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Technisches
Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein monodirektionales Pumpenrad für elektrische
Kreiselpumpen, die einen Synchronmotor mit Permanentmagneten aufweisen.
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Technischer
Hintergrund
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Es
ist bekannt, dass elektrische Synchronmotoren einen allgemeinen
Aufbau aufweisen, der einen Ständer
umfasst, der mit einem Elektromagneten versehen ist, der aus einem
Blechpaket und aus zugehörigen
Wicklungen aufgebaut ist, und ferner einen Läufer, der zwischen zwei Polschuhen
angeordnet ist, die durch den Ständer
gebildet werden, und axial von einer Welle durchquert wird, die
drehbar mit einer Tragstruktur verbunden ist.
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Diese
Motoren sind bidirektional, d. h. beim Anlaufen kann der Läufer dazu
veranlasst werden, sich gleichfalls im Uhrzeigersinn oder gegen
den Uhrzeigersinn zu drehen.
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Diese
Charakteristik hängt
von einer Vielzahl von Faktoren ab, einschließlich der Anordnung der Polaritäten des
Läufers
in Bezug auf das magnetische Feld, das zwischen den Polschuhen des
Ständerpakets
erzeugt wird, wenn die Induktionswicklungen mit Wechselstrom versorgt
werden.
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Aus
diesem Grund werden Synchronmotoren mit Permanentmagneten verbreitet
dort verwendet, wo die Drehrichtung nicht wichtig ist; demgemäß werden
sie beispielsweise in Kreiselpumpen an Pumpenräder mit radiale Radschaufeln
gekoppelt, die in beiden Drehrichtungen die gleiche Leistung sicherstellen.
Wie es im US-Patent Nr. 4,008,985 angedeutet ist, bei dem eine Pumpvorrichtung
ein Pumplaufrad 5 aufweist, das elastische Schaufeln 7 umfasst, so
dass die Pumpvorrichtung in beiden Richtungen betrieben werden kann:
im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn, angetrieben von einem
Einphasensynchronmotor. Um die Wirksamkeit von elektrischen Pumpen
mit Synchronmotor zu erhöhen,
ohne auf die Verwendung von bestimmten elektronischen Startvorrichtungen
zurückzugreifen,
ist es zweckmäßig, Radschaufeln
zu verwenden, die mit einem bestimmten Krümmungsprofil ausgerichtet sind,
welches eindeutig eine einzige Drehrichtung des Motors voraussetzt.
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Demgemäß sind elektronische
Startvorrichtungen ersonnen worden, die den Motor derart führen, dass
er in einer einzigen Drehrichtung anläuft; als eine Alternative dazu
sind mechanische Vorrichtungen ersonnen worden, die den Läufer blockieren, wenn
er dazu neigt, in der falschen Drehrichtung anzulaufen (hier sollte
beispielsweise Bezug genommen werden auf PD98A000003 vom 8. Jan.
1998 im Namen des gleichen Anmelders).
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Auf
diese Art und Weise wird bei jedem Betriebszustand ein monodirektionales
Verhalten sichergestellt, der von der elektrischen Pumpe eingenommen
wird.
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Das
System kann während
des Anlaufens jedoch Lärm
erzeugen und ist eine Beschränkung,
was die Beständigkeit
betrifft (für
Hochleistungspumpen), da eine mechanische Vorrichtung vorhanden
ist, die wiederholten Belastungen ausgesetzt wird, speziell während des
Anlaufens.
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Eine
Alternative ist im US-Patent Nr. 5,711,657 angegeben, in dem eine
Kreiselpumpe mit einem Laufrad offenbart wird. Das Laufrad weist
Radschaufeln auf, die von einer Nabe nach außen hin spiralförmig zurückgebogen
sind. Die Radschaufeln sind auf solche Art und Weise flexibel konstruiert, dass
sie sich um wenigstens 2% aufrichten, wenn der Motor anläuft.
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Diese
Lösung
weist einige Nachteile auf, die flexible Konstruktion des Laufrads
führt zu
einer ungünstig
starken Verformung während
der Vorwärtsbewegung
des Motors, so dass die Schaufeln durch Abstandhalter stabilisiert
werden müssen.
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Eine
besonders wichtige Alternative für
eine monodirektionale synchrone elektrische Pumpe ohne mechanische
Vorrichtungen zum Stoppen des Läufers
und ohne elektrische Vorrichtungen (die zwar zuverlässig aber
teuer sind) ist so aufgebaut, wie es in der Patentanmeldung PD98A000058
vom 19. März 1998
im Namen des gleichen Anmelders.
