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Die
Erfindung betrifft eine Sperrflügelpumpe gemäß Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Sperrflügelpumpen
der hier angesprochenen Art sind bekannt. Sie weisen ein Gehäuse auf,
in dem ein Rotor in Rotation versetzt wird. Die Umfangsfläche des
Rotors weist mindestens eine Steuerfläche auf, die beidseitig von
Trennbereichen begrenzt wird. Die Steuerfläche und die Trennbereiche wirken
mit mindestens einem Sperrflügel
zusammen, der in einer Nut in der Wandung des feststehenden Gehäuses untergebracht
ist und gegen die Steuerfläche
gedrückt
wird (
DE 25 23 298
A1 ). Es sind auch Sperrflügelpumpen bekannt (
DE 25 13 073 A1 ),
die eine Feder aufweisen, die den Sperrflügel gegen die Steuerfläche des
Rotors drückt.
Durch die Drehbewegung des Rotors werden Räume mit variablen Volumina voneinander
abgrenzt. Durch die periodische Änderung
der Größe der Volumina
wird ein Fluid angesaugt und unter einem Überdruck wieder abgegeben. Nachteilig
ist, dass das geförderte
Fluid einer Druckpulsation unterworfen ist.
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Nachteilig
ist, dass die Sperrflügelpumpe
relativ groß baut
und in der Herstellung teuer ist, weil es eines separaten Überdruckventils
bedarf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Sperrflügelpumpe zu schaffen, die einen
geringen Platzbedarf aufweist und bezüglich der Herstellung günstig ist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe wird eine Sperrflügelpumpe
vorgeschlagen, die einen Rotor, ein den Rotor aufnehmendes Gehäuse und
mindestens einen Sperrflügel
sowie ein diesem zugeordnetes elastisches Federelement aufweist.
Die Sperrflügelpumpe
zeichnet sich dadurch aus, dass das elastische Federelement in einem überdruckfreien
Raum untergebracht ist.
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Die
Anpresskraft des Sperrflügels,
mit der dieser gegen die Steuerfläche gedrückt wird, wird also ausschließlich durch
die Federkraft bestimmt. Es ist damit möglich, den Sperrflügel als Überdruckventil
auszugestalten und damit den Druck zu begrenzen, unter dem das Fluid
durch die Sperrflügelpumpe
gefördert
wird. Das hydraulische System ist damit gegen Überdruck gesichert, ohne dass
es eines zusätzlichen Überdruckventils
mit den zugehörigen
hydraulischen Anschlüssen
(zum Beispiel Leitungen) bedürfte.
Dies ergibt eine kostengünstige und
kleine Bauform.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
die Umfangsfläche
des Rotors so ausgebildet, dass die Anzahl der Steuerflächen des
Rotors größer ist
als die Anzahl der Sperrflügel,
werden die Druckpulsationen in dem geförderten Fluid deutlich reduziert.
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Besonders
bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel
der Sperrtlügelpumpe,
die sich dadurch auszeichnet, dass der Rotor eine Steuerfläche mehr
aufweist als Sperrflügel
vorhanden sind. Es ergibt sich dadurch bei einem relativ einfachen
Aufbau der Sperrtlügelpumpe
ein relativ konstanter Volumenstrom.
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Besonders
bevorzugt wird ein Ausführungsbeispiel
der Sperrflügelpumpe,
bei der der Rotor drei Steuerflächen
aufweist und die zwei in die Wandung des Gehäuses eingesetzte Sperrflügel aufweist.
Der Aufbau dieser Pumpe unterscheidet sich nicht wesentlich von
herkömmlichen
Pumpen, ist also leicht realisierbar. Da jedoch die Flügelzahl
nicht der Hubzahl entspricht, also der Zahl der Steuerflächen, lässt sich
der nahezu konstante Volumenstrom realisieren.
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Bevorzugt
wird weiterhin ein Ausführungsbeispiel
der Sperrflügelpumpe,
bei der die – in
Umfangsrichtung gemessene – Breite
der Trennbereiche nur wenig größer ist
als die – in
Drehrichtung des Rotors gesehen – dem Sperrflügel vor – und nachgeordneten
Ein – und
Auslassbereiche für
das von der Sperrflügelpumpe
geförderte
Fluid. Bei diesem Aufbau der Sperrflügelpumpe ergeben sich relativ
große Steuerflächen, so
dass die radiale Beschleunigung der Sperrflügel auf ein Minimum reduzierbar
ist.
