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Die Erfindung betrifft eine relativ kleine Rotationspumpe
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für Flüssigkeiten, welche verwendbar ist als Automobiltreibstoffpumpe.
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Rotationsverdrängerpumpe vom Stiftrollen-Typ,
welche im folgenden als "Schaufelpumpe" bezeichnet wird.
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Eine herkömmliche Schaufelpumpe dieser Art ist in Fig. 1 gezeigt.
Sie umfaßt einen Motoranker 1 für den Antrieb der Pumpe sowie eine Antriebswelle
la und eine Pumpenbasis 2 in Form einer Schüssel. Diese umfaßt eine Wandung 2a,
die als flache Fläche der Pumpenkammer dient, sowie einen Durchgang 2b, welcher
als Pumpenauslaß dient. Ferner ist ein Lager 3 vorgesehen, welches die Antriebswelle
7a unterstützt.
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Auf der Antriebswelle 1a ist ein Rotor 4 befestigt, welcher eine Vielzahl
von Nuten 4a aufweist. Letztere sind in gleichem Abstand voneinander angeordnet
und zur Peripherie hin offen. Ferner sind freibewegliche Rollen 5 vorgesehen, deren
jede in eine Nut 4a des Rotors 4 eingelegt ist. Ein Pumpengehäuse 6 bildet eine
zylindrische Seitenwand der Pumpenkammer. Der Rotor 4 und die Rollen 5 können frei
im Pumpengehäuse 6 rotieren. Zwischen dem Zentrum des Innendurchmessers des Pumpengehäuses
6 und dem Zentrum der Antriebswelle 1a besteht gemäß Fig. 2 eine Exzentrizität um
einen bestimmten Betrag A. Der Radius des Innendurchmessers des Pumpengehäuses 6
ist geringfügig größer als die Summe des Abstandes A und des Radius R des Rotors
4. Der Innenradius des Pumpengehäuses hat somit den Betrag A + R + a.
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Die Pumpenkammer ist derart ausgebildet, daß der Rotor 4 an der Stelle
6a am dichtesten an der inneren, zylindrischen Wandung des Pumpengehäuses liegt.
Hier besteht zur zylindrischen Innenwandung ein Abstand von 2(A + a) = B.
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Ein Pumpengehäuse 7 umfaßt schließlich eine Wandung 7a mit einer flachen
Fläche und einer Einlaßnut 7b für das Ansaugen von Flüssigkeit sowie ein Schlauchverbindungsorgan
7d mit einer Einspeisungsöffnung 7c. Letztere steht mit der
Einlaßnut
7b in Verbindung. Ein Metallzylinder 8 dient der Unterbringung des Pumpensystems.
Er weist ein Auslaßrohr 10 auf, welches eine Auslaßöffnung 9 umfaßt und über eine
Packung 11 befestigt ist. Schließlich sind zur hermetischen Dichtung O-Ringe 12,
13, 14 vorgesehen.
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Im folgenden sollen Details bezüglich der Konstruktion und der Materialien
der einzelnen Komponenten der Pumpenkammer erläutert werden. Die Pumpenbasis 2 und
das Pumpengehäuse 7 werden durch Gießen einer Aluminiumgußlegierung in eine Gießform
hergestellt. Die Wandungen 2a und 7a, welche die flachen Flächen für das Pumpengehäuse
bilden, werden nach der spanabhebenden Endbearbeitung einer Oberflächenbehandlung
(Anodisierung) unterzogen, wobei ein Film mit einer hohen Abriebfestigkeit gebildet
wird. Der Rotor 4 und die Rollen 5 werden durch Drehen eines Werkstücks aus unlegiertem
Stahl (Kohlenstoffstahl) hergestellt. Sie erhalten dabei eine Gestalt gemäß der
Zeichnung. Dabei erfolgt die Abschreckung zur Erhöhung der Abriebfestigkeit. Schließlich
wird eine Schleifbearbeitung der Oberfläche vorgenommen. Das Pumpengehäuse 6 wird
durch Stanzen einer Platte aus unlegiertem Stahl (Kohlenstoffstahl) hergestellt.
Dann wird diese Platte abgeschreckt zur Erhöhung der Abriebfestigkeit und schließlich
erfolgt eine Schleifbearbeitung der zylindrischen Innenfläche und der beiden Endflächen.