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Diese
Patentanmeldung offenbart eine Vorrichtung, die in der Lage ist,
mit beschränkten
Leistungspegeln Lasten zu starten, die ein hohes Trägheitsmoment
aufweisen, wie etwa Pumpenräder
mit ausgerichteten Radschaufeln einer Kreiselpumpe.
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Insbesondere
ist das eine Vorrichtung mit einem größeren Winkel der freien Drehung
zwischen dem Läufer
und dem Pumpenrad, um so in Bezug auf herkömmliche mechanische Kupplungen
verschiedene Vorteile zu erreichen:
- – Verminderung
des Anlaufdrehmoments zum Anlaufen des Motors;
- – eine
folgende Verminderung der Vibrationspegel, die während des Synchronbetriebs
erzeugt werden;
- – der
Motor wird mittels des korrekten Designs der Radschaufeln des Pumpenrads
monodirektional gemacht, so dass die von der Last aufgenommene Leistung
in einer Drehrichtung größer ist
als die verfügbare
Leistung des Motors und in der entgegengesetzten Drehrichtung kleiner
ist.
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Durch
das Entwerfen des Motors und der Radschaufeln des Pumpenrads derart,
dass die die von der Last aufgenommene Leistung in einer Drehrichtung
größer ist
als die verfügbare
Leistung des Motors und in der entgegengesetzten Drehrichtung kleiner
ist, geht das Pumpenrad deshalb im ersten Fall in Bezug auf den
Motor außer
Schritt, wird angehalten und dreht automatisch seine Bewegung um,
wohingegen es im zweiten Fall normal angetrieben wird.
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Es
ist auf diese Weise möglich,
durch Ausnutzung der Differenz der Leistung zwischen dem, was der
Motor in der Lage ist, zu liefern, und der von der Last in den zwei
Drehrichtungen aufgenommenen Leistung die Pumpe monodirektional
zu machen (Der Läufer
stoppt, weil die vom Pumpenrad erforderte Leistung in der falschen
Drehrichtung größer ist
als die Leistung, die der Motor liefern kann.
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Obwohl
dieses System einen fundamentalen Vorteil in Hinblick auf den Stand
der Technik bietet, weist es immer noch Beschränkungen auf, weil Monodirektionalität lediglich
innerhalb eines Durchflussraten-/Förderhöhenbereichs sichergestellt
ist; demgemäß wird es
bei Anwendungen verwendet, bei denen der hydraulische Betriebspunkt über bestimmte Schranken
variiert oder, mit anderen Worten, wo die Kennlinie der Leitung
keine signifikanten Veränderungen
eingeht (dies ist beispielsweise der Fall bei Spülpumpen für Geschirrspülmaschinen.
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Bei
der beigefügten
Zeichnung gibt 1 für beide Drehrichtungen die
von der Last aufgenommene Leistung als eine Funktion der erforderlichen Durchflussrate
an.
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Die
Linie A gibt die korrekte Drehrichtung an, die Linie B gibt die
falsche Drehrichtung an und die gerade Linie C gibt die maximale
Leistung an, die vom Motor geliefert werden kann.
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Das
Diagramm zeigt drei Durchflussraten Q1, Q2 und Q3, welche den drei
Betriebspunkten entsprechen, und es ist klar, dass lediglich Q1
und Q2 die Durchflussraten sind, für welche eine einzige Drehrichtung
sichergestellt wird, da die maximale Leistung, die der Motor in
der Lage ist, zu liefern (gerade Linie C), größer ist als die vom Pumpenrad
erforderte Leistung, wenn es sich in der richtigen Drehrichtung
dreht (Linie A) und kleiner ist als die Leistung, die vom Pumpenrad
erfordert wird, wenn es sich in der entgegengesetzten Richtung dreht
(Linie B).
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Für die Durchflussrate
Q3 besteht anstelle dessen ein Zustand, bei dem beide Leistungspegel
in beiden Drehrichtungen geringer sind als die maximal lieferbare
Leistung und deshalb ist kein monodirektionales Verhalten möglich.
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Offenbarung
der Erfindung
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die oben erwähnten Nachteile
der oben erwähnten
Vorrichtung zu beseitigen, auf die sich die Patentanmeldung PD98A000058
bezieht.
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Innerhalb
dieses Ziels ist es eine primäre Aufgabe,
eine Pumpe bereitzustellen, die über
den gesamten verfügbaren
Durchflussratenbereich monodirektional ist.
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Eine
andere Aufgabe ist es, alles Obige in einer konstruktiv einfachen
Art und Weise bereitzustellen.
