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Die Erfindung betrifft eine Pumpenanordnung mit einer Laterne, die zwischen einem Pumpengehäuse und einem Motorgehäuse angeordnet ist.
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Eine solche Pumpenanordnung kann beispielsweise eine Kreiselpumpenanordnung sein. Kreiselpumpen beruhen auf dem Wirkprinzip der Energieübertragung an ein Fluid durch Dralländerung infolge eines Drehmoments, das von einem gleichförmig rotierenden Laufrad auf das durch dieses strömende Fluid ausgelöst wird.
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Meistens werden Kreiselpumpen durch Elektromotoren angetrieben. Neben diesem elektrischen Antrieb werden in der Kreiselpumpentechnik auch Kolbenkraftmaschinen als Antrieb verwendet. Dabei erzeugen Elektromotoren ein gleichförmiges Drehmoment. Der Elektromotor ist ein elektromechanischer Energiewandler, der elektrische in mechanische Energie wandelt. Je nachdem, in welcher Form die elektrische Energie verfügbar ist, kommen Gleichstrommotoren, Wechselstrom- oder Drehstrommotoren zum Einsatz. In der Regel wird die elektrische Energie hierbei in eine Rotationsbewegung umgewandelt.
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Der eine Kreiselpumpe antreibende Elektromotor wird meist über eine Laterne in einem bestimmten Abstand mit der Pumpe verbunden. Die Motorantriebswelle tritt dabei mittig durch Öffnungen in den beiden Flanschen bzw. Deckeln zur Befestigung am Motor und am Pumpengehäuse hindurch. Laternen werden üblicherweise durch Gießen hergestellt.
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Eine solche Laterne und ein entsprechendes Herstellungsverfahren sind beispielsweise in der
EP 1 038 611 A2 beschrieben. Die Art und die Anzahl der beschriebenen Verbindungsstege ermöglichen eine besonders stabile Ausführung einer Laterne.
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Bei Pumpenanordnungen, die zur Förderung von Fluiden mit hohen Temperaturen eingesetzt werden, kann es zu einem hohen Wärmeeintrag ausgehend vom Pumpengehäuse in Richtung Elektromotor kommen. Das kann zu mehreren Problemen am Elektromotor führen. Hohe Temperaturen reduzieren den Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Die Bauteile des Motors, insbesondere die Wicklungen des Stators und des Rotors werden thermisch belastet, wodurch deren Lebensdauer verkürzt werden kann. Die Magnete des Rotors können zusätzlich beschädigt werden. Bei den Pumpenanordnungen mit integrierter Leistungselektronik, ist die Erwärmung der elektronischen Bauteile besonders kritisch. Aus diesen Gründen muss manchmal die Elektromotorregelung die Leistungsaufnahme sowie die Drehzahl reduzieren, um eine Überhitzung des Elektromotors und/oder der Leistungselektronik zu verhindern, wodurch die Pumpe nicht mehr im gewünschten Betriebsbereich arbeiten kann.
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Üblicherweise versucht man durch besonders lange Laternen einen großen Abstand zwischen dem heißen Pumpengehäuse und dem Elektromotor zu realisieren, um die aufgeführten Probleme zu vermeiden. Ein großer Abstand bedeutet auch ein großes Abmaß der Pumpenanordnung, die sich dann nicht mehr an jedem Einsatzort aufstellen lässt. Des Weiteren führt ein großer Abstand auch zu einer langen Antriebswelle, die einer geeigneten Lagerung bedarf, um die auftretende Unwucht während der Betriebszeit verkraften zu können. Erhöhte Schwingungen des gesamten Systems können die Folge sein.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Laterne als Verbindungselement zwischen einem Pumpengehäuse und einem Antriebsmotor bereitzustellen. Dieses Verbindungselement soll die Wärme, die beim Fördern von heißen Fluiden vom Pumpengehäuse ausgeht, möglichst gut abführen können und nur geringfügig in Richtung Motor oder/und Leistungselektronik leiten. Weiterhin soll sich das Verbindungselement durch eine kompakte Bauform auszeichnen. Der Austausch von Ersatzteilen sollte durch die Konstruktion des Verbindungselements begünstigt sein. Das Verbindungselement sollte einfach und kostengünstig realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Pumpenanordnung mit einer Laterne gelöst. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen.
