HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine Toruspumpe. Es wird auf den
Obernbegriff von Anspruch 1 Bezug genommen.
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Toruspumpen der Art, auf welche sich die Erfindung bezieht,
umfassen einen scheibenartigen Rotor mit einer Reihe von
radialen Flügeln, die um seinen Umfang herum angeordnet
sind. Die einander gegenüberliegenden Seitenflächen des
Rotors sind flach, ausgenommen Taschen zwischen den Flügeln,
und der Rotor ist innerhalb eines Pumpengehäuses gelagert,
das eine Innenkammer mit einander gegenüberliegenden
Seitenflächen sowie eine Umfangsfläche umfaßt, die den Rotor
dicht umschließen, jedoch genügend Raum belassen, derart,
daß das Medium radial aus dem Rotor austreten und sodann
nach vorn oder nach hinten in die inneren Pumpenkammern des
Gehäuses strömen kann. Die Kammerwände sind aus einer
Innenpumpenkammer oder einem Kanal gebildet, der sich
entlang eines ringförmigen Weges erstreckt, in
Wirkverbindung mit dem Weg der Rotorflügel, in einem
konstanten radialen Abstand von der Rotorachse von einem
Einlaß an einem Ende des toroidalen Kanales zu einem Auslaß
am gegenüberliegenden Ende. Die Umfangserstreckung des
toroidalen Kanales um die Pumpenachse herum ist weniger als
360º, und zwischen den Enden des Kanales erstreckt sich ein
relativ enger Teil der Kammer-Seitenwand über den
Ringbereich, durch den die toroidale Kammer verläuft. Dieser
Teil der Kammerseitenwand wird "Abstreifer" genannt, und der
Abstreifer arbeitet dahingehend, daß er das durch die
Pumpenkammer mittels der Rotorflügel hindurchgetriebene
Medium zum Pumpenauslaß hin umlenkt, statt daß dieses zum
Einlaß zurückgepumpt wird.
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Während des Arbeitens der Pumpe und beim Bewegen eines jeden
Flügels über das Auslaßende der Pumpenkammer hinaus sowie
beim Queren des Abstreifers erzeugt die plötzliche
Verringerung der Querschnittsfläche der Kammer, durch welche
der Flügel sich hindurchbewegt, eine Diskontinuität der
Strömung. Eine solche Diskontinuität tritt jedes Mal dann
auf, wenn ein Flügel an einer Kante des Abstreifers
vorbeiläuft, wodurch eine zyklische Änderung des
Widerstandes gegenüber dem Umlauf des Rotors auftritt. Sind die
Flügel in gleichem Abstand um den Rotorabstand herum
angeordnet, so ist die Frequenz dieser zyklischen Reaktion
direkt proportional der Umlaufgeschwindigkeit des Rotors,
und bei gewissen kritischen Drehzahlen können sich
strukturelle Resonanzen oder Harmonische entwickeln, die
Geräusch erzeugen. Man hat beim Stande der Technik erkannt,
daß dieses Problem bis zu einem gewissen Grad dadurch gelöst
werden kann, daß man den Flügelabstand um den Umfang des
Rotors herum variiert. Ein unterschiedlicher Flügelabstand
führt jedoch meistens zur Erzeugung wenigstens einer Rotor-
Unwucht, was wiederum zu Problemen führt, die möglicherweise
gefährlicher sind, als das unerwünschte Geräusch.
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Ein zweites Problem, das bei Pumpen der oben beschriebenen
Art auftritt, geht auf die Tatsache zurück, daß ein
geringfügiger Spalt zwischen den stationären
Pumpengehäuseflächen und den benachbarten umlaufenden Flächen des Rotors
herrschen muß, damit der Rotor relativ zum Gehäuse frei
umlaufen kann. Jene Teile der Kammer-Seitenflächen und der
gegenüberliegenden Seitenflächen des Rotors, die radial
innerhalb der toroidalen Pumpenkammer angeordnet sind,
weisen einen Spalt auf, der sich über die gesamte Länge der
radial inneren Seite der sich in Umfangsrichtung
erstreckenden Pumpenkammer erstreckt. Der Druck in der
Kammer steigt vom Einlaßende zum Auslaßende progressiv an,
und der Spalt schafft einen Auslaß für eine Mediumleckage
aus Bereichen hohen Druckes der Kammer zu Bereichen
niedrigeren Druckes. Ist das zu pumpende Medium von geringer
Viskosität, d.h. beispielsweise Luft, so kann diese Leckage
erheblich sein und die von der Pumpe gelieferte Strömung
stark verringern.