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Eine
andere Aufgabe ist es, keine Auswirkung auf den Lärmpegel
zu haben.
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Eine
andere Aufgabe ist es, ein Flügelrad mit,
wenn notwendig, verformbaren Radschaufeln bereitzustellen, die zwischen
einer doppelten Flüssigkeitsbeförderungswand
eingeschlossen sind (geschlossenes Pumpenrad).
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Dieses
Ziel und diese und andere Aufgaben, die im Folgenden besser ersichtlich
werden, werden durch ein Pumpenrad für Kreiselpumpen erzielt bzw. gelöst, das
einen Synchronmotor mit Permanentmagneten aufweist und in Patentanspruch
1 definiert ist.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnung
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Weiter
Kennzeichen und Vorteile der Erfindung werden aus der detaillierten
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
davon ersichtlich werden, die lediglich als nicht einschränkendes
Beispiel in der beigefügten
Zeichnung veranschaulicht werden, wobei:
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1 ein
Diagramm ist, das für
herkömmliche
Kreiselpumpen die Durchflussrate als eine Funktion der Leistung
angibt, die in den zwei Drehrichtungen erforderlich ist;
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2 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads ist, das innerhalb
eines Diffusors einer Kreiselpumpe angeordnet ist;
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3 eine
Explosionsansicht der Komponenten von 2 ist;
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4 eine
Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads in einem zweiten
Ausführungsbeispiel
ist;
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5 eine
Draufsicht des Laufrads von 4 ist;
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6 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Laufrads in einem dritten
Ausführungsbeispiel
ist, das innerhalb eines Diffusors einer Kreiselpumpe angeordnet
ist;
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7 ein
Diagramm ist, das für
Kreiselpumpen mit erfindungsgemäßen Pumprädern die
Durchflussrate als eine Funktion der Leistung angibt, die in den
zwei Drehrichtungen erforderlich ist.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Unter
Bezugnahme auf die 2 und 3 umfasst
das erfindungsgemäße Laufrad
bei einem ersten Ausführungsbeispiel
eine Scheibe 10 mit einem zentralen hohlen, becherförmigen Körper 11, der
eine Komponente einer Antriebsvorrichtung 12 ist, die im
Folgenden detaillierter beschrieben werden.
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Eine
Vielzahl von Schaufeln 13 ragt von einem Ring 16 hervor,
der auf der Außenseite
des becherförmigen
Körpers 11 in
einer entsprechenden Aufnahme 10a der Scheibe 10 angeordnet
ist.
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Die
Schaufeln 13 sind monolithisch in Bezug auf den Ring 16,
der nur deren Teil beeinflusst, der dem Zentrum am nächsten liegt.
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Der
Randteil kann daher Biegebewegungen ausführen, die sich aus den elastischen
Eigenschaften des Materials ergeben, aus denen sie angefertigt sind.
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Die
Schaufeln 13 können
zudem auf vielfache Art und Weise starr mit dem Ring 16 verbunden sein
(axiale und Drehretention): durch Verzahnung und/oder Presspassung,
Ultraschallschweißen,
Klebstoffverbindung.
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Die
Ranteile 14 der Schaufeln 13 sind deshalb wie
erwähnt
flexibel verformbar und die Verformung ist für die falsche Drehrichtung
größer und
wird wahlweise durch den Lauf beschränkende Zinken 15 eingeschränkt, die
abwechselnd mit den Schaufeln 13 von der Scheibe 10 hervorspringen.
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Um
die Schaufeln 13 in Bezug auf die Zinken 15 zu
zentrieren, weist der Ring 16 axiale Zinken 17 auf,
die in geeignet vorgesehene Löcher 18 der Scheibe 10 eingesetzt
sind.
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Was
die Antriebsvorrichtung 12 betrifft, so umfasst sie den
hohlen Körper 11 und
eine Abdeckung 19, die auch starr mit dem Ring 16 mit
den Schaufeln 13 verbunden sein kann.
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Der
hohle Körper 11 ist
mit einem axialen Loch 20 für die Welle 21 des
in den Figuren nicht gezeigten Läufers
des Motors versehen.
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Eine
O-Ringdichtung wirkt an der Welle 21 und ist in einer entsprechenden
Aufnahme des hohlen Körpers 11 untergebracht.
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Die
hermetische Abdichtung der Vorrichtung 12 wird nicht nur
durch die Dichtung 2 sichergestellt, sondern auch durch
den Verschluss mit dem Deckel 19, der am hohlen Körper 11 durch
Ultraschallschweißen,
Klebstoffbindung oder ein anderes bekanntes Verfahren angebracht
ist.
