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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
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Diese Anmeldung nimmt den Vorteil der am 9. Juli 2014 eingereichten vorläufigen U.S.-Anmeldung mit der laufenden Nr. 62/022,352 und dem Titel „Vakuumerzeuger-Strömungsumlenkeinrichtung – Vacuum Generator Flow Diverter” in Anspruch, dessen gesamte Inhalte hiermit durch Bezugnahme eingebunden sind.
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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung betreffen grundsätzlich Systeme und Verfahren zum Verbessern einer Vakuumerzeugerfunktion. Ausführungsformen betreffen insbesondere Vakuumerzeuger für Flugzeuge oder andere Transportfahrzeuge. Gewisse Beispiele finden spezielle Verwendung in Verbindung mit Vakuumerzeugern, welche verwendet werden, um ein Abwassersystem an Bord eines Flugzeugs oder Fahrzeugs während eines Betriebs am Boden oder auf niedriger Höhe zu betreiben.
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HINTERGRUND
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Vakuumsysteme werden verwendet, um Abwasser und Spülwasser mit Nachdruck von der Toilettenschüssel von Flugzeugtoilettensystemen zur Abgabe an einen Hauptabwasserbehälter abzuführen. In solchen Systemen ist der Behälter entfernt von sowie entlüftet zu der Atmosphäre außerhalb des Flugzeugs angeordnet und die Toilettenschüssel ist innerhalb der unter Druck gesetzten Passagierkabine angeordnet und wird auf Kabinendruck gehalten. Auf Höhen, grundsätzlich über 4.572 Metern (15.000 Fuß), bewirkt der Druckunterschied zwischen dem Atmosphärendruck außerhalb des Flugzeugs sowie dem Kabinendruck innerhalb des Flugzeugs einen ausreichenden Luftstrom bzw. ein ausreichendes Vakuum von der Toilettenschüssel zu dem Behälter, um das Abwasser zu transportieren. Auf Bodenniveau und auf Höhen, grundsätzlich unter 4.572 Metern (15.000 Fuß), wird ein Vakuumerzeuger verwendet, um Vakuum künstlich zu erzeugen oder Vakuum in dem Abwasserbehälter und in den Abwasserleitungen ausreichend zu unterstützen, um Abwasser sowie Spülwasser zu transportieren.
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Bestehende Vakuumpumpenerzeuger verwenden ein regeneratives Laufrad mit zwischen den Schaufeln zirkulierender Luft. Das Laufrad ist innerhalb eines Laufradgehäuses angeordnet. Dies erzeugt zwei Wirbel, einen auf jeder Seite des Laufrades. In einigen Fällen besteht dort, wo ein Luftstrom das Laufradgehäuse berührt, eine geringe Zirkulation. Die Luft macht Neunzig-Grad-Drehungen in separaten Richtungen. Ein Beispiel dieses Luftstroms ist in 1 gezeigt. Verbesserungen dieser Konfiguration sind erwünscht.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
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Ausführungsformen der hierin beschriebenen Erfindung stellen eine Strömungsumlenkeinrichtung zum Verbessern von Strömungszirkulation von Fluidpumpen bereit. Ausführungsformen stellen Systeme und Verfahren zum Bereitstellen eines verbesserten Luftstroms für Vakuumerzeugersysteme bereit. Die Systeme können ein Gehäuse mit einem Laufrad und eine Umlenkeinrichtung umfassen, welche einen Luftstromflansch aufweist, welcher einen pfeilartigen Vorsprung umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, sich in einen Luftstromraum des Gehäuses zu erstrecken. Die Umlenkeinrichtung kann gekrümmte Flächen aufweisen, welche dabei helfen, eine Luftstrombewegung innerhalb des Gehäuses zu lenken.
