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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf eine Fluid-Transfer-Maschine
und spezieller auf eine Fluid-Transfer-Maschine,
die als Pumpe oder Motor verwendet werden kann.
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Fluid-Transfer-Maschinen
können
unterschiedliche Arten von Pumpmechanismen haben, um Fluid durch
die Maschine zu bewegen. Ein Typ eines Pumpmechanismus, der für eine Vielzahl
von Fluid-Transfer-Maschinen nützlich
ist, ist eine sich drehende Druckpumpe. Herkömmliche sich drehende Druckpumpen
enthalten einzelne Rotoren (Flügel, Kolben,
progressiver Hohlraum, Schraube oder peristaltisch) oder mehrfache
Rotoren (internes/externes Getriebe, Lappen, Ringkolben oder Schraube).
Alle Mechanismen haben Vorteile und Nachteile, abhängig von
dem zu pumpenden Fluid und von der speziellen Anwendung.
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Während der
Bewegung des Pumpmechanismus kann Reibung einen Verschleiß und eine
Erwärmung
der sich bewegenden Teile bewirken, was die Maschine mit der Zeit
abnutzt und zu Ausfall und/oder teuren und zeitaufwendigen Reparaturen führt.
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Zum
Schmieren der sich bewegenden Teile des Pumpmechanismus wird typischerweise
ein Fluid verwendet. Es ist insbesondere vorteilhaft, einen Teil
des durch die Maschine zu transferierenden Fluides als Kühl- und
Schmierfluid zu verwenden. Es ist wohl bekannt, zusätzliche
Strömungswege
durch das Gehäuse
der Maschine vorzusehen und einen Teil des Fluides von dem Hauptstrom
abzugreifen oder anzuzapfen zur Verwendung zum Schmieren und Kühlen. Es
ist auch bekannt, absichtlich Leckwege zwischen den sich bewegenden
Komponenten vorzusehen und dann das Fluid für eine Rückkehr in den primären Strömungsweg
zu sammeln. Beispiele solcher Maschinen sind dem Patent US-A-6,048,185
für Ishizuka;
Patent US-A-3,994,634
für Riddle;
und Patent US-A-2,940,399 für
Zieg gezeigt.
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Es
ist auch bekannt, in rotierenden Wellen Nuten vorzusehen, um die
Bewegung des Kühl-
und Schmierfluides zwischen den Komponenten in der Fluid-Transfer-Maschine
zu unterstützen,
wie es beispielsweise in dem Patent US-A-3,368,799 für Sluijters
beschrieben ist.
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Obwohl
die gezeigten und oben beschriebenen Maschinen bei manchen Anwendungsfällen nützlich sind,
kann das Ausbilden (z.B. Bohren) der Flußpassagen in der Maschine zum
Leiten des Kühl- und
Schmierfluides zu den verschiedenen Komponenten arbeitsaufwendig
und schwierig sein. Eine Anzahl von abgewinkelten Passagen ist typischerweise
gefordert, was mehrfache Bohrschritte verlangt. Dies ist insbesondere
in dem Patent US-A-4,548,557 für
Janczak gezeigt, wo komplexe Passagen, die mehrfache Bohrschritte
erfordern, verwendet werden, um eine Verbindung des primären Fluidflußweges direkt
mit der Antriebswelle zu vermeiden. Janczak erwähnt, daß ein Fluid unter hohem Druck
rings um die Antriebswelle die Dichtungen längs der Welle beschädigen oder
schwächen
kann.
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Das
Vorsehen solcher komplexen Passagen vergrößert auch die Größe der Maschine
und den notwendigen Raum zum Anordnen der Maschine in dem Fluid-Transfer-System.
Mit der Forderung für kleinere
und leichtere Pumpen und Motoren und für kleinere Fluid-Transfer-Systeme
wurde es zunehmend schwieriger, solche Maschinen in kosteneffektiver
und kompakter Weise herzustellen, insbesondere für Hochleistungsanwendungen,
die hohe Durchflußraten
erfordern.
