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Rotationspumpe Die Erfindung betrifft eine Rotationspumpe zum Fördern
von Flüssigkeiten, die einen mittels wenigstens eines Lagers gelagerten Rotor hat,
insbesondere Verdränger- oder Kreiselpumpe od.dgl., wobei diese Pumpe am antriebsseitigen
Ende einen Anschluß zum Verbinden der Pumpenwelle od.dgl. mit einem Antriebsorgan
besitzt.
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Bei Rotationspumpen ist der Dichtabschluß zwischen der Pumpe und dem
Antrieb in aller Regel mittels einer Stopfbüchse durchgeführt, die jedoch keine
vollständige Abdichtung bietet und auch eine verhältnismäßig große Wartung benötigt.
Bei bestimmten Fördermedien, die beispielsweise giftig oder anderweitig umweltfeindlich
sind, ist jedoch eine absolute Dichtigkeit der Pumpe nach außen hin erforderlich.
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Auch bei Kreiselpumpen ist dieser Übelstand bekannt; man hat diesem
jedoch durch die sogenannten Spaltrohrmotorpumpen-Aggregate weitgehend beheben können.
Bei derartigen Aggregaten wird ein abgezweigter Teilstrom vom Fördermedium durch
den Spaltrohrraum bzw. Lagerraum geführt. Dadurch wird sowohl für die Lagerschmierung
als auch für die erforderliche Wärmeabfuhr im Motor und Lagerbereich gesorgt. Spaltrohrmotorpumpen-Aggregate
verlangen aber eine enge konstruktive Verbindung und eine entsprechende Abstimmung
von Motor und Pumpe aufeinander. Bei etlichen Rotationspumpen ist dies aus unterschiedlichen
Gründen mit
Nachteilen verbunden, so daß ein separater, pumpenunabhängiger
Motorteil bzw. ein in sich gesch ssener motorunabhängiger Pumpenteil erwünscht sind.
Dies gilt vorallen Dingen, wenn unterschiedliche Drehzahlen von Motor und Pumpe
gegeben sind, insbesondere bei langsam laufenden Pumpen, wenn die Verwendung von
billigen, genormten Motoren oder aber eine leichte Austauschbarkeit von Motor und
Pumpenteil unabhängig voneinander vorgesehen ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es,neben der Vermeidung der
vorerwähnten Nachteile,insbesondere eine Verdrängerpumpe zu schaffen, die auch nach
außen hin hermetisch dicht abgeschlossen ist, so daß man giftige, schädliche Fördermedien
od.dgl. praktisch gefahrlos fördern kann. Dabei soll der Aufwand für den Antriebsanschluß
und für dessen Wartung trotz erhöhter Sicherheit klein und der Antriebsanschluß
auch störunempfindlich gehalten werden. Außerdem ist es aus den bereits vorerzähnten
Gründen erzwnscht, ein in sich geschlossenes, motorunabhängiges Pumpenteil zu haben,
welches dann den Erfordernissen entsprechend mit einem dazu geeigneten Antriebsmotor
verbunden werden kann.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht insbesondere darin, daß als Antriebsanschluß
eine den Pumpenteil gegenüber dem Antrieb hermetisch abschließende, mit einem Spaltrohrtopf
versehene Magnetkuppung vorgesehen ist, und daß das antriebsseitige Lager sowie
zumindest ein Teil des Antriebs anschlusses bzgl. des Fördermediendruckes dem Pumpendruckraum
zugeordnet ist.
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Neben dem Vorteil eines hermetisch dichten Abschlusses der Pumpe durch
die Magnetkupplung, durch welche auch die weiteren, insbesondere mit Stopfbüchsen-,
Gleitring- od.dgl. Dichtungen verbundenen Nachteile vermieden werden können, hat
sich
überraschenderweise herausgestellt, daß bei einer derartigen
Ausbildung der antriebsseitigen Lagerung und des Antriebs-Anschlusses eine für eine
durchgehende Schmierung und, soweit erforderlich, auch Kühlung der Lager und der
gnetkupplung ausreichende Versorgtuig mit Schmier- und Kühlflüssigkeit im Bereich
vom Antriebs-Ansch7uß vorhanden ist. Der durch den Spaltrohrtopf umgrenzte Pumpenabschnitt
bildet dabei insgesamt einen sacklochartigen < Nebenraum, der praktisch offen
mit dem Druckraum der Pumpe verbunden ist. Dadurch kann das Fördermedium praktisch
ungehindert vom druckseitigen Bereich der Pumpe auch den Nebenraum ausfüllen.