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Ohne die Umlenkeinrichtung an Ort und Stelle kann ein Luftstrom oder ein anderer Fluidstrom nicht richtig gelenkt werden oder kann eine Stagnation erfahren. Die hierin beschriebene Umlenkeinrichtung lenkt einen Luft-/Fluidstrom auf seinen vorgesehenen Weg. Sie separiert auch die Fluidzirkulation auf jeder Seite des Laufrades, indem sie eine Strömungsmischung verringert oder eliminiert und verbessert einen Pumpenwirkungsgrad. Die Umlenkeinrichtung kann das Laufradgehäuse durch Hinzufügen von Material zu dessen Wanddicken auch verstärken, was vorteilhaft für die Sicherheit sein kann, weil die Behälterfestigkeit erhöht wird.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine Querschnitts-Seitenansicht eines Vakuumerzeugersystems.
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2 zeigt eine Querschnitts-Seitenansicht eines Vakuumerzeugersystems unter Verwendung einer Umlenkeinrichtung wie hierin beschrieben.
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3 zeigt eine perspektivische Seitenansicht einer Ausführungsform einer Umlenkeinrichtung.
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4 zeigt eine Schnittansicht einer Umlenkeinrichtung an Ort und Stelle in einem Vakuumerzeugergehäuse.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen eine Umlenkdichtung bereit, welche dabei helfen kann, eine Luftzirkulation in einem Vakuumerzeuger zu steuern/regeln. Eine beispielhafte Ausführungsform eines Vakuumerzeugersystems 10 umfasst ein Gehäuse 12, welches mit einer Motoranordnung (nicht gezeigt) verbunden ist. In den meisten Fällen ist ein regeneratives Laufrad 14 innerhalb des Gehäuses 12 positioniert und wird von einer Antriebswelle der Motoranordnung angetrieben, um ein Vakuum zu erzeugen. Ein Beispiel dieser Konfiguration ist in 2 gezeigt. In diesem Beispiel umfasst das Gehäuse 12 einen inneren Gehäuseabschnitt 16 und einen äußeren Gehäuseabschnitt 18. die Gehäuseabschnitte 16 und 18 können unter Verwendung von Befestigungsmitteln miteinander verbunden sein. Die Gehäuseabschnitte können aus einer Aluminiumlegierung hergestellt sein, um eine Leichtbauweise bereitzustellen. Andere mögliche Materialien für das Gehäuse umfassen Titan, rostfreien Stahl, Kohlenstofffaser oder jegliches anderes geeignetes Material. Es ist bevorzugt Materialien zu verwenden, welche ausreichend leicht sind, um die beschriebenen Vorteile bereitzustellen, welche aber auch die erforderliche strukturelle Integrität der Gestaltung bereitstellen.
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Ein Beibehalten einer Wirbelseparation zwischen den Gehäuseabschnitten 16, 18 ist nützlich, es gab aber Probleme mit vorherigen Versuchen. Es ist zum Beispiel nicht wünschenswert, ein Gehäuse mit einer überhängenden Lippe herzustellen. Es wurde auch herausgefunden, dass ein Hinzufügen eines Flansches an dem Laufrad uneffektiv ist. Hierin beschriebene Ausführungsformen sprechen somit das Problem einer Strömungsstagnation an, dort, wo die Luft (oder ein anderes Fluid) auf eine orthogonale Wand des Laufradgehäuses 12 trifft, was zu einer geringen Zirkulation führt.