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Im folgenden soll die Arbeitsweise der so hergestellten Pumpe beschrieben
werden. Wenn dem Anker 1 elektrischer Strom zugeführt wird, so wird der fest mit
der Antriebswelle la verbundene Rotor 4 im Gegenuhrzeigersinn zusammen mit der Antriebswelle
1a gedreht. Aufgrund der Drehbewegung des Rotors 4 werden die Rollen 5 durch Zentrifugalkraft
im Kontakt mit der zylindrischen Innenfläche des Pumpengehäuse 6 gehalten, und sie
rollen hier im Gegenuhrzeigersinn ab. Im folgenden sollen die Vorgänge und Situationsänderungen
der
Rollen 5 in der Pumpenkammer während der Drehbewegung des Rotors 4 im einzelnen
untersucht werden Zunächst soll eine Rolle 5 betrachtet werden, welche beim Start
der Pumpe an der Stelle 6b an der zylindrischen Innenwandung anliegt. Beim Start
der Pumpe nimmt der durch diese Rolle definierte Pumpenraum mit der Drehbewegung
des Rotors allmählich zu, so daß ein Unterdruck entsteht. Daher wird Treibstoff
durch die Öffnung 7c und die Einlaßnut 7b angesaugt. Wenn nun der Rotor 4 weitergedreht
wird und die betrachtete Rolle an der Stelle 6a der zylindrischen Innenwandung vorbeibewegt
wird, so nimmt nun der durch diese Rolle definierte Raum der Pumpenkammer ab, so
daß der Treibstoff allmählich komprimiert wird. Nun erreicht der Treibstoff den
Auslaß 2b und gelangt in den Innenraum des Metallzylinders 8. Schließlich strömt
der Treibstoff durch den Auslaß 9 aus.
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Bei einer herkömmlichen Schaufelpumpe dieser Bauart kommen bei der
Rotationsbewegung des Rotors 4 und der Rollen 5 beide Enden des Rotors 4 in Kontakt
mit der flachen Oberfläche 2a der Pumpenbasis 2 und der flachen Oberfläche 7a des
Pumpengehäuses 7, während gleichzeitig die Nuten 4a in Kontakt mit der Außenfläche
der Rollen 5 bleiben. Die Rollen 5, welche in Kontakt mit den Außenflächen der Nuten
4a stehen, berühren die zylindrische Innenwandung des Pumpengehäuses 6. Beide Enden
der Rollen 5 kommen ferner in Kontakt mit den flachen Oberflächen 2a und 7a. Aufgrund
der erheblichen Reibung der verschiedenen Bereiche der Pumpenkomponenten kommt es
zu einer erheblichen Abnutzung dieser Bauteile an ihren Kontaktflächen. Dieser Effekt
tritt insbesondere dann ein, wenn die Pumpe während mehrerer Stunden trocken läuft.
Auch bei normalem Betrieb tritt dieser Abnutzungseffekt schließlich nach längerer
Betrieb zeit ein. Der Abrieb führt zu einer Steigerung des Stroms, einer Verringerung
der Rotationsgeschwindigkeit und einer
Senkung des Innendrucks und
der Fördermenge. Schließlich wird dem Verbrennungsmotor kein Treibstoff mehr zugeführt.
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Bei allen herkömmlichen Pumpen der beschriebenen Bauart sind sämtliche
Abriebkomponenten, d.h. der Rotor 4, die Rollen 5 und das Pumpengehäuse 6, mit hoher
Präzision bearbeitet. Sie werden z.B. nach dem Abschrecken (zur Erhöhung der Abriebfestigkeit)
einer Schleifbearbeitung unterzogen. Hierdurch werden die Kosten (aufgrund der Bearbeitung)
sowie das Gewicht erheblich gesteigert. Ferner muß auch die Pumpenbasis 2 und das
Pumpengehäuse 7 nach dem Gießen einer Oberflächenbearbeitung unterzogen werden,
um die flachen Oberflächen 2a und 7a auszubilden. Dies ist ein weiterer Nachteil,
welcher die Kosten erhöht.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotationsverdrängungspumpe
zu schaffen, welche einem geringen Abrieb unterliegt und sich selbst nach einem
mehrstündigen Betrieb unter trockenen Bedingungen nicht festfrißt.
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Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine kompakte, leichte Rotationsverdrängungspumpe
zu schaffen, welche äußerst beständig ist und eine gute Abriebfestigkeit aufweist
sowie auf einfache Weise mit geringen Kosten hergestellt werden kann.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert;
es zeigen: Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Rotationsverdrängungspumpe;
Fig. 2 einen Querschnitt durch die Verdrängungspumpe gemäß Fig. 1; Fig. 3 einen
Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Rotationsverdrängungspumpe; und Fig. 4 einen
Querschnitt durch die erfindungsgemäße Pumpe gemäß Fig. 3.