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Vorbekannte Versuche, zum Verringern dieser Leckage
Labyrinth-Dichtungen anzuwenden, waren im allgemeinen nicht
erfolgreich, was durch die Tatsache belegt wird, daß es nur
sehr wenige, falls überhaupt irgendwelche im Handel
erhältliche regenerative Pumpen gibt, die derartige
Dichtungen verwenden. Labyrinth-Dichtungen beruhen auf einer
Reihe von Drosselstellen, die durch Expansionskammern
voneinander getrennt sind, welche dazu dienen, dem Medium
ein Eintritt in die Kammer zu erlauben, und die sich auf ein
vergrößertes Volumen ausdehnen, das in der Theorie durch die
nächstfolgende Drosselstelle schwieriger zu durchlaufen ist.
Ist das Medium von geringer Kompressibilität, so wie eine
Flüssigkeit, so findet keine Expansion statt, und die
Anwesenheit von Expansionskammern verringert den für die
Drosselstelle vorhandenen Bereich und damit die Wirksamkeit
der Dichtung. Wird die Pumpe der oben beschriebenen Bauart
dazu verwendet, Gase zu pumpen, so sind die Gase
hochkompressibel, jedoch entwickelt die Pumpe üblicherweise
lediglich ein relativ kleines Druckdifferential zwischen dem
Einlaß und dem Auslaß. Wegen des relativ kleinen
Differentials zwischen der Dichte des kompressiblen Mediums
am Einlaß und seiner Dichte am Auslaß ist wenig Möglichkeit
für eine Expansion des Gases in den Expansionskammern der
Labyrinth-Dichtungen. Weiterhin hat sich der Stand der
Technik hauptsächlich darauf konzentriert, die Leckage am
Abstreifer zwischen dem Einlaßende und dem Auslaßende der
Kammer zu verringern, während die Tatsache mißachtet wurde,
daß die Leckage gleicherweise zwischen Stellen in der Kammer
auftritt, die nicht notwendigerweise dem Einlaß oder dem
Auslaß benachbart sind.
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US-A-4 872 806 beschreibt eine Toruspumpe gemäß dem
Oberbegriff von Anspruch 1. Dabei ist eine Reihe von
Öffnungen im Rotor dargestellt. Diese Öffnungen erstrecken
sich über den gesamten Rotor. Der Rotor hat eine konische
Gestalt, während die einander gegenüberliegenden Innenwände
des Gehäuses eben, d.h. nicht konisch sind. Demgemäß
herrscht ein deutlicher Spalt zwischen den Wänden des
Gehäuses und den Wänden des Rotors. Bei der bekannten Bauart
tritt eine Migration von Medium zwischen den Seitenflächen
des umlaufenden Rotors und den dicht benachbarten
anstoßenden Flächen des Gehäuses auf, so daß gepumptes
Medium aus den Hochdruckbereichen im Bereich des äußeren
Umfanges der Rotorscheibe in die Bereiche relativ niedrigen
Druckes in der Nähe der zentralen Rotorwelle der
Rotorscheibe gelangt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Toruspumpe
gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 zu schaffen, die die
Nachteile der vorbekannten Toruspumpen vermeidet. Genauer
gesagt soll durch die Toruspumpe gemäß der Erfindung das
Erzeugen eines zyklischen Wechsels des Widerstandes
gegenüber dem Umlauf des Rotors vermieden, und eine Leckage
von Medium aus den Bereichen hohen Druckes der Kammer zu den
Bereichen niederen Druckes so weit wie möglich verringert
werden.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von
Anspruch 1 gelöst.
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Weitere Zwecke und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus
der folgenden Beschreibung der Zeichnungen.
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In den Zeichnungen ist folgendes dargestellt:
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Fig. 1 ist eine Frontansicht einer selbstansaugenden
Toruspumpe gemäß der Erfindung.
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Fig. 2 ist eine Rückansicht, die die Innenseite des
Pumpengehäusedeckels der Pumpe von Fig. 1 zeigt.
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Fig. 3 ist eine Frontansicht, die die Innenseite des
Pumpengehäuses der Pumpe von Fig. 1 zeigt.
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Fig. 4 ist eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie 4-4
von Fig. 1.
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Fig. 5 ist eine detaillierte Schnittansicht gemäß der Linie
5-5 von Fig. 1.
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Fig. 6 ist eine Seitenansicht des bei der Pumpe von Fig. 1
verwendeten Rotors, die Frontseite des Rotors
zeigend.
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Fig. 7 ist eine detaillierte Schnittansicht des Rotors gemäß
der Linie 7-7 in Fig. 6.
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Fig. 7A ist eine Kantenflächenansicht des Rotors, einen Teil
des Umfanges des Rotors zeigend.
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Fig. 8A ist eine schematische Darstellung, die das Muster
des Flügelabstandes veranschaulicht, angewandt bei
der Frontseite des Rotors.
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Fig. 8B ist eine schematische Darstellung, die das Muster
des Flügelabstandes veranschaulicht, angewandt auf
der Rückseite des Rotors.
