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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Flügelzellenpumpe, die einen Stator, einen Rotor und mehrere Flügel umfasst. Der Rotor ist dabei zumindest teilweise in einer Ausnehmung des Stators rotierbar angeordnet. Die Flügel sind durch den Rotor antreibbar und bilden in einem Zwischenraum zwischen Rotor und Stator Arbeitsräume aus, sodass bei rotierendem Rotor eine Pumpwirkung an einer Auslaßöffnung der Flügelzellenpumpe erreicht wird. Eine solche Flügelzellenpumpe kann beispielsweise als Ölpumpe zur Schmierölversorgung von Maschinen oder Aggregaten und zur Bereitstellung eines Systemdrucks in hydraulischen Aggregaten verwendet werden.
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Aus der
DE 30 14 520 A1 ist eine Flügelzellenpumpe bekannt mit einem gehäusegelagerten Drehkolben, an dem gleichmäßig am Umfang verteilt mehrere Schwenkschieber um Achsen parallel zur Drehachse des Drehkolbens schwenkbar angelenkt sind, wobei die Schwenkschieber bei der Drehung des Drehkolbens unter Einwirkung der Fliehkraft an der Bohrung eines Gehäuses anliegen. Die Schwenkschieber weisen an einem Ende einen im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen Endabschnitt auf, der in entsprechende Ausnehmungen im Drehkolben eingreift. Dadurch sind die Schwenkschieber schwenkbar in dem Drehkolben gelagert und können unter Einwirkung der Zentrifugalkraft ausschwingen und mit ihrem anderen Ende an der Bohrung des Gehäuses anliegen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Flügelzellenpumpe insbesondere so weiterzubilden, dass sie mit einem geringen Aufwand hergestellt werden kann. Vorzugsweise soll die Flügelzellenpumpe einen verlustarmen, ruhigen und geräuscharmen Betrieb ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch eine Flügelzellenpumpe gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Es wird eine Flügelzellenpumpe mit einem Stator, einem Rotor und mit mehreren Flügeln vorgeschlagen. Der Stator weist eine Statorbohrung auf, in welcher der Rotor zumindest teilweise angeordnet ist. Der Rotor ist gegenüber dem Stator und der Statorbohrung rotierbar. Die durch den Rotor antreibbaren Flügel bilden in einem Zwischenraum zwischen dem Rotor und dem Stator Arbeitsräume aus. Die Arbeitsräume sind jeweils durch Stator, Rotor und zwei Flügel abgegrenzt.
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Durch die Bewegungen des Rotors und der Flügel in der feststehenden Statorbohrung werden Volumenveränderungen in den einzelnen Arbeitsräumen und daraus eine Pumpwirkung erzielt. Die Volumenvergrößerung wird dabei genutzt, um Fluid in den Arbeitsraum einzusaugen. Die Volumenverkleinerung wird dazu genutzt, um Fluid aus dem Arbeitsraum abzupumpen. Folglich wird eine Pumpwirkung erreicht. Die Volumenveränderungen und die Pumpwirkung entstehen entweder dadurch, dass die Rotationsachse des Rotors exzentrisch zu der Mittelachse einer kreiszylindrischen Statorbohrung angeordnet ist, oder dadurch, dass die Statorbohrung nicht kreiszylindrisch sondern beispielsweise oval ausgebildet ist. Dadurch verändert sich das Volumen jedes Arbeitsraumes bei der Rotation des Rotors in der Statorbohrung. Während der Vergrößerung des Arbeitsraumes ist dieser mit einer Zulauföffnung verbunden, über die Fluid in den Arbeitsraum gesaugt wird und während der Verringerung des Arbeitsraums ist dieser mit einer Auslaßöffnung verbunden, über die das Fluid unter Druck abfließen kann. Insoweit ist dieses Wirkprinzip dem Fachmann bekannt.