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Weitere
Ausgestaltungen der Sperrflügelpumpe
ergeben sich aus den übrigen
Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine geöffnete Sperrflügelpumpe
und
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2 einen
Querschnitt durch eine geschlossene Sperrflügelpumpe.
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1 lässt erkennen,
dass die Sperrflügelpumpe 1 ein
Gehäuse 3 aufweist,
das mit einer kreisrunden Kammer 5 versehen ist, in der
ein Rotor 7 – hier
ge gen den Uhrzeigersinn – in
Drehung versetzbar ist. Der Rotor 7 ist auf einer Antriebswelle 9 befestigt,
die im Gehäuse
gelagert ist und mit einer Antriebseinrichtung zusammenwirkt. Der
Rotor 7 sitzt auf einem freien Ende der Antriebswelle.
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Die
Umfangsfläche 11 des
Rotors 7 zeigt mehrere identisch ausgebildete Steuerflächen 13 und
Trennbereiche 15 auf. Der Durchmesser des Rotors 7 ist
so gewählt,
daß sein
Außendurchmesser
im Bereich der Trennbereiche 15 praktisch dem Innendurchmesser
der Umfangswandung 17 der Kammer 5 entspricht.
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In
die Umfangswandung 17 sind radial zur Antriebswelle 9 angeordnete
Nuten 19 eingebracht, in die Sperrflügel 21 eingesetzt
sind. Die senkrecht zur Darstellungsebene von 1 gemessene
Breite der Sperrflügel 21 entspricht
der Dicke des Rotors 7. Die in radialer Richtung gemessene
Länge der
Sperrflügel 21 ist
etwas kleiner als die Tiefe der Nuten 19. Die Dicke der
Sperrflügel 21 ist
etwas geringer als die Breite der Nuten 19, so daß die Sperrflügel 21 in
radialer Richtung gegen die Kraft eines elastischen Elements, das
hier als Druckfeder 23 ausgebildet ist, verschieblich gelagert
und geführt
sind. Die Sperrflügel 21 werden
von der Druckfeder 23 mit einer Druckkraft beaufschlagt
und gegen die Umfangsfläche 11 des
Rotors 7 gedrückt.
Die Anlagefläche
der Sperrflügel 21 am
Rotor 7 ist – vorzugsweise
kreisbogenförmig – abgerundet,
so daß sich
eine linienförmige
Berührung
mit der Umfangsfläche 11 des
Rotors 7 ergibt. Die Druckkraft ist so stark gewählt, daß die Sperrflügel 21 einen
druckdichten Abschluß an
der Umfangsfläche 11 des
Rotors 7 gewährleisten.
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Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel zeichnet sich
dadurch aus, daß die
Anzahl der an der Umfangsfläche 11 des
Rotors 7 gegebenen Steuerflächen 13 um 1 größer ist
als die Anzahl der Sperrflügel 21:
Es sind hier zwei Sperrflügel 21 und drei
Steuerflächen 13 vorgesehen,
die jeweils durch Trennbereiche 15 voneinander getrennt
sind.
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Der
Rotor 7 befindet sich in der Darstellung gemäß 1 in
einer Stellung, in der ein erster Trennbereich 15 den oberen
Sperrflügel 21 in
seine radial äußerst zurückverlagerte
Position zurückgedrängt hat,
während
der dem oberen Sperrflügel 21 gegenüberliegende
untere Sperrflügel
in der Mitte einer Steuerfläche 13 angeordnet
ist, so daß sich
zwei Kammern unterscheiden lassen: Bei der vorgegebenen Drehrichtung
gegen den Uhrzeigersinn, die durch einen Pfeil 25 gekennzeichnet
ist, befindet sich links vom unteren Sperrflügel 21 eine Druckkammer 27 und
rechts von dem unteren Sperrflügel
eine Saugkammer 29. Senkrecht zur Bildebene sind Bohrungen
in das Gehäuse 3 eingebracht,
die die Umfangswandung 17 der Kammer 5 schneiden.
Links von dem unteren Flügel 21 befindet
sich ein Druckauslaß 31 und
rechts von dem Sperrflügel
ein Saugeinlaß 33.
Entsprechend befindet sich – in
Drehrichtung des Rotors 7 gesehen – vor dem oberen Sperrflügel 21 ein
Druckauslaß 31,
während
links von dem oberen Sperrflügel 21 ein
Saugeinlaß 33 vorgesehen ist.