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Die in den Figuren 1 bis 5 dargestellte selbstansaugende
Toruspumpe gemäß der Erfindung beinhaltet ein Rotorgehäuse
20 sowie einen Gehäusedeckel 22, die dichtend durch
Schrauben 24 aneinander befestigt sind. Zum Zwecke der
Orientierung wird jene Seite der Pumpe, auf welche sich der
Deckel 22 befindet, als "Frontseite" der Pumpe bezeichnet.
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Das Gehäuse 20 weist eine nach vorn offene,
rotoraufnehmende Aussparung auf, mit einer ebenen Bodenfläche 26 und einer
ringförmigen Aussparung 28, die sich, wie man am besten aus
Fig. 3 erkennt, in Umfangsrichtung des Gehäuses um eine
zentrale Gehäuseachse A herumerstreckt, von einem
Einlaßende 30 zu einem Auslaßende 32, die durch einen
Abstreiferabschnitt 34 voneinander getrennt sind, welcher in derselben
Ebene wie die Fläche 26 liegt.
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Deckel 22 ist mit einer ebenen hinteren Fläche 36 und einer
ähnlichen ringförmigen Aussparung 38 versehen, die sich in
Umfangsrichtung von Einlaß 40 aus erstreckt, welcher sich
von Aussparung 38 nach vorn durch den Deckel zum Auslaß 42
hin öffnet, der in gleicher Weise nach vorn durch den Deckel
20 hindurchläuft, wobei das Einlaßende und das Auslaßende
der ringförmigen Aussparung 38 durch einen Abstreiferteil 44
voneinander getrennt sind, der in derselben Ebene wie die
ebene hintere Fläche 36 von Deckel 20 liegt.
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Wie man am besten aus den Figuren 4 und 5 ersieht, sind die
ebenen Flächen 26 und 36 des Gehäuses bzw. des Deckels bei
am Gehäuse 20 montiertem Deckel 22 parallel zueinander
angeordnet in einem Abstand, der geringfügig die axiale
Stärke des scheibenförmigen Rotors 46 überschreitet (siehe
Figuren 6 und 7), in den Figuren 4 und 5 nur gestrichelt
dargestellt. Rotor 46 wird im Pumpengehäuse zwecks Umlaufs
um die Achse A aufgenommen und drehfest am Ende der
Rotorantriebswelle 48 fixiert, welche in einer Bohrung 50
beispielsweise mittels eines Lagers 52 gelagert ist, koaxial
zur Achse A des Gehäuses 20. Die Rotorflügel 58 und 60 sind
jeweils der Frontseite bzw. der Rückseite des Läufers
angeformt und wirken beim Umlauf des Rotors dahingehend, daß
sie Luft entlang der entsprechenden ringförmigen
Aussparungen der Pumpenkammern 38, 28 auf bekannte Weise
fördern. Der Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden
Seitenflächen des Rotors 46 und die ebenen Flächen 26, 36
von Gehäuse und Deckel wird derart gewählt, daß sie
ausreichen, um sicherzustellen, daß kein Kontakt zwischen
dem umlaufenden Rotor und den feststehenden Flächen 26, 36
während des Betriebes der Pumpe zustande kommt. Aus noch
weiter unten im einzelnen zu erläuternden Gründen ist es
wünschenswert, daß der Rotor bei relativ hohen Drehzahlen
angetrieben wird - in der Größenordnung von 10.000 Upm oder
mehr, und daß jeder Kontakt zwischen der Rotorfläche und der
Gehäusefläche während des Betriebes vermieden wird.
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In gleicher Weise ist ein enger Spalt zwischen der äußeren
Umfangsfläche 54 des Rotors und der gegenüberliegenden
Umfangsfläche 34C (Figuren 3 und 5) des Abstreiferteiles der
den Rotor aufnehmenden Ausnehmung in Gehäuse 20
erforderlich. Da Ausnehmung 28 in Gehäuse 22 auf der Rückseite des
Rotors angeordnet ist, und da Einlaß 40 und Auslaß 42 der
Pumpe durch den Deckel an der Frontseite des Rotors 46
eintreten, sind die Aussparungen 28 und 38 an ihren
Einlaßenden 30, 40 mit radial nach außen sich erstreckenden,
erweiterten Bereichen 40A, 40A ausgebildet, so daß Medium,
welches durch Einlaß 40A eintritt, durch den äußeren Umfang
54 des Rotors 46 über die Erweiterungen 40A, 30A zur
Rückseite des Rotors strömen kann. Ähnliche erweiterte
Bereiche 32A, 42A sind an den Auslaßenden 32, 42 der
Aussparungen 28, 38 angeformt.