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Wie in 2 gezeigt, kann eine Umlenkeinrichtung 20 bereitgestellt sein. Mit der Umlenkeinrichtung 20 an Ort und Stelle, kann ein Luftstrom (dargestellt durch die Pfeile „A”) in seine vorgesehene Richtung umgelenkt werden, was zu einer verbesserten Fluidzirkulation führt. Ein Beispiel einer Umlenkeinrichtung 20 ist in den 3 und 4 dargestellt. Wie gezeigt, kann die Umlenkeinrichtung 20 einen Sicherungsflansch 22 mit einer oder mehreren Öffnungen 24 zum Aufnehmen eines Befestigungsmittels aufweisen. Die Umlenkeinrichtung 20 kann auch eine erste und eine zweite obere Wand 26 und 28 aufweisen. Die oberen Wände 26 und 28 erzeugen eine Decke für die Umlenkeinrichtung 20 welche im Gebrauch an dem Gehäuse 12 anliegt. (Der Ausdruck „obere” wird nur verwendet, um sich auf die Position der Wände zu beziehen, wenn die Umlenkeinrichtung 20 in dem Gehäuse 12 an Ort und Stelle positioniert ist.) Die Umlenkeinrichtung 20 kann auch einen Luftstromflansch 30 aufweisen. Der Luftstromflansch 30 erstreckt sich nach unten und zentral von den oberen Wänden 26, 28. Der Luftstromflansch 30 stellt einen nach außen gerichteten, pfeilartigen Vorsprung bereit, welcher dabei hilft, das Innere des Gehäuses zu teilen und einen Luftstrom zu lenken. Der Luftstromflansch 30 ist im Gebrauch grundsätzlich oberhalb der Laufradspitze 32 positioniert, wie in 2 dargestellt ist.
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Eine erste gekrümmte Fläche 34 erstreckt sich zwischen der ersten oberen Wand 26 und dem Luftstromflansch 30. Eine zweite gekrümmte Fläche 36 erstreckt sich zwischen der zweiten oberen Wand 28 und dem Luftstromflansch 30. Die gekrümmten Flächen 34, 36 helfen dabei, den Luftstrom A zu lenken, wie es in 2 gezeigt ist. Die gekrümmten Flächen 34, 36 können grundsätzlich eine natürliche Erweiterung der inneren gekrümmten Flächen 38 des Gehäuses 12 sein und der Form davon folgen. Ein Beispiel davon ist in 4 dargestellt, welches gekrümmte Flächen der Umlenkeinrichtung zeigt und wie diese mit den inneren gekrümmten Flächen 38 des Gehäuses 12 zusammenwirken.
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Die Form der Umlenkeinrichtung 20 kann sich in Abhängigkeit der Form und Größe des Gehäuses 12 ändern. Das grundsätzliche Ziel ist es, dass der Raum 40 zwischen dem pfeilartigen Luftstromflansch 30 der Umlenkeinrichtung 20 und der Laufradspitze 32 so klein wie möglich ist, ohne eine Laufradbewegung zu verhindern. In einigen Ausführungsformen kann dieser Raum 40 etwa 2,54 Zentimeter (ein Zoll) oder kleiner sein. In anderen Fällen kann der Raum etwa 1,27 Zentimeter (½ Zoll) oder kleiner sein. Die Höhe/Breite der Umlenkeinrichtung 20 hängt von den Gehäuse- und Laufradabmessungen ab. Die Umlenkeinrichtung 20 kann für jegliche Anwendung oder Installation bemessen sein. Sie kann basierend auf einer Größe des vorgesehenen Gehäuses 12, des Laufrades 14 und des Strömungshohlraums skaliert sein.
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3 zeigt eine Umlenkeinrichtung 20, welche einen Strömungspfad aufweist, welcher sich um etwa ¾ eines ganzen Kreises erstreckt. Es ist möglich, eine Umlenkdichtung bereitzustellen, welche einen ½ Strömungspfad, einen ¼ Strömungspfad, einen ganzen Strömungspfad oder jegliche andere Option aufweist. Die äußere Form des Umfangs der Umlenkeinrichtung 20 wird von der Gehäuseform abhängig sein.
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Wie in den 2 und 4 gezeigt, kann die Umlenkeinrichtung 20 sandwichartig zwischen den Gehäuseabschnitt 16, 18 angeordnet sein. Sie erzeugt zwei verschiedene Strömungswirbel V1 und V2, indem sie ein Vermischen von Luft minimiert. Dies ist herausgefunden worden, um die Effizienz des Vakuumerzeugers potentiell zu verbessern. Es wird auch geglaubt, dass die Umlenkeinrichtung dem System 10 keine Masse oder Trägheit hinzufügt. Jedoch verstärkt sie das Gehäuse 12.