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Durch
geeignete Bohrungen, beispielsweise durch eine Bohrung 35,
die gestrichelt dargestellt ist, ist der obere Saugeinlaß 33 mit
einem Sauganschluß 37 der
Sperrflügelpumpe 1 verbunden,
während
der untere Druckauslaß 31 ebenso
wie der obere Druckauslaß 31 über eine
weitere gestrichelt eingezeichnet Bohrung 39 mit einem
Druckanschluß 41 der
Sperrflügelpumpe 1 verbunden
sind. Das von der Sperrflügelpumpe 1 angesaugte
Fluid und das unter Druck stehende von der Pumpe abgegebene Medium
sind durch Pfeile gekennzeichnet, wobei ersichtlich ist, daß das Fluid
in den Sauganschluß 37 einströmt und aus
dem Druckanschluß 41 abgegeben
wird.
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Die
Druckfedern 23 wirken auf das dem Rotor 7 abgewandte
Ende der Sperrflügel 21 und
sind in druckfreien Räumen 45 angeordnet.
Für hohe
Betriebsdrücke
werden die Sperrflügel 21 auch
auf der Federseite druckbeaufschlagt, um die Flügel am Rotor zur Anlage zu
bringen. Die Federn würden
sonst viel zu groß.
Die Wirkung der Flügel
als Überdruckventil
entfällt
in diesem Fall.
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2 zeigt
die Sperrflügelpumpe 1 im
Querschnitt. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern versehen,
so daß insofern
auf die Beschreibung zu 1 verwiesen wird.
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Bei
der Wiedergabe in 2 ist die dem Sauganschluß 37 zugeordnete
Bohrung 35 in die Schnittebene verschwenkt. Aus 1 ist
ersichtlich, daß diese
Bohrung 35 – ebenso
wie die dem Druckanschluß 41 zugeordnete
Bohrung 39 – unter
einem spitzen Winkel gegenüber
einer gedachten Senkrechten 47 verläuft.
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2 läßt erkennen,
daß die
Antriebswelle 9 an ihrem dem Rotor 7 abgewandten
Ende mit einer Dichtung 49 versehen ist. Sie ist auf geeignete
Weise im Grundkörper 51 des
Gehäuses 3 gelagert.
Auf diesem liegt eine Rotorplatte 53 auf, deren Ausgestaltung
aus der Draufsicht in 1 ersichtlich ist. In die Rotorplatte
ist die Kammer 5 eingebracht. Sie ist mit den Nuten 19 zur
Aufnahme der Sperrflügel 21 versehen.
Die Dicke der Rotorplatte entspricht etwa der Dicke des Rotors 7 und
der Breite der Sperrflügel 21. Deutlich
sind die zwischen dem den Rotor 7 abgewandten Enden der
Sperrflügel
und der Rotorplatte 53 ausgebildeten Räume 45 erkennbar,
in die die Druckfedern 23 eingreifen und auf die Sperrflügel 21 wirken.
Das Gehäuse 3 wird
schließlich
durch eine Abdeckplatte 55 vervollständigt, die bei der Darstellung
gemäß 1 zur
Verdeutlichung der beschriebenen Einzelheiten abgenommen ist. Der
Grundkörper 51,
die Rotorplatte 53 und die Abdeckplatte sind druckdicht
miteinander verbunden.
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Auf
die Funktion der Sperrflügelpumpe 1 soll hier
nur kurz eingegangen werden, da Sperrflügelpumpen der hier angesprochenen
Art grundsätzlich bekannt
sind:
Der Rotor 7 wird im Inneren des Gehäuses 3 über die Antriebswelle 9 in
Rotation versetzt. Die Sperrflügel 21 werden
durch die Druckfedern 23 mit ihren abgerundeten Enden gegen
die Umfangsfläche 11 des Rotors 7 gedrückt. Die
Umfangsfläche 11 weist Trennbereiche 15 auf,
deren Abstand zur Drehachse 57 der Antriebswelle 9 beziehungsweise
des Rotors 7 praktisch dem Innenradius der Umfangswandung 17 entspricht.