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Bei dem speziellen, in den Zeichnungen gezeigten Deckel 22
sind äußere Verbindungen zum Einlaß und zum Auslaß 42 durch
ein Filtergehäuse F hergestellt, das in den Figuren 4 und 5
gestrichelt dargestellt ist, und das auf einer Filterkammer
60 auf der Frontseite des Deckels 22 sitzt. Die Baueinheit
von Filter F und Filterkammer 60 schafft ein geeignetes
Mittel zum Filtern eintretender Luft, wenn die Pumpe zum
Fördern von Luft verwendet wird. Während die in den
Zeichnungen dargestellte Pumpe speziell dazu dient, Luft zu
fördern, so wie dies erforderlich ist bei einem
Automobil-Emissionskontrollsystem, so ist die beschriebene Pumpe auch
anderen Anwendungen zugänglich und leicht anpaßbar zum
Pumpen von Flüssigkeiten oder anderen Medien als Luft.
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Selbstansaugende Turbuspumpen der allgemeinen, hier
beschriebenen Art sind aus dem Stande der Technik bekannt
und haben, wie oben erwähnt, in ihrer Konstruktion
begründete Probleme. Das erste dieser beiden Probleme ist
das Erzeugen von Geräusch, was auf den zyklischen Durchlauf
der Rotorflügel durch die verengten Kanäle zurückzuführen
ist, die durch die beiden einander gegenüberliegenden
Abstreiferbereiche 34, 44 gebildet sind, deren Anwesenheit
notwendig ist, um Medium aus der ringförmigen Aussparung der
Pumpenkammer zum Pumpenauslaß umzulenken. Das zweite Problem
besteht in der Leckage des Mediums, das durch die Spalte
zwischen den einander gegenüberliegenden Flächen des
umlaufenden Rotors und des Pumpengehäuses hindurchgepumpt
wird.
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Die Erfindung löst das Problem der Geräuscherzeugung durch
Anwenden einer relativ großen Anzahl von Rotorflügeln, die
gemäß einem bestimmten, nicht gleichmäßig verteilten Muster
angeordnet sind, sowie durch ein Gestalten der
Abstreiferbereichskanten, so daß diese sich entlang einer nicht radial
geneigten Kante erstrecken.
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Unter besonderer Bezugnahme auf Fig. 3 erkennt man, daß die
Kanten 34A, 34B der Abstreiferbereiche 34 des Pumpengehäuses
nicht auf Linien liegen, die radial zur Achse A verlaufen,
so wie die Linien R1 und R2, sondern stattdessen gegen diese
radialen Linien geneigt sind.
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Wie im einzelnen beschrieben werden wir, liegen die
verschiedenen Flügel 58, 60 des Rotors im allgemeinen in
Ebenen, die sich radial von der Achse A aus erstrecken. In
Fig. 3, die die Frontseite des Gehäuses 20 zeigt, verläuft
die Umlaufrichtung des Rotors im Gegenzeigersinn, so daß die
Flügel Luft (oder ein anderes zu pumpendes Medium) entlang
der ringförmigen Aussparung 28 vom Einlaßende 30 zum
Auslaßende 32 bewegen. Infolge der Neigung der Kante 34B des
Abstreifers gegen die radiale Linie R2 ist der sich radial
erstreckende Flügel - beim Durchlauf eines Flügels des
Rotors im Gegenzeigersinn vom Auslaßende 32 der Aussparung
28 in eine überlagernde Position mit Abstreiferbereich
34 -gegen die Abstreiferkante 34B geneigt, so daß beim
Fortschreiten des Flügels vom relativ weiten Kanal,
definiert durch die ringförmige Aussparung 28 zum relativ
verengten Kanal, definiert durch den Abstreiferbereich 34,
der gesamte Flügel nicht gleichzeitig in diesen verengten
Kanal eintritt, was dann der Fall wäre, wenn sowohl der
Flügel als auch die Kante 34B sich in radialer Richtung
erstreckten. Die Neigung der Kante 34B der Radiallinie R2
schneidet Luft von der Flügelkante ab, statt diese
abzuhacken, was dann der Fall wäre, wenn sich die Kante 34B
entlang eines Radius von Achse A aus erstrecken würde. Diese
Anordnung puffert in einem gewissen Maße den Mediumstoß, der
beim Übergang des Flügels von einem relativ nicht verengten
Kanal in einen extrem verengten Kanal auftritt. Eine
ähnliche Wirkung tritt auf an Kante 34A; wie man am besten
aus Fig. 2 erkennt, sind die entsprechenden Kanten 44A und
44B der einander gegenüberliegenden Abstreiferbereiche 44 an
Deckel 22 in ähnlicher Weise gegen die radialen Linien, die
sich von Achse A aus erstrecken, geneigt.