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Erfindungsgemäß sind an einer Laterne einer Pumpenanordnung, die zwischen einem Pumpengehäuse und einem Motorgehäuse angeordnet ist, oberflächenvergrößernde Elemente zur Wärmeableitung angeordnet. Die oberflächenvergrößernden Elemente sind idealerweise als Kühlrippen ausgebildet, um die Wärmeableitung der Laterne zu optimieren. Die Kühlrippen sind plattenförmig und/oder trapezförmig und/oder dreiecksförmig und/oder bogenförmig und/oder ringförmig ausgebildet. Aufgrund der optimierten Wärmeableitung der Laterne sind das Pumpengehäuse, das durch das Fördern heißer Fluide hohe Temperaturen aufweisen kann, und das Motorgehäuse nahezu thermisch entkoppelt.
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Die Optimierung der Wärmeableitung der Laterne wird durch die vorteilhafte Konstruktion der Laterne erzielt. Der Lüfter der Motoranordnung erzeugt einen Kühlluftstrom, der die Rippen des Motorgehäuses kühlt und dann über die Laterne strömt. Dabei ist die Laterne so konstruiert, dass über die Länge des Laternengrundkörpers der Innendurchmesser konstant bleibt und sich der Außendurchmesser erweitert. Auf diese besonders vorteilhafte Weise überströmt der Kühlluftstrom die Kühlrippen der Laterne und leitet die Wärme effizient ab. Gleichzeitig leitet die Konstruktion der Laterne den Kühlluftstrom über das Pumpengehäuse hinweg, so dass das Anströmen des Pumpengehäuses einen reduzierten Strömungswiderstand darstellt.
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In einer Variante der Erfindung erweitert sich der Außendurchmesser des Laternengrundkörpers zur Pumpenseite hin, wodurch das Strömungsregime des Kühlluftstroms, der vom Motorlüfter erzeugt wird, verbessert ist. Ein kleinerer Strömungswiderstand bedeutet eine höhere Strömungsgeschwindigkeit, die wiederum eine verbesserte Wärmeableitung des Motorgehäuses und der Laterne begünstigt.
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Gemäß einer Variante der Erfindung ist die Laterne rotationssymmetrisch ausgebildet. Die symmetrische Konstruktion der Laterne begünstigt die strömungsoptimierte Führung des Kühlluftstroms und intensiviert die Wärmeableitung der Laterne. Vorteilhafterweise ist die thermische Entkopplung des Pumpengehäuses vom Motorgehäuse durch die symmetrische Ausgestaltung der Laterne unterstützt.
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Bei einer Variante der Erfindung sind die oberflächenvergrößernden Elemente, die als Kühlrippen ausgeführt sind, an einen hohlzylinderförmigen Grundkörper der Laterne angeordnet.
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Bevorzugt weist die Mantelfläche der Laterne Öffnungen auf, die vorzugsweise als Fenster ausgeführt sind. Dies kann der Montage dienen für eine Zugänglichkeit zur Welle und/oder zum Einströmen von Kühlluft und/oder zur Erhöhung des Wärmewiderstands der Laterne.
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Vorteilhafterweise verbindet die Laterne das Pumpengehäuse und das Motorgehäuse unmittelbar. Prinzipiell ist kein weiteres Bauteil zur Herstellung dieser Verbindung notwendig. Eine Reduktion der Bauteilanzahl ist meist vorteilhaft für die Reduktion der Herstellungskosten.
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Bei einer Variante der Erfindung ist die Laterne mehrteilig ausgeführt. Diese kann beispielsweise mit abnehmbaren Schaufeln und/oder Kühlrippen geschehen und/oder durch eine geteilte Ausführung der Laterne. Weiterhin ist auch eine Lösung mit verschiedenen Hülsen denkbar, die übereinander geschoben werden können, wobei an einer Außenseite einer Hülse Kühlrippen angeordnet sind.
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Gemäß der Erfindung beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Laternenmaterials weniger als 40 W/m·K, vorzugsweise weniger als 20 W/m·K, insbesondere weniger als 10 W/m.K.
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Vorzugsweise besteht die Laterne aus Grauguss oder Aluminium oder Edelstahl.
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Die Laterne kann mittels Guss-Verfahren oder 3-D Druck hergestellt werden.
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Idealerweise beträgt die Wärmeleitfähigkeit der Kühlrippen mehr als 150 W/m·K, insbesondere mehr als 200 W/m K, vorzugsweise mehr als 250 W/m K.