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Eine
spezielle Lösung
ist in dem Patent US-A-4,038,000 für Dworak gezeigt, wo der primäre Flußweg durch
die Maschine vom Einlaß durch
den Getriebemechanismus (Wellenstumpf und Lager) zum Auslaß gerichtet
ist. Dort sind keine zusätzlichen Schmier-
und Kühlwege
für die
Lager und Wellenstümpfe
vorgesehen über
das hinaus, was zum Leiten des primären Flußes durch die Maschine verwendet
wird. Die Dworak-Maschine hat den Vorteil, daß die Maschine kleiner und
einfacher zu konstruieren ist und hält den Pumpmechanismus einwandfrei
geschmiert und gekühlt.
Gleichwohl beschäftigt
sich die Dworak-Maschine nicht mit Reibung und Verschleiß der Antriebswelle,
da der primäre
Flußweg
bei Dworak auf lediglich einen Wellenstumpf und zugeordnete Lager
beschränkt
ist. Die Antriebswelle dreht sich ebenfalls und insbesondere bei
Hochleistungsanwendungen hat sie Reibung und Verschleiß.
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Die
deutsche Druckschrift
DE
563101 C zeigt einen Flußweg vom Einlaßanschluß zum Auslaßanschluß längs eines
Teiles der Antriebswelle. Diese Druckschrift zeigt allerdings nicht
und beschreibt auch nicht irgendwelche Lager, die die Antriebswelle halten
und folglich beschäftigt
sie sich nicht mit Hitze und Reibung, die durch Drehung der Welle
und der Lager verursacht werden.
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Daher
wird angenommen, daß weiterhin
eine Forderung für
eine verbesserte Fluid-Transfer-Maschine besteht, insbesondere eine
Maschine, die als Pumpe oder Motor verwendet werden kann, bei der die
Antriebswelle einwandfrei geschmiert und gekühlt ist und die ein kompaktes
Design hat, das leicht hergestellt werden kann.
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Nach
einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist folglich eine Fluid-Transfer-Maschine
vorgesehen, die ein Gehäuse
aufweist, das einen ersten Fluidanschluß und einen zweiten Fluidanschluß aufweist
und einen Pumpmechanismus enthält,
wobei ein primärer
Flußweg
von dem ersten Anschluß durch
den Pumpmechanismus zu dem zweiten Anschluß definiert ist, eine Antriebswelle
in dem Pumpmechanismus eingreift und sich nach außen außerhalb
des Gehäuses
erstreckt, wobei die Antriebswelle drehbar ist, um den Pumpmechanismus
zu betreiben und Fluid von dem ersten Anschluß zu dem zweiten Anschluß durch
den primären
Flußweg
zu transferieren, wobei die Antriebswelle in dem primären Flußweg durch
das Gehäuse
hindurch angeordnet ist und wobei ein Hohlraum einen Abschnitt der
Antriebswelle umgibt und der primäre Flußweg durch den Hohlraum hindurch
definiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Paar von Lagern die Antriebswelle hält und die
Lager längs
der Antriebswelle im Abstand zueinander liegen, wobei der Hohlraum
zwischen den Lagern angeordnet ist.