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Zweckmäßigerweise dient die kupplungs- und/oder lagerbedingte Erwärmung
gegenüber der Lager- und Kupplungsumgebung als Schmier-und Kühlmitteltransnorthilfe.
Dadurch kann sich in vorteilhafter Weise eine geringfügige aber ausreichende thermische
Umwälzung der im Kupplungs- und Lagerraum befindlichen Flüssigkeit ausbilden, so
daß einerseits eine ausreichende Abführung der Wärme und auch eine gute Lagerschmierung
mit gleichzeitigem Abtransport des Abriebes gegeben ist.
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Vorteilhafterweise ist das antriebsseitige Lager mittels etwa radialer
Stützen od.dgl. mit dem Pumpengehäuse verbunden. Zwischen diesen Stützen od.dgl.
verbleibt dabei ein vergleichsweise großer Durchtrittsraum für das Fördermedium,
so daß der geringfügige, jedoch ausreichende, durch Temperaturdifferenz bedingte
Flüssigkeitsdurchsatz begünstigt ist.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Magnetkupplung zumindest
bzgl. ihrer wirksamen Magnetfläche eine größere axiale Länge auf, als ihr Außendurchmesser
beträgt, wobei insbesondere die axiale Länge der Magnetkupplung in Anpassung an
unterschiedliche Obertragungsmomente bei vorzugsweise etwa gleichbleibendem Außenderchmesser
anpaßbar ist. Der vorgesehene, vergleichsweise kleine Außendurchmesser der Magnetkupplung
führt
zu verminderten Reibungsverlusten und damit auch zu geringeren Erwärmungen. Erwähnt
sei dabei, daß die Reibungsverluste mit der dritten bis zur fünften Potenz mit dem
Durchmesser wachsen. Durch die erfindungsgemäße Ausb'ildung der Magnetkupplung kann
die verlustbedingte Erwärmung kleingehalten werden, wobei sich überraschenderweise
herausgestellt hat, daß bei derartiger Ausbildung man in vielen Fällen ohne zusätzliche
Hilfsmittel für die Förderung des den Spaltrohrtopf-Raum durchströmenden Mediums
auskommt.
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Vorteilhafterweise weist die erfindungsgemäße Rotationspumpe antriebsseitig
eine Anlaufverzögerungseinrichtung auf.
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Dadurch kann das motorseitige Kippmoment gedämpft werden, so daß die
Obertragungskräfte zwischen dem Motor und der Pumpe während der Anlauf- und Hochlaufphase
reduziert sind.
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Die Magnetkupplung kann dadurch eine auf dieses reduzierte Obertragungsmoment
abgestimmte und damit vergleichsweise kleine Baugröße aufweisen.
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Ebenfalls um die Baugröße der Magnetkupplung möglichst kleinhalten
zu können ist zweckmäßigerweise die Querschnittsform des Innenmagnetträgers im Sinne
einer geringen Rotationsträgheitsmasse mit mindestens einem Hohlraum versehen ausgebildet,
z.B. mit einem H-förmigen, vorzugsweise einem U-förmigen Querschnitt, wobei zweckmäßigerweise
innerhalb seiner Innenhöhlung ein Pumpenwellen-Lager untergebracht ist und wobei
der Innenmagnetträger einen vergleichsweise dünnwandigen Aussenmantel mit einem
diesen mit der Pumpenwelle verbindenden Nabenteil aufweist. Dadurch ist unter anderem
das pumpenseitige Massenträgheitsmoment vergleichsweise kleingehalten, so daß auch
dadurch eine kompakte Bauweise und vergleichsweise kleine Dimensionierung der Magnetkupplung
möglich ist.
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Bei einer erfindungsgemäßen Rotationspumpe zum Fördern von in der
Nähe ihrer Verdampfungsgrenze liegenden und/oder höherviskosen Fördermedien ist
es nach einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß innerhalb des Spaltrohrraumes
ein mit der Pumpenwelle verbundenes Hilfslaufrad vorgesehen ist. Dadurch kann auch
in diesen Sonderfällen ein ausreichender Kühl- und Schmiermitteldurchsatz sichergestellt
werden. Beim Fördern von in der Nähe ihrer Verdampfungsgrenze liegenden Fördermedien
kann durch das Hilfslaufrad ein gegebenenfalls doch noch auftretender, geringfügiger
und sonst nicht ins Gewicht fallender Druckabfall zwischen dem Pumpendruckraum und
dem Spaltrohrraum ausgeglichen werden.