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Im folgenden soll eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung anhand
der Fig. 3 und 4 beschrieben werden. Diese umfaßt einen Motoranker 1 mit einer Antriebswelle
1a und einer Halterung 1b für die nichtgezeigten Bürsten zur Zufuhr der elektrischen
Energie zum Motor sowie für ein Lager 3, welches die Antriebswelle 1a lagert. Ferner
ist eine Pumpenbasis 2 vorgesehen, deren eine Seite als flache Innenfläche 2a der
Pumpenkammer ausgebildet ist. Die Pumpenbasis 2 weist einen Durchgang 2b auf, welcher
als Auslaß dient. Ein Rotor 4 ist fest auf der Antriebswelle 1a befestigt. Er weist
eine Vielzahl von Nuten 4a auf, welche in gleichem Abstand voneinander an der Peripherie
verteilt angeordnet sind und zur Peripherie hin offen sind. Ferner sind freibewegbare
Rollen 5 Jeweils in die Nuten 4a des Rotors 4 eingesetzt. Ein Pumpengehäuse 6 bildet
die zylindrische Seitenwandung der Pumpenkammer. Der Rotor 4 und die Rollen 5 sind
derart im Pumpengehäuse 6 angeordnet, daß sie darin frei drehbar sind. Gemäß Fig.
4 ist das Zentrum der Innenkammer des Pumpengehäuses 6 exzentrisch zum Zentrum der
Antriebswelle la angeordnet und der Abstand der beiden Zentren ist mit A bezeichnet.
Der Radius der Innenkammer des Pumpengehäuses 6 ist geringfügig größer als die Summe
des Radius R-des Rotors 4 und des Abstandes A zwischen dem Zentrum der Antriebswelle
la und dem Zentrum des Pumpengehäuses 6. Somit hat der Radius der Innenkammer den
Wert A + R + a. Das Pumpengehäuse 6 umfaßt eine Ansaugauenehmung 6a und eine Auslaßausnehmung
6b sowie einen Durchgang 6c für den Austritt der Flüssigkeit und eine Schlauchverbindung
6e mit einem Durchgang 6d für den Eintritt der Flüssigkeit in die Ansaugausnehmung
6a. Ferner ist ein Pumpengehäuse 7 mit einer flachen Seitenwandung 7a vorgesehen
sowie ein metallisches, zylindrisches Gehäuse 8 für das Pumpensystem. Ein Auslaßrohr
10 mit einem Auslaßdurchgang 9 ist mit Hilfe einer Packung 11 in das zylindrische
Metallgehäuse 8 eingesetzt. Zur hermetischen
Abdichtung dienen
O-Ringe 12, 13, 14, 15 und 16. Die Halterung ib besteht aus Kunststoff (z.B. einem
Polyacetal).
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Die Pumpenbasis 2 und das Pumpengehäuse 7 bestehen aus einer Aluminiumplatte.
Diese weist auf ihrer Oberfläche einen harten, porösen Oxidfilm auf, welcher mit
Teflon imprägniert ist. Eine solche Oberflächenschicht zeigt eine ausgezeichnete
Abrieb- und Korrosionsfestigkeit sowie einen geringen Reibungskoeffizienten. Der
Rotor 4 wird hergestellt durch Gießen einer Zinkgießlegierung in eine Gießform,
durch spanabhebende Bearbeitung des Gußkörpers und durch Aufbringung einer Kupfer-
und Nickelplattierung auf die Oberfläche.
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Die Rollen 5 bestehen vorzugsweise aus Polyphenylensulfid, welches
eine ausgezeichnete Hitzefestigkeit, Starrheit, Flammfestigkeit und Chemikalienfestigkeit
aufweist. Das Polyphenylensulfid wird gewöhnlich durch Einverleiben von Kohlenstoff-
oder Glasfasern verstärkt. Falls erforderlich, werden Fluorkomponenten oder Molybdänkomponenten
zugesetzt.
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Zur Herstellung der Rollen 5 aus dem mit Füllstoff verstärkten synthetischen
Polymeren wird das Spritzgußverfahren angewendet. Zur Herstellung des Pumpengehäuses
6 wird vorzugsweise eine Aluminiumlegierung gegossen und dann mit Polytetrafluoräthylen
beschichtet. Vorzugsweise erfolgt die Beschichtung des Aluminiumlegierungsgußkörpers
mit dem Polytetrafluoräthylen nach einer spanabhebenden Oberflächenbehandlung (z.B.
Drehen oder Schleifen). Hierdurch wird die Abriebfestigkeit der Innenfläche verbessert.
Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform besteht das gesamte Pumpengehäuse 6 aus einem
Aluminiumgußkörper. Es ist Jedoch auch möglich, eine Aluminiumplatte zu verwenden,
welche in die zweckentsprechende Form durch Pressen oder durch Kaltwalzen gebracht
wird und danach mit Polytetrafluoräthylen beschichtet wird. Ferner kann das zylindrische
Pumpengehäuse 6 mit einem Ring versehen werden, welcher
an seiner
Innenfläche eine PolytetrafluorAthylenbeschichtung aufweist.
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Bei Wahl einer solchen Materialkombination muß eine Anzahl von Erfordernissen
erfüllt werden. Die einzelnen Bauteile müssen eine hohe Korrosionsfestigkeit, eine
große Festigkeit gegenüber hohen und niedrigen Temperaturen, eine hohe Festigkeit
bei Trockenlaufen der Pumpe, eine hohe Beständigkeit gegenüber Treibstoff, eine
hohe Abriebfestigkeit und eine geringe Oberflächenrauhigkeit aufweisen. Sie müssen
eine hohe Drehzahl gestatten und mit hoher Präzision bearbeitet sein (geringe Toleranzen).
Vor allem muß ein Abrieb oder ein Festfressen der Bauteile aufgrund von Rotationsreibung
verhindert werden. Auch ein einziges Bauteil der Gesamtkombination kann zu erheblichem
Abrieb oder zu einem Festfressen führen, falls das Material oder die Oberflächenbehandlung
fehlerhaft sind. Hierdurch kann das Betriebsverhalten und die Pumpenleistung wesentlich
beeinträchtigt werden und schließlich kommt die Pumpe zum Stillstand. Unter diesen
Gesichtspunkten wurden die oben erwähnten Materialien anhand einer Gesamtzahl von
dreißig grundlegenden Abriebsfestigkeitstests ausgewählt sowie anhand von fünfzehn
verschiedenen Behandlungstests der Material en, anhand von zwölf verschiedenen Behandlungstests
in Bezug auf die Komponenten und anhand von etwa fünfzehn verschiedenen Kombinationstests
sowie anhand von acht verschiedenen Beständigkeitstests im praktischen Betrieb der
Testpumpe Diese Versuche bestätigen, daß die ausgewählte Materialkombination die
erforderliche Beständigkeit von 4000 Betriebsstunden beim Pumpen von Benzin aufweist.
Diese Beständigkeit ist ausreichend für die Verwendung der Pumpen als Treibstoffpumpen
in Automobilen.
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Die erfindungsgemäß Pumpe arbeitet in der gleichen Weise wie eine
herkömmliche Pumpe. Daher soll die Beschreibung
dieser Arbeitsweise
ausgelassen werden. Es muß bemerkt werden, daß die erfindungsgemäße Pumpe auf einfachste
Weise und äußerst kostengünstig hergestellt werden kann. Sie hat ein sehr geringes
Gewicht im Vergleich zu herkömmlichen Pumpen, bei denen die Pumpenbasis 2 und das
Pumpengehäuse 7 aus Aluminiumguß bestehen. Demgegenüber bestehen diese Bauteile
bei vorliegender Erfindung aus geformten und gestanzten Aluminiumplatten. Da der
Rotor 4 gemäß vorliegender Erfindung aus einem Gußkörper aus Zinklegierung besteht,
erfordert er keine Abschreckung und keine Präzisionsbearbeitlmg (Schleifen) wie
der Rotor einer herkömmlichen Pumpe. Auch hierdurch wird die Herstellung äußerst
vereinfacht und verbilligt. Die Verwendung von PPS-Material zur Herstellung der
Rollen 5 erübrigt ebenfalls ein Abschrecken des Materials und eine Präzisionsbearbeitung
desselben durch Schleifen oder dergl.. Auch hierdurch wird die Herstellung wesentlich
vereinfacht und verbilligt. Ferner wird durch solche Rollen das Gewicht wesentlich
verringert und es kommt beim Umlauf der Rollen zu geringerer Geräuschentwicklung
durch Kontakt derselben mit der zylindrischen Wandung des Pumpengehäuses 6 unter
dem Einfluß der Zentrifugalkraft. Auch die Drehbewegung der Rollen 5 innerhalb der
Nuten 4a des Rotors 4 verursacht kaum Geräusche.
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Desgleichen kommt es zu keiner Geräuschbelästigung durch den Kontakt
zwischen der flachen Fläche 2a der Pumpenbasis 2 und der flachen Fläche 7a des Pumpengehäuses
7. Aufgrund der Selbstschmiercharakteristik des Materials ist der Abrieb der Rollen
5 und der mit diesen in Berührung stehenden Komponenten erheblich herabgesetzt.
