DE3509023A1 - Pumpenaggregat - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE WEDDE ,"EMPL & FEHNERS 3509023

Europäische Patentvertreter · European Patent Attorney· ■ Mandataires en Brevets Europdens

Anwaltsakte:

P 24 742:,

Albert Wedde, Dipl.-Ing.

Karl Empl, Dipl.-Ing.

Klaus Fehners, Dipl.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing.

Schumannstr. 2 / Ecke Prinzregentenstraße D-8000 München 80 Telefon: 089/47 15 47 Telegramme: cosmopat muenchen

13. März 1985

Firma Feodor Burgmann Dichtungswerke GmbH & Co. Äußere Sauerlacher Straße 6-8 D-8190 Wolfratshausen 1

Pumpenaggregat.

Die Erfindung betrifft ein Pumpenaggregat, mit einem von einem Pumpengehäuse umschlossenen und daran drehfest gehaltenen ersten Fördergewinde mit radial nach innen weisenden Gewindegängen und einem vom Pumpengehäuse umschlossenen, motorisch angetriebenen Pumpenrotor, welcher mindestens näherungsweise hohlzylindrisch geformt ist und an seinem Außenumfang ein zweites Fördergewinde trägt, dessen Ge-

— O _

t- ." S.

windegänge unter Belassung eines minimalen Radialspiels zu den Gewindegängen des ersten Fördergewindes vorstehen und zu diesen entgegengesetzte Gangrichtung aufweisen.

Pumpenaggregate mit derartigen berührungslos ineinander angeordneten Fördergewinden sind als Schraubengangspumpen bekannt, konnten sich aber bisher, von wenigen Sonderfällen abgesehen, in der Praxis wegen prinzipbedingter Nachteile nicht durchsetzen. Probleme traten insbesondere bei der Abdichtung der den Pumpenrotor mit einem Antriebsmotor verbindenden Welle auf.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Pumpenaggregat der eingangs erläuterten Art so weiterzubilden, daß es problemlos auch bei hohen und höchsten Systemdrücken einsetzbar ist, alle Dichtungsprobleme vermeidet und einfach und raumsparend herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Pumpenrotor im Bereich seiner Bohrung eine Permanentmagnetanordnung mit radial nach innen weisenden Magnetpolen mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweisen, daß die innere Wandung des Dichtungsgehäuses mindestens im Bereich der Magnetpole als dünnwandige rohrförmige Hülse ausgebildet ist, welche aus einem Werkstoff minimaler magnetischer

Permeabilität besteht und mit nur geringem Radialspiel zu den Magnetpolen angeordnet ist und daß innerhalb der rohrförmigen Hülse ein Antriebsrotor koaxial zum Pumpenrotor drehbar gelagert ist, der eine zweite Permanentmagnetanordnung mit radial nach außen weisenden Magnetpolen mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, deren Polwinkel gleich demjenigen der Magnetpole der ersten Permanentmagnetanordnung ist.

Der Antrieb des Pumpenrotors erfolgt somit berührungslos mittels der von der zweiten Permanentmagnetanordnung gebildeten Magnetfelder durch die innere Wandung hindurch, so daß das gesamte Pumpenaggregat keinerlei dynamisch beanspruchte Dichtungen benötigt, sondern lediglich stationär beanspruchte Dichtungen für den Zusammenbau des Pumpengehäuses. Die Wandung des Pumpengehäuses ist zwar dem Systemdruck des Pumpenaggregates ausgesetzt, kann diesem aber aufgrund ihrer günstigen geometrischen Konfiguration (kreisförmiger Hohlzylinder) auch bei geringer Wandstärke widerstehen. Die Anordnung des Antriebsrotors konzentrisch innerhalb des Pumpenrotors führt zu einer raumsparenden, konstruktiv einfachen und damit auch preisgünstigen Konstruktion.

Vorteilhaft besteht der Pumpenrotor aus einem Werkstoff hoher Permeabilität und kann dann einen Bestandteil des Magnetkreises der ersten Permanentmagnetanordnung bilden. In Weiterbildung kann der Pumpenrotor mindestens teilweise aus hartmagnetischem Werkstoff bestehen, so daß er selbst magnetisiert werden kann, und insoweit die Wirkung der Magnetpole unterstützt, wobei auch eine einstückige Ausbildung mit den Magnetpolen möglich ist.

Der Antriebsrotor kann entweder durch den Rotor eines Außenläufermotors gebildet sein, wobei eine besonders raumsparende Anordnung erzielbar ist, oder kann ganz oder teilweise von der Welle eines fest mit dem Pumpengehäuse verbundenen Antriebsmotors getragen sein oder kann mit zwei Lagern im Pumpengehäuse gelagert sein.