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Es ist ferner bekannt, dass der Rotor Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines rotorseitigen Endbereichs eines Flügels aufweist. Die rotorseitigen Endbereiche ragen zumindest teilweise in die Ausnehmungen hinein.
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Gemäß der Erfindung wird nun vorgeschlagen, dass die Ausnehmungen und die rotorseitigen Endbereiche der Flügel jeweils so geformt sind, dass zwischen dem Rotor und den rotorseitigen Endbereichen lediglich Linienkontakte vorliegen. Die Linienkontakte zwischen dem Rotor und den Flügeln ermöglichen eine einfachere und kostengünstige Herstellung der Flügelzellenpumpe, weil dabei weniger enge Fertigungstoleranzen eingehalten werden müssen, als bei den eingangs genannten herkömmlichen Flügelzellenpumpen. Unter einem Linienkontakt wird verstanden, dass sich zwei Bauteile nur entlang einer Linie berühren. Der Linienkontakt kann also auch als Linienberührung bezeichnet werden. Im vorliegenden Fall berühren sich beispielsweise der rotorseitige Endbereich eines Flügels und der Rotor nur entlang einer Kontaktlinie.
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Ein flächiger Kontakt wird demnach vermieden, soweit das aus praktischen technischen Gründen möglich ist. Dazu ist insbesondere die Hertzsche Pressung zu nennen, welche entsteht, wenn die Kontaktflächen gegeneinander gedrückt werden. Aufgrund der Hertzschen Pressung entsteht an der Berührstelle eine, wenn auch minimale, Berührungsfläche. Als Linienkontakt wird deshalb auch ein Kontakt entlang einer Kontaktlinie verstanden, bei dem die Kontaktlinie eine geringe Breite aufweist, beispielsweise einige Mikrometer.
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Unter einem Flügel wird im Rahmen dieser Erfindung ein längliches Bauteil verstanden, dessen Länge deutlich größer ist als dessen Breite und Tiefe. Die Abmessung in Längsrichtung ist bei einem Flügel beispielsweise zumindest doppelt so groß wie die Abmessung in Querrichtung und Tiefenrichtung, wobei die Quer- und Tiefenrichtung jeweils orthogonal zu der Längsrichtung verlaufen. Jeder Flügel weist an seinen entgegengesetzten Enden einen rotorseitigen und einen statorseitigen Endbereich auf. Mehrere solcher Flügel sind an dem Rotor schwenkbar befestigt. Im Betrieb wird der statorseitige Endbereich jedes Flügels durch die Fliehkraft und durch die Druckdifferenz zwischen benachbarten Arbeitsräumen an die Innenfläche der Statorbohrung geschwenkt und dort angedrückt.
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Gemäß einer bevorzugten ersten Ausführung der Erfindung überlagert sich die reine Schwenkbewegung der Flügel durch eine zusätzliche Bewegung der Schwenkachse, die beim Abrollen des rotorseitigen Endbereichs jedes Flügels in der Ausnehmung entsteht. Diese bevorzugte erste Ausführung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen am Rotor jeweils eine konkav geformte Rotorkontaktfläche aufweisen, dass die rotorseitigen Endbereiche der Flügel jeweils eine konvex geformte erste Flügelkontaktfläche aufweisen, und dass der Krümmungsradius der konkav geformten Rotorkontaktfläche jeweils größer ist als der Krümmungsradius der konvex geformten ersten Flügelkontaktfläche. Eine derartige Flügelzellenpumpe lässt sich verhältnismäßig verlustarm betreiben, weil beim Abrollen der Flügel in den Ausnehmungen des Rotors weniger Reibung entsteht als beim Verschwenken der Flügel bei herkömmlichen Flügelzellenpumpen, das mit einer Gleitreibung behaftet ist. Die erfindungsgemäße Flügelzellenpumpe erfordert also weniger Antriebsenergie als herkömmliche Flügelzellenpumpen.