Dies ist ein weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung. Das-PPS-Material hat eine
ausgezeichnete Abriebfestigkeit sowie eine Beständigkeit gegen Öl und Chemikalien.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist ebenso gering wie derjenige von Aluminiumlegierungen
und Zinklegierungen, so daß im wesentlichen keine Störungen durch eine Längsausdehnung
der Rollen
5 in Richtung die flachen Flächen 2a und 7a der Pumpenbasis
2 und des Pumpengehäuses 7, welche den Rollen 5 gegenüberliegen, bei höheren Temperaturen
auftreten.Ferner treten auch keine Schwierigkeiten durch ein Schrumpfen der Rollen
5 bei niedrigeren Temperaturen auf. Bei einem solchen Schrumpfen würden sich zu
weite Abstände und damit eine unzureichende Saugwirkung ergeben. Durch die Anwendung
des Gießverfahrens zur Herstellung des Pumpengehäuses 6 aus einer Aluminiumlegierung
wird die Herstellung dieses Pumpengehäuses wesentlich vereinfacht und verbilligt
und das Gewicht wird wesentlich verringert. Ein Abschrecken des Materials und eine
nachträgliche Präzisionsbearbeitung, wie bei herkömmlichen Herstellungsverfahren
sind nicht erforderlich.
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Die Verwendung von abgeschrecktem unlegiertem Stahl zur Herstellung
des Rotors 4, der Rollen 5 und des Pumpengehäuses 6 birgt in sich die Gefahr eines
Festfressens der einzelnen Bauteile bei längerem Trockenlaufen der Pumpe während
mehrerer Stunden. Außerdem würde in diesem Fall ein erhöhter Abrieb eintreten. Demgegenüber
wird erfindungsgemäß ein mit Nickel plattiertes Zinklegierungsmaterial für die Herstellung
des Rotors 4 verwendet. Zur Herstellung der Rollen 5 dient PPS-Material. Zur Herstellung
des Pumpengehäuses 6, der Pumpenbasis 2 und des Pumpengehäuses 7 dient ein Aluminiummaterial,
das an seiner Oberfläche eine mit Teflon imprägnierte, harte, poröse Oxidschicht
aufweist.
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Diese Materialkombination ist hervorragend auf die Pumpenanforderungen
zugeschnitten. Es besteht keinerlei Möglichkeit zu einem Kontakt zwischen Komponenten,
welche aus dem gleichen Material bestehen und die gleiche Härte aufweisen. Die erfindungsgemäßen
Pumpenbauteile weisen daher eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit auf. Somit erhält
man erfindungsgemäß kompakte Pumpen mit geringem Gewicht und
mit
großer Gebrauchstüchtigkeit aufgrund einer guten Abriebfestigkeit. Die erfindungsgemäße
Pumpe kann leicht und mit geringen Kosten hergestellt werden. Vorstehend wurde die
Erfindung in Verbindung mit einer Schaufelpumpe vom Rollentyp beschrieben. Die erfindungsgemäßen
Prinzipien können jedoch auch bei anderen Schaufelpumpen mit anderen Typen von Schaufeln
Anwendung finden.
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Bei der erfindungsgemäßen Pumpe befindet sich der Einlaß zwischen
den beiden Basisplatten 2, 7. Die Einlaßöffnung 6d erstreckt sich in radialer Richtung.
Der Einlaßkanal 6d steht in Verbindung mit einer Auslaßbohrung des Pumpengehäuses
6, welche sich über die volle Höhe des Pumpengehäuses erstreckt. In der Basisplatte
2 befindet sich eine Auslaßbohrung 2b, welche einerseits mit einer entsprechenden
Auslaßausnehmung in der Halterungsplatte Ib kommuniziert und andererseits mit einer
Auslaßbohrung 6c im Pumpengehäuse 6. Letztere Auslaßbohrung 6c erstreckt sich wiederum
über die volle Höhe des Pumpengehäuses 6.
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Die Einlaßbohrung des Pumpengehäuses 6 kommuniziert mit einer Einlaßausnehmung
6a des Pumpengehäuses 6. Die Auslaßbohrung 6c kommuniziert mit einer Auslaßausnehmung
6b des Pumpengehäuses 6. Die Einlaßausnehmung und die Auslaßausnehmung des Pumpengehäuses
6 sind als relativ flache Ausnehmungen auf der der Basisplatte oder Endplatte 7
zugewandten Seite des Pumpengehäuses 6 ausgebildet.
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Durch diese Bauweise wird die Herstellung der Pumpe wesentlich vereinfacht
und das Betriebsverhalten derselben wird verbessert.
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