Eine vorteilhafte Ausbildung besteht darin, den Pumpenrotor (abgesehen von seinem durchgehend ausgebildeten Fördergewinde) symmetrisch bezüglich einer zu seiner Drehachse lotrechten Mittelebene auszubilden. Hierbei kann bei auftretendem VerschMß der Pumpenrotor um 180° gedreht und damit seine Lebensdauer bezüglich seines den Axialschub aufnehmenden Lagers verdoppelt werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Pumpenrotor an jedem seiner beiden Enden mit einem Gleitlager im Pumpengehäuse gelagert, wobei die Spalte beider Gleitlager über einen zwischen der inneren Wandung und dem Pumpenrotor, d.h. im Bereich der Magnetpole gelegenen Raum miteinander in Verbindung stehen. Aufgrund der speziellen Gestaltung des Pumpenaggregates tritt eine Selbstzentrierung des Pumpenrotors aufgrund der rotationssymmetrischen Flüssigkeitsführung ein, die ggf. noch durch das Magnetfeld unterstützt wird. Es liegt daher schon prinzipbedingt eine nur geringe Radialbelastung der Lager vor. Bei vertikaler Anordnung entfällt auch die Radialbelastung aufgrund des Rotorgewichts. Der Axialschub des Pumpenrotors bleibt wegen der geringen druckbeaufschlagten Fläche in Form einer schmalen Kreisringfläche ebenfalls gering und kann bei vertikaler Aufstellung teilweise durch das Rotorgewicht kompensiert werden. Zur Schmierung der Gleitlager wird das vom Pumpenaggregat geförderte flüssige Medium herangezogen, das in einer geringen Menge von der Hochdruckseite her über den Spalt zwischen Gleitfläche und Gegengleit fläche des einen Gleitlagers, dann durch den erwähnten Raum und den Spalt des anderen Gleitlagers zur Niederdruckseite zirkuliert.

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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform mit beidseits im Pumpengehäuse

gelagertem Antriebsrotor;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform, bei welcher der Antriebsrotor an einem Ende im Pumpengehäuse gelagert

und am anderen Ende von der Well» eines angeflanschten Antriebsmotors gehalten wird;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform mit fliegender Anordnung

des Antriebsrotors auf der Well* eines angeflanschten Antriebsmotors;

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine vierte Aufführungsform, bei welcher der Antriebsrotor

durch den umlaufenden Teil eines Außenläufermotors gebildet ist und

Fig. 5 eine fünfte Ausführungsform, bei welcher der

Antriebsrotor durch den stationären Teil eines gekapselten Außenläufermotors gebildet ist.

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Das Pumpenaggregat gemäß Fig. 1 weist ein in seiner Gesamtheit mit 1 bezeichnetes in Gestalt eines Hohlringkörpers ausgebildetes Pumpengehäuse auf. Dieses umfaßt einen ersten und einen zweiten stirnseitigen Gehäuseflansch 2 bzw. und eine radial äußere und eine radial innere Wandung 4 bzw. 5. Die Gehäuseflansche 2, 3 haben die Form von flachen Ringen und enthalten in den aufeinander zu weisenden Stirnflächen 2a, 3a im wesentlichen spiegelbildlich zueinander geformte Ringnuten 2b, 3b. Benachbart zum Nutgrund 2b¹, 3b¹ jeder Ringnut 2b, 3b mündet eine durch den jeweiligen Gehäuseflansch 2, 3 nach außen geführte Einlaßbohrung 2c bzw. Auslaßbohrung 3c.

Die äußere Wandung 4 hat die Form eines zylindrischen Rohres größerer Wandstärke, das im Bereich beider axialen Enden über Schultern 4a in Abschnitte 4b übergeht, deren Außendurchmesser vermindert und gleich dem Durchmesser der radial äußeren Wand 2b", 3b" der Ringnuten 2b, 3b ist. Die Abschnitte 4b enthalten jeweils an ihrem Außenumfang eine einen... O-Rina6 aufnehmende Ringnut 4c und stehen in die Ringnuten 2b, 3b dergestalt ein, daß sich die Schultern 4a an den Stirnflächen 2a, 3a abstützen, daß zwischen den stirnseitigen Enden der Abschnitte 4b und dem Nutgrund 2b', 3b' ein Freiraum verbleibt und daß ein freier Abstand

