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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sperrflügelpumpe.
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Im Automobilbau ist es üblich, zur Kosteneinsparung Komponenten zu reduzieren und Funktionen so weit wie möglich zusammenzulegen. Ein Beispiel dafür ist das Thermomanagement-Modul. Bei modernen Fahrzeugen, insbesondere hybridelektrischen Fahrzeugen, regelt das Thermomanagement-Modul alle Kühlmittelströme des Antriebsstrangs. Dies umfasst einerseits Niedertemperatur-Kühlmittelkreisläufe, wie beispielsweise für die Batteriekühlung, andererseits Hochtemperatur-Kühlmittelkreisläufe zur Kühlung des Verbrennungsmotors und des Inverters.
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Aufgrund ihres einfachen Aufbaus und ihrer Zuverlässigkeit eignen sich Sperrflügelpumpen, die sonst vor allem als Vakuumpumpen eingesetzt werden, auch für den Einsatz in den Kühlmittelkreisläufen des Thermomanagement-Moduls. Eine solche wird durch die einleitend genannte
DE 19 623 242 C1 offenbart. Sie zeichnet sich durch einen Rotor aus, welcher innerhalb eines Pumpengehäuses angeordnet ist. Zwischen Rotor und Pumpengehäuse bilden sich mehrere Arbeitsräume aus. Im Pumpengehäuse sind ferner Sperrflügel angeordnet, welche die Arbeitsräume derart unterteilen, dass eine Komprimierung des Arbeitsmediums stattfindet. Die Sperrflügel werden durch eine Feder auf den Rotor gedrückt, um eine zuverlässige Abdichtung zu gewährleisten.
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Um den strengen Bauraumvorgaben sowie den vorstehend genannten Kostenvorgaben zu entsprechen, werden die Pumpen mehrerer Kreisläufe häufig über eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben. Daraus folgt, dass die Pumpen stets mit der gleichen Drehzahl betrieben werden, weshalb sie stets in einem konstanten Volumenstromverhältnis fördern. Sobald der Kühlmittelbedarf in einem Kreislauf oder mehreren Kreisläufen von diesem Volumenstromverhältnis abweicht, sinkt die Effizienz dieser Pumpenanordnung. Am extremsten sind diese Einbußen, wenn nur in einem Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittelbedarf besteht. Dann kann die Antriebsdrehzahl zwar nach diesen Anforderungen gewählt werden, die zweite Pumpe muss jedoch konstant mitbetrieben werden. Um den potenziellen signifikanten Wirkungsgradeinbußen zu entgegnen, welche durch die fehlende Abschaltbarkeit der federbetätigten Sperrflügel entstehen, werden derartige Systeme häufig mit kostenaufwändigen Trennkupplungen versehen, die einen effizienteren Schleppbetrieb ermöglichen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Sperrflügelpumpe mit einer kostengünstigen Abschalteinrichtung vorzustellen, welche die vorstehend beschriebenen Nachteile behebt und dabei mit einem höheren Wirkungsgrad betrieben werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Sperrflügelpumpe, bestehend aus einem durch ein hohlzylindrisches Pumpengehäuse gebildeten Pumpenraum mit einer Mittelachse sowie jeweils einem im Pumpengehäuse vorgesehenen Sauganschluss und Druckanschluss, weiterhin mit einem zylindrischen Orbiter, welcher zur Bewegung auf einer Kreisbahn um die Mittelachse innerhalb des Pumpengehäuses ausgebildet ist, und mit einem Sperrflügel, welcher in einer Sperrflügelnut im Pumpengehäuse aufgenommen und zur dichtenden Anlage am Orbiter ausgebildet ist, gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Sperrflügelpumpe gemäß der vorliegenden Erfindung ist zur Verwendung in einem Kühlmittelkreislauf, insbesondere in einem Kühlmittelkreislauf des Thermomanagement-Moduls eines Kraftfahrzeugs, geeignet. Im Speziellen ist sie für den gekoppelten Betrieb mit wenigstens einer weiteren Sperrflügelpumpe gleichen Typs über eine gemeinsame Antriebswelle geeignet.
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Erfindungsgemäß zeichnet sich die vorliegende Sperrflügelpumpe durch ein hohlzylindrisches Pumpengehäuse aus, wobei das Innenvolumen als Pumpenraum dient. Im Pumpengehäuse sind ein Sauganschluss und ein Druckanschluss vorgesehen, über welchen der Pumpenraum mit einem Kühlmittel versorgt wird beziehungsweise über welchen das verdichtete Kühlmittel abgeführt wird. Ferner umfasst das Pumpengehäuse eine Mittelachse, in welcher eine nicht zum Schutzumfang gehörende Antriebswelle läuft.