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Nach
einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren
für den
Transfer von Fluid durch eine Maschine vorgesehen, bei dem die Maschine
ein Gehäuse
mit einem Einlaßanschluß und einem
Auslaßanschluß aufweist
und einen Pumpmechanismus enthält,
wobei ein primärer
Flußweg
von dem Einlaßanschluß durch
den Pumpmechanismus zu dem Auslaßanschluß vorgesehen ist, eine Antriebswelle
in den Pumpmechanismus eingreift und sich nach außen aus
dem Gehäuse
erstreckt, wobei die Antriebswelle drehbar ist, um den Pumpmechanismus
zu betreiben und Fluid von dem Einlaßanschluß zu dem Auslaßanschluß durch
einen primären
Flußweg
hindurch zu transferieren und das Gehäuse einen Hohlraum in dem primären Flußweg enthält, der
die Antriebswelle umschließt,
und flüssigkeitsmäßig mit
dem Einlaßanschluß und dem
Pumpmechanismus verbunden ist und dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Paar
von Lagern die Antriebswelle hält
und die Lager längs
der Antriebswelle zueinander beabstandet sind, wobei der Hohlraum
zwischen den Lagern angeordnet ist, wobei das Verfahren die folgenden
Schritte enthält:
Leiten des Fluides von dem Einlaßanschluß in den Hohlraum rings um die
Antriebswelle, um die Antriebswelle und die Lager zu kühlen und
zu schmieren, Richten des Fluides von der Antriebswelle auf den
Pumpmechanismus und dann Leiten des Fluides von dem Pumpmechanismus
zu dem Auslaßanschluß.
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Eine
neue und einzigartige Fluid-Transfer-Maschine, insbesondere nützlich als
Pumpe oder Motor ist vorgeschlagen, bei der die Antriebswelle (sowie
auch der Pumpmechanismus) einwandfrei geschmiert und gekühlt werden
und die ein kompaktes Design hat, das einfach herzustellen ist.
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Nach
der vorliegenden Erfindung hat die Fluid-Transfer-Maschine einen Pumpmechanismus,
der eine Druckpumpe ist, d.h. eine Pumpe vom drehbaren Typ (mit
einem oder mehreren Rotor/en), der für die jeweilige Anwendung geeignet
ist. Eine externe Zahnradpumpe wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
der Erfindung verwendet. Die Maschine kann als Motor oder als Pumpe
betrieben werden, wie es wohl bekannt ist, typischerweise durch
Umkehren der Drehung des Pumpmechanismus.
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Der
Pumpmechanismus enthält
eine typische Anordnung von Komponenten, wie z.B. Lager und Wellenstümpfe, die
vorzugsweise in herkömmlicher
Weise geschmiert werden, wie z.B. indem man einen kleinen Leckweg
zwischen den sich bewegenden Komponenten zuläßt.
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Der
Pumpmechanismus wird durch eine Antriebswelle angetrieben, die aus
dem Gehäuse
herausragt und durch eine externe Einrichtung betrieben wird (oder
auf eine solche einwirkt). Zum Schmieren und Kühlen der Antriebswelle und
insbesondere des Teiles der Antriebswelle im Inneren des Gehäuses ist die
Antriebswelle im primären
Flußweg
durch die Fluid-Transfer-Maschine angeordnet. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
ist die Antriebswelle im Einlaßflußweg des
primären
Flußes
angeordnet. Der primäre
Fluß ist
vom Einlaßanschluß zu einem
Hohlraum gerichtet, der die Antriebswelle umgibt an einem Ort zwischen
einem Paar von Kugellagern oder Gleitlagern. Der Fluß läuft dann
weiter zur Saugseite des Pumpmechanismus. Alternativ kann die Antriebswelle
im Auslaßflußweg des
primären
Flußweges
angeordnet sein, zwischen der Druckseite des Pumpmechanismus und
dem Ausgangsanschluß.
In beiden Fällen
kühlt und
schmiert der primäre
Fluß die Antriebswelle
(und die Antriebswellenlager) und reduziert die Größe der Fluid-Transfer-Maschine,
da zusätzliche
Kühlungs-
und Schmierflußwege
nicht notwendig sind. Dies verringert die Komplexität der Herstellung
der Maschine.
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Die
vorliegende Erfindung beschäftigt
sich mit vielen Gegebenheiten früherer
Maschinen und schafft eine Fluid-Transfer-Maschine,
die insbesondere als Pumpe oder Motor nützlich ist, bei der die Antriebswelle
(sowie auch der Pumpmechanismus) geschmiert und gekühlt werden
und die ein kompaktes Design hat, das einfach herzustellen ist.