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Die oberflächenvergrößernden Elemente sind insbesondere als Leitelemente zur Führung eines Kühlluftstroms ausgebildet. Die strömungsoptimierte Führung des Kühlluftstroms erhöht die Wärmeableitung der Laterne, die vom Pumpengehäuse in die Laterne geleitet wird.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die oberflächenvergrößernden Elemente axial ausgerichtet. Die axiale Ausrichtung der Kühlrippen begünstigt die Überströmung des Kühlluftstroms bei reduziertem Strömungswiderstand und führt zu einer besonders idealen Wärmeableitung der Laterne.
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In einer Variante der Erfindung sind die oberflächenvergrößernden Elemente vorteilhafterweise radial ausgerichtet. Diese Ausrichtung realisiert eine strömungsoptimierte Ableitung des Kühlluftstroms über das Pumpengehäuse hinweg und ermöglicht gleichzeitig eine effiziente Wärmeableitung der Laterne. Dadurch wird vorzugsweise eine thermische Entkopplung von Pumpengehäuse und Motorgehäuse erzielt.
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Idealerweise weist die Laterne Elemente zur Oberflächenvergrößerung auf. Diese Elemente können in Form von Kühlrippen ausgestaltet sein. Die thermische Entkopplung des Pumpengehäuses vom Motorgehäuse wird durch die Vergrößerung der Oberfläche der Laterne begünstigt. Dabei sind die oberflächenvergrößernden Elemente plattenförmig und/oder trapezförmig und/oder dreiecksförmig und/oder bogenförmig und/oder ringförmig in Form von Kühlrippen ausgebildet.
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Die Laterne ist vorzugsweise zylinderförmig und/oder trompetentrichterförmig ausgebildet. Diese räumliche Ausbildung ist besonders vorteilhaft, um eine zusätzliche Kühlung der Laterne durch den Kühlluftstrom, der vom Motorlüfter erzeugt wird, zu erzielen. In einer alternativen Variante der Erfindung kann die Laterne auch konusförmig und/oder quaderförmig ausgebildet sein.
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In einer Variante der Erfindung ist die Laterne einstückig mit dem motorseitigen Druckdeckel des Pumpengehäuses und/oder einstückig mit dem pumpenseitigen Motordeckel ausgebildet. Vorteilhafterweise kann somit die Laterne besonders kompakt ausgeführt werden und ermöglicht eine Pumpenanordnung mit Abmaßen, die auch an Aufstellorten mit eingeschränkten Platzverhältnissen eingesetzt werden kann.
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Erfindungsgemäß ist die Laterne pumpenseitig und/oder motorseitig als Lagerträger ausgebildet. Dies führt zu einer besonders kompakten Bauweise der Laterne und gleichzeitig zur Reduktion des Montageaufwands durch Verringerung der Teileanzahl.
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Vorteilhafterweise können in der Laterne Ausschnitte in Form von Fenstern zum Eintritt des Kühlluftstroms in das Laterneninnere zur Kühlung der Welle angeordnet sein.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen und aus den Zeichnungen selbst.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit nach dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden Elementen,
- 3 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen,
- 4 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne und oberflächenvergrößernden Elementen,
- 5 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne und oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen,
- 6 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit radial ausgerichteten, oberflächenvergrößernden Elementen,
- 7 eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer weiteren Ausführung der oberflächenvergrößernden Elemente.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit nach dem Stand der Technik. Eine Laterne 2 ist zwischen einem Pumpengehäuse 1 und einem Motorgehäuse 4 angeordnet und verbindet diese miteinander. Die im Ausführungsbeispiel dargestellte Kreiselpumpe wird zum Fördern von Fluiden eingesetzt, die unter Umständen hohe Temperaturen aufweisen können.
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Durch einen Saugmund 7 tritt das Fluid in das Pumpengehäuse 1 der Kreiselpumpe ein. Innerhalb des Pumpengehäuses 3 ist das Laufrad angeordnet. Das Laufrad überträgt kinetische Energie auf das Fluid, das über den Druckstutzen 8 die Kreiselpumpe verlässt. Der mit Fluid und dem Laufrad gefüllte Raum wird von einem Pumpengehäuse 1 und einem Gehäusedeckel begrenzt. Das Laufrad ist drehfest mit einer Welle verbunden, die das Laufrad mittels einer Motoranordnung antreibt. Die Motoranordnung umfasst die Motorelektronik 3, einen Rotor, einen Stator, die Welle, einen pumpenseitigen Motordeckel und ein Motorgehäuse 4. Im Motordeckel ist ein Lagerträger angeordnet, der ein Lager trägt.