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Im Pumpenraum ist ein zylindrischer Orbiter angeordnet, dessen Durchmesser geringer als der Innendurchmesser des hohlzylindrischen Pumpengehäuses ist. Die Mittelachse des Orbiters bewegt sich auf einer Kreisbahn um die Mittelachse des Pumpengehäuses, wobei die beiden Mittelachsen stets parallel zueinander angeordnet sind. Der Abstand zwischen der Mittelachse des Orbiters und der Mittelachse des Pumpengehäuses ist konstant und wird als Exzentrizität bezeichnet. Die Exzentrizität beträgt die Hälfte der Differenz des Innendurchmessers des hohlzylindrischen Pumpengehäuses und des Durchmessers des zylindrischen Orbiters. Ein derartiger Aufbau hat zur Folge, dass der Orbiter bei seiner Kreisbewegung um die Mittelachse des Pumpengehäuses stets in genau einem Punkt Kontakt zum Pumpengehäuse hat.
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An einer Innenseite des hohlzylindrischen Pumpengehäuses ist ferner eine Sperrflügelnut vorgesehen. Diese ist in radialer Richtung ausgeprägt und dient der Aufnahme eines Sperrflügels, welcher sich in radialer Richtung in der Sperrflügelnut sowie im Pumpenraum bewegt. Das radial innere Ende des Sperrflügels ist zur Abdichtung gegen den Orbiter ausgebildet. Am radial äußeren Ende wird der Sperrflügel hydraulisch mit Druck beaufschlagt. Der hydraulische Druck ist dabei derart eingestellt, dass der Orbiter den Sperrflügel entgegen der hydraulischen Kraft in die Sperrflügelnut einschieben kann. Bewegt sich der Orbiter hingegen in einer radial inneren Richtung von der Sperrflügelnut weg, bewirkt die hydraulische Kraft eine dauerhafte und dichtende Anlage des Sperrflügels am Orbiter.
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Die Aufgabe des Sperrflügels ist es, den Pumpenraum in zwei Kammern zu unterteilen. Durch die im Pumpengehäuse fixierte Position des Sperrflügels haben die beiden Kammern ein in Abhängigkeit der Position des Orbiters wechselndes Volumen.
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In der Rotationsrichtung des Orbiters ist hinter der Sperrflügelnut der Sauganschluss vorgesehen. Bewegt sich der Orbiter von der Sperrflügelnut weg, steigt das Volumen der mit dem Sauganschluss verbundenen Kammer. Dadurch wird Kühlmittel über den Sauganschluss in die Kammer gesaugt. Des Weiteren befindet sich in der Rotationsrichtung des Orbiters vor der Sperrflügelnut der Druckanschluss. Nähert sich der Orbiter bei seiner orbitierenden Bewegung der Sperrflügelnut, wird das Volumen der mit dem Druckanschluss verbundenen Kammer verkleinert. Das darin befindliche Kühlmittel wird demnach komprimiert und über den Druckanschluss aus der Kammer abgeführt.
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Besteht für einen an eine bestimmte Sperrflügelpumpe angeschlossenen Verbraucher beispielsweise aufgrund veränderter Betriebsbedingungen kein weiterer Bedarf an verdichtetem Kühlmittel, so muss nicht der Betrieb der Antriebswelle gestoppt werden. Insbesondere in einer Ausführungsform, in welcher mehrere Pumpen von ein und derselben Antriebswelle angetrieben werden, ist dies mitunter auch nicht gewünscht. In einem solchen Fall kann die hydraulische Betätigung des Sperrflügels abgeschaltet werden. Passiert der Orbiter im Anschluss an die Abschaltung der hydraulischen Betätigung die Sperrflügelnut, verbleibt der Sperrflügel im Anschluss in der Sperrflügelnut. Der Orbiter läuft dann zwar, angetrieben durch die Antriebswelle, weiter, jedoch findet in der Pumpe keine Verdichtung von Kühlmittel mehr statt. Folglich wird auch kein weiteres Kühlmittel angesaugt oder ausgestoßen. Dieser Betrieb kann als Leerlauf beschrieben werden. Die dadurch entstehende Verlustleistung ist sehr gering und ermöglicht gegenüber einer Ausführungsform mit Trennkupplung erhebliche Kosteneinsparungen.