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Rotor 46 wird üblicherweise mit im wesentlichen konstanter
Drehzahl angetrieben, wenn die Flügel um den Rotorumfang
gleichmäßig verteilt sind, was zum Durchlauf einer
Flügelkante über die Kante des Abstreifers bei im
wesentlichen konstanter zyklischer Frequenz führt. Erzeugtes
Geräusch ist von dieser Frequenz und ihrer Harmonischen;
nähert sich eine dieser Frequenzen einer
Eigenschwindungszahl der Pumpenkonstruktion, so kann eine Verstärkung des
Geräusches auftreten. Beim Stande der Technik wurde erkannt,
daß eine gewisse Geräuscherzeugung dann auftritt, wenn ein
Rotor mit gleichmäßig verteilten Flügeln bei konstanter
Drehzahl einen Abstreifer durchläuft, und daß die
Geräuscherzeugung dadurch reduziert werden kann, daß man die Flügel
in
einem Muster anordnet, bei welchem die Flügel
ungleichmäßig verteilt sind, um eine Situation konstanter
Frequenzerzeugung zu vermeiden. Ein ungleichförmiges
Anordnen der Rotorflügel schafft jedoch typischerweise
andere Probleme, sowie eine Rotorunwucht und höhere
Herstellungskosten.
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Eine zweite Lösung zum Minimieren der Geräuscherzeugung
besteht darin, Geräusch bei Frequenzen oberhalb des hörbaren
Bereiches zu erzeugen - bei den meisten Menschen Frequenzen
oberhalb 15.000 Hz. Da die Frequenz des durch die Pumpe
erzeugten Geräusches im wesentlichen gleich dem Produkt aus
der Anzahl von Rotorflügeln und der Anzahl von Rotorumläufen
pro Sekunde ist, bietet ein Betrieb des Rotors bei hoher
Drehzahl und bei einer relativ großen Anzahl von Flügeln die
Möglichkeit des Vermeidens von Geräusch innerhalb des
hörbaren Bereiches.
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Beide Lösungen werden beim Rotor gemäß der Erfindung
angewandt, wobei besondere Sorgfalt auf das Bestimmen eines
Musters variablen Flügelabstandes gelegt wird, was zu einer
geometrischen Auswuchtung des Rotors führt.
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Zunächst soll auf die Schnittansicht von Figur 7 eingegangen
werden. Rotor 46 ist an seinem äußeren Umfang mit einer
ringförmigen Rippe 66 versehen, die in einer Ebene nochmal
zur Rotorachse auf halbem Wege zwischen der Frontfläche und
der Rückfläche des Rotors liegt. Die Flügel 58 ragen von der
Frontseite der Rippe 66 nach vorn, und die Flügel 60 ragen
von der Rückseite der Rippe 66 nach hinten. Insbesondere aus
Fig. 6, die eine Frontansicht des Rotors darstellt, erkennt
man, daß die Flügel 58 allgemein in Ebenen liegen, die die
Achse des Rotors 46 einschließen, und radial von der Achse
in gegenseitigem Winkelabstand voneinander ausgehen. Wie man
am besten aus Fig. 7 erkennt, liegen die Frontkanten 72 der
Flügel 58 in der Ebene der Frontfläche 68 des Rotors, und
die radial äußeren Kanten 74 der Flügel 58 verlaufen bündig
mit dem Außenumfang der Rippe 66. Zwischen einander
benachbarten Flügeln 58 sind Taschen 76 gebildet. Die Flügel
60, die von der rückwärtigen Fläche der Rippe 66 ausgehen,
sind von ähnlicher Gestalt wie die Flügel 58.
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In Fig. 6 sind die Flügel auf der Frontfläche des Rotors
gemäß einem Muster angeordnet, das auf die folgende Weise
bestimmt ist:
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Statt den Zwischenraum zwischen einander benachbarten
Flügeln zu berechnen, der eine definierte Stärke hat, ist es
etwas einfacher und bequemer anzunehmen, daß die Flügel von
einer Stärke von null sind, und die Stellen der Radialebenen
zu berechnen, die den Raum zwischen einander benachbarten
Flügeln zweiteilen.
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Der erste Schritt des Verfahrens besteht darin, eine
Gesamtzahl von Zwischenräumen zwischen den Flügeln an der
Frontseite des Rotors 46 auszuwählen. Um sicherzustellen,
daß kein Flügel der Frontseite des Rotors direkt mit einem
Flügel der Rückseite des Rotors fluchtet, muß die
ausgewählte Anzahl von Zwischenräumen eine ungerade Zahl
sein. Die gewählte Anzahl soll so groß wie möglich sein,
wobei jene Beschränkungen zu beachten sind, die durch die
konstruktiven Festigkeitseigenschaften sowie die
Verarbeitungsanforderungen des Rotors zu stellen sind.
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Die ausgewählte Anzahl von Zwischenräumen wird sodann durch
360º geteilt, um die Größe (das Winkelmaß um die Achse)
eines durchschnittlich bemessenen Zwischenraumes zu
bestimmen. Gemäß einer beispielhaften Berechnung sei
willkürlich angenommen, daß 45 Zwischenräume verwendet
werden, was zu einem durchschnittlichen Zwischenraum von
360º : 45 = 8º bedeutet.