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Zusätzliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen
aufgeführt. Nachstehend ist die Erfindung mit ihren wesentlichen Einzelheiten anhand
der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 einen Längsschnitt einer Schraubenflügelpumpe
mit Magnetantrieb, Fig. 2 einen Längsschnitt einer Kreiselpumpe mit Magnetantrieb
und Fig. 3 eine etwa der Fig.1 entsprechende Teillängsschnitt-Ansicht, hier jedoch
mit einem Hilfslaufrad.
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Eine Rotationspumpe 1 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig.1 als
Schraubenflügelpumpe ausgebildet.
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Sie weist einen mittels eines antriebsfernen sowie eines antriebsseitigen
Lagers 3 bzw. 2 gelagerten Rotor 4 auf. Am antriebsseitigen Ende der Pumpe ist ein
Anschluß 5 zum Verbinden der Pumpenwelle 6 mit einem Antriebsorgan, insbesondere
einem
in Fig.1 zum Teil sowie strichliniert angedeuteten Elektromotor 7 vorgesehen.
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Als Antriebs-Anschluß 5 dient eine den Pumpenteil gegenüber dem Antrieb
(Motor 7) hermetisch abschließende, miÜ einem Spaltrohrtopf 8 versehene Magnetkupplung
9.
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Die Magnetkupplung 9 weist durch einen Ringspalt 10 voneinander getrennte,
koaxial ineinandergreifend angeordnete Kupplungsteile auf, wobei das innere Kupplungsteil
11 innerhalb und das andere, etwa'glockenartige Kupplungsteil 12 außerhalb des Spaltrohrtopfes
8 angeordnet sind. Der Innenmantel 13 des äußeren, einen Außenmagnetträger 14 bildenden
Kupplungsteiles 12 und der Außenmantel 15 des inneren, einen Innenmagnetträger 16
bildenden Kupplungsteiles 11 sind mit Magneten, insbesondere Permanentmagneten 17
besetzt, die sich in Funktionsstellung in axialer Richtung vorzugsweise etwa deckungsgleich
gegenüberliegen.
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Die Figuren lassen gut erkennen, daß die Magnetkupplung 9 zumindest
bzgl. ihrer wirksamen Magnetfläche eine größere axiale Länge aufweist als ihr Außendurchmesser
beträgt. Insbesondere ist diese axiale Länge der Magnetkupplung 9 in Anpassung an
unterschiedliche benötigte Obertragungsmomente bei vorzugsweise etwa gleichbleibendem
Außendurchmesser anpaßbar. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß dadurch die Reibungsverluste,
die auch zur Erwärmung führen, vergleichsweise kleingehalten werden können. Außerdem
ist häufig auch eine schlanke gestreckte Pumpe besser einzubauen. Wesentlich ist
dabei jedoch, daß vor allem die Erwärmung vergleichsweise kleingehalten werden kann.
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Ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Rotationspumpe besteht
darin, daß das antriebsseitige Lager 2 sowie zumindest ein Teil des Antriebs-Anschlusses
5 bzgl. des Fördermediendruckes dem Pumpendruckraum 18 zugeordnet ist. Dadurch ist
ein Nebenraum 19 gebildet, der sacklochartig mit dem Pumpendruckraum 18 praktisch
offen in Verbindung steht. Es hat
sich überraschenderweise gezeigt,
daß diese Ausbildung für eine durchgehende Schmierung und soweit erforderlich, auch
für die Kühlung der Lager und der Kupplungsteile ausreicht.
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Dabei ist auch von wesentlicher Bedeutung, daß der Wärmepfall von
der Magnetkupplung 9 her konstruktionsbedingt vergleichsweise kleingehalten werden
kann, so daß man ohne weitere zusätzliche Maßnahmen im Regelfalle einen ausreichenden
Flüssigkeitsdurchsatz zur Verfügung hat. Dabei dient vor allem die kupplungs- und/oder
lagerbedingte Erwärmung gegenüber der Lager- und Kupplungsumgebung als Schmier-
und Kühlmitteltransporthilfe durch Konvektion.