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Bei herkömmlichen Flügelzellenpumpen sind Orbiter und Sperrflügel miteinander gekoppelt, wodurch derartige Pumpen eine bauartbedingte Verdrehsicherung beinhalten. Die erfindungsgemäße Sperrflügelpumpe umfasst, bedingt durch die Entkoppelung von Orbiter und Sperrflügel, keine solche Verdrehsicherung. Diese ist jedoch von Vorteil, da sich der Orbiter bedingt durch die hydrostatischen Kräfte in der Pumpenkammer um seine eigene Achse drehen kann. Dadurch kann es zu einer rotatorischen Relativbewegung von Orbiter und Sperrflügel kommen, die einen verminderten Wirkungsgrad sowie eine erhöhte Reibung zur Folge hat. Letztere erhöht den Verschleiß und kann potenziell nachteilig für die Lebensdauer der Sperrflügelpumpe sein.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe wird die Verdrehsicherung über ein oder mehrere Stifte gewährleistet. Insbesondere bei mehreren Pumpen, die über eine gemeinsame Antriebswelle angetrieben werden, können diese Stifte auch zur Ausrichtung der Gehäuseteile zueinander verwendet werden. Dazu durchdringen die Stifte die Gehäuseteile sowie die verschiedenen Orbiter. Die Orbiter enthalten dazu ein oder mehrere Verdrehsicherungsbohrungen, deren Anzahl jener der Stifte entspricht. Der Durchmesser der Verdrehsicherungsbohrungen entspricht wenigstens dem Doppelten der Exzentrizität plus den Durchmesser der Stifte. Somit vollzieht der Orbiter sowohl eine orbitierende Bewegung im Pumpengehäuse, als auch eine rotierende Bewegung um die Stifte. Durch eine solche Verdrehsicherung ist dem Orbiter der rotatorische Freiheitsgrad bezüglich seiner eigenen Mittelachse entzogen, wodurch Wirkungsgradeinbußen vermieden und Reibungsverluste minimiert werden.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausführungsformen werden im Folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
- 1 Eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe in einer ersten Betriebsstellung,
- 2 Eine schematische Darstellung der Sperrflügelpumpe aus 1 in einer zweiten Betriebsstellung,
- 3 Eine schematische Darstellung der Sperrflügelpumpe aus 1 mit abgeschalteter hydraulischer Betätigung,
- 4 Eine schematische Darstellung einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe in einer ersten Betriebsstellung, und
- 5 Eine schematische Darstellung der Ausführungsform gemäß 4 in einer zweiten Betriebsstellung.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe 10 dargestellt. Von einem hohlzylindrischen Pumpengehäuse 11 ist der Übersichtlichkeit halber nur der innere Umfang gezeigt. Innerhalb des Pumpengehäuses 11 befindet sich der Pumpenraum 12. Die Mittelachse 13 des Pumpengehäuses 11 ist in den 1 bis 5 mittels eines Kreuzes markiert. An einer Seite des Pumpengehäuses 11 ist eine Sperrflügelnut 17 vorgesehen, welche an ihrer dem Pumpenraum 12 abgewandten Seite einen Hydraulikanschluss 19 umfasst. Mittels eines über den Hydraulikanschluss 19 in die Sperrflügelnut 17 eingebrachten Fluids wird auf einen Sperrflügel 18 eine hydraulische Kraft ausgeübt. Dies kann entweder mittels eines separaten Hydraulikkreislaufs geschehen, als auch durch das geförderte Medium selbst. Dadurch bewegt sich der Sperrflügel 18 partiell in den Pumpenraum 12 hinein, wobei ein Abschnitt des Sperrflügels 18 stets in der Sperrflügelnut verbleibt.
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Innerhalb des Pumpenraums 12 ist ein zylindrischer Orbiter 16 angeordnet. Der Orbiter 16 hat einen geringeren Durchmesser als das ihn umgebende Pumpengehäuse 11 und ist parallel zu diesem ausgerichtet. In der Mittelachse 13 des Pumpengehäuses 11 verläuft eine nicht dargestellte und nicht zum Schutzumfang gehörende Antriebswelle, die über eine ebenfalls nicht dargestellte Exzentrizität den Orbiter 16 auf einer Kreisbahn um die Mittelachse 13 des Pumpengehäuses 11 führt. Dadurch ist der Orbiter 16 stets in Linienkontakt mit dem Pumpengehäuse 11 (Punktkontakt gemäß der zweidimensionalen Darstellung in den 1 bis 5).