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Eine Kontaktfläche ist eine Fläche an einem Bauteil, die geeignet und dazu vorgesehen ist, um mit einer anderen Kontaktfläche an einem anderen Bauteil in Kontakt zu treten. Eine Kontaktfläche ist in der Regel eine bearbeitete Fläche mit einer bestimmten Oberflächenqualität. Die Rotorkontaktfläche und die erste Flügelkontaktfläche dichten an deren gegenseitiger Kontaktlinie zwei Arbeitsräume gegeneinander ab.
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Bei der bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung berühren sich jeweils die Rotorkontaktfläche und die erste Flügelkontaktfläche in einer Kontaktlinie. Die Kontaktlinie kann sich beim Verschwenken jedes Flügels durch die Abrollbewegung auf beiden Kontaktflächen verschieben.
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Bevorzugt sind die Rotorkontaktflächen zumindest teilweise zylindrisch geformt. Teilweise zylindrisch bedeutet, dass die Rotorkontaktfläche die Form eines Teils eines Zylindermantels aufweist. Die Rotorkontaktfläche kann beispielsweise kreiszylindrisch geformt sein.
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Gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführung weisen die Ausnehmungen jeweils zwei ebene Rotorkontaktflächen auf und die rotorseitigen Endbereiche der Flügel weisen jeweils eine konvex geformte erste Flügelkontaktfläche auf. Auch mit dieser Ausführung ergeben sich zwischen dem Rotor und den rotorseitigen Endbereichen lediglich Linienkontakte. Diese zweite Ausführung ist ebenfalls einfach herstellbar, insbesondere weil die beiden Rotorkontaktflächen hier als ebene Kontaktflächen einfach herstellbar und deren Oberflächen einfach zu bearbeiten sind.
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Sowohl bei der beschriebenen ersten Ausführung wie auch bei der zweiten Ausführung ist es von Vorteil, wenn die erste Flügelkontaktfläche ebenfalls zumindest teilweise zylindrisch geformt ist.
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Vorzugsweise weisen die Flügel jeweils einen statorseitigen Endbereich mit einer konvex geformten zweiten Flügelkontaktfläche auf, sodass sich auch zwischen den Flügeln und der Statorbohrung lediglich ein Linienkontakt ergibt. Auch die zweite Flügelkontaktfläche am statorseitigen Endbereich jedes Flügels kann beispielsweise kreiszylindrisch, das heißt mit einem zumindest teilweise kreisförmigen Querschnitt ausgeführt sein.
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Bei jeder der beiden beschriebenen Ausführungen können jeweils alle Ausnehmungen am Rotor und alle Flügel identisch ausgeführt sein, was die Fertigung der Bauteile vereinfacht. Die Ausnehmungen am Rotor können vorteilhaft gleichmäßig verteilt über den Umfang des Rotors angeordnet sein, sodass auch die Flügel und die Arbeitsräume gleichmäßig verteilt über den Umfang des Rotors angeordnet sind. Dies führt zu einem ruhigen, geräuscharmen Lauf der Flügelzellenpumpe. Bei gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilten Ausnehmungen ergibt sich eine Art Verzahnung am Außenumfang des Rotors. Bei der ersten Ausführungsform mit konkav geformten Ausnehmungen bzw. Rotorkontaktflächen, weist jede Zahnlücke der Verzahnung einen konkav geformten Zahngrund als Rotorkontaktfläche auf. Mit anderen Worten weist jede Zahnlücke an ihrem Grund eine Rundung auf.
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Bei der zweiten Ausführungsform wird jede Ausnehmung durch eine Zahnlücke der Verzahnung gebildet, die jeweils durch zwei ebene Rotorkontaktflächen begrenzt wird. Die Ausnehmungen in Form einer Verzahnung anzuordnen hat den Vorteil, dass bewährte Herstellungsverfahren, beispielsweise aus dem Zahnradbau, zumindest teilweise angewendet werden können. So kann mit geringem Fertigungsaufwand eine hohe Qualität gewährleisten werden.