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Die Umlenkeinrichtung 20 kann mit jeglichem geeigneten Verfahren installiert werden. Zum Beispiel kann die Umlenkeinrichtung 20 sandwichartig an Ort und Stelle zwischen den Gehäuseabschnitten 16, 18 angeordnet sein. In diesem Beispiel kann der Sicherungsflansch 22 mittels eines Reibungssitzes gehalten sein. In einem anderen Beispiel kann die Umlenkeinrichtung 20 mittels einer der Flanschöffnungen 24 mit einem Befestigungsmittel befestigt sein, welches sich durch die Flanschöffnung erstreckt und an dem Gehäuse 12 gesichert ist. In einem anderen Beispiel kann die Umlenkeinrichtung 20 an einen oder mehrere der Gehäuseabschnitte geschweißt sein. In einem anderen Beispiel kann die Umlenkeinrichtung 22 geklebt oder auf andere Weise an das Gehäuse geheftet sein, durch einen Presssitz oder einen Schiebesitz oder jegliches anderes geeignete Installationsverfahren gesichert sein. Das grundsätzliche Ziel ist es, dass die Umlenkeinrichtung 20 derart positioniert ist, dass der Luftstromflansch 30 den von dem Laufrad 14 erzeugten Luftstrom separiert.
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Das Material der Umlenkeinrichtung 20 kann ein Material sein, welches eine ausreichende Festigkeit aufweist, um die umgelenkte Luft zu führen. Es kann aus einem metallischen Material, wie zum Beispiel Aluminium, hergestellt sein. Es kann aus einem Kunststoffmaterial, wie zum Beispiel PTFE, Polypropylen oder jeglichem anderen Kunststoff oder Polymer, hergestellt sein. Es kann aus Gorilla-Glas (welches eine Alkali-Alumosilikat-Folie aus gehärtetem Glas ist), einer Keramik oder jeglichem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Eine bestimmte Ausführungsform kann aus aus Stangenmaterial gearbeitetem 6061-T6-Aluminium hergestellt sein.
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Eines der Ziele ist es, bei dem Herstellungs- und/oder Bearbeitungsverfahren genau zu sein, so dass die Abmessungen der Strömungsumlenkeinrichtung (welche ihren Sitz und ihre Funktion in dem Gehäuse steuern/regeln) genau sind und den Strom wie gewünscht lenken können. Jegliche der möglichen und früheren Herstellungstechniken (welche eine Auswahl von Material und auch eine Mischung aus Polymer und Metall bieten) könnten die gewünschte Form bereitstellen und eine effektive Gestaltungsform sowie einen effektiven Sitz bereitstellen, ohne die mechanische Festigkeit und/oder die chemische Widerstandsfähigkeit für Luftfahrt-Anwendungen zu verhindern.
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Weil die Umlenkeinrichtung 20 in Kontakt mit Luft und Wasser kommen kann, kann sie aus einem korrosionsbeständigen Material hergestellt sein und/oder eine Beschichtung aufweisen, welche dabei helfen kann, Korrosion zu verhindern. Mögliche Materialien umfassen Aluminium, eloxiertes Metall, PTFE, Keramik, Gorilla-Glas oder jegliches anderes geeignetes Material, aber sind nicht darauf beschränkt. Wenn das Material eloxiert ist (was Poren in der Außenfläche erzeugt), kann es wie unten beschrieben auch beschichtet sein, um Geruch oder eine Anhäufung von ungewünschten Partikeln zu verhindern.