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Die 1 bis 5 zeigen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sperrflügelpumpe 10, bei welchen der Orbiter 16 im Uhrzeigersinn um die Mittelachse 13 des Pumpengehäuses 11 rotiert. In Rotationsrichtung des Orbiters 16 hinter der Sperrflügelnut 17 ist ein Sauganschluss 14 vorgesehen, durch welchen ein Kühlmittel in den Pumpenraum 12 eingesaugt wird. In Rotationsrichtung des Orbiters 16 vor der Sperrflügelnut 17 ist ein Druckanschluss 15 vorgesehen, durch welchen das verdichtete Kühlmittel aus dem Pumpenraum 12 hinausgeleitet wird.
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Die vorstehend beschriebene hydraulische Betätigung des Sperrflügels 18 bewirkt, dass dieser in ständigem Kontakt mit dem Orbiter 16 steht. Ferner ist das dem Pumpenraum 12 zugewandte Ende des Sperrflügels 18 zur dichtenden Anlage am Orbiter 16 ausgebildet.
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1 zeigt eine Position des Orbiters 16, in welcher sich der Orbiter 16 und der Sperrflügel 18 im oberen Totpunkt befinden. Diese Betriebsstellung stellt insofern eine Besonderheit dar, als dass der Pumpenraum 12 nicht in mehrere Kammern unterteilt wird. Demgegenüber zeigt 2 eine Position des Orbiters 16, in welchem sich der Orbiter 16 und der Sperrflügel 18 im unteren Totpunkt befinden, der Sperrflügel 18 also maximal weit in den Pumpenraum 12 hineinragt. In diesem Betriebszustand ist, wie in jedem anderen, in welchem sich der Orbiter 16 und der Sperrflügel 18 nicht im oberen Totpunkt befinden, der Pumpenraum 12 in zwei Kammern unterteilt. Die Kammern bilden sich jeweils zwischen dem Sperrflügel 18, dem Orbiter 16 und dem Pumpengehäuse 11 aus. Da die Position des Sperrflügels 18 relativ zur Rotationsrichtung des Orbiters 16 fixiert ist, sich der Kontaktpunkt zwischen Orbiter 16 und Pumpengehäuse 11 jedoch durchgehend verändert, variiert das Volumen der Kammern.
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Im Folgenden wird die mit dem Sauganschluss 14 verbundene Kammer als Saugkammer, die mit dem Druckanschluss 15 verbundene Kammer als Druckkammer bezeichnet. Während der Bewegung des Orbiters 16 im Uhrzeigersinn aus dem oberen Totpunkt in den unteren Totpunkt wird das Volumen der Saugkammer kontinuierlich vergrößert. Dies erzeugt eine Sogwirkung, durch welche Kühlmittel über den Sauganschluss 14 in die Saugkammer gesaugt wird. Bei der anschließenden Bewegung des Orbiters 16 aus dem unteren Totpunkt in den oberen Totpunkt wird das Volumen der Druckkammer kontinuierlich reduziert. Das darin befindliche Kühlmittel wird dementsprechend verdichtet und über den Druckanschluss 15 aus dem Pumpenraum 12 ausgeleitet. Durch die Bewegung des Orbiters 16 in Richtung des oberen Totpunkts schiebt der Orbiter 16 den Sperrflügel 18 entgegen der hydraulischen Kraft in die Sperrflügelnut 17 hinein. Orbiter 16 und Sperrflügel 18 stehen dabei stets in dichtendem Kontakt zueinander.
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Während des Betriebs eines Kraftfahrzeugs kann es vorkommen, dass ein an den Druckanschluss 15 angeschlossener Verbraucher für eine gewisse Zeit keinen Bedarf an verdichtetem Kühlmittel hat. Wird die entsprechende Sperrflügelpumpe 10 neben einer oder mehreren anderen Pumpen von einer gemeinsamen Antriebswelle angetrieben, so besteht die Möglichkeit, dass eine der anderen Pumpen zur Versorgung ihres entsprechenden Verbrauchers weiter betrieben werden muss. Der Antrieb der Antriebswelle kann demnach nicht gestoppt werden, wodurch auch der Orbiter 16 der nicht benötigten Sperrflügelpumpe 10 weiter angetrieben wird.