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Besonders vorteilhaft können die Flügel so angeordnet werden, dass sie sich in Umfangsrichtung zumindest teilweise überlappen. Das bedeutet, dass sich auch die mithilfe der Flügel gebildeten Arbeitsräume in Umfangsrichtung überlappen. Auf diese Weise lassen sich um den gesamten Umfang des Rotors einen höhere Anzahl an Flügeln und damit auch an Arbeitsräumen anordnen. Eine hohe Anzahl an Arbeitsräumen ist vorteilhaft in Bezug auf Druckpulsationen und Geräuschentwicklung. Das bedeutet, dass bereit bei geringen Drehzahlen des Rotors ein verhältnismäßig gleichmäßiger und stetiger Druckaufbau und Volumenstrom vorliegt.
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Des Weiteren kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass eine Rotationsachse des Rotors gegenüber einer Mittelachse der Statorbohrung verschiebbar ist, um so die Fördermenge der Flügelzellenpumpe variieren zu können. Diese Möglichkeit ist insbesondere bei Flügelzellenpumpen vorteilhaft, bei denen die Rotationsachse des Rotors exzentrisch zu der Mittelachse einer kreiszylindrischen Statorbohrung angeordnet ist.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele in den anliegenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- 1 einen Ausschnitt einer Flügelzellenpumpe nach einer ersten Ausführungsform in einer Seitenansicht;
- 2 einen vergrößerten Ausschnitt A aus der 1;
- 3 einen Ausschnitt einer Flügelzellenpumpe nach der ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
- 4 einen Rotor einer Flügelzellenpumpe nach der ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht;
- 5 einen Flügel einer erfindungsgemäßen Flügelzellenpumpe in einer perspektivischen Ansicht,
- 6 einen Ausschnitt einer Flügelzellenpumpe nach einer zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht;
- 7 einen vergrößerten Ausschnitt B aus der 6 und
- 8 einen Rotor einer Flügelzellenpumpe nach der zweiten Ausführungsform in einer perspektivischen Ansicht.
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Die in 1 dargestellte Flügelzellenpumpe 1 entspricht einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Sie weist als deren wesentliche Bauteile einen Stator 2, einen Rotor 4 und mehrere Flügel 5 auf. Der Stator 2 weist eine Statorbohrung 3 auf, in welcher der Rotor 4 rotierbar angeordnet ist. Der Rotor 4 kann zum Betrieb der Flügelzellenpumpe 1 mittels eines nicht dargestellten Antriebs in einer Rotationsrichtung angetrieben werden. Die Rotationsrichtung ist mit einem Rotationsrichtungspfeil 15 bezeichnet.
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Eine Vielzahl an Flügeln 5 ist in einem Zwischenraum 6 zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 2 angeordnet. Jeder der Flügel 5 weist eine längliche Bauform mit einem rotorseitigen Endbereich 9 und einem statorseitigen Endbereich 13 auf. Jeder Flügel 5 ragt mit seinem rotorseitigen Endbereich 9 in eine dafür vorgesehen Ausnehmung 8 am Außenumfang des Rotors 4 hinein. Dadurch ist sichergestellt, dass jeder Flügel 5 im Betrieb von dem rotierenden Rotor 4 mitgenommen und in der Rotationsrichtung angetrieben wird. Durch die bei der Rotation entstehende Fliehkraft und die Druckdifferenz zwischen benachbarten Arbeitsräumen 7 wird der statorseitige Endbereich 13 jedes Flügels 5 in radialer Richtung nach außen gedrückt, während die rotorseitigen Endbereiche 9 der Flügel 5 in ihrer jeweils zugeordneten Ausnehmung 9 gehalten werden. Die Flügel 5 schwenken an ihren statorseitigen Endbereichen 13 jeweils soweit aus, bis sie an der Innenfläche der Statorbohrung 3 anstehen. Dadurch wird zwischen jeweils zwei Flügeln 5 jeweils ein Arbeitsraum 7 ausgebildet.