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zur radial inneren Wand 2b" ', 3b¹" der Ringnuten 2b, 3b verbleibt. Am Innenumfang der äußeren Wandung 4, einschließlich der Abschnitte 4b, ist ein erstes Fördergewinde 4d ausgebildet.
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Die innere Wandung 5 hat die Form einer dünnwandigen rohrförmigen Hülse und besteht aus einem Werkstoff mit geringer oder keiner Magnetisierbarkeit (Koerzitivkraft) und minimaler magnetischer Permeabilität, beispielsweise aus einem Metall, aus Keramik oder Kunststoff. Die innere Wandung 5 wird benachbart zu ihren beiden axialen Enden von Innenschultern 2d, 3d umfaßt, die an ihrem Innenumfangen 2d', 3d¹ Ringnuten aufweisen, welche je einen O-Ring 7 aufnehmen. Die innere Wandung 5 wird durch einen Stift 8 an einer Drehung gehindert.

Die Gehäuseflansche 2, 3 stehen radial über den Außenumfang der äußeren Wandung 4 vor. Um den Außenumfang der äußeren Wandung 4 verteilt , erstreckt sich eine Mehrzahl von Stehbolzen 9 achsparallel von Gewindebohrungen 2e im ersten Gehäuseflansch 2 durch Bohrungen ,3c des zweiten Gehäuseflansches 3 hindurch, wobei Muttern 10 die beiden Gehäuseflanschen 2, 3 zusammenhalten.

Ι^η dem Ringrauiti zwischen der äußeren und inneren Wandung bzw. 5 ist drehbar ein Pumpenrotor 11 von im allgemeinen hohlzylindrischer Gestalt angeordnet, dessen axiale Länge im wesentlichen gleich derjenigen der äußeren Wandung 4 ist. In den Außenumfang des Pumpenrotors 11 ist ein zweites Fördergewinde 11a (Außengewinde) eingeschnitten, dessen Gewindegänge entgegengesetzte Steigungsrichtung bezüglich der Gewindegänge des ersten Fördergewindes 4d (Innengewinde) aufweisen und zu diesen unter Belassung eines minimalen Radialspiels vorstehen.

Der Pumpenrotor 11 geht an seinen beiden axialen Enden über Innenschultern 11b in Abschnitte 11c mit vergrößerten Innendurchmessern über. Im Bereich dieser Abschnitte 11c erweitern sich die Ringnuten 2b, 3b der Gehäuseflansche 2, 3 über Schultern 2f, 3f. Der Pumpenrotor 11 ist auf zwei Gleitlagern drehbar gelagert, die jeweils einen ringförmigen Lagerkörper enthalten, der fest auf der erweiterten radial inneren Wand 2b¹¹¹, 3b¹¹¹ der Ringnut 2b bzw. 3b gehalten ist und sich gegen die Schultern 2f, 3f abstützt. Die Gegenlaufflächen am Pumpenrotor 11 sind durch die erweiterten zylindrischen

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Bohrungen der Abschnitte 11c gebildet (Radiallagerung). Die Schultern 11b des Pumpenrotors 11 liegen gleitend an den freien axialen Stirnflächen der Lagerkörper an (Axiallager). Die Lagerkörper der Gleitlager 12, 13 bestehen, abhängig vom Fördermedium des Pumpenaggregates und dessen speziellem Einsatzgebiet aus Kunstkohle, Elektrographit, Metall, Sintermetall oder Keramik. Die radialen und axialen Gegenlaufflächen können aus dem Material des Pumpenrotors 11 bestehen, oder auch durch überzüge von Lagerwerkstoffen gebildet sein, wie sie für die Lagerkörper angegeben wurden. Die Schmierflüssigkeit der Lager 12, 13 bildet das geförderte Medium, wobei aufgrund der später noch erläuterten Pumpenwirkung des ersten und zweiten Fördergewindes eine Zirkulation in Form einer minimalen Kurzschlußströmung über die Lagerspalte eintritt.

Zwischen den Abschnitten 11c mit vergrößerten Innendurchmessern trägt der aus einem Werkstoff hoher Permeabilität, z.B. Stahl bestehende Pumpenrotor 11 in seiner Bohrung eine Permanentmagnetanordnung, welche eine Mehrzahl von langgestreckten, mit ihren Längsachsen parallel zur Achse des Pumpenrotors gerichtete*Magnetpolen 14 enthält, deren Polarität in Umfangsrichtung von Pol zu Pol wechselt.

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Der Pumpenrotor 11 bildet den magnetischen Rückschluß (Joch) und ist insoweit Bestandteil dieser ersten Permanentmagnetanordnung. Die Magnetpole stehen radial nach innen vor und weisen Polflächen 14a auf, die in einer zylindrischen Hüllfläche liegen, deren Durchmesser um ein geringes Spiel größer als der Außendurchmesser der inneren Wandung 5 ist.