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Es
ist möglich,
alternative Ausführungsbeispiele
bereitzustellen, die nicht hermetisch sind oder bei denen der Deckel 19 monolithisch
mit dem Ring 16 ist.
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Im
Ring springt ein Zinken 24 von der inneren Wand hervor
und ist deshalb starr mit der Laufradanordnung verbunden; der Zinken 24 wirkt
mit einem Zinken 25 zusammen, der von einem Ring 26 hervorspringt,
der sich um einen Schaft 27 drehen kann, der durch Presspassung
auf der Welle 21 befestigt ist und starr damit verbunden
ist.
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Ein
Zinke 28 springt radial vom Schaft 27 hervor und
wirkt bei seiner Drehung mit dem Zinken 25 des Rings 26 zusammen,
dessen axiale Ausdehnung derart beschaffen ist, dass der Lauf der
Rotation der beiden Zinken 24 und 25 beeinflusst
wird.
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Die
Zinken sind axial so angeordnet, dass sie sich nicht gegenseitig
stören.
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Demgemäß startet
die Drehung der Welle 21 die Rotation des Zinken 28,
stellt das Zusammenwirkung dieses Zinkens mit dem Zinken 25 her,
dreht ihn, bis er mit dem Zinken 24 in Kontakt kommt und veranlasst
schließlich,
dass der Läufer
das Laufrad dreht.
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Innerhalb
des hohlen Körpers 11 kann zweckmäßigerweise
Schmiermittel mit einer Stöße dämpfenden
Wirkung untergebracht sein.
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Die 2 und 3 zeigen
zudem den Diffusor 29, in dem das Laufrad angeordnet ist.
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Bei
einem zweiten Ausführungsbeispiel,
hier wird nun auf die 4 und 5 Bezug
genommen, das in Bezug auf das vorhergehende vereinfacht ist, umfasst
ein erfindungsgemäßes Laufrad
eine Scheibe 110, von der ein Schaft 111 mit einem
Loch 112 für die
Welle des (der Vereinfachung wegen nicht gezeigten) Läufers zentral
auf der einen Seite hervorspringt und von der eine Vielzahl von
Schaufeln 113 mit einem gekrümmten Profil von der anderen
Seite hervorspringt.
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Das
Laufrad ist im Ganzen monolithisch ausgebildet.
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Erfindungsgemäß sind die
Schaufeln 113 entlang wenigstens eines Teils ihrer Ausdehnung
flexibel verformbar sind, so dass sich ihre Krümmung, wenn sie belastet werden,
in einer der beiden Drehrichtungen ändert, so dass die zur Drehung
in dieser Richtung erforderliche Leistung größer ist als die maximale Leistung,
die vom Motor geliefert werden kann.
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Die
Verformbarkeit der Schaufeln ergibt sich aus der Flexibilität ihrer
Randbereiche 114, die durch den Formgebungsschritt mittels
geeigneter Ausformung der Spritzgussform separat von der Scheibe 110 vorgesehen
sind.
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Durch
Bereitstellen des Laufrads als einem einzelnen aus Kunststoff gefertigten
Teil mit den vom Rest abgeteilten Randbereichen verbiegen sich die Bereiche,
wenn sie belastet werden, in der falschen Drehrichtung und ändern ihre
Krümmung
derart, dass sie in der Praxis die Drehung blockieren.
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Zweckdienlicherweise
springen im Randbereich Zinken 115 von der Scheibe 110 hervor,
wechseln sich mit den Schaufeln 113 ab und wirken zweckmäßigerweise
als Stoppelemente, die eine übermäßige Krümmung der
Schaufeln 113 in der falschen Drehrichtung verhindern,
so dass übermäßige Belastungen
darauf verhindert werden.
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Die
Flexibilität
des Materials würde
natürlich ebenso
ein Verbiegen in der richtigen Drehrichtung erlauben, aber die Krümmung der
Schaufeln 113, die mit den Flüssigkeitsströmen übereinstimmen,
die sich während
der Drehung des Laufrads bilden, verursacht, dass eine Verformung
in der richtigen Drehrichtung in der Praxis sehr eingeschränkt ist.
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Bei
einem dritten Ausführungsbeispiel,
hier wird auf 6 Bezug genommen, umfasst das
erfindungsgemäße Laufrad
eine Scheibe 210 mit einem becherförmigen zentralen hohlen Körper 211,
der eine Komponente einer Antriebsvorrichtung 212 ist, die
der des ersten Ausführungsbeispiels ähnlich ist.