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Durch die Rotation werden die statorseitigen Endbereiche 13 aufgrund der Fliehkraft und der Druckdifferenz zwischen benachbarten Arbeitsräumen 7 an die Innenfläche der Statorbohrung 3 gedrückt. Durch die Bewegungen des Rotors 4 und der Flügel 5 werden Volumenveränderungen in den Arbeitsräumen 7 und daraus eine Pumpwirkung erzielt. Die Volumenänderungen ergeben sich im vorliegenden Ausführungsbeispielen dadurch, dass die Statorbohrung 3 eine ovale Querschnittsform aufweist, wodurch sich die radiale Abmessung des Zwischenraums 6 zwischen dem Rotor 4 und der Statorbohrung 3 über den Umfang verändert.
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Die vergrößerte Darstellung der 2 des Bereichs A aus 1 zeigt die Anordnung und Form der Ausnehmungen 8 und der Flügel 5 genauer. Die Ausnehmungen 8 im Rotor 4 und die rotorseitigen Endbereiche 9 der Flügel 5 jeweils so geformt, dass zwischen dem Rotor 4 und den rotorseitigen Endbereichen 9 lediglich Linienkontakte vorliegen. Dazu weist der rotorseitige Endbereich 9 jedes Flügels 5 eine zylindrisch geformte erste Flügelkontaktfläche 11 auf, die jeweils in einer ebenfalls zylindrisch geformten Rotorkontaktfläche 10a anliegt. Dabei ist der Radius der zylindrischen ersten Flügelkontaktfläche 11 kleiner als der Radius der zylindrischen Rotorkontaktfläche 10a. Die zylindrisch geformten Rotorkontaktflächen 10a ergeben sich durch den im Querschnitt im Wesentlichen kreisförmigen rotorseitigen Endbereich 9 des jeweiligen Flügels 5.
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Die so geformten Flügelkontaktflächen 11 und 12 berühren die jeweils zugeordnete Kontaktfläche an dem Rotor 4 bzw. in der Statorbohrung 3 entlang einer Kontaktlinie und dichten so die zugeordneten Arbeitsräume 7 gegeneinander ab. Bei der Schwenkbewegung, die jeder Flügel 5 beim Umlaufen in der oval geformten Statorbohrung 3 ausführt, rollt die erste Flügelkontaktfläche 11 auf der Rotorkontaktfläche 10a ab, wodurch nur sehr geringe Reibungsverluste entstehen.
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Auch die statorseitigen Endbereiche 13 der Flügel 5 sind so geformt, dass zwischen der dort angeordneten zweiten Flügelkontaktfläche 12 und der Statorbohrung 3 nur ein Linienkontakt besteht. Dazu weisen die Flügel 5 jeweils einen statorseitigen Endbereich 13 mit einer konvex geformten zweiten Flügelkontaktfläche 12 auf. Die zweite Flügelkontaktfläche 12 ist ebenfalls zylindrisch geformt und gleitet im Betrieb an der Innenfläche der Statorbohrung 3 entlang.
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Die Normalkraft an den Kontaktflächen nimmt mit dem Förderdruck zu, da dann die Flügel 5 stärker an ihre Führungsflächen gepresst werden. Dadurch ist ein verlustarmer Lauf der Flügelzellenpumpe 1 im Teillastbetrieb zu erwarten.
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Die 3 zeigt die oben beschriebenen Elemente der aufgeschnittenen Flügelzellenpumpe 1 gemäß der ersten Ausführungsform in einer perspektivischen Darstellung. Dabei werden die Volumenänderungen der Arbeitsräume 7 erkennbar, die sich bei der Rotation des Rotors 4 um die Rotationsachse 14 in der ovalen Statorbohrung 3 ergeben. In der 3 ist der Übersichtlichkeit halber jeweils nur ein Flügel 5, ein Arbeitsraum 7, eine Ausnehmung 8 bezeichnet. Die jeweiligen Elemente sind jeweils identisch ausgeführt und gleichmäßig über den Umfang des Rotors 4 angeordnet.