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Der nächste Schritt besteht darin, ein maximales Increment
zu bestimmen, das von einem durchschnittlichen Zwischenraum
abgezogen bzw. diesem hinzugefügt wird, um die maximale bzw.
minimale Zwischenraumgröße zu bestimmen. Es sei willkürlich
angenommen, daß die maximale Abweichung von der mittleren
Zwischenraumgröße von 8º 15 % von 8º oder 1,2º ist. Dies
ergibt eine maximale Zwischenraumgröße von 9,2º und eine
minimale Zwischenraumgröße von 6,8º. Die minimale
Zwischenraumgröße sollte überprüft werden, um sicherzustellen, daß
sie durch die beim Erzeugen der Flügel angewandten
Herstellungstechniken erreichbar ist. Der durch ein
Spritzguß- oder Gesenkformverfahren hergestellte Rotor sowie das
Bearbeiten der Form oder der Werkzeug-Ausnehmung ist
üblicherweise der bestimmte Faktor.
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Bei einer ungeraden Anzahl von Zwischenräumen wird das
Muster der Flügel auf der Frontfläche des Rotors 46 unter
Bezugnahme auf eine Bezugslinie L (Fig. 8A) bestimmt, die
sich diametral zum Rotor erstreckt und durch die Rotorachse
verläuft. Bei einer ungeraden Anzahl von Zwischenräumen kann
die Linie L, so wie in Fig. 8A angegeben, derart gelegt
werden, daß sie durch eine Zentralebene eines Flügels 58A
hindurchläuft und den Zwischenraum zwischen zwei Flügeln 58B
und 58C auf der gegenüberliegenden Seite des Rotorumfanges
zweiteilt.
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Der nächste Schritt besteht darin, durch eine im Zeigersinn
180º vorgenommene Verschiebung vom Bezugshügel 58A die
Winkelverschiebung von der Linie L der Radiallinien L1, L2
usw. zu bestimmen, die aufeinanderfolgende Zwischenräume im
Zeigersinn von Linie L1 um 180º zweiteilen, wobei angenommen
wird, daß sämtliche Zwischenräume eine durchschnittliche
Größe haben. Da die durchschnittliche Größe der
Zwischenräume 8º beträgt, wird die Linie L1 in Fig. 8A um einen
Winkel a1 von Linie L von 4º verschoben, Linie L2 wird von
Linie L1 um einen Winkel a2 von 12º verschoben, die
nachfolgenden Linien L3, L4 usw. (nicht gezeigt) werden
gegenüber den vorausgegangenen Linien um 8º-Incremente
verschoben. Die Winkel a1, a2 werden bei der Berechnung der
einzelnen Zwischenräume verwendet.
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Aus Gründen, die klar werden, ist es wünschenswert, daß die
Zwischenräume der ersten Verschiebung im Zeigersinn um 90º
von der Linie L annähernd, jedoch nicht genau symmetrisch
unter Bezugnahme auf die jeweiligen Zwischenräume in jenem
Quadranten zwischen einer 90º-Verschiebung von Linie L und
einer 180º-Verschiebung von Linie L verläuft. Demgemäß ist
es zweckmäßig, wenn die Veränderung der
Zwischenraumbemessung einer periodischen Funktion folgt, was zu einem
Anstieg der Zwischenraumgröße durch die ersten 90º von Linie
L und einer Verringerung der Zwischenraumgröße durch die
nächsten 90º entspricht. Eine naheliegende Möglichkeit einer
solchen Funktion ist eine Sinusfunktion oder eine
Cosinusfunktion.
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Die Größen der jeweiligen Zwischenräume im Zeigersinn von
dem Bezugsflügel 58A durch die ersten 180º, so wie in Fig. 6
gesehen, lassen sich durch die folgende Gleichung bestimmen:
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Sn = D sin [2 x (an - 45º)] + B
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Hierin bedeuten:
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n = eine Anzahl der Zwischenraumzählung im Zeigersinn von
Bezugsflügel 58A
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S = das Winkelmaß des "Zwischenraumes, d.h. der winkligen
Verschiebung zwischen den allgemeinen Ebenen zweier
benachbarter Flügel
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an = der Winkel zwischen Linie L1 und der Mittellinie des
Zwischenraumes Sn, wenn alle Zwischenräume von
durchschnittlicher Größe sind, d.h. wenn a = n x B - B/2, wobei B der
mittlere Zwischenraum ist (8º beim oben angegebenen
Ausführungsbeispiel), und wobei
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D = das maximale Increment ist, das beim oben gegebenen
Beispiel vom durchscnittlichen Zwischenraum D = 1,2º
abzuziehen bzw. diesem hinzuzufügen ist.