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Um die daraus resultierenden Effizienz-Verluste zu vermeiden, bietet die vorliegende Erfindung eine Leerlauf-Funktion. Dazu wird die Einbringung von Fluid über den Hydraulikanschluss 19 in die Sperrflügelnut 17 gestoppt. Der Sperrflügel 18 wird demnach nicht weiter mit einer hydraulischen Kraft beaufschlagt und verbleibt in der Sperrflügelnut 17, wie in 3 abgebildet. Befindet sich der Sperrflügel 18 zum Zeitpunkt der Abschaltung im Pumpenraum 12, so wird er bei der nächsten Bewegung des Orbiters 16 in den oberen Totpunkt in die Sperrflügelnut 17 eingeschoben. Mangels hydraulischer Kraft wird der Sperrflügel 18 auch bei einer anschließenden Bewegung des Orbiters 16 in Richtung des unteren Totpunkts in der Sperrflügelnut 17 verbleiben.
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Der Pumpenraum 12 wird in einem solchen Betriebszustand nicht in mehrere Kammern unterteilt. Der Sauganschluss 14 und der Druckanschluss 15 sind stets über den Pumpenraum 12 miteinander verbunden, weshalb weder Kühlmittel über den Sauganschluss 14 in den Pumpenraum 12 eingesaugt wird, noch im Pumpenraum 12 verdichtet und über den Druckanschluss 15 aus dem Pumpenraum 12 ausgestoßen wird. Die durch die reine Bewegung des Orbiters 16 auftretenden Verluste sind dabei vernachlässigbar, weshalb ein solcher Aufbau große Vorteile bezüglich der Effizienz gegenüber herkömmlichen Sperrflügelpumpen bietet.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich gegenüber herkömmlichen Flügelzellenpumpen oder Sperrflügelpumpen durch die Entkoppelung des Orbiters 16 vom Sperrflügel 18. Durch die hydrostatischen Kräfte innerhalb des Pumpenraums 12 kann sich der Orbiter 16 um seine eigene Achse und relativ zur Mittelachse 13 des Pumpengehäuses 11 drehen. Dies reduziert einerseits den Wirkungsgrad der Sperrflügelpumpe 10, andererseits erhöht die zusätzliche Reibung zwischen Sperrflügel 18 und Orbiter 16 den Verschleiß und verringert somit potenziell die Lebensdauer.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Sperrflügelpumpe 10 ist zu diesem Zweck eine Verdrehsicherung für den Orbiter 16 vorgesehen. Die 4 und 5 zeigen zwei Betriebsstellungen einer derart ausgeführten Sperrflügelpumpe 10. Die Verdrehsicherung setzt sich dabei aus zwei Merkmalen zusammen. Zwischen den axial beschränkenden Gehäusen werden ein oder mehrere Stifte 21 platziert, die parallel zur Mittelachse 13 des Pumpengehäuses 11 durch alle Scheiben und Deckel verlaufen. In Varianten mit mehreren Pumpen auf der gleichen Antriebswelle können diese Stifte 21 auch dazu dienen, die verschiedenen Pumpen- und Gehäuseteile korrekt zueinander zu positionieren.
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Pro Stift 21 ist im Orbiter 16 eine Verdrehsicherungsbohrung 20 vorgesehen. Der Durchmesser dieser Verdrehsicherungsbohrung 20 entspricht wenigstens dem Doppelten der Exzentrizität plus den Durchmesser des Stifts 21. Während einer vollständigen Rotation des Orbiters 16 im Pumpengehäuse 11 vollzieht der Orbiter 16 mit seiner Verdrehsicherungsbohrung 20 eine vollständige Rotation um den Stift 21. Dies wird in 4 und 5 exemplarisch durch zwei Betriebsstellungen im oberen Totpunkt beziehungsweise im unteren Totpunkt dargestellt. Durch den Stift 21 wird somit die Orientierung des Orbiters 16 bezüglich des Pumpengehäuses 11 festgelegt.
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Die in den 4 und 5 gezeigte Ausführungsform der Sperrflügelpumpe 10 umfasst je zwei Stifte 21 beziehungsweise Verdrehsicherungsbohrungen 20. Es sind jedoch auch Ausführungsformen mit einem oder mehr als zwei Stiften 21 sowie Verdrehsicherungsbohrungen 20 vorstellbar.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sperrflügelpumpe
- 11
- Pumpengehäuse
- 12
- Pumpenraum
- 13
- Mittelachse
- 14
- Sauganschluss
- 15
- Druckanschluss
- 16
- Orbiter
- 17
- Sperrflügelnut
- 18
- Sperrflügel
- 19
- Hydraulikanschluss
- 20
- Verdrehsicherungsbohrung
- 21
- Stift
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19623242 C1 [0002, 0004]