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Die
Erfindung wird anhand eines Beispieles im Zusammenhang mit der angehängten Zeichnung erläutert:
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1 zeigt
eine vergrößerte perspektivische Ansicht
einer sich drehenden Fluid-Transfer-Maschine des Druckpumpentyps,
die nach den Prinzipien der vorliegenden Erfindung konstruiert ist;
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2 ist
eine Seitenansicht der Maschine der 1;
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3 ist
eine geschnittene Endansicht der Maschine längs der durch die Linien 3-3
der 2 beschriebenen Ebene;
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4 ist
eine geschnittene Seitenansicht der Maschine längs der durch die Linien 4-4
der 3 beschriebenen Ebene;
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5 ist
eine geschnittene Seitenansicht der Maschine längs der durch die Linien 5-5
der 3 beschriebenen Ebene;
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6 ist
eine geschnittene Seitenansicht der Maschine längs der durch die Linien 6-6
der 3 beschriebenen Ebene;
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7 ist
eine geschnittene Seitenansicht der Maschine längs der durch die Linien 7-7
der 3 beschriebenen Ebene; und
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8 ist
eine geschnittene Seitenansicht der Maschine längs der durch die Linien 8-8
der 3 beschriebenen Ebene.
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Bezugnehmend
auf die Zeichnungen und anfänglich
auf die 1 und 2, ist eine
sich drehende Fluid-Transfer-Maschine
vom Druckpumpentyp generell mit 20 bezeichnet. Die Maschine
hat ein Gehäuse
oder einen Körper 21,
mit einem ersten Einlaßanschluß 22 und
einem zweiten Auslaßanschluß 23.
Eine Antriebswelle 26 ragt aus dem Gehäuse heraus und kann gedreht
werden, um einen Pumpmechanismus im Inneren des Gehäuses zu
betreiben.
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Obwohl
eine bevorzugte Ausführungsform der
Maschine hier beschrieben wird, sei darauf hingewiesen, daß die Maschine
jegliche Art von sich drehender Druckpumpe sein kann, beispielsweise mit
einem einzigen Rotor (z.B. Flügelrad,
Kolben, fortschreitender Hohlraum, Schraube oder peristaltisch);
oder Mehrfach-Rotor-Pumpe (z.B. internes/externes Getriebe, Lappen,
Umfangskolben oder Schraube). Es sollte auch wohl bekannt sein,
daß die Maschine
als Pumpe oder Motor betrieben werden kann, in Abhängigkeit
von der Drehung der Antriebswelle 26 und den Verbindungen
zu den Anschlüssen 22 und 23.
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Wie
aus den 3–8 zu erkennen
ist, besteht das Gehäuse 21 aus
drei zylindrischen Abschnitten 30, 31 und 32,
die in herkömmlicher
Weise mit den Enden zueinander angeordnet und miteinander verschraubt
sind, wie z.B. durch langgestreckte Bolzen 35. Der Einlaßanschluß 22 ist
in dem Endabschnitt 32 vorgesehen, während der Auslaßanschluß 23 in
dem Endabschnitt 30 vorgesehen ist. Es sei darauf hingewiesen,
daß die
Einlaß-
und Auslaßanschlüsse 22, 23 alternativ
in nur einem der Abschnitte und/oder dem Mittelabschnitt 31 gebildet sein
können
oder daß sie
an einem oder beiden axialen Enden des Gehäuses gelegen sein können. In jedem
Fall sind geeignete Dichtungen 36 zwischen den Abschnitten
angeordnet, um ein Fluidleck zu verhindern.
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Der
Mittelabschnitt 31 enthält
eine zentrale Kammer 37, die einen Pumpmechanismus aufnimmt, der
generell mit 40 bezeichnet ist. Die Kammer 37 ist an
beiden Enden durch gegenüberliegende
Endflächen
der Abschnitte 30 und 32 verschlossen. Der Pumpmechanismus
enthält
vorzugsweise einen externen Zahnradmechanismus mit drei Zahnrädern 42, 43, 44,
die auf Wellenstümpfen 46, 47 abgestützt sind
und eine Antriebswelle 26 (vgl. z.B. 7).