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Die obige Formel ist nur eine von zahlreichen, die angewandt
werden können, zum Berechnen eines variablen Zwischenraumes
zwischen einander benachbarten Flügeln. Die vorausgegangene
Formel ergibt ein Flügelabstandsmuster, bei welchem die
Flügelabstände von minimaler Größe dem Bezugsflügel 58A
sind, progressiv durch die ersten 90º von der Linie L1 aus
ansteigen, und sodann progressiv zum Flügel 58B abfallen.
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Die vorausgegangene Erläuterung hat sich alleine mit dem
Bestimmen des Abstandes der Flügel über die ersten 180º im
Zeigersinn von Bezugsflügel 58A befaßt. Die
Abstandsbemessung der Flügel auf der gegenüberliegenden
Seite von Linie L, die den Bezugsflügel 58a und den Raum
zwischen den Flügeln 58B und 58C zweiteilt, ist genau
dieselbe, ausgenommen daß der Abstandsfortschritt bei Flügel
58A beginnt und im Gegenzeigersinn fortschreitet, in den
Figuren 6 und 8A gesehen, durch 180º von Flügel 58A. Anders
gesagt ist das Muster der Flügel 58 nach rechts von der
Linie L in Fig. 8A ein genaues Spiegelbild der
Flügelabstände auf der gegenüberliegenden Seite von Linie L. Auf die
Frontseite in Fig. 6 gesehen sind die Flügelabstände oder
das Muster, gemäß welchem die Flügel 58 um die Rotorachse
angeordnet sind, geometrisch auf gegenüberliegenden Seiten
einer Vertikallinie ausgeglichen, die durch die Rotorachse
verläuft, so wie in Fig. 6 gesehen. Um jegliche Unwucht auf
einander gegenüberliegenden Seiten einer Horizontallinie
auszugleichen, die durch die Rotorachse verläuft, was beim
Herstellen des Rotors auftreten könnte, werden die Flügel 60
auf der Rückseite des Rotors 46 gemäß genau demselben Muster
angeordnet, wie die Flügel 58 auf der Frontseite, wobei das
Gesamtmuster um 180º um die Rotorachse verschoben ist. Somit
beinhalten die Flügel auf der Rückseite des Rotors einen
Bezugsflügel 60A, von welchem aus die Flügelabstände
progressiv ansteigen und um dieselben Beträge abfallen, wenn
die Flügel 58 mit Bezugsflügel 60a in der Sechs-Uhr-Position
angeordnet werden, so wie in Fig. 8B gesehen, gegenüber der
Zwölf-Uhr-Position des Bezugsflügels 58A auf der Frontseite
des Rotors.
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Diese Anordnung bringt zwei wichtige Ergebnisse. Zum einen
wird ein geometrisches Gleichgewicht des Rotors als Ganzes
erreicht auf einander gegenüberliegenden Seiten einer
vertikalen Ebene und einer horizontalen Ebene, die durch die
Rotorachse laufen. Zum anderen, wie in Fig. 7A gesehen, wird
sichergestellt, daß keiner der Flügel 58 auf der Frontseite
des Rotors axial mit irgendeinem der Flügel 60 auf der
Rückseite des Rotors zusammenfällt. Was die Erzeugung von
Geräusch anbetrifft, so weist die letztgenannte Anordnung
tatsächlich zweimal so viel Flügel auf, was dann der Fall
wäre, wenn die Flügel 58 und 60 axial miteinander fluchten
würden, da bei der beschriebenen Anordnung dann, wenn ein
Flügel 58 der Frontseite des Rotors über eine Kante des
Abstreiferbereiches läuft, kein Flügel 60 mit der Kante des
Abstreiferbereiches fluchtet.
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Im Falle eines Rotors mit einem Durchmesser von 89 mm mit 59
Flügeln auf beiden Seiten, so wie in den Zeichnungen
gezeigt, übersteigt die Frequenz, mit welcher eine
Flügelkante - entweder eine Kante eines Frontflügels 58 oder eines
rückwärtigen Flügels 60 - eine Kante des Abstreiferbereiches
überstreicht, den Wert von 15.000 Hz, falls die Drehzahl des
Rotors etwa 8.400 Upm übersteigt. Geeignete Motoren zum
Antreiben eines Rotors mit 89 mm Durchmesser bei Drehzahlen
von bis zu 20.000 Upm bei Luftförderung sind von einer Reihe
von handelsüblichen Quellen leicht erhältlich.