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Ein auf der Welle angeordnetes Lüfterlaufrad 6 saugt einen Kühlluftstrom axial durch das Lüftergehäuse 5 an zur Überströmung des Motorgehäuses 4 sowie zur Durchströmung des Raumes zwischen Motorgehäuse 4 und Motorelektronik 3. Der mit Pfeilen in der 1 dargestellte Kühlluftstrom überströmt die Laterne 2 und prallt gegen das Pumpengehäuse 1. Dadurch wird das Strömungsregime des Kühlluftstroms negativ beeinflusst und die Wärmeabfuhr reduziert.
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2 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden Elementen 9. Die oberflächenvergrößernden Elemente 9 sind in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung als Kühlrippen ausgebildet. Die Kühlrippen erstrecken sich axial über die Länge des Grundkörpers der Laterne 2 und sind auf der Außenseite der hohlzylinderförmigen Laterne 2 angeordnet. Gemäß der Erfindung beträgt die Breite der axialen Kühlrippen mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm, und/oder weniger als 14 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm. Die Höhe der axialen Kühlrippen beträgt mehr als 3 mm, vorzugsweise mehr als 5 mm, insbesondere mehr als 7 mm, und/oder weniger als 50 mm, vorzugsweise weniger als 45 mm, insbesondere weniger als 40 mm.
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In diesem Ausführungsbeispiel beträgt die Wärmeleitfähigkeit des Laternenmaterials weniger als 40 W/m·K, vorzugsweise weniger als 20 W/m·K, insbesondere weniger als 10 W/m·K, und die Wärmeleitfähigkeit der Kühlrippen mehr als 150 W/m.K, insbesondere mehr als 200 W/m·K, vorzugsweise mehr als 250 W/m.K. Vorzugsweise besteht der Grundkörper der Laterne 2 aus Grauguss oder Aluminium oder Edelstahl.
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Erfindungsgemäß sind die oberflächenvergrößernden Elemente 9 axial ausgerichtet. Die axiale Ausrichtung der Kühlrippen begünstigt die Überströmung des Kühlluftstroms, in der Figur mit Pfeilen angedeutet, bei reduziertem Strömungswiderstand und führt zu einer besonders idealen Wärmeableitung der Laterne 2.
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Des Weiteren sind in der Laterne 2 Ausschnitte 10 in Form von Fenstern zum Eintritt des Kühlluftstroms in das Laterneninnere zur Kühlung der Welle angeordnet.
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3 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen 9. An dem Grundkörper der Laterne 2 sind mehrere oberflächenvergrößernde Elemente 9 angeordnet, die in diesem Ausführungsbeispiel als bogenförmige bzw. gekrümmte Kühlrippen ausgebildet sind. Die Maße der Kühlrippen entsprechen denen aus 2. Der vom Lüfterlaufrad 6 erzeugt Kühlluftstrom überströmt die Kühlrippen des Motorgehäuses 4 und im Anschluss die Kühlrippen der Laterne 2. Durch die gebogene Form der Kühlrippen der Laterne 2 erfährt der Kühlluftstrom eine mit Pfeilen in der 3 dargestellte Umlenkung und prallt nicht senkrecht auf das Pumpengehäuse 1. Dadurch wird das Strömungsregime des Kühlluftstroms insgesamt verbessert und die Wärmeabführleistung der Laterne 2 sowie des Motorgehäuses 4 gesteigert.
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4 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne 2 und oberflächenvergrößernden Elementen 9. Die Trompetentrichterform des Ausführungsbeispiels der Laterne 2 ist besonders strömungsoptimiert hinsichtlich des Kühlluftstroms, der vom Lüfterlaufrad 6 erzeugt wird. Der mit Pfeilen in 4 dargestellte Kühlluftstrom prallt nicht senkrecht gegen das Pumpengehäuse 1, sondern wird durch die Trompetentrichterform der Laterne 2 über das Pumpengehäuse 1 geleitet. Die Strömungsoptimierung führt zu einer höheren Strömungsgeschwindigkeit des Kühlluftstroms, wodurch auch die Wärmeableitung der axial auf der Laterne 2 angeordneten oberflächenvergrößernden Elemente 9 verbessert ist. Gleichzeitig ist die wärmeabführende Oberfläche der Laterne 2 vergrößert, wodurch die Wärmeabfuhrleistung nochmals gesteigert ist.