Die Wellenstümpfe 46, 47 sind
in Sacklochbohrungen 48a bzw. 48b eng aufgenommen,
vorzugsweise mit einer Preßpassung
und erstrecken sich von einem Ende des Gehäuses nach innen derart, daß sich die Wellen 46, 47 relativ
zum Gehäuse
nicht drehen können.
Die Zahnräder 42, 43 sind
drehbar auf den Wellenstümpfen 46, 47 gehalten,
während
die Antriebswelle 26 in einer Nut- und -federverbindung
aufgenommen ist oder durch andere geeignete Mittel mit einem zentralen
Zahnrad 44 verbunden ist. Das Zahnrad 44 liegt
zwischen den Zahnrädern 42 und 43,
so daß Zahnradpaare 42, 44 bei
einer Drehung miteinander kämmen
und Zahnradpaare 43, 44 ebenfalls Zähne haben,
die bei Drehung miteinander kämmen.
Wenn sich die Antriebswelle 26 dreht, dreht das Zahnrad 44 die
beiden äußeren Zahnräder 42 und 43 gleichzeitig,
die ihrerseits expandierende und kontrahierende Taschen für einen
Fluid-Transfer bilden.
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Der
Einlaßanschluß 22 ist
mit der Saugseite des Pumpmechanismus in Strömungsverbindung, d.h. an einer
Stelle, wo die Taschen zwischen den Zahnradzähnen expandieren. Der Auslaßanschluß 23 ist
im Gegensatz hierzu in Strömungsverbindung mit
der Druckseite des Pumpmechanismus, d.h. an einer Stelle, wo die
Taschen der Zahnradzähne
kontrahieren. Zu diesem Zweck ist der Einlaßanschluß 22 in Fluidverbindung
mit einem einzigen Einlaßanschlußabschnitt 49,
der in ein Paar von Passagen 50a, 50b verzweigt,
von denen jede in Fluidverbindung mit der Saugseite jedes Zahnradpaares 42, 44 bzw. 43, 44 steht.
Ein Paar von Passagen 53a, 53b steht in Fluidverbindung
mit der Druckseite des Pumpmechanismus und vereinigt sich dann mit
bzw. führt
zu einem Auslaßanschlußabschnitt 54,
der in Fluidverbindung mit dem Auslaßanschluß 23 steht. Ein primärer Flußweg wird
hierdurch vom Einlaßanschluß 22 durch
die Einlaßpassagen 49, 50a, 50b, durch
die expandierenden und kontrahierenden Taschen der Zahnräder 42–44 gebildet
und durch die Auslaßpassagen 53a, 53b, 54 zu
dem Auslaßanschluß 23.
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Die
oben beschriebene Struktur ist weitestgehend ein herkömmlicher
Pumpmechanismus mit drei Zahnrädern
des externen Zahnradtyps, wie von einem Fachmann leicht verstanden
wird. Erneut, der Drei-Zahnrad-Pumpmechanismus ist lediglich exemplarisch
und andere Pumpmechanismen können
verwendet werden, entsprechend der speziellen Anwendung. Beispielsweise
können
nur zwei miteinander kämmende
Zahnräder
vorgesehen sein mit nur einer einzigen Passage, die zur Saugseite
führt und
einer einzigen Passage, von der Druckseite her; oder es kann ein
vollständig
anderer Pumpmechanismus verwendet werden, wie z.B. mit einem einzigen
Rotor (Flügelrad,
Kolben, fortschreitender Hohlraum, Schraube oder peristaltisch)
oder mit mehrfachem Rotor (internes/externes Getriebe, Lappen, Umfangskolben
oder Schraube) können
verwendet werden.