An die Trennbereiche 15 schließen sich Steuerflächen 13 an,
deren Abstand zur Drehachse 57 kleiner ist als der der
Trennbereiche 15. Durch die Anpreßkraft der Druckfeder 23 werden
die Sperrflügel 21 aus
den Nuten 19 herausgedrückt, wenn
deren abgerundete Vorderseite während
der Drehung des Rotors 7 in den Bereich der Steuerflächen 13 gelangen.
Der untere Sperrflügel 21 befindet sich
in der Mitte einer Steuerfläche 13.
Er ist aus der Nut 19 herausgedrückt und trennt die Druckkammer 27 von
der Saugkammer 29. Durch die Drehbewegung des Rotors 7 wird
unter Überdruck
stehendes Fluid durch den Druckauslaß 31 ausgepreßt, während über den
Sauganschluß 33 Fluid
in die Saugkammer 29 eingesaugt wird. Die Austreibkraft
beruht auf der durch die Drehbewegung des Rotors 7 hervorgerufenen
Verkleinerung der Druckkammer 27, während die Ansaugung des Fluids
auf der durch die Drehbewegung des Rotors 7 bewirkten Vergrößerung der
Saugkammer 29 beruht.
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Um
zu vermeiden, daß beim
Austreiben des Fluids aus der Druckkammer 27 sogenanntes Quetschöl entsteht,
ist der Druckauslaß 31 unmittelbar
angrenzend an die linke Flanke des Sperrflügels 21 gelegt. Ebenso
ist der Saugeinlaß 33 unmittelbar an
die gegenüberliegende
rechte Flanke des Sperrflügels 21 gelegt.
Daher ist die Sperrflügelpumpe 1 auch
bei einer umgekehrten Drehbewegung des Rotors 7 problemlos
betreibbar.
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Die
Breite der Trennbereiche 15 ist – in Umfangsrichtung gemessen – nur wenig
größer als
die – in Drehrichtung
des Rotors 7 gesehene – Breite
des Ein- beziehungsweise
des Auslaßbereichs,
der durch die – in
Umfangsrichtung gesehene – Durchbrechung des
Druckauslasses 31 beziehungsweise Druckeinlasses 33 der
Umfangswandung 17 gegeben ist. Die Breite der Ein- und
Auslaßbereiche
kann durch die Wahl des Durchmessers der senkrecht zur Bildebene gemäß 1 verlaufenden
Bohrungen zur Bildung des Druckauslasses 31 beziehungsweise
des Saugeinlasses 33 vorgegeben werden. Trennbereich 15 ist
nicht breiter als Ein- und Auslaßbereich zusammen, sondern
nur breiter als jeder einzelne dieser Bereiche.
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Die
Breite der Trennbereiche 15 kann – je nach Ausgestaltung der
durch den Druckauslaß 31 beziehungsweise
Saugeinlaß 33 gebildeten
Ein- und Auslaßbereiche – zwischen
10° bis
ca. 50° variiert werden.
Insbesondere haben sich Trennbereiche bewährt, die – in Umfangsrichtung gesehen – eine Breite
von ca. 20° bis
35° aufweisen.
Wesentlich ist, daß zwei
benachbarte Steuerflächen 13 durch
eine Flächendichtung
voneinander abgegrenzt werden, wobei die sogenannte Dichtlänge durch
die Breite der Trennbereiche 15 gegeben wird.
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Durch
die relativ schmalen Trennbereiche 15 ist es möglich, die
Steuerflächen 13 – in Umfangsrichtung
gesehen – relativ
breit auszubilden. Während
der Förderung
eines Fluids im Betrieb der Sperrflügelpumpe 1 führen die
Sperrflügel 21 eine
Radialbewegung durch. Bevorzugt wird dafür Sorge getragen, daß die radiale
Beschleunigung der Sperrflügel 21 möglichst
gering ist, so daß ein
auf der Massen trägheit
der Sperrflügel 21 beruhendes
Abheben möglichst
vermieden wird.
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Die
Steuerflächen 13 sind – zu einer
gedachten Mittellinie 59 gesehen – vorzugsweise symmetrisch
ausgebildet, das heißt
sie sind zur Mittellinie 59 spiegelbildlich. Im Bereich
der Mittellinie 59 ist ein kreisbogenförmig gekrümmter Abschnitt 61 vorgesehen,
der bei der Darstellung gemäß 1 von
dem abgerundeten Ende des unteren Sperrflügels 21 berührt wird.