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Eine
Vielzahl von Schaufeln 213 ragt von einem Ring 216 hervor,
der auf der Außenseite
des becherförmigen
Körpers 211 in
einer entsprechenden Aufnahme 210a der Scheibe 210 angeordnet
ist.
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Die
Schaufeln 213 sind monolithisch in Bezug auf den Ring 216,
der nur deren Teil beeinflusst, der dem Zentrum am nächsten liegt.
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Der
Randteil kann daher Biegebewegungen ausführen, die sich aus den elastischen
Eigenschaften des Materials ergeben, aus denen sie angefertigt sind.
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Die
Schaufeln 213 können
zudem auf vielfache Art und Weise starr mit dem Ring 216 verbunden sein
(axiale und Drehretention): durch Verzahnung und/oder Presspassung,
Ultraschallschweißen,
Klebstoffverbindung.
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Die
Ranteile 214 der Schaufeln 213 sind deshalb wie
erwähnt
flexibel verformbar und die Verformung ist für die falsche Drehrichtung
größer und
wird durch Zinken 215 eingeschränkt, die abwechselnd mit den
Schaufeln 213 von der Scheibe 210 hervorspringen.
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Um
die Schaufeln 213 in Bezug auf die Zinken 215 zu
zentrieren, weist der Ring 216 axiale Zinken 217 auf,
die in geeignet vorgesehene Löcher 218 der
Scheibe 210 eingesetzt sind.
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Auch
in diesem Fall ist die Abdeckung 219 vom Ring 216 separiert,
aber es ist möglich,
alternative Ausführungsbeispiele
bereitzustellen, bei denen die Abdeckung 219 monolithisch
mit dem Ring 216 ist.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
weist der Deckel 219 des hohlen Körpers 211 an seinem
Ende eine Aufnahme 230 für eine erste Passscheibe 231 auf,
die aus einem Keramikmaterial, einem gesinterten Material oder einem ähnlich harten
Material angefertigt ist.
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Eine
zweite Passscheibe 232, die aus einem Keramikmaterial,
einem gesinterten Material oder einem ähnlich harten Material angefertigt
ist, ist in einer Aufnahme 233 untergebracht, die am Ende
einer zylindrischen Halterung 234 vorgesehen ist, die von
einer Buchse 235 getragen wird, die mittels radialer Speichen 236 starr
mit einem Ring 237 verbunden ist, der in einer entsprechenden
Aufnahme 238 des Diffusors 229 eingesetzt ist.
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Als
eine Alternative kann die Halterung 234 monolithisch mit
der Buchse 235 sein.
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Der
Ring 232 wirkt als ein axiales Längslager, um in Zusammenwirken
mit dem Ring 231 die Position, die das Laufrad im Diffusor 229 einnimmt, einzustellen
und die hydraulische Wirksamkeit zu maximieren.
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Nun
wird auf 7 Bezug genommen, wobei die
Figur ein Diagramm ist, das die Durchflussrate als eine Funktion
der Leistung angibt und wobei:
- – die Linie
D die Kurve betreffend ein Laufrad mit den flexiblen Schaufeln gemäß der vorliegenden Erfindung
ist, bei falscher Drehrichtung;
- – die
Linie C die maximale Leistung darstellt, die der Motor liefern kann;
- – die
Linie A die Kurve betreffend ein Laufrad mit flexiblen Schaufeln
angibt, bei korrekter Drehrichtung.
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Die
Linie D zeigt deutlich, dass die flexible Schaufel in der falschen
Drehrichtung für
jede Durchflussrate mehr Leistung benötigt als der Motor erzeugen
kann (gerade Linie C).
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Demgemäß kann der
Motor nicht in der falschen Richtung anlaufen.
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In
der Praxis ist beobachtet worden, dass das angestrebte Ziel und
die Aufgabe der Vorliegenden Erfindung erzielt bzw. gelöst worden
sind.
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Mit
dem Pumpenrad mit flexiblen Radschaufeln wird in der Tat für alle Durchflussraten/Förderhöhen Monodirektionalität sichergestellt.
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Das
wird auf eine konstruktiv einfache Art und Weise erreicht und hat
keine Auswirkung auf den Lärmpegel.
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Auf
diese Weise kann beispielsweise die Veränderung der Krümmung der
Schaufeln mittels eines Scharniers vorgesehen sein, auch vom Filmtyp, der
jeden Randteil mit dem Mittelteil verbindet.
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In
der Praxis können
die eingesetzten Materialien jegliche gemäß den Anforderungen sein, solange
sie mit der eventuellen Verwendung kompatibel sind.