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Es
sollte verstanden werden, daß zwischen den
sich bewegenden Teilen des Pumpmechanismus kleine Zwischenräume vorhanden
sein können,
die geringe Lecks zulassen. Diese Lecks gestatten, daß eine dünne Fluidschicht
zwischen die Zähne
und benachbarte Wände
eintritt und zwischen die Wellenstümpfe und die Zahnräder, wodurch
Schmier- und Kühlkomponenten
geschaffen werden.
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Die
vorliegende Erfindung schafft ein Mittel zum Kühlen und Schmieren der Antriebswelle
während
der Drehung der Zahnräder.
Die Antriebswelle wird typischerweise von ringförmigen Lagern gehalten, wie
z.B. Gleitlager oder Kugellager 60, 61. Die Lager 60, 61 sind
axial in Längsrichtung
der Antriebswelle im Abstand zueinander, wobei das Lager 60 näher dem
Pumpmechanismus angeordnet ist und das Lager 61 näher dem
distalen Ende der Antriebswelle angeordnet ist. Im Gehäuseabschnitt 32 ist
in umgebender Beziehung zu der Welle 26 und zwischen den Lagern 60, 61 ein
Hohlraum 65 vorgesehen. Der Hohlraum 65 kann leicht
während
der Herstellung des Endabschnittes 32 des Gehäuses gebildet
werden. Der Hohlraum 65 ist in dem primären Flußweg angeordnet und empfängt Fluid
direkt von dem Einlaßanschluß 49 und
liefert dann das Fluid direkt zu den Einlaßpassagen 50a, 50b zu
dem Pumpmechanismus.
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Fluid,
das am Einlaßanschluß 22 eintritt, fließt somit
durch den Anschluß und
umgibt vollständig
die Antriebswelle 26, während
das Fluid eine Schmierung und eine Kühlung der Antriebswelle liefert.
Das Fluid sickert durch die Lager 60, 61 und bewirkt
dadurch eine Kühlung
und eine Schmierung der Lager der Antriebswelle. Schraubenförmige oder
spiralige Rillen, wie z.B. bei dem Bezugszeichen 68 (5, 6, 8)
helfen, Fluid längs
der Welle zu leiten, um die Welle zu kühlen und zu schmieren, als
auch die Lager 60, 61. Falls notwendig oder wünschenswert,
kann eine Fluiddichtung, die die Welle 26 umgibt, axial
außerhalb
des äußeren Lagers 61 vorgesehen
sein oder eine Dichtung kann an einer externen Komponente, die die
Welle 26 ergreift, vorgesehen sein, um gegenüber dem
Gehäuseabschnitt 32 im
Bereich, der die Welle 26 umgibt, abzudichten.
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Selbstverständlich kann
die Maschine in umgekehrter Weise betrieben werden, so daß der Anschluß 22 der
Auslaßanschluß ist und
das Fluid von der Druckseite des Pumpmechanismus 40 durch
die Passagen 50a, 50b zum Hohlraum 65 geliefert
wird und dann zu den Passagen 49 und dem Anschluß 22. Die
Drehrichtung der Antriebswelle 26 bestimmt, ob die Maschine als
Pumpe oder Motor arbeitet, wie für einen
Fachmann wohl bekannt.
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In
jedem Falle beschäftigt
sich die Erfindung, wie oben beschrieben, mit vielen Aspekten von
früheren
Maschinen und schafft eine Fluid-Transfer-Maschine, die insbesondere
als Pumpe oder Motor nützlich
ist, bei der die Antriebswelle (sowie auch der Pumpmechanismus)
geschmiert und gekühlt
sind und die ein kompaktes Design hat, das einfach herzustellen
ist. Der primäre
Flußweg
wird zum Kühlen und
Schmieren der Antriebswelle (und der Antriebswellenlager) verwendet,
ohne die Notwendigkeit zusätzlicher
Passagen durch das Gehäuse.