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Die Umlenkeinrichtung 20 kann mit einem oder mehreren antimikrobiellen Mitteln, Polymeren, Beschichtungen oder Materialien beschichtet sein. Das eine oder die mehreren antimikrobiellen Mittel können bereitgestellt sein, um ein Wachstum von Bakterien, Viren, Algen, Parasiten oder jegliches andere ungewünschte Wachstum, welches anderweitig auftreten kann, zu verhindern. Der Ausdruck „antimikrobiell” wird hierin verwendet, um alle möglichen Verbindungen einzuschließen, aber sich nicht darauf zu beschränken, welche das Wachstum von Bakterien, Pilzen, Schimmel, Moder, Parasiten, Mikroorganismen, Viren und jegliche andere ungewollte Spezies, welche in einem Raum wachsen kann, abtöten oder hemmen kann. Der Ausdruck ist dafür vorgesehen, jegliche Typen von antimikrobiellen Substanzen, Antiseptika, Desinfektionsmitteln, Bioziden, Sterilisatoren, deodorierenden Mitteln, Dekontaminationsmitteln, Reinigern oder jegliche anderen Substanzen einzuschließen, aber sich nicht darauf zu beschränken, welche ein ungewolltes Wachstum jeglicher der oben beschriebenen oder anderer Spezies hemmen, behandeln und/oder verhindern oder hemmen. Es sind verschiedene Typen antimikrobieller Chemie bekannt, aber nicht-limitierende Beispiele möglicher Materialien, welche verwendet werden können, können von jeglicher Anzahl von Chemieunternehmen hergestellt werden (von welchen nicht-limitierende Beispiele Dow Chemical, BASF, DuPont, Microban, Total Science Antiseptic Solutions und/oder Eastman Chemical umfassen). Solche Materialien oder Mittel oder Beschichtungen können verhindern, dass sich ein Film an dem Lufteinlass der Umlenkeinrichtung bildet.
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Die hierin beschriebenen Strömungsumlenkvorrichtungen können durch maschinelles Bearbeiten, Formverfahren, Sintern, Modellieren oder jegliches anderes geeignetes Bearbeitungsverfahren unter der Verwendung jeglichen anwendbaren Materials hergestellt werden. In einer Ausführungsform, wenn Kunststoffe (wie zum Beispiel Thermoplaste, ABS, Polycarbonat, Polyphenylsulfon) oder Elastomere verwendet werden sollen, kann die Umlenkeinrichtung durch Schmelzschichtung (FDM – Fused Deposition Modeling) hergestellt werden. In anderen Ausführungsformen kann Selektives Lasersintern (SLS – Selective Laser Sintering) verwendet werden. (Zum Beispiel für pulverförmiges Polymer und/oder Metall-(Stahlpulver)-Verbundmaterialien, Thermoplaste, wie zum Beispiel Nylon, Polyamid oder Polystyrol; Elastomere; Verbundwerkstoffe.) In anderen Ausführungsformen kann Direktes Metalllasersintern (DMLS – Direct Metal Laser Sintering) verwendet werden. (Zum Beispiel für Metallpulver, welches frei von Bindemitteln ist; für ferritische Metalle, wie zum Beispiel Stahllegierungen, rostfreien Stahl, Werkzeugstahl; für nicht-ferritische Metalle, wie zum Beispiel Aluminium, Bronze, Kobalt-Chrom, Titan; Keramik.)
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Bei bisherigen Gestaltungen, ohne eine Umlenkeinrichtung 20 an Ort und Stelle, wird die Luft gezwungen, die in 1 gezeigte Drehung selbst zu machen. Durch ein Bereitstellen einer Umlenkeinrichtung 20, kann die Luft richtig gelenkt und eine Zirkulation verbessert werden. Der Luft wird ermöglicht, entlang gekrümmter Flächen 34, 36 und auch entlang den inneren gekrümmten Flächen 38 des Gehäuses 12 zu strömen. Die Umlenkeinrichtung stellt eine Umlenkfunktion und auch eine Luftstromlenkfunktion bereit.
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Veränderungen und Abwandlungen, Ergänzungen und Streichungen können bei den oben erwähnten und in den Zeichnungen gezeigten Strukturen und Verfahren gemacht werden, ohne von dem Umfang oder Geist der Offenbarung oder der nachfolgenden Ansprüche abzuweichen.