Ein Antriebsrotor 15 weist beidseitig vorstehende Wellenstumpfe 15a, 15b auf, die jeweils mittels Kugellager 16a, 16b in den zentralen Bohrungen 2g bzw. 3g der Gehäuseflansche 2, 3 gelagert sind, wobei das eine Kugellager 16b als axiales Festlager wirkt und sich der Wellenstumpf 15a über das andere Kugellager 16a hindurch erstreckt und ein Antriebsmittel trägt, beispielsweise eine Kupplungsscheibe 17a

(oberer Teil der Zeichnung) oder eine Keilriemenscheibe 17b ' (unterer Teil der Zeichnung).

Der Antriebsrotor 15 trägt an seinem Außenumfang eine zweite Permanentmagnetanordnung, welche eine Mehrzahl von langgestreckten, mit ihren Längsachsen parallel zur Ac^hse des Antriebsrotors gerichtete Magnetpole 18 mit gleichem Polwinkel wie bei der ersten Permanentmagnetanordnung enthält, deren Polarität ebenfalls in Umfangsrichtung von

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Pol zu Pol wechselt. Der Antriebsrotor 15 bildet den magnetischen Rückschluß (Joch) und ist insoweit Bestandteil dieser zweiten Permanentmagnetanordnung. Die Magnetpole stehen radial nach außen vor und weisen Polflächen 18a auf, die in einer zylindrischen Hüllfläche liegen, deren Durchmesser um ein geringes Spiel kleiner ist als der Innendurchmesser der inneren Wandung 5.

Der Pumpenrotor 11 und/oder der Antriebsrotor 15 können auch einstückig mit den ihnen zugeordneten Magnetpolen 14 bzw. 18 ausgebildet sein und bestehen dann aus einem Werkstoff hoher Koerzitivkraft (hartmagnetischem Material).

Wird der Antriebsrotor 15 von einem nicht dargestellten Antriebsmotor in Drehung versetzt, wird mittels der durch die innere Wandung 5 hindurchgreifenden umlaufenden Magnetfelder der Pumpenrotor 11 mit gleicher Winkelgeschwindigkeit berührungslos mitgenommen und es wird durch Zusammenwirken des ersten und zweiten Fördergewindes 4d, 11a das flüssige Medium von der Einlaßbohrung 2c zur Auslaßbohrung 3c gefördert.

In der folgenden Beschreibung weiterer Ausführungsformen der Erfindung wird hinsichtlich der Erläuterung gleichgestalteter bzw. gleichwirkender Bauteile jeweils auf die vorhergehenden Erläuterungen verwiesen.

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ff 3"5 O 9 O 2 3

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist der Antriebsrotor 15 über nur ein Kugellager 16b (Radiallager und axiales Festlager) im zweiten Gehäuseflansch 3 gelagert. Unmittelbar an den ersten Gehäuseflansch 2 ist koaxial zur Achse des Antriebsrotors 15 ein Antriebsmotor 19 befestigt, der mit seiner Welle 19a in eine Sacklochbohrung 19c des Wellenstumpfes 15a des Antriebsrotors 15 einsteht und diesen mittels eines Keiles 19b mitnimmt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 ist im Pumpengehäuse 1 kein Lager für den Antriebsrotor 15 vorgesehen. Der Antriebsmotor 19 ist, wie im Falle der Fig. 3, unmittelbar am ersten Gehäuseflansch 2 befestigt und übernimmt vollständig die Lagerung des Antriebsrotors 15, der auf der Welle 19a in Achsrichtung durch eine Schraube gehalten ist, welche eine zentrale Durchgangsbohrung 15d des Antriebsrotors 15 durchdringt. Der Pumpenrotor 11 ist insoweit unsymmetrisch ausgebildet, als nur auf der Zulaufseite, d.h. benachbart zum ersten Gehäuseflansch 2 eine Innenschulter zur Aufnahme des Axialschubes vorgesehen ist.

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"3*5Ö9023

Bei der Ausführungsform nach Fig. 4 ist der Antriebsrotor durch den Rotor 15' eines Außenläufermotors gebildet, der die Magnetpole 18 der zweiten Permanentmagnetanordnung trägt. Der Stator 15" des Außenläufermotors ist mit einer Platte 21 am ersten Gehäuseflansch 2 befestigt.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Antriebsrotor durch den stationären Teil 22 eines gekapselten Außenläufermotors (Spaltrohrmotors) und die innere Wandung des Pumpengehäuses 1 durch das abdichtend in dieses eingesetzte Spaltrohr gebildet. Anstelle des (körperlich umlaufenden) Antriebsrotors mit seiner zweiten Permanentmagnetanordnung und der von dieser erzeugten umlaufenden Magnetfelder tritt daher eine stationäre Anordnung, welche jedoch ebenfalls umlaufende Magnetfelder erzeugt, die in Wechselwirkung mit den Magnetpolen der ersten Permanentmagnetanordnung am Pumpenrotor 11 treten und diesen in Umdrehung versetzen.