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Üblicherweise wird angenommen, daß das Problem der Leckage
durch den Spalt zwischen den einander gegenüberliegenden
Seitenflächen des Rotors und des Pumpengehäuses eine
Strömung über die Abstreiferbereiche 34, 44 der Pumpe
beinhaltet, da das höchste Druckdifferential innerhalb der
Pumpe zwischen jener Seite des Abstreifers herrscht, die dem
Auslaß zugewandt ist, und jener Seite des Abstreifers, die
dem Einlaß zugewandt ist. Die größten Anstrengungen, die
sich mit der Verringerung der Spaltleckageverluste befaßten,
betrafen die Leckage über den Abstreifer, übersahen jedoch
die Tatsache, daß eine erhebliche Leckage über die
Hauptgehäuseflächen 26 und 36 auftreten können, beispielsweise
über die Fläche 36 zwischen den Stellen P1 und P2 (Fig. 2).
Während die Entfernungen, welche die Leckage der
letztgenannten Art durchlaufen muß, normalerweise über den
Abstreifer viel größer sind, und das Druckdifferential viel
kleiner ist als das Druckdifferential über den Abstreifer,
ist das Umfangsmaß des Spaltes, durch welche die Leckage
hindurchtreten muß, wesentlich größer.
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Gemäß der Erfindung sind die einander gegenüberliegenden
Seitenflächen des Rotors radial innerhalb der Rotorflügel
mit konzentrischen Serien von Aussparungen oder Taschen 80,
82, 84 versehen. Diese Taschen 80, 82 und 84 bilden
Expansionskammern, in welche Medium, das durch den Spalt
zwischen den Rotorseitenflächen und den Gehäuseseitenflächen
hindurchdrückt, einströmen kann. Verglichen mit der Leckage
über die einander gegenüberliegenden ebenen Flächen ohne
Aussparungen wird das in die ausgesparten Taschen 80, 82 und
84 strömende Medium durch den Umlauf des Rotors in den
Taschen mitgenommen; bei hohen Drehzahlen des Rotors wird es
schließlich aus den Taschen an einer zufälligen Stelle und
in einer Richtung abgegeben, die normalerweise eine radial
nach außen gerichtete Bewegungskomponente aufweist, wie auch
eine Bewegungskomponente in Richtung gegen einen
Hochdruckbereich der Pumpenkammer. Diese Anordnung verhindert wirksam
die Bildung eines geordneten kontinuierlichen
Strömungsweges durch den Spalt.
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Eine bevorzugte Anordnung der Taschen 80, 82, 84 ist jene in
Fig. 6 dargestellte, wobei sich die Taschen in
konzentrischen kreisförmigen Mustern und über den Umfang
gesehen gleichförmig verteilt innerhalb des kreisförmigen
Musters erstrecken. Die Umfangslänge und die Winkelanordnung
der Taschen um die Rotorachse ist bei jeder konzentrischen
kreisförmigen Anordnung von Taschen verschieden, wobei die
Taschen 82 in Umfangsrichtung die Zwischenräume zwischen
einander benachbarten Taschen 80 des nächst-inneren Ringes
überlappen, und wobei die Taschen 84 des äußersten Ringes in
gleicher Weise in Umfangsrichtung die Zwischenräume zwischen
einander benachbarten Taschen 82 des nächst-inneren Ringes
überlappen. Diese Anordnung positioniert wirksam eine oder
mehrere Taschen auf jeglichem direkten Strömungsweg über die
Flächen 26 oder 36 des Gehäuses, die sich zwischen zwei
beliebigen Punkten in der Pumpenkammer wie P1 und P2 in Fig.
2 erstrecken können, und die genügend weit voneinander
angeordnet sind, um ein nennenswertes Druckdifferential zu
bilden.
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Die Konfiguration und Anordnung der Taschen 80, 82 und 84
kann irgendeine von zahlreichen alternativen Möglichkeiten
aufweisen, die gemäß den konstruktiven Anforderungen des
Rotors sowie der Herstellungsmaschinen- und Verfahren zum
Herstellen der Taschen gewählt werden. Allgemein gesprochen
ist es wünschenswert, daß eine Mehrzahl konzentrischer Ringe
von Taschen verwendet werden, wobei die Taschen der
einzelnen Ringe in Umfangsrichtung die Zwischenräume
zwischen den Taschen benachbarter Ringe überlappen; die in
den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform ist nur ein
Ausführungsbeispiel einer solchen bevorzugten
Ausführungsform.
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Während es sehr wünschenswert ist, daß die Taschen dem Rotor
angeformt sind, so können die Taschen dann, wenn dies im
Hinblick auf die Rotorkonstruktion nicht praktikabel ist,
dem Gehäuse und dem Deckel in den Flächen 26, 36 angeformt
werden.
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Während beispielhafte Ausführungs formen der Erfindung oben
im einzelnen beschrieben wurden, so versteht es sich für den
Fachmann, daß die dargestellten Ausführungsformen
abgewandelt werden können. Demgemäß ist die vorausgegangene
Beschreibung nur als beispielhaft zu betrachten, und nicht
als begrenzend, und der Schutzumfang der Erfindung ist in
den Ansprüchen niedergelegt.