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Die 4 zeigt den Rotor 4 der oben beschriebenen ersten Ausführungsform als Einzelteil.
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Die 5 zeigt einen Flügel 5 vergrößert und in perspektivischer Ansicht. Er weist einen rotorseitigen Endbereich 9 mit einer zylindrisch geformten ersten Flügelkontaktfläche 11 auf. Auf der gegenüberliegenden Seite des Flügels 5 weist dieser einen statorseitigen Endbereich 13 mit einer ebenfalls zylindrisch geformten zweiten Flügelkontaktfläche 12 auf.
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In der 6 ist eine Flügelzellenpumpe 16 gemäß der zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Sie weist grundsätzlich die gleichen Bauteile auf, wie die in den vorherigen Figuren beschriebene Flügelzellenpumpe 1. Gleiche Bauteile sind daher mit dem gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und werden hier nicht weiter beschrieben.
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Der Unterschied zwischen der ersten Ausführungsform und der zweiten Ausführungsform ist die Form der Rotorkontaktflächen 10a bzw. 10b und 10c. Die Rotorkontaktflächen 10b und 10c der Flügelzellenpumpe 16 nach der zweiten Ausführungsform sind zwei ebene Flächen, die zusammen die jeweilige Ausnehmung 8 an dem Rotor 4 bilden.
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Die vergrößerten Darstellung des Bereichs B aus 6 in der 7 zeigt die Anordnung und Form der Ausnehmungen 8 und der Flügel 5 genauer. Die beiden ebenen Rotorkontaktflächen 10b und 10c sind so zueinander angeordnet, dass sie eine Ausnehmung 8 aufspannen, in die der rotorseitige Endbereich 9 mit seiner zylindrisch geformten ersten Flügelkontaktfläche 11 hineinragt. Geometrisch bedingt entsteht dabei jeweils ein Linienkontakt zwischen der ersten Flügelkontaktfläche 11 und jeder der beiden ebenen Rotorkontaktflächen 10b und 10c. Über diese Linienkontakte wird jeder Flügel 5 auch im Betrieb der Flügelzellenpumpe 16 an seiner Position in der Ausnehmung gehalten. Beim Verschwenken der Flügel 5 gleitet die erste Flügelkontaktfläche 11 entlang der beiden Rotorkontaktflächen 10b und 10c.
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Der statorseitige Endbereich 13 der Flügel 5 ist bei der Flügelzellenpumpe 16 der zweiten Ausführungsform gleich geformt wie bei der Flügelzellenpumpe 1 der ersten Ausführungsform.
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Die 8 zeigt den Rotor 4 der beschriebenen zweiten Ausführungsform als Einzelteil.
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Bei beiden gezeigten Ausführungsformen der Flügelzellenpumpe 1 und 16 überlappen sich die Flügel 5 in Umfangsrichtung. Dadurch wird ein hohe Anzahl an Arbeitsräumen 7 möglich, was wiederum geringe Druckpulsationen sowie einen ruhigen und geräuscharmen Betrieb der Flügelzellenpumpen 1, 16 zur Folge hat.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Abwandlungen im Rahmen der Patentansprüche sind ebenso möglich wie eine Kombination der Merkmale aus der Beschreibung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flügelzellenpumpe
- 2
- Stator
- 3
- Statorbohrung
- 4
- Rotor
- 5
- Flügel
- 6
- Zwischenraum
- 7
- Arbeitsraum
- 8
- Ausnehmung
- 9
- rotorseitiger Endbereich
- 10a
- Rotorkontaktfläche
- 10b
- Rotorkontaktfläche
- 10c
- Rotorkontaktfläche
- 11
- erste Flügelkontaktfläche
- 12
- zweite Flügelkontaktfläche
- 13
- statorseitiger Endbereich
- 14
- Rotationsachse
- 15
- Rotationsrichtungspfeil
- 16
- Flügelzellenpumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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