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In einer Variante der Erfindung kann die trompetentrichterförmige Laterne 2 auch asymmetrisch ausgebildet sein, um die Überströmung eines asymmetrischen ausgebildeten Pumpengehäuses 1 ideal auszubilden. Dabei ist die Form der Laterne 2 an die Form des Pumpengehäuses 1 angepasst.
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5 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer trompetentrichterförmigen Laterne 2 und oberflächenvergrößernden, bogenförmigen Elementen 9. Die in diesem Ausführungsbeispiel dargestellte Laterne 2 entspricht weitestgehend der Laterne 2 aus 4. Zusätzlich sind die oberflächenvergrößernden Elemente 9 in Form von gebogenen Kühlrippen ausgebildet. Dadurch wird der mit Pfeilen dargestellte Kühlluftstrom über das Pumpengehäuse 1 geleitet und gleichzeitig ein Drall erzeugt, der die Wärmeabführleistung verbessert.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer Laterne 2, deren oberflächenvergrößernden Elemente 9 radial ausgerichtet sind. Die Laterne 2 weist mehrere radial angeordnete oberflächenvergrößernde Elemente 9 auf, die in diesem Ausführungsbeispiel als radiale Kühlrippenringe ausgebildet sind. Der Grundkörper der Laterne 2 der 6 entspricht der Laterne 2 aus 2. Dabei sind in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich an den hohlzylinderförmigen Grundkörper vier Kühlrippenringe angeordnet. Die Kühlrippenringe weisen eine unterschiedliche Höhe auf, die in Richtung Pumpengehäuse 1 in der Weise ansteigt, so dass die Laterne 2 durch die Kühlrippenringe eine kegelstumpfförmige Gestalt erhält.
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Gemäß der Erfindung beträgt die Breite der Kühlrippenringe mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm, und/oder weniger als 14 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm. Dabei beträgt die Höhe des kleinsten Kühlrippenringes mehr als 3 mm, vorzugsweise mehr als 5 mm, insbesondere mehr als 7 mm, und/oder weniger als 30 mm, vorzugsweise weniger als 25 mm, insbesondere weniger als 20 mm. Gleichzeitig beträgt die Höhe des größten Kühlrippenringes mehr als 20 mm, vorzugsweise mehr als 25 mm, insbesondere mehr als 30 mm, und/oder weniger als 100 mm, vorzugsweise weniger als 90 mm, insbesondere weniger als 80 mm.
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Erfindungsgemäß sind die Kühlrippenringe in gleichem Abstand senkrecht an der Laterne 2 angeordnet und dabei erweitert sich symmetrisch die Höhe der Kühlrippenringe in Richtung Pumpengehäuse 1. In einer alternativen Variante der Erfindung ist die Anordnung der Kühlrippenringe nicht in gleichem Abstand zueinander und/oder die Ausrichtung nicht senkrecht zur Laterne 1. Dabei kann die Ausrichtung der Kühlrippenringe einen strömungsoptimierten Winkel annehmen.
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Die Materialdicke der Laterne 2 beträgt mehr als 1 mm, vorzugsweise mehr als 2 mm, insbesondere mehr als 3 mm, und/oder weniger als 14 mm, vorzugsweise weniger als 12 mm, insbesondere weniger als 10 mm.
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In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung können die Kühlrippenringe auf einer Hülse angeordnet sein, die über den hohlzylinderförmigen Grundkörper der Laterne 2 angebracht ist.
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Vorteilhafterweise sind die oberflächenvergrößernden Elemente 9 in Form von Kühlrippenringe radial ausgerichtet. Diese Ausrichtung realisiert eine strömungsoptimierte Ableitung des Kühlluftstroms über das Pumpengehäuse 1 hinweg und ermöglicht gleichzeitig eine effiziente Wärmeableitung der Laterne 2 durch Wirbelbildung an den einzelnen Kühlringen. Dadurch wird vorzugsweise eine thermische Entkopplung von Pumpengehäuse und Motorgehäuse erzielt.
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7 zeigt eine schematische Darstellung einer Kreiselpumpeneinheit mit einer weiteren Ausführung der oberflächenvergrößernden Elemente 9, die in Form von radial ausgerichteten Kühlringen ausgebildet sind. Dabei leiten immer um 90 ° versetzte Eingangskanäle den Kühlluftstrom durch die Fenster 10 der Laterne 2 zur Kühlung der Antriebswelle in das Laterneninnere. Die Kühlrippenringe weisen im Bereich der Fenster 10 Unterbrechungen auf und sind nicht rotationssymmetrisch voll ausgebildet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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