Claims (10)

π;. . PAATENTANWÄLTE - I - - ■ 13. Mär* 1985 Dipl.-Ing. A. WEDDE1 Dipl.-Ing. K. EMPL ο tf [Ί Q η ? ^ Dipl.-lng., Dipl.-Wirtsch.-lng. K. FEHNERS O ü U O U Z O Sohnrannstr. 2 · D-8000 München 80 Akte: P 24 742 PATENTANSPRÜCHE

1. Pumpenaggregat, mit einem von einem Pumpengehäuse umschlossenen und daran drehfest gehaltenen ersten Fördergewinde mit radial nach innen weisenden Gewindegängen

und einem vom Pumpengehäuse umschlossenen, motorisch angetriebenen Pumpenrotor, welcher mindestens näherungsweise hohlzylindrisch geformt ist und an seinem Außenumfang ein zweites Fördergewinde trägt, dessen !

Gewindegänge unter Belassung eines minimalen Radial

spiels zu den Gewindegängen des ersten Fördergewindes vorstehen und zu diesen entgegengesetzte Gangrichtung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß das Pumpengehäuse (1) die Gestalt eines Hohlringkörpers aufweist, der sich mit seiner inneren Wandung (5) durch die Bohrung des Pumpenrotors (11) erstreckt, daß der Pumpenrotor (11) im Bereich seiner Bohrung eine Permanentmagnetanordnung mit radial nach innen weisenden Magnetpolen (14) mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, daß die innere

Wandung (5) des Dichtungsgehäuses (1) mindestens im Bereich der Magnetpole (14) als dünnwandige rohrförmige Hülse ausgebildet ist, welche aus einem Werkstoff minimaler magnetischer Permeabilität besteht und mit nur geringem Radialspiel zu den Magnetpolen (14) angeordnet ist und daß innerhalb der rohrförmigen Hülse ein Antriebsrotor (15) koaxial zum Pumpenrotor (11) drehbar gelagert ist, der eine zweite Permanentmagnetanordnung

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mit radial nach außen weisenden Magnetpolen (18) mit in Umfangsrichtung wechselnder Polarität aufweist, deren Polwinkel gleich demjenigen der Magnetpole (14) der ersten Permanentmagnetanordnung ist. 5

2. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (11) aus einem Werkstoff hoher Permeabilität besteht und einen Bestandteil des Magnetkreises der ersten Permanentmagnetanordnung bildet.

3. Pumpenaggregat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (11) mindestens teilweise aus einem hartmagnetischen Werkstoff besteht.

4. Pumpenaggregat nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (11) aus einem einstückigen, magnetisierten Bauteil aus hartmagnetischem Werkstoff besteht, an dem die Magnetpole (14) der ersten Permanentmagnetanordnung angeformt sind.

5. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß der Antriebsrotor durch den Rotor (15¹) eines Außenläufermotors gebildet ist.

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6. Pumpenaggregat nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsrotor (15) ganz oder teilweise von der Welle (19a) ein#jfest mit dem Pumpengehäuse (1) verbundenen Antriebsmotors (1S getragen ist.

7. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsrotor (15) mit zwei Lagern (16a, 16b) im Pumpenge- häuse (1) gelagert ist.

8. Pumpenaggregat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsrotor durch den stationären Teil (22) und die innere Wandung (5) durch das dichtend an das Pumpengehäuse (1) angeschlossene Spaltrohr eines gekapselten Außenläufermotors (Spaltrohrmotors) gebildet ist.

9. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (11), abgesehen von seinem durchgehend ausgebildeten Fördergewinde (11a), symmetrisch bezüglich einer zu seiner Drehachse lotrechten Mittelebene ausgebildet ist.

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10. Pumpenaggregat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumpenrotor (11) an jedem seiner beiden Ende« mit einem Gleitlager (12, 13) im Pumpengehäuse (1) gelagert ist und daß die Spalte beider Gleitlager (12, 13) über einen zwischen der inneren Wandung (5) und dem Pumpenrotor (11) gelegenen Raum miteinander in Verbindung stehen.

Ö/Zi.1