Während
der Sperrflügel 21 bei
einer Drehbewegung des Rotors 7 mit diesem Abschnitt 61 in
Berührung
ist, findet keinerlei radiale Bewegung statt. Bevor der Sperrflügel 21 den
Abschnitt 61 erreicht, bewegt er sich in Richtung zur Drehachse 27, nach
dem Durchfahren des Abschnitts 61 wird der Sperrflügel 21 in
radialer Richtung nach außen
gegen die Kraft der Druckfeder 23 beschleunigt.
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Alle
drei Steuerflächen 13 sind
identisch aufgebaut, so daß sich
jeweils identische Bewegungsabläufe
ergeben.
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Dadurch,
daß der
Raum 45 auf der dem Rotor 7 abgewandten Seite
der Sperrflügel 21 nicht
mit einem unter Druck stehenden Fluid beaufschlagt wird, wird die
Anpreßkraft
des Sperrflügels 21 ausschließlich von
der Druckkraft der Druckfeder 23 bestimmt. Da die Druckkammer 27 aufgrund
des dem Rotor 7 zugewandten abgerundeten Endes des Sperrflügles 21 in
etwa bis zur Mittelebene des Sperrflügels 21 reicht, wird
durch das Fluid in der Durckkammer 27 eine Druckkraft aufgebaut,
die den Sperrflügel 21 gegen
die Kraft der Druckfeder 23 radial nach außen drängt. Bei
einem bestimmten durch die Federeigen schaften vorgegebenen Druck
in der Druckkammer 27 wird der Sperrflügel 21 gegen die Kraft
der Druckfeder 23 von der Umfangsfläche 11 des Rotors 7,
also von der Steuerfläche 13 abgehoben,
so daß das
Fluid in der Druckkammer 27 an dem Sperrflügel 21 vorbei
in die Saugkammer 29 gelangen kann. Es findet hier also
quasi ein Kurzschluß statt,
der eine weitere Druckerhöhung über den
durch die Druckfeder 23 definierten Druckwert hinaus verhindert.
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Vorzugsweise
wird die hier beschriebene Sperrflügelpumpe 1 als Förderpumpe
für eine
Dieselhochdruckpumpe einer Brennkraftmaschine eingesetzt. Das heißt, die
Kammer 5 ist mit Dieselkraftstoff gefüllt, der eine Schmierung der
Trennbereiche 15 gegenüber
der Umfangswandung 17 der Kammer 5 gewährleistet.
Es ist damit also möglich,
den Rotor 7 über
die in den Trennbereichen 15 gegebene Dichtfläche an der
Rotorplatte 53 abzustützen
und damit eine sehr gute Dichtwirkung und damit einen hohen volumetrischen
Wirkungsgrad zu erreichen. Darüber hinaus
ist damit eine einfache Lagerung der Antriebswelle 9 zu
erreichen, da diese dann die am Rotor 7 auftretenden Kräfte allenfalls
zu einem geringen Teil abfangen muß.
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Die
hier beschriebene Sperrflügelpumpe 1 kann
auch als Getriebe- oder Lenkhelfpumpe eingesetzt werden. Mit dieser
Pumpe sind insbesondere sehr kleine Fördervolumina auch von 1,5 cm3 bis 3,0 cm3 realisierbar.
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Die
anhand der 1 und 2 dargestellte Pumpe
zeichnet sich durch einen sehr kompakten Aufbau aus: Da die Sperrflügel 21 im
Gehäuse 3 beziehungs weise
in dessen Rotorplatte 53 untergebracht sind, kann der Rotor 7 sehr
klein sein, das heißt
also einen sehr kleinen Durchmeser aufweisen. Dabei sind die mechanischen,
beweglichen Teile, nämlich
die Sperrflügel 21 noch
relativ groß aufgebaut,
so daß deren
Fertigung einfach und kostengünstig
durchführbar
ist. Die Einbringung von Sperrflügeln
in den Rotor ist gerade bei kleinen Rotordurchmessern sehr aufwendig
und teuer, über
dies störanfällig.
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Nach
allem wird deutlich, daß es
grundsätzlich
möglich
ist, Rotoren mit mehr als drei Steuerflächen und entsprechend mehr
als zwei Sperrflügel vorzusehen.
Wesentlich ist, daß die
Anzahl der Steuerflächen
jeweils um 1 größer ist
als die Anzahl der Sperrflügel,
um den gewünschten
konstanten Volumenstrom zu erzeugen. Eine Ventilfunktion der Sperrflügel kann
integriert werden.