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Das antriebsseitige Lager 2 -ist, um einen weitgehend offenen Durchtritt
vom Pumpendruckraum 18 zum Nebenraum 19 zu erhalten, nur mittels etwa radialer Stützen
20 od.dgl. mit dem Pumpengehäuse 21 verbunden.
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Der Innenmagnetträger 16 ist in den Ausführungsbeispielen gemäß Fig.
1 und 2 im Querschnitt etwa U-förmig mit einer Innenhöhlung 22 -ausgebildet. In
dieser Innenhöhlung 22 ist im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 und 3 die Befestigungsmutter
zum Verbinden des inneren Kupplungsteiles 11 mit der Pumpenwelle 6 untergebracht.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß bei einer umgedrehten Anordnung des im
Querschnitt U-förmigen Innenmagnetträgers 16, der dann mit seiner Innenhöhlung 22
zum Rotor 4 hinweist, in dieser Innenhöhlung 22 dann zumindest einen Teil des antriebsseitigen
Lagers 2 unterzubringen. Dadurch kann auch eine vergleichsweise gedrungene, kurze
Bauweise des Antriebs-Anschlusses 5 erzielt werden.
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Gegebenenfalls kann der Innenmagnetträger 16 auch einen etwa H-förmigen
Querschnitt mit zwei Innenhöhlungen haben, wobei dann innerhalb der einen Innenhöhlung
die Befestigungsmutter od.dgl. Verbindungsmittel, und in der anderen Innenhöhlung
zumindest ein Teil des antriebsseitigen Lagers 2 untergebracht ist.
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Um eine axial fluchtende Zuordnung der Kupplungsteile, insbesondere
des Außenmagnetträgers 14 und des Spaltrohrtopfes 8 zu gewährleisten, ist der Außenmagnetträger
14 mit einem Zwischenwellenstück 23 verbunden, das in einem mit dem Pumpengehäuse
21 verbundenen Lagerträger 24 gelagert ist. Dazu sind im Ausführungsbeispiel in
dem Lagerträger 24 ein Zylinderrollenlager 25 und ein Kugellager 26 eingesetzt.
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BeiMagnetkupplungen muß dafür gesorgt werden, daß deren maximales
Obertragungsmoment nicht überschritten wird, da sonst die Obertragung abreißt. Um
dieses Abreißen insbesondere beim Anlaufen des Antriebsmotors 7 zu verhindern, ist
es zweckmässig, wenn einerseits die Massenträgheitsmomente der pumpenseitigen Kupplungsteile
vergleichsweise klein und andererseits die Massenträgheitsmomente der motorseitigen
Kupplungsteile möglichst groß gehalten werden. Um dies zu erreichen ist der Innenmagnetträger
16 vergleichsweise dünnwandig ausgebildet und nur über ein Nabenteil 27 mit der
Pumpenwelle 6 verbunden.
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Das Massenträgheitsmoment dieses Innenmagnetträgers 16 ist dadurch
kleingehalten. Dagegen ist es, wie bereits vorerwähnt, zweckmäßig, wenn antriebsseitig
eine Anlaufverzögerungseinrichtung vorgesehen ist. Dazu kann, wie in Fig. 1 bei
dem Antriebsmotor 7 strichliniert eingezeichnet, der äußere Pumpenantrieb mit einer
zusätzlichen Rotationsträgheitsmasse, insbesondere einer Schwungscheibe 28 versehen
sein. Darüberhinaus besteht aber,gegebenenfalls auch als zusätzliche Maßnahme, die
Möglichkeit, eine elektrische Anlaufverzögerungseinrichtung am Elektromotor 7, die
insbesondere durch wenigstens eine Drosselspule in der elektrischen Zuleitung gebildet
ist, vorzusehen.
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Fig. 3 zeigt in einer Teilansicht eine etwa Fig. 1 entsnrechende Schraubenflügelpumpe
, wobei hier jedoch innerhalb des den Nebenraum 19 bildenden Spaltrohrraumes ein
mit der Pumpenwelle 6 od.
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dgl. verbundenes Hilfslaufrad 29 vorgesehen ist. Dieses Hilfslaufrad
29 kann in Ausnahmefällen, z.B. beim Fördern von in
der Nähe ihrer
Verdampfungsgrenze liegenden und/oder höherviskosen Fördermedien vorgesehen sein.
