 1 umfasst weiterhin eine Failsafe-Einrichtung. Dazu ist eine Druckfeder 17 vorgesehen, die bei einem Ausfall des Aktuators 14 die Schubstange 13 in eine Grundstellung, d.h. in Richtung des Flügelrades 5 verschiebt.
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Die 2 bis 9 zeigen in vereinfachten Darstellungen ausschnittsweise die regelbare Kühlmittelpumpe 1, die insbesondere die erfindungsgemäßen Merkmale des Leitblechs verdeutlichen. Dabei stimmen die Bezugszeichen für gleiche oder funktionsgleiche Komponenten bzw. Bauteile mit denen der 1 überein. Die nachfolgenden Beschreibungen beschränken sich daher weitestgehend auf erfindungswesentliche unterschiedliche Ausgestaltungen.
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Gemäß den 2 und 3 umfasst das Leitblech 21a achsnah eingebrachte Öffnungen 26a, in die einstückig mit dem Flügelrad 5 verbundene Pins 22a, 22b unterschiedlicher Länge eingreifen. Beiden Öffnungen 26a, 26b sind an die Länge der Pins 22a, 22b angepasste Filterelemente 23a, 23b zugeordnet. Bei einer Verstellung des Leitblechs 11 von der Grundstellung gemäß 2 in eine in 3 gezeigte Zwischenstellung in Richtung der Deckscheibe 8 kann Kühlmittel bzw. Fluid aus dem Saugraum 6 über die Öffnungen 26a, 26b in einen axial von dem Flügelrad 5 und dem Leitblech 11 begrenzten Zwischenraum 24 einströmen, wobei die Filterelemente 23a, 23b den Eintritt von Verunreinigungen oder Schmutzpartikel verhindern.
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In den 4 und 5 ist das ebenfalls in zwei unterschiedlichen Stellungen abgebildete Leitblech 21b gezeigt, das abweichend zu den 2 und 3 ein einzelnes Gesamtfilterelement 25 einschließt. Gemäß der 4 erstreckt sich das Gesamtfilterelement 25 über eine einen vergrößerten Strömungsquerschnitt bildende zentrale Öffnung 27 des Leitblechs 21b, über die das Fluid in den Zwischenraum 24 einströmt.
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Die 6 zeigt das Leitblech 21b in Verbindung mit dem Gesamtfilterelement 25, das eine sich im Wesentlichen auf die Querschnittsflächen der Pins 22a, 22b beschränkende Öffnung 27 aufweist. Das Gesamtfilterelement 25 umfasst ausschließlich an der Mantelfläche befindliche Filterflächen 31, wodurch das Kühlmittel radial in den Zwischenraum 24 einströmt. Diese Filterflächenanordnung bildet eine Variante zu der axial ausgerichteten Filterfläche 32, gemäß dem in den 4 und 5 gezeigten Gesamtfilterelement 25.
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Die 7 und 8 zeigen das Leitblech 21c, das achsfern eingebrachte Öffnungen 30 einschließt, die für Stege 9 bestimmt sind, die das Flügelrad 5 mit der Deckscheibe 8 verbinden. In die Stege 9 sind als Filterpatronen ausgebildete Filterelemente 28 so integriert, dass bei einer Verstellung des Leitblechs 21c von der Grundstellung gemäß 7 in eine in 8 gezeigte Zwischenstellung das Kühlmittel bzw. Fluid aus dem Saugraum 6 über die Filterelemente 28 sowie den Öffnungen 30 in den Zwischenraum 24 einströmt.
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Gemäß der 9 bildet das Leitblech 11 gemeinsam mit dem Flügelrad 5 außenseitig eine Spaltdichtung 29 in Form eines radialen Ringspaltes S. Dazu übergreift der geschlossene umlaufende Bord 12 des Leitblechs 11 radial beabstandet das Flügelrad 5. Der sich dabei einstellende Ring- oder Radialspalt bildet die Spaltdichtung 29, deren Maß eine Maschen-, Sieb- oder Spaltgröße der Filterelemente 23a, 23b geringfügig übertrifft. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass alle Schmutzpartikel, welche aufgrund ihrer geringen Größe die Filterelemente 23a, 23b passieren, wieder über die Spaltdichtung 29 austreten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlmittelpumpe
- 2
- Pumpengehäuse
- 3
- Pumpenwelle
- 4
- Wasserpumpenlager
- 5
- Flügelrad
- 6
- Saugraum
- 7
- Flügel
- 8
- Deckscheibe
- 9
- Steg
- 10
- Stelleinheit
- 11
- Leitblech
- 12
- Bord
- 13
- Schubstange
- 14
- Aktuator
- 15
- Längsachse
- 16
- Öffnung
- 17
- Druckfeder
- 21a, 21b, 21c, 21d
- Leitblech
- 22a, 22b
- Pin
- 23a, 23b
- Filterelement
- 24
- Zwischenraum
- 25
- Gesamtfilterelement
- 26a, 26b
- Öffnung
- 27
- Öffnung
- 28
- Filterelement
- 29
- Spaltdichtung
- 30
- Öffnung
- 31
- Filterfläche
- 32
- Filterfläche
- S
- Spaltmaß
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008046424 A1 [0003]
- DE 102011077030 A1 [0003]