Im letzteren Falle kann es nämlich vorkommen, daß durch die Zähigkeit des Fördermediums
eine Umwälzung durch Konvektion nicht oder numehr unzureichend gegeben ist. Mit
Hilfe dieses Hilflaufrades 29 kann dann auf einfache Weise der erwünschte Flüssigkeitsdurchsatz
erzielt werden. Trotzdem ist auch beim Einsatz eines Hilfslaufrades 29 der Pumpenaufwand
gegenüber bekannten Pumpen noch vergleichsweise gering.
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Fig. 2 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel einer Rotationspumpe
la eine Kreiselpumpe mit einem Laufrad 30, welches gemeinsam mit dem Innenmagnetträger
16 auf der Pumpenwelle 6 angeordnet ist. Die Wellenenden sind in Lagern 2a sowie
3a geführt. Zur Stabilisierung des Spaltrohrtopfes 8 besitzt die Boden-Rückseite
32 einen nach außen weisenden zentralen Lagerbolzen 33, der in einem Lager 34 im
Außenmagnetträger 14 bzw. im Zwischenwellenstück 23 gelagert ist.
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Auch in diesem Ausführungsbeispiel ist der Außenmagnetträger 14 mit
einem Zwischenwellenstück 23 verbunden, das in einem mit dem Pumpengehäuse 21 verbundenen
Lagerträger 24 gelagert ist.
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Auch bei dieser Kreiselpumpe ist die weitgehend offene Verbindung
des Druckraumes 18 mit dem Spaltrohrraum 36 zu erkennen.
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Erwähnt sei noch, daß gemäß Figur 1 und Figur 3 das Nabenteil 27 des
Innenmagnetträgers 16 mit Durchbrüchen 35 zu der Innenhöhlung 22 versehen ist, um
auch diese Innenhöhlung mit geringstmöglichem Druckunterschied mit dem Druckraum
der Pumpe zu verbinden.
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Erwähnt sei noch, daß als Pumpenwellenlager 2, 2a, 3, 3a vorzugsweise
Gleitlager, gegebenenfalls aber auch insbesondere bezüglich ihres Werkstoffes angepaßte
Wälzlager dienen können. Gleitlager haben dabei den Vorteil der besonderes leichten
Anpaßbarkeit an das Fördermedium. Sofern fördermedienunabhängige Wälzlager zur Verfügung
stehen,
können diese im Einzalfalle vorteilhaft sein, insbesondere an der niederdruckseitigen
Lagerstelle des Rotors 4.
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Bei der erfindungsgemäßen Rotationspumpe 1 hat sich überraschenderweise
herausgestellt, daß man einerseits die betriebsbedingte Temperaturerhöhung kleinhalten
kann, so daß in vielen Fällen auf besondere konstruktive Maßnahmen (z.B.
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Hilfspumpen und dgl.) verzichtet werden kann, im Ausnahmefall Hilfsmaßnahmen
kleingehalten werden können; dennoch erreicht man, wie sich ebenfalls überraschenderweise
herausgestellt hat, noch ein Minimum an Fördermediendurchsatz am Lager- bzw. Kupplungsbereich,
der für eine ausreichende Schmierung sowie eine ausreichende Wärmeabführung auch
im Dauerbetrieb sowie in Sonderfällen ausreicht. Als Sonderfall sei hier beispielsweise
erwähnt, wenn der Rotor, das Pumpenlaufrad od.dgl. durch mit dem Fördermedium in
den Pumpenraum gelangte Fremdkörper blockiert wird, wobei jedoch durch die Magnetkupplung
9 Beschädigungen verhindert werden können, weil diese praktisch als "Sicherheitskupplung"
wirkt. Die beim Durchdrehen der Magnetkupplung 9 auftretende, erhöhte Erwärmung
kann jedoch auch in diesem Sonder-Betriebsfalle durch die erfindungsgemäße Konstruktion
der Rotationspumpe gut abgeführt werden.
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Die Magnetkupplung 9 bildet somit erfindungsgemäß neben einem hermetisch
dichten Antriebs-Abschluß 5 nach außen hin auch gleichzeitig noch eine Oberlastsicherung,
durch die sowohl an der Pumpe selbst als auch an dem antreibenden Elektromotor 7
od.dgl. Beschädigungen, die sonst bei einer starren Verbindung auftreten könnten,
vermieden werden.
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Neben den in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Rotationspumpen
kommen auch noch weitere Rotationspumpen, nämlich insbesondere Zahnradpumpen, Exzenterschneckenpumpen,
Schraubenspindelpumpen usw. für den erfindungsgemäßen Antriebsanschluß 5 in Frage.
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Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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